張家楨,尹?？?李新旺,陳亞恒,劉微,王樹(shù)濤,6

(1河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 國(guó)土資源學(xué)院,河北 保定 071000;2河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,河北 保定 071000;3河北工程大學(xué) 水利水電學(xué)院,河北 邯鄲 056038;4河北省水利科學(xué)研究院,石家莊 050011;5河北大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,河北 保定 071000;6河北省農(nóng)田生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 保定 071000)

土地作為人類生產(chǎn)生活不可或缺的自然要素,是社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)各種要素組成的自然綜合體。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及科學(xué)進(jìn)步的大環(huán)境下,土地利用在人與自然共同作用下影響自然界生物多樣性和生物化學(xué)循環(huán)[1-2]。近幾年,通過(guò)景觀生態(tài)學(xué)方法定量分析土地利用已成為研究熱點(diǎn)。景觀格局是大小和形狀各異的景觀要素在空間上的排列和組合。它可以反映土地利用的動(dòng)態(tài)變化和自然、社會(huì)與生物相互作用的結(jié)果[3]。地形和海拔作為自然環(huán)境中的關(guān)鍵因素,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)流動(dòng)和能量循環(huán)有著直接影響,它的空間特征同樣對(duì)景觀格局演變有深遠(yuǎn)影響。在這方面,根據(jù)地形因素研究景觀格局梯度效應(yīng)是非常重要的[4-6]。研究景觀梯度有助于優(yōu)化當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境,為景觀規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支撐。

大多數(shù)關(guān)于景觀格局的研究側(cè)重于景觀格局的粒度和幅度。梯度分析也是反映景觀格局中梯度變化特性的常用研究方法[7-9]。伍娬等人構(gòu)建了以建成區(qū)中心向邊緣輻射的環(huán)形緩沖區(qū),分析緩沖區(qū)內(nèi)各個(gè)梯度的變化特征[10];白元等人在塔里木河流域建立了垂直分段和水平緩沖區(qū),并分析了沿河流分布的景觀梯度動(dòng)態(tài)[11];程舒鵬等人為揭露黃河下游寬河段沿岸的景觀格局梯度特征,在黃河下游主河道兩側(cè)設(shè)置緩沖區(qū)[12];巫麗蕓等人設(shè)置緩沖區(qū)于東山島海岸帶,并分析了東山島沿岸帶景觀破碎化梯度的特征[13]。然而,在縣域范圍內(nèi),特別在山區(qū)地區(qū),很少有利用景觀指標(biāo)和梯度的方法進(jìn)行景觀梯度特征分析。

國(guó)內(nèi)景觀格局上的研究較為豐富,為本研究的開(kāi)展提供了理論基礎(chǔ),但是從海拔梯度視角探究山區(qū)景觀格局的研究較為薄弱。為此,以阜平縣為研究區(qū),基于景觀生態(tài)學(xué)理論,選取景觀格局指數(shù)法和梯度分析法,采用ArcGIS軟件,以海拔最低點(diǎn)為中心構(gòu)建阜平縣緩沖帶分析2000—2020年各景觀類型在不同緩沖帶上的時(shí)空演變情況,以揭示不同海拔梯度阜平縣景觀格局演變趨勢(shì)和生態(tài)廊道變化,為阜平縣景觀優(yōu)化提供合理方案,推進(jìn)地區(qū)生態(tài)文明建設(shè)。

1 研究區(qū)概況

阜平縣地處太行山北段東麓,河北省保定市西部,是一個(gè)全山區(qū)縣。位于E 113°45′～114°32′,N 38°39′～39°08′,東鄰曲陽(yáng)、唐縣,西與山西五臺(tái)縣相連,南接靈壽、行唐,北與淶源及山西繁峙、靈丘接壤。北距北京245 km,東距雄安180 km、距天津295 km。地理位置優(yōu)越,自古被譽(yù)為“冀晉咽喉”“畿西屏障”。地勢(shì)由西北向東南降低。年平均氣溫為12.6 ℃,平均降水量582 mm,春季干旱而多風(fēng),夏季炎熱而濕潤(rùn),秋季涼爽而多雨,冬季漫長(zhǎng)而嚴(yán)寒。因地形多樣,具有多種區(qū)域小氣候。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本研究數(shù)據(jù)源于2000、2010、2020年3期Landsat TM/ETM系列遙感影像。利用ENVI 5.3軟件對(duì)遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、拼接和裁剪等預(yù)處理,根據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類》標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合研究區(qū)實(shí)際景觀類型及遙感影像特點(diǎn)將土地利用類型劃分成耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地6種類型。以上數(shù)據(jù)均來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn/)。

