劉鴻雁,趙雨森

(1.東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院,哈爾濱 150040;2.哈爾濱市水務(wù)局,哈爾濱150076)

土地利用是自然基礎(chǔ)上人類(lèi)活動(dòng)的直接反映,具有顯著的空間特征和時(shí)間特點(diǎn)[1]。研究土地利用格局,了解其形成和變化的成因與機(jī)理,分析其時(shí)空演變規(guī)律,可以進(jìn)一步了解景觀(guān)格局與自然、生態(tài)過(guò)程和社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)之間的關(guān)系[2]。景觀(guān)是具有高度空間異質(zhì)性的區(qū)域,它是由相互作用的斑塊以一定的規(guī)律組成的[3]。景觀(guān)空間格局分析是景觀(guān)生態(tài)學(xué)研究的核心問(wèn)題之一。景觀(guān)格局及其變化和發(fā)展是自然、生物和社會(huì)要素相互作用的結(jié)果。景觀(guān)破碎化是與景觀(guān)變化密切相關(guān),它使景觀(guān)要素被破碎成眾多小斑塊,使流域景觀(guān)結(jié)構(gòu)和功能都受到影響,景觀(guān)破碎化程度被認(rèn)為是景觀(guān)格局及其生態(tài)功能趨于不穩(wěn)定的標(biāo)志[4],是對(duì)流域范圍內(nèi)生物多樣性嚴(yán)重的威脅,是景觀(guān)格局研究的重要內(nèi)容之一。進(jìn)行土地利用及景觀(guān)格局分析有助于探討其景觀(guān)格局和生態(tài)過(guò)程的相互關(guān)系。土地利用及景觀(guān)格局變化分析一般方法包括遙感圖像處理、生成統(tǒng)計(jì)報(bào)表、景觀(guān)分析等。本文將GIS和景觀(guān)空間格局定量指標(biāo)相結(jié)合,對(duì)烏裕爾河流域土地利用及景觀(guān)空間格局進(jìn)行測(cè)定和統(tǒng)計(jì),分析其景觀(guān)格局指數(shù),從表面上無(wú)序的景觀(guān)中發(fā)現(xiàn)其潛在變化規(guī)律或趨勢(shì),這對(duì)土地資源合理利用、土地利用規(guī)劃和控制水土流失等均有重要意義[5]。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

烏裕爾河位于黑龍江省西部,東經(jīng) 123°47′20″-127°27′40″,北緯 46°23′05″-48°25′55″,屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。烏裕爾河發(fā)源于小興安嶺西麓山前臺(tái)地沼澤地,是嫩江左岸的較大無(wú)尾河流,全長(zhǎng)587 km,流域總面積19 060 km2。流域范圍涉及黑龍江省的拜泉縣、北安市、杜蒙縣、富?？h、克東縣、克山縣、林甸縣、訥河市、齊齊哈爾市、泰來(lái)縣、五大連池和依安縣等12個(gè)縣市。烏裕爾河流域土壤類(lèi)型主要為草甸土、黑土、黑鈣土、沼澤土、暗棕壤、風(fēng)沙土等,其中草甸土5 827 km2、黑土5 034 km2、黑鈣土4 094 km2,廣義黑土(草甸土、黑土、黑鈣土)占比重相當(dāng)大,達(dá)78.5%。由于流域土壤富含有機(jī)質(zhì),適合于農(nóng)業(yè)生產(chǎn),耕地成為主要的景觀(guān)類(lèi)型。由于土地的過(guò)度開(kāi)墾和其它不合理利用,該流域?qū)λ亮魇置舾?。流域跨越黑龍江省的西部風(fēng)沙區(qū)和漫川漫崗區(qū)兩個(gè)水土保持工作分區(qū)。其中風(fēng)沙區(qū)土地面積為8 284 km2,占全流域的43.5%,漫川漫崗區(qū)土地面積為10 776 km2,占整個(gè)流域的56.5%。

