范慶亞，吳國平，馬慶申，陳功勛，崔敬濤

（1．南京大學(xué) 地理與海洋科學(xué)學(xué)院，南京210093；2．江蘇省基礎(chǔ)地理信息中心，南京210013）

土地利用／土地覆蓋變化（LUCC）是目前地理學(xué)研究的前沿問題之一［1］，土地利用變化是人類活動與自然環(huán)境相互作用的集中體現(xiàn)［2－3］。近年來，利用3S技術(shù)和景觀生態(tài)學(xué)的方法進行土地利用景觀的研究日益成為熱點，探討土地利用與景觀生態(tài)過程的相互關(guān)系，是了解人類社會和自然環(huán)境相互作用關(guān)系的重要途徑之一［4］。景觀格局是指景觀組成單元的類型、數(shù)目以及空間分布與配置，是景觀異質(zhì)性的具體表現(xiàn)，同時又包括各種生態(tài)過程在不同尺度上作用的結(jié)果［5－6］。所以景觀格局的變化是一定區(qū)域的生態(tài)環(huán)境體系在自然以及人為多種因素的相互作用下產(chǎn)生的綜合反映?？臻g梯度是指沿某一方向景觀特征有規(guī)律地逐漸變化的空間特征，最早應(yīng)用于植被群落演化和不同環(huán)境條件下植被群落的差異研究［7］，目前也逐漸應(yīng)用于景觀格局的研究中［8－9］。本文對研究區(qū)梯度的定義是以市中心為起點的等距梯度，主要考慮的影響因子是離城市中心的距離，即采用“城—郊—鄉(xiāng)”的梯度概念，這是決定受城市輻射影響強弱的因子，在此基礎(chǔ)上分析景觀格局的空間變化。因此這種梯度分析能反映出城市的空間結(jié)構(gòu)以及在城市化過程中景觀空間格局的變化特點，為今后實現(xiàn)研究區(qū)土地資源的可持續(xù)利用以及土地利用規(guī)劃、管理和決策提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

臨沂市位于山東省東南部，東接日照，地近黃海，西接棗莊、濟寧、泰安，北靠淄博、濰坊，地處魯中南低山丘陵區(qū)東南部和魯東丘陵南部，地勢西北高東南低。地 理 位 置 為 東 經(jīng) 117°24″—119°11″，北 緯34°22″—36°22″，總面積17 184km2，2010年總?cè)丝? 003．94萬，是山東省面積最大和人口最多的地級市。氣候為暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候。四季分明，夏秋季節(jié)雨量充沛，氣候溫和。本文以所轄3區(qū)（蘭山區(qū)、羅莊區(qū)和河?xùn)|區(qū)）為研究區(qū)域。

2 研究方法

2．1 數(shù)據(jù)源與處理方法

本文以山東省臨沂市2010年土地利用現(xiàn)狀圖為數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)格式為shp矢量文件（臨沂市國土資源局提供）。結(jié)合研究區(qū)域的具體特征及實際研究需要，參照國內(nèi)外學(xué)者提出的眾多景觀格局指標［10－12］，運用目前國際上較流行的景觀分析軟件Fragstat 3．3和ArcGIS軟件，對各類景觀指數(shù)進行分析研究，從而分析土地利用變化的基本格局特征及空間分異規(guī)律。

2．2 景觀類型的劃分

景觀類型的劃分是景觀格局分析的基礎(chǔ)。為更好地反映土地利用景觀在空間上的變化，本文采用的景觀分類體系以土地利用狀況為主，并參考國土資源部2001年頒布的《全國土地分類（試行）》和建設(shè)部1991年頒布的國家標準《城市用地分類與規(guī)劃建設(shè)用地標準》（GBJ137－90）［13］，將原有的土地利用類型歸并為8類：耕地，園地，林地，草地，建設(shè)用地，水體，交通用地，其他土地。

根據(jù)以上劃分的景觀類型，利用ArcGIS軟件對研究區(qū)設(shè)立緩沖區(qū)。以臨沂市的市政府所在地為圓心，向城市的外緣方向設(shè)立半徑2．5km的環(huán)形緩沖區(qū)，根據(jù)市區(qū)大小，共設(shè)立12個緩沖區(qū)（附圖11）。本文默認最核心的區(qū)為第0緩沖區(qū)，向周邊依次是第1區(qū)、第2區(qū)、…、第11區(qū)。對這些環(huán)形緩沖區(qū)進行分析，能體現(xiàn)出城市景觀類型的圈層梯度變化特征。