圖1 研究區(qū)景觀類型及緩沖帶劃分Figure 1 Landscape type and buffer zone division of study area

2.2 土地利用動(dòng)態(tài)度

土地利用動(dòng)態(tài)度可以反映特定土地利用類型時(shí)空演變規(guī)律,大小表示土地利用類型變化的劇烈程度,正負(fù)表示轉(zhuǎn)變方向。表達(dá)式為:

(1)

式中:K為土地利用類型動(dòng)態(tài)度;Ua、Ub分別為研究區(qū)基期及現(xiàn)期某種土地利用類型的面積;T為研究時(shí)段。

2.3 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣不僅可以定量表明不同土地利用類型之間的轉(zhuǎn)化情況,還可以揭示不同土地利用類型間的轉(zhuǎn)移速率。

(2)

式中:n為土地利用類型數(shù);Sij表示研究初期的土地利用類型i轉(zhuǎn)移成研究末期土地利用類型j的面積。

2.4 緩沖帶構(gòu)建

參考城市景觀梯度分析和緩沖區(qū)梯度帶的研究結(jié)果,考慮了研究區(qū)域的地理位置、阜平縣的分布特征和景觀類型的變化構(gòu)建緩沖帶[14-15]。以阜平縣海拔最低點(diǎn)為原點(diǎn)并設(shè)為第1緩沖帶,緩沖帶為環(huán)形緩沖帶向外以8 km為間隔輻射,建立8個(gè)緩沖帶,分別0～8 km、8～16 km、16～24 km、24～32 km、32～40 km、40～48 km、48～56 km和56～64 km,然后將8個(gè)緩沖帶與3年土地利用類型圖進(jìn)行疊加,進(jìn)而得到不同海拔處緩沖帶的景觀類型圖。

2.5 景觀指數(shù)選擇

景觀指數(shù)是反映景觀結(jié)構(gòu)特征和空間格局變化的直觀指標(biāo)[14-15]。參考相關(guān)成果,從類型水平和景觀水平2個(gè)景觀層次分析了阜平縣景觀格局梯度的特征。類型水平選取景觀面積比例(PLAND)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、斑塊面積(CA)、斑塊數(shù)(NP);景觀水平選取香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)、香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)、斑塊密度(PD)、邊緣密度(ED)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)、聚合度指數(shù)(AI)。運(yùn)用FRAGSTATS 4.2軟件計(jì)算每個(gè)景觀指數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化分析

3.1.1 土地利用時(shí)空變化特征 關(guān)于土地利用變化結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1。

表1 阜平縣2000-2020年土地利用結(jié)構(gòu)變化Table 1 Changes of land use structure in Fuping County from 2000 to 2020

