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景观是由不同生态系统组成的地表综合体[1]。景观生态学主要研究景观的三个特征,即格局、功能和动态[2]。景观格局指构成景观的生态系统或土地利用/覆被类型的形状、比例和空间配置[3],是景观功能的支体,是景观动态的组分,是景观生态学研究的最基础内容。分析景观空间结构的外在表现,即对景观格局“斑块—廊道—基质”分析框架的具体化[4]。随着景观生态学的迅速发展,数量化分析景观格局已该领域研究的主要手段,以“斑块—廊道—基质”为基本理论发展起来的景观指数成为景观格局分析的重要工具[5-6]。
三峡库区是我国最重要的生态敏感区之一,处于山地生态系统和水域生态系统的过渡区,地形复杂,自然灾害频发。三峡工程的实施,淹没大量陆地,改变天然水流条件,大量移民开垦耕地、大兴土木,使该区的土地利用/覆盖发生了巨大变化,破坏植被尤为严重[7-8]。研究三峡库区森林景观格局在三峡工程建设前、中、后发生的变化,能够为森林可持续经营、发挥生态系统服务功能、保护生物多样性提供基础研究。
本研究利用5期遥感影像代表三峡工程不同建设阶段,分析了1992—2012年间库区森林景观格局的时、空演变过程,并从斑块面积分级分析和景观指数分析两个角度说明景观格局的破碎化过程,为三峡库区的森林生态系统保护和景观格局优化提供科学依据。
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1992—2012年间,三峡库区各景观类型的面积发生了不同程度地变化(图 1):这20年间,耕地和林地始终是库区的主要景观类型,两者占库区面积的93%96%;而耕地面积大幅减少,且随着三峡工程的进展,耕地的减速在增大,主要向建设用地、林地、水域转变。林地、建设用地和水域三者的面积逐年增加,变化最为显著的是建设用地,2012年比1992年增加了5倍;其次是水域,2012年是1992年的2倍;林地面积比1992年增加了将近60%,由于林地是三峡主要的景观类型面积基数大,20年间林地面积增加了131.73×104 hm2。
Figure 1. Major landscape types and their Spatial distribution in Three Gorges Reservoir Area from 1992 to 2012
1992—2012年间,三峡库区森林面积与森林覆盖率稳步提升,1992年、1996年库区森林面积和森林覆盖率分别为204.17×104 hm2、208.54×104 hm2和35.30%、36.06%;2002年到2006年再到2012年,森林覆盖率分别增加约8%、7%、6%,最终达到58.08%,面积增加为335.90×104 hm2。森林景观结构比较稳定,呈现出针叶林>灌木林>针阔混交林>落叶阔叶林>常绿阔叶林的态势,但在三峡工程的不同阶段,各森林类型的面积变化有所不同。针叶林一直是库区最主要的森林类型,在1996—2006年三峡工程从大江截流到水库全面建成的10年间,针叶林面积大幅增加,从74.97×104 hm2增加到127.29×104 hm2。针阔混交林的面积在工程建设初期有所下降,之后则稳步提升,增幅20%左右,2012年针阔混交林面积达到58.40×104 hm2。常绿阔叶林和落叶阔叶林的面积比较平稳,保持在10×104 hm2和30×104 hm2左右。灌木林是库区中仅次于针叶林的主要森林类型,面积从1992—2012年逐渐增加,且增速加大,面积从1992年61.93×104 hm2增加到2012年99.72×104 hm2。
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根据三峡库区的地形地貌,将库区分为库首、腹地、库尾三大部分(图 3),其中库首即湖北段宜昌市夷陵区、兴山县、秭归县和恩施自治州巴东县;库尾即重庆“一小时经济圈”的中心城七区和渝北区、巴南区、长寿区、江津区;库区腹地以万州区为分界点,万州区以西的涪陵区、丰都县、忠县、石柱县、武隆县为腹地(西),万州区(含)以东的开县、云阳县、奉节县、巫山县、巫溪县为腹地(东)。由图 1、图 3可看出,三峡库区的林地主要分布在大巴山区的腹地(东)与秦巴山地的库首,腹地(西)喀斯特山地武隆县、丰都县和石柱县,以及江津区南部的低山丘陵区。
1992—2012年间三峡库区森林面积自西向东显著增加,由点状、零星分布向连续、成片分布。库首与巫山县、巫溪县、奉节县的林地集中连片、空间连续性强,1992—2012年间库首平均森林覆盖率达73.16%;库区腹地南半部分林地面积较集中,北半部分的平行岭谷区以耕地为主,镶嵌林地,1992—2012年间库区腹地平均森林覆盖率为41.38%;库尾以耕地和建设用地为主,林地集中在江津区南部,建设用地集中分布在重庆“一小时经济圈”及周边,20年间平均森林覆盖率为22.39%。
1992—2002年间,三峡库区森林景观格局空间变化呈现出“首尾平稳、腹地迅速增加”的态势。库首四区县的年变化动态度较低,其中兴山县年均动态度仅0.48%,但森林覆盖率一直处于最高,在76%92%之间;其他三区县的变化幅度接近,秭归县呈连续上升趋势,年均动态度2.12%;夷陵区与巴东县则是先下降后上升,年均动态度1%左右。三峡库尾森林景观的年变化动态度在4%5.5%之间,该区域森林覆盖率普遍较低,重庆主城区、渝北区、长寿区的森林覆盖率由1992年的10%左右提高到2012年的20%左右;而库尾的主要林区江津区和巴南区在三峡工程开始前10年无显著变化,后10年则大幅提高,由20%增加到43%左右。库区腹地是林地大幅增加的主要区域,其中云阳县的年均动态度高达13.36%,其次是忠县8.18%、奉节县7.39%、开县7.26%、巫山县6.47%、巫溪县6.03%;并且森林覆盖率呈直线上升的趋势,云阳县的森林覆盖你率2012年比1992年增加了2.67倍,忠县、奉节县、开县、巫山县、巫溪县分别增加了1.64、1.47、1.45、1.29、1.21倍。库区腹地森林景观年均动态度较低的集中在腹地西南部,即石柱县、丰都县、武隆县三县,处于喀斯特山地区,是库区林地的主要分布区,森林覆盖率提高空间较小。
