退耕还林工程是目前我国实施的一项最大的林业生态工程, 它从保护和改善生态出发, 将水土流失严重的耕地, 沙化、盐碱化、石漠化严重的耕地以及粮食产量低而不稳的耕地, 有计划、有步骤地停止耕种, 本着宜乔则乔、宜灌则灌、宜草则草的原则, 因地制宜地造林种草, 恢复植被(国家林业局退耕还林办公室, 2003)。工程自试点(1999年)和全面启动(2002年)以来已经取得了阶段性成果, 为了保证工程的进一步顺利实施, 对工程建设过程实施监测和评估是必要的。研究工程区景观格局的变化是对退耕还林工程进行合理评估的重要方面之一。近年来, 关于生态建设区域土地利用景观格局的变化已经有不少学者进行了研究, 张永民等(2003)研究了生态保护背景下科尔沁沙地奈曼旗土地利用及其景观格局的新变化, 摆万奇等(2003)对大渡河上游地区金川、壤塘、马尔康3县土地的景观格局与动态进行分析, 颜长珍等(2004)对地处我国半干旱区的张家口、榆林和定西3个典型区的土地覆盖景观变化进行了遥感监测, 分析了生态环境建设工程的效果, 董有福等(2004)对退耕还林(草)政策影响下的陕北纸坊沟流域20世纪末景观变化进行了综合分析。研究结果都证实了生态工程实施对于林地、草地和耕地面积影响较大, 但没有对工程实施后土地利用方式的合理性进行评估, 缺乏对退耕还林工程规划的科学指导。本文以四川省西昌市为研究试验区, 利用1996年和2004年的2期TM影像数据制作景观类型图, 分析退耕还林工程的实施对西昌地区景观格局变化的影响, 为科学合理地进行退耕还林工程规划和评估提供技术支持。

1 研究区概况

西昌市位于四川省西南部, 27°32′—28°10′N, 101°46′—102°25′E; 东西宽62.8 km, 南北长70.8 km, 面积2 655.21 km²。该区属亚热带高原性季风气候, 因地貌类型复杂多样, 气候随海拔升高有显著变化; 多年平均气温17.5 ℃, 最高气温36.5 ℃, 最低气温-3.8 ℃; 多年平均降雨量1 031.1 mm, 但主要集中在6 —11月, 占总降雨量的90 %以上。受大气候及地区性气候的影响, 在多种母质种类上形成了不同类型的土壤, 主要有水稻土、冲积土、紫色土、红壤、山地黄棕壤、山地棕壤、亚高山草甸土, 山地土壤结构、肥力较好, 有机质含量高, 林木长势好, 植物种类丰富。该市主要土地利用类型有:耕地、林业用地、牧草地和城市建设用地。耕地又分梯坪地和坡耕地, 梯坪地占耕地面积的52.94 %, 坡耕地占耕地面积的47.06 %; 坡度为5 ~ 25°的占坡耕地的54.35 %, 坡度>25°的占坡耕地的45.65 %; >25°的坡耕地均为中低产田或称“雷响田”, 广种薄收, 单产较低, 主要分布在该市12个彝族乡、邛海周边、108国道两旁的二半山、高山区。

2 研究数据和方法 2.1 研究数据

影像资料:从中国遥感卫星地面站购买1996和2004年2期陆地卫星TM影像, 分辨率30 m。图面资料:1999年西昌市土地利用现状图(1:100 000), 1999年西昌市森林资源分布图(1:100 000), 西昌市地形图(1:10 000), 退耕还林(草)工程位置示意图(1:25 000)。其他资料包括气候、水文、植被、土壤等文字资料。

2.2 研究方法 2.2.1 景观分类系统

景观格局的定量分析需在景观分类的基础上进行。目前, 景观分类存在以下几种不同的分类体系:按人类影响强度的景观分类、以土地利用方式为主的景观分类、据自然度不同的景观分类、植被类型或地貌特征为主的景观分类等(肖笃宁等, 1998)。本文采用土地利用方式为主的景观分类, 根据TM图像的实际可解能力, 并考虑研究目的是退耕还林工程对景观空间格局的影响, 土地利用类型主要是耕地、林地和草地信息, 因此, 将研究区遥感分类体系划分为:耕地(包括水田、旱地)、林地(包括有林地、灌木林地、疏林地和其他林地)、草地(包括高、中和低覆盖度草地)、水域(包括河渠、湖泊、水库、滩地等)、建设及交通用地(包括城镇用地、农村居民点用地和工交建设用地)。

