灾后重建干扰下芦山县景观生态格局的变化特征

彭勃, 付永胜



灾后重建干扰下芦山县景观生态格局的变化特征

彭勃, 付永胜*

西南交通大学地球科学与环境工程学院, 四川, 成都 611756

运用GIS技术和景观生态学方法研究了芦山县在灾后重建人为干扰下的景观生态格局变化特征。结果表明：(1)地震后灾后重建对景观结构破坏严重, 景观变化和和人为干扰有主要关系, 景观格局指数的变化与人为干扰强度变化基本一致; (2)2013年, 沿芦山中北部河谷地带工程建设用地和居住用地逐渐增加, 裸露山体主要集中在中南部, 林地破碎化非常严重, 耕地逐渐向中部和北部河谷地带扩展; 2017年, 裸露山体大幅减少, 南部耕地大量向中北部扩展, 芦山县中南部区域新增大量居住用地和建设用地, 湿地大量减少, 草地主要集中分布在北部高山区域, 林地面积由北到南逐渐减少; (3)2013年总体干扰度为 0.587, 芦山县中部以重度干扰为主, 穿插一些轻度干扰, 南部则以中度、重度和极重度干扰为主, 人为干扰对景观格局破坏严重; 2017总体干扰度为0.425, 干扰分布呈现均匀化特征, 中度、重度和极重度干扰区主要分布在中部和南部, 沿河谷平原呈现带状分布; 大量轻度和极轻度干扰区出现在北部、中部和南部、并开始包围极重度和重度区域, 有逐渐“分解”重度和极重度区域的趋势; (4)2013至2017年, 景观均匀性减弱, 出现不同景观类型相互竞争、相互渗透交错的格局; 优势景观具有较强的竞争力和辐射力, 劣质景观要素被包围和分解; 居住用地景观和工程建设用地景观处于景观权重核心地位, 其辐射能力及辐射的稳定性强于其他景观, 为其他景观格局变化提供源动力。

人为干扰; 灾后重建; 芦山县; 景观生态格局

1 前言

2013年4月20日四川省雅安市芦山县境内发生7.0级地震, 是继2008年5月12日汶川8.0级地震之后在龙门山断裂带上发生的又一次灾害性地震事件[1-4]。芦山地震灾区属于中国生态重要性比较高的区域, 地处青藏高原和成渝城市群过渡地带, 其生态恢复与重建对整个长江流域的水土流失治理及生态安全具有重要的现实意义。地震后灾后重建持续时间较长, 导致芦山县的生态环境质量发生了巨大变化, 灾后重建对土地利用和景观格局变化影响十分强烈, 因此, 研究芦山县进行景观生态格局变化能发现灾后重建对生态环境产生的影响, 也能找出灾区生态环境恢复的优劣点, 这是地震灾后重建工作的重要基础[5-7]。

目前关于中国横断山区地质、地貌、水文、土壤、动植物资源及生物多样性[8-11]已有较多研究和报道, 而对于该区大中尺度的土地利用景观格局时空变化特征的研究还较少。因此, 本文利用GIS技术和景观生态学方法, 对灾后重建5年来芦山县景观生态格局时空变化特征进行分析, 为芦山县灾后重建提供技术支持, 也对长江上游生态环境建设和土地的可持续利用提供科学依据[12]。

景观格局变化受到自然和人为干扰因素综合作用, 人类活动对景观格局的影响尤为突出[13-14], 人为干扰影响景观内物种的丰度、分布、种群的生存能力, 同时影响到该景观的生态过程和边缘效应[14-15], 景观格局变化及其驱动机制分析是地理学和景观生态学领域长期关注的热点问题[16-17]。目前国内外相关研究主要采用景观格局指数和景观动态变化模型研究景观格局演变特征, 景观格局指数是景观格局信息的高度概况, 是反映景观结构组成、空间配置特征的量化指标, 是景观格局研究的重要指标之一[18-19]。

2 研究区概况与数据来源

2.1 研究区概况

芦山县位于雅安地区东北部, 青衣江上游。地处四川盆地西部边缘, 龙门山的南段, 于四川盆地与青藏高原的过渡地带。北与汶川县连界, 东北与崇州市、大邑县、邛崃市毗邻。总体上呈北高南低、西高东低之势。区内山峰连绵起伏, 河谷纵横, 地势复杂, 山地面积约占93.24%[20-21]。全县幅员面积1166.58 km2, 辖5镇4乡46个村(社区)256个村民小组, 2014年末常住人口11.95万, 其中农村居民7.86万人, 城镇居民4.09万人, 县城距雅安31 km, 距成都156 km(图1)。

