基于Fragstats 模型的羊曲水電站庫區蓄水后景觀格局分析

關鍵詞：庫區蓄水;景觀格局指數;土地利用轉移矩陣;Fragstats模型;羊曲水電站

中圖分類號：P901;TV62;TV882.1文獻標識碼：ADOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2025.10.006

景觀格局指數是量化景觀空間結構特征的指標，主要用于定量刻畫景觀空間異質性及其變化特征[1]通過對斑塊數量、形狀、面積、邊界復雜度及其空間組合關系的度量，揭示不同景觀要素之間的結構特征與生態聯系，從而為刻畫生態過程、評價生態系統健康狀態及制定土地管理策略提供科學依據[2-4]。近年來，景觀格局指數在土地利用變化、生境破碎化、生物多樣性維護等領域中得到廣泛應用，成為生態環境變化監測與模擬預測的重要支撐手段[5-6] 。

Fragstats模型是國際上應用廣泛的景觀格局分析模型之一，具備從斑塊尺度、類型尺度到景觀尺度多層次指數計算的能力[6。該模型集成了斑塊密度、聚集度、蔓延度、香農多樣性指數等經典景觀格局指數，可有效判別景觀結構的破碎化程度、空間聚集特征及多樣性變化趨勢[7]。國內已有學者基于Fragstats模型在城市綠地、農業景觀、濕地生態系統等多個生態環境單元中開展了實證研究，結果表明其在景觀變化定量評價與空間優化方面具有顯著優勢，特別適用于水利開發、土地利用強度調整等背景下的景觀格局變化監測[8-9] 。

羊曲水電站位于黃河上游干流中段，是國家重點推進的清潔能源開發工程之一。隨著水庫工程的實施，區域土地利用格局將發生顯著改變，進而影響景觀結構的空間配置與生態系統服務功能。本研究基于Fragstats模型模擬分析羊曲水電站上游庫區蓄水前、后景觀格局變化情況，旨在為黃河上游水電開發背景下的生態保護規劃與土地利用優化管理提供理論支撐和決策參考。

1 研究區概況

羊曲水電站（在建）位于省海南藏族自治州興海縣與貴南縣交界處黃河上游干流的羊曲峽谷段，地理位置 35^°44^′44^′′N，100^°16^′46^′′E[ 見圖1（a）]，是黃河上游梯級水電開發體系中的關鍵節點工程，其上游接續班多水電站，下游銜接龍羊峽水利樞紐[10]。羊曲水電站設計總庫容16.39億 m³ ，正常蓄水位 2715m ，生態限制水位 2 710m 。電站蓄水運行后，將會形成規模較大的水庫，電站上游羊曲一班多黃河段河道周邊將形成一定的淹沒區[見圖1（b）]。淹沒區位于黃河源區，黃河源區是黃河流域重要的水源涵養區之一，年徑流貢獻率高達 38% ，獨特的水文氣候條件為區域水電開發提供了重要的資源保障[10-11]。受季風氣候與地形抬升的共同影響，區域氣候呈現出由西北半干旱逐漸向東南半濕潤過渡的氣候特征[12]。區內年均降水量不足 312mm ，年均氣溫普遍低于 -4°C ，降水與氣溫均表現出自東向西遞減的空間分布格局[12]工程壩址所在區域地貌整體呈V形，岸坡坡度 53^°～ 58^° ，地質構造穩定，河道落差較大，為水電站樞紐工程的建設提供了良好的地形地質條件。

圖1羊曲水電站位置及研究區示意

2數據來源與研究方法

2.1數據來源與預處理

為貼合研究區土地利用情況，經野外調研、比選后，本研究選用武漢大學發布的2020年土地利用數據集，分辨率為 30m ，分為耕地、森林、灌木林地、草地、水域、裸地、不透水地7種土地利用類型。DEM數據來自于91衛圖軟件，下載精度為 8m ?；?020年的土地利用數據和DEM高程數據，以 2710m 高程為未來蓄水位，通過GIS軟件繪制模擬庫區蓄水后羊曲—班多河段周邊的土地利用類型圖。所有數據的柵格投影為WGS_1984_UTM_Zone_47N，空間分辨率重采樣至8m ，以淹沒區外 2000m 緩沖區范圍進行裁剪分析。

2.2土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣通過對同一地區不同時段內的土地利用變化進行量化分析，來測算各土地利用類型的相互轉換情況[13]。該方法能精準揭示不同土地類型之間的轉化趨勢及結構變化特征，在土地利用變化及其演化規律研究中具有良好的適用性與可靠性[14]，計算公式為

