濱海土地重心遷移及景觀梯度變化

賈啟建, 何 玲

(1.河北農業大學 農村發展學院, 河北 保定 071000; 2.河北農業大學 國土資源學院, 河北 保定 071000)

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濱海土地重心遷移及景觀梯度變化

賈啟建1, 何 玲2

(1.河北農業大學 農村發展學院, 河北 保定 071000; 2.河北農業大學 國土資源學院, 河北 保定 071000)

基于濱海土地特有的類別分布及變化，以Fragstats軟件為基礎，借助RS和GIS技術，以黃驊市為例進行實證研究，設計土地重心遷移及梯度變化的研究方法，總結其特征變化規律，為土地利用與生態環境建設規劃提供借鑒。結果表明：耕地、草地、濕地和鹽堿地面積呈現減少趨勢，園地、建設用地、鹽田和水域呈增加趨勢，各地類重心均向不同方向遷移，景觀空間梯度變化從水平樣帶上和垂直樣帶上體現出濱海區域的特點。水平樣帶一定范圍內距離中心城區越遠，土地景觀類型就越趨向復雜多樣，其聚合度就越差；垂直樣帶由南到北，多樣性指數整體呈上升趨勢，中心城區向南，聚合度逐漸增加，向北聚合度呈現先小幅上升后又下降的趨勢。

土地利用; 重心遷移; 景觀梯度; 土地景觀類型; 濱海土地

土地是人類賴以生存和發展的基礎，人類按照土地的自然特性和經濟特性，因地制宜地開發、改造土地。土地景觀是由許多大小不一，形狀各異的地塊，按一定規律組成的空間異質性區域。土地景觀格局的形成，不僅反映了區域內生態系統的演變，還反映出人與自然之間相互作用、相互依存的關系。研究土地景觀格局的整體特征，分析演變規律，有助于幫助人類認識其行為對土地系統、景觀生態系統的影響，從而為土地各項規劃的編制提供依據。

土地重心的研究有助于人類找到土地利用與改造的軌跡，揭示區域經濟社會發展規律。國內學者對土地重心的研究，主要集中在土地重心的研究尺度及土地重心模型等。王思遠等[1]對大尺度不同地類進行了重心遷移計算與研究；張興榆、黃賢金等[2]分析了中等尺度土地重心和經濟重心的相關性及遷移的影響因素；高志強等[3]建立了土地重心模型，利用該模型對大尺度耕地重心變化進行了研究。景觀梯度變化通常通過景觀格局進行分析研究。景觀格局通常指景觀的空間結構特征，是景觀異質性在空間上的重要表現，包括景觀組成單元的類型、數量以及在空間上的分布與配置，景觀區域內若干生物以及非生物長期綜合作用的結果[4-6]。景觀格局分析方法領域一直是國內外學者的研究熱點。Hannes palang等人研究了景觀多樣性指數，指出了地域差異引起的景觀格局變化特征[7]；Hietala Koivu R運用不同景觀格局指數分析了農用地景觀格局演變[8]。肖篤寧[9]、張秋菊[10]等分別介紹了景觀空間格局的研究方法和度量結構體系；許多研究還應用了GIS、遙感與統計分析模型等先進方法和手段[11-16]。將土地重心演變與景觀梯度變化結合討論，并在小尺度區域進行驗證研究鮮有報道。

本文以渤海西岸的河北省黃驊市為例，借助ArcGIS，ERDAS，Fragstats軟件，研究濱海土地重心遷移規律及景觀格局梯度變化。不同地類重心變化研究為合理劃定土地利用規劃中土地利用分區及確定土地整治項目區提供參考；區域景觀遷移規律為劃定土地利用分區及區內景觀格局優化提供依據。