作者于2013及2017年期间对震芦山县进行了多次实地调研, 收集了大量重建后生态环境现状与地质灾害资料, 以2013年和2017年共2期遥感影像数据为线索, 获取林地、耕地、湿地、草地、水域、建设用地、居住用地和裸露山体等8种土地利用类型的面积变化。

2.2 数据来源

数据来源主要以遥感影像为主, 配合现场调查统计数据, 共有2个部分来源。

(1)遥感影像数据为Landsat7 ETM+、Landsat 8 OLI影像数据, 中科院对地观测与数字地球科学中心的SPOT-5影像;

(2)现场调查数据包括芦山县年鉴、芦山县国土局和芦山县住建局等数据及资料(表1)。此外, 还包括对芦山县多个乡镇进行的野外现场图像收集资料。

2.3 数据前期处理

(1)使用ArcGIS10.2软件对DEM数据进行几何校正及数据中杂点的消除, 以现场获取的各个点作为参考, 获取分析用的海拔、坡度、坡向等数据;

(2)土地分类采用计算机自动分类和人工分类相结合的方法, 在Erdas Imagine 9.0环境下, 先对影像进行监督分类, 再结合地形图、植被图等辅助资料, 人工目视解译修改分类结果, 提高解译精度, 2013和2017年2期分类图的总体分类精度分别为90.64%和91.51%, 能满足精度要求。使用ArcGIS10.2软件对地图进行编辑, 进行数字化分析, 完成未利用地、林地、耕地、湿地、草地、水域、建设用地、居住用地和裸露山体分布图像的制作。

图1 芦山县地理区位

表1 芦山县基础数据表

注：人口和土地数据主要通过芦山县年鉴、芦山县国土局和住建局资料分析整理; 城镇建设、自然植被和农田耕地面积属于总面积的一部分, 三类用地总和不等于总面积, 其他用地面积将通过遥感影像解析得到。

3 研究方法

3.1 景观指数计算

景观指数可以定量地描述景观格局, 建立格局与过程的联系, 更好地理解与解释景观功能[22-23]。论文选择斑块密度()、最大斑块指数()、破碎度()、优势度()、连接度()、蔓延度()、香农多样性指数()和香农均匀度指数()等8个景观格局指数进行研究。景观指数的计算通过Fragstat4.2完成, 从景观类型的基本特征及空间演化等角度定量揭示景观格局演变过程。为了直观分析芦山县2013和2017年2个时期景观指数的空间变化, 运用网格分析法研究景观指数的区域内差异, 在前人研究基础上, 结合研究区的范围[24-26], 首先运用ArcGIS10.2生成大小为1km×1km的网格, 然后计算不同时期各网格的景观指数, 并采用Kring插值对景观指数进行插值, 得到不同时期芦山县景观格局空间分布图。各景观指数计算公式见表2[27-29]。

3.2 人为干扰度计算

干扰强度表示人类的干扰作用, 干扰强度越小, 越利于生物的生存, 因此, 其针对受体的生态意义越大。人为干扰度指数(, 简称HI)能反映人类对生态环境的干扰程度, 根据前人的研究成果[30-34], 结合芦山县的景观类型和实际情况, 对芦山县的土地利用景观类型加上道路与护坡等共9类指标进行人为干扰指数赋值(表3)。通过分析人为干扰强度能发现灾后重建对芦山县景观格局变化的影响机制。

根据公式(1)结合人为干扰赋值计算某个网格单元的人为干扰度：

表示某个网格单元的人为干扰度,HI表示第类景观类型的干扰度赋值,S表示第类景观类型的面积,表示网格单元的总面积。人为干扰度大小及时空分布可以反映出人为干扰对景观格局变化对的影响机制。人为干扰度的时空分布将使用ArcGIS 10.2来制作完成。

表2 景观格局指数公式

表3 景观类型人为干扰度赋值

注: HI取值范围为0＜HI＜1, 越靠近0表示完全无任何干扰, 越靠近1表示完全干扰。

4 结果与分析

4.1 景观要素空间分布特征

利用景观指数分析软件 Fragstats4.2计算2013和2017年芦山县的景观指数(表4、表5), 并绘制土地利用景观格局空间分布图(图2), 通过表格数据和图形空间分布情况分析芦山县景观指数的时空变化特征。

