兩種指數法表征重慶市忠縣土地利用/覆蓋變化的對比研究

詹立坤, 郭先華, 符坤, 張娜, 劉茜, 李廷真

兩種指數法表征重慶市忠縣土地利用/覆蓋變化的對比研究

詹立坤, 郭先華, 符坤, 張娜, 劉茜, 李廷真*

重慶三峽學院三峽庫區水環境演變與污染防治重慶市重點實驗室重慶 404100

自然因素、人類活動會導致區域景觀格局發生變化, 進而影響土地利用強度和區域生態安全。本文以重慶市忠縣為對象, 基于3S技術, 應用土地利用程度綜合程度指數和景觀指數對該區域2000、2006、2011和2017年的土地利用/覆蓋變化進行了定量化研究, 探尋兩種方法在表征土地利用/覆蓋變化的分異特征, 結果表明: 研究區四期的土地利用綜合程度分別為265.328、265.610、266.700和268.864, 呈上升趨勢, 上升速度明顯加快, 并與建設用地的斑塊數量和未利用地的邊界密度顯著相關(二者在2000—2017年分別增長了1273和0.545), 相關系數分別為0.985和0.994, 受邊緣效應影響。在景觀水平上, 各土地利用/覆蓋類型斑塊受人類干擾的程度不斷加深, 聚集度不斷降低, 景觀破碎化嚴重, 景觀異質性不斷弱化。耕地為研究區主要控制景觀, 四個時期面積占比均達59%以上; 17年來, 建設用地、林地和水域面積呈增加趨勢, 分別增加了79.23 km2、88.29 km2和33.98 km2, 草地和耕地呈減少趨勢, 分別減少了103.65 km2和90.52 km2; 未利用地大幅減少, 2017年未利用地僅剩0.12 km2。研究結果為忠縣乃至三峽庫區的土地資源的合理利用提供資料參考, 也為制定科學的土地管理政策和環境治理措施提供決策支持。

遙感; 景觀; 土地利用綜合程度; 土地利用/覆蓋

0 前言

土地是人類賴以生存與發展的重要資源和物質保障, 土地利用與土地覆被變化反映了景觀信息的變化[1]。在生態學上, 景觀是由若干個生態系統(自然的和人工的)組成的具有空間異質性特征的地理單元, 而空間異質性是指生態學過程和格局在空間分布的不均勻性和復雜性, 反映了景觀的多樣性信息[2]。研究景觀的空間結構特征及其變化有助于為區域經濟發展提供科學依據, 如何較為客觀的獲取景觀信息就成了研究過程的重要一環。景觀指數以一種簡單定量的形式, 將景觀數字化, 高度濃縮了研究區的景觀格局變化信息, 也反映了景觀結構組成特征和空間配置關系[3]。

從景觀生態學的視角來進行區域土地利用景觀格局變化已經成為研究的焦點, 國外學者主要是從景觀的健康和退化情況反映研究區景觀演變的狀況, 探究景觀格局與景觀過程之間的相互關系。Mohsen Japelaghi根據已有的土地覆蓋情況, 預測了后30年的景觀類型和景觀格局指標值變化[4]。Woon Hang Lee等人將野生動植物保護區的破碎程度和人類影響的強度量化, 從而評估1988年至2012年之間的時空土地利用變化[5]。將荷蘭鄉村景觀中奶牛養殖系統的景觀格局與農業集約化之間的相互作用進行了本地化和量化, Van Apeldoorn等人發現景觀格局和強度指標之間的最大差異, 有助于為鄉村景觀未來動態的政策提供決策依據[6]。在國內, 基于生態安全的建設, 景觀生態學的研究目前仍然處于快速發展中研究覆蓋范圍廣, 如, 以多時期的Landsat 遙感影像為數據源, 對新疆葉爾羌河流域胡楊林[7]、黃河三角洲濕地[8]、江蘇沿海地區耕地[9]、武漢中心城區湖泊[10]、東平湖濕地[11]上海市[12]和鄭州市[13]等, 通過分析土地利用等景觀格局時空演變來研究區域土地利用狀況。景觀指數、地形位指數和分布指數等指數常用來研究景觀格局動態的變化, 區域景觀格局與不同地形、坡度下各種景觀類型變化存在著相互的關系[14]; 與景觀格局的改變影響到生態系統的功能[15-16]。生態脆弱區是景觀生態學關注的重點區域, 三峽庫區由于地理位置的特殊性, 以及大范圍的工程建設, 對周圍的生態環境造成了影響, 是生態脆弱區, 為當前的研究熱點地區之一[17-20]。