1　研究區概況

黃驊位于河北省東南部，海河平原黑龍港流域最東端，位于北緯38°09′—38°39′，東經117°05′—117°49′，總面積2 177.83 km2，海岸線65.8 km。黃驊市地處環渤海經濟圈中部位置和環京津樞紐地帶，北倚京津，南望齊魯，東臨渤海，西接滄州。黃驊市地貌類型為退海淤積和沖積平原類型，地勢低洼平坦，從西南向東北緩緩傾斜，海拔高程在1～7 m。黃驊市土類分為潮土、鹽土和沼澤土3個土類，因受地形、沖積母質和土體構型影響，全區土壤瘠薄，鹽堿化程度嚴重，土壤有機質含量較低，植物種類較少。

2　數據來源及研究方法

2.1數據來源及處理

遙感數據綜合性和操作性強、時效性高、可大面積同步與動態監測，為土地利用現狀調查提供了可靠的技術手段，故本研究選擇遙感數據作為重要數據源[17]。數據來自地理空間數據云和美國地質調查局網站，空間分辨率均為30 m，軌道號均為122/33，具體遙感影像選擇Landsat5 TM影像，成像時間1990-04-04，云量為0；Landsat7 ETM+影像，成像時間2000-04-07，云量為0，2011-03-21，平均云量為11.16。2011-03-21影像圖云層明顯位于圖幅中上部，而黃驊市位于該圖的左下部，左下角云量為0.78，基本未被云層遮蓋。為準確獲取數據，在ENVI4.7軟件支持下，對該圖幅進行去云處理。將2011年影像依據1∶50萬土地利用現狀圖進行幾何校正，后將影像進行4，3，2波段組合，按照黃驊市行政界線進行圖像裁剪，進行幾何精校正，依據2011年校正后影像對1990年和2000年影像進行幾何校正，最后對圖像進行增強處理。

結合全國土地利用現狀分類、中國科學院資源環境分類系統、濱海鹽堿地的特征和黃驊市的實際情況，以土地利用方式為基礎，以人類社會的景觀生態需求為立足點，基于土地、景觀、生態各系統特點及功能將景觀類別劃分為耕地、園地、草地、建設用地、水域、鹽堿地、濕地、鹽田八類，在4，3，2波段標準假彩色合成下，選取八類景觀類型解譯標志，見表1。

表1　土地景觀類型解譯標志

先解譯黃驊市2011年遙感影像，利用監督分類法中的最大似然法進行分類，并利用ERDAS系統中Evaluate Classification模塊得出2011年遙感影像總體分類精度為86.33%，Kappa系數為0.833 0。因此可以認為，利用監督分類方法提取研究區景觀類型，能夠達到較好的效果，符合后續的研究要求。進而對1990年，2000年兩期影像進行監督分類解譯，提取土地景觀類型；再進行碎圖斑合并等分類后處理，轉為Shp格式，參考實地調查數據、原始影像、圖件等資料，最終得到黃驊市土地景觀類型圖。

2.2研究方法

2.2.1動態度模型動態度描述了區域一定時間內土地景觀在面積數量上的變化情況，對描述區域土地變化的速度及預測未來土地利用變化的趨勢有著極其重要的作用。為了更加直觀地反映研究區不同景觀類型變化的程度，本文引入了單一動態度模型，用來描述某種景觀類型在一定時間范圍內的數量變化速度。單一土地利用動態度是用來表示研究區某一特定時間范圍內某種土地利用類型的面積變化情況[18]。動態度的大小表示了該景觀類型的穩定情況。具體計算公式為：

(1)

式中：Ua，Ub——研究區內某種類型的景觀在研究期初和期末的數量，單位km2；t1，t2——研究初期與末期的時間，二者之差以年為單位。

在動態度模型的基礎上，運用轉移速率和新增速率算法表示土地利用變化情況，具體計算公式為：

(2)

(3)

2.2.2平面重心模型景觀類型的空間重心變化可以通過平面重心模型反映其演變的具體過程，原理為平面重心模型計算各土地景觀類型在平面坐標下不同時期的重心位置，從而分析地理二維空間內各時期重心位移，揭示土地利用的空間變化過程[3]。具體計算公式為：

(4)

(5)