2.2.2 遥感图像处理

在ERDAS中对TM影像进行几何校正, 精度控制在1个像元内。波段组合选取4、3、2波段, 采用监督分类, 监督分类的样本数据参考非监督分类的分类结果和野外实地调查数据, 得到初步分类结果。将矢量化的土地利用现状图和森林资源分布图与影像进行配准叠加, 作为影像分类的辅助信息, 对初步分类结果中存在疑问的分类进行修改和调整, 最终得到栅格的景观分类图(图版Ⅰ-1、2)。

2.2.3 景观要素面积分析

在ERDAS中对2期栅格的景观分类图进行矩阵运算, 用GIS Analysis模块中的Matrix分析工具, 将输入的2期分类图进行Union叠加, 计算过程忽略零值, 得到研究区景观要素的空间变化信息和属性变化信息, 统计计算景观要素间的面积转化。

2.2.4 景观指数分析

景观指数是指能够高度浓缩景观格局信息, 反映其结构组成和空间分布特征的定量指标(邬建国, 2000)。在景观空间分析方面, 近年来已提出了不少指标, 分别从斑块、斑块类型和景观水平上选用了有生态意义的景观指数进行定量计算和分析。本文用FRAGSTATS 3.3分别从斑块、斑块类型和景观3个水平上计算了相应的景观指数。FRAGSTATS是目前国际上较流行的景观格局分析软件, 它可以计算40多种景观指标, 但许多指标之间都是高度相关的(Riitters et al., 1995; EPA, 1994), 在定量研究景观格局特征时, 应本着简单性、代表性和统一性原则, 在全面了解所选指标生态意义的前提下, 力求以尽量少的指标来描述有关景观格局的信息(肖笃宁等, 2003)。因此, 根据本文研究需要, 选用以下景观指标分析研究区空间景观格局信息:斑块数、斑块面积比重、最大斑块指数、斑块密度、边界密度、面积加权平均斑块形状指数、面积加权平均斑块分维数、Shannon-Weaver多样性指数、景观优势度指数、景观均匀度指数和景观聚集度指数共11个指标。这些指标的计算公式采用FRAGSTATS的表示方式(McGarigal et al., 1994)。

3 结果与分析 3.1 景观要素面积变化

根据1996和2004年2期景观分类结果, 分别计算出不同景观类型的面积及其变化情况, 见表 1。

从表 1可以看出, 近8年来西昌地区景观要素类型的面积都有不同程度的变化。除了草地面积减少, 其他类型的面积均有增加。变化最显著的是建设及交通用地, 其面积增长了1.8倍。变化较显著的类型则是草地, 其面积减少了45.27 %, 几乎有一半面积的草地转化成其他类型。而变化较小的是耕地, 其面积增长了2.76 %。水域的面积变化也很明显, 原因之一是西昌行政区划边界有一部分以河为界, 因此在截取研究区影像时产生的偏差造成了其水域面积的增加。研究区林地面积比以前增加了15.04 %, 但是由于耕地面积不减反增, 所以很难直接判断出是否与近年来实行的退耕还林工程有密切关系。

3.2 景观要素空间变化

区域景观变化不仅包括景观要素类型数量上发生的变化, 还包括其空间分布上的变化。在ERDAS中通过矩阵运算得到变化的景观分类图(图版Ⅰ-3、4)。可以看出, 近8年来, 景观发生变化的区域主要分布在西昌地区的东北部和西南部林区边缘, 中部河流沿岸和城区附近变化也较明显。由于西昌市退耕工程主要安排在邛海周边、108国道两旁、城区周围、安宁河两岸、保城河流域两旁的乡(镇), 而且对照西昌地区2004年景观分类图可以看出, 这些变化的景观类型主要是耕地、林地和城市。随着地区经济的发展和人口的不断增加, 城区周围变化显著。河流沿岸景观类型的变化受退耕还林工程的影响较大, 而边远山区林地边缘地带景观类型的变化主要是人们开荒种田造成的。