在現有的研究中, 關于三峽庫區土地利用程度和景觀格局時空演變為研究問題尚少, 本文以三峽庫區腹地忠縣為研究區, 通過遙感影像解譯獲取了2000、2006、2011和2017年四期的土地覆被變化數據, 通過土地利用程度綜合指數和景觀指數兩種方法, 表征研究區土地利用/覆蓋變化的分異特性, 研究結果可為區域土地利用規劃、生態安全建設提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

忠縣位于三峽庫區生態經濟區腹心地帶, 長江北岸, 地處東經107°3′至108°14′、北緯30°03′至30°35′之間, 如圖1所示。東鄰萬州, 南接石柱, 西界豐都、墊江, 北壤梁平, 是三峽移民搬遷重點縣。境內低山起伏, 溪河縱橫交錯, 屬典型的丘陵地貌, 呈“三山兩槽”地形。土壤以水稻土、沖積土、紫色土為主。忠縣地處暖濕亞熱帶東南季風區, 幅員面積2187 km2, 截至2018年末, 人口數量為102萬。

1.2 數據來源

數據包括覆蓋整個忠縣的Landsat TM遙感影像, 下載地址為地理空間數據云網站和中國科學院遙感與數字地球研究所(RADI), 空間分辨率均為30 m。為保證云量對圖像解譯精度的影響, 選取了云量最少且季節相近的影像, 數據詳情如下表1。其它數據有: 忠縣矢量行政區劃圖、忠縣30 m分辨率數字高程模型數據(DEM), 2000年—2017年社會經濟統計年鑒數據等相關數據。

圖1 忠縣區位圖

Figure 1 The map of Zhong County

1.3 分析方法

1.3.1 遙感圖像分類方法

利用ENVI 5.2 軟件對 Landsat 遙感影像數據進行提取和計算, 主要內容有:1)對原始4 期遙感影像數據進行幾何校正、大氣校正和圖像增強等預處理, 以消除遙感數據中各種不利因素的影響, 使其能準確地反映地物的真實信息; 2)利用忠縣的矢量邊界進行影像裁剪以獲得精確研究區范圍; 3)選取5、4、3波段影像組合成紅、綠、藍三種顏色的假彩色合成圖像, 依據國家土地利用分類方法并結合研究區的地域特征, 采用監督分類中的最大似然方法, 定義地物類型訓練樣本, 參照Google Earth 歷史影像數據以及實地調查記錄, 對ENVI 監督分類得到的地物類型訓練樣本進行進一步確認, 最終將忠縣地物類型解譯為林地、草地、建筑用地、耕地、水域及未利用地。

表1 各時期遙感影像數據

各個地物類型樣本之間的可分離性用Jeffries Matusita參數表示, ENVI為每一個分類的地物類型組合計算Jeffries Matusita 距離, 參數的值在0—2.0之間, 大于1.9說明地物類型之間可分離性好; 小于1.8, 需要重新編輯或者重新選擇樣本; 小于1, 考慮將兩類樣本合成一類樣本[21]。經計算研究區這六種地物類型之間的Jeffries Matusita參數均大于1.9, 說明地物類型之間的可分離性好。