式中：x，y——某種景觀類型分布重心的經緯度坐標；ci——該景觀類型第i個斑塊的面積；xi，yi——某景觀類型第i個斑塊分布重心的經緯度坐標。

2.2.3景觀格局樣帶設計空間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，國內外學者利用景觀指數和梯度分析方法分析土地利用格局，取得了一定的成效[19]。本文借助Fragstats3.3中的移動窗口法研究景觀指數在不同梯度上的分布規律，選擇關聯度較小Shannon多樣性指數(SHDI)和聚合度(AI)進行分析。

本文選擇水平和垂直兩條樣帶TR1和TR2。TR1基本與研究區內的河流水系平行，TR2垂直于TR1，兩條樣帶均穿過中心城區，梯度變化更具代表性和典型性。樣帶寬為5km，以中心城區的幾何中心為原點，向西、向南為負值；在Fragstats3.3中設置移動窗口通過5km×5km的正方形從中心點開始移動，最后輸出結果。

3　結果與分析

3.1土地景觀類型速度變化分析

1990—2011年，耕地、草地、濕地和鹽堿地變化速度為負，面積呈現減少趨勢，其中濕地和草地減少最快，分別為-1.00%和-0.51%；園地、建設用地、鹽田和水域呈增加趨勢，其中鹽田的增長速度最快，為1.41%。較研究期初相比，研究期末濕地、草地退化嚴重，建設用地和鹽田面積擴張劇烈(表2)。

表2　1990-2011年黃驊市景觀類型變化速度

3.2土地景觀類型重心變化分析

在1990—2000年和2000—2011年這兩個研究時段內，各類景觀都有不同程度的遷移。其中建設用地在1990—2000年遷移的距離最遠，為2.929 km；其次是草地，在1990—2000年遷移了2.355 km，再次是鹽堿地，在2000—2011年遷移距離為2.349 km。

由圖1可以直觀的看出各景觀類型重心遷移情況。其中耕地的重心遷移方向為先西南后西北整體趨勢朝西方向轉移；園地的重心遷移方向從為先向西轉移后東北整體趨勢朝西北方向轉移；草地則一直向東南方向轉移；建設用地的重心遷移方向為先東南后西整體趨勢朝西方向轉移；鹽田的重心遷移方向為西北方向；濕地重心遷移方向為西南方向；鹽堿地重心遷移方向為東北方向；水域的重心整體趨勢朝東方向轉移。

圖1　1990年，2000年，2011年各景觀類型重心變化

3.3土地景觀格局梯度變化分析

Shannon多樣性指數(SHDI)的梯度變化如圖2所示。橫軸表示兩條樣帶上的點距原點的距離，以樣帶交叉處作為原點；縱軸表示景觀格局指數。

從水平方向上看，中心城區向西，SHDI值隨距離的增加不斷增大，向東則先升高后降低。這表明水平方向上，一定程度上距離中心城區越遠，土地景觀類型就更復雜多樣；但距海岸線15 km范圍內又開始下降，這主要由于成片鹽田和鹽堿地的存在，使得景觀多樣性降低。從垂直方向來看，由南到北，SHDI整體呈現上升趨勢，分析其原因，主要是南部土地景觀類型較為單一，主要為耕地；北部較廣泛分布的草地、園地等景觀類型導致景觀的復雜化和豐富化。

Aggregation index (AI)的梯度變化如圖3所示。從水平方向上看，中心城區向西，AI值隨距離的增加不斷降低，向東則先降低后升高。這表明水平方向上，一定程度上距離中心城區越遠，土地景觀類型的聚合度就越差；而海岸線附近有所上升；從垂直方向來看，由南到北，景觀聚合度整體上呈現下降趨勢。

圖2　Shannon多樣性指數(SHDI)梯度變化

圖3　聚合度(AI)梯度變化

4　結 論

(1) 從景觀類型變化速度情況來看，21 a間，耕地、草地、濕地和鹽堿地面積呈現減少趨勢，濕地和草地減少最快；園地、建設用地、鹽田和水域呈增加趨勢，鹽田的增長速度最快。土地景觀類型的變化是人類與土地互相作用的結果。其中，人口增長是建設用地增加最根本的驅動因素。至2011年，黃驊市總人口及非農人口逐步上升，與1990年相比增幅達到6.82%和46.93%，其結果必然是建設用地增加、占用耕地及鹽堿地等地類。由于黃驊市臨海，曬鹽業發達迅速，鹽田及水域面積增加也較快。黃驊市是冬棗的原產地，保護與發展棗園使得園地面積近年增幅不少。