图2 芦山县景观要素空间分布

表4 2013年及2017年芦山县景观结构指数

4.1.1 景观格局指数变化特征

从表4数据可以看出：湿地、草地、水域和都是上升, 但变化不明显, 人为干扰对其影响较弱; 裸露山体和都是下降, 主要因为受到地震破坏后, 人工干扰增多, 例如加强护坡建设和人工植被修复来加强山体稳固性, 使其逐渐恢复; 林地和持续下降, 和人为干扰有主要关系, 主要是因为地震后灾后重建导致工程用地和居住用地持续增加占用了大量林地, 并且地震破坏林地形成大量裸露山体; 耕地和都是上升, 主要是因为2013年第二次地震, 芦山位于震中, 破坏比2008年严重, 灾后重建力度也比2008年强, 人为干扰灾后重建力度很大, 所以出现人口大量回流, 同时县城建设占用大量原有河谷平原优质耕地, 使得耕地斑块向芦山北部河谷转移; 建设用地和下降, 主要是因为2013年第二次地震, 由于地震破坏大于2008年, 灾后重建工程量也加大, 所以人为干扰对土地破坏加重, 到2017年重建完成, 开始下降; 居住用地和都是上升, 主要因为人口回流加快对居住房屋需求很大, 2013年地震后灾后重建力度持续上升对景观结构破坏严重。

从表5数据库看出：下降, 主要是因为2013年地震后灾后重建人为干扰对景观格局持续破坏, 到2017年, 灾后重建基本完成, 并进入生态质量提升阶段, 由于有2008年第一次灾后重建作为基础, 所以2013年开始的第二次灾后重建人为干扰并未产生较多劣质斑块, 出现较多的是居住用地斑块和耕地斑块;、和都是持续上升, 主要因为2013及2017年工程建设斑块、居住用地斑块和耕地斑块增多, 占据优势, 原有自然破碎斑块被分解, 通过新建道路和护坡进行连接, 使景观格局出现新的连接廊道, 构建了新的景观体系, 新的景观格局在人为干扰下能够进行自我扩展和完善;持续下降, 说明2013及2017年灾后重建人为干扰导致景观结构从复杂变为简单, 说明各景观类型所占比例差异增大, 景观异质性降低; 2013及2017年均逐步上升, 表明优势景观类型的份额增加, 单一组分对景观的格局控制作用增强。

4.1.2 景观格局空间分布特征

从图2可以看出：2013年, 发生第二次地震, 芦山位于震中, 人口大量回流增加, 由于原有一些裸露山体还未完全恢复, 所以造成更多裸露山体出现, 主要集中在中南部, 特别是震中周边5至10km区域, 林地破碎化非常严重, 由于灾后重建需要, 芦山县城属于重点建设区域, 居住用地和工程建设用地增加, 所以占用大量耕地, 导致耕地开始减少, 耕地逐渐向中部和北部河谷地带扩展转移, 其他乡镇镇区面积也逐渐扩大, 导致小型工程建设用地和居住用地沿河谷地带逐渐增加, 同时破坏了湿地和林地; 2017年, 修建了大量护坡对山体进行稳固, 新建道路对景观格局进行优化, 出现很多人工绿地对裸露山体进行恢复, 但同时南部占用大量耕地, 导致南部耕地大幅减少, 耕地继续向中北部大量扩展转移, 并新增大量居住用地和建设用地, 所以芦山县中南部区域人为干扰最重, 湿地也受到大量影响减少; 此外, 大量草地主要集中分布在北部高山区域, 林地面积由北到南逐渐减少。

4.2 景观格局人为干扰分布特征

利用公式(1)计算单个网格人为干扰度, 进行数值分析后得出单个网格干扰分布图像, 结合ArcGIS10.2的影像叠加技术对芦山县的灾后重建人为干扰因子进行叠加分析, 之后将每个网格影像叠加得出芦山县 2013和2017年景观格局人为干扰空间分布图(图3)。

2013年发生的地震和2008年地震间隔很短, 刚恢复较好的部分区域再次受到严重破坏, 第二次人为干扰又开始影响芦山县景观格局; 由于芦山处于震中, 所以灾后重建工程量很大, 大量外出务工人员回流服务灾后重建, 所以人为干扰力度很强, 总体干扰度达到0.587, 造成芦山县中部以重度干扰为主, 穿插一些轻度干扰, 南部则以中度、重度和极重度干扰为主; 芦山县城工程建设量最多, 所以人为干扰最重, 北部由于人为活动较少, 所以干扰较轻, 总体干扰分布说明大量工程建设对景观格局破坏严重。

