基于GIS的臨沂市土地利用景觀格局梯度分析

范慶亞，吳國平，馬慶申，陳功勛，崔敬濤

（1．南京大學 地理與海洋科學學院，南京210093；2．江蘇省基礎地理信息中心，南京210013）

土地利用／土地覆蓋變化（LUCC）是目前地理學研究的前沿問題之一［1］，土地利用變化是人類活動與自然環境相互作用的集中體現［2－3］。近年來，利用3S技術和景觀生態學的方法進行土地利用景觀的研究日益成為熱點，探討土地利用與景觀生態過程的相互關系，是了解人類社會和自然環境相互作用關系的重要途徑之一［4］。景觀格局是指景觀組成單元的類型、數目以及空間分布與配置，是景觀異質性的具體表現，同時又包括各種生態過程在不同尺度上作用的結果［5－6］。所以景觀格局的變化是一定區域的生態環境體系在自然以及人為多種因素的相互作用下產生的綜合反映?？臻g梯度是指沿某一方向景觀特征有規律地逐漸變化的空間特征，最早應用于植被群落演化和不同環境條件下植被群落的差異研究［7］，目前也逐漸應用于景觀格局的研究中［8－9］。本文對研究區梯度的定義是以市中心為起點的等距梯度，主要考慮的影響因子是離城市中心的距離，即采用“城—郊—鄉”的梯度概念，這是決定受城市輻射影響強弱的因子，在此基礎上分析景觀格局的空間變化。因此這種梯度分析能反映出城市的空間結構以及在城市化過程中景觀空間格局的變化特點，為今后實現研究區土地資源的可持續利用以及土地利用規劃、管理和決策提供參考依據。

1 研究區概況

臨沂市位于山東省東南部，東接日照，地近黃海，西接棗莊、濟寧、泰安，北靠淄博、濰坊，地處魯中南低山丘陵區東南部和魯東丘陵南部，地勢西北高東南低。地 理 位 置 為 東 經 117°24″—119°11″，北 緯34°22″—36°22″，總面積17 184km2，2010年總人口1 003．94萬，是山東省面積最大和人口最多的地級市。氣候為暖溫帶大陸性季風氣候。四季分明，夏秋季節雨量充沛，氣候溫和。本文以所轄3區（蘭山區、羅莊區和河東區）為研究區域。

2 研究方法

2．1 數據源與處理方法

本文以山東省臨沂市2010年土地利用現狀圖為數據源，數據格式為shp矢量文件（臨沂市國土資源局提供）。結合研究區域的具體特征及實際研究需要，參照國內外學者提出的眾多景觀格局指標［10－12］，運用目前國際上較流行的景觀分析軟件Fragstat 3．3和ArcGIS軟件，對各類景觀指數進行分析研究，從而分析土地利用變化的基本格局特征及空間分異規律。

2．2 景觀類型的劃分

景觀類型的劃分是景觀格局分析的基礎。為更好地反映土地利用景觀在空間上的變化，本文采用的景觀分類體系以土地利用狀況為主，并參考國土資源部2001年頒布的《全國土地分類（試行）》和建設部1991年頒布的國家標準《城市用地分類與規劃建設用地標準》（GBJ137－90）［13］，將原有的土地利用類型歸并為8類：耕地，園地，林地，草地，建設用地，水體，交通用地，其他土地。

根據以上劃分的景觀類型，利用ArcGIS軟件對研究區設立緩沖區。以臨沂市的市政府所在地為圓心，向城市的外緣方向設立半徑2．5km的環形緩沖區，根據市區大小，共設立12個緩沖區（附圖11）。本文默認最核心的區為第0緩沖區，向周邊依次是第1區、第2區、…、第11區。對這些環形緩沖區進行分析，能體現出城市景觀類型的圈層梯度變化特征。

在ArcGIS 9．3空間分析模塊中，采用convert命令，輸出適當分辨率的arcgrid文件，將景觀分類數據轉化成柵格數據（格網單位為10m），以便于在Fragstats 3．3軟件中進行景觀格局指數計算。在臨沂市總體景觀格局特征描述中，選擇斑塊類型總面積（CA）、景觀面積比例（PLAND）、斑塊數目（NP）、斑塊密度（PD）、平均斑塊面積（MPS）進行計算。從兩個角度來分析緩沖區的景觀梯度，一是類型水平的梯度分析，選擇景觀面積比例（PLAND）、斑塊密度（PD）、平均斑塊面積（MPS）、最大斑塊指數（LPI）、邊界密度（ED）、以及景觀形狀指數（LSI）；二是景觀水平的梯度分析，選擇斑塊密度（PD）、邊界密度（ED）、平均斑塊面積（MPS）、蔓延度指數（CONTAG）、面積—周長分維數（PAFRAC）、香農多樣性指數（SHDI）和均勻性指數（SHEI）［14－15］。以上指數的計算公式和生態學意義參考文獻［16］。

3 結果與分析

3．1 景觀格局總體特征

基于GIS軟件，同時運用Fragstat 3．3景觀格局分析軟件對臨沂市2010年的土地利用現狀數據中的各類土地利用類型的相關景觀格局指數進行計算，結果如表1所示。

