松嫩平原西部土地整理區景觀格局指數的粒度效應研究

頓耀龍, 王 軍, 白中科, 郭義強

(1.中國地質大學(北京) 土地科學技術學院, 北京 100083; 2.國土資源部 土地整治中心土地整治重點實驗室, 北京 100035)

松嫩平原西部土地整理區景觀格局指數的粒度效應研究

頓耀龍1,2, 王 軍2, 白中科1,2, 郭義強2

(1.中國地質大學(北京) 土地科學技術學院, 北京 100083; 2.國土資源部 土地整治中心土地整治重點實驗室, 北京 100035)

以松嫩平原西部大安市土地整理項目區為研究區，基于大安市土地整理前(2008年)1∶10 000土地利用現狀圖和土地整理后(2014年)項目區1∶10 000土地整理規劃設計圖，運用GIS技術繪制研究區土地整理景觀類型圖。運用Fragstats軟件分別計算2種不同空間幅度土地整理區整理前后的景觀格局指數，選取10個能綜合反映土地整理景觀格局特征的景觀指數，在5～300 m之間的21個粒度范圍內分析景觀格局指數的粒度效應，并使用數學模型對景觀格局指數隨粒度增加的變化趨勢進行曲線擬合。結果表明：景觀格局指數隨粒度增加呈現單調上升或下降、先上升后下降和無規律變化3種變化趨勢；不同空間幅度下部分景觀格局指數粒度效應的轉折點存在差異，土地整理前后部分景觀格局指數隨粒度增加而變化的敏感性不同；斑塊數量、斑塊密度、最大斑塊指數等8個指數能用數學模型很好的擬合，斑塊面積方差和Shannon多樣性指數擬合效果并不理想，斑塊數量、斑塊密度、最大斑塊指數、斑塊面積方差和景觀形狀指數整理后的擬合效果優于整理前；大安市土地整理項目區景觀格局分析的適宜粒度為15～35 m。

土地整理; 空間幅度; 景觀格局指數; 粒度效應

土地整理是在一定區域內，按照土地利用規劃確定的目標和用途，采取行政、經濟、法律和工程手段，對土地利用狀況進行調整改造、綜合整治，提高土地利用率和產出率，改善生產、生活條件和生態環境的過程[1]。土地整理是對土地資源及其利用方式的再組織和再優化過程，是一項復雜的系統工程。其土地平整、田間道路、農田水利和防護工程等改變了地表生態系統結構組成、物質循環、能量流動等特征[2-3]，也必然會產生一定的景觀效應與生態效應[4]。土地整理過程涉及地塊規模、形狀的調整，以及排灌溝渠、道路的重新布設等工程，從景觀斑塊、廊道和景觀多樣性等方面對景觀格局和功能造成影響[5]。

景觀格局的定量描述把景觀的空間特征與時間過程聯系起來，能夠從更深層次上揭示景觀格局的變化。用景觀格局指數描述景觀格局及其變化，建立景觀格局與過程之間的聯系，是景觀生態學最常用的定量化研究方法[6]。景觀格局指數分析方法被越來越多應用于土地整理的景觀格局變化研究中，如Bonfanti等[7]以及楊曉艷等[8]學者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、有價值的土地整理格局變化信息需要利用的景觀格局指數。而景觀格局特征的尺度和尺度效應是景觀格局分析的核心之一[9]。空間尺度問題是生態學研究的基礎之一，通常以空間幅度和粒度來表達。空間幅度是研究對象在空間的持續范圍；空間粒度指景觀中最小可辨識單元所代表的特征長度、面積和體積[10]。景觀格局指數具有明顯的尺度依賴性，其對空間幅度和粒度變化的響應曲線存在臨界點或轉折點現象。當空間尺度大于或小于臨界值時，景觀格局指數對空間尺度變化非常敏感[11-12]。

現有研究中多針對研究區空間幅度不變的情況，對景觀格局指數的粒度效應進行研究，對不同空間幅度土地整理區整理前后景觀格局指數粒度效應的研究則較少。因此，本文以松嫩平原西部的大安市土地整理項目區為例，基于景觀生態學理論，針對兩種不同空間幅度，研究土地整理前后景觀格局指數的變化及其粒度效應，對于深入研究土地整理的景觀格局效應具有重要意義。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

