苏亚辉，周火艳，张芸香，郭晋平

(山西农业大学林学院//北方功能油料树种培育与研发山西省重点实验室，山西 太谷 030801)

定量研究流域景观格局动态演变有利于系统探究植被覆盖时空演变规律，深入了解流域植被覆盖变化过程、成因，预测未来发展变化趋势及其对环境影响，为流域植被资源今后的保护利用以及经营措施提供重要参考[1-2]。因此，众多学者对流域景观格局变化展开了一系列的研究。吕乐婷等以土地利用解译结果为基础，综合分析了近年来东江流域的景观格局时空变化特征，并采用FLUS模型对流域未来20多年景观格局进行了预测[3]。贾艳艳等利用土地利用数据定量分析了长江中下游流域景观格局变化，发现近20年景观格局变化显著、人为干扰增强[4]。莫素芬等利用景观面积动态度和景观格局指数等方法分析了广西西江流域10年的景观格局动态变化特征，得出随着经济社会的发展，广西西江流域景观动态变化明显[5]。

文峪河流域是汾河上游重要的一级支流，地处太原盆地西北，是下游大面积农田灌溉的水源地，整个流域以国有林为主，属于关帝山山地天然次生林区，是山西有限天然次生林资源的重要分布区[6]。流域山地主要由森林植被覆盖，在水源涵养、水土保持、维护景观异质性和稳定性方面起着不可替代的作用，也为社会提供了大量的林产品、生态服务和就业机会等，有利于维护当地可持续发展。很多学者做了相关研究，白晋华等以航片和森林经理调查资料为数据源，在地理信息系统软件的支持下，揭示文峪河流域植被景观总体布局，分析流域景观格局的空间变化规律[7]。刘宏文基于实地调查结果结合遥感技术对庞泉沟地区森林群落特征、景观格局动态变化特征进行分析研究，并构建了庞泉沟森林景观健康评价体系[8]。夏伟伟等基于RS和GIS对庞泉沟自然保护区森林景观结构特征进行了分析[9]。

随着2000年国家天然林保护工程实施以来，文峪河流域森林资源得到了恢复性增长。本文以Landsat系列遥感影像为数据源，通过ArcGIS 10.2、ENVI 5.3、Fragstats 4.2等软件[10]，从植被覆盖度、景观要素组成以及森林景观破碎化等方面定量地综合分析文峪河流域上游森林景观动态变化特征，旨在为文峪河流域森林资源今后的保护利用以及经营措施提供重要参考。

1 研究区概况

研究区位于文峪河流域上游，是文峪河流域的一个子流域(图1)。

图1 研究区位置

研究区沟长13.76 km，平均海拔 1 583.9 m，整体呈北南流向，两侧支沟纵横，分别有末后沟、大沙沟、小沙沟、神尾沟、柴禄沟、关子沟(银洞沟)、刁窝沟、八道沟、青冲沟、西塔沟、八水沟、大草坪沟和西窑沟13条[11]。总体表现为叶脉状纵横于主河道两侧，沿东南走向。流域内地形复杂，沟壑纵横，水气庞杂，气候多样，森林植被繁茂，是华北地区典型的暖温带亚高山针叶林带[12]。属于受季风影响和控制的暖温带大陆性山地气候，夏季凉爽多雨，冬季寒冷干燥，年均温4.5℃，年均降水量 600～820 mm，7—9 月降水集中，占全年降水量的65%以上，年均相对湿度70.9%，年均无霜期 100～130 d，雪期和冻土期6个月[13]。

林区土壤类型主要有山地棕色森林土、山地淋溶褐土和山地褐土，土层 10～60 cm 厚薄不等。主要乔木有华北落叶松(Larixgmeliniivar.principis-rupprechtii(Mayr)Pilg.)、油松(PinustabuliformisCarrière)、白扦(PiceameyeriRehder & E.H.Wilson)、青扦(PiceawilsoniiMast.)、山杨(PopulusdavidianaDode)、白桦(BetulaplatyphyllaSukaczev)、红桦(BetulaalbosinensisBurkill)、蒙古栎(QuercusmongolicaFisch.ex Ledeb.)等；主要灌木有土庄绣线菊(SpiraeapubescensTurcz.)、胡枝子(LespedezabicolorTurcz.)、美蔷薇(RosabellaRehd.et Wils.)、灰栒子(CotoneasteracutifoliusTurcz.)、刚毛忍冬(LonicerahispidaPall.ex Schult.)、黄刺玫(RosaxanthinaLindl.)、山刺玫(RosadavuricaPall.)等；主要草本有披针叶苔草(CarexlanceolataBoott)、茜草(RubiacordifoliaL.)、鼠掌老鹤草(GeraniumsibiricumL.)、地榆(SanguisorbaofficinalisL.)、小红菊(ChrysanthemumchanetiiH.Lév.)、败酱(PatriniascabiosifoliaLink)、铃兰(ConvallariamajalisL.)、金莲花(TrolliuschinensisBunge)等。