在ArcGIS 9．3空間分析模塊中，采用convert命令，輸出適當(dāng)分辨率的arcgrid文件，將景觀分類數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成柵格數(shù)據(jù)（格網(wǎng)單位為10m），以便于在Fragstats 3．3軟件中進行景觀格局指數(shù)計算。在臨沂市總體景觀格局特征描述中，選擇斑塊類型總面積（CA）、景觀面積比例（PLAND）、斑塊數(shù)目（NP）、斑塊密度（PD）、平均斑塊面積（MPS）進行計算。從兩個角度來分析緩沖區(qū)的景觀梯度，一是類型水平的梯度分析，選擇景觀面積比例（PLAND）、斑塊密度（PD）、平均斑塊面積（MPS）、最大斑塊指數(shù)（LPI）、邊界密度（ED）、以及景觀形狀指數(shù)（LSI）；二是景觀水平的梯度分析，選擇斑塊密度（PD）、邊界密度（ED）、平均斑塊面積（MPS）、蔓延度指數(shù)（CONTAG）、面積—周長分維數(shù)（PAFRAC）、香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）和均勻性指數(shù)（SHEI）［14－15］。以上指數(shù)的計算公式和生態(tài)學(xué)意義參考文獻［16］。

3 結(jié)果與分析

3．1 景觀格局總體特征

基于GIS軟件，同時運用Fragstat 3．3景觀格局分析軟件對臨沂市2010年的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)中的各類土地利用類型的相關(guān)景觀格局指數(shù)進行計算，結(jié)果如表1所示。

表1 臨沂市土地利用景觀總體特征

一個景觀類型占整個景觀面積的比例，在相對意義上給出了每個景觀類型對整個景觀的貢獻率［17］。由表1可知，臨沂市耕地面積達到111 343hm2，占總面積的近一半，說明耕地是臨沂市土地利用的基底景觀。其次是建設(shè)用地，面積比例達29．25%，依次是林地、水體、交通用地和園地。而草地和包括灘涂和裸地在內(nèi)的其他土地占比不足1%。

從斑塊數(shù)目上來看，表現(xiàn)為：建設(shè)用地＞林地＞水體＞耕地＞交通用地＞園地＞草地。斑塊的密度能反映景觀的破碎程度，建設(shè)用地、林地、水體、耕地的斑塊密度處于較高水平，其中耕地和建設(shè)用地占臨沂市總面積的大部，說明臨沂市的景觀破碎指數(shù)整體上較高，而林地面積占比不大，斑塊數(shù)目卻很大，說明其破碎化程度較高，這是由自然條件和人為干擾共同決定的。至于水體，臨沂市河流眾多，水系呈脈狀分布，坑塘水面面積也較廣泛，使得水域景觀整體表現(xiàn)得破碎。草地的斑塊密度最小，主要是因為其面積占比小。從平均斑塊面積來看，由于主體性，耕地和建設(shè)用地的此項指標明顯高于其他地類，而交通用地相對其他地類較高，說明臨沂市的交通比較發(fā)達。

臨沂市地處平原區(qū)，耕地是其主要的土地利用類型，城市建設(shè)項目開展造成城市用地急劇增長，造成耕地被占用。蘭山區(qū)和河?xùn)|區(qū)處于沂河兩岸，城市向沂河擴展，使得沂河兩岸的大批林地以及郊區(qū)的一些園地都表現(xiàn)出不同幅度的減少。建設(shè)用地多分布于主城區(qū)蘭山區(qū)，耕地多分布于河?xùn)|區(qū)，而林地、草地等生態(tài)用地分布于西北部中低山區(qū)和東部丘陵地帶，中南部平原區(qū)的生態(tài)用地面積較少，綠化覆蓋率比較低，但該區(qū)人類活動較頻繁，造成土地產(chǎn)出率低、城市環(huán)境污染，增加了土地承載壓力。此外，農(nóng)村居民點建設(shè)用地比較散亂，內(nèi)部交通以及綠地用地配置較少，不能較好實現(xiàn)人口、經(jīng)濟和產(chǎn)業(yè)集聚，土地配置和利用效率均較低。

