基于遙感影像的東江河岸緩沖帶景觀格局動(dòng)態(tài)變化分析

許多河流為人類社會(huì)提供了主要的淡水來(lái)源。河流形成的平原是人類文化遺產(chǎn)的搖籃。同時(shí)，它也是中國(guó)許多工業(yè)、農(nóng)業(yè)、能源和基地的所在地和人口的中心。東江是珠江流域三大水系之一,是河源、惠州、東莞和廣州市東部等沿岸城市主要生產(chǎn)、生活水源地,同時(shí)通過(guò)跨流域調(diào)水供應(yīng)深圳等相關(guān)地區(qū)用水。另外還有防洪、發(fā)電、航運(yùn)、壓咸、納污等其他多種功能。近年來(lái),隨著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,東江流域城市化進(jìn)程加快,水資源的需求大幅增加,水體污染加劇,流域生態(tài)系統(tǒng)退化。水體恢復(fù)迫在眉睫。人為因素會(huì)影響各種景觀要素的格局變化,如何通過(guò)格局變化來(lái)評(píng)價(jià)水體退化或恢復(fù)的情況,是研究的一個(gè)新途徑,目前該方面的研究較為缺乏。河流是一個(gè)連續(xù)的整體,由源頭集水區(qū)的第一級(jí)河流起,以下流經(jīng)各級(jí)河流流域,形成一個(gè)連續(xù)的、流動(dòng)的、獨(dú)特而完整的系統(tǒng),稱為河流連續(xù)體。河流各區(qū)段的生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程是相互關(guān)聯(lián)的。由于地理位置、人為影響等各方面因素的不同,水體各區(qū)段變化情況表現(xiàn)出不同的特性,有必要進(jìn)行分段研究。而與水體直接相連的河岸帶是流域景觀的組成部分――廊道,能夠較好地反映流域所受到的干擾。本研究以東江主干10km緩沖帶為主要的研究對(duì)象,分析上中下游各區(qū)段歷經(jīng)8年的景觀格局變化,并探討各景觀要素類型及景觀整體格局變化對(duì)水體恢復(fù)造成的影響。以期在流域尺度上對(duì)水體的恢復(fù)提供新的方向。1研究領(lǐng)域的總結(jié)和研究方法1.1江江流域時(shí)空分布現(xiàn)狀東江流域位置在東經(jīng)113°30′至115°45′,北緯22°45′至25°20′,流域總面積35340km2?？偟牡貏?shì)為東北高,西南低,海拔在900～1500m之間。東江發(fā)源于江西省尋烏縣,自東北向西南流入廣東省境內(nèi),經(jīng)龍川、河源、紫金、惠陽(yáng)、博羅、東莞等縣市注入獅子洋,經(jīng)虎門出海。干流全長(zhǎng)562km,合河壩以上河段為東江上游,河道長(zhǎng)138km,處于山丘地帶,水淺河窄。合河壩至博羅縣觀音閣河段為東江中游,河道長(zhǎng)232km,龍川以下山勢(shì)逐漸展開(kāi),觀音閣以下為東江下游,河道長(zhǎng)150km,兩岸為平原區(qū),河中多為不固定的沙洲。東江流域地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),年平均降水量1753mm,其時(shí)空分布不均,空間上西南多、東北少。流域多年平均徑流量達(dá)296億m3。1.2學(xué)習(xí)方法1.2.1空間分辨率設(shè)計(jì)遙感數(shù)據(jù)是美國(guó)陸地資源衛(wèi)星5號(hào)(LANDSAT-5)于1998年及2006年獲取的TM影像,空間分辨率為30m。