黄河下游宽河段沿岸地区土地利用景观格局特征

1.北京大学环境科学与工程学院, 北京 100871; 2.北京大学深圳研究生院环境与能源学院, 深圳 518055; †通信作者, E-mail: xuean@iee.pku.edu.cn

摘要以 2015 年 11 类 15m×15m 土地利用空间分布栅格数据为基础, 基于景观格局指数, 对比和分析黄河下游宽河段沿岸县域、滩区和滞洪区内土地利用景观格局特征以及宽河段滩区两侧 18 个2km缓冲区内土地利用景观格局梯度特征。结果表明: 旱地是沿岸县域范围内的优势景观, 其次是农村居民地, 两者占沿岸县域总面积的 80%以上, 水田与其他水域具有一定的规模, 而草地规模较小; 受人类活动、功能定位和自然条件等因素影响, 黄河下游宽河段沿岸县域、滩区和滞洪区内土地利用景观格局存在明显的空间差异; 县域滩外区域分布有斑块规模大且较密集的建设用地, 景观破碎度高, 斑块形状复杂, 东平湖滞洪区景观多样性高, 呈现以水域为主体的复合生态景观, 其余滞洪区林地和草地规模小, 斑块密度低, 景观异质性较低, 宽滩区内整体景观破碎程度低于滩外区域, 游荡段滩区景观多样性较高, 建设用地规模相对较大; 宽河段滩区两侧6km 范围内, 水田和其他水域规模大, 分布密集, 城镇用地规模较小, 整体景观多样性高且较破碎, 6~18km是过渡区域, 距离 20 km 以上景观格局基本上趋于稳定。

关键词 黄河下游; 土地利用; 景观格局; 区域差异; 梯度分析

景观格局指景观组成单元的类型、数目以及空间分布与配置, 是景观异质性在空间上的综合表现[1]。景观格局及其变化是自然和人类因素共同作用的结果, 并反映一定社会形态下人类活动和经济发展的状况[2]。以土地利用数据、景观指数和景观格局为切入点, 揭示研究区范围内不同区域土地利用特征和社会经济现状的方法, 已被广泛应用于各地区的研究中[3–5]。除对不同区域的对比分析外, 梯度分析[5–10]是另一类常见研究方法, 能够体现景观格局在特定方向上的梯度变化特征。

针对黄河下游, 不少学者围绕景观格局动态变化开展研究[11–15], 着重于景观格局整体特征与变化驱动因素, 缺少对研究区内区域空间差异的分析与研究。此外, 从研究区范围来看, 多数研究以中小范围为主, 主要包括黄河三角洲[15–16]、自然保护区[13–14]和以行政区划为切入点的河段或县区[11–12]等, 从更大范围的黄河下游沿岸地区出发, 分析黄河下游沿岸不同地区土地利用景观格局特征的研究还存在一定的空缺, 而这是黄河下游滩区治理以及沿岸地区区域规划的重要背景与基础。

本研究基于土地利用数据和景观格局指数, 分析黄河下游宽河段沿岸地区土地利用景观格局区域差异与特征, 以期为黄河下游滩区治理、生态建设及沿岸地区协调发展提供背景和参考。

1 研究区概况

黄河下游以桃花峪为起始位置, 河道长 786 km, 其中陶城铺以上河段的堤距达 5~20km, 习惯上称为宽河段[17], 相应的滩区称为宽滩区(图 1)。以高村断面为分界线, 宽河段可进一步分为游荡性河段和过渡性河段, 对应的滩区分别为游荡段滩区和过渡段滩区。宽河段及沿岸地区处于暖温带南部, 接近北亚热带北部, 属暖温带半湿润气候, 年平均气温为 12.0~14.8°C, 年平均降水量为 550~650 mm。沿岸地区中, 在空间范围上与宽河段滩区直接相交的主要有惠济区、金水区和中牟县等 20 个区县, 郑州市、新乡市和开封市等 8 个地级市, 河南和山东两省。近年来, 已有学者以下游沿岸县域为外边界, 开展土地利用及景观格局相关的统计分析[18–19]。

黄河下游宽滩区总面积约为 2579.21km2, 约占黄河下游滩区总面积的 70%, 其中居民地面积约占黄河下游滩区居民地总面积的 78.9%[19]。宽滩区既是黄河行洪、滞洪和沉沙的场所, 也是滩区内群众生产生活的基本空间[20]。因“二级悬河”和防洪安全建设滞后等原因, 宽滩区内仍存在一定的洪水风险。另一方面, 受漫滩洪水影响和生产环境及生产条件制约, 宽滩区内经济发展落后, 经济发展与治河矛盾突出[21]。

