賈啟建, 何 玲

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)村發(fā)展學(xué)院, 河北 保定 071000; 2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 國土資源學(xué)院, 河北 保定 071000)

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濱海土地重心遷移及景觀梯度變化

賈啟建1, 何 玲2

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)村發(fā)展學(xué)院, 河北 保定 071000; 2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 國土資源學(xué)院, 河北 保定 071000)

基于濱海土地特有的類別分布及變化，以Fragstats軟件為基礎(chǔ)，借助RS和GIS技術(shù)，以黃驊市為例進(jìn)行實(shí)證研究，設(shè)計(jì)土地重心遷移及梯度變化的研究方法，總結(jié)其特征變化規(guī)律，為土地利用與生態(tài)環(huán)境建設(shè)規(guī)劃提供借鑒。結(jié)果表明：耕地、草地、濕地和鹽堿地面積呈現(xiàn)減少趨勢，園地、建設(shè)用地、鹽田和水域呈增加趨勢，各地類重心均向不同方向遷移，景觀空間梯度變化從水平樣帶上和垂直樣帶上體現(xiàn)出濱海區(qū)域的特點(diǎn)。水平樣帶一定范圍內(nèi)距離中心城區(qū)越遠(yuǎn)，土地景觀類型就越趨向復(fù)雜多樣，其聚合度就越差；垂直樣帶由南到北，多樣性指數(shù)整體呈上升趨勢，中心城區(qū)向南，聚合度逐漸增加，向北聚合度呈現(xiàn)先小幅上升后又下降的趨勢。

土地利用; 重心遷移; 景觀梯度; 土地景觀類型; 濱海土地

土地是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，人類按照土地的自然特性和經(jīng)濟(jì)特性，因地制宜地開發(fā)、改造土地。土地景觀是由許多大小不一，形狀各異的地塊，按一定規(guī)律組成的空間異質(zhì)性區(qū)域。土地景觀格局的形成，不僅反映了區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的演變，還反映出人與自然之間相互作用、相互依存的關(guān)系。研究土地景觀格局的整體特征，分析演變規(guī)律，有助于幫助人類認(rèn)識其行為對土地系統(tǒng)、景觀生態(tài)系統(tǒng)的影響，從而為土地各項(xiàng)規(guī)劃的編制提供依據(jù)。

土地重心的研究有助于人類找到土地利用與改造的軌跡，揭示區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展規(guī)律。國內(nèi)學(xué)者對土地重心的研究，主要集中在土地重心的研究尺度及土地重心模型等。王思遠(yuǎn)等[1]對大尺度不同地類進(jìn)行了重心遷移計(jì)算與研究；張興榆、黃賢金等[2]分析了中等尺度土地重心和經(jīng)濟(jì)重心的相關(guān)性及遷移的影響因素；高志強(qiáng)等[3]建立了土地重心模型，利用該模型對大尺度耕地重心變化進(jìn)行了研究。景觀梯度變化通常通過景觀格局進(jìn)行分析研究。景觀格局通常指景觀的空間結(jié)構(gòu)特征，是景觀異質(zhì)性在空間上的重要表現(xiàn)，包括景觀組成單元的類型、數(shù)量以及在空間上的分布與配置，景觀區(qū)域內(nèi)若干生物以及非生物長期綜合作用的結(jié)果[4-6]。景觀格局分析方法領(lǐng)域一直是國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。Hannes palang等人研究了景觀多樣性指數(shù)，指出了地域差異引起的景觀格局變化特征[7]；Hietala Koivu R運(yùn)用不同景觀格局指數(shù)分析了農(nóng)用地景觀格局演變[8]。肖篤寧[9]、張秋菊[10]等分別介紹了景觀空間格局的研究方法和度量結(jié)構(gòu)體系；許多研究還應(yīng)用了GIS、遙感與統(tǒng)計(jì)分析模型等先進(jìn)方法和手段[11-16]。將土地重心演變與景觀梯度變化結(jié)合討論，并在小尺度區(qū)域進(jìn)行驗(yàn)證研究鮮有報(bào)道。

