楊 斌,王金生

(1.北京師范大學(xué) 水科學(xué)研究院，北京 100875；2.西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽 621010)

(1.College of Water Sciences, Beijing Normal University, Beijing 100875,China;2.College of Environment and Resource, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010,China)

基于GIS的丘陵區(qū)耕地景觀格局時(shí)空演變特征分析

楊 斌1,2,王金生1

(1.北京師范大學(xué) 水科學(xué)研究院，北京 100875；2.西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽 621010)

以四川省綿陽市涪城區(qū)為例，運(yùn)用景觀格局原理與GIS空間分析方法，分析1996—2009年期間耕地景觀時(shí)空格局及其演變機(jī)理(驅(qū)動(dòng)力)。結(jié)果表明:13年間，研究區(qū)耕地面積呈急劇減少的趨勢(shì)，變化率明顯高于省內(nèi)丘陵區(qū)平均水平；耕地景觀空間格局穩(wěn)定性逐步降低，格局時(shí)空變化的地形分異特征顯著；變化趨勢(shì)受坡度、新增建設(shè)用地、人口密度、高程、城鎮(zhèn)化水平、GDP、起伏度等負(fù)向驅(qū)動(dòng)力與灌溉條件、等級(jí)公路水平、土地整理程度等正向驅(qū)動(dòng)力因子共同影響。

景觀格局；耕地；時(shí)空演變；空間分析

土地利用/覆被變化研究是全球環(huán)境變化研究的重要領(lǐng)域， 耕地作為人類生存的基礎(chǔ)，其時(shí)空特征受到特別關(guān)注[1]。近年來許多學(xué)者以遙感影像或統(tǒng)計(jì)資料為數(shù)據(jù)源，采用面積統(tǒng)計(jì)對(duì)比、轉(zhuǎn)移矩陣分析、景觀指數(shù)變化分析或地學(xué)統(tǒng)計(jì)分析，圍繞耕地時(shí)空結(jié)構(gòu)特征、時(shí)空演變特征與時(shí)空演變驅(qū)動(dòng)力等方面進(jìn)行了大量的實(shí)例分析[2]。但這些研究大多圍繞耕地景觀數(shù)量結(jié)構(gòu)及其時(shí)序變化，而針對(duì)耕地時(shí)空格局的空間結(jié)構(gòu)特征研究較少。

四川盆地58%的耕地分布在丘陵地區(qū)，而60%的農(nóng)業(yè)產(chǎn)出來自丘陵地區(qū)[3]。隨著西部大開發(fā)進(jìn)一步推進(jìn)，丘陵地區(qū)土地利用正面臨著來自工業(yè)化和城市化的雙重沖擊，人地矛盾日益加劇。以四川省綿陽市涪城區(qū)為例，運(yùn)用景觀格局原理和GIS空間分析方法，揭示川西北丘陵區(qū)耕地景觀的時(shí)空格局特征、耕地空間格局與地形因子的相互關(guān)系，并探究耕地時(shí)空演變機(jī)理(驅(qū)動(dòng)力)，為國土資源進(jìn)行土地利用變化宏觀調(diào)控提供理論支持。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

綿陽市涪城區(qū)位于四川盆地西北部丘陵區(qū)，境內(nèi)溝谷縱橫，地勢(shì)西北高，東南低；涪江、安昌江流經(jīng)境內(nèi)；年平均氣溫16.3 ℃，年日照1298.1 h，年無霜期272 d，年平均降雨量963.2 mm，年平均空氣相對(duì)濕度79%，年平均霧日51 d。該區(qū)是四川省綜合經(jīng)濟(jì)實(shí)力“十強(qiáng)縣”之一，是綿陽科技城重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域。