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理 本文以黑龍江省1995年和2000年Landsat TM假彩色合成影象為本底數(shù)據(jù),以縣為單位分幅切割,采用ERDAS IMAG INE 9.1對(duì)影像圖進(jìn)行幾何校正、影像融合、影像增強(qiáng)、影像拼接和裁剪幾何糾正、輻射糾正和投影處理后,詳繪1∶10萬(wàn)土地利用現(xiàn)狀圖,圖件投影方式為雙標(biāo)準(zhǔn)緯線(xiàn)等面積割圓錐投影,采用全國(guó)統(tǒng)一的中央經(jīng)線(xiàn)和雙標(biāo)準(zhǔn)緯線(xiàn),中央經(jīng)線(xiàn)為東經(jīng)105°,雙標(biāo)準(zhǔn)緯線(xiàn)為北緯25°和北緯47°,坐標(biāo)原點(diǎn)為105°E,0°N 。

通過(guò)傳統(tǒng)的目視判讀解譯影像,在人機(jī)交互方式下,利用A rcGIS分別對(duì)2期 TM影像的各種景觀(guān)類(lèi)型進(jìn)行邊界勾繪并賦小班屬性值,在Geodatabase建立信息庫(kù),最后通過(guò)拓?fù)潢P(guān)系生成土地利用景觀(guān)斑塊分布圖(附圖4)。從Geodatabase中提取各景觀(guān)類(lèi)型的斑塊特征值后,采用景觀(guān)格局指數(shù)分析法,借助景觀(guān)分析軟件 Fragstats從斑塊(Patch)、斑塊類(lèi)型(Class)和景觀(guān)(Land)3個(gè)水平上計(jì)算各種景觀(guān)格局指數(shù),進(jìn)行斑塊特征分析和景觀(guān)異質(zhì)性分析,以揭示研究區(qū)內(nèi)的景觀(guān)格局特征。

本文土地利用景觀(guān)分類(lèi)主要以《土地利用現(xiàn)狀分類(lèi)》(GB/T 21010-2007)為依據(jù),遙感解譯結(jié)合本流域的特點(diǎn),將土地利用景觀(guān)劃分為6個(gè)大類(lèi),21個(gè)類(lèi)型:耕地(平原區(qū)水田、山區(qū)旱地、丘陵區(qū)旱地、平原區(qū)旱地),林地(有林地、疏林地、灌木林地、其他林地)、草地(覆蓋度＞50%為高覆蓋草地、覆蓋度20%～50%為中覆蓋草地、覆蓋度＜20%為低覆蓋草地)、水域(河渠、湖泊、水庫(kù)或坑塘、灘地)、建設(shè)用地(城鎮(zhèn)用地、工交建設(shè)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)用地)、未利用土地(裸巖石礫地、灘地、鹽堿地、沼澤地等)。并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行景觀(guān)制圖和建立區(qū)域景觀(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)。景觀(guān)制圖(附圖4)按21類(lèi)詳細(xì)類(lèi)型進(jìn)行,景觀(guān)數(shù)據(jù)分析為便于制表,按土地利用的6大類(lèi)進(jìn)行計(jì)算分析。

1.2.2 指數(shù)選取與計(jì)算 本文景觀(guān)指數(shù)的計(jì)算均采用 Fragstats的公式和計(jì)算方法。通過(guò) RS和GIS對(duì)研究區(qū)域影像及景觀(guān)圖處理后,采用景觀(guān)分析軟件Fragstats,從斑塊、景觀(guān)類(lèi)型和景觀(guān)格局3個(gè)水平上分別計(jì)算出2期影像景觀(guān)指數(shù),本文僅從景觀(guān)類(lèi)型(Class)和景觀(guān)格局水平上進(jìn)行討論,由于描述景觀(guān)格局的指數(shù)眾多,根據(jù)本項(xiàng)研究目的,對(duì)其中具有代表性的指數(shù)作以分析,斑塊類(lèi)型選取了景觀(guān)百分比PLAND、斑塊數(shù)量 NP和斑塊密度PD等10個(gè)指數(shù),在景觀(guān)格局水平上選用多樣性指數(shù)和優(yōu)勢(shì)度指數(shù)等多項(xiàng)指數(shù)。研究所選用的部分景觀(guān)指數(shù)公式如下:

