河流城市土地利用景觀格局變化及其生態風險分析—以江西省德興市為例

胡綿好, 袁菊紅, 蔡靜遠, 周早弘

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河流城市土地利用景觀格局變化及其生態風險分析—以江西省德興市為例

胡綿好1*, 袁菊紅2, 蔡靜遠3, 周早弘1

1. 江西財經大學, 生態經濟研究院, 南昌 330032 2. 江西財經大學, 環境與植物科學研究所, 南昌 330032 3. 江西財經大學, 軟件與通信工程學院, 南昌 330032

利用德興市 2000年、2005年、2010年和 2014年4 期的TM遙感解譯數據, 在 GIS 和景觀格局分析軟件支持下, 對該區域 2000年—2014年的土地利用景觀格局變化及其生態風險進行了分析。結果表明: 2000—2014 年間, 林地是區域主導的景觀類型, 占總面積達 80%以上, 且德興市土地利用景觀格局發生了較大的變化, 其中建設用地景觀面積大幅增加(增加了1725.9 hm2), 而耕地、林地、水域和其他用地景觀面積減少。2000—2014年德興市土地利用景觀的斑塊數、多樣性指數和均勻度指數處于降低趨勢, 斑塊結合度指數處于增加趨勢; 斑塊數、斑塊密度、邊界密度表現為先減后增再減的過程, 分離度、分維數、蔓延度指數變化表現為先增后減再增的過程。德興市的土地生態風險處于低生態風險, 但風險指數呈上升趨勢。

景觀格局; 生態風險; 德興市

1 前言

景觀格局是研究景觀功能和動態的基礎, 是揭示空間變異特征及區域生態狀況的有效手段, 其沿某一方向的互饋變化對預示某種生態學過程起著重要的作用[1]。景觀生態風險評價是在自然或人為因素影響下對景觀格局與生態過程相互作用產生影響的一種評價方法, 其為區域景觀生態建設、資源管理、景觀生態環境修復等研究領域提供了新的研究視角, 已引起了國內外學者的高度重視[2]。研究表明,武漢市耕地格局越來越分散, 水域分散下降且高風險區域主要集中于水域景觀區[3]; 煙臺市城市用地和農地景觀格局人類活動強度增強而逐漸增大, 景觀生態風險沿著海岸線呈半圓環發展變化[4]。阮俊杰等[5]利用景觀生態風險評價方法研究發現, 青浦區生態風險處于中等水平, 風險空間差異性明顯且城鎮景觀類型是主要生態風險區域; 運用相對指標法對景觀生態風險指數進行分級的研究還表明, 江蘇省沿海地區的高風險區區域面積增加且主要集中于灘涂區[6], 遼寧省錦州灣沿海經濟開發區較高生態風險區域面積也明顯增加且主要位于興城市和綏中縣東南沿海地區[7]。張月等[8]研究還表明, 1998—2013年間艾比湖區域耕地景觀面積明顯增加, 其他景觀面積減少, 艾比湖區生態風險等級由高生態等級向低生態等級轉變的總面積遠高于由低生態等級向高生態等級轉變的總面積。研究還發現, 快速城市化和工業化對巢湖流域土地景觀結構及格局影響顯著, 巢湖流域9個行政單元的生態風險呈上升趨勢[9]; 昆山市耕地和水域是最具有生態風險的景觀類型, 經濟快速發展對該區域的景觀格局作用強烈, 區域生態風險處于上升態勢[10]。由此可見, 景觀的組分結構特征易于保存景觀信息, 可通過專業判斷和統計分析建立景觀組分結構與生態影響類型及其強度間的經驗聯系, 加之景觀結構還可以準確的顯示各種生態影響的空間分布和梯度變化特征, 有利于各種空間分析的手段的廣泛應用, 進而為區域性生態保護提供更可靠的決策依據[7]。