本文以渤海西岸的河北省黃驊市為例，借助ArcGIS，ERDAS，F(xiàn)ragstats軟件，研究濱海土地重心遷移規(guī)律及景觀格局梯度變化。不同地類重心變化研究為合理劃定土地利用規(guī)劃中土地利用分區(qū)及確定土地整治項(xiàng)目區(qū)提供參考；區(qū)域景觀遷移規(guī)律為劃定土地利用分區(qū)及區(qū)內(nèi)景觀格局優(yōu)化提供依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

黃驊位于河北省東南部，海河平原黑龍港流域最東端，位于北緯38°09′—38°39′，東經(jīng)117°05′—117°49′，總面積2 177.83 km2，海岸線65.8 km。黃驊市地處環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈中部位置和環(huán)京津樞紐地帶，北倚京津，南望齊魯，東臨渤海，西接滄州。黃驊市地貌類型為退海淤積和沖積平原類型，地勢低洼平坦，從西南向東北緩緩傾斜，海拔高程在1～7 m。黃驊市土類分為潮土、鹽土和沼澤土3個(gè)土類，因受地形、沖積母質(zhì)和土體構(gòu)型影響，全區(qū)土壤瘠薄，鹽堿化程度嚴(yán)重，土壤有機(jī)質(zhì)含量較低，植物種類較少。

2　數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1數(shù)據(jù)來源及處理

遙感數(shù)據(jù)綜合性和操作性強(qiáng)、時(shí)效性高、可大面積同步與動態(tài)監(jiān)測，為土地利用現(xiàn)狀調(diào)查提供了可靠的技術(shù)手段，故本研究選擇遙感數(shù)據(jù)作為重要數(shù)據(jù)源[17]。數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云和美國地質(zhì)調(diào)查局網(wǎng)站，空間分辨率均為30 m，軌道號均為122/33，具體遙感影像選擇Landsat5 TM影像，成像時(shí)間1990-04-04，云量為0；Landsat7 ETM+影像，成像時(shí)間2000-04-07，云量為0，2011-03-21，平均云量為11.16。2011-03-21影像圖云層明顯位于圖幅中上部，而黃驊市位于該圖的左下部，左下角云量為0.78，基本未被云層遮蓋。為準(zhǔn)確獲取數(shù)據(jù)，在ENVI4.7軟件支持下，對該圖幅進(jìn)行去云處理。將2011年影像依據(jù)1∶50萬土地利用現(xiàn)狀圖進(jìn)行幾何校正，后將影像進(jìn)行4，3，2波段組合，按照黃驊市行政界線進(jìn)行圖像裁剪，進(jìn)行幾何精校正，依據(jù)2011年校正后影像對1990年和2000年影像進(jìn)行幾何校正，最后對圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理。

結(jié)合全國土地利用現(xiàn)狀分類、中國科學(xué)院資源環(huán)境分類系統(tǒng)、濱海鹽堿地的特征和黃驊市的實(shí)際情況，以土地利用方式為基礎(chǔ)，以人類社會的景觀生態(tài)需求為立足點(diǎn)，基于土地、景觀、生態(tài)各系統(tǒng)特點(diǎn)及功能將景觀類別劃分為耕地、園地、草地、建設(shè)用地、水域、鹽堿地、濕地、鹽田八類，在4，3，2波段標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成下，選取八類景觀類型解譯標(biāo)志，見表1。

表1　土地景觀類型解譯標(biāo)志

先解譯黃驊市2011年遙感影像，利用監(jiān)督分類法中的最大似然法進(jìn)行分類，并利用ERDAS系統(tǒng)中Evaluate Classification模塊得出2011年遙感影像總體分類精度為86.33%，Kappa系數(shù)為0.833 0。因此可以認(rèn)為，利用監(jiān)督分類方法提取研究區(qū)景觀類型，能夠達(dá)到較好的效果，符合后續(xù)的研究要求。進(jìn)而對1990年，2000年兩期影像進(jìn)行監(jiān)督分類解譯，提取土地景觀類型；再進(jìn)行碎圖斑合并等分類后處理，轉(zhuǎn)為Shp格式，參考實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)、原始影像、圖件等資料，最終得到黃驊市土地景觀類型圖。

