張永生, 歐陽芳, 袁哲明

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華北農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)景觀格局的演變特征

張永生1, 歐陽芳2, 袁哲明1

1. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院, 植物病蟲害生物學(xué)與防控湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 長(zhǎng)沙 410128 2. 中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所, 農(nóng)業(yè)蟲害鼠害綜合治理研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100101

基于華北6省(市)2000、2005、2010年三期土地覆蓋遙感數(shù)據(jù), 通過計(jì)算農(nóng)田景觀格局指數(shù)和農(nóng)田景觀轉(zhuǎn)移矩陣, 在省域范圍的大空間尺度上分析了2000—2010年農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)景觀格局的變化特征。結(jié)果表明, 2000年至2010年華北6省(市)的農(nóng)田景觀格局變化主要表現(xiàn)為: 耕地景觀的面積在減少, 破碎化程度在加大, 斑塊形狀趨于簡(jiǎn)單化; 園地景觀的面積在增加, 破碎化程度在降低, 斑塊形狀趨于復(fù)雜化。耕地減少的面積主要轉(zhuǎn)變?yōu)槌擎?zhèn), 增加的面積主要來自水體; 園地減少的面積主要轉(zhuǎn)變?yōu)楦? 增加的面積主要來自耕地, 園地景觀主要與耕地景觀相互轉(zhuǎn)化。城鎮(zhèn)化等人類活動(dòng)加劇了耕地的減少和破碎化, 應(yīng)加強(qiáng)耕地保護(hù), 特別是耕地的集約化布局, 降低農(nóng)田破碎化程度, 促進(jìn)農(nóng)田的可持續(xù)發(fā)展。

農(nóng)田景觀; 景觀格局指數(shù); 景觀變化; 遙感影像

1 前言

農(nóng)田是人類賴以生存的農(nóng)業(yè)耕作場(chǎng)所, 是人工種植的各種農(nóng)作物組成的生態(tài)系統(tǒng)[1-2]。農(nóng)田景觀是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分, 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)揮著重要作用。農(nóng)田景觀為人類提供了食物、燃料等, 也為生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性、生態(tài)服務(wù)功能等提供了穩(wěn)定支持。農(nóng)田景觀格局是自然過程與人為干擾相互作用形成的, 是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的各種生態(tài)過程作用于農(nóng)田景觀的結(jié)果[3]。不同景觀格局的形成反映了不同的生態(tài)過程, 如不同的土地利用方式、不同的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式必然形成不同的農(nóng)田景觀格局[4]。同時(shí), 農(nóng)田景觀格局也制約和影響著農(nóng)田的組成分布與各種農(nóng)田生態(tài)過程。隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快和農(nóng)業(yè)集約化程度的增強(qiáng), 農(nóng)田景觀格局發(fā)生了明顯的變化, 對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)造成了一些影響。在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中, 農(nóng)田景觀格局的變化會(huì)影響景觀中的生物多樣性、植物和動(dòng)物的多度和豐富度、作物生產(chǎn)力以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性等[5-7], 如農(nóng)田景觀格局的單一化, 會(huì)引起農(nóng)田中生物多樣性的下降, 影響害蟲的發(fā)生、擴(kuò)散與危害以及天敵的種群結(jié)構(gòu)[6-9]。理解和把握農(nóng)田景觀格局的變化規(guī)律可以為未來合理地規(guī)劃、利用和保護(hù)農(nóng)田提供支撐, 從而促進(jìn)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。

