蒙陰縣土地利用景觀格局動態(tài)分析

李 歡，劉 霞，姚孝友，張光燦，王友勝

（1．山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院 水土保持系，山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)生態(tài)與環(huán)境重點實驗室，山東 泰安271018；2．水利部淮河水利委員會水土保持處，安徽 蚌埠233001）

景觀格局是景觀異質(zhì)性的具體表現(xiàn)，同時又是包括干擾在內(nèi)的各種生態(tài)過程在不同尺度上作用的結(jié)果［1－2］。景觀格局的形成及其變化是自然、社會和生物等多種要素相互作用的結(jié)果。景觀要素在空間分布的數(shù)量、位置、類型、形狀、大小和方向構(gòu)成了景觀空間格局分析的主要內(nèi)容。景觀結(jié)構(gòu)和功能、格局與過程之間的聯(lián)系與反饋是景觀生態(tài)學(xué)的基本命題。用景觀指數(shù)描述景觀格局及變化，建立格局與景觀過程之間的聯(lián)系，是景觀生態(tài)學(xué)最常用的定量化研究方法［3－7］。本文采用1987年、2007年兩個典型時期4－5月的T M 影像為數(shù)據(jù)源，在Region Manager 5．5、Arc GIS和Fragstats 3．3軟件的支持下研究1987－2007年20 a間蒙陰縣土地利用景觀格局的特點及其動態(tài)變化趨勢，分析各景觀要素類型之間的空間轉(zhuǎn)化關(guān)系，反映景觀要素之間相互作用的性質(zhì)、強度和方式，進而闡明景觀要素動態(tài)演替的方向、過程，為實現(xiàn)流域可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)與決策支持。

1 研究區(qū)概況

蒙陰縣位于山東省中南部，117°45′－118°15′E，35°27′－36°02′N，地處蒙山北麓，東汶河上游，是沂蒙山區(qū)的腹地。東鄰沂水縣、沂南縣，西靠新泰市，南依蒙山與費縣、平邑縣交界，北與沂源縣接壤，總面積1 610．85 k m2，為典型的北方土石山區(qū)，海拔一般為200～600 m，基巖主要由石灰?guī)r和頁巖組成，土壤類型主要為棕壤類。屬暖溫帶季風(fēng)型大陸氣候，年均日照時間2 257 h，年均氣溫12．8℃，無霜期200 d。年均降水量820 mm，降水分布不均，有70%主要集中分布在5－9月。地帶性植被類型為暖溫帶落葉闊葉林，主要喬木樹種有側(cè)柏（Platycladus orientalis Linn．Franco）、刺槐（Robinia pseudoacacia L．）、油松（Pinus tabul aef or mis Carr．）、黃櫨（Cotinus coggyria Scop．）、遼東櫟（Quercus liaotungensis Koidz．）、山楂（Crataegus pinnatif ida Bge．）、柿樹（Diospyros kaki Linn F．）等；自然灌木與草本植物主要有黃荊（Vitex negundo L．）、胡枝子（Lespedeza bicolors）

2 研究方法

2．1 數(shù)據(jù)源

遙感數(shù)據(jù)源采用1987年、2007年兩個典型時期4－5月的T M影像，空間分辨率為30 m×30 m。蒙陰縣1996年土地利用圖，蒙陰縣1∶10萬地形圖作為影像匹配基準。

2．2 數(shù)據(jù)處理

（1）圖像處理。為消除遙感數(shù)據(jù)中存在的誤差，提高可判讀性，借助ERDAS軟件進行配準、鑲嵌、勻色及增強處理。利用地形圖選擇25～35個同名地面控制點（GCP），對影像進行校正，誤差控制在0．5個像元以內(nèi)。校正中，采用北京1954坐標系，高斯克呂格投影。

（2）解譯標志的建立與圖像解譯。進行野外考察并結(jié)合已有資料建立解譯標志。本研究采用自動分類和人工判讀相結(jié)合的方法對研究區(qū)T M圖像進行解譯，獲取景觀要素類型等數(shù)據(jù)，運用Arc GIS軟件建立數(shù)據(jù)庫。

（3）景觀指數(shù)的提取。利用 Arc GIS 9．2的空間分析功能及Fragstats 3．3軟件提取部分景觀格局指數(shù)，對蒙陰縣近20 a來的景觀格局動態(tài)變化情況進行分析，并分析造成其變化的原因。

