赫晓慧，李紫薇，郭恒亮，田智慧

景观格局是景观异质性的具体表现，景观格局分析是一种研究景观结构组成特征及空间配置的方法，是景观功能与动态分析的基础［1］。国内外关于景观格局的研究大多集中在土地利用与景观格局变化研究［2－3］、景观生态风险评价［4］、景观生态安全［5］等领域。张保华等［2］以黄河下游为例对土地利用与景观格局变化的空间分异特征进行了研究;高宾等［4］构建景观生态风险指数，利用 GIS和地统计学对研究区的生态风险空间分异规律进行探究。这些研究形成了比较完善的评价方法，然而对于景观格局脆弱性的研究尚不多见。河南省黄河沿岸地区农业资源发达，多个大城市沿河而建，由于人类活动、黄河多次改道、摆动、黄河水沙变化以及等多种干扰因素综合作用，景观类型的分布面积和空间结构等一直在发生重大的变化，对该地区开展景观格局动态变化及脆弱度分析，了解其成因与机制，是理解人类活动与自然环境相互关系的重要途径［6］。孙才志等［7］评价了下辽河平原的景观格局脆弱性，但是下辽河平原景观格局特点与黄河中下游平原截然不同。因此，有必要针对黄河沿岸这种人类开发历史悠久的局部区域开展脆弱度的研究。本研究运用遥感技术、Fragstats 3.4软件和GS+空间分析技术，以河南省黄河沿岸中东部地区作为研究区域，定量分析其景观格局动态变化及景观脆弱度，研究成果对研究区及类似区域景观格局的合理开发利用具有一定的应用价值。

1 研究区概况

河南省黄河沿岸地区位于河南省北部，地理坐标在北纬 34°34'～36°08'，东经 110°22'～116°07'之间。横跨三门峡、济源、洛阳、郑州、新乡、开封、焦作、濮阳8市。东西长711 km，跨度最宽处50 km。属与暖温带半湿润大陆性季风气候，四季分明，旱涝频繁。夏季暖热多雨，冬季寒冷干燥，春季干旱多风，秋季晴和凉爽。年平均气温在12.0～14.8℃，年平均降雨量为550～650 mm，土壤类型主要有褐土、潮土、盐碱土、风沙土。由于三门峡和洛阳西部黄河沿岸地区大多为丘陵山地，人为干扰较少，研究其景观格局动态变化与脆弱度意义不大。因此，本研究区域选择为河南省黄河沿岸中东部地区。该区域是河南省黄河沿岸重要的工农业生产区域，城市集中，人类活动特别是引黄灌溉历史悠久，人为干扰度大，景观格局类型齐全、特征典型，在黄河流域具有典型代表意义。

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源与处理

数据源主要包括河南省2000年、2006年和2012年3期的TM遥感影像(下载于Global Land CoverFacility， http://www.glcf.umiacs.umd.edu)、河南省行政区划矢量图(1∶50万)和河南省地形图(1∶5万)在ERDAS软件支持下，对3期的TM遥感影像进行裁剪，然后进行合成、几何校正、解译等处理，得到3期土地利用的分布情况。参考《全国土地利用现状调查技术规程》，将土地利用的景观类型划分为草地、林地、水域、水田、旱地和建设用地(图1)。

图1 研究区地理位置与景观类型Fig.1 Geographical location of study area and the landscape type

2.2 研究方法

对3个时期的景观类型现状图进行空间叠加运算，求出各时期间景观类型转移矩阵;然后按照等间距采样法对研究区进行网格划分，计算每一个网格区域的景观格局指数并构建景观脆弱度指数;最后利用地统计学软件GS+和ArcGIS软件，得到研究区景观脆弱度指数空间分布图。

2.2.1 单元网格的划分 为了保证每个尺度信息的完整性及定量评价过程中的准确性，根据研究区的范围和采样工作量，本研究采用等间距的采样方法将研究区划分为10 km×10 km的正方形单元网格，即景观脆弱度小区，共有样区80个，计算每一个采样区的景观脆弱度大小，并把该属性值赋给采样区中心点。

2.2.2 景观脆弱度指数的构建 景观格局的脆弱度与其自身的敏感性以及受到外界干扰时表现出的恢复能力有关，能够反映出某个地区的抗干扰程度。本文根据景观格局脆弱性的概念及内涵［7－8］，利用FRAGSTATS软件计算各景观指数，通过景观敏感度指数和景观恢复度指数构建景观脆弱度指数。

(1)景观敏感度指数

景观敏感度是景观某一组分受到自然或人为干扰后发生变化的速率，速率越大，敏感度越强［9］。本文首先通过基础指数构建景观干扰度指数和景观类型易损度，然后将两个指数叠加来反映景观格局受外界干扰后的敏感响应程度。景观敏感度指数LSI表达式为:

式中:n为景观类型数目;i为景观类型。其中，景观干扰度指数Ui采用具有代表性并且与干扰密切相关的景观类型破碎度、分离度指数和优势度3种指数为基础指标构建景观类型干扰度指数:

式中:FNi为破碎度指数，其值越小，破碎度越小;Ni为分离度指数;Di为优势度指数。

权重反应了各指数对景观敏感度贡献的大小，根据研究区的现状并结合相关研究成果［9］，将破碎度、分离度和优势度的权重分别设定为0.5、0.3和0.2。将研究区景观类型的易损度分为4级:旱地与水田是最为敏感的景观格局类型，人为活动强烈，划分为高易损度，赋予权重7;林地与草地由于自身利用价值较高，也较容易受人类影响，划分为较高易损度，赋予权重5;黄河沿岸的水域主要为黄河，一般不发生改变或与其他类型转化，划分为较低易损度，赋予权重3;建设用地最为稳定，故划分为低易损度，赋予权重1。用SPSS进行景观类型标准化处理后得到各景观类型的易损度Vi。

(2)景观恢复度指数

景观格局的脆弱性与系统的恢复性也有密切关系。利用斑块丰富度密度指数PRD、香农多样性指数SHDI和香农均匀性指数SHEI构建景观适应度指数LRI:(3)景观脆弱度指数

根据所建立的景观敏感度指数和景观恢复度指数，构建景观脆弱度指数LVI。LVI愈高，表明该区景观敏感性愈高，而可恢复性愈差。

2.2.3 空间分析方法 景观脆弱度指数本身是一种空间变量，其空间变化特征具有异质性和相关性，可采用地统计学中的变异函数的方法，借助半方差函数进行区域景观脆弱度的空间分析［11］。具体计算公式为:

式中:λ(h)为变异函数;h为步长;N(h)为间隔距离为h时的样点对数;Z(xi)和Z(xi+h)分别为景观生态风险指数在空间位置xi和xi+h上的观测值。半方差是度量空间依赖性与空间异质性的一个综合指标，它具有3个重要的参数:块金值、基台值和变程［7］。

2.2.4 景观脆弱度空间分布 基于半方差函数的理论模型拟合分析，运用GIS地统计模块中的普通克里格法进行插值，生成2000年、2006年和2012年的空间分布图，并采用相对指标法对景观脆弱度小区的脆弱度指数进行划分。首先对脆弱度指数进行直方图处理，并进行log变换，本研究设定脆弱度的间隔为0.1，将研究区划分为 5个等级分区，即Ⅰ级低脆弱区(LVI≤0.05)、Ⅱ级较低脆弱区(0.05≤LVI≤0.15)、Ⅲ级中等脆弱区(0.15≤LVI≤0.25)、Ⅳ级较高脆弱区(0.25≤LVI≤0.35)和Ⅴ级高脆弱区(LVI≥0.35)。

3 结果与分析

3.1 景观要素类型的动态变化

从表1、表2可见，河南省黄河沿岸地区2000年到2012年各个景观要素类型发生了十分复杂的转化。2000—2006年，水田、水域、林地这3类土地与其他类型转化较活跃。水田大面积转化为旱地，占到了总转换面积的75.21%，主要由于城市化建设时占用了部分水田作为其对外扩展用地;水域转化为耕地的面积最多，占总转换面积的26.38%，其中转化为旱地的面积占总转换面积的21.75%，转化为水田的面积占总转换面积的4.63%，结果表明，农业活动对黄河沿岸水域面积的变化有重大影响;林地转换为旱地的面积占总转换面积的70.96%，说明2000年到2006年间对林地进行开垦耕作，使黄河沿岸的生态系统遭到 破坏。

表1 2000—2006年景观要素转移矩阵Table 1 The transfer matrix of landscape elements from 2000 to 2006 km2

2006—2012年旱地转出总面积最大，大部分转化建设用地。建设用地的转换面积在这一期间占总面积的30.46%，说明这段期间进行了大规模的城市化建设，在发展经济的同时，城市化进程对黄河沿岸景观要素类型的影响比较强烈;水域主要转化为耕地，特别是转化为旱地，水域转化为旱地的面积占总转换面积的58.14%，说明由于黄河漫滩洪水减少后，干涸河道被开垦后转化为旱地、水田等用地;草地的面积大量减少，转化为其他土地利用类型的面积为6.15 km2;林地转化为其他土地利用类型的比例占总量的17.94%，大量转化为建设用地和旱地。

表2 2006—2012年景观要素转移矩阵Table 1 The transfer matrix of landscape elements from 2006 to 2012 km2

3.2 基于地统计学的理论模型拟合分析

根据公式(4)，计算采样区的景观格局脆弱度值，采用地统计学软件GS+完成样本变异函数理论模型的拟合，模型的最优选择用决定系数R2来决定，并综合考虑残差RSS、块金值和变程，结果表明，2000年和2006年景观格局脆弱度均为指数模型拟合效果最好，而2012年高斯模型拟合效果最佳(表3)。