2000-2020年草地面積占比逐年降低,由2000年的57.22%降至2020年的51.76%,所占比重高于其他土地利用類型,說(shuō)明阜平縣自然條件適宜草地生長(zhǎng),應(yīng)合理利用草地資源,改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境,發(fā)展現(xiàn)代草原畜牧業(yè)。2000-2020年耕地面積占比呈現(xiàn)先下降后上升趨勢(shì),其中2000-2010年耕地面積有所下降,從表象來(lái)講,是因?yàn)楦孛娣e補(bǔ)充速率小于耕地面積侵占的速率,但究其本質(zhì)來(lái)講,原因有二:其一,建設(shè)用地?cái)U(kuò)張侵占了大量耕地;其二,退耕還林政策的實(shí)施,促使部分耕地轉(zhuǎn)化為林地。正是在這2種原因的綜合作用下,導(dǎo)致耕地面積下降較為明顯。而后政府意識(shí)到建設(shè)用地?cái)U(kuò)張和耕地銳減的問(wèn)題并加以調(diào)控,2010-2020年耕地面積有所上升,耕地面積增加了38.7 km2,表明這10年間耕地?cái)?shù)量保護(hù)較好,耕地生產(chǎn)功能與社會(huì)保障功能較強(qiáng)。建設(shè)用地變化趨勢(shì)與耕地相同,面積從2000年的4.30 km2增加到了2020年的98.72 km2,建設(shè)用地總面積占比增加量最大,為3.79個(gè)百分點(diǎn),說(shuō)明阜平縣經(jīng)濟(jì)發(fā)展勢(shì)頭較好。林地面積由2000年的815.35 km2增加至2020年的825.37 km2,水域面積由2000年的43.44 km2增長(zhǎng)到2020年的50.74 km2,說(shuō)明阜平縣生態(tài)環(huán)境條件較好,水土涵養(yǎng)功能較強(qiáng)。未利用地為占比最低的景觀類型,面積由2000年的1.04 km2減少至2020年的0.02 km2。

從土地利用動(dòng)態(tài)度來(lái)看見(jiàn)表2。

表2 2000-2020年土地利用動(dòng)態(tài)度Table 2 Dynamic degree of land use from 2000 to 2020 %

建設(shè)用地是這2個(gè)時(shí)期內(nèi)變化最快的土地類型,與阜平縣近年來(lái)的發(fā)展有很大的關(guān)系;林地面積20年間變化程度微乎其微,屬于穩(wěn)定的土地利用類型;草地土地利用動(dòng)態(tài)度在整個(gè)研究期均為負(fù)值,且前10年和后10年的下降速率大致相同,說(shuō)明草地被其他土地利用類型侵占。建設(shè)用地土地利用動(dòng)態(tài)度在2000-2010年數(shù)值高達(dá)152.90%,變化最為顯著,遠(yuǎn)超其他地類,表明該時(shí)期城市化水平提高;2010-2020年建設(shè)用地?cái)U(kuò)張速度降低,土地利用動(dòng)態(tài)度數(shù)值變化相比前10年變化幅度小,但和其他土地利用類型相比變化仍最大。耕地和林地土地利用動(dòng)態(tài)度變化幅度較低,耕地先減少后提升,林地反之,表明耕地與林地利用較穩(wěn)定。

3.1.2 土地利用類型轉(zhuǎn)移分析 本研究通過(guò)構(gòu)建土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(表3)來(lái)分析土地變化趨勢(shì)。

表3 2000-2020年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Table 3 Land use transfer matrix from 2000 to 2020

研究區(qū)內(nèi)以耕地、草地、林地和建設(shè)用地4類土地利用類型之間的轉(zhuǎn)化為主要特征。從表3可以看出,新增建設(shè)用地主要源于草地,調(diào)入量呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì),2000-2010年為45.96 km2,表明建設(shè)用地在此期間占用了較多草地;林地的主要調(diào)入來(lái)源為草地,2個(gè)時(shí)間段比重?cái)?shù)值高達(dá)97.8%和91.2%;林地在研究期間主要轉(zhuǎn)為草地,轉(zhuǎn)出量保持上升趨勢(shì),由2000-2010年的8.72 km2上升至2010-2020年的22.12 km2,比重由55%變?yōu)?3%,林地轉(zhuǎn)出量小于轉(zhuǎn)入量,表明林地面積增加;耕地和林地主要由草地調(diào)出,與此同時(shí)草地主要由耕地和林地調(diào)入;水域與草地的轉(zhuǎn)化關(guān)系大致相同,水域向草地、耕地調(diào)出的同時(shí),草地和耕地亦向水域調(diào)入。

