區(qū)域土地利用景觀空間格局研究
——以湖北恩施為例

常 勝

(湖北民族學(xué)院 生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 恩施 445000)

土地與景觀是兩個(gè)內(nèi)涵不同但外延相近的概念.在景觀生態(tài)學(xué)中，作為其研究對象，景觀是指地球表層一定空間范圍內(nèi)自然和人類要素的結(jié)構(gòu)功能統(tǒng)一的地域綜合體.從這個(gè)角度看，和土地的概念一樣，都是地域綜合體，二者在概念的外延上基本相同.同時(shí)，二者在概念的內(nèi)涵上有本質(zhì)區(qū)別[1-4]：土地概念側(cè)重于這一地域綜合體在社會(huì)經(jīng)濟(jì)方面的屬性,包括土地的產(chǎn)權(quán)關(guān)系、肥沃程度、土地用途和經(jīng)濟(jì)價(jià)值等；景觀概念側(cè)重于這一地域綜合體的美學(xué)價(jià)值、生態(tài)價(jià)值及其帶給人類的長期效益,具有更大的內(nèi)涵.另外，從景觀生態(tài)學(xué)的發(fā)展更可看出,景觀生態(tài)學(xué)就是關(guān)于土地的研究.景觀生態(tài)學(xué)的產(chǎn)生于Troll利用航空像片對東非土地利用的研究, 土地一直是景觀生態(tài)學(xué)的主要研究對象.土地的開發(fā)利用、土地管理和土地生態(tài)恢復(fù)等問題一直是景觀生態(tài)學(xué)的發(fā)展中密切關(guān)注的問題.現(xiàn)代景觀生態(tài)學(xué)的應(yīng)用以土地利用為主,關(guān)注土地利用對物質(zhì)流和能量流的影響，注重分析景觀結(jié)構(gòu)與生態(tài)過程之間的關(guān)系[5,6],與土地利用規(guī)劃空間布局關(guān)系密切,是土地利用規(guī)劃和管理的理論基礎(chǔ).

1 土地利用與景觀空間格局

景觀空間格局是景觀生態(tài)學(xué)的一個(gè)重要概念，通常簡稱為空間格局或格局.雖然不同學(xué)者對景觀生態(tài)學(xué)的描述并不完全一致，但都強(qiáng)調(diào)了空間結(jié)構(gòu)的重要性.例如，景觀生態(tài)學(xué)關(guān)注于大的空間尺度、區(qū)域、以及生態(tài)系統(tǒng)空間格局的生態(tài)效應(yīng)；景觀生態(tài)學(xué)研究斑塊空間鑲嵌格局對一系列生態(tài)學(xué)現(xiàn)象的影響.空間格局一般指大小和形狀不一的景觀斑塊在空間上的排列和組合，包括景觀組成單元的類型、數(shù)目及空間分布與配置，比如不同類型的斑塊可在空間上呈隨機(jī)型、均勻型或聚集型分布.空間格局是景觀異質(zhì)性的具體表現(xiàn)，同時(shí)也是包括干擾在內(nèi)的各種生態(tài)過程在不同尺度上作用的結(jié)果.

景觀空間格局在所有尺度上都存在，并且都是由斑塊、廊道和基質(zhì)構(gòu)成的有機(jī)整體，按照系統(tǒng)論觀點(diǎn)，整體不等于部分之和，景觀作為一個(gè)整體具有其組成部分所沒有的特性，因此，不能把景觀單純描述為耕地、建設(shè)用地、林地和水域的總和.空間格局分析的目的在于從景觀斑塊的空間鑲嵌中發(fā)現(xiàn)潛在的規(guī)律，通過景觀空間格局的分析，確定空間格局演變的因子和機(jī)制，比較不同景觀的空間格局及其效應(yīng).