2.2研究方法

2.2.1動態(tài)度模型動態(tài)度描述了區(qū)域一定時(shí)間內(nèi)土地景觀在面積數(shù)量上的變化情況，對描述區(qū)域土地變化的速度及預(yù)測未來土地利用變化的趨勢有著極其重要的作用。為了更加直觀地反映研究區(qū)不同景觀類型變化的程度，本文引入了單一動態(tài)度模型，用來描述某種景觀類型在一定時(shí)間范圍內(nèi)的數(shù)量變化速度。單一土地利用動態(tài)度是用來表示研究區(qū)某一特定時(shí)間范圍內(nèi)某種土地利用類型的面積變化情況[18]。動態(tài)度的大小表示了該景觀類型的穩(wěn)定情況。具體計(jì)算公式為：

(1)

式中：Ua，Ub——研究區(qū)內(nèi)某種類型的景觀在研究期初和期末的數(shù)量，單位km2；t1，t2——研究初期與末期的時(shí)間，二者之差以年為單位。

在動態(tài)度模型的基礎(chǔ)上，運(yùn)用轉(zhuǎn)移速率和新增速率算法表示土地利用變化情況，具體計(jì)算公式為：

(2)

(3)

2.2.2平面重心模型景觀類型的空間重心變化可以通過平面重心模型反映其演變的具體過程，原理為平面重心模型計(jì)算各土地景觀類型在平面坐標(biāo)下不同時(shí)期的重心位置，從而分析地理二維空間內(nèi)各時(shí)期重心位移，揭示土地利用的空間變化過程[3]。具體計(jì)算公式為：

(4)

(5)

式中：x，y——某種景觀類型分布重心的經(jīng)緯度坐標(biāo)；ci——該景觀類型第i個(gè)斑塊的面積；xi，yi——某景觀類型第i個(gè)斑塊分布重心的經(jīng)緯度坐標(biāo)。

2.2.3景觀格局樣帶設(shè)計(jì)空間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，國內(nèi)外學(xué)者利用景觀指數(shù)和梯度分析方法分析土地利用格局，取得了一定的成效[19]。本文借助Fragstats3.3中的移動窗口法研究景觀指數(shù)在不同梯度上的分布規(guī)律，選擇關(guān)聯(lián)度較小Shannon多樣性指數(shù)(SHDI)和聚合度(AI)進(jìn)行分析。

本文選擇水平和垂直兩條樣帶TR1和TR2。TR1基本與研究區(qū)內(nèi)的河流水系平行，TR2垂直于TR1，兩條樣帶均穿過中心城區(qū)，梯度變化更具代表性和典型性。樣帶寬為5km，以中心城區(qū)的幾何中心為原點(diǎn)，向西、向南為負(fù)值；在Fragstats3.3中設(shè)置移動窗口通過5km×5km的正方形從中心點(diǎn)開始移動，最后輸出結(jié)果。

3　結(jié)果與分析

3.1土地景觀類型速度變化分析

1990—2011年，耕地、草地、濕地和鹽堿地變化速度為負(fù)，面積呈現(xiàn)減少趨勢，其中濕地和草地減少最快，分別為-1.00%和-0.51%；園地、建設(shè)用地、鹽田和水域呈增加趨勢，其中鹽田的增長速度最快，為1.41%。較研究期初相比，研究期末濕地、草地退化嚴(yán)重，建設(shè)用地和鹽田面積擴(kuò)張劇烈(表2)。

