松嫩高平原土地利用景觀梯度變化特征分析

宋 戈，付金山，王 越

（1．東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱150030；2．東北大學(xué)土地管理研究所，沈陽110819；3．黑龍江省村鎮(zhèn)發(fā)展研究中心，哈爾濱150030）

全球環(huán)境變化主要源于人類對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和景觀的改變，它們影響了生物圈維持生命的能力［1］。景觀是由多個(gè)生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成的異質(zhì)地域或不同土地利用方式的鑲嵌體［2－3］，實(shí)質(zhì)上這些不同的生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)常可以表現(xiàn)為不同的土地利用或土地覆被類型［4］。景觀格局對(duì)景觀的生態(tài)功能起決定性作用，生態(tài)功能的優(yōu)劣變化通過景觀結(jié)構(gòu)的改變來體現(xiàn)［5］，用景觀因素來衡量土地利用在空間尺度上的合理性，是實(shí)現(xiàn)區(qū)域土地資源可持續(xù)發(fā)展的有效途徑［6］。由于自然環(huán)境的演替和人為干擾的疊加作用，使得土地利用景觀沿某一方向顯示其有規(guī)律逐漸變化的空間特征［4］，本研究稱為土地利用景觀梯度變化。景觀格局研究大多關(guān)注的是景觀粒度與幅度，常忽略景觀格局的第三維景觀梯度的研究。梯度分析方法在區(qū)域土地利用景觀格局變化中應(yīng)用更少［7－8］，且大多數(shù)梯度帶的劃分均以距中心城區(qū)的距離為依據(jù)或劃分梯度樣帶［9－11］。國內(nèi)外很多研究只關(guān)注景觀格局幾何特征的分析和描述，忽略了對(duì)景觀格局意義或內(nèi)涵的理解，但這種趨勢(shì)隨著數(shù)字化景觀數(shù)據(jù)的獲得和GIS的廣泛應(yīng)用而進(jìn)一步得到加強(qiáng)［12］。遙感、GIS手段和景觀格局指數(shù)法的正確運(yùn)用、數(shù)據(jù)采集和處理準(zhǔn)確性以及合適尺度的選擇，是準(zhǔn)確描繪區(qū)域土地利用景觀格局特征的基礎(chǔ)，而這些問題的研究亟待加強(qiáng)。

本文以松嫩高平原典型地域巴彥縣為研究區(qū)，以地形因子（高程、坡度）作為研究區(qū)梯度分級(jí)的基礎(chǔ)，考慮地貌類型和行政區(qū)劃劃分梯度帶，應(yīng)用遙感、GIS手段和景觀格局指數(shù)法，描繪研究區(qū)土地利用景觀梯度變化特征，為維持區(qū)域生態(tài)功能、改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量及優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)提供依據(jù)和參考。

1 研究區(qū)概況

巴彥縣位于黑龍江省中部偏南，地處松嫩高平原中心地帶，小興安嶺南部低山丘陵區(qū)。巴彥縣是哈爾濱市所管轄的以糧食生產(chǎn)為主的產(chǎn)糧大縣，也是我國重要的商品糧生產(chǎn)基地。全縣現(xiàn)有10鎮(zhèn)8鄉(xiāng)，116個(gè)行政村。2009年全縣土地總面積31．39萬hm2，其中耕地占區(qū)域土地總面積的74．83%，林地占12．07%，園地占0．01%，牧草地占2．76%，水域占4．17%，建設(shè)用地占6．08%，其他用地占0．08%。

巴彥縣地貌類型復(fù)雜，平原占總面積的2／3，山區(qū)、水域及其他土地占1／3。縣境總的地勢(shì)由東北向西南逐漸降低，形成東高、西低、北崗、南平、中部多丘陵的地貌，地理形狀為北寬南窄呈“楔形”。全縣共有6個(gè)地貌類型區(qū)，分別是低山丘陵殘山區(qū)、低山丘陵邊緣坡崗地、波狀緩坡漫崗平原、松花江階地、河灘地和溝谷灘地。不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)之間具有較明顯的高程、坡度和地貌類型差異。

2 數(shù)據(jù)與方法

2．1 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究以1996年7月分辨率為30m的TM遙感影像、2006年7月分辨率為5m的SPOT 5遙感影像、2009年土地利用詳查數(shù)據(jù)、DEM數(shù)字高程模型、地貌類型圖以及2009年行政區(qū)劃圖為主要數(shù)據(jù)源。