3.3 景观要素间面积转化

从表 2、3可以看出:1996 —2004年, 耕地、林地和草地间的转化频繁。从转出变化来看, 有32 %的耕地转化为其他景观类型, 其中转化为林地的面积最大, 占耕地总面积的13 %, 转化为草地的面积占耕地总面积的11 %。从转入变化来看, 现有耕地面积的34 %是由其他景观类型转变而来的, 其中由草地转变为耕地的面积最大, 占现有耕地面积的20 %, 林地次之, 占现有耕地面积的12 %。由此可见, 西昌地区退耕还林还草工程初见成效, 但不容忽视的是, 退耕的同时, 其他地区有新的林地或草地地块被开垦为农田。林地的转入、转出变化主要在耕地和草地类型中。林地转化为耕地类型的面积较大, 占林地面积的9 %。但从转入来看, 草地转化为林地的面积较大, 占现有林地面积的17 %, 耕地转为林地的面积占现有林地面积的9 %。也就是说, 耕地与林地之间的面积转化基本持平。本文在进行景观类型划分时将灌木林也归为林地类型, 因此, 草地转化为林地的地块很大程度上是转化为灌木林。草地的转入、转出变化幅度较大, 面积大小不稳定。从面积转出来看, 高达72 %的草地面积转化为其他土地类型。其中, 转化为林地的面积最大, 占草地面积的39 %, 其次为耕地, 占草地面积的30 %。从面积转入来看, 现有面积的28 %来自耕地, 另有20 %的面积是由林地转化而来。耕地转化为草地主要是山区的游耕地造成的, 林地转化为草地主要是人为砍伐造成的。水域和耕地之间有面积的转入和转出变化主要是由被列为水域类型的滩涂和归为耕地类型的水田之间的相互转化造成的。现有建设及交通用地面积的61 %是由耕地转化来的。从前面各景观类型近8年来的面积变化可以了解到, 研究区建设及交通用地的面积增长了近2倍。不难推断, 随着人口的不断增长, 城市的不断扩大, 有不少面积的耕地, 尤其是城郊周围的农田被城市建设及交通用地占用。

3.4 景观格局分析 3.4.1 斑块类型水平上的景观分析

1) 耕地景观格局变化  从表 4可以看出:1996 —2004年间, 耕地的斑块数、最大斑块指数以及斑块密度均比以前减少了, 而斑块面积比、边缘密度、面积加权平均斑块形状指数和面积加权平均斑块分维数均比以前增加了。耕地斑块数目减少了15.5 %, 斑块面积比增加了2.67 %, 说明由于集中连片生产, 耕地斑块数目减少了, 规模加大了。耕地最大斑块指数有了明显减少, 由原来的10.19降到7.51, 变化率26.3 %, 说明耕地斑块面积分化在减少。从耕地的破碎情况来看, 斑块密度下降了11.76 %, 说明耕地斑块的破碎化趋势不明显, 从耕地斑块数目的减少也可以看出这一点。另外斑块边缘密度比以前增加了15.12 %, 说明斑块的形状复杂了, 反映斑块形状的景观指标面积加权平均斑块形状指数和面积加权平均斑块分维数都较以前有所增加, 其中前者增幅高达30.88 %, 说明耕地斑块形状趋于复杂化, 这与前面斑块边缘密度增加所得出的结论一致。总之, 西昌地区在实施退耕还林还草生态工程后, 耕地景观趋于集中连片, 破碎状况不明显, 耕地斑块形状复杂化、不规则化。

2) 林地景观格局变化  从表 4可以看出, 林地类型的斑块数目、最大斑块指数、斑块面积比重、斑块密度、边缘密度、面积加权平均斑块形状指数以及面积加权平均斑块分维数均比1996年增加了。

从林地规模来看, 林地斑块数目有了明显增加, 由173增加到237, 增加了36.99 %。林地面积百分比由原来的43.34增加到49.81, 增加了14.93 %, 其面积增长幅度比耕地大。最大斑块指数增幅最大, 高达83.16 %, 几乎翻了一番, 这些都表明了林地规模明显扩大, 也初步证明了退耕还林还草生态工程初见成效。从林地的破碎情况看, 斑块密度明显增加, 单位面积内林地斑块数目增加了50 %, 由0.06增加到0.09, 这可能是由退耕还林地块分布比较零散造成的。从林地斑块的形状来看, 面积加权平均斑块形状指数比以前增加了44.74 %, 面积加权平均斑块分维数变化不大, 增加了1.55 %, 边界密度也增加了, 表明林地斑块形状也变得不规则了。总之, 退耕后西昌地区林地规模明显扩大, 但破碎状况也比较明显, 斑块形状趋于复杂化。

