重慶主城區(qū)土地利用景觀格局變化分析*

劉 曦，牟鳳云，林孝松，李帥旗

(重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶400074)

土地利用/覆被景觀格局及其變化是自然與人為因素相互作用所產(chǎn)生的一定區(qū)域生態(tài)環(huán)境體系的綜合反映，既是各種干擾因素相互作用的結(jié)果，又影響著地區(qū)的生態(tài)過程和邊緣效應(yīng)。景觀格局的顯著變化，具有3種典型類型:某一種新型的景觀要素變成為基質(zhì)，取代了原來的基質(zhì);幾種景觀要素的景觀比例發(fā)生了變化;一種新型的景觀要素在景觀系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)［1］。

對于研究方法方面，對某一區(qū)域景觀格局的研究，是揭示該地區(qū)土地利用/覆被狀況及空間變異特征的有效手段，不同的土地利用圖斑的類型、大小、形狀、數(shù)量等決定土地利用的空間結(jié)構(gòu)，更蘊含豐富的土地利用時間演變信息。景觀指數(shù)在時間維度上的變化，結(jié)合馬爾柯夫轉(zhuǎn)移矩陣，能較好的闡釋土地利用/覆被的格局和過程［2］。

重慶市改革開放30多年來有著顯著的發(fā)展，尤其是1997年直轄以后，城市規(guī)模更經(jīng)歷了一個飛躍式的擴展。從土地利用景觀格局分析入手，對重慶市主城區(qū)直轄前1993年至直轄后2006，13年間的土地利用景觀結(jié)構(gòu)組成及時空變化進行分析與闡述。

1 研究區(qū)概況

重慶市簡稱渝，地跨東經(jīng)105°17'～110°11'、北緯28°10'～32°l3'，是西南地區(qū)和長江上游最大的經(jīng)濟中心和科技、文化、教育事業(yè)的中心。研究區(qū)域包括重慶主城區(qū)及其周邊部分郊區(qū)，包括:渝中區(qū)、沙坪壩區(qū)全部，北碚區(qū)、渝北區(qū)、江北區(qū)、南岸區(qū)、巴南區(qū)、大渡口區(qū)、九龍坡的主城區(qū)部分，總面積1 612.796 5 km2。重慶主城地區(qū)地形地貌復(fù)雜多樣，以丘陵低山為主，平壩較少。干流主要為長江、嘉陵江［3］。

圖1、圖2為研究區(qū)1993年及2006年土地利用/覆蓋情況(影像解譯圖并非以行政單元為單位)。

圖1 1993年重慶主城區(qū)土地利用

圖2 2006年重慶主城區(qū)土地利用

2 數(shù)據(jù)來源及處理

2.1 數(shù)據(jù)來源

采用兩個時期景觀格局對比分析的方法，相關(guān)數(shù)據(jù)主要來源于1993年、2006年重慶市主城區(qū)土地利用矢量圖。

2.2 景觀類型劃分

參考《第二次全國土地調(diào)查技術(shù)規(guī)程》，采用土地調(diào)查分類系統(tǒng)，將研究的數(shù)據(jù)分為7類，分別為旱地、有林地、灌木林地、建城區(qū)、干流、水田、湖泊。

2.3 數(shù)據(jù)處理流程

(1)依據(jù)《第二次全國土地調(diào)查技術(shù)規(guī)程》，結(jié)合研究區(qū)的實際情況，將研究區(qū)土地利用類型劃分為7種類型，并利用矢量化后的土地利用現(xiàn)狀圖屬性表進行操作，統(tǒng)計景觀總體特征指數(shù);

(2)使用目前國際上流行的景觀格局分析軟件Fragstats 3.3，選擇20 m×20 m柵格單元，并選擇多種景觀格局指數(shù)，就土地利用類型進行景觀格局及其破碎化的計算分析并得出結(jié)論;