土地利用形成特定的景觀空間格局，景觀空間格局是土地利用的結(jié)果[7].土地利用目的與相應(yīng)的土地管理措施構(gòu)成土地利用方式；一定的土地利用方式與特定的土地利用單元相結(jié)合，形成一個(gè)土地利用系統(tǒng)；不同土地利用系統(tǒng)的空間鑲嵌構(gòu)成土地利用的景觀或者區(qū)域[8]，由于土地構(gòu)成要素空間分布的不均衡性，導(dǎo)致土地用途的分散性，從而形成不同的景觀格局.從景觀生態(tài)學(xué)的角度看，以土地構(gòu)成要素的空間不均衡分布為基礎(chǔ)，加上不同干擾的影響，形成異質(zhì)性景觀.而人類的土地利用行為是干擾方式之一，尤其是在短時(shí)間尺度內(nèi)，人類的土地利用行為更是導(dǎo)致景觀格局演變的主要驅(qū)動(dòng)力[9].

首先，景觀與土地在空間實(shí)體上具有相似性.人類的經(jīng)濟(jì)開發(fā)活動(dòng)主要是在景觀層次上進(jìn)行的，景觀為人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)提供各種資源及場所，是人類的開發(fā)利用對象.而從土地的角度，土地是人類的基本生產(chǎn)資料，為人類的生產(chǎn)和生活提供場所和空間，人類所有的生產(chǎn)和生活都要落實(shí)到土地上,表現(xiàn)為土地利用行為及土地利用方式的時(shí)空變化.因此,景觀是土地利用的結(jié)果，景觀類型和土地利用類型、景觀結(jié)構(gòu)與土地利用結(jié)構(gòu)、景觀功能與土地功能、景觀變化與土地利用/覆被的變化間具有極大的相似性.

其次，從空間格局的演變上看，短時(shí)間尺度下，人類的土地利用行為是空間格局演變的主要驅(qū)動(dòng)因子.由于人類的不合理土地利用，導(dǎo)致土地荒漠化、鹽漬化，最后導(dǎo)致區(qū)域景觀格局的轉(zhuǎn)變.土地用途的轉(zhuǎn)換直接導(dǎo)致相應(yīng)區(qū)域景觀類型的轉(zhuǎn)換.從具體的土地利用形式上看，放牧不僅可以直接改變草地的形態(tài)特征，而且還可以改變草地的生產(chǎn)力和草種結(jié)構(gòu)；土地的翻耕有利于外來物種的入侵，減少物種的豐富度；化肥和農(nóng)藥的施用改變土壤中養(yǎng)分或化學(xué)成分，促進(jìn)某些物種的快速生長，而導(dǎo)致其它物種的滅絕，造成物種豐富度的急劇下降；踐踏在現(xiàn)有的生態(tài)系統(tǒng)中產(chǎn)生空地，為外來物種的侵入提供有力場所，也可以阻礙原來優(yōu)勢種的生長，適度的踐踏，減緩優(yōu)勢種的生長可以促進(jìn)自然生態(tài)系統(tǒng)保持較高的物種豐富度.農(nóng)業(yè)種植、城市規(guī)劃、道路修建、森林砍伐、水庫建設(shè)、礦產(chǎn)開發(fā)等土地利用行為均會(huì)導(dǎo)致區(qū)域景觀格局的改變[10].

隨著人口增長和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人類的土地利用行為不斷加強(qiáng)，對景觀的影響不斷加劇.景觀格局的演變反過來影響土地利用.空間格局決定功能流，空間格局的改變必將對區(qū)域土地利用效果(功能)產(chǎn)生影響.

2 空間格局的定量描述

采用景觀空間格局指數(shù)來分析景觀組份特征，可分為三個(gè)層次，即斑塊特征指數(shù)、景觀類型特征指數(shù)和景觀特征指數(shù).斑塊級(jí)別指標(biāo)反映景觀中單個(gè)拼塊的結(jié)構(gòu)特征，也是計(jì)算其它景觀級(jí)別指標(biāo)的基礎(chǔ)；景觀類型級(jí)別指標(biāo)反映景觀中不同景觀類型各自的結(jié)構(gòu)特征；景觀級(jí)別指標(biāo)反映景觀的整體結(jié)構(gòu)特征.目前已經(jīng)出現(xiàn)一些專門用來計(jì)算景觀格局指數(shù)的軟件，以FRAGSTATS應(yīng)用最為廣泛.該軟件可以計(jì)算出三個(gè)層次、59個(gè)景觀指標(biāo).

土地利用空間格局可利用多種景觀格局指數(shù)來分析.景觀空間格局指數(shù)很多，而且許多指標(biāo)之間具有高度的相關(guān)性，只是側(cè)重面有不同，根據(jù)研究目標(biāo)和數(shù)據(jù)的來源與精度來選擇合適的指標(biāo)與尺度.