利用Erdas軟件對(duì)遙感影像進(jìn)行波段選擇與組合、統(tǒng)一投影坐標(biāo)系統(tǒng)、幾何校正以及數(shù)據(jù)融合等預(yù)處理，利用ArcGIS 9．3軟件，人機(jī)交互式提取土地利用數(shù)據(jù)，得到研究區(qū)土地利用類型圖。對(duì)不能準(zhǔn)確判定的圖斑，通過野外實(shí)地考察及數(shù)據(jù)校正進(jìn)行劃分，保證精度在85%以上。為了便于對(duì)土地利用景觀格局進(jìn)行分析，綜合考慮研究區(qū)土地利用類型的現(xiàn)狀以及各用地類型所呈現(xiàn)的生態(tài)意義，將按照我國現(xiàn)行《土地利用現(xiàn)狀分類》（GB／T 21010—2007）國家標(biāo)準(zhǔn)［13］建立的1996年、2006年和2009年研究區(qū)土地利用類型數(shù)據(jù)庫中28種土地利用類型（二級(jí)類）重新分成8種土地利用景觀類型，包括：水田、旱地、園地、林地、牧草地、水域、建設(shè)用地和其他用地。通過等高線和高程點(diǎn)建立不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN），再通過線性和雙線性內(nèi)插生成DEM。以DEM為基礎(chǔ)，利用Arc－GIS 9．3的空間分析功能生成坡度數(shù)據(jù)。

2．2 土地利用景觀梯度帶的劃分

利用ArcGIS 9．3中的Reclassify模塊，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際地形情況，高程以20m為區(qū)間段，劃分出22個(gè)區(qū)間；坡度以2°為區(qū)間段，劃分出13個(gè)區(qū)間，以此為基礎(chǔ)對(duì)研究區(qū)土地利用景觀進(jìn)行梯度劃分。將進(jìn)行梯度劃分后的高程和坡度柵格數(shù)據(jù)矢量化，與行政區(qū)劃圖和地貌類型圖進(jìn)行疊加處理。綜合考慮研究區(qū)18個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)各自主要的高程和坡度梯度區(qū)間，結(jié)合地貌類型和行政區(qū)劃劃分梯度帶（附圖13）。

梯度帶Ⅰ為西北部波狀緩坡漫崗帶：該梯度帶高程在160～180m之間，坡度為0～2°的土地占該梯度帶土地總面積的53．43%，地貌類型主要是波狀緩坡漫崗地。包括紅光鄉(xiāng)和萬發(fā)鎮(zhèn)。

梯度帶Ⅱ?yàn)橹胁烤徠侣彙蜕角鹆陰В涸撎荻葞Ц叱虨?40～220m，坡度為2°～4°的土地占該梯度帶土地總面積的89．93%，地貌類型主要為低山丘陵邊緣坡崗地和波狀緩坡漫崗地。包括山后鄉(xiāng)、天增鎮(zhèn)、德祥鄉(xiāng)、興隆鎮(zhèn)、豐樂鄉(xiāng)、龍廟鎮(zhèn)和華山鄉(xiāng)。

梯度帶Ⅲ為東部陡坡低山丘陵—?dú)埳綆В涸撎荻葞Ц叱炭缍容^大，高程為120～280m，坡度為0～6°的土地占該梯度帶土地總面積的84．14%，地貌類型主要是低山丘陵殘山區(qū)。包括黑山鎮(zhèn)、洼興鎮(zhèn)、鎮(zhèn)東鄉(xiāng)和龍泉鎮(zhèn)。

梯度帶Ⅳ為南部平原松花江階地帶：該梯度帶高程為102～160m，坡度為0～2°的土地占該梯度帶土地總面積的77．10%，地貌類型主要是松花江階地。包括西集鎮(zhèn)、巴彥鎮(zhèn)和巴彥港鎮(zhèn)。

梯度帶Ⅴ為南部沖擊平原灘地帶：該梯度帶高程全部集中在102～180m之間，坡度在0～4°之間，地貌類型主要是河谷灘地。包括松花江鄉(xiāng)和富江鄉(xiāng)。