數(shù)字高程模型(DEM)來(lái)自全球土地利用數(shù)據(jù)庫(kù)組織(Globallandcoverfacility,GLCF)提供的航天飛機(jī)雷達(dá)地形測(cè)繪使命(ShuttleRadarTopographyMission,SRTM)數(shù)據(jù),空間分辨率90m。1.2.2tm遙感數(shù)據(jù)的幾何校正和假彩色合成利用Erdas8.7軟件對(duì)東江流域的TM遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正和假彩色合成。合成后的遙感圖像經(jīng)過(guò)拼接、鑲嵌和整飾后,形成覆蓋整個(gè)研究區(qū)域的全幅遙感圖片。1.2.3帶模式下緩沖帶景觀類型的劃分利用ArcGIS9.0分析DEM數(shù)據(jù),生成東江主干,并提取東江流域以及各集水區(qū)的邊界。以此主干為基礎(chǔ)生成10km的緩沖帶矢量數(shù)據(jù),用此矢量數(shù)據(jù)對(duì)全幅遙感圖片進(jìn)行切割,得到東江主干緩沖區(qū)區(qū)域。然后運(yùn)用軟件Erdas8.7對(duì)緩沖區(qū)TM數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)督分類,分為水體、建成地、林地、耕地、植被退化區(qū)、裸地這六類地物類型。并進(jìn)行分類后處理,分類精度達(dá)到80%以上,形成緩沖帶景觀類型分布圖。根據(jù)流域集水區(qū)將河岸帶分成上中下游3個(gè)區(qū)域,上游從源頭至龍川縣所在的集水區(qū),中游至博羅縣附近,下游至入?？?。形成河岸緩沖帶上中下游3個(gè)分區(qū)。1.2.4指數(shù)的計(jì)算本研究在類型水平上選取景觀面積比(PLAND),斑塊密度(PD),聚集指數(shù)(AI),斑塊形狀指數(shù)(LSP)作為分析指標(biāo),在景觀水平上選取PD、AI、LSP、最大斑塊指數(shù)(LPI)、分維數(shù)(PAFRAC)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)和香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)。采用景觀分析軟件FRAGSTATS3.3從各年度的景觀類型和景觀總體兩個(gè)方面進(jìn)行指數(shù)計(jì)算,指數(shù)的公式和計(jì)算方法均同F(xiàn)RAGSTATS的表示方式。另外,計(jì)算2006年各種指數(shù)相對(duì)于1998年的變化率,公式如下:R=I06?I98I98×100%?Ii為景觀指數(shù)值。2景觀指數(shù)及其變化率對(duì)東江主干河岸帶3個(gè)區(qū)段各景觀要素的景觀指數(shù)進(jìn)行計(jì)算和分析,并分析2006年相對(duì)于1998年各景觀指數(shù)的變化率,分區(qū)段探討東江河岸帶水體的恢復(fù)情況及其影響因子。2.11形態(tài)指數(shù)和斑塊密度的變化1998年?yáng)|江河岸緩沖帶各景觀要素變化特征總結(jié)見(jiàn)表1。上、中游水體面積在景觀中所占的比例相近,下游相對(duì)較多,達(dá)到12.21%。而斑塊密度表現(xiàn)為上游和下游較高,中游最低,說(shuō)明上游水體破碎化程度最高,這與地形復(fù)雜等自然因素有關(guān)。聚集度指數(shù)從上到下有逐漸增加的趨勢(shì),說(shuō)明水體分散程度逐漸下降。形狀指數(shù)體現(xiàn)出上游和中游水體復(fù)雜度相差不大,而下游水體形狀較之上中游復(fù)雜的多,這與入?？诤拥缽澢鷱?fù)雜有關(guān)。1998年上中游建成地和耕地在景觀中所占比例遠(yuǎn)小于在下游中所占的比例,而林地面積所占的比例相對(duì)較少。