2.1 景觀多樣性指數(shù)

一般認(rèn)為，景觀多樣性是景觀穩(wěn)定性的基礎(chǔ).土地利用的景觀多樣性指數(shù)能夠反映研究區(qū)內(nèi)土地利用類型總數(shù)的多少以及各土地利用類型所占比例的接近程度.多樣性指數(shù)為0時(shí)，表示區(qū)域由單一土地利用類型構(gòu)成；土地利用類型越多，各類型所占比例越接近，多樣性指數(shù)越高.土地利用多樣性指數(shù)采用shannon-weaver多樣性指數(shù)，其計(jì)算公式為：

式中H為多樣性指數(shù)；pi為景觀類型i的面積比例.

2.2 優(yōu)勢度與均勻度

優(yōu)勢度與均勻度是密切聯(lián)系的兩個(gè)指數(shù).優(yōu)勢度在生態(tài)學(xué)中表示一個(gè)種在群落中的地位與作用，在土地利用研究中，優(yōu)勢度表明區(qū)域土地利用景觀受少數(shù)土地利用類型支配的程度；而均勻度則描述各土地利用類型所占比例的接近程度.當(dāng)區(qū)域中各土地利用類型比例相等時(shí)，均勻度最大，優(yōu)勢度為0，多樣性指數(shù)最大.因此，一般用土地利用多樣性指數(shù)與最大可能多樣性指數(shù)之間的差值表示優(yōu)勢度；用多樣性指數(shù)與最大可能多樣性指數(shù)的比值表示均勻度.土地利用優(yōu)勢度可用下面公式表示:

式中Hmax為在最大均勻條件下的多樣性指數(shù).

優(yōu)勢度愈大，表明各土地利用類型所占比例差別也越大，即以某一種或某幾種土地利用類型占優(yōu)勢.優(yōu)勢度小，表明各類型所占比例相當(dāng).優(yōu)勢度為0時(shí)，即Hmax=H，表明各土地利用類型所占比例相等，沒有任何一種土地利用類型占據(jù)優(yōu)勢.

2.3 景觀破碎度

破碎度表征景觀被分割的破碎程度，反映景觀空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在一定程度上反映了人類對景觀的干擾程度.它是由于自然或人為干擾所導(dǎo)致的景觀由單一、均質(zhì)和連續(xù)的整體趨向于復(fù)雜、異質(zhì)和不連續(xù)的斑塊鑲嵌體的過程，景觀破碎化是生物多樣性喪失的重要原因之一，它與自然資源保護(hù)密切相關(guān).采用面積加權(quán)斑塊形狀破碎化指數(shù)FI:FI=1-1/AWMSI.式中FI表示景觀整體破碎化程度;AWMSI是景觀的面積加權(quán)平均形狀指數(shù).

2.4 分維數(shù)

D=2ln(P/4)/ln(A)

式中D表示分維數(shù)；P為斑塊周長；A為斑塊面積.D值越大，表明斑塊形狀越復(fù)雜，D值的理論范圍為 1.0～2.0，1.0代表形狀最簡單的正方形斑塊，2.0表示等面積下周邊最復(fù)雜的斑塊.

2.5 聚集度指數(shù)

式中H為復(fù)雜性指數(shù)；Hmax為最大可能復(fù)雜性指數(shù)；C為相對聚集度，取值范圍為0～1，取值越大，表明景觀高度聚集，以少數(shù)大斑塊為主或同類斑塊高度連接，景觀異質(zhì)性程度低；反之，景觀異質(zhì)性程度高，有利于保持景觀的穩(wěn)定性.

2.6 重要值

重要值反應(yīng)區(qū)域內(nèi)某土地利用類型在整個(gè)區(qū)域土地利用中的優(yōu)勢地位及支配作用，主要與該土地利用類型的斑塊數(shù)量及其面積比例相關(guān).某土地利用類型所占面積比例越大，斑塊數(shù)量越多，其重要值越大，是區(qū)域土地利用的主要類型.一般來說，重要值越大，該土地利用類型對對區(qū)域生態(tài)過程的影響較大，在土地利用空間格局的形成過程中起主導(dǎo)作用.重要值計(jì)算公式為:

式中I表示某景觀類型的重要值；di為某一景觀類型在景觀中的相對多度，即:(景觀類型i的斑塊數(shù)/景觀中的斑塊總數(shù))×100%;pi為景觀類型i的相對面積比例，即: (景觀類型i的面積/景觀總面積)×100%.

