武文昊

(遼寧省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃監(jiān)測院，遼寧 沈陽 110122)

景觀通常指一組互相作用的生態(tài)系統(tǒng)在空間上的鑲嵌組合[1-2]。景觀格局一般指空間格局，即景觀的空間結(jié)構(gòu)特征，包括景觀組成單元的類型、數(shù)目以及空間分布與配置[3]，景觀格局變化是景觀異質(zhì)性的外在表現(xiàn)[4-5]，其目的是解釋景觀格局與生態(tài)過程之間的聯(lián)系[1]，在景觀結(jié)構(gòu)構(gòu)成方面，景觀主要包括基質(zhì)、斑塊、廊道三大要素。景觀格局分析，主要是利用景觀指數(shù)，來探討景觀在宏觀空間上的異質(zhì)性，通過景觀格局分析間接實現(xiàn)對生態(tài)過程的研究。景觀空間格局、景觀功能和景觀動態(tài)是景觀生態(tài)學研究的核心內(nèi)容[7]，對景觀格局進行定量化分析，則是研究格局與過程相互聯(lián)系的基礎(chǔ)，也是研究景觀動態(tài)和景觀功能的關(guān)鍵[2]。研究常州市的景觀格局變化，可以更好地解決常州市生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)狀，了解演替過程，從而提高常州市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

1 研究區(qū)概況

常州位于江蘇省南部、長江三角洲西北、太湖平原西北部，北緯31°09′～32°04′、東經(jīng)119°08′～120°12′，現(xiàn)行政轄區(qū)面積4 385 km2，人口440.71萬人，含5個市轄區(qū)，代管2個縣級市。常州市區(qū)面積1 872 km2，下轄天寧區(qū)、鐘樓區(qū)、新北區(qū)、武進區(qū)、戚墅堰區(qū)，市區(qū)總?cè)丝诩s222萬人。常州地貌類型屬沖積平原，地處長江下游三角洲蘇南平原，境內(nèi)地勢西南略高，地形復雜，山區(qū)平圩兼有，形成了豐富多樣的自然生態(tài)。市區(qū)地勢平坦、河網(wǎng)稠密，西北略高，東南略低，地面高程3～6 m的占94.9%，3 m以下的占5.1%。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與預處理

本研究采用數(shù)據(jù)均為Landsat衛(wèi)片，分別為1988年TM影像2景，2000年TM影像2景，2010年TM影像2景，2014年Landsat8影像2景。運用ENVI已經(jīng)校正好的常州市TM影像為參照，對8景影像進行幾何精校正、均衡化、拼接、裁剪等，其中幾何校正誤差控制在1個像元之內(nèi)。根據(jù)中華人民共和國國土資源部土地分類系統(tǒng)將常州市景觀分為耕地、林地、建筑用地、交通用地、水域、未利用地6類，在ENVI中對研究區(qū)域做監(jiān)督分類，對分類結(jié)果有明顯錯誤的進行修正，采用ARCGIS的eliminate工具，過濾掉小碎斑塊，用Kappa系數(shù)對結(jié)果進行評價。4期分類結(jié)果的Kappa系數(shù)分別為81.4%、83.3%、84.7%、83.9%，均滿足分析要求。

2.2 景觀指數(shù)法

現(xiàn)代景觀生態(tài)學包含了一系列景觀空間格局分析方法[8-12]。景觀指數(shù)是生態(tài)學研究的常用方法[13-14]，因為景觀指數(shù)能夠量化景觀格局信息，定量化的分析景觀結(jié)構(gòu)組成和空間配置的某些特征[15-17]。景觀指數(shù)主要包括景觀水平指數(shù)、斑塊類型水平指數(shù)、斑塊水平指數(shù)。景觀指數(shù)的計算主要利用FRAGSTATS軟件。根據(jù)景觀指數(shù)所揭示的生態(tài)意義的不同，主要選取斑塊類型水平的平均斑塊面積(MPS)、面積周長分維度指數(shù)(PAFRAC)、斑塊百分比(PLAND)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、聚集度指數(shù)(AI)。景觀水平的斑塊數(shù)目(NP)、面積周長分維度指數(shù)(PAFRAC)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、景觀蔓延度指數(shù)(CONTAG)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)、聚集度指數(shù)(AI)。