2．3 景觀要素類型劃分

本文主要依據(jù)全國土地利用現(xiàn)狀分類系統(tǒng)，并結(jié)合研究目的和區(qū)域特征，將蒙陰縣整個區(qū)域內(nèi)的景觀類型劃分為耕地、林地、草地、城鎮(zhèn)村及工礦交通用地、水域及水利設(shè)施用地和未利用土地6類［8－10］。

2．4 景觀要素格局指數(shù)選擇與提取

通過景觀指數(shù)描述景觀格局，使數(shù)據(jù)獲得一定的統(tǒng)計性質(zhì)，可以比較、分析不同尺度上的格局，長期以來一直倍受景觀生態(tài)學(xué)研究者的關(guān)注。對于景觀空間格局及其變化的考察，一套合理的指標體系的選擇主要從景觀水平上和類型水平上分析，盡可能地選擇相互獨立的景觀指數(shù)，且能較全面地描述土地利用景觀格局的數(shù)量和空間特征［11－13］。

Fragstats是一個功能強大的景觀指數(shù)計算軟件，可以計算出上百種景觀指數(shù)［14－16］。本文運用Arc GIS的空間分析功能將文件轉(zhuǎn)化為grid格式的文件，然后利用Fragstats軟件提取景觀、類型水平上的部分景觀指數(shù)，從而對研究區(qū)的景觀格局動態(tài)進行分析，本文選取的指標及其計算公式與生態(tài)含義見表1。

3 結(jié)果與分析

3．1 景觀要素類型面積的變化

研究區(qū)的總面積1 610．85 k m2，1987年和2007年兩期蒙陰縣的景觀類型均以耕地、林地、草地為主，三種土地利用類型占總面積的90%；其次是水域及水利設(shè)施用地，占4%左右；未利用土地較少，僅占1%左右。由此可知該區(qū)域植被覆蓋率高。1987年耕地面積幾乎占據(jù)整個蒙陰縣面積的一半，可見研究區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展較快；2007年耕地、林地面積均為研究區(qū)的30%以上，水資源缺乏，制約著蒙陰縣的經(jīng)濟發(fā)展。

蒙陰縣在1987－2007年20 a間，隨著對各種土地資源的開發(fā)，各類景觀要素的面積發(fā)生了很大變化（表2）。林地、城鎮(zhèn)村及工礦交通用地，水域及水利設(shè)施用地面積增加，耕地等其他用地面積減少。從變化數(shù)量看，最為顯著的是林地的增加和草地、耕地的減少。20 a來林地面積凈增加133．35 k m2，平均每年增加6．67 k m2，林地面積的大量增加是大面積開墾草地與未利用土地的結(jié)果，尤其是開發(fā)條件較差的未利用土地與草地，隨著農(nóng)業(yè)機械化程度與交通條件的便利，使許多開發(fā)初期不便開發(fā)的宜林荒地得到了進一步開發(fā)。草地凈減少43．64 k m2，平均每年減少2．18 k m2，草地不斷減少主要是由于大面積林地種植，尤其是自然條件良好、交通相對方便、人口密度較大的區(qū)域，大量適宜開墾的草地被開發(fā)為林地。耕地凈減少107．49 k m2，平均每年減少5．37 k m2。為提高土地生產(chǎn)力，保證農(nóng)業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展，蒙陰縣采取了一系列措施，使農(nóng)業(yè)技術(shù)裝備水平顯著提高，由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)逐步向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變。使人們開始尋找提高收入的新的土地經(jīng)營方式，農(nóng)業(yè)的集約化程度越來越高，使得不需要大面積的耕地即可供養(yǎng)更多的人口，所需要的耕地面積減少。從土地利用景觀類型年變化率來看，未利用土地的年變化率最大，平均每年減少2．83%，其次是城鎮(zhèn)村及工礦交通用地，平均每年增加2．52%，其面積膨脹較大，是以耕地的減少為依托的。林地年平均增加1．47%，草地年平均減少0．75%。水域及水利設(shè)施用地年平均增加0．74%，變化相對較小。耕地年平均減少0．74%，雖然耕地的年變化率低于城鎮(zhèn)村及工礦交通用地，但由于其面積比重大，因此變化的總面積僅低于林地。

表1 景觀格局指數(shù)

