河南省黄泛区农业景观格局动态及驱动因素

生态与农村环境学报󰀁2008,24(2):7-11JournalofEcologyandRuralEnvironment

河南省黄泛区农业景观格局动态及驱动因素

许󰀁华,梁国付,丁圣彦󰀁(河南大学环境与规划学院,河南开封󰀁475001)

摘要:以1987年和2002年TM影像及1997年河南省土地利用现状图为主要数据源,采用斑块密度、景观多样性指数、破碎化指数、优势度和分布质心5个景观格局指数定量分析近20a来河南省黄泛区农业景观格局动态变化及其驱动因子。结果表明,1987 2002年河南省黄泛区农业景观动态变化显著,各景观类型面积、斑块数量和斑块密度都发生了较大变化。水浇地、旱地和建设用地景观类型面积增加,是该地区占优势的景观类型,2002年占全区总面积比例为83.51%。该区人类活动强度较大,景观多样性和破碎化指数增大,优势度减小,说明各景观类型所占面积比例差异正在缩小,区域整体景观破碎化程度仍在增加。农业发展、人口增长、经济发展、人民生活水平提高和城镇化进程加速等是该区农业景观格局变化的主要驱动因素。关键词:农业景观;格局动态;驱动因素;河南省黄泛区

中图分类号:X32󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁文章编号:1673-4831(2008)02-0007-05

VariationofAgriculturalLandscapePatternsandItsDrivingFactorsintheFloodedAreaoftheYellowRiverinHenanProvince󰀁XUHua,LIANGGuo󰀂fu,DINGSheng󰀂yan(CollegeofEnvironment&Planning,HenanUniversity,Kaifeng475001,China)

Abstract:Basedonthelandsatimagesoftheyearsof1987and2002andlandusedataof1997,variationoftheagricul󰀂turallandscapepatternsofthefloodedareaoftheYellowRiverinHenanProvinceinthepast20yearsanditsdrivingfac󰀂torswereanalyzedquantitatively,usinglandscapeindexes,suchaspatchdensity,

landscapediversityindex,

landscape

fragmentationindex,landscapedominanceindexanddistributioncentroidsofvariouslandscapetypes.Resultsshowthatwithinthestudyarea,theagriculturallandscapepatternschangedsignificantlyfrom1987to2002,especiallyintotalarea,patchnumberandpatchdensityofeachtypeoflandscape.Irrigatedland,drylandandconstructionlandincreasedinareaandbecamedominantones,accountingfor83.51%inthestudyareain2002.Asaresultofintensifiedhumanactivities,landscapediversityindexandfragmentationindexoftheareawereincreasingwhileitslandscapedominanceindexwasde󰀂creasing,

illustratingthatthedifferencesbetweenvariouslandscapesgotnarrowerinacreagepercentage,butthefragmen󰀂

tationdegreerose.Agriculturaldevelopment,populationgrowth,economicdevelopment,improvementofthelivingstand󰀂ard,acceleratedurbanizationandsoonarethemaindrivingfactors.Keywords:agriculturallandscape;HenanProvince

dynamicsoflandscapepattern;drivingfactor;

floodedareaoftheYellowRiverin

󰀂

󰀁󰀁农业景观受到人类活动的强烈影响,人类活动是农业景观格局动态变化过程的主要驱动力

[1-3]

河南省黄泛区被正式创建为河南省黄泛区农场。经过近60a的艰苦创业,河南省黄泛区已成为我国重要的农耕区和粮食主产区,担负着国家生态安全和

粮食安全的重大责任。但黄泛区农业景观深受黄河泛滥和人类开发的双重影响,农业生态环境仍很脆弱(旱涝灾害频繁、土壤受到污染、肥力下降及次生盐碱化等)。农业景观格局动态变化是一个典型的突变-渐变过程,目前有关黄泛区的科研积累甚少,

基金项目:国家自然科学基金(40671175)收稿日期:2007-10-29󰀂通讯联系人

。

随着3S技术的广泛应用,国内外对农业景观格局动

态变化过程的研究在方法、技术与具体度量上已日趋完善,研究成果不断涌现

[4-6]