3.2 景觀格局總體特征

阜平縣類型水平上的景觀格局指數(shù)顯示見(jiàn)表4。

表4 研究區(qū)類型水平景觀指數(shù)Table 4 Horizontal landscape index of study area

由表4可知,從2000年到2020年,景觀面積占比最高的為草地,第二是林地,阜平縣城鎮(zhèn)邊界不斷蔓延,建設(shè)用地面積增加迅速,從2000年的0.17%增至2020年的3.96%。耕地面積先減少后增長(zhǎng),3個(gè)時(shí)期的比例分別是8.13%,7.59%和9.15%;林地面積不斷增加,由2000的32.69%增為2020年的33.10%;由于耕地和建設(shè)用地的侵占,草地總面積也隨之減少。從2000年到2020年,耕地的斑塊數(shù)量持續(xù)增加,破碎化程度增加;林地斑塊數(shù)量持續(xù)減少,一些小的零散森林減少,只剩下少數(shù)大的山林。建設(shè)用地的斑塊數(shù)量繼續(xù)增加,這表明隨著城市化的加速,建設(shè)用地在2000年至2020年期間快速擴(kuò)張,并占用其他景觀。草地的最大斑塊指數(shù)在3個(gè)時(shí)期內(nèi)均最高,但呈下降趨勢(shì),表明草地一直是研究區(qū)內(nèi)優(yōu)勢(shì)斑塊,但是優(yōu)勢(shì)度逐年減弱;在過(guò)去的20年中,房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)和道路交通等建設(shè)導(dǎo)致建設(shè)用地顯著增長(zhǎng)和集聚,最大斑塊指數(shù)從0.08持續(xù)上升至0.35。耕地和建設(shè)用地景觀形狀指數(shù)總體呈上升趨勢(shì),景觀形狀逐漸趨于復(fù)雜,表明人類活動(dòng)的影響日益強(qiáng)烈。林地景觀形狀指數(shù)總體增加,景觀形態(tài)也越來(lái)越復(fù)雜。未利用地景觀形狀指數(shù)基本不變,表明景觀類型不受人類干預(yù)的影響。

研究區(qū)域不同時(shí)期景觀水平上的景觀指數(shù)變化統(tǒng)計(jì)分析如圖2所示。

(a) 斑塊密度和邊緣密度

(b) 蔓延度和聚合度指數(shù)

(c) 香農(nóng)多樣性和香農(nóng)均勻度指數(shù)圖2 研究區(qū)景觀水平景觀指數(shù)Figure 2 Landscape level and landscape index of study area

2000年至2020年,阜平縣的PD和ED總體呈上升趨勢(shì),表明研究區(qū)域的景觀形狀趨于復(fù)雜;2000-2020年,蔓延度指數(shù)與聚合度指數(shù)都呈現(xiàn)下降趨勢(shì),分別下降5.64%和0.85,表明研究區(qū)內(nèi)景觀破碎度增強(qiáng),連通性減弱;香農(nóng)多樣性指數(shù)和香農(nóng)均勻度指數(shù)在2000年為0.97和0.54,2020年上升至1.13和0.63,表明景觀類型多樣化且分布均勻。結(jié)果表明,近20年來(lái),人類活動(dòng)對(duì)阜平縣景觀格局的干預(yù)增強(qiáng),景觀穩(wěn)定性逐漸下降,景觀異質(zhì)性逐漸增強(qiáng)。

3.3 類型水平的景觀格局梯度分析

耕地、建設(shè)用地和水域的景觀指數(shù)如圖3所示。以景觀面積比例、最大斑塊指數(shù)和景觀形狀指數(shù)來(lái)反應(yīng)土地利用類型梯度變化,進(jìn)一步揭示阜平縣不同景觀類型的時(shí)空格局發(fā)展變化特征。

(a) 耕地景觀面積占比

(b) 耕地最大斑塊

(c) 耕地景觀形狀

(d) 水域景觀面積占比

(e) 水域最大斑塊

(f) 水域景觀形狀

(g) 建設(shè)用地景觀面積占比

(h) 建設(shè)用地最大斑塊

(i) 建設(shè)用地景觀形狀圖3 類型水平的景觀格局梯度變化特征Figure 3 Change characteristics of landscape pattern gradient at type level

