寶清縣景觀格局動態(tài)變化分析

劉 婷，劉 博，李繼紅*，初 禹，包廣道

(1.東北林業(yè)大學林學院，哈爾濱 150040;2.黑龍江省地質調查研究總院，哈爾濱 150040)

隨著人口－資源－環(huán)境問題的日益加劇，由“國際地圈與生物圈計劃”(IGBP)和“全球環(huán)境變化的人文領域計劃”(IHDP)在1995年聯合提出的土地利用/覆被變化 (LUCC)研究逐步成為全球熱點［1］。其研究方法主要有空間統(tǒng)計學方法、馬爾科夫轉移矩陣法，景觀格局指數法和景觀格局動態(tài)模擬方法［1－3］。景觀格局是大小和形狀不一的相互作用的景觀斑塊在空間上的配置，是各種生態(tài)過程在不同尺度上作用的結果［4］。通過景觀格局分析可以在似乎無序的景觀中，發(fā)現潛在的、有意義的規(guī)律性［5］。近年來，景觀格局及其動態(tài)變化分析已成為景觀生態(tài)學研究的熱點問題和重要領域［6－8］。

寶清縣作為三江平原的腹地和北大荒的核心，是我國重要的農業(yè)生產基地、國家生態(tài)示范區(qū)和濕地保護核心區(qū)，對我國的糧食安全和區(qū)域生態(tài)安全有著舉足輕重的作用。但隨著人口急劇增長和經濟快速發(fā)展，人類對土地資源的利用范圍不斷擴大、強度不斷加深，造成地表景觀格局的變化，引起了一系列的生態(tài)問題。然而，國內現有多是針對三江平原進行的大尺度研究［9－12］，鮮有針對寶清縣的具體分析。基于此，本文借助景觀生態(tài)學方法，利用相關資料對寶清縣近20 a土地利用與景觀格局的動態(tài)變化進行分析，揭示其在人為因素影響下的時空動態(tài)演變過程和原因，旨在為寶清縣的土地規(guī)劃及區(qū)域生態(tài)管理提供科學的依據，更好的實現兼并經濟發(fā)展與生態(tài)保護的可持續(xù)發(fā)展。

1 研究區(qū)概況

黑龍江省雙鴨山市寶清縣位于131°12'～133°30'E，45°45'～46°55'N 之間，境內主要以丘陵和低山地貌為主。西、南、東三面環(huán)山，中部、北部及東北部地勢較低，西南較高。由西南向東北依次為低山、丘陵、平原。四季氣候變化顯著，屬中溫帶大陸性季風性氣候。年降水量為400～600 mm，且受地形影響，從平原到山區(qū)降水量遞減。研究區(qū)內土地總面積為1 104 km2，轄10個鄉(xiāng)鎮(zhèn)和4個國營農場，總人口44萬人 (2007年)。

2 研究方法

2.1 數據源及處理方法

采用1989、1999、2010年三期寶清縣30 m分辨率的Landsat TM遙感影像為主要數據源，結合研究區(qū)1∶5萬地形圖、1∶10萬土地利用現狀圖和行政區(qū)劃圖，在ENVI4.6圖像處理軟件下進行標準假彩色合成以及影像的精校正、配準、鑲嵌、裁剪和圖像增強等處理。

2.2 土地利用景觀類型劃分

景觀分類是景觀格局分析的基礎［13］。本研究結合研究目的及研究區(qū)土地利用實際特點，在綜合考慮《土地利用現狀分類》標準和TM影像的具體情況下，確定分為六種土地利用類型:耕地、林草地、濕地、建設用地、水域以及未利用地。其中，濕地包括沼澤、灘涂以及水深不足6 m的水域;水域為水深大于6 m的水體。

在ArcGIS9.3軟件中，通過計算機自動解譯和人工目視解譯相結合的方法，以野外調查和地物光譜特性分析建立的影像特征為依據，采用最大似然法進行監(jiān)督分類。最終得到寶清縣各時期景觀類型分類圖 (如圖1～圖3所示)，經驗證解譯結果的Kappa系數分別為0.86、0.82和0.91，滿足本次研究精度要求。

2.3 土地利用景觀指數選擇

景觀格局指數能夠高度濃縮景觀格局信息，是反映景觀結構組成和空間配置某些方面特征的定量指標［14－16］。本次研究借助Fragstats3.3景觀指數軟件的柵格版本，從景觀類型和斑塊水平兩個方面計算景觀指數。包括斑塊個數 (NP)、斑塊面積 (CA)、斑塊所占景觀面積比例 (PLAND)、最大斑塊面積指數(LPI)、景觀密度 (PD)、景觀形狀指數 (LSI)、景觀香農多樣性指數 (SHDI)、景觀香農均勻性指數(SHEI)和景觀蔓延度 (CONTAG)［17］。