表2　1990-2011年黃驊市景觀類型變化速度

3.2土地景觀類型重心變化分析

在1990—2000年和2000—2011年這兩個(gè)研究時(shí)段內(nèi)，各類景觀都有不同程度的遷移。其中建設(shè)用地在1990—2000年遷移的距離最遠(yuǎn)，為2.929 km；其次是草地，在1990—2000年遷移了2.355 km，再次是鹽堿地，在2000—2011年遷移距離為2.349 km。

由圖1可以直觀的看出各景觀類型重心遷移情況。其中耕地的重心遷移方向?yàn)橄任髂虾笪鞅闭w趨勢朝西方向轉(zhuǎn)移；園地的重心遷移方向從為先向西轉(zhuǎn)移后東北整體趨勢朝西北方向轉(zhuǎn)移；草地則一直向東南方向轉(zhuǎn)移；建設(shè)用地的重心遷移方向?yàn)橄葨|南后西整體趨勢朝西方向轉(zhuǎn)移；鹽田的重心遷移方向?yàn)槲鞅狈较?；濕地重心遷移方向?yàn)槲髂戏较?；鹽堿地重心遷移方向?yàn)闁|北方向；水域的重心整體趨勢朝東方向轉(zhuǎn)移。

圖1　1990年，2000年，2011年各景觀類型重心變化

3.3土地景觀格局梯度變化分析

Shannon多樣性指數(shù)(SHDI)的梯度變化如圖2所示。橫軸表示兩條樣帶上的點(diǎn)距原點(diǎn)的距離，以樣帶交叉處作為原點(diǎn)；縱軸表示景觀格局指數(shù)。

從水平方向上看，中心城區(qū)向西，SHDI值隨距離的增加不斷增大，向東則先升高后降低。這表明水平方向上，一定程度上距離中心城區(qū)越遠(yuǎn)，土地景觀類型就更復(fù)雜多樣；但距海岸線15 km范圍內(nèi)又開始下降，這主要由于成片鹽田和鹽堿地的存在，使得景觀多樣性降低。從垂直方向來看，由南到北，SHDI整體呈現(xiàn)上升趨勢，分析其原因，主要是南部土地景觀類型較為單一，主要為耕地；北部較廣泛分布的草地、園地等景觀類型導(dǎo)致景觀的復(fù)雜化和豐富化。

Aggregation index (AI)的梯度變化如圖3所示。從水平方向上看，中心城區(qū)向西，AI值隨距離的增加不斷降低，向東則先降低后升高。這表明水平方向上，一定程度上距離中心城區(qū)越遠(yuǎn)，土地景觀類型的聚合度就越差；而海岸線附近有所上升；從垂直方向來看，由南到北，景觀聚合度整體上呈現(xiàn)下降趨勢。

圖2　Shannon多樣性指數(shù)(SHDI)梯度變化

圖3　聚合度(AI)梯度變化

4　結(jié) 論

(1) 從景觀類型變化速度情況來看，21 a間，耕地、草地、濕地和鹽堿地面積呈現(xiàn)減少趨勢，濕地和草地減少最快；園地、建設(shè)用地、鹽田和水域呈增加趨勢，鹽田的增長速度最快。土地景觀類型的變化是人類與土地互相作用的結(jié)果。其中，人口增長是建設(shè)用地增加最根本的驅(qū)動因素。至2011年，黃驊市總?cè)丝诩胺寝r(nóng)人口逐步上升，與1990年相比增幅達(dá)到6.82%和46.93%，其結(jié)果必然是建設(shè)用地增加、占用耕地及鹽堿地等地類。由于黃驊市臨海，曬鹽業(yè)發(fā)達(dá)迅速，鹽田及水域面積增加也較快。黃驊市是冬棗的原產(chǎn)地，保護(hù)與發(fā)展棗園使得園地面積近年增幅不少。