(1)斑塊所占景觀(guān)面積的比例PLAND。它所度量的是景觀(guān)的組分,可以作為確定景觀(guān)中優(yōu)勢(shì)元素的依據(jù)之一 ,也是決定景觀(guān)中的生物多樣性、優(yōu)勢(shì)種和數(shù)量等生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)的重要因素。其計(jì)算式如(1)。

式中:aij——第i類(lèi)景觀(guān)要素第j個(gè)斑塊的面積;n——研究區(qū)斑塊總數(shù);A——研究區(qū)總面積。

(2)分維數(shù)。數(shù)值范圍1≤FRAC≤2,表征景觀(guān)斑塊形狀的復(fù)雜程度。

式中:pij——第i類(lèi)景觀(guān)要素第j個(gè)斑塊的周長(zhǎng);aij——第 i類(lèi)景觀(guān)要素第j個(gè)斑塊的面積。(3)Sim pson多樣性指數(shù)。數(shù)值范圍0≤SID I＜1,是景觀(guān)斑塊豐富程度和均勻程度的綜合反映。

式中:Pi——第i類(lèi)斑塊體占景觀(guān)總面積的比例;m——研究區(qū)景觀(guān)斑塊體的類(lèi)型總數(shù)。

(4)香農(nóng)多樣性指數(shù)SHD I。是一種基于信息理論的測(cè)量指數(shù),能反映景觀(guān)異質(zhì)性,是景觀(guān)斑塊豐富程度和均勻程度的綜合反映。數(shù)值范圍SHD I≥0,SHD I的大小反映景觀(guān)要素的多少和各景觀(guān)要素所占比例的變化。當(dāng)景觀(guān)為均質(zhì)時(shí),其多樣性指數(shù)為0,當(dāng)各景觀(guān)類(lèi)型所占比例相等時(shí),其景觀(guān)的多樣性為最高;各景觀(guān)類(lèi)型所占比例差異增大,則景觀(guān)的多樣性下降。其計(jì)算公式如(4)。

式中:Pi——第i類(lèi)斑塊體占景觀(guān)總面積的比例;m——研究區(qū)景觀(guān)斑塊體的類(lèi)型總數(shù)。

(5)散布與并列指數(shù)IJI。描述景觀(guān)空間格局最重要的指標(biāo)之一。其單位為百分比,取值在0～100之間。IJI取值小時(shí)表明拼塊類(lèi)型i僅與少數(shù)幾種其它類(lèi)型相鄰接;IJI=100表明各拼塊間比鄰的邊長(zhǎng)是均等的,即各拼塊間的比鄰概率是均等的。IJI值大,間接反映出其受人類(lèi)活動(dòng)影響劇烈,周邊景觀(guān)類(lèi)型(Class)豐富。本文對(duì) IJI景觀(guān)指數(shù)在C lass水平和Land水平上都進(jìn)行了計(jì)算,這里只列出Class水平上的計(jì)算式如(5)。

式中:i——斑塊類(lèi)型;m——研究范圍內(nèi)景觀(guān)斑塊的類(lèi)型總數(shù);eik——與類(lèi)型為k的斑塊相鄰的斑塊i的邊長(zhǎng)。

(6)蔓延度指數(shù)CONTAG。百分比值,范圍0＜CONTAG≤100。CONTAG指標(biāo)描述的是景觀(guān)里不同拼塊類(lèi)型的團(tuán)聚程度或延展趨勢(shì)。由于該指標(biāo)包含空間信息,是描述景觀(guān)格局的最重要的指數(shù)之一。高蔓延度值說(shuō)明景觀(guān)中的某種優(yōu)勢(shì)拼塊類(lèi)型形成了良好的連接性;反之則表明景觀(guān)是具有多種要素的密集格局,景觀(guān)的破碎化程度較高。而且研究發(fā)現(xiàn)蔓延度和優(yōu)勢(shì)度這兩個(gè)指標(biāo)的最大值出現(xiàn)在同一個(gè)景觀(guān)樣區(qū)[6]。CONTAG指數(shù)計(jì)算公式如式(6)。

