劉建華，王世峰，劉寶平，吳 薇，梁 峰，李冰冰(. 平頂山市綜合利用環(huán)境保護研究所，河南 平頂山 46706；. 河南城建學(xué)院 市政與環(huán)境工程學(xué)院，河南 平頂山 46706；. 河南城建學(xué)院 生命科學(xué)與工程學(xué)院，河南 平頂山 46706)

指數(shù)法在平頂山市新城區(qū)景觀格局分析中的應(yīng)用

劉建華1，王世峰1，劉寶平1，吳 薇1，梁 峰2，李冰冰3
(1. 平頂山市綜合利用環(huán)境保護研究所，河南 平頂山 467036；2. 河南城建學(xué)院 市政與環(huán)境工程學(xué)院，河南 平頂山 467036；3. 河南城建學(xué)院 生命科學(xué)與工程學(xué)院，河南 平頂山 467036)

基于平頂山市1990年、2000年和2010年的TM遙感影像，采用指數(shù)評價法對平頂山市新城區(qū)規(guī)劃和建設(shè)過程中景觀格局的變化特征進行數(shù)據(jù)分析。結(jié)果表明：近20 a來，研究區(qū)域整體上景觀破碎化程度先增大后減小，景觀多樣性先減少后增加，景觀優(yōu)勢度先增大后略有減小。平頂山市新城區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體上略有提高，但新城區(qū)的建設(shè)也對白龜湖流域的生態(tài)環(huán)境帶來了一定風(fēng)險。

指數(shù)評價；景觀格局；平頂山市

景觀格局分析的目的是通過分析景觀空間格局的特征，并把它與時間過程聯(lián)系起來，研究其隨時間的變化、演替和外界干擾對景觀格局的影響，從而更清晰地研究和把握景觀格局與生態(tài)過程相互作用的內(nèi)在規(guī)律[1-3]?？焖俚某鞘谢^程劇烈影響著下墊面的變化，引發(fā)環(huán)境污染、生態(tài)惡化等問題，這些問題的出現(xiàn)均與景觀格局演變密切相關(guān)，因此研究城市景觀格局演變及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)成為社會熱點[4-6]。指數(shù)法根據(jù)具體的研究對象、分析尺度和各指數(shù)所表達的生態(tài)學(xué)意義，選擇適當(dāng)?shù)木坝^指數(shù)進行定量計算，就可以直觀表征景觀格局的特點，詳盡地刻畫景觀格局及動態(tài)趨勢。本文利用平頂山市1990年、2000年和2010年的TM 遙感影像作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，采用指數(shù)評價法定量研究平頂山市新城區(qū)所在白龜湖流域近20 a間的景觀格局。通過分析該區(qū)域土地利用的歷史演變過程，分辨了具有顯著性差異的景觀結(jié)構(gòu)，研究了景觀格局的變化以及該變化所產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)；利用景觀生態(tài)學(xué)的原理和方法分析評估生態(tài)狀況來辨析流域生態(tài)環(huán)境是否發(fā)生退化。研究結(jié)果為了解該區(qū)域景觀結(jié)構(gòu)特征及其對生態(tài)環(huán)境的影響提供定量化方法，從而為該區(qū)域生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)以及區(qū)域規(guī)劃、管理、保護和修復(fù)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

平頂山市位于河南省中部，介于112°14′ E～113°41′ E和33°08′N～34°20′ N，屬煤炭型工業(yè)城市，現(xiàn)轄新華區(qū)、衛(wèi)東區(qū)、湛河區(qū)、石龍區(qū)4個區(qū)，寶豐縣、郟縣、魯山縣和葉縣4個縣以及1個縣級市舞鋼市。全境西高東低，呈階梯狀遞降，東西長150 km，南北寬140 km，市域總面積6 309 km2，總?cè)丝诩s435萬人。

平頂山市新城區(qū)規(guī)劃范圍北起漯寶鐵路，東至姚孟電廠，西起毛營軍鐵專用線，南至白龜湖。伴隨著平頂山市新城區(qū)的規(guī)劃和建設(shè)，大批基礎(chǔ)設(shè)施和公共服務(wù)設(shè)施陸續(xù)建成投用，城市功能逐步完善，截至2010年底，新城區(qū)已建成區(qū)面積達15 km2。新城區(qū)的規(guī)劃和建設(shè)過程必然會引起其所在的白龜湖流域的景觀格局發(fā)生變化，因此有必要對該區(qū)域近20 a的景觀格局變化情況以及這些變化對白龜湖流域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的影響展開分析。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源與影像預(yù)處理