3．2 類型水平的緩沖區(qū)梯度分析

研究區(qū)景觀類型的緩沖區(qū)梯度變化特征情況見圖1。

圖1 類型水平的緩沖區(qū)梯度變化特征

圖1a中，很明顯能看到耕地和建設(shè)用地兩條走勢相反的線。從臨沂市區(qū)到城郊，建設(shè)用地面積所占比例逐漸下降，而耕地面積占比在上升。這是由于城鎮(zhèn)化進程的加快，使得市區(qū)的大量耕地資源不斷被占用成建設(shè)用地。交通用地比例的走勢為先上升再下降，在緩沖區(qū)3的位置達到最大值，再隨著離市中心距離的增加而緩慢降低。而水體在中心區(qū)域比例很高，接下來就維持在一個穩(wěn)定水平。這是由于沂河正好穿越在市區(qū)附近，這也是臨沂市區(qū)景觀有別于其他城市的特點之一。

從斑塊密度圖1b來看，8種地類都呈現(xiàn)出一致的遞增規(guī)律。區(qū)別在于建設(shè)用地、耕地、林地、水體的斑塊密度要明顯高于園地、交通用地和草地。除建設(shè)用地外的地類斑塊密度隨著面積占比的增大，斑塊數(shù)目增加，密度增大。對建設(shè)用地來說，離城市中心區(qū)域距離越遠，其面積占比越小，斑塊密度卻越大，這是因為建設(shè)用地在市中心是較集中的大型商業(yè)用地和公共建筑設(shè)施用地，隨著圈層的外移變成工礦用地、住宅用地，到郊區(qū)就是分散的農(nóng)村居民點。而林地從市區(qū)到郊區(qū)呈現(xiàn)出較明顯的破碎化，其重要原因就是林地在市區(qū)有較嚴格的保護措施，而在郊區(qū)受到的人為破壞較大，致使林地破碎化程度加劇。

平均斑塊面積和最大斑塊指數(shù)的走勢比較類似。建設(shè)用地和水體是斑塊面積最大的景觀類型，這也能反映出臨沂是一個以農(nóng)業(yè)景觀為主的地區(qū)；境內(nèi)沂河是其主要的廊道景觀。建設(shè)用地呈指數(shù)式下降，緩沖區(qū)3再向外趨于穩(wěn)定。其他地類都比較穩(wěn)定，趨于一個低值。

邊緣密度受斑塊密度以及形狀的綜合影響，既能反映破碎化，同時可以表現(xiàn)出景觀形狀的復(fù)雜程度。區(qū)域景觀類型的邊緣密度大小依次為：耕地＞建設(shè)用地＞交通用地＞林地＞水體＞園地＞草地＞其他土地。耕地的邊緣密度上升受其斑塊密度增加影響。而建設(shè)用地梯度趨勢是先上升再下降，這可能是由于隨著圈層的外推，建設(shè)用地轉(zhuǎn)移到農(nóng)村居民點，其形狀又趨于規(guī)則。園地和草地一直維持在穩(wěn)定的低水平上，說明其景觀的保存度較好。

形狀指數(shù)反映的是各土地利用類型斑塊形狀的復(fù)雜程度，一般而言，受人為影響后的斑塊趨于簡單。斑塊形狀在一定程度上會影響景觀的功能，通常不規(guī)則的斑塊比規(guī)則的斑塊具有更異質(zhì)的生態(tài)過程［18］。圖1f表明，交通用地的形狀指數(shù)是最高的，說明其形狀最偏離正方形，其次是水體，在地圖上呈現(xiàn)的都是狹長形，這也說明了上述提及的水域是臨沂市景觀中的廊道景觀。其余地類的形狀指數(shù)到緩沖區(qū)2向外就基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

總體來看，景觀格局指數(shù)沿緩沖區(qū)的外推表現(xiàn)為：建設(shè)用地占比降低，耕地景觀占比上升。各景觀斑塊密度和邊緣密度都不同幅度地升高。平均斑塊面積和最大斑塊指數(shù)除了建設(shè)用地和水體指數(shù)下降外，其余各地類的這兩項指標都較穩(wěn)定。