1.2 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

研究采用的數(shù)據(jù)主要包括：1980年版地形圖(1∶5萬)，1996年、2000年、2005年和2009年涪城區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖(1∶5萬)，以及相關(guān)年份綿陽市統(tǒng)計(jì)年鑒和土地利用變更調(diào)查資料。該數(shù)據(jù)采用高斯投影、WGS-84坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，在ENVI4.7和MAPGIS為操作平臺(tái)環(huán)境下，借助1∶5萬地形圖進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、幾何校正、鑲嵌配準(zhǔn)[4]，形成4個(gè)時(shí)相1∶5萬的DOM數(shù)據(jù)和DRG數(shù)據(jù)。

2 研究方法

2.1 基于DEM的高程、坡度與起伏度提取

地形是決定土地利用的重要環(huán)境因子，地形因子影響光、熱、水、土的分布狀況，從而直接或間接地影響耕地景觀的空間格局[5]。因此，基于DEM的高程、坡度與起伏度分級(jí)能夠評(píng)價(jià)耕地的地形分異特征。根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)程和研究區(qū)特征，確定高程、坡度和起伏度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(見表1)[6]。在GIS軟件平臺(tái)下構(gòu)建出研究區(qū)DEM模型數(shù)據(jù)，并按高程、坡度和起伏度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)生成高程帶、坡度與起伏度分級(jí)圖(見圖1)。

表1 研究區(qū)域地形特征分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

圖1 研究區(qū)高程分布帶、坡度和起伏度分級(jí)圖

2.2 耕地景觀格局指數(shù)

景觀空間格局主要是指不同大小和形狀的景觀斑塊在空間上的排列狀況，是景觀異質(zhì)性的重要表現(xiàn)[7]。通過空間格局指數(shù)分析把耕地的空間特性和時(shí)間序列聯(lián)系起來，可以更好地分析耕地空間格局和時(shí)空變化的規(guī)律[8]。選擇斑塊面積(A)、斑塊形狀指數(shù)(M)、斑塊密度(Pd1)、邊界密度(Pd2)、斑塊分維數(shù)(F)、斑塊破碎度(FN)[7-8]景觀格局指標(biāo)，并通過GIS軟件將這些指標(biāo)生成Grid柵格數(shù)據(jù)，在Fragstats3.3景觀分析軟件中完成指標(biāo)評(píng)價(jià)。

2.3 耕地景觀時(shí)空演變模型

耕地景觀時(shí)空演變模型是深入了解耕地?cái)?shù)量、質(zhì)量和空間位置時(shí)空變化規(guī)律的定量化手段，包括時(shí)間演變模型和空間演變模型[9]。耕地景觀時(shí)間演變模型主要用來描述一定區(qū)域耕地面積數(shù)量和質(zhì)量在時(shí)間序列上的動(dòng)態(tài)變化特性，如轉(zhuǎn)移矩陣模型、動(dòng)態(tài)度指數(shù)模型；耕地空間演變模型主要用來描述一定區(qū)域耕地位置與結(jié)構(gòu)在空間上的動(dòng)態(tài)變化特性[10]，如Kappa指數(shù)模型、重心轉(zhuǎn)移模型。本次采用50 m×50 m格網(wǎng)與4期的耕地景觀圖及地形因子分級(jí)圖分別疊置分析，構(gòu)建動(dòng)態(tài)度指數(shù)(S)模型討論該區(qū)域耕地景觀格局時(shí)空變化特征。

2.4 演變驅(qū)動(dòng)力模型

從自然與社會(huì)經(jīng)濟(jì)兩方面選取高程、坡度、交通狀況、灌溉條件、人口、GDP、新增建設(shè)用地、城鎮(zhèn)化水平、土地整理強(qiáng)度等9個(gè)因子[11]，以2009年耕地景觀圖為基礎(chǔ)，按50 m×50 m格網(wǎng)構(gòu)建空間數(shù)據(jù)庫，采用地理加權(quán)回歸模型(GWR)，對(duì)其耕地景觀格局時(shí)空變化驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行定量分析[12]。首先檢驗(yàn)驅(qū)動(dòng)力因子數(shù)據(jù)的空間結(jié)構(gòu)特征；其次，通過AIC法來確定最優(yōu)帶寬函數(shù)；而后構(gòu)建研究區(qū)耕地空間格局變化驅(qū)動(dòng)力GWR模型，并對(duì)模型結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)；最后，根據(jù)模擬及檢驗(yàn)結(jié)果確定驅(qū)動(dòng)力因子重要性程度。