表2 1987－2007年期間不同時期蒙陰縣不同景觀類型的變化

3．2 景觀格局動態(tài)分析

3．2．1 景觀水平上格局動態(tài)分析 從對研究區(qū)總體景觀格局來看（表3），1987年斑塊總量為792塊，2007年為3 318塊，斑塊數(shù)量呈現(xiàn)顯著增加。斑塊密度PD大幅度增加，最大斑塊面積百分比LPI明顯減小，說明1987－2007年研究區(qū)景觀破碎化程度逐漸加大。研究區(qū)破碎化程度的加大，表明在經(jīng)濟發(fā)展和城市化水平快速推進的背景下，人類干擾活動日益增多和深入，代表自然生態(tài)系統(tǒng)的土地覆被類型大幅度減少，景觀的異質(zhì)化程度呈上升趨勢，從而使自然生態(tài)環(huán)境的凈化和維系能力下降，適于生物生存的環(huán)境減少，直接影響到物種的繁殖、擴散、遷移和保護。研究區(qū)域1987年分維數(shù)為1．289 3，2007年為1．473 8，增長了0．184 5。分維數(shù)越大，表明斑塊形狀越復(fù)雜。研究時間段內(nèi)，分維數(shù)變大，說明從總體而言，斑塊形狀趨于復(fù)雜和不規(guī)則，這主要是由于景觀要素類型受到人類活動的影響較大，耕地、林地、草地等景觀類型，受到建設(shè)用地的侵入和分割，使景觀的整體形狀變得較為復(fù)雜。1987－2007年蔓延度指數(shù)呈下降趨勢，表明1987年以來，耕地由優(yōu)勢景觀、連接性好的景觀逐漸向連接性較差的人工景觀格局演變，非農(nóng)化和人工化情況嚴重，充分說明耕地景觀類型的不完整性，呈現(xiàn)出區(qū)域占優(yōu)勢的耕地在空間上的距離加大，影響到耕地地塊之間物質(zhì)、能量和信息的流通不暢，進而影響到區(qū)域的整個生態(tài)系統(tǒng)。香農(nóng)多樣性指數(shù)和香農(nóng)均勻度指數(shù)在研究時間段內(nèi)分別增長了0．011 5和0．006 4，說明區(qū)域景觀類型的豐富程度和均勻程度在上升，優(yōu)勢景觀在下降，破碎度增加，說明對區(qū)域生態(tài)起調(diào)節(jié)作用的主要景觀類型對區(qū)域的生態(tài)調(diào)節(jié)作用減弱。

表3 研究區(qū)域景觀格局動態(tài)變化

3．2．2 類型水平上格局動態(tài)分析

（1）景觀分維數(shù)分析。分維數(shù)值界于1～2之間，趨于l，斑塊形狀越有規(guī)律，表明受干擾的程度越大。由圖1可以看出，城鎮(zhèn)村及工礦交通用地、水域及水利設(shè)施用地的平均分維數(shù)較高，在1．5以上，表明這兩類斑塊形狀較為復(fù)雜。其中，水域及水利設(shè)施用地的平均分維數(shù)最大（1．715 9），反映其形狀最復(fù)雜、最不規(guī)則，表明它是受人類活動影響最小的地類。耕地、林地、草地平均分維數(shù)分別為1．317 6，1．398 1，1．368 9，形狀相對規(guī)則，表明受人類活動影響較大。分維數(shù)變化最大的景觀類型是人為影響林地，從1987年的1．271 9增加到2007年的1．524 3，由此可以看出人為影響林地斑塊形狀逐漸趨向復(fù)雜化，受人為活動的影響較多，存在一定的環(huán)境問題，景觀類型不穩(wěn)定，并且比較容易造成水土流失。耕地、草地的斑塊分維數(shù)也有較大范圍的變化，但是都沒有人為影響林地變化的幅度大，表明耕地、草地的平均斑塊形狀也在逐漸發(fā)生變化。城鎮(zhèn)村及工礦交通用地是人類活動的集中地，受人類活動干擾最強，其形狀趨于規(guī)則的矩形，大致沿交通線兩側(cè)平行于交通線延伸，其平均分維數(shù)較大。

圖1 不同時期各景觀要素類型格局指數(shù)動態(tài)

（2）景觀破碎化指數(shù)分析。由圖1可以看出，耕地、林地、草地的平均斑塊密度較高，在0．3以上，表明這幾類景觀破碎化程度較大。研究時間段內(nèi)，各景觀類型斑塊密度指數(shù)均呈上升趨勢，研究區(qū)景觀破碎化程度加劇，表明了總體景觀組織活力較差，景觀與生物多樣性低，景觀格局簡單。1987年耕地斑塊總量為225塊，2007年為935塊，斑塊數(shù)量呈現(xiàn)總體增加的趨勢，耕地、草地斑塊密度增加速度較快，最大斑塊指數(shù)大幅度下降，表明耕地和草地在向建設(shè)用地轉(zhuǎn)化過程中，原有斑塊被分割，破碎度增大。林地斑塊數(shù)量增加745，斑塊密度增大幅度最大，最大斑塊指數(shù)顯著下降，這主要是因為人類毀林開荒等活動的影響，導(dǎo)致斑塊破碎化程度加大。隨著城市化和工業(yè)化的推進，城鎮(zhèn)村及工礦交通用地的斑塊密度呈上升趨勢。水域、未利用土地占流域面積小，且研究時段內(nèi)變化小，均為單一的斑塊數(shù)目。所以水域、未利用土地斑塊密度發(fā)生變化較小，破碎化程度變化也較小。