土地整理項目區位于松嫩平原西部的吉林省大安市，地理位置為東經123°42′02″—124°41′20″，北緯45°14′23″—45°46′45″，分布在大安市的14個鄉(鎮)，是吉林省西部蘇打鹽堿土分布區的核心地帶。項目區地形平坦開闊，東南部低，西北部高，高程為129.5～132.0 m，地貌類型涉及沙垅、微起伏平地、鹽漬低地、壟間低地、湖沼洼地和漫灘6種地貌單元，總面積約1 201.9 km2，轄區內人口42.08萬左右。本文選取兩種空間幅度的土地整理項目區作為研究對象。較小空間幅度(幅度1)選取小西米片區，涉及新平安鎮、兩家子鎮，總面積202.1 km2，整理前后景觀類型見圖1a，b。較大空間幅度(幅度2)選取小西米片區、幸福渠片區和一期六區3個土地整理區，涉及新平安鎮、兩家子鎮、樂勝鄉和海坨鄉4個鄉鎮，總面積491.7 km2，整理前后景觀類型見圖1c，d。

a：幅度1整理前 b：幅度1整理后 c：幅度2整理前 d：幅度2整理后

圖1研究區不同空間幅度土地整理前后景觀類型

1.2數據來源與處理

通過搜集項目區的文字資料、社會統計數據和基礎圖件資料等，獲取項目區自然、經濟社會和土地利用等數據。其中主要數據來源于土地整理前(2008年)大安市1∶10 000土地利用現狀圖和土地整理后(2014年)項目區1∶10 000土地整理規劃設計圖。利用ArcGIS 9.3對整理前后土地利用圖形數據進行預處理，并依據《土地利用現狀分類(2007)》和項目區景觀構成特點，將項目區景觀類型劃分為耕地、園地、林地、草地、交通運輸用地、村鎮及工礦用地、濕地、鹽堿地及其它用地共9類景觀類型，然后建立拓撲關系，并進行圖形相應的屬性賦值。在此基礎上，分別選取幅度1和幅度2下土地整理項目區在不同階段的圖形矢量數據。

1.3 研究方法

1.3.1 粒度獲取 在ArcGIS 9.3軟件中利用Conversion Tools-To Raster-Feature to Raster工具，將矢量數據轉為柵格數據。針對不同空間幅度的研究區，將土地整理不同階段的景觀類型圖轉化成不同粒度的柵格圖。根據前人研究成果[13]及大安市項目區的實際情況，將粒度選取標準設置為：5～50 m間，每5 m遞增；50～100 m間，每10 m遞增；100～200 m間，每25 m遞增；200～300 m間，每50 m遞增。

1.3.2 景觀格局指數選取及計算 景觀格局指數包括斑塊水平(patch level)、斑塊類型水平(class level)、景觀水平(landscape level)3種類型。能夠表征景觀的基本特征、形狀特征、空間構型特征以及多樣性特征等。本文選取斑塊數量(NP)、斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(LPI)、斑塊面積方差(AREA_CV)等基本特征指數；景觀形狀指數(LSI)、周長面積分維數(PAFRAC)等形狀特征指數；面積加權平均鄰近指數(CONTIG_AM)、蔓延度指數(CONTAG)、聚合度指數(AI)等空間構型特征指數；Shannon多樣性指數(SHDI)，來分析研究區土地整理前后景觀格局指數的變化及其粒度效應。其中各景觀指數具體計算方法及生態學含義見有關文獻[14-15]。借助Fragstats 3.3軟件計算兩種幅度下不同粒度柵格數據的上述10個景觀格局指數。在Excel軟件中完成景觀格局尺度檢測圖，利用SPSS 19.0軟件建立土地整理景觀格局指數與空間粒度之間的函數關系，并利用R2檢驗其相關性。

2 結果與分析

2.1 景觀類型與結構組成

研究區景觀類型包括耕地、林地、草地、交通運輸用地、村鎮及工礦用地、濕地、鹽堿地和其他用地類型8種類型，2種空間幅度下土地整理前后各景觀類型的面積及其比例如表1所示。