除滩区外, 作为防洪安全保障体系的重要组成部分, 滞洪区是解决黄河下游堤防防洪能力不足的重要工程措施[22]。黄河下游宽河段现有东平湖滞洪区、北金堤滞洪区和封丘倒灌区 3 处滞洪区, 面积分别约为 627, 2316 和 430km2。自小浪底水库运用后, 滞洪区在防御黄河下游超标准洪水的运用中仍然具有不可替代的作用。与滩区类似, 因功能定位和政策限制等因素, 滞洪区的运用对滞洪区内的生态保护与建设和社会经济发展具有一定程度的影响。因此, 本文将沿岸县域、滩区、滞洪区和倒灌区作为宽河段沿岸的重要区域, 分析其土地利用景观格局特征。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源与处理

本研究使用的土地利用数据是在基于遥感影像的土地利用分类数据、道路数据和黄河下游堤防数据[23]的基础上整合得到。基于遥感影像的土地利用分类数据为栅格数据(空间分辨率为 30m), 包括耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地 6个一级类型及 25 个二级类型。道路数据为矢量线状数据, 包括高速公路、铁路、国道和省道, 精度约为 1:10000。基于遥感影像的土地利用分类数据和道路数据均来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn), 县级行政区划数据来源于国家基础地理信息中心(http://www.ngcc.cn), 滩区、滞洪区和倒灌区的空间范围参照黄河下游堤防数据及相关文献资料[22]标定。以上数据均统一至2015 年。

基于遥感影像的土地利用分类数据中的林地、草地、水域和未利用地类型下的二级类型较为细致, 例如林地类型下的有林地和灌木林等, 未利用地类型下的沙地和盐碱地等, 不是本研究重点。因此, 除将水域类型分为河渠与其他水域外, 对上述其余二级类型均进行合并。耕地和建设用地类型下的二级类型均具有较大规模, 且能够作为切入点体现区域差异, 因此保留这些二级类型。在 ArcMap中对基于遥感影像的土地利用分类数据中上述部分二级类型合并, 结合道路数据, 将各类数据整合成11 类: 水田、旱地、林地、草地、河渠、其他水域、城镇用地、农村居民地、其他建设用地、道路交通用地和未利用地。其中, 其他水域包括湖泊、水库和坑塘水面, 其他建设用地包括仓储用地、工业用地、采石场、机场及其他特殊用地。对线状道路交通用地矢量数据, 按照道路宽度与道路两侧建筑控制距离之和生成面状缓冲区, 并以此划分水田与旱地, 进而与其余土地利用类型合并。使用ArcToolbox 中的“面转栅格”工具, 将以上经整合的11 类土地利用空间分布矢量数据转换成栅格数据。为更准确地体现道路交通用地的空间分布, 将栅格像元大小设置为 15 m×15 m。

2.2 研究方法

为揭示黄河下游宽河段沿岸地区土地利用景观格局特征与区域差异, 本研究采用分区域景观格局对比分析和梯度分析方法。

在分区域景观格局对比方面, 提取 20 个主要区县的外边界, 得到县域整体空间范围, 并结合宽河段滩区范围, 得到县域范围中滩区以外的范围(简称“县域滩外”), 分别计算和对比沿岸县域整体、县域滩外、宽滩区(包括游荡段滩区与过渡段滩区)、滞洪区和倒灌区的景观格局指数。

在梯度分析方面, 为揭示黄河下游宽河段两岸景观格局梯度特征, 基于两岸大堤位置和滩区边界, 使用 ArcMap 软件建立多环缓冲区。考虑到林地、草地、其他水域、农村居民地和其他建设用地的平均斑块面积为 30~50hm2, 为降低因缓冲区宽度较小而切分上述土地利用类型带来的影响, 将缓冲区宽度设置为 2km, 以便较好地体现梯度特征。考虑到宽河段沿岸滞洪区的分布范围, 将缓冲区数量设置为 18 个, 即向大堤两侧 36km, 以便充分覆盖宽河段大堤两侧区域(图 2)。缓冲区东西两侧分别以滩区内桃花峪黄河公路大桥和陶城铺断面的延长线为边界。结合各缓冲区内景观格局指数, 进而分析宽河段两岸景观格局梯度变化特征。