對遙感影響分類解譯后, 需對分類結果進行檢驗, 計算分類錯誤概率大小。在對計算機分類結果準確性分析時, 一般并不能對整幅圖的每個像元驗證, 因此選取有代表性的檢驗區, 從檢驗區中選取檢驗樣本, 構建混淆矩陣(每一列代表了預測類別, 每一列的總數表示預測為該類別的數據的數目; 每一行代表了數據的真實歸屬類別, 每一行的數據總數表示該類別的數據實例的數目), 計算分類結果圖的相應指標進行精度評價。本文采用總體分類精度和Kappa系數指標對分類結果進行精度評價。其中, 總體分類精度的計算公式為

Kappa系數計算公式為

式中:為總體分類精度;a為混淆矩陣的元素; i, j分別為混淆矩陣的行數和列數, 且=;為混淆矩陣的階數;Cell為所有真實參考源的像元總數,為Kappa系數[22]。經ENVI 5.2軟件計算總體分類精度和Kappa系數結果如下表, 得知四期影像分類精度較高, 滿足后續分析變化要求。

1.3.2 土地利用綜合程度指數測算

土地利用程度綜合指數用來描述土地資源的利用變化, 是土地利用景觀格局變化的重要指標, 反映了土地以及土地利用結構的變化[22], 從而揭示研究區域內土地資源利用變化的強弱程度, 有利于更好的了解土地利用覆被變化的情況。

土地利用程度綜合指數是針對一個具體年份內所有土地利用類型整體反映的土地利用集約化程度。土地利用程度綜合指數通過對土地利用程度的分級, 量化人類活動對于土地系統的影響程度, 定量地描述該地區土地利用的綜合水平和變化趨勢[23-24]。根據土地利用程度分級原則[25—27], 按照土地自然綜合體在社會因素影響下的自然平衡狀態分為4個等級, 如表3所示。

公式表達如下:

式中,為土地利用程度綜合指數;A為第級的土地利用程度分級指數;C為第級土地利用程度分級面積百分比。

表2 各時段精度評價結果表

采用3.25 km×3.25 km的網格作為統計單元, 將研究區分為204個網格, 計算各指標數據, 將204個網格計算后的土地利用綜合程度數值依次賦值到編號對應的中心點, 最后利用Kriging插值, 得到忠縣土地利用程度分布圖。

1.3.3 景觀指數分析

景觀指數能夠定量表述景觀特征, 反映景觀格局信息。對于研究各土地利用類型的演變及綜合利用程度而言, 采用景觀水平上景觀指數來表示。結合研究區尺度, 主要選取斑塊水平上景觀格指數, 包括: 斑塊個數()、斑塊密度()、邊界密度()、景觀分維數()和面積加權平均斑塊形狀指數()、聚集度()、散布與并列指數()和分離度指數()等斑塊水平指數來反應研究區土地覆蓋變化的景觀特征, 景觀指數的計算方法及意義詳見表4[2,3,26, 28], 各景觀指數的計算均在 Fragstats4．2 軟件中完成。

2 結果與分析

2.1 土地覆蓋變化分析

土地覆蓋變化反映了人類活動對自然生態環境的影響, 通過對研究區三期影像分類, 得到林地、草地、耕地、建設用地、水域以及未利用地六類覆蓋類型信息。如下圖2所示:

研究區總面積2187 km2, 各類土地類型面積分布不均衡, 差異明顯(表5)。2000以來, 忠縣土地覆蓋類型主要以耕地為主, 占研究區總面積比重在59%以上, 但耕地占地面積總體持續減少, 截至2017年減少量為90.52 km2; 林地次之, 所占比重在23%以上, 呈上升趨勢, 與2000年相比, 2017年增加了88.49 km2; 建設用地所占比重較少, 但持續增加, 而且提升幅度較大, 占全縣面積從2000年的0.84%增至2017年的4.46%; 水域面積逐年增長, 17年間增長量為33.98 km2; 草地面積出現了波動, 整體上呈現減少的趨勢, 從2000年的198.40 km2減少到2017年的94.75 km2。未利用地減少幅度較大, 2017僅有0.12 km2, 在2006年后, 隨著經濟建設加快, 越來越多的未利用地被開墾, 使得該類型土地面積急劇減少。忠縣景觀以人為景觀(耕地, 建設用地)為主, 而自然景觀(林地、草地等)占據較小比例。說明忠縣地區是以人為景觀為主導區域的景觀格局特征, 人為景觀處于支配地位, 這與研究區的人口數量、經濟發展程度及農業政策有關。