2．3 景觀格局指數(shù)選取及計(jì)算方法

利用ArcGIS 9．3的疊加分析功能，將研究區(qū)的土地利用景觀梯度圖與土地利用景觀類型圖疊加后，生成不同梯度帶土地利用景觀矢量數(shù)據(jù)，利用Arc－GIS 9．3中的conversion tools模塊將疊加后的矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為90m×90m的柵格數(shù)據(jù)，以保證較小的斑塊不被遺漏，選取相應(yīng)的景觀格局指數(shù)進(jìn)行分析。由于景觀格局指數(shù)大部分具有較強(qiáng)的片面性和重復(fù)性，往往存在局限性和冗余［14－16］，因此根據(jù)研究區(qū)土地利用景觀梯度分析的需求，共選取9個(gè)具有代表性的土地利用景觀格局指數(shù)：類型比例（PLAND）、斑塊密度（PD）、最大斑塊面積指數(shù)（LPI）、邊緣密度（ED）、景觀形狀指數(shù)（LSI）、周長—面積分維數(shù)（PAFRAC）、聚合度（AI）、分離度（DIVISION）以及香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）［17－19］。采用 Fragstats 3．3軟件從景觀水平和景觀類型水平兩方面對(duì)研究區(qū)各梯度帶土地利用景觀格局指數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

3 基于景觀水平的研究區(qū)土地利用景觀梯度變化分析

本文選取10幅不同粒度的研究區(qū)土地利用景觀梯度帶柵格圖，分別進(jìn)行相關(guān)指數(shù)的運(yùn)算，根據(jù)各敏感指數(shù)確定最佳分析尺度為90m。在最佳分析尺度下得出景觀水平下不同梯度帶各指標(biāo)變化特征（表1）。

表1 1996－2009年巴彥縣不同梯度帶景觀水平各指標(biāo)變化

3．1 景觀組分的面積和數(shù)量變化特征

1996年各梯度帶景觀水平PD較小，集中在0．900～1．500個(gè)／km2區(qū)間內(nèi)，到2009年各梯度帶的景觀水平PD顯著增大。主要是由于人類活動(dòng)的不斷干擾，使得研究區(qū)土地利用破碎程度增加，同時(shí)各梯度帶景觀類型趨于均衡，土地利用景觀格局的穩(wěn)定性加強(qiáng)。1996年梯度帶Ⅲ景觀水平PD較小，為0．994個(gè)／km2，到2009年該梯度帶的景觀水平PD最大，為5．073個(gè)／km2，表明該梯度帶景觀破碎化強(qiáng)度最大，土地受人類活動(dòng)的影響最嚴(yán)重；1996年到2009年間梯度帶Ⅱ的景觀水平LPI在5個(gè)梯度帶中一直保持最大，從77．749%減小到33．384%，說明該梯度帶優(yōu)勢(shì)景觀比較明顯，景觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最差，對(duì)該梯度帶今后的土地利用有一定的限制和影響（表1）。

3．2 景觀組分的形狀變化特征

13a間各梯度帶LSI和PAFRAC都在不同程度地增大，說明研究區(qū)各梯度帶土地利用景觀斑塊的邊界形狀趨于復(fù)雜化，由于人類對(duì)土地不合理的利用和規(guī)劃，使得最初簡單規(guī)則的斑塊變得較為復(fù)雜。其中梯度帶Ⅱ和梯度帶Ⅲ的LSI值持續(xù)大于其他梯度帶，且LSI值的增長幅度明顯大于其他梯度帶，而梯度帶Ⅰ景觀水平PAFRAC增長幅度較小，其他梯度帶景觀水平PAFRAC都顯示出較大幅度的增長趨勢(shì)，由此說明，梯度帶Ⅱ和梯度帶Ⅲ的斑塊形狀不規(guī)則性和復(fù)雜性加劇速度最大，土地受到人類干擾最為嚴(yán)重；梯度帶Ⅰ景觀組分的形狀變化較小，景觀組分的復(fù)雜化速率較低（表1）。

3．3 景觀組分的多樣性變化特征

1996—2006年除梯度帶Ⅴ以外，各梯度帶景觀水平SHDI都呈現(xiàn)增加態(tài)勢(shì)，說明研究區(qū)各景觀類型的結(jié)構(gòu)比重趨于均衡化，景觀穩(wěn)定性增強(qiáng)。而2006年梯度帶Ⅴ景觀水平的SHDI為1．293，比1996年減小了0．035，但仍是5個(gè)梯度帶中數(shù)值最大的，表明該梯度帶各景觀類型結(jié)構(gòu)最為均勻，穩(wěn)定性最強(qiáng)。2006—2009年間梯度帶Ⅱ和梯度帶ⅤSHDI值仍有所增加；梯度帶ⅠSHDI值小幅度減小，主要是由于2009年該梯度帶水田景觀所占比例急劇增大，景觀均衡性降低；梯度帶Ⅲ和梯度帶ⅣSHDI值明顯減小，這是因?yàn)?009年該梯度帶其他用地景觀所占比例降低，景觀結(jié)構(gòu)趨于非均衡化（表1）。