景观格局指数能够量化景观格局, 从研究尺度上可分为斑块水平、类型水平和景观水平[2]。我们选取 8 个类型水平的指数和 6 个景观水平的指数来分析景观格局特征。

选择类型水平的斑块总面积(CA)、斑块面积占比(PLAND)、最大斑块指数(LPI)、平均斑块面积(AREA_MN)、斑块数量(NP)和斑块密度(PD)来描述沿岸地区县域景观格局总体特征。

分别选择 3 类类型水平和 3 类景观水平的指数, 表征沿岸地区区域差异和梯度特征。

对类型水平的分析包括规模特征指数(斑块面积占比(PLAND)、平均斑块面积(AREA_MN)和最大斑块指数(LPI))、分布特征指数(斑块数量(NP)、斑块密度(PD)和平均最邻近距离(ENN_MN))以及形状特征指数(平均斑块形状指数(SHAPE_MN))。

对景观水平的分析包括规模特征指数(平均斑块面积(AREA_MN)和边缘密度(ED))、分布特征指数(斑块密度(PD)和蔓延度指数(CONTAG))以及多样性指数(香农多样性指数(SHDI)和香浓均匀度指数(SHEI))。

以上各指数的计算公式和实际意义参见文献[2,24], 通过FRAGSTATS[25]软件完成计算。

3 结果与讨论

3.1 沿岸地区县域土地利用景观格局总体特征

在县域土地利用景观格局整体特征方面, 基于ArcMap 和 FRAGSTATS 软件, 计算得到相关景观格局指数, 如表 1 所示。

从斑块总面积和斑块面积占比来看, 旱地占比达 70.33%, 其次为农村居民地, 占 13.64%, 两者占沿岸县域总面积的80%以上。水田的面积占比排第三, 且略高于城镇用地。随后, 面积占比的排序依次为河渠、其他水域、其他建设用地和林地。草地、道路交通用地和未利用地的面积占比均不足1%。从平均斑块面积来看, 城镇用地最大, 河渠、旱地和水田均较大, 林地、农村居民地与其他建设用地相近。最大斑块指数是最大斑块面积占整个景观面积的比例, 是对斑块规模和优势度的另一种度量。旱地的最大斑块指数明显高于其他土地利用类型, 水田和城镇用地相近, 草地最低。在斑块数量与斑块密度方面, 农村居民地斑块数量最多, 密度最大, 且明显高于其他土地利用类型, 其次为旱地, 林地和其他建设用地具有较高的斑块数量和密度, 城镇用地斑块数量最低, 密度最小。

可以看出, 旱地具有最大面积占比、最大斑块指数及较高的平均斑块面积和斑块数量, 是黄河下游宽河段沿岸地区的基质。农村居民地具有第二高面积占比, 同时斑块数量最多, 但平均斑块面积和最大斑块指数较低, 表明其较为破碎且零散。水田是沿岸地区较为重要的景观, 在新乡和开封等地局部地区体现为基质, 并在整体上与城镇用地具有较为接近的面积规模。城镇用地的斑块数量少, 平均斑块面积大, 相比之下, 水田相对较破碎; 林地和其他建设用地在各个方面均具有较大的相似性, 但林地斑块数目多, 较为破碎。此外, 草地斑块数目少, 最大斑块指数低, 可能与县域范围内人类活动强度较大相关。其他水域平均斑块面积与草地相近, 但面积占比及斑块密度远大于草地。河渠和道路交通用地是沿岸地区景观格局中的廊道, 道路交通用地受人为干预, 斑块数量多, 平均斑块面积低, 相比之下在更大程度上承担了划分基质和连接不同斑块的作用。

3.2 沿岸地区土地利用景观格局区域差异

3.2.1 类型水平区域差异

根据统计结果, 除北金堤滞洪区包含范县和台前县两大县城外, 宽滩区和各滞洪区内不包含城镇用地; 道路交通用地在各区域内面积占比较低, 大都在 0.5%左右; 未利用地是沿岸地区总面积占比最小的土地利用类型, 且近 80%的未利用地分布在滩区内并以嫩滩的形式存在。因此, 不对城镇用地、道路交通用地和未利用地进行定量比较。

河渠、水田和旱地在沿岸各区域内主要体现为面积规模差异(表 2)。在宽滩区内, 因为有黄河主河槽, 所以河渠面积占比(10.35%)远高于县域滩外; 滞洪区和倒灌区内河渠面积占比高于县域滩外, 体现出河渠是黄河下游宽河段各滞洪区的重要组成部分。水田主要分布在县域滩外和滞洪区内, 在封丘倒灌区内面积占比最高; 东平湖滞洪区内水田斑块密度高, 平均斑块面积和最大斑块指数低, 比其他区域内的水田更为破碎, 规模更小, 而封丘倒灌区内水田平均斑块面积和最大斑块指数最大, 且分布相对集中。旱地在各区域均具有较高的面积占比, 在数值上体现为北金堤滞洪区、封丘倒灌区和宽滩区略高于县域滩外和东平湖滞洪区。