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源及预处理

研究区域的遥感影像和DEM高程数据均来源于中国科学院计算机网络信息中心的地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn)[14]。综合考虑研究区域的时间跨度、成像日期以及云覆盖度的可行性，最终选取2009年Landsat-7 ETM+ 以及2014、2018年的Landsat-8 OLI 3期遥感影像，云量分别为0%、0.49%、0.08%，行列号为126/34，分辨率均为30 m。运用遥感影像处理软件ENVI 5.3对数据源影像进行几何校正、辐射定标、FLAASH大气校正、DEM高程数据地形校正、图像增强等数据处理[15-16]。

2.2 植被指数与植被覆盖度计算方法

1)归一化植被指数[17]计算公式为：

(1)

式中,NDVI为归一化植被指数，NIR为近红外波段的表观反射率,R为红光波段的表光反射率。

(2)

式中，FV为植被覆盖度，NDVI为像元的归一化植被指数，NDVIS为无植被的NDVI值，NDVIV为完全有植被覆盖的像元NDVI值。以5%、95%的累积百分比为置信度作为各期影像的NDVIS、NDVIV。结合研究区实际植被情况，并参照《土壤侵蚀分类分级标准》(SL 190-1996)将其分为5个等级，即低盖度(0～20%)、中低盖度(20%～40%)、中盖度(40%～60%)、中高盖度(60%～80%)、高盖度(80%～100%)。

2.3 景观要素类型分类

基于遥感影像和研究区现状特征，参考《土地利用现状分类标准》(GB/T 21010-2015)[19]，将景观要素类型划分为：针叶林、针阔混交林、疏林灌丛、草地、耕地、建筑用地和水域[20](图2)。

图2 景观要素类型分类

本研究依据数字高程模型(Digital Elevation Model),在ArcGIS 10.2中利用SWAT水文模型计算得到区域范围[21]，并在ENVI 5.3中对数据源进行裁剪。采用人工目视解译与监督分类相结合的方法对3期遥感影像进行解译。训练样本分离性均达到1.8以上，分离性良好。监督分类采用支持向量机(Support Vector Machine)的机器学习方法[22],SVM可以自动寻找对分类有较强区分能力的支持向量，由此构造出分类器，可以将类与类之间的间隔最大化，因此有较高的分类准确率。为提高分类结果的准确性，将监督分类结果通过 Majority/Minority 分析工具进行主成分分析，去除孤零斑块。在Google Earth勾选验证样本，对分类图进行精度验证，3景分类图精度均大于90%，满足精度要求[23]。

2.4 景观要素类型面积年变化率

(3)

式中，Sa、Sb分别为某一景观要素类型研究期初和期末面积，t为研究期(a)。

2.5 景观要素类型转移矩阵

景观各要素类型面积变化虽然对研究区域内景观总体格局情况有一定的参考价值，但是不能很好地反映景观内各要素类型面积的转移情况。而景观要素类型转移矩阵可以定量描述不同时间段内景观要素类型的相互转移情况，明确地反映研究区域的空间结构变化。本研究利用ENVI 5.3软件中的Change Detection Statistics工具进行交叉分析，再用Excel表进行数据整理，得出研究期内景观要素类型面积的转移方向以及转移数量[25]。

2.6 景观格局分析

为探究研究区域破碎度、景观异质性、斑块形状、景观连通度、景观多样性等特征变化，结合研究区实际情况，选取了斑块数量(NP)、最大斑块指数(LPI)、边缘密度(ED)、景观形状指数(LSI)、周长面积分维数(PAFRAC)、蔓延度(CONTAG)、香农多样性指数(SHDI)7个景观水平格局指数[26]，利用ENVI监督分类的结果，在Fragstats 4.2平台进行景观格局指数的计算分析。