3．4 景觀組分的聚合性變化特征

1996—2006年梯度帶Ⅰ景觀水平DIVISION明顯增大，其他梯度帶景觀水平的DIVISION都有所增長，說明區(qū)域同一景觀類型的鄰近度降低，各景觀類型交錯(cuò)分布。其中梯度帶Ⅰ的DIVISION由0．533增長到0．836，增長幅度最大，說明該梯度帶相同景觀類型的分散性變化程度最大。2006—2009年梯度帶ⅡDIVISION值大幅度增加，其他梯度帶DIVISION值保持小幅度增長（表1）。

4 基于景觀類型水平的研究區(qū)土地利用景觀梯度變化特征分析

1996年各梯度帶景觀類型以旱地為主，旱地是整個(gè)區(qū)域的景觀基質(zhì)。其中梯度帶Ⅰ、梯度帶Ⅱ和梯度帶Ⅳ的旱地景觀所占各梯度帶總面積比例分別為78．982%，82．495%和70．744%，而梯度帶Ⅲ和梯度帶Ⅴ旱地景觀所占比例明顯小于以上3個(gè)梯度帶，分別為52．011%和58．986%，主要是由于梯度帶Ⅰ、梯度帶Ⅱ和梯度帶Ⅳ地勢(shì)較低，坡度較緩，主要土壤類型為黑土，適宜種植旱作物。到2006年梯度帶Ⅰ、梯度帶Ⅱ和梯度帶Ⅳ旱地景觀所占比例小幅度減小，梯度帶Ⅲ和梯度帶Ⅴ旱地景觀所占比例反而小幅度增長。13a間各梯度帶旱地景觀平均斑塊密度（PD）成倍增大，最大斑塊面積指數(shù)（LPI）明顯減小，同時(shí)旱地景觀的邊緣密度（ED）、景觀形狀指數(shù)（LSI）和周長—面積分維數(shù)（PAFRAC）都在不同程度地增大，說明各梯度帶旱地景觀的破碎度加大，旱地景觀斑塊的形狀趨于復(fù)雜化。其中從1996年到2006年梯度帶Ⅲ旱地景觀PD、ED和LSI都高于其他梯度帶，增長幅度也明顯大于其他梯度帶，表明該梯度帶旱地景觀破碎化程度最大，加劇速度最快，景觀斑塊形狀最為復(fù)雜；梯度帶Ⅰ旱地景觀PD、ED和LSI都低于其他梯度帶，增長幅度小于其他梯度帶，說明該梯度帶旱地景觀破碎化程度最小，景觀斑塊形狀相對(duì)規(guī)整（表2）。

13a間，各梯度帶水田景觀所占總面積比例都保持上升趨勢(shì)。1996—2006年梯度帶Ⅰ水田景觀所占比例增長幅度較小，到2009年其增長速度明顯增快，達(dá)到11．375%，成為水田景觀所占比例最大的梯度帶；梯度帶Ⅳ水田景觀所占比例一直明顯大于其他梯度帶，主要是由于該梯度帶海拔較低，地勢(shì)平坦，發(fā)育著黑土土壤類型，比較適合水田生產(chǎn)；除梯度帶Ⅰ外，其他梯度帶水田景觀的PD、ED和LSI都有所增大，說明研究區(qū)各梯度帶水田景觀的破碎度加大，斑塊形狀趨于復(fù)雜化（表2）。

1996年梯度帶Ⅴ和梯度帶Ⅰ牧草地景觀所占比例較大，分別為5．635%和9．734%，到2009年減小到2．892%和8．960%，其他梯度帶的牧草地景觀所占比例有所上升，但均保持在1．000%左右（表2）。13a間，各梯度帶牧草地景觀的PD值都顯著增大，同時(shí)ED、LSI值也出現(xiàn)大幅度增長的趨勢(shì)，說明該景觀類型破碎化強(qiáng)度加大，斑塊的復(fù)雜性和不規(guī)則性加劇。其中，梯度帶Ⅱ和梯度帶Ⅲ牧草地景觀斑塊破碎化和邊緣復(fù)雜性加劇速度最大，表明這兩個(gè)梯度帶對(duì)牧草地景觀利用強(qiáng)度最大，缺乏合理的利用與保護(hù)。