林地、草地、其他水域、农村居民地和其他建设用地在沿岸各区域存在明显差异, 并体现在斑块规模、分布和形状 3 个方面。在斑块规模方面(表2), 首先从斑块面积占比来看, 农村居民地在沿岸各区域中明显相对较高, 其中尤以北金堤滞洪区内面积占比(16.13%)最高。其他建设用地在县域滩外区域中的面积占比明显高于宽滩区内, 在东平湖滞洪区内最低。其他水域在东平湖滞洪区内面积占比达 21.54%, 在北金堤滞洪区和过渡段滩区内极低, 不足 0.25%。各区域内的林地, 在东平湖滞洪区内面积占比最高, 在北金堤滞洪区和封丘倒灌区较低。草地在研究区域中占比整体较少, 仅宽滩区内的过渡段滩区以及东平湖滞洪区较高。其次, 从平均斑块面积和最大斑块指数来看, 其他水域在县域滩外区域、东平湖滞洪区和封丘倒灌区内规模较大, 且具有明显的优势度, 在北金堤滞洪区和宽滩区内规模相对较小。除北金堤滞洪区和封丘倒灌区外, 其余各区域内林地和草地均具有较大的斑块面积, 尤以东平湖滞洪区和宽滩区最为明显。宽滩区内林地和草地平均斑块面积和最大斑块指数均大于其他水域、农村居民地和其他建设用地。游荡段滩区内的农村居民地具有较大的平均斑块面积。其他建设用地在县域滩外区域两项指标均高于农村居民地, 但在其他区域均低于农村居民地。

在斑块分布与聚集程度方面, 结合斑块密度与平均最邻近距离两项指标可以看出, 农村居民地在沿岸各区域内斑块密度大, 平均最邻近距离小, 相对于其他4类土地利用类型聚集程度更高。与农村居民地类似, 其他建设用地在县域滩外和北金堤滞洪区内聚集程度高于其他区域。其他建设用地在这两个区域内聚集程度高于其他水域, 而在其他区域内均低于其他水域, 从总体上看, 两者在沿岸各区域内聚集程度较为接近。林地和草地的分布和聚集情况各区域差异较大, 北金堤滞洪区的林地和游荡段滩区的草地斑块密度低, 平均最邻近距离很大, 呈离散分布, 东平湖滞洪区内林地和草地的聚集程度高于其他区域。

在形状特征方面, 草地在多数区域的平均形状指数大于其他 4 类土地利用类型, 宽滩区草地平均的形状指数最大(均高于 2.1), 北金堤滞洪区和宽滩区的林地同样具有较大的平均形状指数。对比林地和草地, 其他水域、农村居民地和其他建设用地在各区域内平均形状指数的差异相对较小。总体来看, 三者在各区域中平均形状指数排序为其他水域>其他建设用地>农村居民地。在不同的区域之间, 宽滩区和滞洪区农村居民地的平均形状指数高于县域滩外, 而其他建设用地的平均形状指数低于县域滩外。过渡段滩区内的其他水域、农村居民地和其他建设用地的平均形状指数均分别为各区域中最低。

3.2.2景观水平区域差异

在景观水平上, 从表 3 可以看出, 平均斑块面积排序为宽滩区>滞洪区>县域滩外, 其中北金堤滞洪区和封丘倒灌区略大于县域滩外区域。东平湖滞洪区和游荡段滩区边缘密度较低, 北金堤滞洪区和过渡段滩区边缘密度较高。

在斑块分布与聚集程度方面, 斑块密度的排序为县域滩外>滞洪区>宽滩区。过渡段滩区斑块密度较低, 但边缘密度相对较高。蔓延度指数能够综合地体现各区域内不同斑块类型的聚集程度, 北金堤滞洪区蔓延度指数最高, 达 82.133%, 东平湖滞洪区蔓延度指数最低(表 3)。

香农多样性指数和均匀度指数能反映景观的多样性、异质性和均匀度。从表 3 看出, 两者在各区域内的相对大小一致, 并与蔓延度指数统计结果相匹配。东平湖滞洪区的多样性指数(1.182)和均匀度指数(0.513)均分别高于其他区域, 县域滩外与之较为接近。宽滩区内的多样性指数和均匀度指数均高于封丘倒灌区和北金堤滞洪区。