城市河流不僅是城市景觀的一種自然體, 還是重要的生態廊道之一[11], 具有調節氣候、供應水源、提供綠地、保護環境、旅游娛樂、交通運輸、文化教育及物種多樣性保護等生態服務功能[12]。近年來, 隨著人類活動范圍擴大和程度的加劇, 河流城市的土地利用景觀格局變化對河流水文循環、水土流失、氣候變化及生物多樣性的影響越來越大, 嚴重威脅城市河流的生態安全[13], 已成為區域土地利用景觀格局變化研究的熱點問題之一[14]。德興市位于江西省上饒市北部, 樂安河中上游, 境內長度在5 km以上的河流有87條, 其中主要河流—洎水河, 流域總面積557 km2, 自東南向西北穿德興市區境內(流經面積達501 km2), , 作為典型區域特色的河流景觀, 具有重要的生態環境服務價值。近年來, 隨著該河流兩岸土地利用和城市化進程的加快, 致使河岸的自然地理條件改變、生態環境破壞, 景觀格局隨之發生較大的演變, 生態風險加大。目前, 在人類活動強烈影響背景下, 有關該河流兩岸土地利用及景觀格局的空間結構特征研究較少, 基于此, 本文以河流兩岸城市—德興市為研究區域, 在土地利用變化基礎上采用景觀生態學的格局指數分析該區域的土地利用景觀格局空間變化特征, 并定量評價其土地景觀格局變化的生態效應, 以期為區域土地利用結構的優化提供決策依據, 為區域景觀生態建設、流域生態保護、資源開發和經濟建設之間的協調發展提供理論基礎與技術支持。

2 研究區概況

德興市(117°58′E, 28°96′′N)位于江西省上饒市北部(圖1), 樂安河中上游, 其東接浙江省開化縣, 東南與上饒縣、玉山縣毗鄰, 南和橫峰縣、弋陽縣相接, 西接樂平市, 北連婺源縣。德興市屬于中亞熱帶濕潤季風區, 具有氣候溫暖、雨量充沛、光照充足、四季分明和晝夜溫差大, 無霜期較長等山區小氣候特點。德興市境內長度在5 km以上的河流有87條, 均屬饒河水系。樂安河是境內主干河流, 發源于贛皖邊境, 由北部入境, 流經海口、泗洲2鎮, 境內流長51 km。流入德興市境內的面積在150 km2以上的河流有5條支流, 自東南流向西北后注入樂安河, 其中洎水河為樂安河上游的一條較大支流, 流域總面積557 km2, 流經德興市境內達501 km2, 是德興市境內的第二條大河, 又被稱為德興的母親河。

作為典型的資源工業型城市, 德興市素有“金山”、“銀城”、“銅都”之美譽, 已探明儲量并開發的礦產達30多種, 年產銅居中國之首, 年產黃金居江南之首, 是中國重要的有色金屬工業基地。隨著工業化、城市化進程的飛速發展和礦山資源的大規模開采, 人地矛盾日益加劇, 森林植被破壞, 水土流失加劇, 土地承載能力下降, 土地生態環境破壞和污染嚴重, 已對下游的鄱陽湖生態環境造成了嚴重威脅。

3 數據處理及方法

3.1 數據來源及處理

本研究中的土地利用景觀類型劃分主要來源于德興市2000年5月、2005年6月、2010年5月、2014年6月的LandsatTM 30 m遙感影像的土地利用覆被數據, 其中2000至2010年為Landsat-5TM影像, 2014年為Landsat-8TM影像。為了便于討論景觀指標變化的科學性及可操作性, 結合遙感影像圖和研究區的實際情況, 在參照全國土地利用分類系統基礎上, 將研究區的土地利用景觀類型劃分為: 耕地(包括旱地、水田等)、林地(包括林地、園地、少量草地等)、水域(包括河流、湖泊、水塘、水庫等)、建設用地(包括城鎮用地、農村居民點等)和其他用地(包括灘涂、裸地、沙地等)5種類型。研究區矢量邊界范圍、影像校正參考數據和土地利用變更調查數據均來源于江西省國土資源廳勘測規劃院。

3.2 景觀結構及其變化分析

本研究應用 ArcGIS10.0 軟件統計不同土地利用景觀類型的面積, 計算 2000、2005、2010 年不同類型景觀的面積比例。為了解不同景觀類型之間的轉化情況, 利用 ArcGIS10.0 空間分析模塊中的 Tabulate Area 工具計算出 2000—2014年研究區各景觀類型的馬爾科夫轉移矩陣, 有利于探討類型轉化的相互關系。