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对1992、1996、2002、2006、2012年三峡库区森林景观按斑块面积<5、510、1020、2050、50100、≥100 hm2进行分级统计,分析每个等级的斑块数量及比例、斑块面积及比例、平均斑块面积以及斑块密度,从而分析森林景观的破碎化过程。
从表 1可知,库区森林景观的斑块数量存在明显的两级分化,面积<5 hm2的斑块数量比例20年间平均达到86%,而所占面积比例平均为17%;面积>100 hm2的斑块数量比例平均为0.7%,但面积比例占到50%。1992—2012年间,库区森林斑块总数先减少后增加,平均斑块面积则持续上升。对于面积<10 hm2的零星散布斑块而言,1992—2012年间斑块数量比例逐渐下降、面积比例也逐年下降,而平均斑块面积则持续增加;而面积在1050 hm2的中等斑块,斑块数量比例、面积比例、平均斑块面积均无显著变化;面积大于50 hm2的大斑块在斑块数量比例、面积比例、平均斑块面积三方面都保持上升趋势,其中面积>100 hm2的林地平均斑块面积由1992年的406.97 hm2增加到2012年的557.11 hm2,增加了37%。对森林景观斑块面积的分级分析反映出1992—2012年间,库区零星散布的森林斑块显著减少,森林破碎化程度逐步减小,集中连片的森林斑块数量增加、面积增大,森林景观呈现出异质、不连续向均质、连续的发展趋势。
斑块大小等级
Patch size rank/hm2年份
Year数量
Quantity/个数量比例
Percentage/%总面积
Total Area/104hm2面积比例
Percentage/%平均斑块面积
Mean Patch Size/hm2斑块密度Patch
Density/(个·hm-2)<5 1992 355 435 88.52 44.36 21.73 1.25 0.801 2 1996 322 387 87.35 41.18 19.75 1.28 0.782 8 2002 295 883 85.03 39.36 15.44 1.33 0.751 7 2006 351 197 86.23 45.64 15.37 1.30 0.769 5 2012 366 431 85.45 48.35 14.39 1.32 0.757 9 5~10 1992 22 263 5.54 15.53 7.61 6.98 0.143 4 1996 22 035 5.97 15.39 7.38 6.98 0.143 2 2002 23 517 6.76 16.49 6.47 7.01 0.142 6 2006 25 681 6.31 17.98 6.05 7.00 0.142 9 2012 28 595 6.67 19.99 5.95 6.99 0.143 1 10~20 1992 11 870 2.96 16.54 8.1 13.94 0.071 7 1996 12 017 3.26 16.80 8.06 13.98 0.071 5 2002 13 696 3.94 19.24 7.55 14.04 0.071 2 2006 14 541 3.57 20.37 6.86 14.01 0.071 4 2012 16 102 3.75 22.56 6.72 14.01 0.071 4 20~50 1992 7 422 1.85 22.65 11.09 30.51 0.032 8 1996 7 876 2.13 23.99 11.5 30.46 0.032 8 2002 9 119 2.62 27.91 10.95 30.60 0.032 7 2006 9 672 2.37 29.63 9.98 30.63 0.032 6 2012 10 876 2.54 33.29 9.91 30.61 0.032 7 50~100 1992 2 342 0.58 16.17 7.92 69.05 0.014 5 1996 2 495 0.68 17.23 8.26 69.04 0.014 5 2002 2 968 0.85 20.55 8.06 69.24 0.014 4 2006 3 150 0.77 21.77 7.33 69.10 0.014 5 2012 3 459 0.81 23.97 7.14 69.30 0.014 4 >100 1992 2 185 0.54 88.92 43.55 406.97 0.002 5 1996 2 259 0.61 93.95 45.05 415.89 0.002 4 2002 2 782 0.8 131.38 51.54 472.27 0.002 1 2006 3 024 0.74 161.58 54.41 534.33 0.001 9 2012 3 370 0.79 187.75 55.89 557.11 0.001 8 Table 1. Graduation statistics of forest patches in Three Gorges Reservoir Area from 1992 to 2012