3 恩施州土地利用景觀空間格局研究

3.1 數(shù)據(jù)收集與處理

表1 遙感影像數(shù)據(jù)列表

表2 景觀級(jí)別空間格局指數(shù)

遙感影像是進(jìn)行土地利用/土地覆被變化及土地利用空間格局研究的基礎(chǔ)信息來源[11].在遙感數(shù)據(jù)的選擇上，以Landsats系列衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用最為普遍，該系列數(shù)據(jù)產(chǎn)品包括3種數(shù)據(jù)類型，即MSS影像、TM影像和ETM+影像.Landsat ETM+影像數(shù)據(jù)又分為兩種，即SLC-on數(shù)據(jù)和SLC-off數(shù)據(jù)：2003年5月31日(21:42:35 GMT)，Landsat-7 ETM+ 機(jī)載掃描行校正器(ScanLinesCorrector, 簡稱SLC) 突然發(fā)生故障，導(dǎo)致獲取的圖像出現(xiàn)數(shù)據(jù)重疊和大約25% 的數(shù)據(jù)丟失，因此2003年5月31日之后Landsat 7的所有數(shù)據(jù)都是異常的，稱為SLC-off數(shù)據(jù)，需要采用SLC-off模型校正；SLC故障之前的產(chǎn)品則稱為SLC-on數(shù)據(jù).

研究區(qū)地處鄂西山區(qū)，云霧遮蓋時(shí)間較多，給遙感影像的選擇帶來一定的難度，根據(jù)研究的空間尺度和研究任務(wù)的需要，結(jié)合數(shù)據(jù)的可獲得性，選擇2000年及2007年兩個(gè)時(shí)期的ETM+遙感數(shù)據(jù)作為本研究的信息源， 2007年數(shù)據(jù)為ETM+ SLC-0ff數(shù)據(jù)，需進(jìn)行條帶修復(fù)(表1).

在進(jìn)行條帶修復(fù)、假彩色合成、影像鑲嵌與裁剪、數(shù)據(jù)融合、投影轉(zhuǎn)換及影像校正等數(shù)據(jù)預(yù)處理的基礎(chǔ)上，在ERDAS IMADINE軟件的支持下，以監(jiān)督分類方法為主，非監(jiān)督分類方法為輔，結(jié)合目視判讀進(jìn)行遙感影像的計(jì)算機(jī)解譯.首先，結(jié)合區(qū)域土地利用現(xiàn)狀圖、野外GPS采點(diǎn)及目視判讀選擇訓(xùn)練區(qū)，進(jìn)行監(jiān)督分類.由于異物同譜的存在，使得監(jiān)督分類結(jié)果中還有部分信息被誤分，采用MASK方法逐個(gè)去除己正確分類的影像，將混分部分提取出來，進(jìn)行非監(jiān)督分類，然后通過分類后重編碼將非監(jiān)督分類的結(jié)果進(jìn)行歸類.采用該方法既可避免重復(fù)分類，又能保證完全歸并;分類后處理中，大面積提取誤判信息，進(jìn)行重新歸類，提高分類精度.最后得到兩期土地利用類型分布圖[12].運(yùn)用ERDAS IMADINE精度評(píng)估模塊，在遙感影像上隨機(jī)取樣200個(gè)點(diǎn)，對土地利用類型分布圖進(jìn)行精度評(píng)價(jià)， Kappa指數(shù)分別為0.83、0.86，解譯精度符合要求.

3.2 土地利用空間格局指數(shù)計(jì)算

本研究基于GIS平臺(tái)軟件arcview3.0，采用Fragstats擴(kuò)展模塊計(jì)算空間格局指數(shù).首先在遙感圖像處理平臺(tái)軟件ERDAS支持下，將各期土地利用類型分布圖轉(zhuǎn)換為多邊形矢量數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)為arcview的SHP文件格式，然后在arcview軟件下運(yùn)行Fragstats模塊，計(jì)算出景觀級(jí)別和景觀類型級(jí)別上的相關(guān)空間格局指數(shù)(表2，表3).

