近35年石羊河流域景观格局演变及其驱动因素_闻译竣.pdf
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1、DOI:10.11829/j.issn.1001-0629.2022-0170闻译竣,石超,王树伟,张金龙,马晓芳.近 35 年石羊河流域景观格局演变及其驱动因素.草业科学,2023,40(1):303-317.WENYJ,SHIC,WANGSW,ZHANGJL,MAXF.LandscapepatternevolutionanditsdrivingforcesintheShiyangRiverBasinfrom1986to2020.PrataculturalScience,2023,40(1):303-317.近 35 年石羊河流域景观格局演变及其驱动因素闻译竣1,石超1,王树伟1,张金龙2,
2、3,马晓芳2(1.金昌市污染源监控中心,甘肃金昌737100;2.中国科学院西北生态环境资源研究院/高分辨率对地观测系统甘肃数据与应用中心,甘肃兰州730000;3.中国科学院西北生态环境资源研究院/甘肃省遥感重点实验室,甘肃兰州730000)摘要:景观格局时空演变是土地利用变化最直接的体现,是景观生态学研究的重点和热点。本研究利用 19862020 年 4 期土地利用/覆被数据,借助 ArcGIS 和 FRAGSTATS 软件,采用标准法和移动窗口法计算景观格局指数,分析石羊河流域景观格局时空演变特征,并通过灰色关联度法探讨景观格局变化的主要驱动力。结果表明,近 35 年石羊河流域的景观结构
3、总体呈现“耕地与建设用地面积明显增加,未利用地面积大量减少,其余景观类型相对平稳”的变化趋势。19862010 年各景观面积转移相对简单,主要表现为未利用地转为耕地,20102020 年各景观面积转移变得复杂,主要表现为未利用地转为建设用地及耕地,林地和草地、未利用地和草地之间存在大面积的相互转换。19862020 年主体景观未利用地及草地的优势度降低,破碎度增强,而耕地及建设用地景观优势度增加,破碎度降低,整体景观趋于多样化、破碎化。灰色关联法分析发现,降水、气温、人口数量和第一产业是石羊河流域景观格局变化的关键驱动因素。研究结果可为研究区土地利用规划和管理、景观生态恢复、保护及可持续发展提
4、供科学依据。关键词:景观指数;移动窗口法;土地利用;时空演变;驱动力;灰色关联分析;石羊河流域文献标志码:A文章编号:1001-0629(2023)01-0303-15Landscape pattern evolution and its driving forces in theShiyang River Basin from 1986 to 2020WENYijun1,SHIChao1,WANGShuwei1,ZHANGJinlong2,3,MAXiaofang2(1.PollutionResourceMonitoringCenterofJinchang,Jinchang737100,Ga
5、nsu,China;2.GansuDataandApplicationCenterforHigh-resolutionEarthObservationSystem/NorthwestInstituteofEco-EnvironmentandResources,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000,Gansu,China;3.KeyLaboratoryofRemoteSensingofGansuProvince/NorthwestInstituteofEco-EnvironmentandResources,ChineseAcademyofSciences,
6、Lanzhou730000,Gansu,China)Abstract:Thespatio-temporalevolutionoflandscapepatternisthemostintuitivemanifestationoflanduseandcoverchange(LUCC),andisthefocusoflandscapeecologyresearch.Basedonthelanduse/landcover(LULC)datafrom1986to2020,thelandscapepatternindexwascalculatedbythestandardandmovingwindowme
7、thodstoanalyzethetemporalandspatialevolutioncharacteristicsoflandscapepatternintheShiyangRiverBasinusingArcGISandFRAGSTATSsoftware.Themaindrivingforcesoflandscapepatternchangeweredeterminedbycalculatingthegreycorrelationdegree.Theresultsshowedthattheareasofcultivatedandconstructionlandhaveincreaseds
8、ignificantly,thatofunusedlandhasdecreasedsignificantly,andtheotherlandscapetypeshavehadarelativelystablechangetrendintheShiyangRiverBasininthelast35years.Thetransferofeachlandscapeareawasrelativelysimple,mainlymanifestedintheconversionofunusedtocultivated收稿日期:2022-03-14接受日期:2022-05-09基金项目:国家重点研发计划项目