3.3 景觀格局分析

景觀指數能將復雜景觀高度濃縮為簡單、易識別的景觀格局信息, 反映其結構組成和空間配置等方面的特征, 用來定量地描述和監測景觀結構特征隨時間的變化[15]。在 ArcGIS10.2系統軟件支持下, 利用景觀格局分析軟件Fragstats 3.3對德興市的景觀格局特征參數進行分析, 計算相關的景觀指標。Fragstats 3.3可以計算 60 多種景觀指標, 且許多指標之間具有高度的相關性。因此, 本研究選取在類型水平上選取的指數有: 斑塊密度(PD)、斑塊個數(NP)、邊緣密度(ED)、周長-面積分維數(PAFRAC)、最大斑塊指數(LPI)、散布與并列指數(IJI)、斑塊結合度指數(COHESION)、景觀類型所占景觀面積的比例(PLAND); 在景觀水平上選取的指數有: 斑塊個數(NP)、斑塊密度(PD)、邊緣密度(ED)、周長-面積分維數(PAFRAC)、分離度(SPLIT)、香農多樣性指數(SHDI)、香農均度指數(SHEI)、蔓延度指數(CONTAG)。各景觀指數的具體描述、計算方法及其生態學意義見鄭新奇等[16], Xie等[17]和鄔建國[18]等文獻。

圖1 江西省德興市位置圖

3.4 生態風險指數分析

為建立土地利用景觀類型與區域綜合生態風險之間的聯系, 利用各土地利用景觀類型的面積, 構建各土地利用景觀類型的生態風險指數(Ecological Risks Index, ERI)[19], 使其更具有針對性和更能反映景觀結構變化所帶來的生態風險變化, 其計算公式如下:

4 結果與分析

4.1 德興市景觀類型分布及其變化分析

2000—2014年, 德興市各景觀類型結構變化不明顯(圖2和表1)。對于 4個研究年份, 林地是所有景觀類型中所占面積最大的景觀類型, 所占總面積達 80%以上, 但其面積呈現遞減趨勢; 建設用地景觀面積占總面積分別為5.04%、5.29%和5.66%和5.87%, 且2000—2014年, 德興市的建設用面積共增加了1725.9 hm2; 耕地景觀類型占總面積的百分比分別為11.73%、11.68%和11.67%和11.63%, 且耕地和林地、水域、其他用地景觀類型的變化趨勢一致, 均在逐年減少; 而建設用地景觀類型一直呈上升趨勢(表1), 這在一定程度上反映了研究區土地利用景觀類型之間的轉換關系。總體上來看, 2000—2104年德興市的景觀格局有一定程度的改變, 其中建設用地面積不斷增長, 其他類型的土地面積在下降, 林地始終是德興市的主導景觀類型。

土地利用景觀變化研究除了掌握土地利用景觀變化的數量和程度之外, 對土地利用景觀類型之間相互轉化研究分析也較為重要[22], 轉移矩陣可以很好的揭示土地利用景觀類型之間的具體轉化細節[23]。根據表1計算得到德興市2000—2014年間的各景觀類型轉移矩陣(表2-4)。分析表明, 2000—2005年, 耕地面積呈下降趨勢, 主要流出為建筑用地和林地, 流出比例分別為1.01%和0.08%; 林地面積下降, 主要流出為建筑用地, 流出比例為0.23%; 水域面積下降, 流出為耕地和林地, 流出比例分別為0.76%和0.17%; 建設用地面積增加, 主要流入源為耕地、林地和其他用地; 其他用地面積略微下降, 主要流出為林地、水域和建筑用地, 流出比例分別為0.3%、0.28%和0.1%。2005—2010年, 耕地面積呈略微下降趨勢, 主要流出為建筑用地、林地和水域, 流出比例分別為1.97%、0.24%和0.15%。林地面積下降, 主要流出為建筑用地和耕地, 比例為0.39%和0.23%。水域面積有所上升, 主要流入源為耕地和建設用地。建設用地面積繼續上升, 主要從耕地、其他用地和林地中流入。其他用地的面積呈下降趨勢, 主要流出為林地和建設用地, 流出比例分別為2.69%1.13%。2010—2014年, 耕地面積繼續下降, 流出為建設用地, 流出比例為0.81%; 林地面積持續下降, 主要流出為建筑用地和耕地, 流出比例為0.13%和0.01%; 水域面積再次下降, 主要流出到耕地、建設用地和他用地當中, 流出比例分別為0.39%、0.32%和0.15%; 建設用地面積增長, 流入源依次為耕地、其他用地、水域和林地; 其他用地面積略微下降, 主要流入到耕地、建設用地和林地當中, 流出比例為1.76%、0.66%、0.44%。總體來看, 德興市土地利用景觀類型的變化主要體現為耕地、林地、水域和其他用地轉換為建設用地而使其逐年遞減, 建設用地卻逐年增加。