2.3 轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是將土地利用變化的類型轉(zhuǎn)移面積，按矩陣的形式加以列出，利用GIS的空間分析模塊，對相鄰年份的土地利用圖進行疊加，生成相應的土地利用圖，并根據(jù)其屬性數(shù)據(jù)，可以獲得不同景觀類型的變化數(shù)據(jù)，由此，可以獲得各類景觀的面積轉(zhuǎn)移矩陣。轉(zhuǎn)移矩陣可以定量地說明研究區(qū)域內(nèi)各景觀類型增加或減少的部分，轉(zhuǎn)移到哪一個景觀類型或者由哪一個景觀類型轉(zhuǎn)移得到。作為用地結(jié)構(gòu)與變化方向分析的基礎(chǔ)，土地利用轉(zhuǎn)移矩陣反映各地類之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，了解轉(zhuǎn)移前后各地類的結(jié)構(gòu)特征，在土地利用變化分析和地類模擬方面具有重要作用[18-19]。

2.4 土地利用動態(tài)度

單一土地利用類型動態(tài)度是某研究區(qū)一定時間范圍內(nèi)，某種土地利用類型的數(shù)量變化情況。能較好地比較各區(qū)域間土地利用變化的差異，并且表示出未來土地利用變化趨勢[14]。其表達式為：

K=(Ub-Ua)/Ua×1/T×100%

式中：Ua、Ub分別為研究初期及研究末期某種土地利用類型的數(shù)量；T為研究時段；當T的單位為年時，K值就是該研究區(qū)，某種土地利用類型的年變化率。

綜合土地利用動態(tài)度，反映的是研究區(qū)內(nèi)一定時間范圍內(nèi)，土地利用數(shù)量總體變化情況[20]，其表達式為：

式中：LC為綜合利用動態(tài)度；LUi為研究初期第i類土地利用類型面積；ΔLUi-j為研究末期第i類土地利用類型轉(zhuǎn)換為非i類土地利用類型面積的絕對值；T為研究時段長；當T設(shè)定為年時，LC值就是該研究區(qū)綜合土地利用年變化率。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化過程

3.1.1 土地利用結(jié)構(gòu)變化

土地利用結(jié)構(gòu)變化見表1。

表1 1988—2014年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 km2

其中耕地面積所占比例最大，同時耕地面積減少最快，26年間減少1 171.5 km2，其中59%轉(zhuǎn)移為居民點及工礦用地，居民點及工礦用地一共增加了690.8 km2，交通用地的增幅最大，比1988年增長405%。耕地大面積減少，居民點及工礦用地、交通用地大幅增加，正是經(jīng)濟迅猛發(fā)展所帶來的結(jié)果。與此同時，林地面積總體增加246.7 km2，水域面積總體增加80.11 km2，緩解了由于經(jīng)濟發(fā)展過快所帶來的環(huán)境問題。

3.1.2 土地利用動態(tài)度

從單一土地利用類型動態(tài)度(表2)來看，1988-2014年變化最大的是未利用土地，其次是林地和居民點及工礦用地。其中2000-2010年時間段中6種土地類型的動態(tài)度均發(fā)生變化，林地在2010-2014年時間段動態(tài)度變化最大，2008-2014年常州市為建設(shè)城市綠地系統(tǒng)，不斷擴大城市綠地面積，特別是在2011-2014年發(fā)展最為迅速，導致了林地動態(tài)度增大。綜合土地利用動態(tài)度在3個研究時段內(nèi)不斷增大，特別是在2010-2014年最為劇烈，說明在這一時間段內(nèi)，景觀類型變化的規(guī)模最大。

表2 土地利用類型動態(tài)度 %

3.2 景觀格局變化

3.2.1 斑塊類型水平指數(shù)變化

1988-2014年各類型景觀指數(shù)分布如表3。

表3 1988-2014年斑塊類型景觀格局分析

耕地的斑塊百分比(PLAND)最大，因此耕地是研究區(qū)的景觀基質(zhì)，但是耕地的斑塊比例逐漸下降，居民點及工礦用地的斑塊百分比在不斷增大。最大斑塊指數(shù)(LSI)反映景觀的優(yōu)勢程度，1988-2010年耕地作為優(yōu)勢景觀類型并且優(yōu)勢度逐年下降，而林地的優(yōu)勢度則不斷增加，在2014年林地成為優(yōu)勢景觀類型。一個具有較小MPS值的斑塊類型比具有較大MPS值的斑塊類型更破碎，在26年間耕地、水域的破碎化程度在不斷降低，而居民點及工礦用地的破碎化程度反而增大，林地、未利用地則出現(xiàn)先增大后減小的趨勢。各個景觀類型的面積周長分維度指數(shù)(PAFRAC)變化幅度并不大，耕地、林地、居民點及工礦用地、水域較小，表明其斑塊形狀簡單，受人類干擾程度較大，形成的斑塊幾何形狀較為規(guī)則，自相似很高；交通用地的景觀分維數(shù)值最大，斑塊形狀和邊緣較簡單，呈廊道景觀，在景觀中多有分布，較其他斑塊具有更異質(zhì)的生態(tài)過程。耕地、林地、居民點及工礦用地、水域的聚集度指數(shù)(AI)在4個年份都比較高，說明其聚集度和連接性都比較好。