近年來遙感技術(shù)的快速發(fā)展, 已成為景觀生態(tài)學(xué)研究的重要手段。使用遙感影像, 可以計(jì)算各種景觀格局指數(shù)來定量描述景觀斑塊的大小、密度、邊緣、形狀、空間分布等特征, 從而分析研究區(qū)域在不同尺度上景觀格局演變的特征和規(guī)律[10-15]。目前利用遙感影像對(duì)城市的景觀格局和小尺度區(qū)域的景觀格局研究的比較多[12-16], 如Li等[17]利用景觀格局指數(shù)分析了上海市1989—2005年間城市化的時(shí)空格局變化。趙婷婷等[18]使用景觀格局指數(shù)分析了北京市順義區(qū)農(nóng)田景觀規(guī)模和空間格局的演變, 發(fā)現(xiàn)農(nóng)田景觀規(guī)模呈縮減趨勢(shì), 建設(shè)用地是侵占農(nóng)田的主體。而專門針對(duì)農(nóng)田類型尤其是在一個(gè)較大的尺度(如省域尺度)上, 分析農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)景觀格局變化的研究還比較少。華北地區(qū)是我國(guó)重要的產(chǎn)糧區(qū), 本文基于華北6省(市)2000、2005、2010年3期土地覆蓋分類柵格數(shù)據(jù), 通過計(jì)算農(nóng)田景觀格局指數(shù)和農(nóng)田景觀轉(zhuǎn)移矩陣, 在省域范圍的大空間尺度上分析了2000—2010年農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)景觀格局的特征及其變化。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域?yàn)槿A北6省(市), 包括北京市、天津市、河北省、河南省、山東省和山西省。華北地區(qū)屬于暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候, 四季分明, 光照充足; 是我國(guó)小麥、玉米的主產(chǎn)區(qū)和糧食的重要生產(chǎn)基地; 2010年農(nóng)田約占總面積的51.5%, 其次是林地約占24.1%。

2.2 遙感影像和景觀類型分類

本研究使用的遙感數(shù)據(jù)來源于2000、2005、2010年Landsat TM/ETM的中分辨率衛(wèi)星影像(10~30m)。使用ENVI 5.0遙感圖像處理軟件, 對(duì)圖像進(jìn)行幾何精校正、圖像裁剪和圖像增強(qiáng)等預(yù)處理, 建立遙感影像分類圖譜庫。利用遙感影像分類圖及其數(shù)值編碼, 獲得華北6省(市)2000、2005、2010年土地覆蓋分類的柵格數(shù)據(jù)。土地覆被系統(tǒng)分為二級(jí), 一級(jí)為6類, 對(duì)應(yīng)IPCC的6類, 二級(jí)類型由FAO LCCS的方法進(jìn)行定義, 共38類基本類型[19-20]。景觀類型分類是進(jìn)行景觀格局分析的前提。在本研究中, 基于這38類基本類型, 根據(jù)華北地區(qū)的實(shí)際土地覆蓋類型情況, 使用ARCGIS 10.2軟件將柵格數(shù)據(jù)的景觀類型合并整理為8類: 耕地、園地、林地、草地、城鎮(zhèn)、水體、濕地和其他用地(圖1), 作為本研究的景觀分類體系。耕地與園地構(gòu)成了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)。土地覆蓋分類的柵格數(shù)據(jù)空間分辨率為30×30 m。利用ARCGIS 10.2軟件, 根據(jù)華北6省(市)行政區(qū)的矢量數(shù)據(jù), 分割出各省(市)土地覆蓋分類的柵格數(shù)據(jù)。

2.3 景觀格局分析

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的景觀格局特征及其變化可以從“質(zhì)”、“量”、“形”、“度”4個(gè)方面來描述與分析[6-7,20]?！百|(zhì)”表示景觀的斑塊組成類型, 如農(nóng)田由耕地與園地構(gòu)成?！傲俊北硎静煌愋桶邏K的面積比例、大小、密度等?！靶巍北硎静煌愋桶邏K的邊緣、形狀、空間排列方式等?！岸取北硎揪坝^格局的空間尺度和其變化的時(shí)間尺度, 在不同的空間與時(shí)間尺度上, 農(nóng)田景觀格局的特征及其變化規(guī)律也不同, 本文在省域空間尺度上分析了10年間的農(nóng)田景觀格局變化特征。