3 結果分析

3.1 景觀要素的基本特征

結合各時期景觀分類圖，通過斑塊面積，斑塊所占景觀面積比例、斑塊個數和最大斑塊面積指數等指標 (見表1)分析寶清縣土地利用景觀的總體情況。

圖1 1989年寶清縣景觀類型分類圖Fig.1 Landscape classification map of Baoqing county in 1989

圖2 1999年寶清縣景觀類型分類圖Fig.2 Landscape classification map of Baoqing county in 1999

圖3 2010年寶清縣景觀類型分類圖Fig.3 Landscape classification map in 2010

表1 不同時期景觀類型斑塊特征Tab.1 Characteristics of landscape patch in different periods

1989～2010年間，研究區(qū)以耕地、林草地和濕地為優(yōu)勢景觀，共占總面積的95%以上，這種特征決定了研究區(qū)以農林牧漁業(yè)生產為主的特點。耕地主要以大斑塊形式分布在研究區(qū)的中部平原地帶，林草地分布在東部和南部的山區(qū)，濕地分布在南部及中部地區(qū)。建設用地、水域和未利用地類型面積相對較少，均占總面積的2%以下，呈補丁狀分布在研究區(qū)內。1989～1999年間由于受市場經濟體制的建立和完善，當地農牧民和外來投資者為獲取利益而大量開墾農田，景觀格局發(fā)生巨烈變化，耕地斑塊面積，斑塊數量與最大斑塊指數都表現為大幅度上升，而林草地和濕地的斑塊面積急劇減少，數量增加，最大斑塊面積指數降低，斑塊呈破碎化。在1999～2010年間，由于國家實施的天然林保護工程和退耕還林還草等政策，使得耕地斑塊面積，斑塊數量與最大斑塊面積指數上升減緩，同時林草地和濕地的斑塊面積下降減緩，斑塊個數有所下降，最大斑塊指數趨于穩(wěn)定，破碎化程度減緩。在1989～2010年間建設用地斑塊數量雖多，但斑塊面積較小，主要受研究區(qū)以農業(yè)為主的特點，居民點呈多而分散的狀態(tài)。在1999～2010年間，水域斑塊數量變化小，但斑塊面積和最大斑塊指數明顯上升，主要原因是區(qū)內大Ⅱ型水利樞紐工程龍頭橋水庫的建成。

3.2 景觀要素的動態(tài)分析

土地利用動態(tài)度 (K)反應區(qū)域一定時間范圍內，某種土地利用類型變化速度的情況，可定量描述土地利用變化速度，計算公式為:

式中:K為研究期內某一土地利用類型動態(tài)變化率;Ua、Ub分別研究期初與期末時該土地利用類型的面積;T為研究時長［18］。

圖4 不同時期土地利用動態(tài)度 (%)Fig.4 Dynamics of land use types in different periods(%)

從圖4土地利用的變化率來看，各種土地利用變化幅度的大小排序依次為水域﹥未利用地﹥建設用地﹥濕地﹥耕地﹥林草地。1989～1999年，各土地利用類型動態(tài)變化率和變化幅度相對較大，未利用地的面積以每年以6.17%的較高速率減少，雖然耕地、林草地和濕地的動態(tài)度相對較小，但由于基數大，面積變化量也較大。1999～2010年，可見耕地、林草地、濕地和未利用地的動態(tài)度都有不同程度的減小，主要原因是控制開墾度政策的實施。建設用地動態(tài)度的增加，主要是受城市化建設的影響。水域的動態(tài)度變化最大，從1.57～12.16，由于大Ⅱ型水利樞紐工程龍頭橋水庫的建立，使得水域急劇變化。

3.3 景觀要素的面積轉化

對于寶清縣土地利用景觀類型之間相互轉化的過程，本文利用轉移矩陣模型進行分析。轉移矩陣能夠揭示地類變化過程中的細節(jié)特點，可全面、具體地刻畫區(qū)域土地利用變化的結構特征與各用地類型變化方向［19－20］。通過Arcgis9.3軟件的空間疊置分析功能，求得寶清縣各時期景觀類型的轉移矩陣，見表2。

表2 不同時期景觀類型轉移矩陣 (km2)Tab.2 Transformation matrix of landscape types in different periods(km2)