表1 研究區整理前后土地利用結構對照表

土地整理前后，景觀類型面積變化主要表現為草地、鹽堿地面積減少和耕地面積增加。幅度1區域整理前后草地、鹽堿地面積比例由40.29%，31.33%分別下降到12.81%，6.26%，耕地面積比例由12.59%增加到65.57%。幅度2區域整理前后草地、鹽堿地面積比例分別由38.45%，37.98%下降到12.8%，6.09%，耕地面積比例則由9.27%增加到67.61%。從景觀類型空間格局來看，土地整理前研究區耕地主要以旱地為主，受荒草地、鹽堿地等優勢斑塊和道路、溝渠等分割的影響，其分布比較零散。土地整理后，荒草地和鹽堿地斑塊大量減少，道路和溝渠布局呈網絡型，耕地斑塊形狀更加規整且集中連片，整體達到了“田成方，路成網，渠相連，林成行”的規劃效果。

2.2 不同幅度景觀格局指數隨粒度增加的變化特征

在圖2中分別對幅度1整理前與幅度2整理前、幅度1整理后與幅度2整理后的尺度檢測圖進行對比分析，可以看出，隨粒度的增加，研究區不同幅度景觀格局指數表現出不同的變化趨勢，表明空間粒度改變對不同空間幅度景觀格局指數變化具有明顯影響。兩種空間幅度下景觀格局指數隨粒度增加主要有兩種變化趨勢：(1) 不同幅度景觀格局指數隨粒度增加的變化趨勢相對一致；(2) 不同幅度景觀格局指數隨粒度增加的變化趨勢不一致。

第1種變化趨勢指數包括景觀形狀指數、周長面積分維數、面積加權平均鄰近指數、聚合度指數、蔓延度指數和Shannon多樣性指數。其中景觀形狀指數、面積加權平均鄰近指數、聚合度指數和蔓延度指數隨粒度增加呈下降趨勢，且無明顯轉折點，表明隨著粒度增大，景觀形狀由復雜變得越來越簡單、斑塊類型間離散程度變高。周長面積分維數呈增加趨勢，且在35 m和80 m粒度處出現明顯轉折點。Shannon多樣性指數隨粒度增加無明顯變化，即粒度變化過程中，景觀中斑塊類型保持不變，因而該指數不表現出粒度效應。第2種變化趨勢指數包括斑塊數量、斑塊密度、最大斑塊指數和斑塊面積方差。其中斑塊數量、斑塊密度、斑塊面積方差3個指數隨粒度增加呈下降趨勢，且存在轉折點，表現出明顯的粒度效應。但是，這3個指數在不同幅度下的轉折點不同。如斑塊數量，整理前后幅度1和幅度2粒度效應的轉折點分別為60 m和40 m左右，表明這3個指數在不同的景觀空間幅度下具有不同的粒度效應。最大斑塊指數隨粒度增加呈上升趨勢，且無明顯的轉折點，但其在不同空間幅度下其粒度效應曲線變化趨勢并不一致，即該指數的粒度效應也受研究區空間幅度的影響。

圖2 不同空間幅度下土地整理前后景觀格局指數的粒度變化效應

2.3 整理前后景觀格局指數隨粒度增加的變化特征

對比分析圖2中幅度1整理前與幅度1整理后、幅度2整理前與幅度2整理后的景觀指數尺度檢測圖，可以得到，土地整理前后，最大斑塊指數、斑塊面積方差、面積加權平均鄰近指數、聚合度指數、蔓延度指數增加；斑塊數量、斑塊密度、景觀形狀指數、Shannon多樣性指數減少；周長面積分維數變化不明顯。這些變化可以反映出土地整理后，斑塊形狀趨于規則、景觀連通性提高、破碎化程度降低，表明土地整理在斑塊和景觀水平上具有一定正的生態效應。同時，土地整理也會導致景觀多樣性降低。