3.3.1 耕地 耕地景觀面積(PLAND)占比隨海拔梯度的上升先呈現(xiàn)驟減趨勢(shì),后趨于平緩。在0～40 km緩沖帶,研究期內(nèi)耕地景觀面積占比隨海拔梯度增加呈急驟下降趨勢(shì),說(shuō)明耕地的景觀優(yōu)勢(shì)度與海拔梯度成反比,耕地的景觀優(yōu)勢(shì)度受海拔高度影響強(qiáng)烈。2000-2010年景觀面積比例逐年降低,表明近年來(lái)建設(shè)用地不斷擴(kuò)張,耕地被建設(shè)用地侵占。而隨著距阜平縣海拔最低點(diǎn)距離的增加,耕地侵占強(qiáng)度隨海拔升高而逐漸衰減。而后2010-2020年的PLAND增長(zhǎng),原因是近些年在政府的扶持下,農(nóng)戶大規(guī)模種植食用菌,發(fā)展食用菌產(chǎn)業(yè),因此耕地面積有所上升。40 km以外區(qū)域,2000-2020年P(guān)LAND數(shù)值低且變化不明顯,表明該區(qū)域多山地,耕地占比少且趨于穩(wěn)定。2000-2020年耕地最大斑塊指數(shù)(LPI)曲線整體呈“u”型的先下降后上升的變化趨勢(shì)。從海拔分布看,低海拔梯度下耕地最大斑塊指數(shù)最高,表明人類活動(dòng)與耕地利用強(qiáng)度高;隨著海拔增高最大斑塊指數(shù)驟降,到40 km處下降到最小,40 km梯度內(nèi)地形差異較大,連通性較差,不利于耕地集中耕種。大于40 km處,隨著海拔梯度的增加,耕地最大斑塊指數(shù)也隨之上升,耕地集中分布在河流兩岸以及村莊附近。從時(shí)間跨度來(lái)看,在40～64 km緩沖帶處,隨著年份增長(zhǎng),受退耕還林和易地搬遷雙重政策的影響,耕地最大斑塊指數(shù)呈逐漸下降趨勢(shì)。3個(gè)時(shí)期耕地景觀形狀指數(shù)(LSI)曲線呈現(xiàn)先升后降的“n”型變化趨勢(shì),最大值出現(xiàn)在16 km緩沖帶,數(shù)值為22.02、23.47、23.20。結(jié)果表明,16 km緩沖帶的形狀最復(fù)雜,人為干擾最大。從海拔分布看,0～16 km梯度下耕地景觀形狀隨海拔梯度的上升而增大,16～32 km梯度下耕地景觀形狀指數(shù)普遍較高,原因在于距城鎮(zhèn)中心近,人為活動(dòng)強(qiáng),表明該范圍內(nèi)人類活動(dòng)對(duì)耕地景觀格局的干擾強(qiáng)度較大。16～64 km緩沖帶下耕地景觀形狀隨海拔梯度的上升而下降,因距城鎮(zhèn)中心遠(yuǎn),自然景觀成為主導(dǎo)景觀,因此形狀復(fù)雜性相對(duì)較小。從時(shí)間跨度來(lái)看,耕地景觀形狀呈上升趨勢(shì),且前10年景觀形狀指數(shù)增幅大于后10年,前10年人類活動(dòng)對(duì)景觀格局的干擾強(qiáng)度高于后10年。