式中： A_ij 為在研究時段內第 i 類土地利用類型向第 j 類轉化的面積，單位 km² ： n 為土地利用的總類型數量。

2.3 景觀格局指數

基于土地利用數據，對羊曲水電站上游庫區蓄水前、后的景觀進行景觀格局指數分析。采用Fragstats模型進行指數計算，選取類型水平、景觀水平共12個指標來反映庫區蓄水前、后的景觀格局變化狀況。各景觀格局指數定義與計算公式[15]見表1。

表1景觀格局指數含義及其計算公式

續表1

注：表中相同變量含義相同。

3 分析與討論

3.1蓄水前、后庫區土地利用狀況

1）羊曲水電站上游庫區蓄水前、后土地利用在空間分布上呈現出明顯的差異（見圖2）： ① 最直觀的變化體現在水域的面積和形狀上，在蓄水前水域沿河道呈線狀分布，僅在河道轉彎處和局部低洼處略有擴張，蓄水后水域在庫區上游和局部河段顯著擴張，形成更大面積的水面，呈帶狀分布。 ② 蓄水前耕地和草地主要分布在河谷兩岸及局部平緩區域，相對集中連片且范圍較廣，蓄水后草地和耕地面積明顯減少，低洼地帶被水域取代。 ③ 林地面積在蓄水前、后基本沒有變化，仍集中分布在庫區周邊海拔較高、坡度較大的地帶，整體分布格局變化不顯著，說明水庫形成對高海拔或陡坡區域的林地影響相對較小。 ④ 裸地規模不大且分布零散，局部區域在蓄水后可能因工程活動或水位變動而發生小范圍調整?？傮w上蓄水前、后最顯著的變化集中在水域的大幅擴張和草地、耕地等低洼地類的縮減，林地主要分布在高海拔地區，受影響相對較小，這些變化直觀體現出水電站庫區蓄水對區域土地利用格局的重塑過程。

圖2羊曲水電站上游庫區蓄水前、后土地利用空間分布

2）羊曲水電站上游庫區蓄水前、后各地類面積均發生變化（見表2）： ① 蓄水前土地利用以草地（271.88km² ）為主，其次為耕地（ 20. 17km² ）、裸地（9.18km² ）、水域 （8.21km² ），森林、灌木林地分布少，不透水地更少。 ② 蓄水后，土地利用以草地（237.93km² ）、水域（ 68.25km² ）為主，除水域面積激增60.04km² ，森林、灌木林地面積基本沒有變化外，其余各地類面積均減少，草地面積減少最多，不透水地基本全部轉化為水域，裸地 63.94% 的面積轉化為水域。這一“單增多減”的格局表明，水庫蓄水直接淹沒了大量低海拔的草地、裸地與耕地，導致自然地表覆蓋類型向水域大規模轉化，水域擴張成為景觀格局演變的核心特征。

表2羊曲水電站上游庫區蓄水

3.2類型水平上景觀格局指數分析

以蓄水區外 2 000m 緩沖區作為總景觀區，面積約為 998.82km² ?；谘蚯娬編靺^蓄水前、后不同時期土地利用數據，采用Fragstats模型，獲取類型水平上景觀格局指數（見表3），對比分析庫區蓄水前、后各景觀變化情況。

表3羊曲水電站上游庫區蓄水前、后的類型水平上景觀格局指數

注：表中“NA\"表明此處數據無效或有誤差；不透水地僅出現1個極小斑塊，空間上無代表性，部分指標如斑塊破碎化指數無法計算，聚集度雖為100% ，但無實際聚集意義。

1）蓄水前，耕地面積占景觀總面積的 2.02% ，其斑塊數量為212個，斑塊密度為0.21個 /km² ，表明耕地在景觀中呈零散分布；最大斑塊面積指數僅為0.25% ，表明耕地整體規模較小；斑塊形狀指數為17.32，說明耕地形狀復雜性較高，邊界較為不規則；聚集度 （97.24% ）較高，表明盡管耕地分布較零散，但仍保持一定的連片性。蓄水后，耕地面積占景觀總面積的0.000 17% ，較蓄水前明顯下降；其斑塊數量減少至158個、斑塊密度降為0.16個 ?km² ，表明部分耕地被水域取代，整體呈現更加零散的分布狀態；最大斑塊面積指數仍為 0.25% ，說明耕地仍以小斑塊為主；斑塊形狀指數降至15.58，說明部分耕地邊界趨于規則，形態復雜性略有減弱；聚集度為 97.33% ，與蓄水前相近，表明耕地雖有減少，但連片性保持穩定。