從圖2可以看出，相同空間幅度上，對比分析土地整理前后景觀格局指數的粒度效應，表現出3種變化趨勢：(1) 蔓延度指數和Shannon多樣性指數的粒度效應保持較好的一致性；(2) 斑塊數量、斑塊密度、斑塊面積方差、景觀形狀指數、面積加權平均鄰近指數和聚合度指數的粒度效應呈現相對一致性，但其粒度效應的敏感性不同。整理前斑塊數量和斑塊密度在5～45 m粒度范圍內粒度效應的敏感性比整理后強，在5～300 m粒度范圍內，整理前景觀形狀指數、面積加權平均鄰近指數和聚合度指數粒度效應的敏感性比整理后強；(3) 最大斑塊指數和周長面積分維數的粒度效應呈無規律變化。

土地整理前后，隨粒度增加，斑塊數量、斑塊密度、斑塊面積方差、景觀形狀指數、面積加權平均鄰近指數、聚合度指數、蔓延度指數降低，其中斑塊數量、斑塊密度在45 m處出現轉折點，斑塊面積方差在25 m和45 m處出現轉折點。最大斑塊指數和周長面積分維數隨粒度變大呈增加趨勢，其中最大斑塊指數無明顯轉折點，而周長面積分維數在35 m和80 m處出現轉折點。以上指數均表現出一定的粒度效應，Shannon多樣性指數則無明顯的粒度效應。

2.4 景觀格局指數粒度變化效應的曲線擬合

研究區不同幅度不同整理時期的各景觀格局指數都表現出一定的粒度效應，且一部分景觀格局指數的粒度變化效應可用數學模型擬合(表2)。本文對研究區2種空間幅度土地整理前后的一部分景觀格局指數進行擬合分析。結果表明：斑塊數量、斑塊密度用指數函數擬合效果比較好，周長面積分維數用冪函數擬合效果較好；斑塊面積方差和Shannon多樣性指數用三次函數擬合效果最優，但是擬合度并不理想，其原因可能是粒度選取不合適或指數本身無規律性；其他指數用三次函數擬合效果均比較好，擬合度在0.90以上。不同土地整理時期，斑塊數量、斑塊密度、最大斑塊指數、斑塊面積方差和景觀形狀指數整理后的擬合效果優于整理前。

3 結論與討論

景觀格局指數的粒度效應研究中，所選取的空間幅度大小、空間粒度的變化范圍、空間數據聚合方式以及景觀格局指數計算方法的差異都會導致分析結果有所不同[16-18]。本研究系統分析了土地整理區景觀格局指數的粒度效應，不僅考慮了空間幅度的影響，也考慮了土地整理前后景觀格局指數的粒度效應差異。從變化趨勢上看，除Shannon多樣性指數外，各景觀格局指數對土地整理區的景觀均存在粒度效應，可分為3種類型：單調上升或下降、先上升后下降和無規律變化。其中，斑塊數量、斑塊密度和斑塊面積方差呈先上升后下降的趨勢，這與孟陳等[19]對上海市景觀格局和龔建周等[20]對廣州土地覆蓋景觀格局的研究結果一致，而與劉源鑫等[21]的研究結果有所差異；景觀形狀指數、面積加權平均鄰近指數、聚合度指數和蔓延度指數隨粒度增加呈下降的趨勢，最大斑塊指數和周長面積分維數的粒度效應并無明顯規律，但其變化趨勢具有較好的可預測性，這與申衛軍等[17]、Wu[16]的研究結果比較一致。上述現象的存在是由于研究粒度的改變導致柵格單元不斷變化，改變了景觀斑塊邊界的復雜程度，且尺度的過濾作用使小斑塊被合并甚至消失，從而導致景觀格局發生變化。Shannon多樣性指數在所選取的粒度范圍內無明顯變化，而Wu[16]檢測到Shannon多樣性指數隨粒度增加呈階梯狀下降趨勢，主要原因可能是本研究選取的粒度范圍比較小，在此粒度范圍內粒度增加并沒有使某斑塊類型被完全合并。從粒度效應的轉折點上看，本研究檢測到景觀格局指數的第一尺度域集中在5～45 m范圍內，適宜粒度為15～35 m，而趙文武等[12]使用不同比例尺的土地利用圖研究延河流域景觀格局粒度效應發現兩種比例尺下的適宜粒度分別為70～90 m和90～120 m，造成此差異可能是因為粒度選取的范圍和粗細度的劃分不同。