圖1 2000、2005和2010年華北6省(市)景觀類型圖

“量”方面選取了景觀類型比例(PLAND)、平均斑塊面積(AREA_MN)、最大斑塊指數(shù)(LPI)和斑塊密度(PD)等景觀格局指數(shù)(表1)[13-14,20]。PLAND反映農(nóng)田面積比例及面積變化等最基本信息。AREA_MN描述農(nóng)田斑塊面積的平均大小, 即連片農(nóng)田的平均面積, 在一定程度上可反映農(nóng)田的破碎化, 其值越小農(nóng)田越破碎化。LPI是最大農(nóng)田斑塊即最大連片農(nóng)田的面積占農(nóng)田總面積的比例, 其值的變化可以反映人類活動(dòng)干擾的強(qiáng)弱與方向。PD是單位面積上農(nóng)田斑塊即連片農(nóng)田的數(shù)目, 可反映農(nóng)田的空間異質(zhì)性和破碎化程度; 其值越大空間異質(zhì)性和破碎化程度越大, 其值越小相對(duì)越集中或規(guī)?；??！靶巍狈矫孢x取了邊界密度(ED)和面積加權(quán)平均斑塊分維數(shù)(FRAC_AM)等景觀格局指數(shù)(表1)[12-14,20]。ED是單位面積農(nóng)田的邊界長(zhǎng)度, 是對(duì)農(nóng)田邊緣的描述; 它揭示了農(nóng)田被邊界分割的程度, 是農(nóng)田破碎化程度的直接反映, 值越大越破碎化, 同時(shí)也反映農(nóng)田的邊緣效應(yīng)。ED可從一定程度上反映農(nóng)田與外界的聯(lián)系程度和受外界的干擾強(qiáng)度, 其值越大, 農(nóng)田的開放性越強(qiáng), 越易于同外界進(jìn)行交流, 也越易受外界環(huán)境干擾。FRAC_AM是用分維數(shù)來描述農(nóng)田斑塊的面積大小及其邊界線的曲折性, 度量農(nóng)田的空間形狀復(fù)雜性, 其值越大農(nóng)田形狀越復(fù)雜, 通常受人類活動(dòng)影響越小。

基于2000、2005、2010年3期土地覆蓋分類柵格數(shù)據(jù), 使用景觀格局分析軟件FRAGSTATS 4.2, 計(jì)算各省(市)的景觀格局指數(shù)。

表1 景觀格局指數(shù)

2.4 景觀類型轉(zhuǎn)移

農(nóng)田景觀的轉(zhuǎn)移變化過程用土地利用類型的轉(zhuǎn)移矩陣來描述[21-24]。基于土地覆蓋分類柵格數(shù)據(jù), 使用ARCGIS 10.2軟件的Tabulate Area工具, 計(jì)算各省(市)農(nóng)田景觀與其它7類景觀類型之間的轉(zhuǎn)移矩陣, 反映農(nóng)田景觀的動(dòng)態(tài)變化。

3 結(jié)果與分析

3.1 農(nóng)田景觀的構(gòu)成

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)由耕地與園地構(gòu)成, 耕地包括水田與旱地, 園地包括喬木園地與灌木園地。2010年華北6省(市), 耕地占總面積的50.92%, 園地占總面積的0.53%; 水田占耕地面積的3.32%, 旱田占耕地面積的96.68%; 喬木園地占園地面積的85.96%, 灌木園地占園地面積的14.04%。