2）森林的景觀格局在蓄水前、后相對穩定。蓄水前，其面積占比為 0.44% ，斑塊數量為303個，斑塊密度為0.30個/ km² ，表明林地破碎程度較高;最大斑塊面積指數 （0.07%） 較低，說明在整體景觀格局中缺乏大面積的連片林地;斑塊形狀指數（18.12）較高，表明森林邊界較為復雜，可能是受地形限制或人為干擾影響導致的。蓄水后，斑塊數量減少至292個，斑塊形狀指數略有降低，但整體變化幅度較小，表明森林生態系統具有一定的穩定性，庫區蓄水后對其影響小。

3）蓄水前，灌木林地面積占比為 0.07% ，斑塊數量為103個，斑塊密度為0.10個 /km² ，說明灌木景觀破碎程度較高；最大斑塊面積指數 （0.02%） 低，表明灌木斑塊規模小，未形成大規模連續片區；斑塊形狀指數（12.86）較低，說明灌木邊界相對規則。蓄水后，灌木的各項指數變化不大，表明其景觀格局相對穩定，可能與灌木耐受性較強及環境適應能力較強有關。

4）草地是庫區的主要土地利用類型，蓄水前該類土地占景觀總面積的比例達 27.22% ，其斑塊數量為148個，斑塊密度為0.15個 ?km² ，表明草地景觀具有一定的破碎化特征；草地最大斑塊面積指數（27.18% ）較高，說明景觀中存在較大面積的連續草地；斑塊形狀指數（15.20）較高，表明草地邊界較為復雜。蓄水后，草地最大斑塊面積指數降至 17.87% ，表明部分連續草地被水域取代，景觀破碎化程度有所增加。草地的減少可能對區域生態系統服務功能，如水土保持和生物棲息地提供等，造成一定的影響。

5）蓄水前，水域面積占比為 0.82% ，斑塊數量為33個，斑塊密度為0.03個 /km² ，表明水域在景觀中分布較為分散。最大斑塊面積指數 （0.23%） 較低，說明水域主要由多個小斑塊組成;斑塊形狀指數（17.93）較高，說明水域邊界復雜，可能受地形和河道分布影響。蓄水后，水域面積大幅增加，斑塊面積占比提高到6.83% ；水域斑塊數量減少至3個，最大斑塊面積指數顯著上升至 5.02% ，說明庫區形成了大面積連續水域，水域破碎化程度明顯降低。水域的連片化增強可能會影響當地濕地生態系統及水生生物的生境結構。

6蓄水前，裸地面積占比為 0.92% ，斑塊數量較多（659個），斑塊密度為0.66個 /km² ，表明裸地的分布很零散斑塊；斑塊形狀指數（29.81）較高，說明裸地邊界較為復雜，可能是受地形起伏或人為干擾影響導致的；聚集度 （92.76% ）較低，表明裸地的破碎化程度較高。蓄水后，裸地大部分轉化為水域，現存裸地8個指標均有所降低，其分布依然很零散，且邊界較為復雜、破碎化程度較高。裸地的減少未來可能會對區域生態穩定性產生影響。

7）蓄水前，不透水地在研究區內僅有1個極小斑塊，各指數顯示出不透水地在景觀中分布極其有限且形態規則。蓄水后，不透水地的面積和數量進一步減少，幾乎消失，其景觀格局指標難以計算。這表明水庫蓄水對不透水地的削弱作用明顯，其在整體景觀格局分析中的貢獻可以忽略不計。

綜上所述，各土地利用類型在蓄水前、后的變化趨勢表現出明顯的空間異質性。草地和耕地面積顯著減少，破碎化程度增加，而水域面積大幅擴張，并趨于連片化，表明庫區形成后原有陸地生態系統被水域取代。森林和灌木林地的景觀指數變化較小，表明其受水庫蓄水的直接影響相對較弱，可能與植被所處的位置或耐受能力有關。整體來看，水域擴張對庫區景觀格局的主導性影響明顯，植被類型受其影響程度不同，草地、裸地的減少可能對區域水土保持、生物多樣性及生態功能產生深遠影響。因此，后續研究應關注水庫運行對生態系統的長期效應，包括植被恢復、水土流失控制及水生生態系統的演變過程，以制定合理的生態保護和管理策略。