。国内相关研究主

要集中在高原、丘陵地带以及半干旱区,在中小尺度流域农业景观格局变化与水土流失方面取得了较大

[7-9]

进展。

1938年,由于人为因素造成黄河泛滥,使得河南、安徽、江苏3省44县的26675.81km土地变成水乡泽国,陆沉水底10a后,在周恩来总理提议下

2

(8(󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁生󰀁态󰀁与󰀁农󰀁村󰀁环󰀁境󰀁学󰀁报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第24卷

相关研究仅见席承藩等关于土壤调查与治理方面的报道,而对景观生态方面的研究尚未见报道。笔者利用1987年和2002年遥感数据及1997年河南省土地利用现状图,借助地理信息系统技术,分析河南省黄泛区近20a来农业景观格局变化的动态,揭示人类活动对其变化的影响,为黄泛区农业景观生态系统的和可持续利用模式的建立提供理论依据。

[10-11]

区范围。数据处理平台包括Arcview3.2、Erdas8.7和Arcgis9.0。遥感数据处理采用监督分类与非监督分类相结合的方法,并通过GPS野外调查采样对分类结果进行精度评价。结果表明,总体分类精度

[12]

为79.4%,达到最低允许判别精度0.7的要求。2.3󰀁景观格局指数计算

选取斑块密度、景观多样性指数、景观破碎化指数、优势度和分布质心5个景观格局指数定量分析河南省黄泛区农业景观格局变化状况。各项指数具体计算方法如下:

DP=ni/Ai

-22

1󰀁研究区概况

河南省黄泛区是受1938年黄河泛滥影响最严重的地区,地处N33!15∀~34!55∀、E113!30∀~115!38∀,花园口以下,沿贾鲁河、颍河从西北到东南分布,长约400km,宽30~80km,总面积为13150km。研究区北临黄河,南抵淮河的重要支流颍河,西至豫西丘陵盆地,东部边界受人工筑堤影响,从开封和周口两地区的一些县穿过(图1)。本区位于黄河冲积扇南缘,属于北亚热带向暖温带性季风气候的过渡区。土壤的水平分布受#慢出淤,紧出沙,不紧不慢出两花(两合土)∃沉积规律的支配,主流地带沉积沙土,边缘地带沉积淤土,中间地带有部分两合土。

2

(1)

式(1)中,DP为某类斑块密度,km;ni为景观中某斑块数量;Ai为某类景观面积,km。DP越大,破碎化程度越高,空间异质性程度也越大。

m

H=-i&PilnPi

=1

(2)

式(2)中,H为景观多样性指数,Pi为景观类型i所占整个景观面积%,m为景观类型数。通常随着H增加,景观类型组成的复杂性也趋于增加。NF=(Np-1)/Nc(3)式(3)中,NF为整个区域的景观破碎化指数,Np为景观中各类型斑块总数,Nc为研究区总面积除以最小斑块面积。NF数值越大,人类活动强度越大,景观破碎化程度越高。

D=Hmax+k&PklgPk

=1

m

(4)

式(4)中,D为优势度,Pk为景观类型k面积占整个景观面积%,m为景观类型数,Hmax为最大多样性指数。D值反映了1种或几种景观镶嵌体支配景观格局的程度。

Xt=i&(Cti∋Xi)/i&Cti

=1=1

图1󰀁研究区域地理位置Fig.1󰀁Locationmapofthestudyarea

m

m

(5)(6)

Yt=i&(Cti∋Yi)/i&Cti=1=1

mm

式(5)和式(6)中,Xt、Yt分别为第t年景观分布质

心的经纬度坐标;Cti为第t年第i种景观类型斑块的面积,km;Xi、Yi分别为第i种景观类型斑块质心的经纬度坐标。本研究用景观斑块分布质心变化来研究景观格局的空间变化

[13]