从以上各区域类型水平和景观水平的统计结果可以看出, 黄河下游宽河段沿岸地区不同区域内的土地利用景观格局具有较明显的差异。县域滩外区域人类活动强度大, 分布大规模的城镇用地, 农村居民地和其他建设用地面积规模大, 斑块密度高且聚集程度高, 具有景观多样性高、更加破碎和斑块形状更为复杂等特点。

东平湖滞洪区担负着分滞黄河洪水、接纳调蓄汶河洪水的重要任务, 是黄河下游利用几率最高的滞洪区[26]。滞洪区内农村居民地和其他建设用地斑块规模小, 分布较为离散, 而林地、草地和其他水域面积占比高, 景观优势度较大, 聚集度高。相对于其他区域, 东平湖滞洪区内景观类型更加丰富, 分布更加均匀, 从整体上看, 呈现以水域为主体的“山水林田湖草”复合生态景观, 自然生态环境良好, 人类活动强度较低, 是黄河下游未来生态建设中可以重点关注的区域。

北金堤滞洪区和封丘倒灌区的利用几率相对较低[22], 两者土地利用景观格局呈现一定的相似性, 且其发展建设均受到政策限制[19]。在景观水平上, 两者斑块密度大, 蔓延度指数高, 多样性和均匀度指数低, 体现出两者斑块密集、各类型斑块聚集度高和类型相对单一的特点。结合类型水平统计结果可知, 北金堤滞洪区的林地、草地和其他水域规模很小且呈离散分布, 聚集度低, 而封丘倒灌区林地占比低, 且无具一定规模的草地。北金堤滞洪区内有范县和台前县两大县城, 旱地占比高, 农村居民地在面积占比、分布及聚集程度上均高于其他区域, 其他建设用地斑块密度高但平均斑块面积较低, 此外, 两大县城也属于沿岸地区面积规模相对较低的城镇用地斑块。类似地, 封丘倒灌区内其他建设用地规模较小, 且斑块密度和聚集度均为各区域内最低, 水田和旱地规模大。此外, 封丘倒灌区紧邻游荡段滩区, 受到宽滩区更为直接的影响, 林地、其他水域和农村居民地在斑块规模与斑块密度方面基本上介于游荡段滩区与县域滩外区域之间, 具有一定程度的过渡性特征。从整体上看, 两大滞洪区内人类活动强度较大, 但受到一定程度的限制, 且自然生态环境相对较差。

受洪水漫滩、政策限制等因素影响, 宽滩区内景观格局不同于沿岸其他区域, 且在游荡段和过渡段滩区各具特点。从整体上看, 宽滩区整体景观破碎程度低于滩外区域。游荡段滩区中各片面积较大, 在原阳县、中牟县和长垣县等地的滩区存在较多洪水风险相对较低的高滩和老滩[19]。在游荡段滩区内, 草地占比极低, 林地多为人工林地[19], 且较多分布在居民地周边并具有一定的规模, 其他水域多为人为影响下的坑塘养殖水面, 且面积规模明显大于过渡段滩区, 其他建设用地具有一定的规模。与其他区域相比, 游荡段滩区内农村居民地平均斑块面积最大, 斑块密度最低, 且形状指数最大。可见, 游荡段滩区内人类活动强度相对较大, 并相对缺乏规划。过渡段滩区中各片面积相对较小, 且洪水漫滩风险相对较大[20,27]。相较于游荡段滩区, 过渡段滩区景观多样性相对较低, 其他水域、农村居民地和其他建设用地具有规模小且形状规则的特点, 草地规模大, 斑块密度高, 人类活动强度整体低于游荡段滩区, 具备相对更高的生态建设潜力。

3.3 沿岸地区土地利用景观格局梯度特征

3.3.1类型水平梯度特征

在类型水平的斑块面积和规模上, 各土地利用类型沿宽河段滩区两侧缓冲区内景观梯度的变化情况如图 3(a)~(c)所示。旱地是各缓冲区内面积占比最大的景观, 水田、农村居民地和城镇用地在部分缓冲区内具有较大的面积占比, 其余类型景观面积占比较小。在梯度变化特征方面, 旱地自 1 号缓冲区起呈递增趋势, 并从 9 号缓冲区开始逐渐稳定, 水田、草地和其他水域则从 1 号缓冲区起呈递减趋势, 并于 9~10 号缓冲区开始逐渐稳定, 其中其他水域在 1~3 号缓冲区下降较快, 在 4~9 号缓冲区下降相对较慢。林地、河渠和其他建设用地分别在一定范围内波动变化。城镇用地面积占比从 3 号缓冲区开始显著上升, 之后在一定范围内波动。道路交通用地在 1 号缓冲区的面积占比(1.08%)相对较大, 自2 号缓冲区开始在较低值(0.4%~0.6%)范围内波动。