表3 土地利用類型分級表

表4 斑塊水平景觀指數

圖2 忠縣2000—2017年景觀類型圖

Figure 2 Landscape types image of Zhong County from 2000 to 2017

2.2 土地利用綜合程度指數分析

研究區四個時期的土地利用綜合程度指數均在265—269之間, 并呈逐年上升的趨勢, 說明研究區域的土地利用綜合程度處于中等水平, 土地利用集約化程度不斷提高。2000—2006年土地利用綜合程度指數上升率幅度為0.41%, 變化幅度較少, 表明這個時期研究區土地利用程度處于調整或衰退階段。2017年土地利用綜合程度指數比2000年上升了3.536, 尤其是2011年以后, 研究區處于一個土地利用較快發展期,人口的增長, 經濟的發展及國家政策的傾斜, 土地利用的深度和廣度不斷增大, 使得土地利用程度明顯提高。可見, 人口的變化對土地利用綜合程度有較大的影響。三峽庫區的建設使得大范圍的生態移民, 更多的土地轉化為居民建設用地, 加快了土地利用開發程度。

四個時期的土地利用綜合程度指數較高的區域主要在長江中游——忠縣主城區及西北區域附近, 如圖4。海拔相對較低, 為0—800 m, 典型的低海拔山地地貌, 地形起伏較小, 土壤肥沃, 多為水稻土、紫色土、黃壤土。氣候適宜, 適宜人類生產生活, 因此更容易受到人類的干擾, 故多為建設用地和耕地, 呈現出不同土地利用兼備的格局現狀, 致使土地利用綜合程度較高。土地利用綜合程度指數較低的區域主要在忠縣南北區域邊界地帶以及中部山地附近, 該區域為中海拔山地地貌, 海拔普遍在1000 m以上,地形起伏較大, 土壤較為貧瘠, 相對人口較少, 不利于人們生活和從事農業生產活動, 人類活動對自然影響程度較小, 景觀類型多為林地和草地, 從而在一定程度上降低了對土地的利用綜合程度。也說明了該區域多為自然景觀, 植被覆蓋率較高。2000年, 經濟發展方式以農業為主, 耕地在土地利用方式中占主導地位, 故大范圍的土地利用綜合程度較高, 但總體上指數相對較低, 后來隨著城鎮化的不斷發展, 居民聚居地成為了土地利用綜合程度指數較高的區域。

表5 2000—2017年忠縣景觀類型面積統計表

圖3 研究區域不同時期土地利用綜合程度指數變化

Figure 3 The change of land use degree index in different phase in study region

相比于 2000 年, 2017年人們對忠縣西部土地的開發強度明顯增大。2000—2017 年土地利用程度增加幅度較大的區域主要集中在研究區的西北部和東北部地區。近 17 年來人們對忠縣的開發利用程度從南部向西北部和東北部增強, 從生態環境較好的地區向生態脆弱區增強。