不同空間幅度景觀格局指數的粒度效應存在差異。在本研究所選取的兩種空間幅度下，景觀形狀指數、周長面積分維數、面積加權平均鄰近指數、聚合度指數、蔓延度指數和Shannon多樣性指數隨粒度增加的變化趨勢相對一致；斑塊數量、斑塊密度、最大斑塊指數和斑塊面積方差在兩種空間幅度下的粒度效應不一致，表現在其變化的轉折點不同，表明這些指數的粒度效應與研究的空間幅度有關。土地整理前后景觀格局指數的粒度效應也有差異。斑塊數量、斑塊密度、斑塊面積方差、景觀形狀指數、面積加權平均鄰近指數和聚合度指數整理前后粒度效應的敏感性不同，斑塊數量和斑塊密度在5～45 m粒度范圍內整理前粒度效應的敏感性比整理后強，景觀形狀指數、面積加權平均鄰近指數和聚合度指數在5～300 m范圍內整理前粒度效應的敏感性比整理后強，其原因可能是整理前有大量小斑塊零星分布，在重采樣過程中存在小斑塊合并消失的現象，通過土地整理小斑塊被整合到大斑塊中，在重采樣時由于粒度變大導致斑塊消失的情況變少，因此整理前景觀格局指數的粒度效應更加敏感；蔓延度指數和Shannon多樣性指數的粒度效應在整理前后保持較好的一致性；最大斑塊指數和周長面積分維數在整理前后的粒度效應呈無規律變化。通過對景觀格局指數的變化趨勢進行曲線擬合發現，斑塊數量、斑塊密度、最大斑塊指數等8個景觀指數能使用指數函數、三次函數或冪函數等數學模型進行很好的擬合，這與孟陳等[19]、徐麗等[22]的研究結果比較一致。斑塊面積方差和多樣性指數擬合效果并不理想，分析原因可能是選取的粒度范圍比較小，無法放映指數的整體特征，或指數本身計算方法的局限導致不能擬合。同時研究發現，斑塊數量、斑塊密度、最大斑塊指數、斑塊面積方差和景觀形狀指數整理后的擬合效果優于整理前。

本文對不同空間幅度整理區在土地整理前后景觀格局指數的粒度效應進行研究發現：不同空間幅度下景觀格局指數粒度效應的轉折點存在差異；土地整理前后景觀格局指數隨粒度增加而變化的敏感性不同；大安市土地整理項目區景觀格局分析的適宜粒度為15～35 m。因此，在對土地整理區進行景觀格局分析時應根據土地整理的不同時期選擇合適的空間幅度和粒度。研究區域空間幅度和粒度的變化范圍及劃分的粗細度對景觀格局指數尺度效應的研究具有重要影響。本研究中對空間幅度和粒度的設計相對比較簡單，增大空間幅度和粒度的變化范圍并降低粒度的劃分間隔，將是下一步深入研究的重要方向。

[1] 鹿心社.論中國土地整理的總體方略[J].農業工程學報,2002,18(1):1-3.

[2] 高向軍,羅明,張惠遠.土地利用和覆被變化(LUCC)研究與土地整理[J].農業工程學報,2001,17(4):151-156.

[3] 羅明,張惠遠.土地整理及其生態環境影響綜述[J].資源科學,2002,24(2):60-63.

[4] Niroula G S, Thapa G B. Impacts and causes of land fragmentation, and lessons learned from land consolidation in South Asia[J]. Land Use Policy,2005,22:358-372.

[5] 王軍,余莉,羅明,等.土地整理研究綜述[J].地域研究與開發,2002,22(2):8-11.

[6] 鄔建國.景觀生態學:格局、過程、尺度與等級[M].北京:高等教育出版社,2000:104-105.

[7] Bonfanti P, Fregonese A, Sigura M. Landscape analysis in areas affected by land consolidation[J]. Landscape and Urban Planning,1997,37(1):91-98.

[8] 楊曉艷,朱德舉,鄖文聚,等.土地開發整理對區域景觀格局的影響[J].農業工程學報,2005,21(9):67-71.

[9] 岳文澤,徐建華,談文琦,等.城市景觀多樣性的空間尺度分析:以上海市外環線以內區域為例[J].生態學報,2005,25(1):122-128.