3.2 耕地景觀格局變化

從2000到2010年, 各省(市)耕地所占區(qū)域總面積的比例(PLAND)均呈逐步下降趨勢(shì)。其中, 北京下降幅度較大, 從2000年的26.95%到2010年的18.69%, 減少了0.31倍; 其次是天津(圖2A)。北京與天津的城市化快速發(fā)展占用了相對(duì)多的耕地。耕地的AREA_MN, 總體呈減小趨勢(shì), 北京、天津、河北前5年的變化大于后5年, 這說明耕地趨破碎化, 尤其是天津(圖2B)。耕地的LPI, 除山西外其它省(市)均呈減小趨勢(shì), 其中山東與河南減小最多(圖2C)。受人為活動(dòng)干擾大, 連片耕地的面積在減小。耕地的PD, 除天津增加幅度大外其它省(市)相對(duì)變化不大, 天津耕地的破碎化程度和空間異質(zhì)性逐漸增大(圖2D)。耕地的ED, 北京逐漸減小, 天津逐漸增大, 其它省(市)變化非常小(圖2E)。北京耕地的分割程度不斷減少; 天津耕地的分割程度不斷增大, 趨破碎化, 越易受外界環(huán)境干擾。耕地的FRAC_AM, 除山西變化很小外其它省(市)均呈減小趨勢(shì)(圖2F)。耕地的形狀趨于簡(jiǎn)單化, 這可能是受耕地整理、農(nóng)田設(shè)施建設(shè), 如溝渠、噴灌、田間道路修建等活動(dòng)影響的結(jié)果[3]。

3.3 園地景觀格局變化

從2000到2010年, 各省(市)園地的PLAND均呈逐步增加趨勢(shì)。其中, 北京增加最多, 從2000年的3.78%到2010年的5.51%, 增加了0.46倍。北京的園地所占比例最大, 山西與河南的園地所占比例非常小(圖3A)。園地的AREA_MN, 除河南外, 其它省(市)均呈增加趨勢(shì)(圖3B)。這說明園地的破碎化程度在降低, 山東的值最大且增加也最多, 山東是我國(guó)重要的水果生產(chǎn)基地。園地的LPI, 從2000到2010年北京增加最大, 山西與河南的值非常小(圖3C)。受人為活動(dòng)干擾大, 連片園地的面積在增加。園地的PD, 各省(市)從2000到2010年變化均不大, 北京的值遠(yuǎn)大于其它省(市), 說明北京園地相對(duì)零散，破碎化程度和空間異質(zhì)性相對(duì)較大(圖3D)。園地的ED, 各省(市)從2000到2010年均呈增大趨勢(shì), 北京的值遠(yuǎn)大于其它省(市)(圖3E)。園地的分割程度不斷增大, 越易受外界環(huán)境干擾。園地的FRAC_AM, 各省(市)間變化差異大。北京、河北、山西從2000到2010年呈增大趨勢(shì), 園地的形狀趨于復(fù)雜化; 山西與河南前5年園地形狀變簡(jiǎn)單, 后5年又變復(fù)雜(圖3F)。

3.4 農(nóng)田景觀轉(zhuǎn)移變化

2000—2010年間各省(市)農(nóng)田景觀轉(zhuǎn)移變化見表2。北京減少的耕地主要轉(zhuǎn)變?yōu)槌擎?zhèn)用地和園地, 占耕地2000年面積的15.82%和8.27%; 增加的耕地主要由園地與水體轉(zhuǎn)變而來, 占耕地2010年面積的2.3%與1.68%。減少的園地主要轉(zhuǎn)為耕地和城鎮(zhèn)用地, 占園地2000年面積的11.36%和5.43%; 增加的園地主要來自耕地, 占園地2010年面積的40.46%, 新增園地比較多。天津減少的耕地主要轉(zhuǎn)為城鎮(zhèn)用地, 增加的耕地主要來自水體, 分別占耕地2000、2010年面積的8.82%和1.07%。減少的園地主要轉(zhuǎn)為城鎮(zhèn)用地, 增加的園地主要來自耕地, 分別占園地2000、2010年面積的8.82%和1.07%。河北減少的耕地主要轉(zhuǎn)為城鎮(zhèn)用地, 增加的耕地主要來自水體, 分別占耕地2000、2010年面積的2%和0.15%。減少的園地主要轉(zhuǎn)為林地和耕地, 占園地2000年面積的3.5%和1.44%; 增加的園地主要來自耕地, 占園地2010年面積的34.28%。山西減少的耕地主要轉(zhuǎn)為林地, 增加的耕地主要來自草地, 分別占耕地2000、2010年面積的0.64%和0.27%。減少的園地主要轉(zhuǎn)為耕地和林地, 占園地2000年面積的10.3%和8.36%; 增加的園地主要來自耕地, 占園地2010年面積的65.28%, 2000至2010未變化的園地僅占32.24%, 大部分園地是新增的。山東減少的耕地主要轉(zhuǎn)為城鎮(zhèn)用地, 增加的耕地主要來自水體, 分別占耕地2000、2010年面積的6.71%和0.1%。減少的園地主要轉(zhuǎn)為耕地, 增加的園地主要來自耕地, 分別占園地2000、2010年面積的1.33%和4.87%。河南減少的耕地主要轉(zhuǎn)為城鎮(zhèn)用地, 占耕地2000年面積的0.59%; 增加的耕地主要來自水體與林地, 占耕地2010年面積的0.07%與0.06%。減少的園地主要轉(zhuǎn)為耕地, 增加的園地主要來自耕地, 分別占園地2000、2010年面積的19.06%和31.53%。