2.3 景觀指數分析

通過軟件Fragstas 4.2軟件進行計算, 最終得到2000年、2006年、2011年和2017年研究區景觀類型水平指數, 見圖5。

林地面積表現為持續增加的趨勢, 而斑塊數量總體上呈下降的趨勢, 17年來, 共減少了2251, 同時邊界密度從2000年的1.521, 增加到2017年的3.064, 增加率為101.45％。另一方面, 面積加權平均斑塊形狀指數和斑塊分維數呈上升的趨勢, 這說明人類有組織的開發和干擾增強。三峽庫區的開發建設和研究區忠縣柑橘產業蓬勃發展, 導致了林地樹種的增多, 長江兩岸樹木蔥綠, 擴大了邊界總長度, 從而造成了邊界密度的增加。斑塊密度從2000年的1.521上升到2017年的3.064, 同時聚集度保持平穩, 分離度呈下降趨勢, 說明隨著柑橘種植業的發展, 林地斑塊聚集的更加緊密, 由分散走向集中。當景觀是由許多離散的小區塊組成時, 其聚集度的值較小; 當景觀中以少數大斑塊為主, 或同一類型的斑塊呈現高度相接時, 其聚集度的值較大。就所由景觀類型而言, 耕地的聚集度最大, 而耕地聚集度呈現下降的趨勢, 而分離度在2000—2006年和2011—2017年呈現增加趨勢, 在2006—2011年呈現減少的趨勢, 總體略有下降。在所有景觀類型中, 其分離度最小, 這是由于耕地斑塊面積比例最大, 處于主體地位, 分布相對集中。但由于人口壓力過大及土地利用方式不合理, 耕地斑塊數量17年間減少了3676, 隨著斑塊密度和邊界密度的上升, 表明人類一些不合理的活動給局部環境引發了破壞性性后果, 斑塊被分割, 破碎度增大。面積加權平均斑塊形狀指數和斑塊分維數呈上升的趨勢, 斑塊面積趨于復雜化, 也一定程度上反映了人為干擾對該類型不斷增加的程度。

圖4 研究區土地利用綜合指數空間分布狀況

Figure 4 The spatial distribution of land use degree index in the study region

圖5 2000—2017年研究區斑塊水平景觀指數動態變化

Figure 5 Dynamic changes of patch landscape index in the study area from 2000 to 2017

表6 土地利用綜合程度與斑塊指數相關性分析結果

建設用地斑塊的斑塊分維數為所有景觀類型中的最大值, 是受人類影響最大的土地利用類型, 和面積加權平均斑塊形狀指數均呈上升趨勢, 這與經濟發展, 不斷推進城鎮化發展是有密切關系的。斑塊面積的擴大導致了斑塊數量上升了1273, 增加率為54.15%, 并且由于該景觀類型面積的增加, 致使邊界總長度的增加, 邊界密度擴大了8倍, 是所有景觀類型中增長最快的斑塊, 也導致了斑塊密度呈上升趨勢。17年間聚集度呈上升趨勢, 但是相對變化不大, 分離度在2000年最大, 2017年最小, 說明研究初期, 建設用地在分布格局上分散, 后來城鎮化進程加快, 不斷呈向外擴展的發展趨勢, 居民點由散居向聚居轉變, 逐年由分散走向集中, 連接性增強。

草地斑塊數量在研究期內總體上呈現減少的趨勢, 而斑塊密度和邊界密度呈現逐年上升的趨勢, 分別上升了205.96%和51.40%, 草地聚集度越來越小, 分離度越來越大。這是由于草地被生態造林, 農業用地, 濫砍濫伐等被侵占破壞, 分布愈加分散, 斑塊逐漸破碎化, 聚集度和連接性降低, 主要分布在林地景觀周邊, 呈零散分布。而草地的斑塊分維數和面積加權平均斑塊形狀指數變化趨勢相同。都是呈現先增加后減少再上升的趨勢, 庫區修建占用了大量的草地, 退耕還林還草等政策使其趨于不規則化和復雜化。

三峽庫區的修建, 擴大了水域的面積, 斑塊數量總體呈上升趨勢。2000—2006年庫區初步修建完成, 擴大了水域所占面積比例, 導致了邊界總程度的增加, 從而造成了邊界密度從0.996上升到了1.494, 相對于其他時間段, 上升率最高。與其他景觀類型相比, 水域的分維數較大, 水域景觀貫穿研究區域內, 所經地形復雜, 另一方面, 長江沿岸多為居住地, 開發利用頻繁。水域被分割和侵蝕, 受人類干擾程度加大, 斑塊趨于破碎化, 連通性減弱, 從而造成水域景觀的聚集度和分離度降低的趨勢。