表1 臨沂市土地利用景觀總體特征

一個景觀類型占整個景觀面積的比例，在相對意義上給出了每個景觀類型對整個景觀的貢獻率［17］。由表1可知，臨沂市耕地面積達到111 343hm2，占總面積的近一半，說明耕地是臨沂市土地利用的基底景觀。其次是建設用地，面積比例達29．25%，依次是林地、水體、交通用地和園地。而草地和包括灘涂和裸地在內的其他土地占比不足1%。

從斑塊數目上來看，表現為：建設用地＞林地＞水體＞耕地＞交通用地＞園地＞草地。斑塊的密度能反映景觀的破碎程度，建設用地、林地、水體、耕地的斑塊密度處于較高水平，其中耕地和建設用地占臨沂市總面積的大部，說明臨沂市的景觀破碎指數整體上較高，而林地面積占比不大，斑塊數目卻很大，說明其破碎化程度較高，這是由自然條件和人為干擾共同決定的。至于水體，臨沂市河流眾多，水系呈脈狀分布，坑塘水面面積也較廣泛，使得水域景觀整體表現得破碎。草地的斑塊密度最小，主要是因為其面積占比小。從平均斑塊面積來看，由于主體性，耕地和建設用地的此項指標明顯高于其他地類，而交通用地相對其他地類較高，說明臨沂市的交通比較發達。

臨沂市地處平原區，耕地是其主要的土地利用類型，城市建設項目開展造成城市用地急劇增長，造成耕地被占用。蘭山區和河東區處于沂河兩岸，城市向沂河擴展，使得沂河兩岸的大批林地以及郊區的一些園地都表現出不同幅度的減少。建設用地多分布于主城區蘭山區，耕地多分布于河東區，而林地、草地等生態用地分布于西北部中低山區和東部丘陵地帶，中南部平原區的生態用地面積較少，綠化覆蓋率比較低，但該區人類活動較頻繁，造成土地產出率低、城市環境污染，增加了土地承載壓力。此外，農村居民點建設用地比較散亂，內部交通以及綠地用地配置較少，不能較好實現人口、經濟和產業集聚，土地配置和利用效率均較低。

3．2 類型水平的緩沖區梯度分析

研究區景觀類型的緩沖區梯度變化特征情況見圖1。

圖1 類型水平的緩沖區梯度變化特征

圖1a中，很明顯能看到耕地和建設用地兩條走勢相反的線。從臨沂市區到城郊，建設用地面積所占比例逐漸下降，而耕地面積占比在上升。這是由于城鎮化進程的加快，使得市區的大量耕地資源不斷被占用成建設用地。交通用地比例的走勢為先上升再下降，在緩沖區3的位置達到最大值，再隨著離市中心距離的增加而緩慢降低。而水體在中心區域比例很高，接下來就維持在一個穩定水平。這是由于沂河正好穿越在市區附近，這也是臨沂市區景觀有別于其他城市的特點之一。

從斑塊密度圖1b來看，8種地類都呈現出一致的遞增規律。區別在于建設用地、耕地、林地、水體的斑塊密度要明顯高于園地、交通用地和草地。除建設用地外的地類斑塊密度隨著面積占比的增大，斑塊數目增加，密度增大。對建設用地來說，離城市中心區域距離越遠，其面積占比越小，斑塊密度卻越大，這是因為建設用地在市中心是較集中的大型商業用地和公共建筑設施用地，隨著圈層的外移變成工礦用地、住宅用地，到郊區就是分散的農村居民點。而林地從市區到郊區呈現出較明顯的破碎化，其重要原因就是林地在市區有較嚴格的保護措施，而在郊區受到的人為破壞較大，致使林地破碎化程度加劇。

平均斑塊面積和最大斑塊指數的走勢比較類似。建設用地和水體是斑塊面積最大的景觀類型，這也能反映出臨沂是一個以農業景觀為主的地區；境內沂河是其主要的廊道景觀。建設用地呈指數式下降，緩沖區3再向外趨于穩定。其他地類都比較穩定，趨于一個低值。

邊緣密度受斑塊密度以及形狀的綜合影響，既能反映破碎化，同時可以表現出景觀形狀的復雜程度。區域景觀類型的邊緣密度大小依次為：耕地＞建設用地＞交通用地＞林地＞水體＞園地＞草地＞其他土地。耕地的邊緣密度上升受其斑塊密度增加影響。而建設用地梯度趨勢是先上升再下降，這可能是由于隨著圈層的外推，建設用地轉移到農村居民點，其形狀又趨于規則。園地和草地一直維持在穩定的低水平上，說明其景觀的保存度較好。

形狀指數反映的是各土地利用類型斑塊形狀的復雜程度，一般而言，受人為影響后的斑塊趨于簡單。斑塊形狀在一定程度上會影響景觀的功能，通常不規則的斑塊比規則的斑塊具有更異質的生態過程［18］。圖1f表明，交通用地的形狀指數是最高的，說明其形狀最偏離正方形，其次是水體，在地圖上呈現的都是狹長形，這也說明了上述提及的水域是臨沂市景觀中的廊道景觀。其余地類的形狀指數到緩沖區2向外就基本處于穩定狀態。

