華北農田生態系統景觀格局的演變特征

張永生, 歐陽芳, 袁哲明

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華北農田生態系統景觀格局的演變特征

張永生1, 歐陽芳2, 袁哲明1

1. 湖南農業大學植物保護學院, 植物病蟲害生物學與防控湖南省重點實驗室, 長沙 410128 2. 中國科學院動物研究所, 農業蟲害鼠害綜合治理研究國家重點實驗室, 北京 100101

基于華北6省(市)2000、2005、2010年三期土地覆蓋遙感數據, 通過計算農田景觀格局指數和農田景觀轉移矩陣, 在省域范圍的大空間尺度上分析了2000—2010年農田生態系統景觀格局的變化特征。結果表明, 2000年至2010年華北6省(市)的農田景觀格局變化主要表現為: 耕地景觀的面積在減少, 破碎化程度在加大, 斑塊形狀趨于簡單化; 園地景觀的面積在增加, 破碎化程度在降低, 斑塊形狀趨于復雜化。耕地減少的面積主要轉變為城鎮, 增加的面積主要來自水體; 園地減少的面積主要轉變為耕地, 增加的面積主要來自耕地, 園地景觀主要與耕地景觀相互轉化。城鎮化等人類活動加劇了耕地的減少和破碎化, 應加強耕地保護, 特別是耕地的集約化布局, 降低農田破碎化程度, 促進農田的可持續發展。

農田景觀; 景觀格局指數; 景觀變化; 遙感影像

1 前言

農田是人類賴以生存的農業耕作場所, 是人工種植的各種農作物組成的生態系統[1-2]。農田景觀是農業生態系統中的重要組成部分, 在農業生產實踐中發揮著重要作用。農田景觀為人類提供了食物、燃料等, 也為生態系統的生物多樣性、生態服務功能等提供了穩定支持。農田景觀格局是自然過程與人為干擾相互作用形成的, 是農田生態系統內的各種生態過程作用于農田景觀的結果[3]。不同景觀格局的形成反映了不同的生態過程, 如不同的土地利用方式、不同的農業生產方式必然形成不同的農田景觀格局[4]。同時, 農田景觀格局也制約和影響著農田的組成分布與各種農田生態過程。隨著城鎮化進程的加快和農業集約化程度的增強, 農田景觀格局發生了明顯的變化, 對農田生態系統造成了一些影響。在農田生態系統中, 農田景觀格局的變化會影響景觀中的生物多樣性、植物和動物的多度和豐富度、作物生產力以及系統的穩定性等[5-7], 如農田景觀格局的單一化, 會引起農田中生物多樣性的下降, 影響害蟲的發生、擴散與危害以及天敵的種群結構[6-9]。理解和把握農田景觀格局的變化規律可以為未來合理地規劃、利用和保護農田提供支撐, 從而促進農業生態環境和農業生產的可持續發展。

近年來遙感技術的快速發展, 已成為景觀生態學研究的重要手段。使用遙感影像, 可以計算各種景觀格局指數來定量描述景觀斑塊的大小、密度、邊緣、形狀、空間分布等特征, 從而分析研究區域在不同尺度上景觀格局演變的特征和規律[10-15]。目前利用遙感影像對城市的景觀格局和小尺度區域的景觀格局研究的比較多[12-16], 如Li等[17]利用景觀格局指數分析了上海市1989—2005年間城市化的時空格局變化。趙婷婷等[18]使用景觀格局指數分析了北京市順義區農田景觀規模和空間格局的演變, 發現農田景觀規模呈縮減趨勢, 建設用地是侵占農田的主體。而專門針對農田類型尤其是在一個較大的尺度(如省域尺度)上, 分析農田生態系統景觀格局變化的研究還比較少。華北地區是我國重要的產糧區, 本文基于華北6省(市)2000、2005、2010年3期土地覆蓋分類柵格數據, 通過計算農田景觀格局指數和農田景觀轉移矩陣, 在省域范圍的大空間尺度上分析了2000—2010年農田生態系統景觀格局的特征及其變化。

2 數據與方法

2.1 研究區域概況

研究區域為華北6省(市), 包括北京市、天津市、河北省、河南省、山東省和山西省。華北地區屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候, 四季分明, 光照充足; 是我國小麥、玉米的主產區和糧食的重要生產基地; 2010年農田約占總面積的51.5%, 其次是林地約占24.1%。