未利用低景觀的破碎度是最大的, 而聚集度也從2000年的80.358下降到2017年的75.142, 邊界密度17年間減少了0.545, 這是因為隨著不斷開發建設, 使得部分荒山荒地被利用起來, 進行人工植草造林, 從而造成未利用面積減少, 在空間上呈分散布局。

散布與并列指數反映了對那些受到某種自然條件嚴重制約的生態系統的分布特征。研究各斑塊的散布與并列指數處在40—85之間, 結合地域自然條件, 地形起伏較大, 說明研究區的各種生態系統受到垂直地帶性的作用顯著, 尤其水域和耕地, 受影響程度較大。

2.4 土地利用綜合程度指數與關鍵斑塊水平景觀指數分異

采用皮爾遜相關系數法分析了土地利用綜合程度指數與斑塊水平景觀格局指數(8個指數)的相關性, 數據基本符合正太分布, 可以進行相關性分析。設置兩個顯著性水平(0.05和0.01), 并進行雙尾檢驗。在此基礎上, 確定了影響土地利用綜合程度指數的關鍵景觀指數。相關性結果如下表。

土地利用綜合程度指數與建設用地斑塊數量和未利用地邊界密度密切相關, 相關系數分別為0.985和0.994, 這意味著斑塊特征對土地利用綜合程度具有重大的影響。主要原因是建設用地是人為景觀的典型代表, 對土地開發利用的程度最高。建設用地的斑塊密度、邊界密度和面積加權平均斑塊形狀指數相關系數分別為0.879、0.868和0.922, 表明也有很強的相關關系, 這三者景觀指數的增大, 表明建設用地面積擴大, 斑塊形狀變得更復雜, 更不規則, 人類的影響程度加深, 有助于提升土地利用綜合程度。而與未利用地的邊界密度具有很強的正相關關系, 未利用地的邊界密度越大, 說明未利用地被邊界的其他類型景觀的分割程度越高, 越容易被開發, 將未利用地轉化為其他用地類型, 從而極大程度提高土地利用的綜合程度。另一方面, 與未利用地分離度的相關系數為0.936, 有很強的正相關關系。分離度越大, 不同景觀類型之間的演替就越頻繁, 未利用地分離度越大, 就越容易轉換成其他景觀類型, 從而提升土地利用的綜合程度。

林地、草地、耕地和建設用地的斑塊分維數與土地利用綜合程度指數的相關程度均在0.7以上, 同時林地、草地、耕地和建設用地的面積加權平均斑塊形狀指數的相關程度在0.8以上, 呈現很強的相關關系。這表明隨著人類活動的增加, 景觀形狀變得更加復雜, 破碎度和連通性發生了顯著變化, 使景觀類型更加多樣化, 促進土地利用綜合程度的提高。隨著研究區城鎮化的快速推進必然帶來建設用地不斷增加, 而林地、草地、耕地面積隨之下降, 因此必須協調城市發展與土地利用之間的關系, 促進綠色的可持續發展, 實現土地集約化利用。

3 討論

社會及經濟建設活動不可避免會影響土地覆蓋變化, 從而導致景觀結構、功能與動態的變化。在這個過程中, 人類自身及其活動起著重要的作用。三峽工程的實施, 庫區水位上升, 淹沒大量的生態用地和耕地, 為了保存被水淹沒的肥沃土壤, 以及防止肥沃土壤淹沒后對庫區環境造成污染, 于是實施了“移土培肥”項目, 將這些土壤轉移到相對貧瘠的地方重新利用, 從而提高土地貧瘠地區的糧食作物產量[29]。忠縣在當時被重慶市確定為三峽移土培肥工程試點縣, 占用了大量的草地。另外,為了滿足日益增長的糧食需求,大量天然草地被用于耕種作物,致使自2000年后忠縣草地面積持續減少, 2000—2006年間減少量為30.15 km2, 而到2017年, 草地面積僅剩94.75 km2, 較2000年下降了52.24%。這就造成了草地分布趨于分散化, 斑塊逐漸破碎化, 主要分布在林地景觀周邊, 呈零散分布。