2

2󰀁研究方法

2.1󰀁数据来源

󰀁󰀁数据来源于1987年和2002年的TM影像,1938 1947年黄泛大溜图,1997年河南省土地利用现状图,1975年1%5万数字栅格地形图和2006年10月GPS考察获取的河南省黄泛区景观变化资料。2.2󰀁数据处理平台及处理过程

以1938 1947年黄泛大溜图为基础,提取研究。

3󰀁结果与分析

3.1󰀁农业景观类型动态分析

3.1.1󰀁各景观类型斑块面积变化

1987 2002年,河南省黄泛区农业景观动态变化显著(表1),各景观类型面积都发生了较大变化。󰀁第2期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁许󰀁华等:河南省黄泛区农业景观格局动态及驱动因素(9(

水浇地、坑塘和建设用地景观类型面积增加,其余景观类型面积都呈减少趋势。同时景观斑块数量和斑块密度也发生了很大变化,斑块数量从1927532块增至2881523块,斑块密度从146󰀁58块(km增

表1󰀁1987 2002年河南省黄泛区农业景观类型动态变化

-2

至219.13块(km。各景观类型斑块数量变化

中,水浇地和稻田景观类型斑块数量减少,其余景观类型斑块数量都呈增加趋势。其中,果园景观类型斑块数量增加尤其显著,增加136󰀁24%。

-2

Table1󰀁DynamicsofagriculturallandscapeinthefloodedareaoftheYellowRiverinHenanProvincefrom1987to2002

面积/km2

景观类型

1987年

坑塘河流建设用地果园水浇地稻田旱地林地其他

53.50126.631774.74960.422921.24316.156157.98637.98201.47

2002年140.38125.562337.804.884394.91218.584249.47591.44197.10

占总面积比例变化/百分点

0.66-0.014.28-0.4911.21-0.74-14.51-0.35-0.03

1987年196282130124018414239534012386945387337139075168

斑块数

2002年23441312449526243502037076286128824271496712146803

占斑块总数比例变化/百分点

-0.21-0.041.565.54-7.-3.445.06-2.031.19

最大斑块面积/km21987年5.6181.0368.995.66.0115.35141.760.266.22

2002年12.3867.6179.313.1697.4413.69129.850.244.73

󰀁󰀁由表1可知,旱地景观类型面积减少1908󰀁51km,斑块数量增加370398块,斑块密度从73.70块(km上升到193.97块(km,说明旱地景观

破碎化程度增大。这与本区农业快速发展、人口压力增大导致水浇地景观大量增加有密切关系。此外,受城市化进程加快影响,城镇周围旱地景观被建设用地挤占也是1个重要因素。河流景观面积减少

2

1.07km,斑块数量增加303块。这与全球气候变暖、农业干旱程度增加造成本区灌溉农业用水量增加有关。水浇地景观类型分布面积快速增加,增加50.45%,斑块数量却不断减少,斑块密度从135.33

-2-2

块(km减少到84.36块(km,表明水浇地景观破碎化程度明显下降,分布更加集中连片。建设用地景观类型面积增加563󰀁06km,增加31.73%,斑块数量和密度也在不断上升,说明本区经济在这一时期发展很快,城镇化进程明显。稻田景观类型面积减少97.57km,斑块数量减少37741块。该区稻田景观主要分布在黄河沿岸地区,稻田景观变化与沿黄湿地演变密切相关,与沿黄湿地景观变化相一致

[13-14]

2

2

-2

-2

2

3.1.2󰀁各景观类型质心变化

根据式(5)和式(6),分别计算1987年和2002年水浇地、旱地和建设用地景观类型分布质心的坐标。1987 2002年,水浇地景观类型分布质心向东偏移0.0918!,向南偏移0.3875!,整体上向东南偏移44󰀁25km,表明水浇地景观主要是向东南方向扩展。旱地景观类型分布质心向西偏移0.0018!,向北偏移0󰀁2093!,整体上向西北偏移23.26km,表明旱地景观主要是向西北方向扩展。水浇地和旱地景观类型分布质心的变化与农业快速发展和人口压力增加有很大关系。随着农田水利设施建设,大量机械、电力、燃料等农业动力投入农业生产,使农区一部分旱地景观转化成水浇地景观。同时水浇地和旱地景观类型分布质心的变化也受沙地分布的影响。