3 結(jié)果與分析

3.1 耕地景觀格局指數(shù)化分析

1)耕地景觀數(shù)量呈急劇減少的趨勢(shì)。通過對(duì)1996-2009年4個(gè)時(shí)相的耕地景觀圖疊置分析可知，研究區(qū)耕地景觀從1996年的 32 569.85 hm2減少到2009年的 21 464.06 hm2，平均年均減少2.62%，遠(yuǎn)高于全省丘陵區(qū)平均水平(1.12%)，3個(gè)時(shí)期(1996—2000年、2000—2005年、2005—2009年)的耕地面積年均減少率分別為:2.44%、0.92%、5.86%。表明西部大開發(fā)與“5.12”地震災(zāi)后重建成為研究區(qū)耕地銳減的主要因素。

2)耕地景觀空間格局穩(wěn)定性逐步降低。從1996—2009年耕地斑塊總面積大幅度減少，而斑塊密度卻在不斷增加，表明耕地景觀空間格局穩(wěn)定性逐步降低。耕地景觀的斑塊形狀指數(shù)由1996年的1.436 3增加到2009年的1.969 4，說明了耕地斑塊的形狀越來越不規(guī)則；斑塊邊界密度由1.157 3上升到1.876 4，表明斑塊邊界更加復(fù)雜；分維數(shù)由1996年的0.954 3增加到2009年的1.624 5，說明耕地斑塊的復(fù)雜度越來越大；景觀的破碎度指數(shù)由1996年的0.625 6增加到2009年的0.862 1，說明耕地景觀破碎化程度增加，地塊更加破碎。

3)耕地景觀格局變化的地形分異明顯。1996—2009年，研究區(qū)耕地景觀格局指數(shù)在不同高程帶與不同的坡度級(jí)上差異明顯。具體表現(xiàn)為：斑塊形狀指數(shù)與斑塊分維數(shù)隨高程帶、坡度級(jí)別增加而降低，表明研究區(qū)耕地斑塊形狀規(guī)則度、復(fù)雜度以及景觀異質(zhì)性隨高度、坡度增加而降低；表征耕地斑塊大小、數(shù)量的斑塊密度指數(shù)分別在450～550 m高程帶、坡度2°～15°級(jí)別內(nèi)為高值，而其他級(jí)別的高程帶和坡度為低值，這種現(xiàn)象說明450～550 m高程帶與2°～15°平緩坡主導(dǎo)研究區(qū)耕地斑塊數(shù)量和大??；邊界密度與斑塊破碎度指數(shù)在450～600 m高程帶、坡度2°～25°級(jí)別內(nèi)為高值，說明耕地景觀被非耕地多種景觀分割和侵蝕嚴(yán)重，景觀形狀更加復(fù)雜，而在其他級(jí)別的高程帶和坡度級(jí)內(nèi)邊界密度和斑塊破碎度為低值，表明該區(qū)域景觀形狀簡(jiǎn)單、邊界相鄰的非耕地景觀單一。

各高程帶、坡度級(jí)別的景觀格局指數(shù)在時(shí)序方向的變化趨勢(shì)與區(qū)域整體變化趨勢(shì)系統(tǒng)，但不完全一致，表明人類活動(dòng)(城鎮(zhèn)擴(kuò)展、新增農(nóng)村居民點(diǎn)與交通設(shè)施等建設(shè)用地)形成的非耕地景觀對(duì)各高程帶與各坡度帶原有耕地斑塊形狀、大小、數(shù)量和空間結(jié)構(gòu)作用方向相同，但力度不同。