17年間, 林地面積逐年上升, 增長了88.49 km2。一方面是由熱量和水分的增加, 一部分草地轉換為了林地; 另一方面, 得天獨厚的自然氣候條件讓忠縣成為了“中國柑橘城”, 截止2017年, 忠縣已建成35萬畝標準果園基地, 在林地中占了很大的比例。人類對林地干擾的程度加深, 一方面提升了植被覆蓋率, 但某些區域封山育林、種植柑橘林等措施, 也降低了林地的聚集程度, 使林地分布趨于分散化。

隨著經濟的不斷發展, 建設用地一直處于顯著增加的狀態, 從2000年的18.32 km2增加到2017年的97.55 km2, 17年間的建筑面積增長了432.48%。三峽庫區建設, 移民建立了新的居民地,加快了忠縣城區擴建的速度[30]。另一方面, 城市化進程加快與人口數量的增加在不同程度上推動了城市的快速發展, 使一些分散的居民點走向了集中。也因此, 建設用地成為了研究區景觀中受人類活動影響最大的斑塊類型。

隨著三峽庫區蓄水量的增加, 水域面積不斷擴大。在水位抬高的過程中, 大部分河灘地, 和另外一些近河裸地、沙灘地被水淹沒[31]。后來隨著經濟建設不斷推進, 越來越多的未利用地不斷被開墾, 轉換化為村鎮建設用地和林地, 柑橘的種植面積也隨之擴大。耕地在2000—2017年間一直處于減少的狀態, 主要是因為三峽水庫的修建和城鎮化建設造成了耕地斑塊被分割, 破碎度日益增大, 連通性減弱。這就警示我們, 耕地作為人類賴以生存的基本資源和條件, 應確保耕地的數量和質量, 這樣才能保持農業的可持續發展。

人類活動可以直接或間接影響環境, 從而導致景觀類型的變化, 并最終影響整個生態系統的變化。人為干擾被認為是在較小的時空尺度上增加景觀異質性的主要驅動力, 并影響著景觀類型的演變, 而中等水平的干擾有利于生物多樣性的改善[32]。隨著人類活動對環境的影響越來越大, 景觀格局演變受到人類干擾更多的影響。最后, 進一步加深了各類土地利用斑塊的破碎化程度, 人口增長和人為干擾是研究區忠縣景觀破碎化和生態退化的重要原因。

利用土地利用綜合程度指數與景觀指數來量化土地利用/覆蓋變化的分異特性, 在理解未來土地利用/覆蓋的變化趨勢方面起著重要作用。有助于規劃者理解這些變化的復雜性, 也可以用作評估土地使用價值的有效標準。但是, 在改變土地用途之前, 應考慮這一系列的連鎖反應, 以防止土地利用/覆蓋的任意改變對該地區脆弱生態系統造成不可彌補的損害。

4 結論

隨著三峽庫區的建設, 社會的發展和城鎮化進程加快, 人類對土地利用的干擾越來越明顯, 使得研究區各景觀類型變化顯著, 在這17年里, 各類用地間呈“三增三減”的變化趨勢, 主要表現為: 林地、建設用地和水域不同程度增加, 分別增加了88.49 km2、79.23 km2和33.98 km2, 草地、耕地和未利用地面積不斷減少, 分別減少了103.65 km2、90.52 km2和8.65 km2。忠縣目前主要的用地類型是耕地, 其次為林地, 建設用地面積增長速度加快。耕地和林地變化相對穩定。