(2) 從景觀類型重心遷移情況看，耕地重心先西南后西北整體向西方遷移；園地重心先西后東北整體向西北轉移；草地一直向東南方向遷移；建設用地重心先東南后西整體朝西方遷移；鹽田重心遷向西北方向；濕地重心遷移方向為西南方向；鹽堿地重心遷移方向為東北方向；水域的重心整體趨勢朝東方向轉移。土地景觀類型重心的變化主要受國家政策的影響。近年來，黃驊市開展了各種土地相關項目，如黃驊西部土地綜合整治重大工程，該工程主要針對鹽堿地和耕地進行；黃驊市積極改造城區東部舊城，與東部中捷農場對接，并大力建設東部渤海新區；在新一輪城市總體規劃中，黃驊確定的發展方向及策略為“黃驊東進、中捷西拓、南北拓展”，黃驊市城市建設未來會進一步向東部發展。

(3) 從景觀梯度觀察發現，水平樣帶上，一定范圍內距離中心城區越遠，土地景觀類型就越趨向復雜多樣，其聚合度就越差；但距海岸線15 km范圍內，由于成片鹽田的存在，景觀多樣性降低，聚合度則出現較大幅度的上升。垂直樣帶上，由于南部主要為耕地景觀，北部廣泛分布著草地、園地、鹽堿地等景觀類型，導致由南到北，多樣性指數整體呈上升趨勢；中心城區向南，聚合度逐漸增加，向北則因景觀類型由均一到復雜而呈現出聚合度先小幅上升后又下降的趨勢。

(4) 本文選取的遙感影像為Landsat5 TM影像和Landsat7 ETM+影像，空間分辨率為30 m，若能選取分辨率更高的影像作為基礎影像，獲取的數據會更加精確。在進行土地景觀格局特征及梯度變化分析時，格局指數的內部機理及其空間相關性對指數選擇的影響有待進一步研究。

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Move of Land Barycenter and Changes of Landscdpe Gradient in Coastal Region

JIA Qijian1, HE Ling2

(1.College of Rural Development, Agricultural University of Hebei, Baoding， Hebei 071000, China;2.CollegeofLandResources,AgriculturalUniversityofHebei,Baoding，Hebei071000,China)

The purpose of this paper is to provide service for land use and ecological environment plan by summarizing changes of categorical distribution in coastal region. The solution is to design methods to analyze the changes of barycenter and gradient in coastal region by using Fragstats software, RS and GIS technology. The results indicate that areas of some lands are reduced, such as cultivated land, grassland, wetland and saline land; the areas of some lands are increased, such as corner, construction land, salt pan and water body. The barycenter of the lands are migrating in different directions. Landscape spatial gradient from the horizontal and vertical transects reflects the characteristics of the coastal region. In horizontal transect, farther from the center of town, the landscape tends to be more complex and diverse, and its aggregation index is worse. In vertical transect, from south to north, Shannon diversity index is upward in the overall trend. In center city, aggregation index is increasing to the south, and it rises slightly at first and then declines to the north.

land use; move of barycenter; landscape gradient; landscape type; coastal region

2015-04-03

2015-04-21

國土資源部公益性行業科研專項經費項目(201311060);河北省科技支撐計劃項目(132276329)

賈啟建(1981—),男,河北黃驊人,碩士,助理研究員,主要研究方向為土地資源管理、農林經濟管理。E-mail:ncjia@hebau.edu.cn

何玲(1980—),女,河北保定人,博士生,副教授,主要研究方向為土地生態、土地持續利用與土地整治。E-mail:helingsss@163.com

F301.2

A

1005-3409(2016)02-0201-06