建设用地景观类型分布质心向西偏移0.0062!,向北偏移0.0595!,整体上向西北偏移6󰀁65km,表明建设用地景观类型主要是向西北方向扩展。在经济高速发展的同时,建设用地面积不断扩大。建设用地景观类型分布质心的变化显示本区经济发展的不均衡,北部黄河沿岸地区在陇海铁路和连霍高速的带动下,经济发展速度比黄泛区腹地要快得多,特别是省会城市郑州的扩展更加迅速。3.2󰀁农业景观空间格局动态变化

1987年和2002年河南省黄泛区农业景观多样性指数分别为1.5184和1.5847。1987 2002年,

。林地景观类型面积减少46.54km,减

-2

2

少7.29%,斑块密度从582.13块(km骤增至

-2

839.83块(km。果园和其他景观类型面积分别减少65.54和4󰀁37km,但斑块数量却大量增加,分别增加250878块和71635块,表明林地、果园及其他景观类型破碎化程度在不断加大。

2

(10(󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁生󰀁态󰀁与󰀁农󰀁村󰀁环󰀁境󰀁学󰀁报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第24卷

景观多样性指数增大,说明各景观类型所占比例差异正在减小,景观结构组成的复杂性趋于增加。1987年和2002年河南省黄泛区农业景观破碎化指数分别为0.119059和0.208176,农业景观破碎化程度较高,破碎化指数增大,表明研究区域人类活动强度较大,景观整体破碎化程度仍在增加。同时,优势度从0.29479降至0.26601,下降0.02878,说明本区是由几个面积比例大致相等的嵌块体类型所支配,而且占优势的景观类型正在趋于分化。3.3󰀁农业景观格局变化驱动因子分析

人类活动是黄泛区农业景观变化的主要驱动

力。根据河南省黄泛区社会经济发展状况,选取国民生产总值GDP、农业产值、农业机械总动力、农村劳动力、人口自然增长率、渔业产值、社会消费品零售额、林业总产值和用于农业财政投入(包括科技和基础设施建设)9个因子作为黄泛区农业景观变化驱动力分析因子。以河南省黄泛区13个县为样本,以各景观类型面积比例为因变量,运用统计分析软件SPSS11󰀁0进行驱动因子相关分析,结果见表2。

表2󰀁河南省黄泛区农业景观类型面积比例与驱动因子的相关性分析

Table2󰀁CorrelativeanalysisofacreagepercentageofagriculturallandscapeanddrivingfactorsinthefloodedareaoftheYellowRiverinHenanProvince

景观类型坑塘河流建设用地果园水浇地稻田旱地林地其他

GDP

*

0.252

*

农业产值0.077-0.059-0.6330.932

**

*

农业机械

总动力0.032-0.150*0.2100.881

**

农村劳动力

*

0.323*-0.305

人口自然

增长率-0.0850.041-0.1090.221-0.1230.0110.143

渔业产值0.978*-0.0760.085-0.009

-0.028

*

社会消费品

零售额0.904*0.460*-0.0140.014-0.070-0.001

*

林业总产值

0.006-0.1960.0370.0450.063

*

0.6330.018

*

农业财政投入0.1130.0830.536*-0.316

*

-0.0330.7070.745

0.109-0.032-0.204-0.056

**

*

-0.321

0.5-0.0130.1720.071

*

-0.097*

***

**

0.406*-0.373*

-0.0260.004

-0.753*

0.061

*

*

0.563-0.249

0.088-0.042

**显著性在0.01水平;*显著性在0.05水平。

󰀁󰀁(1)水浇地、旱地和稻田景观驱动因子分析由表2可以看出,GDP、农业产值、农业机械总

动力、用于农业财政投入与水浇地景观面积比例变化呈正相关,与旱地景观面积比例变化呈负相关,说明农业财政和能量投入、农业产出效益和经济增长是水浇地景观增加的主要驱动因子,直接驱动了旱地景观向水浇地景观的转变。稻田景观面积比例变化与GDP和农业产值呈正相关,与渔业产值呈负相关,说明经济发展和农业发展能促进稻田景观的增加,但发展渔业却驱动了本区稻田景观的流失。