式中:gik——類(lèi)型斑塊和k類(lèi)型斑塊毗鄰的數(shù)目;pi——第 i類(lèi)斑塊體占景觀(guān)總面積的比例;m——研究區(qū)景觀(guān)斑塊體的類(lèi)型總數(shù)。

(7)景觀(guān)破碎化指數(shù)FN,用來(lái)描述景觀(guān)被分割的破碎程度和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性,FN值在0～1之間,0表示無(wú)破碎化,1代表完全破碎。其計(jì)算公式如式(7)。

式中:NP——結(jié)構(gòu)中各類(lèi)斑塊的總數(shù);NC——研究區(qū)域總面積與最小斑塊面積之比。

2 土地利用變化的時(shí)空分析

烏裕爾河流域1995年和2000年各類(lèi)土地利用現(xiàn)狀所占面積及比例統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

本文對(duì)土地利用變化的研究主要是在A rcGIS的支持下,通過(guò)對(duì)2個(gè)時(shí)期的土地利用圖進(jìn)行空間疊加運(yùn)算,求出各時(shí)期土地利用類(lèi)型的轉(zhuǎn)移矩陣,再進(jìn)一步分析土地利用變化過(guò)程[8-9]。地圖代數(shù)法求得兩期土地利用轉(zhuǎn)移矩陣的公式如式(8)。

式中:Mi——土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移代碼;Nk——前一時(shí)期的土地利用情況;Nk+1——后一時(shí)期的土地利用情況。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表1 烏裕爾河流域土地利用現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)表

表2 烏裕爾河流域1995-2000年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 hm2

從表2可以看出:面積增加最多的是耕地,其次是草地和水域。2000年耕地較 1995年增加27 059.77 hm2,草地、水域分別增加 10 802.92 hm2、4 770.26 hm2。增加的面積主要來(lái)源于林地和未利用地(沼澤地占 91.3%),其中,林地減少18 565.39 hm2,未利用地減少 23 688.06 hm2。各類(lèi)土地利用面積變動(dòng)反映出該時(shí)間段主要表現(xiàn)為耕地?cái)?shù)量外延,與其對(duì)應(yīng)的是林地和未利用地面積的減少。而林地和沼澤地面積的減少,對(duì)于本流域的生態(tài)環(huán)境保護(hù)及水土保持會(huì)產(chǎn)生不利的影響。同時(shí),土地利用類(lèi)型的相互轉(zhuǎn)化反映出隨著國(guó)家政策的變動(dòng)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人口增加,對(duì)耕地的壓力也加大,驅(qū)使耕地增加,未利用地(尤其是沼澤地)被大面積開(kāi)墾耕種,迫使林地等面積被動(dòng)減少。

造成草地和水域面積增加的原因是多方面的,除自然因素的影響外,人為將未利用地(沼澤地)開(kāi)發(fā)為耕地,其中部分沼澤地向兩個(gè)極端分化,濕地促生為草地和水域。未利用地的景觀(guān)分割為草地和水域,很大程度降低了未利用地中重要部分——濕地在整個(gè)流域的生態(tài)功能。從1995-2000年土地利用景觀(guān)分析結(jié)果看,未利用地中的沼澤地部分直接減小21 622.58 hm2,其收縮程度明顯過(guò)大。草地景觀(guān)內(nèi)部高、中、地草地變化也比較明顯。

3 景觀(guān)變化分析

3.1 景觀(guān)類(lèi)型水平(Class level)分析

進(jìn)行土地利用景觀(guān)類(lèi)型級(jí)別分析能反映出研究區(qū)中各類(lèi)景觀(guān)類(lèi)型的結(jié)構(gòu)特征,揭示其中變化重點(diǎn)和趨勢(shì)。表3列出了1995年和2000年主要景觀(guān)類(lèi)型的空間格局特征指數(shù)的變化情況。