本研究數(shù)據(jù)來源主要為平頂山市1990年、2000年以及2010年的LANDSAT TM遙感影像圖、平頂山市1 ∶10 萬土地利用現(xiàn)狀圖、平頂山行政區(qū)劃圖、各年度的統(tǒng)計年鑒以及其他相關(guān)文獻資料。利用目視判讀和數(shù)字化工作將其矢量化，并用于景觀空間格局的分析計算。

2.2 土地利用類型的確定

土地利用類型的劃分依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合研究區(qū)域土地利用格局特征并參考前人的一些研究結(jié)果[5, 7-9]。從高級到低級逐級劃分，將該區(qū)域景觀類型分為5大類17小類。

2.3 景觀格局分析的指標(biāo)及其計算方法

關(guān)于景觀空間格局分析的涉及指標(biāo)很多[10-11]，本文選取了幾種有代表性的指標(biāo)，通過計算這些指標(biāo)來定量描述平頂山市新城區(qū)的景觀格局結(jié)構(gòu)特征，并分析景觀格局的時空變化規(guī)律。

2.3.1 景觀形狀指數(shù)

景觀形狀指數(shù)LSI是用來評價土地利用斑塊的自然形狀，通過計算每種類斑塊的形狀指數(shù)以表征人類的干擾程度。其中第i類型景觀斑塊的形狀指數(shù)計算公式為[12-13]：

(1)

式中：Pi和Ai分別為第i類型景觀斑塊的形周長和面積。根據(jù)公式(1)即可分別計算出該區(qū)域各種景觀類型斑塊的形狀指數(shù)LSI。一般情況下斑塊的形狀指數(shù)LSI越大，表明斑塊的形狀越無序，越接近自然狀態(tài)；LSI越趨于1，表示斑塊人為干擾的因素越多。

2.3.2 景觀多樣性指數(shù)

景觀多樣性指數(shù)SHDI用來評價某種景觀類型的面積多少和該類型所占比例的變化情況。SHDI指數(shù)值也同時表達了景觀類型的豐度，其值越大說明景觀類型越豐富，SHDI指數(shù)的計算公式為[14]：

(2)

式中：Pi代表某種景觀類型占景觀總面積的比例；m是該區(qū)域內(nèi)景觀類型的總數(shù)。

2.3.3 景觀優(yōu)勢度指數(shù)

景觀優(yōu)勢度指數(shù)LDI是用于表征景觀多樣性對最大多樣性的偏離程度，或表示景觀是由哪幾個主要景觀類型控制的程度。其計算公式為：

(3)

Hmax=Ln(m)

式中Pi為第i種景觀類型所占總面積的比例；Hmax是最大多樣性指數(shù)；m是區(qū)域內(nèi)景觀類型的總數(shù)。景觀優(yōu)勢度指數(shù)LDI反映了某種景觀類型在景觀結(jié)構(gòu)中占有的地位及其對景觀格局的形成和變化的影響。

2.3.4 景觀破碎度指數(shù)

景觀破碎度指數(shù)F用來評價景觀被分割的破碎程度，該指數(shù)數(shù)值越大表示破碎程度越高。其計算公式為：

(4)

式中：ni為第i種景觀類型中的斑塊個數(shù)；A為研究區(qū)域總面積。景觀破碎化是生物多樣性減少的一個主要原因。由于各種人類活動，如交通道路建設(shè)、河岸堤壩修建、城鎮(zhèn)化率增加等，使原來相對較完整的土地類型被分割成許多小的斑塊，造成景觀的破碎化。導(dǎo)致一些對生境面積要求較高的物種喪失了原有的棲息場所、覓食和運動的空間，從而發(fā)生遷徙甚至死亡。