9、“祁连山自然保护区生态环境评估、预警与监控关键技术研究”(2019YFC0507404)第一作者:闻译竣(1979-),女,甘肃张掖人,工程师,主要从事污染源监控、环境应急、环境管理等方面工作。E-mail:通信作者:张金龙(1985-),男,河北石家庄人,工程师,硕士,主要从事遥感与生态环境应用研究。E-mail:第40卷第1期草业科学303-317Vol.40,No.1PRATACULTURALSCIENCE1/2023http:/landfrom1986to2010.Thetransferofeachlandscapeareabecamecomplexfrom2010to2020,mai
10、nlymanifestedintheconversionofunusedtoconstructionandcultivatedlands,andexhibitedalarge-areamutualconversionbetweenforestlandandgrassland,andunusedlandandgrassland.During19862020,thedominanceofunusedlandandgrasslanddecreasedand the fragmentation increased,whereas the dominance of cultivated land and
11、 construction land increased and thefragmentationdecreased,andtheoveralllandscapetendedtobediversifiedandfragmented.Temperature,precipitation,population,andprimaryindustryarethekeydrivingfactorsoflandscapepatternchangeintheShiyangRiverBasin.Theresultscanprovideascientificbasisforlanduseplanningandma
12、nagement,andlandscapeecologicalrestoration,protection,andsustainabledevelopment.Keywords:landscapeindex;movingwindowmethod;landuse;spatio-temporalevolution;driveanalysis;greyrelationanalysis;ShiyangRiverBasinCorresponding author:ZHANGJinlongE-mail:景观格局是由自然或人为形成的大小形状不同的斑块在空间上的配置以及其相互作用的结果,反映生态系统的演变过程
13、1-3。景观格局变化是土地利用变化最直接的体现,基于土地利用变化的景观格局演变分析是景观生态学研究的重要内容4。景观格局变化的驱动机制研究可揭示整体景观的演变规律,对模拟、预测未来景观格局变化也具有一定的指导意义,越来越成为景观生态学的研究热点5。国外关于景观格局的研究始于 20 世纪 50 年代,且以定性研究为主6-9。我国景观格局的研究始于 20 世纪 80 年代初,由林超等引入中国10。随着对景观格局、功能及过程研究的不断深入,景观格局研究逐步呈现生态学、地理学、3S 技术及地统计学等各学科间交叉融合的发展态势,景观指数对景观格局的高度概括性使其成为景观格局分析的重要手段,用来刻画景观格
14、局空间特征、识别景观生态风险区及揭示景观格局变化引起的生态问题11-17。研究区域多集中在城市地域、湿地及人类活动较为剧烈的流域。巫丽芸等18运用景观格局指数、缓冲带分析及移动窗口法,分析了福建海岛内陆到海岸地带的景观破碎化梯度变化特征。付扬军等19基于 19902015 年遥感影像数据,采用标准法和移动窗口法揭示了汾河流域景观破碎化时空演变过程。景观格局变化驱动力因素主要分为自然和人为因素两大类型20,Kefalas 等21研究表明自然植被区变化主要受地形、气候和自然灾害的影响,农业区变化则与社会经济发展情况密切相关。方法上国内外以定性分析22、相关性分析23和回归分析24为主,灰色关联分析
15、对数据量要求少且能够定量化分析未知因子间的相关关系,逐渐被运用到景观格局驱动机制研究中25。内陆河流域是景观生态学研究的热点区域26。石羊河流域生态环境脆弱但人口密集,剧烈的人类活动和趋向暖湿的气候转型强烈干扰流域景观生态,生态环境问题严重27。因此,石羊河流域景观格局变化及其驱动力研究具有区域典型性及必要性。该流域景观演变分析已有一定开展28-29,但大多局限于景观演变过程,立足全流域的景观格局变化及驱动力定量化研究较少。本研究以 19862020 年土地利用数据为基础,运用景观格局指数和灰色关联度探究了石羊河流域景观格局动态演变特征及驱动因素,为优化流域景观格局结构、助力景观生态恢复、保护
16、及可持续发展提供科学依据。1 材料与方法 1.1 研究区概况石羊河流域位于甘肃省河西走廊东部,祁连山北麓,介于 101.1104.2E,37.239.5N,总面积约4.03104km2(图 1)。属西北干旱区内陆河流域,地势南高北低,整体可分为南部祁连山地、中部走廊平原区、北部低山丘陵区及荒漠区 4 大地貌单元30。流域气候空间分异明显,太阳辐射强、温差较大、降水稀少、蒸发强烈,是我国最干旱的地区之一31。行政区划上来看,主要包括武威市的凉州区、古浪县、民勤县,金昌市的永昌县、金昌区及张掖市肃南裕固族自治县部分地区,是我国内陆河流域中人口最密集、水土资源开发利用程度最高、生态环境问题严重的流域
17、之一32。近年来,政府及相关部门相继采取一些诸如调整农业种植结构、植树治沙等流304草业科学第40卷http:/域治理措施,开展该区域景观格局时空演变研究可为相关部门生态恢复措施的制定、产业格局调整等提供科学依据。1.2 数据土地利用/覆被数据基于美国陆地卫星 LandsatMSS(1986 年)、Landsat TM/ETM(2000 年 和 2010年)和 Landsat8(2020 年)数据为主信息源,经波段提取、假彩色合成、几何精纠正、图像镶嵌等预处理和人工目视解译得到,空间分辨率为 100m。数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心(http:/)。该数据库采用 Kappa 系数检