依據各時期土地利用類型轉移矩陣可知，1989～2010年間寶清縣的各景觀類型之間發(fā)生了頻繁的轉移，土地利用變化的主要特征是耕地和建設用地等代表人類對土地利用深度和廣度的土地利用類型面積快速增長，而對生態(tài)系統(tǒng)起重要調節(jié)作用的林草地和濕地等面積則急劇減少。各景觀類型變化最活躍的為耕地、林草地和建設用地。耕地是主要的轉入景觀類型，轉入面積為1 056.148 hm2，占總變化面積的74.69%;林草地和濕地是主要的轉出景觀類型，且轉出的主要去向為耕地，轉出面積分別為589.396 hm2和427.687 km2，分別占總變化面積的41.68%和30.25%，占耕地轉入量的88.87%。產生這一現象的主要原因是大面積農田的開墾、有林地的亂砍濫伐及水利基礎設施建設活動，使得大面積林草地和濕地面積銳減，且多主要發(fā)生在自然條件較好，交通便利，人口密度較大的地區(qū)。耕地與建設用地、水域之間也發(fā)生交互式雙向轉換，由于建設用地與水域基數相對較小，轉入大于轉出，主要表現為增長。未利用地主要表現為向耕地類型的單方向轉出，面積大幅度縮減。

3.4 景觀格局的動態(tài)變化

對于研究區(qū)土地利用景觀空間格局的演變，本文采用景觀最大斑塊指數、景觀密度、景觀形狀指數、景觀香農多樣性指數、景觀香農均勻性指數和蔓延度來進行度量。

表3 不同時期景觀格局指數變化Tab.3 Changes of landscape pattern indices in different periods

1989～2010年間，寶清縣景觀最大斑塊指數、景觀斑塊密度和景觀形狀指數均呈不斷上升趨勢，分別從31.628 5上升到50.373 2，0.077 8上升到0.088 1和11.407 1上升到12.708 7(見表3)。主要是由于農田的大量開墾，使得作為優(yōu)勢景觀的耕地面積大幅度增加;而林草地、濕地和未利用地等斑塊被分割，其中大部分轉為耕地，小部分轉為建設用地和水域等類型;景觀斑塊形狀愈加復雜，景觀破碎化程度增加。香農多樣性指數和均勻度指數都經歷了先減少后增加的過程，表明作為優(yōu)勢景觀的耕地對整個研究區(qū)的控制作用加大，景觀向多元化方向發(fā)展;景觀多樣性減少，異質性下降。蔓延度指數增加，表明景觀連通度增大。

4 結論與討論

本文運用GIS技術以及Fragstats景觀結構分析軟件，定量對1989～2010年寶清縣土地利用景觀格局變化進行分析。結果表明:研究區(qū)以耕地、林草地和濕地為優(yōu)勢景觀，三者共占研究區(qū)總面積的95%以上，建設用地、水域和未利用地等景觀類型呈補丁狀分布在研究區(qū)內。由于大Ⅱ型水利樞紐工程的建立，使得水域景觀的動態(tài)率變化最大。各景觀類型轉化頻繁，其中代表人類對土地利用深度和廣度的耕地和建設用地景觀面積增長，而對生態(tài)系統(tǒng)起重要調節(jié)作用的林草地和濕地等景觀的面積卻不斷減少。在1989～2010年間，各景觀類型的轉化經歷了由劇烈到減緩的過程。在1989～1999年間，受人口增長和經濟發(fā)展，大量原生沼澤濕地和森林草地急劇轉化為耕地，斑塊數量大幅增加，景觀破碎化程度嚴重，耕地對研究區(qū)的控制作用明顯增大，景觀多樣性和異質性下降。在劇烈的土地利用景觀格局變化下，導致草地退化，濕地萎縮，涵養(yǎng)水源下降等一系列生態(tài)問題的被突顯出來。引起了政府部門的高度重視與關注，陸續(xù)推行了退耕還林還草、六大林業(yè)工程、加大濕地保護等相關恢復治理措施。在1999～2010年間，隨著政策的實行，過量開墾現象得到一定程度的遏制，景觀類型間的轉化趨于平緩，景觀破碎化程度有所改善。1989～2010年間，建設用地面積呈現平穩(wěn)增長狀態(tài)，表明寶清縣的城市化建設正在穩(wěn)步前進。

1989～2010年間，寶清縣景觀格局動態(tài)分析研究顯示人為干擾對研究區(qū)的結構產生了顯著的影響，濕地和林草地等資源的破壞為生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展帶來了嚴峻的考驗，相關政府部門應引起足夠的重視并制定科學合理的發(fā)展治理規(guī)劃，實現人口－資源－環(huán)境的和諧發(fā)展。

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