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)域景觀類型劃分

選取平頂山市1990年、2000年和2010年的LandsatTM遙感影像圖，解析了平頂山市新城區(qū)區(qū)域內(nèi)土地利用、土地覆蓋方式，按照土地利用分類的標(biāo)準(zhǔn)，將規(guī)劃區(qū)劃分為5大類17小類，5大類主要是耕地、林地、草地、水域和建設(shè)用地，各類型土地利用率數(shù)據(jù)見表1。

表1 研究區(qū)域1990年、2000年和2010年土地利用率情況

由表1可知，耕地、林地和草地是研究區(qū)域的主要景觀類型，三者占景觀總面積的百分比在90%以上。

在整個研究時段內(nèi)，由于新城區(qū)的規(guī)劃及建設(shè)，景觀格局的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，但以耕地、林地為基質(zhì)的特征基本沒有改變。景觀格局分析結(jié)果表明，不同類型景觀格局間差異顯著。研究時段內(nèi)，早期由于農(nóng)業(yè)開荒耕種使得區(qū)域內(nèi)耕地面積有所增加，后期由于實行退耕還林還草政策等占用了一部分耕地，加上新城區(qū)的開工建設(shè)增加了建設(shè)用地，因此耕地的面積呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，相對應(yīng)的草地則有一定程度的增加；林地是所有地類中面積變化小、相對較穩(wěn)定的類型；水域面積由于河流退化、河道內(nèi)灘地轉(zhuǎn)成農(nóng)業(yè)用地，面積有所下降；建設(shè)用地的面積在后期增加較快，由2000年的66.64km2增加到2010年的97.97km2，增幅較大，主要是由于新城區(qū)的開工建設(shè)導(dǎo)致的。

3.2 研究區(qū)域不同時期景觀形狀指數(shù)評價

據(jù)式(1)計算出研究區(qū)域不同時期的LSI值，見表2。

表2 研究區(qū)域1990年、2000年和2010年的景觀形狀指數(shù)

由表2可知，耕地的景觀形狀指數(shù)先增大后減小，最終是下降的，說明耕地的人為干擾因素增多，耕地從自然的形態(tài)轉(zhuǎn)變成便于機械化耕作的方式，這也農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的一種表現(xiàn)。規(guī)劃區(qū)內(nèi)的林地多以自然林為主，從變化趨勢來看，林地的形狀指數(shù)呈現(xiàn)變大的趨勢，說明人工林的面積開始增多，林地依山而種，表現(xiàn)出自有的特性。草地也是以天然草地為主，就形狀指數(shù)本身來說，總體上指數(shù)有所增加，表明河床退化后出現(xiàn)的低覆蓋度草地，加大了草地景觀斑塊的無序性。水域的形狀指數(shù)相對于耕地、林地多為長條形(河渠)、多邊形(水庫坑塘)，形狀比較有規(guī)則。水域的形狀指數(shù)總體呈增加趨勢，可能是因為河流流量減少，河床暴露，河道變窄、分岔、彎曲，形狀變得更加無序。建設(shè)用地的形狀指數(shù)呈現(xiàn)為下降的趨勢，由于新城區(qū)的建設(shè)是鄉(xiāng)村的城鎮(zhèn)化和農(nóng)村居民點集中化的過程，使得建設(shè)用地的形狀指數(shù)減少而更加趨向于1。

3.3 研究區(qū)域不同時期各景觀指數(shù)評價

研究區(qū)域3個時期景觀多樣性指數(shù)SHDI、景觀優(yōu)勢度指數(shù)LDI和景觀破碎度指數(shù)F的計算結(jié)果見表3。

表3 研究區(qū)域1990年、2000年和2010年3個時期的各項景觀指數(shù)

從區(qū)域內(nèi)的整體景觀來看，景觀多樣性指數(shù)SHDI呈現(xiàn)先減后增的越勢。景觀多樣性指數(shù)由1990年的1.23下降至2000年的1.20，這是由于這個時間段內(nèi)平頂山市新城區(qū)尚未開始建設(shè)，當(dāng)時的農(nóng)業(yè)開荒、農(nóng)業(yè)耕種使得區(qū)域內(nèi)原始的狀態(tài)受到影響，而其他用地在區(qū)域內(nèi)主要是未利用地，隨著零散分布的未利用地被開發(fā)出來并逐步轉(zhuǎn)化為其他景觀類型，人類耕種活動也提高了土地的整齊度，從而降低了多樣性，因此多樣性指數(shù)降低。到2010年，景觀多樣性指數(shù)又升高至1.25，主要是由于退耕還林還草使得部分丘陵耕地轉(zhuǎn)變成中覆蓋度草地，增加了多樣性。從景觀學(xué)的角度來看，由于耕地面積下降草地面積增加引起這一指數(shù)的增大，將有利于區(qū)域內(nèi)生物量和物種多樣性的提高，是生境轉(zhuǎn)好的一個信號。