這與入?？跂|莞等地城市化水平較高有關(guān),體現(xiàn)出下游地區(qū)人類干擾相對(duì)較多,導(dǎo)致了建成地和耕地等人類用地顯著比上中游多。斑塊密度反映了斑塊的破碎化程度,建成地的斑塊密度和形狀指數(shù)從上至下先減后增,與水體變化一致。這可能與城市多建在河流附近有關(guān),表明水體受城市的影響比較大。林地景觀類型在下游地區(qū)所占比例較小,而斑塊密度卻大于上中游地區(qū),可能的原因是林地的分布趨于分散,這與人類干擾的增加有關(guān),從聚集度指數(shù)也可以反映出相同的問(wèn)題。2.22水體形態(tài)和景觀類型的變化2006年?yáng)|江河岸帶各景觀要素指數(shù)值如表2所示。水體面積比例從上到下有增加的趨勢(shì)。而水體斑塊密度也逐漸增加,上中游破碎化程度相差不大,而下游較大,說(shuō)明水體的破碎化程度比較大,可能原因是水體的利用程度增大。水體的破碎會(huì)改變水域自然水系結(jié)構(gòu),降低天然河流生態(tài)服務(wù)功能。聚集度指數(shù)相差不大,其中中游最小,說(shuō)明各區(qū)段水體的分散度近似。從形狀指數(shù)表現(xiàn)出明顯的增加,說(shuō)明水體的形狀變得越來(lái)越復(fù)雜,可能是河道的彎曲、分割造成了形狀的復(fù)雜。上中游地區(qū)建成地在景觀中所占的比例近似,下游地區(qū)城市化水平較高。同樣,林地和耕地景觀類型逐漸增大,與建成地有相同的趨勢(shì)。各種景觀類型,包括建成地、林地和耕地,其形狀指數(shù)都是在下游出現(xiàn)最大值,說(shuō)明下游地區(qū)與其他區(qū)域相比各類景觀的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。建成地和林地的聚集度差別不大,而耕地的聚集度在下游尤其大,說(shuō)明農(nóng)用地在下游地區(qū)有集中發(fā)展的趨勢(shì)。2.3斑塊形態(tài)變化的原因及分類河流作為景觀中的廊道,其景觀格局發(fā)生一系列變化,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析,結(jié)果見(jiàn)圖1。通過(guò)分析水體面積百分比、斑塊密度,聚集指數(shù),斑塊形狀指數(shù)等指標(biāo),來(lái)研究水體恢復(fù)在景觀上體現(xiàn)出的特征。從圖1可以看出,水體在景觀中所占的比例在三個(gè)區(qū)域均有所變化。上游水體景觀面積降低中下游增加。水體的斑塊密度變化趨勢(shì)與面積比例相似,上游的一些小斑塊合并成了大的斑塊,水體的破碎化程度在下降。而中下游卻與之相反,破碎化程度在增加。聚集度指數(shù)的變化,上游和下游有所增加說(shuō)明了斑塊自相似性增強(qiáng),斑塊空間連接性增加,并趨于成片分布。中游下降說(shuō)明分散分布。斑塊形狀指數(shù)的變化說(shuō)明上游及下游水體斑塊形狀趨于規(guī)則簡(jiǎn)單,說(shuō)明受干擾加強(qiáng)。而中游的水體斑塊形狀變得更為復(fù)雜。綜合看來(lái),上游水體基本保持現(xiàn)狀,作為源頭,沒(méi)有受到太大干擾,受到了較好的保護(hù)。中游水體分布更加分散。下游水體面積的增加但是分布趨于聚集。各個(gè)區(qū)域有不同的變化,通過(guò)分析景觀各類要素及整體水平的指數(shù)特征來(lái)探討水體變化的原因。2.4促進(jìn)作用的促進(jìn)作用林地的增加和耕地的減少對(duì)水體恢復(fù)起到促進(jìn)作用。