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从景观指数的层面分析森林景观的破碎化过程(表 2),平均斑块面积MPS和斑块密度PD反映整体景观的破碎情况,1992—2012年间,库区森林景观MPS和PD呈逐年递增与递减趋势,其中针叶林、灌木林的变化趋势与之相一致,说明森林整体由破碎向大面积斑块占主导、空间上连续分布的景观格局过渡,特别是针叶林和灌木林。最大斑块指数LPI反映景观组成类型的优势度,库区森林LPI先下降后上升,由1992年的1.57上升到2012年的3.67,景观优势度显著增加,其中针叶林LPI的增幅最大,2012年比1992年增加了3.83倍,并且经过20年的转变,针叶林在库区森林类型中占绝对优势。斑块平均形状破碎化指数FS1在不同森林类型和不同年份上都没有明显变化,说明库区20年间的斑块形状破碎情况趋于一致。景观斑块数破碎化指数FN反映景观被分割的破碎程度和景观空间结构的复杂性。1992—2012年间,库区森林景观FN从0.177持续下降到0.115,其中针叶林从0.071持续下降到0.039,说明景观的破碎化程度逐渐改善。平均最近距离MNN和平均邻近指数MPI从斑块间距离远近的角度分析斑块的连通性和聚集程度。一般来说MNN值大,反映出同类型斑块间相隔距离远,分布较离散;反之,说明同类型斑块间相距近,呈团聚分布;MPI值小,表明同类型斑块间离散程度高,反之,表明同类型斑块间邻近度高,景观连接性好。1992—2012年,库区森林景观MNN先上升后下降,2012年比1992年减少了5.4%;MPI先小幅下降后大幅上升,增加约3倍;不同森林类型景观变化规律基本一致,MPI呈现出针叶林>灌木林>针阔混交林>落叶阔叶林>常绿阔叶林。上述规律说明随着三峡工程的兴建,大江截流、库区蓄水、移民搬迁导致库区森林景观日益破碎,之后由于退耕还林、天然林保护、长江防护林建设等重大生态工程的投入与实施,库区森林景观得到了有效恢复,大面积斑块数量增加,斑块趋于集中连片、团聚度提高、连通性增强。
森林类型
Forest Type年份
YearMPS PD LPI FS1 FN MNN MPI 针叶林 1992 4.416 0.226 0.76 0.35 0.071 140.95 177.01 1996 4.951 0.202 0.58 0.35 0.065 141.85 162.13 2002 7.154 0.140 0.71 0.36 0.052 133.46 602.87 2006 7.821 0.128 2.29 0.36 0.049 126.12 1665.37 2012 8.827 0.113 3.67 0.37 0.039 126.66 3653.06 针阔混交林 1992 5.839 0.171 1.06 0.34 0.026 187.42 310.76 1996 5.336 0.187 0.71 0.33 0.027 184.50 168.72 2002 6.459 0.155 0.86 0.35 0.021 192.56 307.00 2006 5.996 0.167 0.45 0.34 0.022 180.27 184.63 2012 6.790 0.147 1.14 0.36 0.023 167.56 397.26 常绿阔叶林 1992 5.492 0.182 0.15 0.32 0.006 273.73 75.31 1996 5.906 0.169 0.33 0.31 0.006 283.72 152.99 2002 6.016 0.166 0.20 0.31 0.005 314.92 104.58 2006 5.727 0.175 0.16 0.31 0.005 295.20 97.58 2012 5.821 0.172 0.16 0.31 0.005 278.05 83.62 落叶阔叶林 1992 5.195 0.193 0.85 0.31 0.024 225.30 172.30 1996 5.815 0.172 0.45 0.31 0.021 240.22 137.59 2002 5.795 0.173 0.29 0.31 0.017 251.89 113.30 2006 5.203 0.192 0.33 0.31 0.019 219.19 139.74 2012 5.225 0.191 0.44 0.32 0.020 201.19 149.94 灌木林 1992 5.533 0.181 1.57 0.33 0.049 165.46 586.82 1996 6.879 0.145 1.29 0.33 0.040 180.55 648.57 2002 9.467 0.106 1.18 0.35 0.028 184.96 698.77 2006 9.000 0.111 1.26 0.34 0.029 172.57 1 078.57 2012 9.480 0.105 1.46 0.34 0.028 162.11 1 220.83 总体 1992 5.085 0.197 1.57 0.34 0.177 195.72 1 320.02 1996 5.650 0.177 1.29 0.34 0.159 201.68 1 271.68 2002 7.326 0.136 1.18 0.35 0.123 212.85 1 828.89 2006 7.291 0.137 2.29 0.34 0.123 192.87 3 175.52 2012 7.833 0.128 3.67 0.35 0.115 185.14 5 304.17 Table 2. Fragmentation index of forest patches in Three Gorges Reservoir Area from 1992 to 2012