表3 烏裕爾河流域土地利用景觀(guān)類(lèi)型的景觀(guān)指標(biāo)

進(jìn)行景觀(guān)類(lèi)型水平分析時(shí),選定9個(gè)景觀(guān)指標(biāo):景觀(guān)百分比PLAND、斑塊數(shù)量NP、斑塊密度PD、總邊緣長(zhǎng)度TE、邊緣密度ED、景觀(guān)形狀指標(biāo)LSI、周長(zhǎng)面積分維數(shù)PAFRAC、散布及并指數(shù)IJI、景觀(guān)破碎化指數(shù)FN和聚合度AI,2期景觀(guān)類(lèi)型指數(shù)計(jì)算結(jié)果表3。從表3可以看出:耕地面積的增加,PLAND指數(shù)增加,斑塊數(shù)量 NP也大幅增加215個(gè),尤其景觀(guān)破碎化指數(shù)FN由0.071增到0.109,邊緣密度、分維數(shù)和面積加權(quán)平均形狀指數(shù)增大,說(shuō)明了耕地斑塊更加破碎,耕地景觀(guān)邊緣更趨復(fù)雜,分布更為分散;散布與并列指數(shù)IJI增加,也說(shuō)明耕地與其它景觀(guān)類(lèi)型的分布關(guān)系變得復(fù)雜,連通性降低,反映了人類(lèi)對(duì)耕地的開(kāi)發(fā)程度增強(qiáng)。而林地和未利用地各類(lèi)指數(shù):PLAND、TE、ED、LSI和IJI的相應(yīng)減小,FN指數(shù)的增大,同時(shí)反應(yīng)出耕地向林地和未利用地拓展的結(jié)果,耕地、林地和未利用地的空間關(guān)系更加密切。

城鎮(zhèn)建設(shè)用地所占景觀(guān)面積、百分比PLAND和IJ I等多項(xiàng)指數(shù)均略微減小或持平,間接表明建設(shè)用地原來(lái)分散的城區(qū)與工礦用地逐漸連成了一體,呈現(xiàn)大片的連續(xù)分布,連通性增強(qiáng),其形狀也更加規(guī)則。水域面積增加而斑塊數(shù)減少,TE、ED、PAFRAC、IJI和AI增加,這說(shuō)明原來(lái)較小的水體與河網(wǎng)逐漸被趨于成互連的水域,分布更集中,形狀更簡(jiǎn)單,相互連通性增強(qiáng),小片水域逐漸消失,濕地面積空間分布不均。而草地則在人類(lèi)的開(kāi)發(fā)下伴隨耕地、水域的變動(dòng)變得更加集中,連通性與分散度降低。

3.2 景觀(guān)格局水平(land level)分析

計(jì)算了烏裕爾河全流域的多樣性指數(shù)、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)、均勻度指數(shù)、分維數(shù)、總破碎度等,結(jié)果見(jiàn)表4。