平均斑块面积与最大斑块指数的变化趋势较为类似(图 3(b)和(c))。水田、旱地和城镇用地分别在不同缓冲区内具有较大规模。其中, 水田在靠近宽滩区的 1 号缓冲区具有最大的平均斑块面积和最大斑块指数, 随后逐渐下降, 并于 9 号缓冲区降至相对较低且逐渐稳定的水平。旱地的平均斑块面积自1 号缓冲区开始逐渐增大, 于 10 号缓冲区开始稳定在 310hm2左右。除 1, 7, 8 和 9 号缓冲区外, 旱地在各缓冲区内最大斑块指数均为最大。城镇用地在多数缓冲区内平均斑块面积最大, 且具有较大的最大斑块指数, 自 3 号缓冲区开始, 最大斑块指数先上升后下降, 在 9 号缓冲区到达峰值。因东平湖具有较大的面积, 其他水域在 4~10 号缓冲区内规模较大, 在其余缓冲区的平均斑块面积和最大斑块指数均呈下降趋势。林地、草地、河渠、农村居民地和其他建设用地的平均斑块面积和最大斑块指数较低, 均在一定范围内波动且数值相近。从总体上来看, 农村居民地波动幅度最小, 其他建设用地次之。草地与河渠的平均斑块面积相对较大, 但最大斑块指数相对较小。道路交通用地的平均斑块面积和最大斑块指数在各缓冲区均极低, 但 1 号缓冲区明显高于其他缓冲区, 自 2 号缓冲区开始趋于稳定。

在斑块分布与聚集特征方面(图 3(d)~(f)), 农村居民地在各缓冲区内的斑块密度在 0.65~0.8 个/hm2之间波动, 且明显高于其他土地利用类型。旱地在1 号缓冲区斑块密度较高, 随后大致稳定在 0.2~ 0.35 个/hm2之间。其他建设用地和道路交通用地在1~3 号缓冲区内呈上升趋势, 随后稳定在一定的范围内, 两者梯度变化趋势基本上一致, 但后者的斑块密度整体上高于前者。林地自 7 号缓冲区开始, 与其他建设用地斑块密度相近, 但在 2~6 号缓冲区内斑块密度相对较小。水田与其他水域在 1~5号缓冲区内均呈快速下降的趋势, 前者自 7 号缓冲区开始下降速度变慢, 至 13 号缓冲区开始稳定在极低水平, 后者则自 9 号缓冲区开始稳定在一定范围内。草地和城镇用地的斑块密度极低, 但两者在 1~3 号缓冲区内存在相反的变化趋势, 草地下降而城镇用地上升。

从平均最邻近距离(图 3(e)和(f))来看, 结合各缓冲区内斑块数目与斑块密度统计结果可知, 自 4号缓冲区开始, 草地斑块数目较少, 故除 1~3 号缓冲区外, 草地斑块间平均最邻近距离极大, 且梯度变化不稳定。其他建设用地的平均最邻近距离在1500~4320m 之间, 其中 1~9 号缓冲区内平均最邻近距离相对较小, 且自 2 号缓冲区开始有缓慢递增的趋势, 10~18 号缓冲区内平均最邻近距离相对较大, 且波动较大。林地与其他建设用地在多数缓冲区内数值相近。城镇用地在 1 号和 2 号缓冲区内数值较大, 递减至 3 号缓冲区后开始在一定范围内波动, 其他水域在数值上与之相近, 但在 1~8 号缓冲区内呈现递增趋势, 随后出现波动。农村居民地的平均最邻近距离较小, 且基本上稳定在 330 m左右。

在斑块形状特征方面(图 3(g)), 河渠与道路交通用地平均形状指数明显高于其他土地利用类型。林地与其他水域的平均形状指数在 1~3 号缓冲区内呈现下降趋势, 此后在一定范围内波动。草地在各缓冲区内面积占比低, 斑块数目少, 平均形状指数无明显的梯度变化。城镇用地自 2 号缓冲区开始一直具有较大的平均形状指数, 其他建设用地和农村居民地则始终保持在较低的数值, 且农村居民地平均形状指数更低。