3 结果与分析

3.1 植被覆盖度动态变化

2009—2018年植被覆盖度总体变化表明(表1)，近10年来植被覆盖度普遍较高。3个研究时段低盖度区域均不足1%，中高盖度区域均超过19.59%，高盖度区域均超过68.72%，中低盖度和中盖度区域占有一定比例，中高盖度以上区域超过88.31%。其中2009—2014年植被覆盖度变化较大，高盖度区域增加4.34%，中高盖度区域增加2.62%，中盖度区域减少5.83%；2014—2018年植被覆盖度变化不大。

表1 2009—2018年不同等级植被覆盖度统计

3.2 景观要素类型动态变化

3.2.1景观要素类型组成

研究区总面积为492.75 km2。3个研究时段面积最大的景观要素类型均为针叶林，每个时段面积所占比例均超过43%，并且呈连续增加的趋势。针阔混交林面积所占比例每年均超过35%，并且呈连续下降的趋势。每个研究时段针叶林和针阔混交林面积之和均超过84%。疏林灌丛和草地占有一定比例。耕地与建筑用地面积大小相差不多，在1%～2%之间。面积最小的景观要素类型均为水域，所占比例不足1%(表2)。

表2 2009—2018年景观要素类型组成结构

3.2.2景观要素类型的面积变化

研究区2009—2018年景观要素类型面积年变化统计见表3。

表3 2009—2018年景观要素类型面积年变化

如表3所示，在研究期间研究区各个景观要素类型的面积和年变化率均有不同程度的差异。针叶林和针阔混交林作为区域主要核心景观要素类型，面积变化显著，针叶林在研究期间增加最多，增加了40.86 km2；针阔混交林减少了25.40 km2。疏林灌丛减少了31.98 km2。草地和耕地面积有少许增加。建筑用地和水域面积变化不大。

2009—2014年针叶林、草地、耕地面积呈增长态势，针阔混交林、疏林灌丛面积减少，建筑用地和水域面积几乎没有变化。针叶林增加速率最为明显，为6.89 km2/a。疏林灌丛减少速率最为明显，为6.11 km2/a。2014—2018年各景观要素类型面积变化速率较之前年份变得有所减缓。针叶林、草地面积持续呈增长态势，针阔混交林、疏林灌丛面积持续减少，建筑用地、水域面积几乎没有变化。针叶林增加速率依旧最为明显，为1.60 km2/a。针阔混交林减少速率最明显，为1.92 km2/a。

总的来看，针叶林、草地、耕地、建筑用地面积增加，针阔混交林、疏林灌丛、水域面积减少。

3.2.3景观要素类型之间的转移

通过景观要素类型转移矩阵(表4)可知，2009—2018年在面积转出方面， 以针阔混交林、疏林灌丛、针叶林的转出为主，转出面积分别为79.723 8 km2、35.734 5 km2、21.761 1 km2。草地的转出也比较明显，转出面积为 9.504 9 km2。转入面积以针叶林、针阔混交林、草地为主，转入面积为 62.567 1 km2、54.437 4 km2、21.432 6 km2。针叶林转为针阔混交林、针阔混交林转为针叶林、针阔混交林转为草地、疏林灌丛转为针阔混交林以及草地转为针阔混交林的转移面积较大，分别为 20.799 9 km2、60.702 3 km2、16.949 7 km2、27.224 1 km2、4.633 2 km2。

表4 2009—2018年景观要素类型转移矩阵

3.3 森林景观的破碎化

由斑块数量(NP)、最大斑块指数(LPI)、边缘密度(ED)、景观形状指数(LSI)、周长面积分维数(PAFRAC)、蔓延度(CONTAG)、香农多样性指数(SHDI)7个景观格局指数的变化反映森林景观的破碎化尺度，如表5所示。

2009—2018年文峪河上游景观斑块数量先增加再减少，在研究时间段内增加了535个。最大斑块指数基本保持不变。结合NP和LPI可知，庞泉沟流域景观破碎化程度正在逐步加大。边缘密度和景观形状指数呈先升高后降低的趋势，反映出景观异质性增强、斑块形状趋于复杂。周长面积分维数基本不变，而蔓延度增加，这2个指标表明景观连通度增加。香农多样性指数总体保持不变，说明流域景观多样性基本不变。综合来看，2009—2014年景观破碎化程度最大，整个研究期间景观总体呈现破碎度增加、景观异质性增强、斑块形状趋于复杂、景观连通度增加、流域景观多样性基本不变等特征。