3.3.2 建設(shè)用地 建設(shè)用地景觀面積占比曲線隨海拔梯度的上升除2000年波動(dòng)平緩?fù)?2010、2020年2個(gè)時(shí)期的緩沖帶整體變化趨勢(shì)相似,均呈“升-降-升-降”趨勢(shì)變化。0～40 km緩沖帶的變化范圍很廣:最大值出現(xiàn)在24 km緩沖帶,隨后景觀面積占比快速下降,大于40 km緩沖帶2010年和2020年的PLAND變幅較小,隨海拔梯度的上升整體呈減小趨勢(shì),但在48 km緩沖帶又出現(xiàn)較大值。從時(shí)間跨度來(lái)看,2000-2020年耕地景觀面積占比增幅顯著,但2000-2010年增速更快,原因是阜平縣的建設(shè)用地在2000-2010年大量增加。2010-2020期間,16～24 km緩沖帶的增幅顯著大于40～48 km緩沖帶,表明隨著海拔梯度的上升,距離城鎮(zhèn)中心近,景觀優(yōu)勢(shì)度強(qiáng)。建設(shè)用地最大斑塊指數(shù)2000年整體趨勢(shì)平緩,2010年呈現(xiàn)先下降后上升的變化趨勢(shì),2020年總體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。從海拔分布看,低海拔梯度下建設(shè)用地最大斑塊指數(shù)最高,表明人類活動(dòng)較強(qiáng);隨著海拔上升,距城鎮(zhèn)越來(lái)越遠(yuǎn),受人類活動(dòng)影響下降,最大斑塊指數(shù)急速下降。從時(shí)間跨度上看,0～30 km海拔梯度帶處建設(shè)用地最大斑塊指數(shù)變化劇烈,其主要原因?yàn)樵撎荻葞聻榻ㄔO(shè)用地集聚區(qū),建設(shè)用地近年大量擴(kuò)張,0～8 km梯度帶下,2000-2010年LPI變化顯著隨后趨于平緩;8～32 km梯度帶下,2010-2020年LPI變化顯著,32～40 km梯度帶下2000-2010年LPI變化較大隨后趨于平緩。建設(shè)用地景觀形狀指數(shù)除2000年整體變化趨勢(shì)平緩,2010與2020年均呈現(xiàn)“n”型的先上升后下降的變化趨勢(shì),在24～32 km處景觀形狀指數(shù)數(shù)值較高,表明該范圍內(nèi)形狀最為復(fù)雜且受人為干擾最大,從海拔分布看,0～24 km海拔梯度下景觀整體形狀復(fù)雜性保持穩(wěn)定上升,24～32 km海拔梯度下趨于平緩,建設(shè)用地景觀形狀指數(shù)增高,32～64 km緩沖區(qū)間內(nèi)景觀形狀的復(fù)雜性逐漸降低,表明城市正在低海拔的區(qū)域擴(kuò)張,導(dǎo)致景觀形狀趨于復(fù)雜,在較高海拔區(qū)間,因距城鎮(zhèn)中心遠(yuǎn),建設(shè)用地分散,自然景觀為主導(dǎo)景觀,其形狀復(fù)雜性相對(duì)較小。從時(shí)間跨度來(lái)看,建設(shè)用地景觀形狀呈上升趨勢(shì),且前10年LSI增幅顯著,因?yàn)榻┠旮菲娇h大力發(fā)展,建設(shè)用地在前10年擴(kuò)張力度高于后10年。

3.3.3 水域 從整體上看,2000-2020年水域最大斑塊指數(shù)與水域景觀面積占比曲線均呈現(xiàn)“L”型先降低后趨于平緩的變化趨勢(shì)。0～8 km海拔梯度下,地形平緩,受自然因素與人為因素影響,由高山匯流形成水庫(kù),水域最大斑塊指數(shù)與水域景觀面積占比高,水域景觀優(yōu)勢(shì)度強(qiáng)。隨著海拔梯度的增加,地形起伏大,人為干預(yù)減小,水域斑塊優(yōu)勢(shì)度降低。0～24 km海拔梯度內(nèi),水域景觀形狀指數(shù)隨著海拔升高而增大,整體上看水域景觀形狀指數(shù)曲線類似“m”型波動(dòng)。水域在阜平縣聚中連片分布,隨著緩沖帶的變化景觀形狀指數(shù)波動(dòng)劇烈,呈現(xiàn)波動(dòng)增長(zhǎng)最后急驟下降,這主要是因?yàn)榈秃０蔚貐^(qū)大部分水域都是形狀簡(jiǎn)單而規(guī)則的湖泊;阜平縣中部海拔以河流為主,河流較為分散,因此景觀形狀復(fù)雜,碎片化程度較高;而高海拔地區(qū)地形起伏大,河流向低洼流動(dòng),水域占比極低。

3.4 景觀水平的景觀格局梯度分析

從景觀水平上來(lái)看,各景觀指數(shù)隨距阜平縣海拔最低距離變化特征如圖4所示。

(a) 斑塊密度

(b) 邊緣密度

(c) 蔓延度指數(shù)

(d) 聚合度指數(shù)