3) 草地景观格局变化  从表 4草地类型景观指数变化可以看出:草地的斑块数目和斑块密度出现了急剧增长, 最大斑块指数、斑块面积比重、边缘密度和面积加权平均斑块形状指数均降低了, 而面积加权平均斑块分维数没有变化。草地类型在整个研究区景观中的面积比由1996年的21.62下降到2004年的11.82, 下降了45.33 %, 草地最大斑块指数由1.23下降到0.87, 下降率29.27 %, 由此可以看出, 草地类型面积在近8年内几乎减少了一半, 最大斑块面积也明显减少, 说明草地缩减现象比较严重。草地斑块数目由393增到646, 增长率达64.38 %, 虽然草地面积明显减少, 但斑块数目却有明显增加, 说明草地斑块分布比较零散, 破碎状况显著。这一点也可以从草地斑块密度增加看出。从草地斑块的形状来看, 草地的面积加权平均斑块分维数没有变化, 而面积加权平均斑块形状指数由5.66下降到4.93, 下降了12.90 %, 斑块边缘密度下降了15.73 %。说明草地斑块形状趋于简单化, 边缘粗糙度降低。总之, 西昌地区草地类型的景观变化表现为草地规模大幅度减少, 破碎化现象严重, 斑块形状简单。

4) 建设及交通用地格局变化  从表 4建设及交通用地的景观指数变化可以看出, 斑块面积比重、最大斑块指数和边缘密度均成倍增长。这与近年来人口膨胀, 城市用地明显增长密切相关, 城市规模扩大某种程度上体现了该地区经济的发展状况。

3.3.2 景观水平上的格局变化分析

表 5列出了西昌地区1996 —2004年景观水平的指数变化情况, 整个研究区景观的斑块数目增加, 斑块密度也随之增加了23.26 %, 边界密度也增加了9.67 %, 可见, 研究区单位面积内的斑块数目增加, 景观类型被边界分割程度增加, 使整个景观呈破碎化趋势。面积加权平均斑块形状指数和面积加权平均斑块分维数都增加了, 景观形状不规则化。Shannon-Weaver多样性指数下降了0.01, 反映了各斑块类型分布均匀度降低。景观优势度指数增加了0.01, 说明景观中某一类或几类景观类型的优势度增加了, 近8年来, 研究区内林地面积增加了17 702.82 hm², 提高了林地类型在景观水平上的优势度。景观均匀度指数下降了0.01, 表明景观类型有不均衡发展的趋势。景观聚集度指数由55.36增加到55.55, 增加了0.19, 同时, 最大斑块指数也由18.94增加到34.69, 反映了研究区景观以集中连片为主的趋势, 但仍然存在明显的面积分化, 西昌地区景观类型发展不均衡。

4 结论和讨论

作为退耕还林工程试点, 西昌市1999 —2004年已完成退耕还林面积14 600 hm², 工程建设已形成规模, 对全区土地利用结构变化产生了一定影响。本文利用西昌地区退耕前后的2期卫星影像图, 从景观生态的角度分析格局变化, 初步得出结论:除草地以外, 其余景观类型的面积均比以前有所增加, 其中, 林地和耕地面积分别增加了15.04 %和2.76 %, 而草地面积减少了45.27 %, 减少幅度较大; 从景观类型面积转化来看, 耕地、林地和草地之间的转化频繁。斑块类型水平上, 耕地景观趋于集中连片, 但是, 耕地地块形状变得复杂; 林地规模明显扩大, 破碎程度也显著增加, 斑块形状趋于复杂化; 草地规模大幅度减少, 破碎化现象严重, 形状简单。景观水平上, 西昌地区景观破碎度增加, 林地的优势度增加, 景观最大斑块指数增加, 景观类型以集中连片发展为趋势, 景观均匀度下降。

景观破碎度在一定程度上反映了人类活动对景观格局的影响。西昌地区在1996 —2004年景观破碎度明显提高, 这种破碎状况主要反映在林地和草地类型上, 说明随着退耕还林工程的实施, 林地和草地受人类活动的干扰较大。林地面积迅速增加, 草地面积明显减少, 这种面积转化主要在耕地、林地和草地类型之间。由于近年来西昌地区在实施退耕还林工程的过程中缺乏对还草的认识, 对退耕还草政策宣传力度不够, 一些乡镇甚至认为, 无论草山草坡还是荒山荒坡都应规划植树, 使得草地大面积减少, 从而出现牲畜超载, 草畜结构不合理的现象(文仕康等, 2004)。从景观的角度, 影响了整个地区景观的均衡发展。因此, 正确处理还林和还草的关系、合理安排还林和还草任务是今后应注意的问题。

景观聚集度指数考虑斑块类型之间的相邻关系, 反映了景观组分的空间配置特征。西昌地区在1999 — 2004年景观聚集度增加了, 说明斑块类型间的联系密切了, 这有利于促进斑块内部与周围环境的相互作用。另外, 在实施退耕还林工程以来, 耕地的面积略有增长, 不难推断, 在实施退耕的同时, 又有其他的土地类型被开垦为耕地。因此, 当地林业部门应进一步对这些新垦地块给予关注。