景觀優(yōu)勢度指數(shù)LDI可反映某種景觀類型的地位，其優(yōu)勢度越大，說明該類型對景觀的支配作用越大。平頂山市新城區(qū)優(yōu)勢景觀主要是林地，林地的優(yōu)勢度指數(shù)在整個研究時間段內(nèi)，呈先降低后增加的趨勢，其原因主要因為早期由于農(nóng)業(yè)開荒導(dǎo)致林木砍伐，林地大多被開發(fā)轉(zhuǎn)化為旱地，后期隨著國家退耕還林政策的實施使得林地的優(yōu)勢度又逐漸有所增加。

景觀破碎度指數(shù)F先減少后逐步增大。1990年～2000年，農(nóng)業(yè)開荒耕種使得區(qū)域內(nèi)農(nóng)田面積增加，使得破碎度指數(shù)由1990年的0.75下降為2000年的0.42。2000年～2010年，破碎度指數(shù)由0.42上升到0.52，這說明2000年至2010年人類活動的干擾不斷加強，尤其是建設(shè)用地的大量增加以及旱地與林地之間相互轉(zhuǎn)化程度的增加，使得整個研究區(qū)的景觀破碎化程度增大。

4 結(jié)論

平頂山市新城區(qū)的建設(shè)導(dǎo)致其所在的白龜湖流域景觀結(jié)構(gòu)格局發(fā)生一定變化，但以耕地為基質(zhì)的景觀格局基本保持穩(wěn)定。研究時段內(nèi)，耕地的面積呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，主要是由于實行退耕還林還草政策等占用了一部分耕地；林地是所有地類中面積變化最小、最穩(wěn)定的類型；草地由于低覆蓋草地的增加而增加；水域由于河流退化、河道內(nèi)灘地轉(zhuǎn)成農(nóng)業(yè)用地，面積下降；建設(shè)用地的面積總體呈增加趨勢，主要是因為新城區(qū)的建設(shè)導(dǎo)致的。白龜湖流域景觀格局分析表明近年來規(guī)劃區(qū)的生態(tài)質(zhì)量略有提高，只是新城區(qū)的建設(shè)占用了大量的草地，對白龜湖湖岸帶的生態(tài)環(huán)境帶來一定風(fēng)險。

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Application of index evaluation method in landscape pattern analysis for New Area of Pingdingshan

LIU Jian-hua1, WANG Shi-feng1, LIU Bao-ping1, WU Wei1, LIANG Feng2, LI Bing-bing3
(1.PingdingshanComprehensiveUtilizationandEnvironmentalProtectionInstitute,Pingdingshan467036,China; 2.SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering,HenanUniversityofUrbanConstruction,Pingdingshan467036,China;3.SchoolofLifeScienceandEngineering,HenanUniversityofUrbanConstruction,Pingdingshan467036,China)

Based on the remote sensing image of Landsat TM in 1990, 2000 and 2010, characteristics of the landscape spatial pattern during the process planning and construction of the new district of Pingdingshan city were analyzed by using the index evaluation method. The results were as follows: over the past 20 years, degree of landscape fragmentation first increased and then decreased in the whole study area, and the diversity of landscape first decreased and then increased, the landscape dominance first increased and then decreased slightly. Therefore, the ecological environmental quality was improved slightly, whereas, the construction of the new area brought certain risks to ecological environment of Baigui Lake basin.

index evaluation; landscape pattern; Pingdingshan

2017-02-18

污染控制與資源化利用國家重點實驗室開放基金項目(PCRRF13008)；河南省科技攻關(guān)項目(162102310389)；河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點項目(14A610012)

劉建華(1973—)，男，河南平頂山人，工程師。

1674-7046(2017)02-0072-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.02.013

X171.1

A