圖2 2000—2010年耕地景觀格局變化

圖3 2000—2010年園地景觀格局變化

各省(市)前5年(表3)與后5年(表4)的農(nóng)田轉(zhuǎn)移變化與2000—2010年基本一致, 耕地減少的面積主要轉(zhuǎn)變?yōu)槌擎?zhèn)用地, 增加的面積主要由水體轉(zhuǎn)變而來; 園地減少的面積主要轉(zhuǎn)變?yōu)楦? 增加的面積也主要由耕地轉(zhuǎn)變而來, 園地主要與耕地發(fā)生相互轉(zhuǎn)變。

4 結(jié)論與討論

隨著城鎮(zhèn)化、經(jīng)濟(jì)建設(shè)、資源開發(fā)利用等人類活動(dòng)的不斷加強(qiáng), 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)受到的干擾也不斷增大, 華北地區(qū)的農(nóng)田景觀格局發(fā)生了明顯的變化。本文利用遙感數(shù)據(jù), 通過景觀格局指數(shù)與景觀轉(zhuǎn)移矩陣分析了華北6省(市)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)景觀格局的演變特征。

表2 2000—2010年農(nóng)田景觀轉(zhuǎn)移矩陣(%)

表3 2000—2005年農(nóng)田景觀轉(zhuǎn)移矩陣(%)

表4 2005—2010年農(nóng)田景觀轉(zhuǎn)移矩陣(%)

(1)10年間各省(市)的耕地面積在減小, 其中北京與天津的耕地面積減小幅度相對(duì)較大; 耕地的破碎化程度在增加, 耕地的邊界與形狀趨于簡(jiǎn)單。趙婷婷等[18]對(duì)北京市順義區(qū)農(nóng)田景觀格局的研究也表明, 農(nóng)田規(guī)模在不斷縮減, 農(nóng)田景觀呈破碎化趨勢(shì), 建設(shè)用地是侵占農(nóng)田的主體。城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快和建設(shè)用地的增加對(duì)耕地的影響比較大, 加劇了耕地的減少和破碎化。

(2)10年間各省(市)的園地面積在增加, 其中北京的園地面積增加明顯。園地的破碎化在降低, 連片園地的面積在增加, 園地的邊界與形狀均趨于復(fù)雜化; 園地的布局更集中, 趨于更合理的發(fā)展趨勢(shì)。山西耕地與園地的各個(gè)景觀格局指數(shù)值變化很小。北京園地增加明顯, 這可能是北京城市人口的不斷增加, 對(duì)園地的需求也不斷增加, 從而促進(jìn)了園地的擴(kuò)張[25]。