(2)河流、坑塘及其他景观驱动因子分析坑塘景观面积比例变化与GDP、农村劳动力、渔业产值、社会消费品零售额呈正相关,与人口自然增长率呈负相关,说明人口增多、渔业发展、经济增长和人们消费水平提高以及对水产品需求的增加,是坑塘景观类型面积和斑块数量增加的主要驱动因子。河流景观面积比例变化与GDP、农业产值、农业机械总动力、农村劳动力、渔业产值呈负相关,说明农村剩余劳动力的增多和农业、渔业的发展,使河流景观逐渐趋于萎缩。其中农业机械总动力、农村

劳动力与河流景观面积比例变化达到显著相关,反映了剩余劳动力和农业自身发展对河流景观有极强的驱动作用。农业自身的发展体现在随着农业动力投入增加,旱地转变为水浇地景观,农业用水大量增加,河流水源补给不足,一些河流常年干涸,被农民开发利用为其他景观。

(3)林地、果园及建设用地景观驱动因子分析GDP和农业产值与林地、果园景观面积比例变化呈负相关,表明经济增长和农业发展是林地、果园景观减少的主要驱动因子,体现出市场和经济效益对农业景观变化的驱动作用。建设用地景观面积比例变化与GDP、农业机械总动力、农村劳动力、社会消费品零售额呈正相关,与农业产值、林业总产值呈负相关。说明人口增加、经济发展、人民生活水平提高,加速了城镇化进程。但建设用地景观增加占用了大量耕地,造成农业和林业产值下降。󰀁第2期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁许󰀁华等:河南省黄泛区农业景观格局动态及驱动因素(11(

4󰀁结论与讨论

(1)1987 2002年,河南省黄泛区农业景观动态变化显著。水浇地、坑塘和建设用地景观类型面积显著增加,旱地、稻田、河流、林地和其他景观类型面积呈减少趋势。水浇地和稻田景观类型斑块数量减少,其余景观类型斑块数量都呈增加趋势。其中果园景观类型斑块数量增加尤为显著。水浇地、旱地和建设用地为该地区占优势的景观类型,这3种景观类型占本区景观类型总面积从1987年的82󰀁54%上升到2002年的83.51%。

(2)农业景观空间格局变化研究结果表明,1987 2002年河南省黄泛区农业景观多样性指数从1.5184上升为1.5847,景观破碎化指数从0󰀁119059上升为0.208176,优势度从0.29479下降为0.26601,说明研究区人类活动强度较大,各景观类型所占面积比例差异正在减小,区域整体景观破碎化程度仍在增加,而且是由几个面积比例大致相等的嵌块体类型所支配。

(3)随着经济快速发展和人口的不断增加,建设用地景观在一段时期内仍呈增长趋势,这就需要制定严格的土地利用规划,确保基本农田面积不减少,尤其是稳定高产田面积,保证粮食安全。农业投入增加使一部分旱地景观转变为水浇地景观,导致农业用水量骤增,一些农区地下水出现大面积漏斗区,威胁区域生态安全。因此,必须大力推广节水农业和精细农业,提高水资源利用率,合理规划农业用水,维持区域水资源动态平衡。

(4)人类活动是黄泛区农业景观格局变化的主要驱动力,农业发展、人口增长、经济发展、人民生活水平提高、城镇化进程加速是主要驱动因素。由于只有2期遥感数据,所以河南省黄泛区近20a来农业景观格局演变的中间过程没能得到充分反映,使得农业景观格局变化过程、机理及驱动力研究不够深入。但黄泛区是地球上独具特色的陆地表层景观生态系统,对其农业景观变化驱动机制进行深入分析和情境预测,可为黄泛区建立可持续发展的农业

景观生态系统提供具有实际意义的科学决策依据。

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作者简介:许华(1982 ),女,河南南阳人,硕士,主要从事景观生态学研究。