3．3 景觀水平的緩沖區(qū)梯度分析

從景觀層次上（即綜合了所有8種土地利用類型）進行緩沖區(qū)梯度分析，結(jié)果如圖2所示。

圖2a表明，斑塊密度和邊緣密度趨勢先指數(shù)式上升，到達緩沖區(qū)4后開始緩慢上升。即越遠離市中心，斑塊分布越密集，斑塊邊緣也更多。在市區(qū)核心區(qū)域的景觀受人類干擾性很強，一些斑塊被人類有目的地合并成面積較大的相對同質(zhì)的斑塊，而且在人工管理下，這些斑塊的形狀也趨于規(guī)則。這是導(dǎo)致在緩沖區(qū)0、1區(qū)域斑塊密度和邊界密度很低的原因。到了緩沖區(qū)5以后，斑塊密度和邊緣密度穩(wěn)定在一個高值，這是由于一些鄉(xiāng)鎮(zhèn)居民點或者鄉(xiāng)村道路形狀不規(guī)則，不同類型的斑塊相交的邊界也比較長，邊緣密度因此變大。

平均斑塊面積和蔓延度指數(shù)趨勢則相反，并且在緩沖區(qū)1～3區(qū)域（離市中心2．5～7．5km）表現(xiàn)出明顯的下降。蔓延度最高值小于60，說明區(qū)域內(nèi)各用地景觀集聚程度較低，而且隨著城市開發(fā)向外圍的擴展，導(dǎo)致城市外圍的斑塊破碎化，各景觀空間分散度也變高。

周長面積分維指數(shù)是反映景觀形狀復(fù)雜程度的指標，其值越接近于1，表示景觀斑塊形狀越簡單。由圖2c可以看出，由市區(qū)到郊區(qū)，該值總體趨勢是上升的，即景觀斑塊形狀越復(fù)雜。這如上述邊界密度中分析的，核心區(qū)域的斑塊在城市化過程中會被人類有目的地改造，受干擾很大，越往郊區(qū)，景觀類型越接近自然狀態(tài)。

香農(nóng)多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)能反映景觀的異質(zhì)性，其變化一致，都是先由一個低值升高后逐漸穩(wěn)定，再有所下降。這是因為緩沖區(qū)0到緩沖區(qū)2處于一個城市化輻射方向最前沿的區(qū)域，城市建設(shè)用地取代了一些異質(zhì)景觀，景觀類型減少，各地類所占的面積差異也大。由緩沖區(qū)3開始進入一個過渡地帶，景觀類型趨于多樣化，各景觀類型在景觀中呈均衡化分布，并穩(wěn)定下來。

總體來看，由第0區(qū)向第11區(qū)過渡，斑塊密度增加，斑塊破碎化程度逐漸升高，斑塊的形狀也趨于復(fù)雜，景觀多樣性增強。當(dāng)過渡到自然景觀后，這些指數(shù)都趨于穩(wěn)定。

4 討論與結(jié)論

本文以2010年臨沂市土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，運用景觀生態(tài)學(xué)的分析方法選取指標對景觀格局進行梯度分析。斑塊類型水平和景觀水平上的景觀指數(shù)均能反映臨沂市城鄉(xiāng)梯度上的空間分異規(guī)律。

臨沂市的景觀結(jié)構(gòu)中，耕地為優(yōu)勢景觀，其次是建設(shè)用地。其土地利用空間格局異質(zhì)性特征比較明顯，呈現(xiàn)出“中心—外圍”城鄉(xiāng)梯度。從市區(qū)到郊區(qū)，耕地面積占比下降，建設(shè)用地則與之相反。城市中心的斑塊密度、邊緣密度和平均斑塊面積所表現(xiàn)出的破碎化程度低于郊區(qū)。但郊區(qū)的多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)高于市區(qū)。由以上研究可以看出，目前臨沂市正處于城市化進程加速的階段，土地利用結(jié)構(gòu)不合理，市區(qū)開墾的土地過多，導(dǎo)致景觀多樣性和異質(zhì)性較差，而郊區(qū)的破碎化程度較嚴重，從而會造成臨沂市的生態(tài)環(huán)境惡化。因此需要對土地利用結(jié)構(gòu)進行合理科學(xué)地調(diào)整，提出以下建議：

臨沂市的耕地利用較粗放，今后可以加快發(fā)展農(nóng)業(yè)專業(yè)化，可以規(guī)?；_發(fā)農(nóng)業(yè)基地，調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)以提高耕地質(zhì)量。針對臨沂市的生態(tài)用地存在的問題，如林地破碎化比較嚴重，草地覆蓋率低等，一方面對零散破碎的小塊草地和林地進行開發(fā)治理，使其盡量集中，增加連通程度，從而增加物種多樣性；另一方面可以因地制宜，開展生態(tài)園林城建設(shè)，如沿河?xùn)|區(qū)的沭河兩岸建設(shè)環(huán)城生態(tài)林，以沂河為主線，建設(shè)河流廊道，在市區(qū)居民區(qū)增加綠地建設(shè)，改善生態(tài)環(huán)境。