3.3.2景观水平梯度特征

景观格局特征变化情况如图 4 所示。平均斑块面积随着与宽滩区的距离增大而增大, 最终逐渐稳定(图 4(a))。总体上可分为 3 段: 第一段为 1~3 号缓冲区, 即距离滩区边界 6km 以内的区域, 平均斑块面积约为 55hm2; 第二段为 4~8 号缓冲区, 平均斑块面积约为 70hm2; 第三段为 9 号及之后的缓冲区, 平均斑块面积约为 78hm2; 且基本上保持稳定。边缘密度整体上在 1~4 号缓冲区呈较快速的下降趋势, 之后大都在 21~24m/hm2之间波动。

与蔓延度指数呈相反趋势, 斑块密度随着距滩区边界距离的增大逐渐减小(图 4(b))。总体上同样可以分为 3 段(1~3 号缓冲区、4~8 号缓冲区、9 号及之后的缓冲区), 自 9 号缓冲区开始逐渐稳定, 保持在 1.3 个/hm2 左右。蔓延度指数随距离的增大而逐渐上升, 在 1~4 号缓冲区内数值相对较低, 约为 70%, 自 4 号缓冲区开始逐渐上升, 至 10 号缓冲区开始趋于稳定, 保持在 80%左右。

在斑块景观多样性方面, 香农多样性指数与香农均匀度指数呈现相同的趋势, 即随着距滩区边界距离的增加而逐渐下降(图 4(c))。香农多样性指数从 4 号缓冲区开始快速下降, 至 10 号缓冲区快速下降的趋势消失。香农均匀度指数具有类似的规律, 从 1 号缓冲区的 0.555 下降到 10 号缓冲区的 0.375。

从以上各缓冲区内景观指数的统计结果可以看出, 黄河下游宽河段两岸土地利用景观格局在类型水平和景观水平上均呈现一定程度的梯度特征。在靠近下游宽滩区的 1 号缓冲区内, 农村居民地与道路交通用地具有较大的斑块规模, 作为基质的水田与旱地则相对较破碎。从 1 号缓冲区到 3 号缓冲区, 草地的面积规模和斑块密度下降, 其他水域的规模、斑块密度和聚集程度均呈下降趋势, 形状趋于规整, 城镇用地规模逐渐增大, 斑块密度上升; 在此范围(即靠近滩区边界的 6km 左右范围)内, 景观比距离滩区边界更远的区域更为破碎, 聚集程度相对较低, 多样性较高, 且不同斑块类型的占比更为均匀。4 号缓冲区至 9 号缓冲区(6~18km)为过渡区域, 部分土地利用类型的景观梯度特征开始稳定, 水田、旱地、其他水域及其他建设用地仍处于变化之中; 此范围内整体景观破碎度下降, 聚集程度上升, 多样性和均匀度变低。自 10 号缓冲区(20km 左右)开始, 各缓冲区内差异较小, 景观格局特征基本上趋于稳定。

结合近年来其他学者开展的 1990—2010 年下游河道沿岸景观格局变化研究[18], 与过去 20 年相比, 2015 年各缓冲区内林地、草地和水域面积占比整体上呈下降趋势, 居民地和其他建设用地整体上呈上升趋势, 但各斑块类型的面积占比和香农多样性指数等景观格局指数梯度变化趋势与过去 20 年大体上一致。从整体上看, 滩区边界两侧 6km范围内人类活动强度相对较小, 生态环境条件较好。随着黄河滩区迁建规划的不断落实, 未来黄河下游生态保护与建设应将成为重要的工作内容之一。在河流生态保护与建设方面, 长江生态经济带正在发挥积极的示范效益。《长江经济带生态环境保护规划》[28]中明确指出沿岸生态保护红线的重要性, 未来黄河下游沿岸区域发展与生态建设应充分考虑沿岸地区景观格局的梯度特征, 进而合理的划定生态功能区与生态保护红线, 保护与改善黄河下游的生态环境。

4 结论

本文基于黄河下游宽河段沿岸地区土地利用数据和景观格局指数统计结果, 对比分析沿岸县域、宽滩区和滞洪区土地利用景观格局特征以及宽河段滩区两侧缓冲内景观格局梯度特征, 得出以下结论。

1)旱地是黄河下游沿岸县域范围内的最具优势景观, 面积占比达 70.33%, 其次为农村居民地, 两者占沿岸县域总面积的 80%以上; 草地面积占比低, 规模小; 水田与其他水域具有一定的规模。