(e) 香農(nóng)多樣性指數(shù)

(f) 香濃均勻度指數(shù)圖4 景觀水平的景觀格局梯度變化特征Figure 4 Change characteristics of landscape pattern gradient at landscape level

景觀破碎化方面,斑塊密度(PD)總體變化趨勢(shì)呈下降趨勢(shì),景觀逐漸集聚。斑塊密度在2020年一直最高,2000年一直最低。16～48 km緩沖帶處3個(gè)時(shí)期斑塊密度的差值顯著,2000-2020年阜平縣景觀格局破碎化程度逐年增加且前10年的增幅大于后10年,在中高海拔地區(qū)易發(fā)生景觀破碎化現(xiàn)象。邊緣密度(ED)隨著海拔升高而逐漸降低,低海拔梯度地區(qū)景觀斑塊的邊緣長(zhǎng)度比高海拔地區(qū)長(zhǎng),表明低海拔地區(qū)由于距離居民點(diǎn)近,景觀斑塊受人為影響分割為更多的單體斑塊,斑塊之間的離散程度增加。

在景觀聚集性方面,隨著距阜平縣海拔最低點(diǎn)距離的增加,其蔓延度和聚合度指數(shù)呈上升趨勢(shì)。如圖所示,每個(gè)梯度帶的景觀聚集度(AI)均大于90%,表明景觀由幾個(gè)大斑塊組成,景觀異質(zhì)性較弱,景觀相對(duì)集中。隨著時(shí)間的推移,人類活動(dòng)的干擾增加,景觀的異質(zhì)性增加。在32～40 km緩沖帶急劇下降后,景觀聚集度隨著海拔梯度的升高而迅速增加,這表明城市越遠(yuǎn),景觀連通性越好。由于阜平縣發(fā)展迅速,建設(shè)用地大幅增加,其他類型的景觀被占用,景觀聚集性降低、破碎化增強(qiáng),2020年的CONTAG和AI顯著低于前2個(gè)時(shí)期。

景觀多樣性方面,香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)和香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)變化趨勢(shì)基本一致,均隨海拔梯度的升高而逐漸降低,在距阜平最低點(diǎn)16～40 km的區(qū)域內(nèi),香農(nóng)多樣性指數(shù)和香濃均勻度指數(shù)變化不大,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。在3個(gè)時(shí)期的指數(shù)特征為:2020年>2010年>2000年,該值呈逐年增加趨勢(shì),表明阜平縣景觀異質(zhì)性增強(qiáng),景觀類型更加豐富且空間結(jié)構(gòu)更加均勻。在低海拔距離城市較近的梯度帶中,受到城市擴(kuò)張的嚴(yán)重影響,人類干擾頻繁,景觀多樣性高。但海拔梯度越高的區(qū)域則表現(xiàn)出更為顯著的景觀單一性。

4 討論與結(jié)論

國(guó)內(nèi)景觀格局上的研究多在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)或地區(qū),而在山地地區(qū)的研究較少,阜平縣是典型山區(qū),土地利用景觀時(shí)空演變研究可以為當(dāng)?shù)鼐坝^規(guī)劃設(shè)計(jì)及生態(tài)環(huán)境優(yōu)化提供一定依據(jù)。以阜平縣為研究區(qū),利用GIS技術(shù)和Fragstats軟件,采用2000、2010、2020年的3期LandsatTM遙感影像數(shù)據(jù),選取土地利用動(dòng)態(tài)模型、土地利用轉(zhuǎn)移矩陣和景觀格局指數(shù)等方法定量分析2000-2020年阜平縣景觀格局變化。

(1)從土地利用動(dòng)態(tài)變化上來(lái)看,20年來(lái)阜平縣土地利用變化較為明顯。草地是阜平縣最主要的土地利用類型,2000-2020年整體占比最低為51.76%,最高為2000年的57.22%,呈減少趨勢(shì);林地是第二大利用類型,在過(guò)去的20年中,林地森林面積先增加后減少;耕地面積先減少后增加;建設(shè)用地和水域都在增加。從土地利用動(dòng)態(tài)度來(lái)看,動(dòng)態(tài)變化較為明顯。土地利用類型轉(zhuǎn)換主要發(fā)生在草地與建設(shè)用地、耕地與林地、草地與林地、草地與耕地之間,主要通過(guò)草地的轉(zhuǎn)出、耕地和林地的轉(zhuǎn)入為主。其中阜平縣擴(kuò)張最為顯著的是建設(shè)用地,表明研究期內(nèi)阜平縣工業(yè)發(fā)展迅速。

