基于 GIS和景觀生態學的土地整理景觀研究

田勁松,過家春,劉 琳,江竹華

(1.安徽農業大學理學院,合肥 230036;2.安徽田園土地規劃設計有限公司,合肥 230031)

基于 GIS和景觀生態學的土地整理景觀研究

田勁松1,過家春1,劉 琳1,江竹華2

(1.安徽農業大學理學院,合肥 230036;2.安徽田園土地規劃設計有限公司,合肥 230031)

運用 G IS技術和景觀生態學理論方法,以安徽省淮南市潘集區市級投資重點土地整理項目為例,選取 3類景觀指標,對項目區內土地整理前后的土地利用現狀和景觀格局變化情況進行研究。結果表明:景觀類型中水田斑塊占絕對優勢,斑塊分維數、形狀指數呈下降趨勢,表明斑塊形狀趨于規則和簡單;斑塊數量和斑塊密度降低,平均斑塊面積和最大斑塊面積增加,最大斑塊指數增大,景觀破碎度降低;平均分維數和平均形狀指數增大,表明景觀形狀較整理前變得規則,但總體形態變得復雜;多樣性指數和均勻度指數降低,表明在增加了景觀分布均勻程度的同時降低了景觀的多樣性,景觀類型有所減少。

土地整理;GIS;景觀生態學;景觀格局

0 引言

土地整理活動是一個重建生態環境系統的過程,它將對區域環境要素及其生態過程產生影響。Mohen B K[1]等提出了利用中性分類方法研究城市土地利用現狀監測網絡;BonfantiP[2]等從區域的角度探討了土地整理對景觀格局的影響,提出了全面的、有價值的土地整理格局變化信息需要利用景觀指數,從區域等多種時空尺度上去研究。但我國關于土地整理項目的景觀效益分析還缺乏系統研究[3]。土地整理的生態環境影響因子可以歸納為土地整理項目工程的特性、土地整理后土地利用類型結構的變化以及景觀格局的變化。其中,土地整理項目工程會對土壤質量、水文環境、生物多樣性、農田小氣候等產生影響;未利用土地的開發、交通用地的增加以及土地利用類型的單一化會對生態環境產生影響;而土地景觀格局的變化可能會影響動物生態行為,同時會提高區域整體的環境美學價值[4-8]。以前土地整理主要注重其經濟效益,但土地整理景觀效應研究是土地整理理論和實踐研究的重要組成部分。如何借鑒與綜合景觀生態學理論方法來科學、客觀地進行土地整理景觀生態分析,以推動土地整理的健康有序發展,是重要而又亟待解決的問題[9]。

本文在整理和借鑒已有理論和方法的基礎上,運用 G IS和景觀生態學理論方法,以安徽省淮南市潘集區高隍鎮蘇咀等 9個村土地整理項目為例,選取斑塊水平 (Patch-level Index)、斑塊類型水平(C lass-level Index)和景觀水平 (Landscape-level Index)3個層次中的主要指標,對項目區內土地整理前后的土地利用現狀和景觀格局變化情況進行研究,旨在為新時期土地整理工作的效益評價和規劃設計提供依據。

1 研究區概況

潘集區位于淮南市淮河以北地段,東部與南部都以淮河為界,北及東北方向與懷遠相鄰,以茨淮新河、黑河為界,地處淮北平原的南端,形如柳葉狀,東西長而南北狹窄。高皇鎮位于潘集區東部,南與田家庵中心城區隔淮河相望,轄區面積 7 000.00 hm2,耕地 3 712.8 hm2。研究區位于淮南市潘集區高皇鎮境內,涉及蘇咀村、老圩村、曹尹村、趙崗村、前圩村、朱崗村、后集村、巷東村及勝利村等 9個行政村。土地總面積 376.999 7 hm2。

2 研究方法

首先,依據新版土地利用分類結構和土地利用現狀,將研究區內的景觀格局分為 7大類 11小類。

然后,借助土地整理前的 1∶1萬土地利用現狀圖、1∶1萬地形圖、1∶2 000勘測定界圖以及整理后的1∶2 000土地整理成果圖,利用 MapGIS 6.7、數字化成圖軟件 (南方 cass7.0)以及 Excel2003軟件進行圖形屬性 (面積、周長、斑塊數量等)分析和統計,整理前后的土地利用類型面積統計結果如表 1所示。

表 1 土地整理實施前后的土地利用類型面積統計Tab.1 Count the classification area before and after land consolidation

最后,使用 Excel2003計算研究區內景觀格局各項指標變化情況,從斑塊水平、斑塊類型水平和景觀水平 3個層次上分別選取主要指標參數進行計算,并分析景觀格局變化效應。

3 景觀指標的選取[10,11]

景觀指標是指能夠高度濃縮景觀格局信息,并反映其結構組成和空間配置等方面特征的定量指標。景觀格局特征可以從單個斑塊指標、斑塊類型指標以及景觀鑲嵌體[12]3個層次上分析。本文景觀格局指標選取了單個斑塊水平指標 (主要有斑塊形狀指數和斑塊分維數)、斑塊類型水平指標 (主要選取斑塊總面積、景觀百分比、最大斑塊指數、平均斑塊面積)和景觀水平指標 (平均形狀指數、平均分維指數、多樣性指數、均勻度指數、優勢度指數)。