針對城郊過渡區(qū)的工礦用地布局分散，規(guī)模較小，造成的土地浪費和規(guī)模效益小等問題，應(yīng)該進行適當(dāng)合并和集中，并協(xié)調(diào)布局，提高土地利用效率。對于農(nóng)村居民點比較分散，土地利用率不高的情況，當(dāng)?shù)卣畤敛块T可以采取村內(nèi)合建、村鎮(zhèn)／村城合建、村區(qū)合建模式，對農(nóng)村土地進行集約節(jié)約利用。

應(yīng)該指出的是，研究城市景觀格局對城市生態(tài)系統(tǒng)的影響，需要不同時期的景觀格局變化數(shù)據(jù)，并結(jié)合對應(yīng)時期的社會經(jīng)濟因素和人類活動的影響因素，從而進一步分析其成因和演化趨勢。

［1］ Turner II B L，Skole D ，Sanderson S，et al．Land use and land cover change［R］．Science／Research Land IGBP Report No．35and HDP Report No7．Stochkholm：IGBP，1995．

［2］ 李秀彬．全球環(huán)境變化研究的核心領(lǐng)域：LUCC的國際研究動向［J］．地理學(xué)報，1996，51（6）：553－558．

［3］ 賈文臣，王卷樂，杜佳．膠東地區(qū)主要土地利用變化類型與影響因子的關(guān)系［J］．地理科學(xué)進展，2009，28（4）：591－596．

［4］ 張侃，張建英，陳英旭，等．基于土地利用變化的杭州市綠地生態(tài)服務(wù)價值CITY green模型評價［J］．應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2006，17（10）：1918－1922．

［5］ 陳文波，肖篤寧，李秀珍，等．景觀空間分析的特征和主要內(nèi)容［J］．生態(tài)學(xué)報，2002，22（7）：1135－1142．

［6］ 胡巍巍，王根緒，鄧偉，等．景觀格局與生態(tài)過程相互關(guān)系研究進展［J］．地理科學(xué)進展，2008，27（1）：18－24．

［7］ Turner M G．Landscape ecology：The effect of pattern on process［J］．Annual Review of Ecology and Systemmatics，1989，20（1）：171－197．

［8］ 呂志強，吳志峰，程蘭，等．基于緩沖帶的區(qū)域土地利用格局梯度分析［J］．水土保持研究，2008，15（6）：72－77．

［9］ 武文一，劉瑛，楊曉暉，等．基于GIS和RS的煤礦區(qū)土地利用景觀格局梯度變化研究［J］．水土保持研究，2011，18（6）：177－179．

［10］ 鄭新奇，付梅臣．景觀格局空間分析技術(shù)及其應(yīng)用［M］．北京：科學(xué)出版社，2010：34－38．

［11］ 李謝輝，王磊．河南省土地利用／覆蓋景觀格局變化分析［J］．水土保持研究，2012，19（5）：83－89．

［12］ 王婷婷，侯淑濤，唐軍利，等．七臺河市土地利用景觀格局動態(tài)變化分析［J］．水土保持研究，2012，19（3）：90－93．

［13］ 建設(shè)部．GBJ137－90城市用地分類與規(guī)劃建設(shè)用地標準［S］．北京，1992．

［14］ 朱明，徐建剛，李建龍，等．上海市景觀格局梯度分析的空間幅度效應(yīng)［J］．生態(tài)學(xué)雜志，2006，25（10）：1214－1217．

［15］ 張景華，吳志峰，呂志強，等．城鄉(xiāng)樣帶景觀梯度分析的幅度效應(yīng)［J］．生態(tài)學(xué)雜志，2008，27（6）：978－984．

［16］ 鄔建國．景觀生態(tài)學(xué)—格局、過程、尺度和等級［M］．北京：高等教育出版社，2001：202－207．

［17］ Burrough P A．Fractal dimensions of landscapes and other environmental data［J］．Nature，1981，297：240－242．

［18］ 何丙輝，徐霞，辜世賢，等．潼南縣土地利用景觀格局特征分析［J］．水土保持研究，2005，12（5）：130－133．