用地類型的變化, 也引起了土地利用綜合程度的變化。時間上, 2000年以來, 土地利用綜合程度呈上升趨勢, 2011年后土地利用綜合程度上升速度明顯提高, 表明人們在不斷提高土地利用程度, 使有限資源效益最大化, 土地利用向著多樣化和均勻化方向發展?？臻g上, 土地利用綜合程度相對較高的區域主要在長江中游-忠縣主城區及西北區域附近, 歸因于海拔較低, 地形相對平坦, 交通便利, 適宜人類開發。

土地利用/覆蓋的變化是自然與人為因素相互作用的結果, 景觀指數是評估景觀總體狀態的有效量化指標, 可以使人們更準確地了解土地利用/覆蓋。研究區整個區域斑塊密度偏大, 聚集度呈下降趨勢, 斑塊破碎化程度較高, 受人類干擾比較強烈, 景觀形狀趨于復雜和不規則, 空間格局更加復雜。絕大部分景觀的斑塊分維數和面積加權平均斑塊分維數偏小, 形狀趨于簡單, 景觀結構穩定性較差。應注重優化景觀形態結構, 增強各景觀類型空間布局的均衡性。

景觀指數揭示了如何進一步提高土地利用綜合程度, 在斑塊景觀指數中, 建設用地斑塊數量和未利用地邊界密度土地利用綜合程度指數顯著相關, 系數分別為0.985和0.994。以土地集約高效利用為目標, 有計劃擴大建設用地面積, 開發未利用土地, 優化土地資源配置, 使土地利用/覆蓋變化格局與研究區的社會經濟相適應。

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Comparative study of two index methods for characterizing of landuse / cover change in Zhong County, Chongqing

ZHAN Likun, GUO Xianhua, FU Kun, ZHANG Na, LIU Xi, LI Tingzhen*

Key Laboratory of Water Environment Evolution and Pollution Control in Three Gorges Reservoir, Chongqing Three Gorges University, Chongqing 404100, China

Natural factors and human activities will lead to changes in regional landscape pattern, and then affect the intensity of land use and regional ecological security. Zhong County, Chongqing City was taken as the research area in this paper.Based on 3S technology, we used the comprehensive index of land use degree and landscape index to quantitatively analyze the the changes of land use/cover in 2000, 2006, 2011, and 2017. The results show that the comprehensive degree of land use in the four periods of the study area was 265.328, 265.610, 266.700 and 268.864, showing an upward trend. The rising rate was significantly accelerated. The comprehensive degree of land use was significantly correlated with the number of patches of construction land and the boundary density of unused land. These two indices increased by 1273 and 0.545 from 2000 to 2017, respectively.The correlation coefficients were 0.985 and 0.994 respectively, which were affected by the edge effect. At the level of landscape types, the aggregation of patches demonstrated a declining trend, due to the deepening of human interference after the sluice of the reservoir. The landscape fragmentation was serious, and the landscape heterogeneity was continued to weaken. Cultivated land was the main controlled landscape in the area, and the area proportion of the four periods was more than 59%. In the past 17 years, there has been a curve in construction land, forest land and waters, increased by 79.23 km2, 88.29 km2and 33.98 km2respectively. And the areas of grassland and arable land were decreased by 103.65 km2and 90.52 km2respectively. The unused land was only 0.12 km2in 2017. The work can provide a decision support for the formulation of scientific land management policies and environmental governance measures.

remote sensing; landscape; comprehensive degree of land use; land use/cover

詹立坤, 郭先華, 符坤, 等. 兩種指數法表征重慶市忠縣土地利用/覆蓋變化的對比研究[J]. 生態科學, 2021, 40(4): 102–112.

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10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.04.012

P901

A

1008-8873(2021)04-102-11

2020-02-03;

2020-03-05

國家自然科學基金(41461117); 三峽庫區水環境演變與污染防治重點實驗室項目(WEPKL2016ZD-02)

詹立坤(1994—), 男, 河北秦皇島人, 碩士研究生, 主要研究方向景觀生態, E-mail: zlkforpeople@163.com

李廷真(1978—), 男, 博士, 教授, 主要研究方向環境安全, E-mail: litingzhen@163.com