3.1 斑塊水平指標

斑塊水平指標是描述研究區分布的每一個斑塊的幾何特征指數,可以定量反映每個斑塊在景觀中的生態學意義和屬性特征。一般情況下,人類干擾強度大,斑塊形狀就趨于簡單,具有較低的分維值,但自然形成的斑塊邊緣趨于復雜化,分維值較高。

(1)形狀指數 (A)。其公式為

式中,pij為斑塊周長 (m);aij為斑塊面積 (m2)。

(2)斑塊分維數 (B)。其公式為

3.2 斑塊類型水平指標

斑塊類型水平指標是描述研究區每一種類型的景觀指數[13],它綜合了某一既定類型景觀類型上所有的斑塊信息,表征景觀空間構型的破碎度[14]。主要指標有斑塊總面積、景觀百分比、最大斑塊指數及平均斑塊面積等,是用來表征景觀空間構型的主要因素。

(1)斑塊總面積 (C)。其公式為

式中,Z為景觀總面積。

(3)最大斑塊指數 (G)。該指數描述了整個景觀被最大斑塊占據的程度,是優勢度的一個簡單測度,其公式為

(4)平均斑塊面積 (H)。該數據是景觀類型和面積的綜合測度,其公式為

式中,H的單位是 hm2;n是斑塊數目。

3.3 景觀水平指標

景觀水平指標是把研究區作為一個整體來描述景觀格局分布的特征指數,它綜合了所有景觀類型的信息或是建立在所有信息上的指標[15,16]。這些指標對整個區域的生態過程及其相互之間的作用提供了必要條件,它是表征景觀多樣性、均勻度和優勢度的關鍵指標。

(1)平均形狀指數 (M)。該指數是景觀形狀的測度,其公式為

式中,aij為相應斑塊面積。

(2)景觀百分比 (D)。其公式為

式中,aij為相應斑塊面積 (m2);Y為景觀中斑塊數目。

(2)平均分維指數 (N)。該指數表示景觀總體的形狀特征,其公式為

式中,pij為斑塊周長 (m)。

(3)Simp son多樣性指數 (O)。該指數表示隨機選取的景觀類型是不同類型的可能性,其公式為

式中,Di表示景觀類型 i的景觀百分比。

(4)Simp son均勻度指數 (P)。Simp son均勻度指數是景觀均勻度的測度,均勻度是指不同景觀類型面積分布的均勻程度,其公式為

式中,Di表示景觀類型 i的景觀百分比;m表示與景觀類型 i相鄰的景觀類型 j的類型數目。

(5)優勢度指數 (Q)。優勢度指數表征某一景觀類型在整個景觀中的優勢程度,其公式為

式中,Di表示景觀類型 i的景觀百分比;m表示與景觀類型 i相鄰的景觀類型 j的類型數目。

4 結果與分析

4.1 土地整理對斑塊格局特征的影響

土地整理前后對斑塊格局特征的影響通過斑塊水平指標來反映[17]。一般情況下,人類干擾強度大,斑塊形狀就趨于簡單,具有較低的分維值,但自然形成的斑塊邊緣趨于復雜化,分維值較高,計算結果如表 2所示。

表 2 土地整理前后景觀類型的斑塊特征比較Tab.2 The patch characteristics of landscape before and after land consolidation

從表 2分析得知,土地整理后,研究區旱地全部轉變為水田,耕地數量和斑塊總面積最大,在景觀中占有絕對優勢。從斑塊分維數可以看出,各種景觀斑塊的分維值大部分呈下降趨勢,表明斑塊形狀趨于規則簡單。另外,水田斑塊的分維數最大,表明此斑塊的周長最長以及整體形狀最復雜。斑塊形狀指數基本呈下降趨勢,表明景觀中斑塊形狀趨于規則,水田斑塊的形狀指數最大,表明其形狀最復雜。整理后旱地全部轉變為水田,分維數和形狀指數均為 0,水田斑塊的分維數由1.462 1下降為 1.370 8,形狀指數由 31.323 4降為 15.865 2,農村宅基地斑塊的形狀指數由25.890 5下降為10.224 1,分維數由 1.461 4下降為 1.421 9,表明土地整理對水田和旱地的影響較大,其邊緣比較規則,有利于機械化作業和田間管理。規劃后水田斑塊形狀較整理前規則,水田、旱地和農村宅基地斑塊受人為因素干擾較大。整理前后果園斑塊面積保持不變,但形狀指數和分維數均降低較大,表明只是對其形狀進行了整理,受人為因素干擾斑塊形狀比較規則,邊緣變得簡單。

4.2 土地整理對斑塊類型水平指標的影響

利用M apG IS 6.7進行面積、周長及斑塊數量的分析和統計。利用 Excel 2003軟件計算斑塊總面積、景觀百分比、最大斑塊指數、平均斑塊面積等 4項指標值。屬性信息統計結果如表 3所示,斑塊類型水平指標計算結果如表 4所示。