2017年灾后重建结束, 干扰分布呈现均匀化特征, 中度、重度和极重度干扰区主要分布在中部和南部, 并且沿河谷平原呈现带状分布; 大量轻度和极轻度干扰区出现在北部、中部和南部、并开始包围极重度和重度区域, 有逐渐“分解”重度和极重度区域的趋势; 大量基础设施建设带动经济发展, 人口持续增长16381人(表1), 由于修建大量道路与护坡, 所以人为干扰度较高, 但人为干扰在单元网格上的作用逐渐减弱, 总体干扰度为0.425, 但从发展趋势看, 工程建设完成后, 未来生态环境进入自我恢复阶段, 景观格局逐渐完善, 说明灾后重建人为干扰对生态环境恢复起到一定积极作用。

5 讨论

5.1 景观形态演化的时空特征

人为干扰对地震后芦山县土地利用变化有很重要的影响, 灾后重建人为干扰的介入对土地利用的影响表现出“时间短”“速度快”、“范围广”的特点。芦山县景观界线较为明确, 外缘以高山为边界, 内缘以道路和河流为边界, 起到分割景观格局的作用; 灾后重建对芦山县景观格局的影响具有阶段性和区域性的特征, 芦山县经历过“5·12”汶川大地震波及, 在2008至2012年已经经历过一次灾后重建干扰, 在第一次灾后重建过程中林地景观形态在空间上存在较为显著的分异特征, 景观相对均匀, 未受城镇影响力辐射的农村区域景观也相对均匀, 芦山县城的景观类型均匀性明显减弱; “4·20”芦山大地震发生后, 芦山县是地震严重破坏区, 所以初期灾后重建力度很大, 随着灾后重建工程逐渐完成, 土地利用动态度开始呈下降趋势, 人为干扰度从0.587减小至0.425, 林地持续下降、裸露山体大幅下降, 说明人为干扰对劣质生态环境进行逆转, 未利用地、耕地、湿地、草地、水域、工程建设用地和居住用地仍然上升, 但幅度减缓, 说明土地变化幅度减轻, 生态环境开始好转。在本次灾后重建过程中, 芦山县整体景观均匀性减弱, 出现不同景观类型相互竞争、相互渗透交错的格局, 林地大幅下降, 耕地向北部转移, 工程建设用地和居住用地景观成为优势景观, 由于优势景观具有较强的竞争力和辐射力, 所以劣质景观要素被优质景观要素包围、分解, 整体景观格局形态趋于均匀; 进入灾后重建后期, 优势景观斑块面积持续扩大, 景观回归均匀趋势, 形态相对规则, 劣质景观得以更新, 进入自我恢复阶段。

图3 芦山县景观生态格局干扰空间分布

5.2 景观格局演变的驱动机制

人为干扰在芦山县景观格局演变过程中起到关键性作用, 在灾后重建过程中, 居住用地景观和工程建设用地景观处于景观权重核心地位, 其辐射能力及辐射的稳定性强于其他景观, 呈以极核为中心的连片发展态势, 因为城镇具有较强的人口聚集性和生产力输出性, 导致土地性质变化剧烈, 更为其他景观格局变化提供源动力, 同时网络化的道路和护坡加剧了景观格局破碎化, 景观破碎化后致使景观斑块数量增多。耕地景观作为城镇扩张的先锋景观, 其辐射作用波动较大, 景观消长变化较剧烈。林地景观一直在减少, 多数转变为耕地, 工程建设和耕地扩张是灾后重建的工作的中心, 伴随着大量工程建设需求增长, 人口不断增加, 所需耕地和居住用地也大量增加, 加快了土地转变, 生产配套的生活设施不断完善, 城镇功能得以强化, 后期南部耕地景观逐步向城镇转变, 北部出现大量新的耕地景观, 裸露山体被工程建设加固修复, 有部分被人工植被替代, 转化成新的景观类型, 而湿地、河流、草地作为固定景观类型变动不大。

此外, 人口增长对人为干扰增强有正相关关系, 人口增长越多, 干扰越强, 反之越弱; 人为干扰对土地利用变化的影响较明显, 特别是在裸露山体、耕地、工程建设用地和居住用地四类土地变化上最剧烈, 与人为干扰呈正相关, 其他用地与人为干扰呈负相关, 随时间向后推移, 未来干扰持续减弱, 土地变化度也会持续下降, 生态环境将持续变好。