（3）景觀結(jié)合度指數(shù)分析。從景觀整體來看，斑塊結(jié)合度指數(shù)均比較高，而且差異不是很大，斑塊結(jié)合度指數(shù)以耕地、林地、草地較高，接近99%，說明它們的連通性較好，并且在景觀中占有較大比重，類型間的物質(zhì)和能量遷移比較通暢。但是居民點的斑塊結(jié)合度相對較小，說明居民點由于人類活動的阻塞，使得斑塊之間相對分散，連通性明顯低于其它景觀要素類型。在研究時間段內(nèi)，各景觀類型斑塊結(jié)合度指數(shù)不斷下降，說明景觀斑塊邊緣復(fù)雜程度持續(xù)加大，斑塊分布分散且各景觀之間的相互變化更加頻繁，影響到各類地塊之間物質(zhì)、能量和信息的流通不暢，進而影響到區(qū)域的整個生態(tài)系統(tǒng)。1987年、2007年蒙陰縣未利用土地斑塊平均結(jié)合度指數(shù)最小，說明該類型相對分散，空間連接性相對較小，且發(fā)生較大變化。在大型建成區(qū)特別是城鎮(zhèn)斑塊不斷膨脹和交通道路擴展過程中，吸收和合并的斑塊數(shù)量遠遠大于新增獨立小斑塊的數(shù)量，從而導(dǎo)致城鎮(zhèn)、農(nóng)村居民點及工礦建設(shè)用地斑塊的破碎度下降，平均斑塊面積大幅度增長。

4 結(jié) 論

（1）在時間序列上，20 a間研究區(qū)景觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化，林地、城鎮(zhèn)村及工礦交通用地面積增加，耕地等其他用地面積減少；從變化數(shù)量看，最為顯著的是林地的增加和草地、耕地的減少，從土地利用年變化率來看，未利用土地的年變化率最大，其次是城鎮(zhèn)村及工礦交通用地。在空間序列上，各類土地利用變化在空間上呈現(xiàn)明顯的區(qū)域分異。這種變化以林地、城鎮(zhèn)村及工礦交通用地的大面積增加和耕地等其他用地面積的減少為特征，但各種地類之間有著復(fù)雜的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系。

（2）通過景觀多樣性指數(shù)、結(jié)合度指數(shù)等評價指標表明該區(qū)景觀類型相對來說穩(wěn)定，為該地區(qū)生物類型的穩(wěn)定性創(chuàng)造了良好條件；景觀的分維數(shù)在1．5左右，且呈上升趨勢，表明斑塊形狀逐漸趨向復(fù)雜化，破碎化程度加劇。研究區(qū)耕地、林地和草地這幾種主要的景觀類型之間的破碎化程度增大，結(jié)合度降低，在區(qū)域景觀要素中的優(yōu)勢不明顯，對區(qū)域整個生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用較差，說明區(qū)域的生態(tài)環(huán)境在區(qū)域整體尺度上不利于生態(tài)系統(tǒng)效益的發(fā)揮，區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)脆弱性在加大，并且向惡性方向發(fā)展。

（3）從整體變化的趨勢來看，研究區(qū)景觀類型的變化趨勢不利于區(qū)域的生態(tài)環(huán)境平衡。由于蒙陰縣所在的區(qū)域本身就屬于生態(tài)環(huán)境的脆弱地區(qū)，環(huán)境容量小，加上人為活動的加劇，研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境尤其難以維持其穩(wěn)定態(tài)。加大景觀格局的動態(tài)監(jiān)測可以進一步指導(dǎo)區(qū)域的土地利用規(guī)劃，為其生態(tài)環(huán)境保護提供參考，同時也是城市可持續(xù)發(fā)展的重要技術(shù)支撐。在發(fā)展經(jīng)濟的同時，管理和決策部門應(yīng)該引起高度重視并制定科學(xué)、合理的發(fā)展規(guī)劃，注意保護生態(tài)環(huán)境，走人地和諧、可持續(xù)發(fā)展的道路。

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