3.2 基于地形因子的耕地動(dòng)態(tài)變化分析

將研究區(qū)4個(gè)時(shí)期的耕地景觀圖分別高程帶、坡度和起伏度圖進(jìn)行疊加,提取地形因子不同級(jí)別內(nèi)4個(gè)時(shí)期的耕地面積，分別計(jì)算3個(gè)四時(shí)段的耕地動(dòng)態(tài)度指數(shù)(見表2)，總體特征為：研究區(qū)地形因子對(duì)耕地變化動(dòng)態(tài)度影響十分明顯。具體特征分析如下：

表2 研究區(qū)1996—2009年耕地動(dòng)態(tài)度指數(shù)S隨地形因子變化情況

1)各高程帶耕地動(dòng)態(tài)度指數(shù)差異顯著。1996—2009年耕地變化呈階段式急劇減少趨勢(shì)，在3個(gè)研究時(shí)段內(nèi)，耕地變化主要集中在450～500 m與500～550 m兩個(gè)高程級(jí)別上，對(duì)總體貢獻(xiàn)率分別為85.34%、68.44%和80.68%，而450 m以下、550～600 m和600 m以上3個(gè)高程級(jí)變化均較低。各高程級(jí)別動(dòng)態(tài)度指數(shù)差異顯著歸因于各高程級(jí)別面積存在明顯的差異，450～500 m與500～550 m兩個(gè)高程級(jí)所占的比例最大，處于絕對(duì)優(yōu)勢(shì)地位，是非農(nóng)建設(shè)用地適宜區(qū)域，故其土地利用變化量顯著偏高，而其它高程級(jí)別的比例較小且土地利用相對(duì)變化量較低。

2)耕地動(dòng)態(tài)度指數(shù)隨著坡度的增加而減少。1996—2009年期間，耕地變化均集中在坡度小于15°的區(qū)域，對(duì)研究區(qū)總體動(dòng)態(tài)度的貢獻(xiàn)率分別為93.84%、97.66%與89.53%，處于絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)地位；各坡度級(jí)內(nèi)耕地動(dòng)態(tài)度指數(shù)均呈波動(dòng)增大趨勢(shì)，1996—2000年耕地減少較快，2001—2005年耕地減少較慢，2006—2009年耕地減少劇烈，表明非農(nóng)建設(shè)用地需求急劇增加。

3) 耕地動(dòng)態(tài)度指數(shù)在不同的起伏度表現(xiàn)各異。1996—2009年期間，耕地變化主要集中在起伏度大于20 m的區(qū)域，對(duì)研究區(qū)總體動(dòng)態(tài)度的貢獻(xiàn)率分別89.63%、56.13%和74.73%，處于絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)地位；起伏度小于20 m的區(qū)域內(nèi)，耕地動(dòng)態(tài)度指數(shù)持續(xù)增大趨勢(shì)，而起伏度大于20 m區(qū)域內(nèi)，耕地動(dòng)態(tài)度指數(shù)呈波動(dòng)增大趨勢(shì)，表明非農(nóng)建設(shè)用地特別是城鎮(zhèn)建設(shè)用地首先占用地形平緩地區(qū)，其次是非平緩地區(qū)。

4)耕地景觀格局時(shí)空演變驅(qū)動(dòng)力分析。利用GIS與GS+地學(xué)統(tǒng)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)了GWR的回歸過程，回歸結(jié)果見表3，回歸系數(shù)β表明，各驅(qū)動(dòng)因子對(duì)耕地景觀格局變化的影響程度是不同的。高程、坡度、起伏度、人口密度、GDP、城鎮(zhèn)化水平、新增建設(shè)用地等7個(gè)驅(qū)動(dòng)因子的β值為負(fù)數(shù)，表明隨著這些指標(biāo)值的增加，耕地景觀斑塊數(shù)量、規(guī)模隨之減少，景觀耕地景觀格局穩(wěn)定性向減弱的方向發(fā)展；等級(jí)公路水平、灌溉條件與土地整理程度3個(gè)因子β值為正數(shù)，表明這些因子影響耕地景觀規(guī)模及空間格局的正向發(fā)展。