(2)從景觀格局時(shí)空變化來(lái)看。類型水平上,各景觀類型在梯度特征上都出現(xiàn)了不同的結(jié)果。耕地景觀面積占比整體呈現(xiàn)隨海拔梯度的上升先驟減,后趨于平緩;最大斑塊指數(shù)曲線整體呈“u”型的先下降后上升的變化趨勢(shì);景觀形狀指數(shù)曲線變化呈“n”型先增大后減小的變化趨勢(shì)。建設(shè)用地景觀面積占比、最大斑塊指數(shù)、景觀形狀指數(shù)曲線隨海拔梯度的上升呈現(xiàn)不同變化趨勢(shì),說(shuō)明阜平縣20年來(lái)建設(shè)用地大規(guī)模擴(kuò)張,發(fā)展迅速。2000-2020年水域最大斑塊指數(shù)與水域景觀面積占比曲線均呈現(xiàn)“L”型先降低后趨于平緩的變化趨勢(shì),景觀形狀指數(shù)隨著海拔的升高而增大,水域景觀形狀指數(shù)曲線類似“m”型的呈“升-降-升-降”波動(dòng)。景觀水平上,不同海拔梯度景觀格局指數(shù)變化差異顯著。在空間上,斑塊密度、邊緣密度、香農(nóng)多樣性和香農(nóng)均勻度指數(shù)隨距阜平縣海拔最低點(diǎn)距離的增加而降低,變化趨勢(shì)截然相反的為蔓延度指數(shù)和聚合度指數(shù),海拔梯度越高的地區(qū)景觀越明顯表現(xiàn)出單一性。時(shí)間上前10年的指數(shù)變化遠(yuǎn)大于后10年。

土地利用景觀格局變化特征受海拔梯度的影響。此研究闡釋了阜平縣不同海拔高度景觀格局的空間和時(shí)間變化規(guī)律。景觀格局的研究對(duì)尺度具有顯著的依賴。設(shè)立不同梯度樣帶的方法、設(shè)置不同形狀的緩沖區(qū)都會(huì)影響景觀指數(shù)的結(jié)果。但是無(wú)論使用哪種梯度分析,梯度帶上景觀變化的總體規(guī)律是相同的,沒(méi)有顯著差異。利用高分辨像率影像數(shù)據(jù)提高景觀格局分析的準(zhǔn)確性,可以表明,人類干預(yù)和城市化發(fā)展是景觀格局時(shí)空變化的重要驅(qū)動(dòng)因素,對(duì)景觀生態(tài)建設(shè)和城市資源規(guī)劃具有重要參考價(jià)值。

針對(duì)阜平縣的景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)及生態(tài)環(huán)境優(yōu)化,未來(lái)將根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r配置和調(diào)整同海拔梯度區(qū)域景觀結(jié)構(gòu);在快速發(fā)展的背景下,針對(duì)不同海拔高度的區(qū)域,有針對(duì)性地優(yōu)化、調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu),采取措施避免針對(duì)性較強(qiáng)的農(nóng)用地或林地?fù)p失;對(duì)于低海拔地區(qū)的城市化進(jìn)程,應(yīng)嚴(yán)格控制土地開(kāi)發(fā)強(qiáng)度,減少景觀碎片化,以及充分處理好城市化與區(qū)域環(huán)境保護(hù)之間的關(guān)系;此外,還應(yīng)在高、中高、中低級(jí)別地形地區(qū)采取促使耕地恢復(fù)森林的舉措,并應(yīng)嚴(yán)格禁止毀林等不當(dāng)做法,以確保林地景觀的水源保護(hù)等生態(tài)功能、生物活動(dòng)和遷移量、水土流失緩解,實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧持續(xù)發(fā)展。