2.2 遙感影像和景觀類型分類

本研究使用的遙感數據來源于2000、2005、2010年Landsat TM/ETM的中分辨率衛星影像(10~30m)。使用ENVI 5.0遙感圖像處理軟件, 對圖像進行幾何精校正、圖像裁剪和圖像增強等預處理, 建立遙感影像分類圖譜庫。利用遙感影像分類圖及其數值編碼, 獲得華北6省(市)2000、2005、2010年土地覆蓋分類的柵格數據。土地覆被系統分為二級, 一級為6類, 對應IPCC的6類, 二級類型由FAO LCCS的方法進行定義, 共38類基本類型[19-20]。景觀類型分類是進行景觀格局分析的前提。在本研究中, 基于這38類基本類型, 根據華北地區的實際土地覆蓋類型情況, 使用ARCGIS 10.2軟件將柵格數據的景觀類型合并整理為8類: 耕地、園地、林地、草地、城鎮、水體、濕地和其他用地(圖1), 作為本研究的景觀分類體系。耕地與園地構成了農田生態系統。土地覆蓋分類的柵格數據空間分辨率為30×30 m。利用ARCGIS 10.2軟件, 根據華北6省(市)行政區的矢量數據, 分割出各省(市)土地覆蓋分類的柵格數據。

2.3 景觀格局分析

農田生態系統的景觀格局特征及其變化可以從“質”、“量”、“形”、“度”4個方面來描述與分析[6-7,20]?！百|”表示景觀的斑塊組成類型, 如農田由耕地與園地構成?！傲俊北硎静煌愋桶邏K的面積比例、大小、密度等。“形”表示不同類型斑塊的邊緣、形狀、空間排列方式等?！岸取北硎揪坝^格局的空間尺度和其變化的時間尺度, 在不同的空間與時間尺度上, 農田景觀格局的特征及其變化規律也不同, 本文在省域空間尺度上分析了10年間的農田景觀格局變化特征。

圖1 2000、2005和2010年華北6省(市)景觀類型圖

“量”方面選取了景觀類型比例(PLAND)、平均斑塊面積(AREA_MN)、最大斑塊指數(LPI)和斑塊密度(PD)等景觀格局指數(表1)[13-14,20]。PLAND反映農田面積比例及面積變化等最基本信息。AREA_MN描述農田斑塊面積的平均大小, 即連片農田的平均面積, 在一定程度上可反映農田的破碎化, 其值越小農田越破碎化。LPI是最大農田斑塊即最大連片農田的面積占農田總面積的比例, 其值的變化可以反映人類活動干擾的強弱與方向。PD是單位面積上農田斑塊即連片農田的數目, 可反映農田的空間異質性和破碎化程度; 其值越大空間異質性和破碎化程度越大, 其值越小相對越集中或規模化?！靶巍狈矫孢x取了邊界密度(ED)和面積加權平均斑塊分維數(FRAC_AM)等景觀格局指數(表1)[12-14,20]。ED是單位面積農田的邊界長度, 是對農田邊緣的描述; 它揭示了農田被邊界分割的程度, 是農田破碎化程度的直接反映, 值越大越破碎化, 同時也反映農田的邊緣效應。ED可從一定程度上反映農田與外界的聯系程度和受外界的干擾強度, 其值越大, 農田的開放性越強, 越易于同外界進行交流, 也越易受外界環境干擾。FRAC_AM是用分維數來描述農田斑塊的面積大小及其邊界線的曲折性, 度量農田的空間形狀復雜性, 其值越大農田形狀越復雜, 通常受人類活動影響越小。

基于2000、2005、2010年3期土地覆蓋分類柵格數據, 使用景觀格局分析軟件FRAGSTATS 4.2, 計算各省(市)的景觀格局指數。

表1 景觀格局指數

2.4 景觀類型轉移

農田景觀的轉移變化過程用土地利用類型的轉移矩陣來描述[21-24]?；谕恋馗采w分類柵格數據, 使用ARCGIS 10.2軟件的Tabulate Area工具, 計算各省(市)農田景觀與其它7類景觀類型之間的轉移矩陣, 反映農田景觀的動態變化。

3 結果與分析

3.1 農田景觀的構成

農田生態系統由耕地與園地構成, 耕地包括水田與旱地, 園地包括喬木園地與灌木園地。2010年華北6省(市), 耕地占總面積的50.92%, 園地占總面積的0.53%; 水田占耕地面積的3.32%, 旱田占耕地面積的96.68%; 喬木園地占園地面積的85.96%, 灌木園地占園地面積的14.04%。