從表4中看出,1995年和2000年烏裕爾河流域經(jīng)過(guò)5 a的變遷,總體景觀(guān)空間格局特征顯現(xiàn)了客觀(guān)的變化。流域內(nèi)斑塊數(shù)量從5 625增加到5 965,增加340個(gè),斑塊密度從0.295增加到了0.313,由此造成斑塊平均尺寸從338.84降低至319.53,降低19.314。斑塊總邊緣長(zhǎng)度指數(shù) TE從1995年的 25 237 km增長(zhǎng) 4.40%,2000年達(dá)到26 349 km,斑塊邊緣密度指數(shù)ED同步呈顯增大趨勢(shì),景觀(guān)形狀指標(biāo)LSI、蔓延度CONTAG和周長(zhǎng)-面積分維數(shù)PAFRAC增大,說(shuō)明了景觀(guān)斑塊不規(guī)則程度呈現(xiàn)上升。散布及并列指數(shù)IJI略有增加,體現(xiàn)了在景觀(guān)級(jí)別上各個(gè)斑塊類(lèi)型間的總體散布與并列狀況有所增加,這與其斑塊數(shù)量的增長(zhǎng)是相適應(yīng)的。形式數(shù)量、形狀等趨于復(fù)雜。這說(shuō)明了斑塊的破碎化程度加大,這點(diǎn)直接從景觀(guān)分割度D IVISION指數(shù)和分離度指數(shù)(SPLIT)增大得到反應(yīng)。景觀(guān)破碎化不僅導(dǎo)致生物多樣性喪失,亦破壞土地利用景觀(guān)穩(wěn)定性,加劇水土流失、降低土地利用持續(xù)性。烏裕爾河流域2005年土地利用景觀(guān)分割度較1995年的0.746增加0.107,上升到0.853,說(shuō)明在人類(lèi)不合理活動(dòng)加劇了烏裕爾河流域景觀(guān)破碎化進(jìn)程,流域景觀(guān)被破壞程度不容樂(lè)觀(guān),需采取有效的措施和政策,來(lái)減少人為干擾的影響。

香農(nóng)多樣性和均勻度指數(shù)減小,說(shuō)明景觀(guān)異質(zhì)程度下降,景觀(guān)類(lèi)型有向單一化或非均衡化方向發(fā)展的趨勢(shì),這也是本區(qū)內(nèi)耕地、園地與城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積大量增加,而林地與水域大量減少的直接反映。但這也降低了景觀(guān)的抗干擾的能力與整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

表4 烏裕爾河流域土地利用景觀(guān)類(lèi)型的景觀(guān)指標(biāo)比較

4 結(jié)論與建議

通過(guò)上述分析可以看出,烏裕爾河流域土地利用景觀(guān)格局在1995—2000年的變化情況為:

(1)烏裕爾河流域土地利用景觀(guān)的主體為耕地,土地面積始終保持在60%以上,并呈現(xiàn)向外拓展趨勢(shì),流域呈現(xiàn)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)特征,其它依次是未利用地、草地、林地、建設(shè)用地和水域。耕地、草地和水域面積增加而林地、建設(shè)用地和未利用地減少。尤其以林地和未利用地(主要是沼澤地)向耕地轉(zhuǎn)移最為突出。

(2)從景觀(guān)類(lèi)型水平分析,草地、水域和建設(shè)用地的破碎化指數(shù)略有下降或持平,耕地、林地和未利用地景觀(guān)破碎化指數(shù)的上升,尤其是耕地該指數(shù)增幅較大,集中反應(yīng)出耕地面積和格局的變動(dòng),對(duì)整個(gè)流域的各類(lèi)土地利用景觀(guān)有顯著影響,耕地與其他各類(lèi)土地利用景觀(guān)關(guān)系更加密切,同時(shí)反應(yīng)出人類(lèi)活動(dòng)對(duì)流域景觀(guān)的穩(wěn)定性和可持續(xù)發(fā)展影響較強(qiáng)。

(3)從整個(gè)流域景觀(guān)格局分析,流域斑塊數(shù)量增加、景觀(guān)分割度、分離度指數(shù)SPLIT等指數(shù)增大,斑塊平均尺寸MPS、散布及并列指數(shù)IJI、有效粒度尺寸MESH和香農(nóng)多樣性指數(shù)SHD I、Sim pson's多樣性指數(shù)SIEI和聚合度AI減小,表明流域景觀(guān)的實(shí)際變化情況,變動(dòng)趨勢(shì)對(duì)區(qū)域整個(gè)流域生態(tài)系統(tǒng)功能發(fā)揮不利。說(shuō)明流域在耕地迅速增加對(duì)流域景觀(guān)格局的變化產(chǎn)生了重要作用,景觀(guān)格局的變化對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境和社會(huì)產(chǎn)生了不良影響,生態(tài)系統(tǒng)脆弱性在增大,所以今后應(yīng)加強(qiáng)流域生態(tài)型土地利用類(lèi)型措施,增強(qiáng)流域可持續(xù)發(fā)展能力。

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