(3)從農(nóng)田景觀轉(zhuǎn)移矩陣分析可知, 耕地減少的面積主要轉(zhuǎn)變?yōu)槌擎?zhèn), 增加的面積主要來自水體; 園地減少的面積主要轉(zhuǎn)變?yōu)楦? 增加的面積主要來自耕地, 園地主要與耕地進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。韓會(huì)慶等[25]對(duì)城市園地時(shí)空變化的研究結(jié)果也表明, 園地與其他景觀類型之間的轉(zhuǎn)化以耕地轉(zhuǎn)為園地為主。在城鎮(zhèn)擴(kuò)張、開發(fā)區(qū)建設(shè)等因素影響下耕地面積減少、大量耕地轉(zhuǎn)為城鎮(zhèn)用地, 在退耕還林政策等因素的影響下耕地轉(zhuǎn)為園地、園地面積增加, 社會(huì)經(jīng)濟(jì)、自然因素及政策制度是農(nóng)田景觀變化的主要驅(qū)動(dòng)因素[15, 22,25-26]。

城鎮(zhèn)化和經(jīng)濟(jì)建設(shè)對(duì)用地的需求以及生態(tài)退耕不可避免地帶來農(nóng)田面積減少和破碎化, 農(nóng)田破碎化也可直接造成農(nóng)田面積的損失。農(nóng)田景觀的破碎化不利于農(nóng)業(yè)的規(guī)模化種植、農(nóng)田設(shè)施的配套管理和農(nóng)田病蟲害的防治, 是制約農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素。農(nóng)田面積減少與破碎化問題的緩解是一個(gè)系統(tǒng)工程, 通過農(nóng)田的規(guī)?；?jīng)營(yíng)、農(nóng)田整理以及一些行政措施, 可以降低農(nóng)田的破碎化程度。合理的農(nóng)田整理可以合并零散的田塊, 提高農(nóng)田的集中連片程度, 增加有效農(nóng)田面積, 提高農(nóng)田質(zhì)量, 改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件和降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本, 形成集約化的農(nóng)田景觀。農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展需要不斷的優(yōu)化和管理農(nóng)田景觀格局。

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Change characteristics of landscape pattern in farmland ecosystems in North China

ZHANG Yongsheng1, OUYANG Fang2, YUAN Zheming1

1.Hunan Provincial Key Laboratory for Biology and Control of Plant Diseases and Insect Pests, College of Plant Protection, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China 2. State Key Laboratory of Integrated Management of Pest Insects and Rodents, Institute of Zoology, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China

Based on the remote sensing data of land cover in the year of 2000, 2005 and 2010, we calculated the pattern metrics and conversion matrix of cropland landscape, and analyzed the change characteristics of landscape pattern of farmland ecosystems from 2000 to 2010 on the large spatial scale in six provinces of North China. The results showed that the area of farmland was decreasing, the degree of farmland fragmentation was increasing, and the shape of farmland tended to be simplified from 2000 to 2010. The area of the orchard land was increasing, the degree of orchard land fragmentation was decreasing, and the shape of the orchard land tended to be complicated. The reduced farmland was mainly transformed into urban land, and the increased farmland mainly came from water. The reduced orchard land was mainly changed into farmland, and the increased orchard land mainly was from farmland. The changes of orchard land use type mainly were from and into farmland type. Urbanization and other human activities intensified the reduction and fragmentation of farmland, so we should strengthen the protection of farmland, especially the layout of intensive farmland, reduce the degree of farmland fragmentation, and promote sustainable development of farmland.

cropland landscape; landscape pattern metrics; landscape change; remote sensing data

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.04.014

P901

A

1008-8873(2018)04-114-09

2018-02-26;

2018-03-25

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31300347)

張永生(1980—), 男, 博士, 主要從事農(nóng)田景觀與害蟲防治研究, E-mail: yshzhang@hunau.edu.cn

張永生, 歐陽芳, 袁哲明.華北農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)景觀格局的演變特征[J]. 生態(tài)科學(xué), 2018, 37(4): 114-122.

ZHANG Yongsheng, OUYANG Fang, YUAN Zheming. Change characteristics of landscape pattern in farmland ecosystems in North China[J]. Ecological Science, 2018, 37(4): 114-122.