表 3 整理前后斑塊屬性統計Tab.3 Count the patch-attribute before and after land consolidation

表 4 斑塊類型水平指標Tab.4 The pa tch c lass-level index

從表 3、表 4可以看出,土地整理后,斑塊數量減少了 2 973個,降低了 62.49%。平均斑塊面積增加了 5.275 6 hm2,與整理前比較,斑塊變得均勻。從斑塊總面積、景觀百分比、最大斑塊指數可以看出,整理后水田斑塊數量下降,面積增大,形狀規則,斑塊聚集度增加,斑塊破碎度明顯下降;整理后原來的果園、溝渠等斑塊總面積、景觀百分比、最大斑塊指數變化不大,說明只做過邊界調整,破碎度沒有明顯變化;對一些小水塘和部分農村宅基地斑塊整理成水田,但水塘斑塊面積增大,而數量明顯減少,破碎度降低;從景觀整體來看,景觀整體優勢度增加,破碎度降低。

4.3 土地整理對景觀水平指標的影響

計算出斑塊形狀指數、斑塊分維數、斑塊數目的和,以及景觀百分比平方和、研究區景觀類型數目,其結果如表 5所示。

表 5 斑塊水平和斑塊類型水平數據統計Tab.5 Count patch-level index and class-level index

根據景觀生態學原理[18],景觀水平指標主要包括景觀平均形狀指數、平均分維指數、Sim pson多樣性指數、Simp son均勻度指數和優勢度指數,結合Excel2003,計算結果如表 6所示。

表 6 景觀整體空間水平指標Tab.6 Overall spatial landscape-level index

從表 6分析,平均形狀指數有所增加,說明景觀形狀接近于規則;平均分維指數增大,說明景觀總體的形態變得比整理前復雜;多樣性指數和均勻度指數的大小取決于斑塊類型的多少和各斑塊類型在面積分布上的均勻度,兩者值越大,說明景觀結果組成的復雜性越大、景觀分布越不均勻。整理后Simpson多樣性指數降低,說明景觀整體類型數目減少,景觀異質性較高,但各景觀類型所占比例差別較大;Simpson均勻度指數降低,說明景觀分布均勻程度有所增大,但仍有景觀類型面積分布不均勻、少數景觀類型控制整個景觀的現象;從優勢度指數也可以分析出,整理前后優勢度指數值均大于 1,表示景觀只受一個或幾個斑塊類型支配,這與通過均勻度指數分析出來的結果一致。

5 結論

(1)基于 GIS和景觀生態學豐富了土地整理景觀研究的理論和方法,為土地整理規劃與可行性研究中景觀效益評價提供了參考。

(2)此次土地整理增加了水田斑塊面積,完善了農田水利,提高了灌溉、排澇標準,增強了抵御旱澇災害的能力,提高了耕地質量,增加了耕地產出率。

(3)通過田塊重劃、土地平整和完善田間道路工程等工作,方便了田間作業,改善了農業生產條件,為區內農業機械化生產和規模化經營創造了條件。

(4)通過土地整理,斑塊形狀趨于規則,景觀整體空間水平提高;各種景觀斑塊的分維值大部分呈下降趨勢,多樣性指數、均勻度指數降低,說明土地整理后景觀破碎度和景觀多樣性有所降低。

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(責任編輯:刁淑娟)

A Study of Landscape Pattern of Land Consolidation Based on G IS and Landscape Eco logy

TIAN Jin-song1,GUO Jia-chun1,LIU Lin1,JIANG Zhu-hua2
(1.Anhui Agricultural University,Hefei230036,China;2.Anhui Rural Land Planning and Design Company,Hefei230031,China)

U sing GIS technology as well as theory and methods of landscape ecology,the authors studied landscape pattern of land consolidation. Exemplified by the land consolidation key project for Huainancity,the authors selected three targets and probed into the land use situation and landscape pattern before and after land consolidation.The changes of land use structure and landscape patterns based on land consolidation were analyzed using Geographical Information System combined with the method of landscape ecology,and some results were obtained.First,paddy fields are predominant in the landscape pattern,and the patch fractal dimension and the shape parameters tend to decrease gradually,indicating that the pattern of patches has become regular and simple.Second,the number of landscape patches and patch densities are relatively low,the average patch area and the maxim um patch area increase,and the maximum patch index rises steadily.A ll this show s that landscape diversity has been reduced simultaneously with the increase of the landscape distribution uniformity.

Land consolidation;Geographical Information System;Landscape ecology;Landscape pattern

田勁松 (1975-),男,講師,碩士,主要從事土地整理、3S技術和景觀生態學方面的研究。

TP 301.24

A

1001-070X(2011)01-0110-05

2010-06-15;

2011-01-04

安徽農業大學校長青年基金“優秀”項目(編號:2010008);安徽省高等學校省級自然科學研究項目(編號:KJ2010B339)。