河岸帶區(qū)域中林地的增加有利于水土保持,耕地的減少有助于緩解水質(zhì)污染,二者對(duì)水體恢復(fù)有一定的正效應(yīng)。2.4.1林地破碎化程度的變化林地的變化情況可以從圖2看出,3個(gè)區(qū)域林地的面積均有所增加。其中上中游增幅較小,下游的林地景觀類型有極顯著的增加。增加原因可能是流域綜合治理沿岸綠化工程。上游林地斑塊密度下降中下游增加,反映出林地破碎化程度的變化,即上游下降,中下游增加,尤以下游增加最為顯著。雖然從這個(gè)指數(shù)反映出的是景觀破碎化程度的增加,但實(shí)際上,由于下游總面積是大幅增加的,所以此處反映的是斑塊數(shù)目的增加。另外,景觀形狀指數(shù)也有較大幅度的增加,說(shuō)明林地景觀形狀變得更加不規(guī)則。除下游外,上游和中游的林地景觀各方面的指數(shù)都沒(méi)有太明顯的變化。從以上分析可以看出,河岸帶下游的林地有較大變化。這與人為的植樹(shù)造林密切相關(guān)。植被相當(dāng)于河流水量的一個(gè)重要的調(diào)節(jié)器。森林植被的增加會(huì)相應(yīng)地增加蒸騰量而減少河川徑流量。從3個(gè)區(qū)域的數(shù)據(jù)我們可以看出,下游林地的大幅度增加是下游水體面積增加較小的原因之一。2.4.2耕地分布的變化三個(gè)區(qū)段的耕地景觀類型占整個(gè)景觀面積比例都有所下降,具體數(shù)據(jù)見(jiàn)圖2。斑塊密度下降,在景觀格局上體現(xiàn)斑塊破碎化水平的降低。聚集度的增加說(shuō)明耕地趨于集中分布,景觀形狀指數(shù)下降說(shuō)明形狀變得簡(jiǎn)單。其中上游區(qū)域各個(gè)指標(biāo)下降較大,中下游相對(duì)變化較小。耕地從幾個(gè)方面對(duì)水體造成影響。自然植被的移除,河道渠化,灌溉和排水改變了地下水的供應(yīng)。沉積物和污染物使得水體水質(zhì)惡化,耕地覆蓋面積的下降減少了對(duì)水體污染物的排放,對(duì)水質(zhì)惡化有減緩的作用。2.5景觀破碎化增加對(duì)水體恢復(fù)有負(fù)作用的地物類型主要是建成地,包括城鎮(zhèn)、工廠等用地類型。這些地物類型是人類社會(huì)的產(chǎn)物,是由人類的干擾造成的。另外,整體景觀破碎化的增加降低了水體結(jié)構(gòu)的連通性,及河岸帶整體水平上的景觀連通性。二者對(duì)水體恢復(fù)有負(fù)效應(yīng)。2.5.1斑塊形狀變化分析通過(guò)對(duì)原始數(shù)據(jù)的整理計(jì)算,得出建成地景觀若干指數(shù)的變化率,見(jiàn)圖3。對(duì)上中下游分別分析可以看出,建成地各個(gè)景觀指數(shù)的變化趨勢(shì)是一致的。上游和下游的建成地面積比例基本保持不變。而中游有大幅度增加,說(shuō)明中游區(qū)域以大城市為中心進(jìn)行擴(kuò)張,城市化現(xiàn)象嚴(yán)重。但是斑塊密度減少,說(shuō)明了一些小斑塊合并成了大的斑塊,破碎化程度降低。聚集度指數(shù)有所增加,說(shuō)明斑塊間的連接度增加。形狀指數(shù)出現(xiàn)減小,說(shuō)明了建成地斑塊形狀更為簡(jiǎn)單規(guī)則,這與人類對(duì)城市用地的規(guī)劃加強(qiáng)有關(guān)。中游地區(qū)在行政區(qū)上主要是河源市附近,河源近幾年來(lái)的飛速發(fā)展是城市面積增加的因素之一。從以上的分析結(jié)合各個(gè)區(qū)域水體的變化可以得出,中游高度城市化的同時(shí)水體面積變化也較之上下游有明顯增加。城市不透水表面的增加,從而改變了河流的水文、地形地貌等,如增加了地表徑流,會(huì)使得水體表面面積增加。