圖2 德興市景觀類型分布及其變化(2000—2014)

4.2 德興市景觀格局變化

4.2.1 類型水平景觀格局分析

在 4個考察年份間, 林地的PLAND、LPI指數下降, PD、ED、IJI、COHESION指數基本呈增加趨勢, NP指數呈先下降后增加趨勢, PAFARAC指數卻呈先增加后減少趨勢, 說明林地為該研究區的優勢景觀, 這一點從林地覆蓋程度上也可得到印證(圖1); 耕地的 NP、PD 指數是整個研究區最高的且其呈增加趨勢, PLAND指數呈下降趨勢, ED指數呈下降-增加-下降趨勢, PAFARAC、LPI指數呈先增加后下降的趨勢, IJI、COHESION指數呈先下降后增加趨勢; 水域的NP、PD、PAFARAC、LPI、PLAND指數呈現下降—增加—下降的變化趨勢, ED指數呈先下降后增加的趨勢, IJI指數呈現增加—下降—增加的變化趨勢, COHESION指數呈先增加后下降; 建設用地的ED、LPI、IJI、PLAND指數一直呈增加趨勢, NP、PD指數為下降—增加—下降趨勢, PAFARAC指數為先增加后下降趨勢, COHESION指數為增加—下降—增加趨勢; 其他用地的NP、PD、ED、PLAND指數均呈下降趨勢, COHESION指數呈增加趨勢, PAFARAC、IJI指數呈先增加后下降趨勢, LPI指數呈下降—增加—下降趨勢(表5)。

表 1 德興市各景觀類型面積 (2000—2014)

表 2 德興市各景觀類型轉移矩陣(2000—2005)

表 3 德興市各景觀類型轉移矩陣(2005—2010)

表4 德興市各景觀類型轉移矩陣(2010—2014)

4.2.2 景觀水平格局分析

2000—2014年期間德興市NP、PD、ED指數雖有增加趨勢, 但基本下降趨勢, 說明該研究區的景觀斑塊數量減少、破碎化程度較低、斑塊的形狀趨于簡單。PAFRAC指數為先增加后下降的趨勢, 且指數為1.34以上, 接近于最大值2, 說明景觀形狀有較高的復雜性和不規則性, 受人類活動的影響較大, 分維數高。SPLIT 指數基本呈增加趨勢, 說明德興市的景觀被分割破碎程度較大, 在一定程度上也說明了該研究區內人類對景觀的干擾程度和生態系統的影響越大。SHDI、SHEI 指數基本呈現降低趨勢, 說明德興市的景觀類型少, 但分布不均勻, 隨著對河流城市景觀類型開發利用的增加, 均勻度指數有所降低, 并向不均勻化發展, 景觀類型所占比例差別增大, 其中某一要素或少數要素占優勢。CONTAG指數呈先增加后下降再增加的趨勢, 說明來研究區地表景觀斑塊空間上集聚程度增加, 同一類型斑塊的均勻度在增加(表6)。

表5 德興市類型水平各景觀指數變化(2000—2014)

表6 德興市景觀水平各景觀指數變化(2000—2014)

4.3 德興市景觀生態風險指數評價

景觀所受的干擾度越大, 則景觀的敏感性亦越強, 抵抗外界干擾能力和自我恢復能力越弱, 其生態風險也就越大。利用公式(1)和韋仕川等[20]設定的不同土地利用景觀類型的生態風險強度參數計算出德興市2000年、2005年、2010年和2014年的土地生態風險指數分別0.0877、0.0883、0.0891和0.0895。從風險級別來看, 這4年的土地生態風險處于雖低生態風險, 但風險指數呈上升趨勢(圖3)。由此可見, 隨著土地利用的不斷變化, 德興市景觀生態風險呈增加態勢, 景觀生態安全的壓力增大。