[10] Jenerette G D, Wu J. On the definitions of scale[J]. Bulletin of the Ecological Society of America,2000,81:104-106.

[11] 申衛軍,鄔建國,任海,等.空間幅度變化對景觀格局分析的影響[J].生態學報,2003,23(11):2219-2231.

[12] 趙文武,傅伯杰,陳立頂.景觀指數的粒度變化效應[J].第四紀研究,2003,23(3):326-333.

[13] 朱開群,金曉斌,周寅康.土地整理項目區景觀格局粒度效應初探[J].中國土地科學,2011,25(3):45-51.

[14] 傅伯杰,陳利頂.景觀多樣性的類型及其生態意義[J].地理學報,1996,51(5):454-462.

[15] 布仁倉,胡遠滿,常禹,等.景觀格局指數的相關分析[J].生態學報,2005,25(10):2764-2775.

[16] Wu J. Effects of changing scale on landscape pattern analysis: scaling relations[J]. Landscape Ecology,2004,19(2):125-138.

[17] 申衛軍,鄔建國,林永標,等.空間粒度變化對景觀格局分析的影響[J].生態學報,2003,3(12):2506-2519.

[18] 布仁倉,李秀珍,胡遠滿,等.尺度分析對景觀格局指標的影響[J].應用生態學報,2003,14(12):2181-2186.

[19] 孟陳,李俊祥,朱穎,等.粒度變化對上海市景觀格局分析的影響[J].生態學雜志,2007,26(7):1138-1142.

[20] 龔建周,夏北成,李楠,等.快速城市化地區土地覆蓋景觀特征的粒度效應[J].生態學報,2006,26(7):2198-2206.

[21] 劉源鑫,焦峰.黃土高原丘陵區景觀特征與景觀指數粒度效應研究[J].水土保持研究,2013,20(3):23-31.

[22] 徐麗,卞小慶,秦小林,等.空間粒度變化對合肥市景觀格局指數的影響[J].應用生態學報,2010,21(5):1167-1173.

GrainEffectofLandscapePatternIndexofLandConsolidationAreaintheWestofSongnenPlain

DUN Yao-long1,2, WANG Jun2, BAI Zhong-ke1,2, GUO Yi-qiang2

(1.SchoolofLandScienceandTechnology,ChinaUniversityofGeosciences(Beijing),Beijing100083,China; 2.KeyLaboratoryofLandConsolidationandRehabilitation,MinistryofLandandResources,Beijing100035,China)

Land consolidation project of Da′an City in the west of Songnen Plain was selected as the study area. Based on 1∶10 000 current land use map before land consolidation (2008) and 1∶10 000 land consolidation planning map after land consolidation (2014), GIS technology was used to make the land consolidation landscape type map and the landscape pattern index was calculated by using the software of Fragstats. 10 landscape pattern indices which are good to describe land consolidation landscape pattern characteristics were selected to analyze their grain effect in the range of 5～300 meter grain size under two different spatial extents. And mathematical model was used to fit the change trend of landscape pattern indices. The results indicated that the landscape pattern index showed a monotonic increase or decrease, decline after the first increase and irregular change of 3 kinds of trend along with the increase of grain. There are differences with turning point on different spatial extents of part of landscape pattern indices, part of landscape pattern indices have different sensitivity along with grain size increase before and after land consolidation. Most of indices can be very well fitted with mathematical model. Part of indices such as patch number, patch density, largest patch index, patch area variance and landscape shape index were fitted better after land consolidation. The suitable grain of landscape pattern analysis is 15～35 meters in land consolidation project area of Da′an City.

land consolidation; spatial extent; landscape pattern index; grain effect

2014-01-15

：2014-03-12

國家自然科學基金(41171152)

頓耀龍(1988—),男,湖北荊州人,碩士研究生,主要研究方向為土地整理與復墾、土地可持續利用。E-mail:dunyaolong2012@163.com

王軍(1970—),男,河南新鄉人,博士,研究員,主要研究方向為景觀生態學、土地可持續利用與土地整理。E-mail:wangjun@lcrc.org.cn

F301.21, P901

：A

：1005-3409(2014)05-0066-06