表3 变异函数理论模型的相关参数Table 3 Parameters of theoretical model of variogram

由表3可知，2000年、2006年和2012年研究区景观格局脆弱度空间分异的变程分别为16.70、18.51、16.10 km，表明10 km 采样间距内研究区景观格局脆弱度具有高度的空间相关性。研究区脆弱度指数的块金值2000年和2012年相差不大，2006年较高，表明2006年景观格局变化受非结构性因素即人类活动的影响最大。随机变异块金值/基台值2000年为26.20% ，说明在2000年10 km以下的小尺度上的随机变异较小;2006年升高至38.24%，表明脆弱度指数在由随机部分引起的空间变异性程度较大;2012年块金值/基台值为22.92%，这表明2012年景观格局之间空间相关性重新升高。相关性整体先降低后升高的趋势，表明随着社会经济的发展，人类活动对景观格局的扰动达到一定水平后趋于相对稳定状态，使得2012年景观格局间又具有强烈的空间结构性。随着城市化的进一步深入发展，黄河沿岸的受城市化等非结构性因素的影响将会降低。

3.3 景观脆弱度的时空演变

综合分析图2和图3，研究区景观格局脆弱度整体上呈上升趋势。其中较低脆弱区的面积最大;较高脆弱区和高脆弱区的面积增加的最快，并且空间格局变化较为显著。2000年研究区内处于低脆弱区和较低脆弱区的面积占全区总面积的23%和40%，主要分布在郑州市、开封市以及焦作市的南部地区，基质景观类型主要以建设用地和黄河沿岸湿地、林地为主;中等脆弱区、较高脆弱区和高脆弱区形成了典型的“同心圆”结构，主要分布在郑州市黄河以北，新乡市原阳县和开封封丘县一带，该地区是河南省重要的农作物耕种区，景观类型以水田、旱地为主，斑块本身较为破碎，特别是有“中国第一米”之称的原阳水稻种植区，系统易受干扰，景观脆弱度高。

图2 2000年、2006年和2012年景观脆弱度克里格插值空间分布Fig.2 Kriging interpolation of the landscape patterns vulnerability degree in spatial distribution of 2000，2006 and 2012

与2000年相比，2006年较低脆弱区向中等脆弱区的年均转换面积速度最快，达到了171.52 km2·a－1，说明这期间研究区内人类进行的干扰活动较强烈，脆弱度等级由低级别向高级别过渡;处于较高脆弱区和高脆弱区较2000年都有所上升，都占到了全区总面积的7.5%，空间位置变化最突出的是郑州市北部的黄河以南地区，表明近几年随着城市化的发展，人类对当地景观格局的破坏程度加大，导致景观敏感性指数增加，景观脆弱度指数上升。

图3 2000年、2006年和2012年各级脆弱度面积比例Fig.3 Distribution of the vulnerability grades of 2000，2006 and 2012

2012年，景观脆弱度等级分布状况最明显的变化是处于较高脆弱区和高脆弱区的区域范围显著扩大，特别是高脆弱区面积几乎是2000年的3倍，其他脆弱度等级转化为高脆弱度等级的面积占到了7.68%，这种变化主要发生在建设用地和水田变化最明显的区域，除了郑州市北部地区继续进行建设用地扩张之外，巩义和荥阳等地区的近几年也进行了大规模的城市化建设，第二、三产业迅速发展的同时使得当地景观格局脆弱度逐渐上升。

4 结论

1)随着城市化的进程，河南省黄河沿岸景观格局变化较为剧烈，2000—2006年、2006—2012年2个研究时段内，各个景观类型之间进行了复杂的相互转化。旱地是转换面积最大的景观类型;水田大面积转化为旱地;林地和草地的斑块面积在减少;水域主要转化为耕地;建设用地斑块面积增加的速度非常快。河南省黄河沿岸整体景观破碎度增加，景观异质性增加，城市化建设对原有土地有一定切割作用，景观要素空间分布不均衡。这一系列的变化是人类活动的干预和自然因素的综合作用，人类活动起着主要作用，特别是城市化的进程对各景观类型间转换的影响。

2)2000年和2012年研究区各景观格局之间空间相关性很强，2006年脆弱度指数在由随机部分引起的空间变异性程度较大;2000年到2012年间研究区景观格局脆弱度整体呈上升的趋势，低脆弱区和较低脆弱区的分布范围在减少;较高脆弱区和高低脆弱区的分布范围逐渐扩大，并形成了同心圆结构，说明研究区内的人类活动对景观脆弱度起着至关重要的作用，在经济发展的同时要综合考虑对当地环境的影响程度。

3)城市化进程是黄河沿岸景观格局脆弱度变化的主要影响因素，随着城市化进程的逐步完成，黄河沿岸的生态脆弱度会逐渐稳定。此外，本文所构建的景观脆弱度指数有一定的局限性，如低脆弱度并不表示生态环境的质量优良，仅代表了区域生态处于相对稳定状态，可恢复性较好。

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