表3 基于GWR回歸分析結(jié)果

驅(qū)動(dòng)因子在不同地理位置對(duì)耕地景觀格局的影響程度存在著空間差異。從驅(qū)動(dòng)因子的exp(β)值的大小來看，非耕地演變?yōu)楦氐母怕蚀笮∫来问牵汗喔葪l件、等級(jí)公路水平、土地整理程度；耕地演變?yōu)榉歉氐母怕室来问牵浩露取⑿略鼋ㄔO(shè)用地、人口密度、高程、城鎮(zhèn)化水平、GDP、起伏度。

4 結(jié) 論

針對(duì)土地利用時(shí)空格局變化及其過程的研究不僅能更好地了解發(fā)掘土地利用變化的過程和機(jī)制，為適時(shí)調(diào)整人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)發(fā)展實(shí)現(xiàn)土地資源的合理、可持續(xù)利用提供科學(xué)的決策依據(jù)。實(shí)踐證明，以遙感和GIS作為信息獲取和處理的技術(shù)手段，將景觀生態(tài)學(xué)理論與方法和傳統(tǒng)的土地利用變化研究方法相結(jié)合，用土地利用指數(shù)與景觀格局指數(shù)來量化表達(dá)區(qū)域的景觀動(dòng)態(tài)變化特征，可以增加區(qū)域景觀格局特征定量分析和定性分析的完整性和準(zhǔn)確性。研究表明1996—2009年期間，研究區(qū)耕地?cái)?shù)量呈急劇減少的趨勢(shì)，且動(dòng)態(tài)度明顯高于省內(nèi)丘陵區(qū)平均水平，但各年間變化又有明顯差異，最大變化幅度在2005—2009年，年減少率為5.62%。研究區(qū)耕地景觀格局發(fā)生較大變化，景觀面積變化大于位置變化，且耕地重心由近郊向遠(yuǎn)郊轉(zhuǎn)移。通過地理加權(quán)回歸(GWR)表明，研究區(qū)耕地景觀格局時(shí)空演變是受坡度、新增建設(shè)用地、人口密度、高程、城鎮(zhèn)化水平、GDP、起伏度等負(fù)向驅(qū)動(dòng)力與灌溉條件、等級(jí)公路水平、土地整理程度等正向驅(qū)動(dòng)力因子共同作用的結(jié)果。

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[責(zé)任編輯：劉文霞]

The spatial-temporal evolution of landscape pattern for farmland in the hilly area based on GIS

YANG Bin1,2,WANG Jin-sheng1

Based on the landscape theory, remote sensing (RS) and geographic information system (GIS), taking Fucheng District, Mianyang City, Sichuan province, as an example, it analyses the northwest hilly farmland structure and its spatial evolution and temporal patterns, and probes into the temporal evolution of land mechanism (driving force) by using the land use database (1996-2009).The result indicates that during the past 13 years, there has been a sharp decline trend in arable land in the studied area, and its dynamic equilibrium is much higher than the average level of the province.The stability of farmland landscape pattern in the studied area has been reduced gradually, and the pattern of temporal and spatial variation of the terrain varies significantly.The temporal evolution of farmland landscape has been jointly affected by such negative driving forces as the slope land, the new construction sites, the population density, the elevation, the urbanization, GDP, such positive driving forces as the irrigation conditions, the level of high-grade highways, and the land intensity, etc.

landscape pattern; farmland; spatial temporal evolution; spatial analysis

2013-10-25

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41201541)

楊 斌(1979-)， 男，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師.

P208

：A

：1006-7949(2014)09-0001-05

(1.College of Water Sciences, Beijing Normal University, Beijing 100875,China;2.College of Environment and Resource, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010,China)