3.2.2 景觀水平指數(shù)變化

如圖1，斑塊數(shù)目(NP)是景觀異質(zhì)性和破碎度的簡單描述。在研究時段中斑塊數(shù)目增加，2010-2014年斑塊數(shù)目減少，反映景觀破碎度先增大后減小。景觀形狀指數(shù)(LSI)是結(jié)合景觀面積對景觀總邊緣長度或邊緣密度的標準化度量。LSI也是對斑塊聚集或離散程度的度量。隨著LSI的增大，斑塊越來越離散，1988-2014年斑塊離散程度越來越大。面積周長分維度指數(shù)通過空間尺度(斑塊大小)反映了形狀復雜性，當其值大于1時，意味著復雜性增強。各類景觀類型的面積周長分維度指數(shù)變化趨勢平緩，并且各類景觀類型均表現(xiàn)出較大的邊界曲折性。香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)主要強調(diào)斑塊類型對信息的貢獻，在比較和分析同一景觀，不同時期的多樣性與異質(zhì)性變化時，香農(nóng)多樣性指數(shù)也是一個敏感指標。圖2中香農(nóng)多樣性指數(shù)不斷增大，意味著土地利用結(jié)構(gòu)越豐富，而景觀破碎化程度也越來越高，其中包括的不定性的信息含量也在變大。1988-2014年常州市景觀蔓延度指數(shù)不斷減小，表明常州市景觀破碎化程度不斷增大，其中2000-2010年減小速度最快，表明這10年間常州市經(jīng)濟發(fā)展較為迅速，土地利用變化劇烈(圖3)。聚集度(AI)不斷地減小也反映出斑塊破碎化程度增加。

圖1 斑塊數(shù)目與景觀形狀指數(shù)變化圖

圖2 周長分維度與香農(nóng)多樣性變化

圖3 景觀蔓延度與聚集度變化

4 討 論

對常州市1988-2014年26年間的土地利用變化及景觀格局變化進行了分析，總體來看常州市土地利用和景觀格局有著明顯的變化，特別是2000-2010年變化最為劇烈，耕地面積大幅減少最為突出，耕地的動態(tài)度在這一階段達到最高值，居民點及工礦用地、交通用地大幅增加反映了常州市在這10年間發(fā)展較為迅速。但是耕地仍然是常州的主要地類，面積最大，分布最廣，是常州的景觀基質(zhì)。交通用地呈廊道景觀，因為交通用地景觀分維數(shù)值最大，斑塊形狀和邊緣較簡單，交通用地動態(tài)度從1988-2014年一直處于增加趨勢，為常州市的發(fā)展奠定了很好的基礎(chǔ)。景觀水平上，常州市主要由幾種大的景觀類型組成，各景觀類型受干擾程度較大，斑塊數(shù)量多、面積小，斑塊形狀趨于復雜，景觀破碎化程度呈現(xiàn)增加趨勢，而綜合利用動態(tài)度也在3個階段不斷增大，這與景觀破碎度變化趨勢相吻合。并且景觀結(jié)構(gòu)更加豐富和復雜，會對景觀中的物種遷移、能量流動、物質(zhì)的擴散產(chǎn)生一定的影響。耕地作為常州市的景觀基質(zhì)，應當保護耕地，不斷提高耕地質(zhì)量來維持景觀穩(wěn)定性。在所有景觀中，居民點及工礦用地分布最為廣泛，對研究區(qū)域的物質(zhì)和能量流動起著至關(guān)重要的作用，對其他生物的遷徙、生存有著一定的影響，所以居民點及工礦用地的合理規(guī)劃建設(shè)對保護生物多樣性，改善常州市生態(tài)環(huán)境具有重要的作用。各景觀類型的破碎化程度不斷加劇，未來的景觀生態(tài)區(qū)域配置應朝著土地集中布局，集約化生產(chǎn)經(jīng)營的方向發(fā)展，增大生態(tài)過程異質(zhì)性，增加各類型斑塊的連接度，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在快速發(fā)展經(jīng)濟的同時，我們更要注意對耕地、林地的保護，合理規(guī)劃建設(shè)，保護生物的多樣性，保護物種生境，保護生態(tài)環(huán)境。