18、验方法对其进行精度检验,各时期遥感影像 Kappa系数均高于 0.8033-34。土地利用/覆被数据共包括 3级分类系统,本研究选用一级分类系统,即耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地,来进行石羊河流域景观格局变化研究。气温和降水量数据来源于国家地球系统科学数据中心(http:/),分辨率 1km,时间范围为 19862020 年。统计数据来源于金昌市及武威市统计年鉴,包括人口、地区生产总值、第一产业增加值、第二产业增加值及第三产业增加值等指标,时间范围为 19862020 年。1.3 研究方法1.3.1 土地利用变化采用单一动态度来表示不同景观类型在某个研究时段内的变化速度。一般来说,
19、景观类型变化速度越大,则该景观利用强度越大,人类对自然环境的干扰越明显35。V=UbUaUa1T2T1100%。(1)39 N38 N37 N39 N38 N37 N高程 Elevation/m高 High:5 219低 Low:1 177县级行政中心 County administrative center省级行政界线 Provincial boundary市级行政界线 Municipal boundary样线 Line transect流域边界 Basin boundary100 E101 E102 E103 E104 E101 E102 E103 E0153060 km104 E92 E
20、42 N38 N34 N42 N38 N34 N96 E100 E104 E甘肃省Gansu Province石羊河流域Shiyang river basin108 E92 E96 E100 E104 E108 ENMinle County民乐县张掖市Zhangye City金昌市Jinchang CityJinchuan District金川区Yongchang County 永昌县Minqin County民勤县Wuwei City武威市Liangzhou District凉州区Gulang County古浪县Jingtai County景泰县Tianzhu County天祝藏族自治县图
21、1 研究区地理位置与样线布设图Figure 1 Geographical location and sample line layout of the study area第1期闻译竣等:近 35 年石羊河流域景观格局演变及其驱动因素305http:/UaUbT1T2式中:V 指研究时段内某种景观类型的变化速度;和分别指研究初期与研究末期某种景观类型的面积;和分别指研究初期与研究末期。土地利用转移矩阵不仅能体现出研究初期与研究末期各土地利用类型的组成情况,还能反映出研究时段内各土地利用类型的转移情况36。其通用公式为:Sij=|S11S12S1nS21S22S2n.Sn1Sn2Snn|。(2)
22、Sij式中:为景观面积;n 为景观的类型数;i、j 分别为研究初期与研究末期对应的景观类型。1.3.2 景观格局指数由于景观指数之间存在一定的关联性,因此从较多景观指数中筛选较少的代表性指标来表征城市景观格局非常重要37-38。参照已有研究的成果39-40,结合本研究的实际情况,从斑块类型水平和景观水平选取斑块数(numberofpatches,NP)、斑块密度(patchdensity,PD)、斑块面积占比(percentoflandscape,PLAND)、最大斑块指数(largestpatchindex,LPI)、蔓延度指数(contagionindex,CONTAG)、聚集度指数(ag
23、gregationindex,AI)、香农多样性指数(Shannonsdiversityindex,SHDI)和香农均匀度指数(Shannonsevennessindex,SHEI)等 12 个景观指数(表 1),采用Fragstats4.2 软件的标准法分析研究区近 35 年景观格局变化。1.3.3 移动窗口法与样线布设本研究拟从破碎化与多样化角度探讨研究区景观格局的空间演变特征,即选取斑块密度(PD)、最大斑块斑块指数(LPI)、香农多样性指数(SHDI)和香农均匀度指数(SHEI),基于 1986 年土地利用数据,采用 Fragstats4.2 软件的移动窗口法,以 100m的奇数倍为窗
24、口半径增长幅度(300、500、700、900、1100、1300、1500、1700 和 1900m),得到不同窗口尺度的景观指数栅格图。移动窗口尺度过小会导致景观局部特性掩盖整体特性,生成的图像不具有连续性,而窗口过大又会导致整体图像细节丢失,生成的图像模糊40。考虑到研究区地势地貌的分布特点,设置一条西南东北方向样线,样线上均匀布置 280 个样点,结合移动窗口得到的景观指数栅格图,提取布设的各样点景观指数值并求取平均值,确定研究区最佳移动窗口尺寸。1.3.4 灰色关联度驱动分析本研究采用灰色关联法来量化社会经济和气候因子对研究区景观格局变化的驱动作用。灰色关联度的原理是根据各影响因素之
25、间的发展趋势的相似或相异程度来衡量因素之间的关联度41。首先采用归一化对各驱动因子进行无量纲化处理,再基于Matlab 软件计算灰色关联度,关联系数越高,比较序列对参考序列的影响越大,反之越小。该方法与回归分析、主成分分析等统计学方法相比具有对数据要求较低且精度高的优点42。均值化归一:Xi(k)=nXi(k)nk=1Xi(k);(3)关联系数:i(k)=minimink|X0(k)Xi(k)|+maximaxk|X0(k)Xi(k)|X0(k)Xi(k)|+maximaxk|X0(k)Xi(k)|。(4)Xi(k)ikX0(k)k|X0(k)Xi(k)|minimink|X0(k)Xi(k)
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