6 结论

论文选取8个典型景观格局指数, 以芦山县土地利用和景观格局为研究对象, 对2013及2017年的芦山县土地利用和景观格局演变过程进行分析, 可以得出如下结论：

(1)地震灾区景观格局变化和和灾后重建人为干扰有主要关系。景观格局指数的变化与人为干扰强度变化基本一致; 人为干扰导致景观结构从复杂变为简单, 各景观类型所占比例差异增大; 人为新建道路和护坡完善了景观结构, 对生态环境进行修复, 构建了新的景观体系, 新的景观格局在未来能够进行自我优化和完善, 优势景观类型的份额增加, 单一组分对景观的格局控制作用增强。

(2)2013年, 工程建设用地和居住用地沿中北部河谷地带逐渐增加, 裸露山体主要集中在中南部, 林地破碎化非常严重, 耕地逐渐向中部和北部河谷地带扩展; 2017年, 裸露山体大幅减少, 南部耕地大量向中北部扩展, 芦山县中南部区域新增大量居住用地和建设用地, 湿地也受到大量影响减少; 草地主要集中分布在北部高山区域, 林地面积由北到南逐渐减少。

(3)2013至2017年, 年总体干扰度从0.587下降至0.425, 人为干扰分布呈现均匀化特征, 中度、重度和极重度干扰区主要分布在中部和南部, 沿河谷平原呈现带状分布; 大量轻度和极轻度干扰区出现在北部、中部和南部、并开始包围极重度和重度区域, 有逐渐“分解”重度和极重度区域的趋势。

(4)2013至2017年, 景观均匀性减弱, 出现不同景观类型相互竞争、相互渗透交错的格局, 优势景观具有较强的竞争力和辐射力, 劣质景观要素被包围和分解。居住用地景观和工程建设用地景观处于景观权重核心地位, 其辐射能力及辐射的稳定性强于其他景观, 为其他景观格局变化提供源动力。

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Change characteristic of landscape ecological pattern in Lushan county by disaster reconstruction disturbance

PENG Bo, FU Yongsheng*

Faculty of Geosciences and Environmental Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756, China

The change characteristics of landscape ecological pattern in Lushan county after the disaster reconstruction were studied by using GIS technology and landscape ecology method. The results are as follows. (1) After the earthquake, the post-disaster reconstruction has serious damage to the landscape structure, landscape changes and human disturbance are closely related, and the change of landscape pattern index is basically the same as that of human disturbance intensity.(2) In 2013, the construction land and residential land in the northern valley of Lushan increased gradually; bare mountain mainly concentrated in the south; woodland fragmentation was very serious; the cultivated land gradually spread to the central and northern valleys.In 2017, the bare mountain was drastically reduced; a large number of cultivated land in the south expanded into the north;residential land and construction land increased in the south of the region; wetland was reduced; grassland was mainly distributed in the northern mountainous areas; woodland area from north to south gradually was reduced.(3) The overall disturbance in 2013 was 0.587. Lushan county was mainly severed disturbance, and interspersed with some minor disturbance; the south was mainly moderate, severe and very serious disturbance human disturbance on the landscape pattern of serious damage. In 2017 the overall disturbance was 0.425. The disturbance distribution was homogenized; the moderate, severe and extremely severe disturbances were mainly distributed in the middle and south, along the valley plains; a large number of mild and extremely mild disturbances occurred in the northern, central and southern regions and began to encircle the very severe and severe regions, with the tendency to "decomposing" severe and extremely severe areas.(4) From 2013 to 2017, the landscape uniformity was weakened; there were different types of landscape competition; the advantage of the landscape had a strong competitive and radiation; vulnerable landscape elements were scattered, surrounded, decomposed;the landscape of residential land and the landscape of construction land were in the core of landscape weight, and the radiation ability and radiation stability were stronger than other landscapes, and provided the source power for other landscape pattern changes.

human disturbance; disaster reconstruction; Lushan country; landscape ecological patterns

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.04.022

P901; X826

A

1008-8873(2018)04-178-10

2017-07-03;

2017-08-05

四川省科技厅科技支撑项目(2014SZ0058);四川省科技厅科技支撑项目(2015SZ0202)

彭勃(1986—), 男, 博士研究生, 讲师, 主要从事生态修复与景观生态格局研究, E-mail: 56353309@qq.com

付永胜(1963—), 男, 博士, 教授, 博士生导师, 主要从事环境评价与管理研究, E-mail: fuyosh@163.com

彭勃, 付永胜. 灾后重建干扰下芦山县景观生态格局的变化特征[J]. 生态科学, 2018, 37(4): 178-187.

PENG Bo, FU Yongsheng. Change characteristic of landscape ecological pattern in Lushan county by disaster reconstruction disturbance[J]. Ecological Science, 2018, 37(4): 178-187.