3.2 耕地景觀格局變化

從2000到2010年, 各省(市)耕地所占區域總面積的比例(PLAND)均呈逐步下降趨勢。其中, 北京下降幅度較大, 從2000年的26.95%到2010年的18.69%, 減少了0.31倍; 其次是天津(圖2A)。北京與天津的城市化快速發展占用了相對多的耕地。耕地的AREA_MN, 總體呈減小趨勢, 北京、天津、河北前5年的變化大于后5年, 這說明耕地趨破碎化, 尤其是天津(圖2B)。耕地的LPI, 除山西外其它省(市)均呈減小趨勢, 其中山東與河南減小最多(圖2C)。受人為活動干擾大, 連片耕地的面積在減小。耕地的PD, 除天津增加幅度大外其它省(市)相對變化不大, 天津耕地的破碎化程度和空間異質性逐漸增大(圖2D)。耕地的ED, 北京逐漸減小, 天津逐漸增大, 其它省(市)變化非常小(圖2E)。北京耕地的分割程度不斷減少; 天津耕地的分割程度不斷增大, 趨破碎化, 越易受外界環境干擾。耕地的FRAC_AM, 除山西變化很小外其它省(市)均呈減小趨勢(圖2F)。耕地的形狀趨于簡單化, 這可能是受耕地整理、農田設施建設, 如溝渠、噴灌、田間道路修建等活動影響的結果[3]。

3.3 園地景觀格局變化

從2000到2010年, 各省(市)園地的PLAND均呈逐步增加趨勢。其中, 北京增加最多, 從2000年的3.78%到2010年的5.51%, 增加了0.46倍。北京的園地所占比例最大, 山西與河南的園地所占比例非常小(圖3A)。園地的AREA_MN, 除河南外, 其它省(市)均呈增加趨勢(圖3B)。這說明園地的破碎化程度在降低, 山東的值最大且增加也最多, 山東是我國重要的水果生產基地。園地的LPI, 從2000到2010年北京增加最大, 山西與河南的值非常小(圖3C)。受人為活動干擾大, 連片園地的面積在增加。園地的PD, 各省(市)從2000到2010年變化均不大, 北京的值遠大于其它省(市), 說明北京園地相對零散，破碎化程度和空間異質性相對較大(圖3D)。園地的ED, 各省(市)從2000到2010年均呈增大趨勢, 北京的值遠大于其它省(市)(圖3E)。園地的分割程度不斷增大, 越易受外界環境干擾。園地的FRAC_AM, 各省(市)間變化差異大。北京、河北、山西從2000到2010年呈增大趨勢, 園地的形狀趨于復雜化; 山西與河南前5年園地形狀變簡單, 后5年又變復雜(圖3F)。

3.4 農田景觀轉移變化

2000—2010年間各省(市)農田景觀轉移變化見表2。北京減少的耕地主要轉變為城鎮用地和園地, 占耕地2000年面積的15.82%和8.27%; 增加的耕地主要由園地與水體轉變而來, 占耕地2010年面積的2.3%與1.68%。減少的園地主要轉為耕地和城鎮用地, 占園地2000年面積的11.36%和5.43%; 增加的園地主要來自耕地, 占園地2010年面積的40.46%, 新增園地比較多。天津減少的耕地主要轉為城鎮用地, 增加的耕地主要來自水體, 分別占耕地2000、2010年面積的8.82%和1.07%。減少的園地主要轉為城鎮用地, 增加的園地主要來自耕地, 分別占園地2000、2010年面積的8.82%和1.07%。河北減少的耕地主要轉為城鎮用地, 增加的耕地主要來自水體, 分別占耕地2000、2010年面積的2%和0.15%。減少的園地主要轉為林地和耕地, 占園地2000年面積的3.5%和1.44%; 增加的園地主要來自耕地, 占園地2010年面積的34.28%。山西減少的耕地主要轉為林地, 增加的耕地主要來自草地, 分別占耕地2000、2010年面積的0.64%和0.27%。減少的園地主要轉為耕地和林地, 占園地2000年面積的10.3%和8.36%; 增加的園地主要來自耕地, 占園地2010年面積的65.28%, 2000至2010未變化的園地僅占32.24%, 大部分園地是新增的。山東減少的耕地主要轉為城鎮用地, 增加的耕地主要來自水體, 分別占耕地2000、2010年面積的6.71%和0.1%。減少的園地主要轉為耕地, 增加的園地主要來自耕地, 分別占園地2000、2010年面積的1.33%和4.87%。河南減少的耕地主要轉為城鎮用地, 占耕地2000年面積的0.59%; 增加的耕地主要來自水體與林地, 占耕地2010年面積的0.07%與0.06%。減少的園地主要轉為耕地, 增加的園地主要來自耕地, 分別占園地2000、2010年面積的19.06%和31.53%。

圖2 2000—2010年耕地景觀格局變化

圖3 2000—2010年園地景觀格局變化

各省(市)前5年(表3)與后5年(表4)的農田轉移變化與2000—2010年基本一致, 耕地減少的面積主要轉變為城鎮用地, 增加的面積主要由水體轉變而來; 園地減少的面積主要轉變為耕地, 增加的面積也主要由耕地轉變而來, 園地主要與耕地發生相互轉變。

4 結論與討論

隨著城鎮化、經濟建設、資源開發利用等人類活動的不斷加強, 農田生態系統受到的干擾也不斷增大, 華北地區的農田景觀格局發生了明顯的變化。本文利用遙感數據, 通過景觀格局指數與景觀轉移矩陣分析了華北6省(市)農田生態系統景觀格局的演變特征。