3.3景觀水平上景觀格局指數分析

蓄水前、后羊曲水電站庫區景觀水平上的4個指數（見表4）呈現出不同的變化趨勢，蔓延度指數出現了小幅下降，而香農多樣性指數和均度指數則有所上升。

表4羊曲水電站上游庫區蓄水前、后景觀水平上景觀格局指數

1）蔓延度指數由蓄水前的 80.05% 降至蓄水后的77.04% ，意味著景觀整體的聚集度有所降低。蔓延度指數通常用于衡量不同土地利用類型在空間上的集中或連片程度，數值的下降表明在水庫形成后，原先較為連片的地類被水域及其他地類進一步分割，從而使得景觀格局更加離散

2）結合度指數由 99.95% 略微降至 99.94% ，沒有明顯差別，均接近 100% 。結合度指數用于描述各地類在空間上的物理連接程度，數值越高說明景觀越完整、斷裂越少。蓄水后，該指數依然維持在極高水平，顯示出庫區蓄水并未在大范圍內破壞主要地類之間的物理連通性。結合羊曲水電站區域地形條件可推斷，森林或其他高海拔用地在此過程中受影響相對有限，整體分布依舊保持連續

3）香農多樣性指數由0.80上升至0.87、香農均度指數由0.39上升至0.45，二者均表現出不同程度的增長。香農多樣性指數上升意味著景觀中土地利用類型的豐富度或分配格局趨于多元，而香農均度指數的增高則說明不同地類在面積或數量上更加接近均衡狀態。這種趨勢與水庫形成后草地、耕地被淹沒而水域面積迅速擴大，以及不透水地等建設用地類型相應減少有直接關聯，原先占據較大面積的草地和耕地減少后，水域在整個景觀中的占比上升，整體分布更趨均衡。

綜上所述，羊曲水電站庫區蓄水后，景觀的蔓延度指數略有下降，但連通性仍保持在高位，表明雖出現了部分地類的破碎化和斑塊增減，但整體空間結構并未發生大規模斷裂。此外，香農多樣性指數和均度指數的提高顯示了庫區在蓄水后形成了更為多元化的用地類型組合。在后續的生態管理與研究中，需進一步關注水域擴張帶來的生態效應，包括對生物多樣性和棲息地的影響；也應結合草地與耕地的減少情況，對庫區周邊的生態系統服務功能和社會經濟效益進行綜合評估，以在水利工程效益與區域生態安全之間實現更好的平衡。

4討論與結論

本研究基于土地利用類型數據，采用Fragstats模型對比分析了羊曲水電站上游庫區蓄水前、后的土地利用變化及景觀格局演變，揭示了水電站建設對區域土地利用及生態景觀的影響。

1）在水庫建設及蓄水影響下，區域內土地利用類型發生顯著變化。其中，水域面積顯著增加，而植被覆蓋面積（如草地、灌木林地）在部分區域減少。不同水力學梯度對土地利用變化的影響存在差異，整體趨勢表現為低洼地向水域轉化，而高程較高區域的土地利用類型保持相對穩定。

2）在景觀類型水平上，不同景觀類型的景觀格局指數隨庫區蓄水后水文情境的變化呈現不同趨勢：斑塊破碎化指數顯示，植被類景觀的破碎化程度在庫區蓄水后有所增加，表明水域擴張導致植被景觀的連續性下降；斑塊形狀指數表明，水域和濕地景觀的形狀趨于復雜化，可能與地形和水流作用有關；景觀聚集度和最大斑塊面積指數表明，水域景觀的聚集程度增加，而草地景觀的連通性在局部地區有所下降。

3）從景觀整體格局來看，景觀水平上的香農多樣性指數和均度指數在不同水文情境下均呈上升趨勢，這表明水庫建設初期，景觀多樣性受到一定程度的擾動，但隨著水域和周邊植被重構穩定，景觀格局漸趨于穩定。

4）水庫蓄水過程重塑了區域土地利用格局與景觀生態結構，對高原水電工程區域的生態安全格局與景觀系統穩定性具有深遠影響，應加強高原庫區水生態連通性保護，優化土地空間管控策略，以便于后續生態修復與景觀管理。

5）研究結果為探究水庫建設對區域生態景觀格局的影響提供了重要參考。一方面，研究揭示了水域擴張及草地、耕地減少的趨勢，為水庫管理及土地資源優化提供了科學依據；另一方面，研究表明不同土地利用類型對水庫蓄水的響應存在差異，這為未來生態修復及水土保持措施的制定提供了參考。后續研究可進一步探討水庫長期運行對生物多樣性及生態系統服務功能的影響，以支撐可持續的流域管理和生態保護策略制定。

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（責任編輯 張緒蘭）