2)县域滩外区域人类活动强度大, 具有较多斑块规模大、密度高的建设用地, 并呈现破碎度高和斑块形状复杂等特点。受功能定位和自然条件等因素影响, 东平湖滞洪区景观类型丰富, 整体上呈现以水域为主体的“山水林田湖草”复合生态景观, 北金堤滞洪区与封丘倒灌区的景观格局呈现一定的相似性, 均体现出斑块密集、各类型斑块聚集度高、以农村居民地和其他建设用地为主以及斑块类型相对单一的特征; 宽滩区内景观格局不同于沿岸其他区域, 整体景观破碎程度低于滩外区域。与过渡段滩区相比, 游荡段滩区景观多样性较高, 建设用地规模相对较大。

3)宽河段两岸土地利用景观格局呈现一定的梯度特征, 距宽滩区 6km 的范围内, 水田与其他水域规模大, 分布密集, 城镇用地规模较小, 景观整体较破碎且多样性高。6~18km 的范围为景观格局变化的过渡区域, 此范围内水田与其他水域仍具有一定的规模, 景观多样性和破碎度下降, 在距离 20km以上的范围内, 景观格局趋于稳定。

本研究从较大的空间范围分析黄河下游宽河段沿岸地区土地利用景观格局特征, 能够体现沿岸不同区域土地利用景观格局的差异。沿岸县域、宽滩区和滞洪区土地利用景观格局的空间分异特征以及宽河段两岸呈现的梯度特征可能受到黄河下游悬河、人类活动和区域规划政策等多重因素影响。为进一步明确影响因素类型及控制机制, 应开展较长时间尺度的土地利用景观格局演变规律研究及对其影响因素和驱动机制等的分析。

宽滩区内旱地和居民地规模较大, 而河流生态系统中应有的自然生态要素较为缺乏。从整体上看, 宽河段沿岸地区自然生态环境相对较差。因此, 应围绕河道与滩区, 基于现状土地利用景观格局特征, 加大补偿和搬迁等政策的落实, 并充分利用沿岸地区生态环境条件较好及生态建设潜力较大的区域(如东平湖滞洪区、宽河段滩区两侧 6km 范围内等), 加强生态保护与建设, 构建社会发展与生态建设相协调的良性体系。

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Landscape Pattern Characteristics of Land Use along the Wide Reaches of the Lower Yellow River

CHENG Shupeng1, SUN Yuhang2, JIANG Hanlin1, ZHAO Zhijie1,2, LI Zhenshan1, XUE An1,†

1. College of Environmental Science and Engineering, Peking University, Beijing 100871; 2. School of Environment and Energy, Peking University Shenzhen Graduate School, Shenzhen 518055; †Corresponding author, E-mail: xuean@iee.pku.edu.cn

Abstract Based on the 15 m×15 m spatial distribution raster data of 11 types of land use in 2015 and the landscape pattern index, the landscape pattern characteristics of land use in the counties, floodplains and flood detention areas along the wide reaches of the Lower Yellow River, and gradient characteristics of the landscape patterns of land use in the 18 2km-buffer zones on both sides, are compared and analyzed. The results show that the dry farmland is the dominant landscape within the counties along the wide reaches, followed by the rural residential land, and they account for more than 80% of the total area of the counties.The paddy fields and the other categories of waters have a certain scale and the scale of the grassland is small. Influenced by factors such as functional orientation and natural conditions, there are obvious spatial differences in land use landscape patterns in the counties, floodplains and flood detention areas along the wide reaches of the Lower Yellow River.There are large-scale and densely-distributed construction land in the extra-floodplains area of the counties, the landscape fragmentation of which is high and the patch shape is complex. The landscape diversity of the Dongping Lake flood detention area is high, showing a complex ecological landscape with waters as the main body, and in the other two flood detention areas, the scale of woodland and grassland is small, the patch density and the landscape heterogeneity is low. The overall landscape fragmentation in the wide reaches’ floodplains is lower than that in the extra-floodplains area, the landscape diversity of the wandering reaches’ floodplains is relatively high, and the construction land is relatively large. Within 6 km of the two sides of the wide reaches, the paddy fields and the other categories of waters are large in scale and densely distributed, the scale of the urban land is small, and the overall landscape diversity in this region is high and relatively fragmented; the transition region is from about 6 km to 18 km; the landscape patterns tends to be stable over 20 km away.

Key words Lower Yellow River; land use; landscape pattern; regional differences; gradient analysis