另外,污染物質(zhì)也流入水體,如金屬、殺蟲(chóng)劑等,會(huì)加重水質(zhì)污染,形成水質(zhì)型缺水。隨著流域經(jīng)濟(jì)、工業(yè)發(fā)展和人口增長(zhǎng),排入東江的污染物逐年增加,東江水質(zhì)呈逐年下降的趨勢(shì),尤其下游及三角洲水質(zhì)較中、上游差,如三角洲網(wǎng)河區(qū)枯水季節(jié)大部分地區(qū)水質(zhì)受咸潮影響。2.5.2景觀多樣性的空間變化東江河岸緩沖帶景觀整體格局發(fā)生了一系列變化,通過(guò)計(jì)算各景觀指數(shù)變化率后直觀地表現(xiàn)于圖4。分析數(shù)據(jù)可以得出,上游景觀破碎化程度有所降低,聚集度指數(shù)增加也反映出相同的問(wèn)題。最大斑塊指數(shù)增加比例值高達(dá)81.46%。說(shuō)明景觀中的優(yōu)勢(shì)類型在整個(gè)區(qū)域中所起的作用增大,景觀整體格局變得不再均質(zhì),而是優(yōu)勢(shì)類型占主導(dǎo)地位。景觀形狀變得更加簡(jiǎn)單規(guī)則。蔓延度指數(shù)增加,景觀要素類型空間分布趨于集中,空間連通性相對(duì)增加。香農(nóng)多樣性指數(shù)降低了13.42%,說(shuō)明了景觀多樣性水平減少,土地利用向著單一化和非均勻化方向發(fā)展。中游的地物類型各景觀指數(shù)變化不顯著,最為明顯的變化是最大斑塊指數(shù),從各種地物類型的分析可以看出,這主要是由于建成地斑塊的面積顯著增加。下游各個(gè)指數(shù)變化幅度不大,景觀破碎化程度增加,景觀格局分散分布。但是景觀多樣性指數(shù)略為增加,說(shuō)明多樣性水平有增加的趨勢(shì),這主要是與各景觀類型分散有關(guān)。通過(guò)對(duì)結(jié)果的分析得出,近10年來(lái),由于人類干擾的逐漸加強(qiáng),河岸帶整體景觀格局趨于單一化,多樣性指數(shù)下降,這些是退化生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和空間格局特征,對(duì)水體的恢復(fù)會(huì)有不利的效應(yīng)。上游區(qū)段包括河流的源頭,會(huì)受到更多的關(guān)注和保護(hù),人類的干擾相對(duì)較小,從景觀整體上表現(xiàn)出優(yōu)化的趨勢(shì)。各類景觀要素以及景觀整體均趨于集中分布,景觀變得完整一致。中下游地區(qū)地勢(shì)平坦,城市化程度較高,而且與珠江三角洲靠近,經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,受到的干擾相對(duì)較大,造成景觀破碎化程度的增加,多樣性水平下降。干擾造成的景觀破碎化對(duì)水體的恢復(fù)產(chǎn)生負(fù)面影響,未來(lái)應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)中下游景觀格局的關(guān)注。3景觀破碎化對(duì)水體生態(tài)恢復(fù)的作用利用景觀生態(tài)學(xué)的理論及方法,對(duì)東江主干帶分區(qū)段的水體及其他景觀要素的景觀格局的變化進(jìn)行了研究,探討了水體的恢復(fù)情況以及相關(guān)的幾種景觀要素格局變遷對(duì)水體恢復(fù)的影響,總結(jié)如下。(1)東江河岸帶各類景觀要素有趨勢(shì)一致的變化,林地增加,耕地減少,建成地?zé)o明顯變化。但是在各個(gè)區(qū)段,變化程度景觀大小有所差別。在景觀水平上看來(lái),上游景觀破碎化程度降低,中游略為增加,而下游破碎化程度增加明顯。(2)景觀要素的變