梯度帶Ⅴ水域景觀所占比例明顯大于其他梯度帶，由7．270%增長到23．473%，其他梯度帶的水域景觀比例也有所增長（表2）。各梯度帶水域景觀的PD、ED、LSI值出現(xiàn)大幅度增長的趨勢(shì)，其中梯度帶Ⅰ的PD值增長幅度最大，由0．051個(gè)／km2增長到0．445個(gè)／km2，說明該梯度帶水域景觀的破碎化程度加劇最大；梯度帶Ⅱ的ED和LSI值增長最顯著，同時(shí)AI值減小幅度最大，該梯度帶水域景觀斑塊形狀復(fù)雜性和不規(guī)則性加劇速度最大，景觀聚合性降低，表明梯度帶Ⅰ和梯度帶Ⅱ在利用水域景觀的過程中缺乏科學(xué)規(guī)劃和保護(hù)。

1996—2009年間，各梯度帶林地景觀所占比例差別一直較大，其中梯度帶Ⅰ林地景觀所占比例最小，由0．848%減小到0．777%，梯度帶Ⅲ林地景觀所占比例最大，由36．297%減小到31．833%，主要是由于該梯度帶海拔高、坡度大且地貌以低山丘陵殘山區(qū)為主，適合發(fā)展林業(yè)。梯度帶Ⅴ林地景觀所占比例保持增長趨勢(shì)，其他梯度帶林地景觀所占比例呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)（表2）。

表2 1996－2009年巴彥縣不同梯度帶各景觀類型所占比例 %

與1996年相比，2006年各梯度帶建設(shè)用地景觀所占比例均有所增加，且增長水平基本一致，各梯度帶的建設(shè)用地景觀PD、ED和LSI都呈現(xiàn)出相似幅度的增長，同時(shí)離散度（DIVISION）減小，說明隨著研究區(qū)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，建設(shè)用地的需求有所增長，人們不斷加大建設(shè)用地面積，提高建設(shè)用地的集約度，使得城鎮(zhèn)土地能夠得到最優(yōu)化利用（表2）。

5 結(jié)論與討論

本文以黑龍江省巴彥縣為研究區(qū)，從景觀水平和景觀類型水平兩方面探討了不同梯度帶土地利用景觀變化特征。研究結(jié)果表明：梯度帶Ⅲ景觀破碎化程度最大，土地受人類活動(dòng)的影響最嚴(yán)重；梯度帶Ⅴ各景觀類型結(jié)構(gòu)最為均勻，穩(wěn)定性最強(qiáng)；梯度帶Ⅱ優(yōu)勢(shì)景觀比較明顯，景觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最差，對(duì)該梯度帶今后的土地利用有一定的限制和影響；梯度帶Ⅰ土地景觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)，景觀組分的復(fù)雜化速率較低，土地利用比較合理。

1996—2006年間梯度帶Ⅰ、梯度帶Ⅱ和梯度帶Ⅳ旱地景觀占各梯度帶總面積比例明顯大于梯度帶Ⅲ和梯度帶Ⅴ。各梯度帶水田景觀所占梯度帶總面積比例都有所上升，其中梯度帶Ⅳ水田所占比例一直明顯大于其他梯度帶。1996—2009年間，各梯度帶林地景觀所占比例差別一直較大，其中梯度帶Ⅲ林地景觀所占比例最大，主要由于該梯度帶海拔高、坡度大且地貌以低山丘陵殘山區(qū)為主，適合發(fā)展林業(yè)。近年來隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，大量的林地被耕地以及建設(shè)用地等占用，林地景觀所占比例不斷減小。到2009年，各梯度帶建設(shè)用地景觀所占比例基本保持不變，且聚合度都有所增大，主要是由于城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積過度緊張，人們不斷提高建設(shè)用地的集約度，使得城鎮(zhèn)土地能夠得到最優(yōu)化利用。

需要說明的是，在進(jìn)行土地利用景觀類型劃分時(shí)，僅參考《土地利用現(xiàn)狀分類》［13］的一級(jí)系統(tǒng)和研究區(qū)實(shí)際情況將景觀型劃分為8類，而沒有做更詳細(xì)的二級(jí)分類。景觀格局與生態(tài)環(huán)境之間的相互作用是景觀生態(tài)學(xué)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)，本研究只對(duì)土地利用景觀梯度變化特征進(jìn)行了分析，探討不同梯度帶景觀格局變化特征與生態(tài)過程之間的相互關(guān)系是本文下一步要研究的重點(diǎn)。

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