5 結論

1)林地是德興市景觀類型的基礎, 對該區景觀生態的主體格局起著控制和主導作用; 德興市總體上仍屬于典型的林地景觀類型。2000—2014 年, 德興市土地利用景觀格局發生了巨大變化, 其中建設用地景觀面積大幅度增加, 共增加了1725.9 hm2, 這說明德興市社會經濟的快速發展, 極大地刺激了對城市建設用地特別是生產、生活用地的需求, 使建設用地面積總量迅速增長; 而耕地、林地、水域和其他用地景觀面積的減少, 則表現出資源型城市土地利用變化受到人類強烈的影響。

圖3 德興市景觀生態風險指數變化(2000—2014)

2)2000—2014年德興市土地利用景觀的斑塊數、多樣性指數和均勻度指數為降低趨勢, 而斑塊結合度指數為增大趨勢; 斑塊數、斑塊密度、邊界密度、多樣性指數和均勻度指數表現為先減后增再減的過程, 分離度、分維數、蔓延度指數變化表現為先增后減再增的過程, 由此表明了德興市土地利用景觀類型之間存在較大差異, 各組分的復雜性降低, 大斑塊增多, 各景觀之間的不均勻性增大, 不穩定性增強。

3)2000—2014年, 德興市的土地生態風險雖處于低生態風險, 但風險指數呈上升趨勢, 這表明德興市的土地生態安全狀況仍不樂觀且逐步向惡化趨勢轉變。為了土地利用的生態安全及其可持續發展, 今后德興市應以景觀結構及其功能變化為切入點, 對不合理的土地利用方式所導致的景觀土地利用結構變化及功能退化等進行合理的調整, 以減少景觀的破碎度與分離度, 達到土地景觀的科學規劃與利用。

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Landscape pattern changes of land-use and its ecological risks analysis of river urban: A case analysis ofDexing in Jiangxi Province

HU Mianhao1*, YUAN Juhong2, CAI Jingyuan3, ZHOU Zaohong1

1. Institute of Ecological Economics, Jiangxi University of Finance & Economics, Nanchang 330032, China 2. Institute of Environment and Plant Science, Jiangxi University of Finance and Economics, Nanchang 330032, China 3. School of Software and Communication Engineering, Jiangxi University of Finance & Economics, Nanchang 330032, China

Landscape pattern changes of land use and its ecological risks of the region from 2000 to 2014 were investigated based on four scenes of Landsat TM imageries acquired from 2000, 2005, 2010 and 2014 in Dexing, and geographic information system (GIS) and related landscape analysis techniques. The results showed that forest land landscape was the dominant land use type, andaccountedforthetotalareaofmorethan80% from 2000 to 2014, and land use landscape pattern of Dexing changed larger; among them, the landscape area construction land was greatly increased (increased by 1725.9 hm2), and the landscape area of cultivated land, forest land, water and other land use were reduced. The NP, SHDI and SHEI index of land use landscape in Dexing were in the lower trend during 2000-2014, COHESION index was in an increasing trend, and the NP, PD and ED index showed the process of decreasinginitially and then increasing and then decreasing. However, the SPLIT, PAFRAC and CONTAG index showed the process of increasinginitially and then decreasing and then increasing. The land ecological risk of Dexing was low ecological risk, but the land risk indexwas on the rise during 2000-2014.

landscape pattern; ecological risk; Dexing

F301.24

A

1008-8873(2018)01-078-09

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.01.011

2016-12-01;

2017-02-08

國家自然科學基金項目(21407069, 21367013); 江西省自然基金(20142BAB203024, 20151BAB203034); 江西省高校人文社科項目(JC1420); 江西財經大學優秀學術人才支持計劃項目(K00292025); 國家留學基金資助(201509805005)

胡綿好(1976—), 男, 湖南麻陽人, 博士, 副教授, 主要從事區域環境污染控制及經濟分析評價研究, yankeu1@163.com.

胡綿好, 袁菊紅, 蔡靜遠, 等. 河流城市土地利用景觀格局變化及其生態風險分析—以江西省德興市為例[J]. 生態科學, 2018, 37(1): 78-86.

HU Mianhao, YUAN Juhong, CAI Jingyuan, et al. Landscape pattern changes of land-use and its ecological risks analysis of river urban: A case analysis ofDexing in Jiangxi Province[J]. Ecological Science, 2018, 37(1): 78-86.