4 讨论与结论

4.1 讨论

4.1.1景观要素组成及其动态变化

2009—2018年，针叶林在每个时段都是面积最大的景观要素类型，面积占比均超过43%，针阔混交林面积占比均超过35%，针叶林和针阔混交林面积之和均超过84%，是研究区域的主要景观要素类型，始终处于景观主体地位，森林覆盖率约84%。李旭华等对庞泉沟自然保护区森林群落物种多样性的研究中提到：保护区内植物资源丰富，森林保存完好，森林覆盖率可达85%[27]。本研究区森林覆盖率略低于庞泉沟自然保护区。

高润梅等以文峪河上游河岸林为研究对象，利用Markov模型对群落的演替趋势和演替过程进行分析与预测，构建了阔叶林阶段→阔针混交林阶段→针阔混交林阶段→针叶林阶段的文峪河上游河岸林演替系列，并预测杨桦云杉混交林和杨桦落叶松混交林都朝着云杉优势加强的方向发展[28]。郭玉永设置33块典型样地，利用Markov模型模拟文峪河上游河岸林群落的动态演替过程。经过600多年的森林演替，文峪河上游河岸林群落最终将发展成为以云杉林为主的顶级群落[29]。研究中针阔混交林转为针叶林 60.702 3 km2、疏林灌丛转为针阔混交林 27.224 1 km2、针叶林转为针阔混交林 20.799 9 km2、针阔混交林转为草地 16.949 7 km2、草地转为针阔混交林 4.633 2 km2，是景观要素类型转移的5种主要方式。高润梅和郭玉勇等得出的演替过程恰好反应了本研究中数据分析结果的准确性。

4.1.2森林景观植被覆盖度和破碎化

2000年国家天然林保护工程在山西省黄河流域正式实施以来，天然林全面停止采伐，采取了人工造林、飞播造林、改变经营措施、实行封山育林等措施。森林资源得到有效的管护和修养生息，进入自我恢复的阶段。从本研究植被覆盖度的变化来看，2009—2014年植被覆盖度变化较大，高盖度区域增加4.34%，中高盖度区域增加2.62%，中盖度区域减少5.83%；2014—2018年植被覆盖度变化不大。2009—2014年森林资源处于快速生长恢复阶段，所以森林景观动态变化明显。2014—2018年森林资源在经历快速生长阶段后，进入稳定生长期，所以森林景观动态变化相对较小。

2011年以来交城县花费巨资启动了庞泉沟峡谷漂流项目，果老峰景区开发，八道沟、大沙沟、分水岭景区修缮，修建景区道路、拓展停车场等，大力发展乡村生态旅游。虽然生态旅游为当地农民就业和增收致富起到了积极的带动作用，但是也对当地生态系统产生了一些负面效应。针叶林、针阔混交林作为研究区主要景观要素类型，研究末期面积占比分别为52.18%、35.24%，是研究区域的优势景观要素类型，平均斑块面积较大，且处于远离居民地以及道路两侧的坡地，保持着整体景观格局的稳定。人为干扰带来建筑用地、耕地的增加以及疏林灌丛、水域面积的减少，导致2014年景观破碎程度达到最大。因此，人为干扰是研究区景观破碎度增加、景观异质性增强、斑块形状趋于复杂的关键原因。

4.2 结论

1)研究区针叶林和针阔混交林面积之和均超过84%，是主要的景观要素类型，始终处于景观主体地位。

2)研究区植被在研究时期内发生着正向演替，逐渐向顶级群落方向发展。针阔混交林转为针叶林 60.702 3 km2、疏林灌丛转为针阔混交林 27.224 1 km2、针叶林转为针阔混交林 20.799 9 km2、针阔混交林转为草地 16.949 7 km2、草地转为针阔混交林 4.633 2 km2，是景观要素类型转移的5种主要方式。

3)2009—2014年是森林资源快速生长恢复阶段，2014—2018年是森林资源稳定生长期。

4)2009—2018年研究区景观总体呈现破碎度增加、景观异质性增强、斑块形状趋于复杂、景观连通度增加、流域景观多样性基本不变等特征。