(2) 從景觀類型重心遷移情況看，耕地重心先西南后西北整體向西方遷移；園地重心先西后東北整體向西北轉(zhuǎn)移；草地一直向東南方向遷移；建設(shè)用地重心先東南后西整體朝西方遷移；鹽田重心遷向西北方向；濕地重心遷移方向?yàn)槲髂戏较?；鹽堿地重心遷移方向?yàn)闁|北方向；水域的重心整體趨勢朝東方向轉(zhuǎn)移。土地景觀類型重心的變化主要受國家政策的影響。近年來，黃驊市開展了各種土地相關(guān)項(xiàng)目，如黃驊西部土地綜合整治重大工程，該工程主要針對鹽堿地和耕地進(jìn)行；黃驊市積極改造城區(qū)東部舊城，與東部中捷農(nóng)場對接，并大力建設(shè)東部渤海新區(qū)；在新一輪城市總體規(guī)劃中，黃驊確定的發(fā)展方向及策略為“黃驊東進(jìn)、中捷西拓、南北拓展”，黃驊市城市建設(shè)未來會進(jìn)一步向東部發(fā)展。

(3) 從景觀梯度觀察發(fā)現(xiàn)，水平樣帶上，一定范圍內(nèi)距離中心城區(qū)越遠(yuǎn)，土地景觀類型就越趨向復(fù)雜多樣，其聚合度就越差；但距海岸線15 km范圍內(nèi)，由于成片鹽田的存在，景觀多樣性降低，聚合度則出現(xiàn)較大幅度的上升。垂直樣帶上，由于南部主要為耕地景觀，北部廣泛分布著草地、園地、鹽堿地等景觀類型，導(dǎo)致由南到北，多樣性指數(shù)整體呈上升趨勢；中心城區(qū)向南，聚合度逐漸增加，向北則因景觀類型由均一到復(fù)雜而呈現(xiàn)出聚合度先小幅上升后又下降的趨勢。

(4) 本文選取的遙感影像為Landsat5 TM影像和Landsat7 ETM+影像，空間分辨率為30 m，若能選取分辨率更高的影像作為基礎(chǔ)影像，獲取的數(shù)據(jù)會更加精確。在進(jìn)行土地景觀格局特征及梯度變化分析時(shí)，格局指數(shù)的內(nèi)部機(jī)理及其空間相關(guān)性對指數(shù)選擇的影響有待進(jìn)一步研究。

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Move of Land Barycenter and Changes of Landscdpe Gradient in Coastal Region

JIA Qijian1, HE Ling2

(1.College of Rural Development, Agricultural University of Hebei, Baoding， Hebei 071000, China;2.CollegeofLandResources,AgriculturalUniversityofHebei,Baoding，Hebei071000,China)

The purpose of this paper is to provide service for land use and ecological environment plan by summarizing changes of categorical distribution in coastal region. The solution is to design methods to analyze the changes of barycenter and gradient in coastal region by using Fragstats software, RS and GIS technology. The results indicate that areas of some lands are reduced, such as cultivated land, grassland, wetland and saline land; the areas of some lands are increased, such as corner, construction land, salt pan and water body. The barycenter of the lands are migrating in different directions. Landscape spatial gradient from the horizontal and vertical transects reflects the characteristics of the coastal region. In horizontal transect, farther from the center of town, the landscape tends to be more complex and diverse, and its aggregation index is worse. In vertical transect, from south to north, Shannon diversity index is upward in the overall trend. In center city, aggregation index is increasing to the south, and it rises slightly at first and then declines to the north.

land use; move of barycenter; landscape gradient; landscape type; coastal region

2015-04-03

2015-04-21

國土資源部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201311060);河北省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(132276329)

賈啟建(1981—),男,河北黃驊人,碩士,助理研究員,主要研究方向?yàn)橥恋刭Y源管理、農(nóng)林經(jīng)濟(jì)管理。E-mail:ncjia@hebau.edu.cn

何玲(1980—),女,河北保定人,博士生,副教授,主要研究方向?yàn)橥恋厣鷳B(tài)、土地持續(xù)利用與土地整治。E-mail:helingsss@163.com

F301.2

A

1005-3409(2016)02-0201-06