表3 土地利用類型級(jí)別空間格局指數(shù)

4 結(jié)果分析

從景觀級(jí)別的土地利用空間格局上看，從2000年到2007年，區(qū)域土地的利用的斑塊數(shù)量從383 276個(gè)變?yōu)?85 722個(gè)，平均斑塊面積從6.31公頃變變?yōu)?3.03為公頃，平均形狀指數(shù)、分維數(shù)和分形指標(biāo)趨大，土地利用空間格局趨于復(fù)雜化、破碎化；優(yōu)勢度和均勻度分別從2000年的0.852 2、0.470 5變化2007年的0.986 7和0.386 9，聚集度進(jìn)一步提高，反應(yīng)區(qū)域土地利用格局受林地和耕地兩種用地類型的支配作用進(jìn)一步得到加強(qiáng)，空間格局的多樣性指數(shù)進(jìn)一步降低.

從土地利用類型上看，研究期內(nèi)，建設(shè)用地重要值由0.049 5增加到0.090 3，反應(yīng)期間建設(shè)用地的進(jìn)一步擴(kuò)張；平均形狀指數(shù)，分形分維指數(shù)有所下降，反正這個(gè)時(shí)期內(nèi)，隨著建設(shè)用地的擴(kuò)展，其布局變得較為規(guī)整.耕地的重要值有所上升，從2000年的0.385 7上升到2007年的0.403 8，耕地的面積比例變小而重要值的增加說明耕地斑塊的急劇減小，形狀進(jìn)一步破碎化，使得耕地斑塊數(shù)量占區(qū)域景觀總斑塊數(shù)量的比例增加.由于退耕還林，耕地進(jìn)一步收縮，平均斑塊面積變小，由7.437變?yōu)?.707公頃，最大斑塊占類型的面積比例由5.98%降低為0.76%.形狀指數(shù)、分形分維數(shù)略有下降，破碎度由0.981 7降為0.886 6.草地重要值進(jìn)一步降低，由0.007 7降低為0.001 2，平均斑塊大小和總體分布規(guī)模減小，破碎度降低.林地的重要值進(jìn)一步增大，分布形狀更加復(fù)雜.

5 結(jié)論與討論

從2000年到2007年，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和退耕還林工程、天然林保護(hù)工程的實(shí)施，恩施州土地利用的變化過程為：林地持續(xù)增加，對區(qū)域土地利用格局起著支配作用；耕地?cái)?shù)量減少，且形狀趨于復(fù)雜、破碎；建設(shè)用地快速擴(kuò)張，布局較為規(guī)整.

區(qū)域土地利用變化的總體趨勢為景觀聚集度提高，景觀多樣性下降.景觀多樣性是景觀穩(wěn)定性之源，區(qū)域土地利用景觀多樣性指數(shù)的下降表明區(qū)域土地利用景觀空間格局穩(wěn)定性指數(shù)的降低.從生態(tài)系統(tǒng)自身演化的角度看，自然狀態(tài)下生態(tài)系統(tǒng)總是由不穩(wěn)定向穩(wěn)定逐漸演化，也就是說，恩施州土地利用格局從自然角度看存在著從林地向耕地、草地逆向演變的趨勢，而這是以生態(tài)立州的恩施州所不允許的.因此，應(yīng)防止區(qū)域土地利用系統(tǒng)的這種逆向演變，需進(jìn)一步加強(qiáng)退耕還林和天然林保護(hù)工作，這需要國家和當(dāng)?shù)卣岢鐾烁€林支持的長效政策，發(fā)展退耕還林的長效機(jī)制，穩(wěn)定退耕還林所取得的成果.

本研究的時(shí)間尺度為7年，通過對區(qū)域2000年和2007年的土地利用空間格局對比，發(fā)現(xiàn)這一期間區(qū)域土地利用空間格局的變化，若能將時(shí)間尺度分得更細(xì)一些，比如以年為時(shí)間尺度開展時(shí)間序列研究，則不僅能反映區(qū)域較長時(shí)期內(nèi)土地利用空間格局狀態(tài)的改變，而且可以了解區(qū)域土地利用空間格局演變的過程，將使研究更為深入.

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