總體來看，景觀格局指數沿緩沖區的外推表現為：建設用地占比降低，耕地景觀占比上升。各景觀斑塊密度和邊緣密度都不同幅度地升高。平均斑塊面積和最大斑塊指數除了建設用地和水體指數下降外，其余各地類的這兩項指標都較穩定。

3．3 景觀水平的緩沖區梯度分析

從景觀層次上（即綜合了所有8種土地利用類型）進行緩沖區梯度分析，結果如圖2所示。

圖2a表明，斑塊密度和邊緣密度趨勢先指數式上升，到達緩沖區4后開始緩慢上升。即越遠離市中心，斑塊分布越密集，斑塊邊緣也更多。在市區核心區域的景觀受人類干擾性很強，一些斑塊被人類有目的地合并成面積較大的相對同質的斑塊，而且在人工管理下，這些斑塊的形狀也趨于規則。這是導致在緩沖區0、1區域斑塊密度和邊界密度很低的原因。到了緩沖區5以后，斑塊密度和邊緣密度穩定在一個高值，這是由于一些鄉鎮居民點或者鄉村道路形狀不規則，不同類型的斑塊相交的邊界也比較長，邊緣密度因此變大。

平均斑塊面積和蔓延度指數趨勢則相反，并且在緩沖區1～3區域（離市中心2．5～7．5km）表現出明顯的下降。蔓延度最高值小于60，說明區域內各用地景觀集聚程度較低，而且隨著城市開發向外圍的擴展，導致城市外圍的斑塊破碎化，各景觀空間分散度也變高。

周長面積分維指數是反映景觀形狀復雜程度的指標，其值越接近于1，表示景觀斑塊形狀越簡單。由圖2c可以看出，由市區到郊區，該值總體趨勢是上升的，即景觀斑塊形狀越復雜。這如上述邊界密度中分析的，核心區域的斑塊在城市化過程中會被人類有目的地改造，受干擾很大，越往郊區，景觀類型越接近自然狀態。

香農多樣性指數和均勻度指數能反映景觀的異質性，其變化一致，都是先由一個低值升高后逐漸穩定，再有所下降。這是因為緩沖區0到緩沖區2處于一個城市化輻射方向最前沿的區域，城市建設用地取代了一些異質景觀，景觀類型減少，各地類所占的面積差異也大。由緩沖區3開始進入一個過渡地帶，景觀類型趨于多樣化，各景觀類型在景觀中呈均衡化分布，并穩定下來。

總體來看，由第0區向第11區過渡，斑塊密度增加，斑塊破碎化程度逐漸升高，斑塊的形狀也趨于復雜，景觀多樣性增強。當過渡到自然景觀后，這些指數都趨于穩定。

4 討論與結論

本文以2010年臨沂市土地利用現狀數據為數據源，運用景觀生態學的分析方法選取指標對景觀格局進行梯度分析。斑塊類型水平和景觀水平上的景觀指數均能反映臨沂市城鄉梯度上的空間分異規律。

臨沂市的景觀結構中，耕地為優勢景觀，其次是建設用地。其土地利用空間格局異質性特征比較明顯，呈現出“中心—外圍”城鄉梯度。從市區到郊區，耕地面積占比下降，建設用地則與之相反。城市中心的斑塊密度、邊緣密度和平均斑塊面積所表現出的破碎化程度低于郊區。但郊區的多樣性指數和均勻度指數高于市區。由以上研究可以看出，目前臨沂市正處于城市化進程加速的階段，土地利用結構不合理，市區開墾的土地過多，導致景觀多樣性和異質性較差，而郊區的破碎化程度較嚴重，從而會造成臨沂市的生態環境惡化。因此需要對土地利用結構進行合理科學地調整，提出以下建議：

臨沂市的耕地利用較粗放，今后可以加快發展農業專業化，可以規模化開發農業基地，調整農業結構以提高耕地質量。針對臨沂市的生態用地存在的問題，如林地破碎化比較嚴重，草地覆蓋率低等，一方面對零散破碎的小塊草地和林地進行開發治理，使其盡量集中，增加連通程度，從而增加物種多樣性；另一方面可以因地制宜，開展生態園林城建設，如沿河東區的沭河兩岸建設環城生態林，以沂河為主線，建設河流廊道，在市區居民區增加綠地建設，改善生態環境。

針對城郊過渡區的工礦用地布局分散，規模較小，造成的土地浪費和規模效益小等問題，應該進行適當合并和集中，并協調布局，提高土地利用效率。對于農村居民點比較分散，土地利用率不高的情況，當地政府國土部門可以采取村內合建、村鎮／村城合建、村區合建模式，對農村土地進行集約節約利用。

應該指出的是，研究城市景觀格局對城市生態系統的影響，需要不同時期的景觀格局變化數據，并結合對應時期的社會經濟因素和人類活動的影響因素，從而進一步分析其成因和演化趨勢。

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