表2 2000—2010年農田景觀轉移矩陣(%)

表3 2000—2005年農田景觀轉移矩陣(%)

表4 2005—2010年農田景觀轉移矩陣(%)

(1)10年間各省(市)的耕地面積在減小, 其中北京與天津的耕地面積減小幅度相對較大; 耕地的破碎化程度在增加, 耕地的邊界與形狀趨于簡單。趙婷婷等[18]對北京市順義區農田景觀格局的研究也表明, 農田規模在不斷縮減, 農田景觀呈破碎化趨勢, 建設用地是侵占農田的主體。城鎮化進程的加快和建設用地的增加對耕地的影響比較大, 加劇了耕地的減少和破碎化。

(2)10年間各省(市)的園地面積在增加, 其中北京的園地面積增加明顯。園地的破碎化在降低, 連片園地的面積在增加, 園地的邊界與形狀均趨于復雜化; 園地的布局更集中, 趨于更合理的發展趨勢。山西耕地與園地的各個景觀格局指數值變化很小。北京園地增加明顯, 這可能是北京城市人口的不斷增加, 對園地的需求也不斷增加, 從而促進了園地的擴張[25]。

(3)從農田景觀轉移矩陣分析可知, 耕地減少的面積主要轉變為城鎮, 增加的面積主要來自水體; 園地減少的面積主要轉變為耕地, 增加的面積主要來自耕地, 園地主要與耕地進行相互轉換。韓會慶等[25]對城市園地時空變化的研究結果也表明, 園地與其他景觀類型之間的轉化以耕地轉為園地為主。在城鎮擴張、開發區建設等因素影響下耕地面積減少、大量耕地轉為城鎮用地, 在退耕還林政策等因素的影響下耕地轉為園地、園地面積增加, 社會經濟、自然因素及政策制度是農田景觀變化的主要驅動因素[15, 22,25-26]。

城鎮化和經濟建設對用地的需求以及生態退耕不可避免地帶來農田面積減少和破碎化, 農田破碎化也可直接造成農田面積的損失。農田景觀的破碎化不利于農業的規?；N植、農田設施的配套管理和農田病蟲害的防治, 是制約農業發展的重要因素。農田面積減少與破碎化問題的緩解是一個系統工程, 通過農田的規模化經營、農田整理以及一些行政措施, 可以降低農田的破碎化程度。合理的農田整理可以合并零散的田塊, 提高農田的集中連片程度, 增加有效農田面積, 提高農田質量, 改善農業生產條件和降低農業生產成本, 形成集約化的農田景觀。農業的可持續發展需要不斷的優化和管理農田景觀格局。

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Change characteristics of landscape pattern in farmland ecosystems in North China

ZHANG Yongsheng1, OUYANG Fang2, YUAN Zheming1

1.Hunan Provincial Key Laboratory for Biology and Control of Plant Diseases and Insect Pests, College of Plant Protection, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China 2. State Key Laboratory of Integrated Management of Pest Insects and Rodents, Institute of Zoology, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China

Based on the remote sensing data of land cover in the year of 2000, 2005 and 2010, we calculated the pattern metrics and conversion matrix of cropland landscape, and analyzed the change characteristics of landscape pattern of farmland ecosystems from 2000 to 2010 on the large spatial scale in six provinces of North China. The results showed that the area of farmland was decreasing, the degree of farmland fragmentation was increasing, and the shape of farmland tended to be simplified from 2000 to 2010. The area of the orchard land was increasing, the degree of orchard land fragmentation was decreasing, and the shape of the orchard land tended to be complicated. The reduced farmland was mainly transformed into urban land, and the increased farmland mainly came from water. The reduced orchard land was mainly changed into farmland, and the increased orchard land mainly was from farmland. The changes of orchard land use type mainly were from and into farmland type. Urbanization and other human activities intensified the reduction and fragmentation of farmland, so we should strengthen the protection of farmland, especially the layout of intensive farmland, reduce the degree of farmland fragmentation, and promote sustainable development of farmland.

cropland landscape; landscape pattern metrics; landscape change; remote sensing data

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.04.014

P901

A

1008-8873(2018)04-114-09

2018-02-26;

2018-03-25

國家自然科學基金項目(31300347)

張永生(1980—), 男, 博士, 主要從事農田景觀與害蟲防治研究, E-mail: yshzhang@hunau.edu.cn

張永生, 歐陽芳, 袁哲明.華北農田生態系統景觀格局的演變特征[J]. 生態科學, 2018, 37(4): 114-122.

ZHANG Yongsheng, OUYANG Fang, YUAN Zheming. Change characteristics of landscape pattern in farmland ecosystems in North China[J]. Ecological Science, 2018, 37(4): 114-122.