(3)利用地理信息系統(tǒng)的空間疊加分析的功能，做出1993－2006年兩個時期重慶主城區(qū)土地利用轉(zhuǎn)換矩陣。

3 景觀格局及其變化分析

選取10個具有代表性的指標作為景觀格局的分析指標，包括斑塊數(shù)量(NP)、斑塊總面積(CA)、多樣性指數(shù)(H)、均勻度指數(shù)(E)、優(yōu)勢度指數(shù)(D)、景觀分離度(F)、分維數(shù)(D)、斑塊密度(PD)、平均斑塊面積(MPS)和破碎度指數(shù)(C)［3］。

3.1 景觀總體情況分析

通過各類景觀斑塊數(shù)量(NP)、各類景觀的面積(CA)、斑塊密度(PD)、平均斑塊面積(MPS)、指標從量上反映重慶市主城區(qū)1993－2006年土地利用景觀的總體情況及其格局變化特征(表1)。

表1 1993－2006年重慶市主城區(qū)土地利用景觀面積變化 km2

3.1.1 斑塊面積及斑塊數(shù)分析

根據(jù)重慶市主城區(qū)1993年、2006年景觀面積分類結(jié)果，對斑塊面積、斑塊數(shù)進行統(tǒng)計。結(jié)果表明，1993年旱地占景觀總面積的百分比是最高的，約占50%，控制著該區(qū)的景觀。1993年至2006年間，灌木林地景觀類型變化幅度最大，總面積由1993年的11 811 km2增加到2006年的61 011 km2，占據(jù)景觀總面積的37%，其次為建城區(qū)景觀面積，1993年至2006年增加了29 874 km2，已占據(jù)景觀總面積的約21%。至2006年灌木林地、建城區(qū)和旱地共同控制該區(qū)景觀。而干流，旱地和水田均呈減少趨勢，尤以旱地最為明顯，達41 016 km2。

而在旱地景觀面積大幅銳減的同時其斑塊數(shù)卻也大幅增加，這說明城市化過程中，大量占用耕地，使得耕地斑塊被打碎。灌木林地與有林地?zé)o論斑塊數(shù)目還是斑塊面積都有較大幅度的增加，這與重慶市林業(yè)部門大力推進植樹造林，退耕還林息息相關(guān)。

3.1.2 斑塊密度分析

斑塊密度和斑塊面積、斑塊數(shù)量共同反映景觀的破碎化程度。斑塊密度越大，表示單位面積上的斑塊數(shù)越多，即破碎化程度越高［4］。1993年至2006年，灌木林地與建城區(qū)斑塊密度增幅最為明顯。經(jīng)濟發(fā)展促使區(qū)域內(nèi)建筑用地比例大幅度增加，斑塊個數(shù)和面積增大，斑塊密度也隨之增大。在人為活動干擾下，旱地與水田都逐漸被開發(fā)出來，從而導(dǎo)致其逐步轉(zhuǎn)化為其他景觀類型，破碎化程度有較大幅度的降低。

3.2 景觀格局變化特征分析

對于景觀格局變化特征，選取景觀分維數(shù)(F)、分離度(D)來反映(表2)。

表2 1993－2006年重慶市主城區(qū)土地利用景觀格局變化 km2

3.2.1 分維度分析

分維度反映景觀中斑塊形狀的復(fù)雜程度，它的取值范圍為(1，2)，當取值為l時，斑塊邊界具有最大的曲折性，當取值為2時，斑塊為圓形，具有最大的核心面積和最小的邊界曲折性，一般分維度越大，斑塊越復(fù)雜［5］。

表2可知1993－2006年，湖泊、有林地、干流分維數(shù)雖呈現(xiàn)上升趨勢，但幅度極小，灌木林地及建城區(qū)無變化，旱地和水田也只呈現(xiàn)小幅下降趨勢，表明研究區(qū)域內(nèi)斑塊形狀的復(fù)雜程度變化不大。且7類景觀的分維數(shù)值在1.071 0～1.110 7之間，相互非常接近，說明這7類景觀類型斑塊均具有較小的核心面積與較大的邊界曲折性，受干擾程度較小，景觀穩(wěn)定性比較高。

3.2.2 分離度分析

對于一種景觀類型而言，其分離度表示該景觀類型被其他景觀類型切斷和分離的程度。如果某種景觀類型的分離度越大則表示該種景觀類型的斑塊分布越分散［6］。

就研究區(qū)域而言，由表2可知，1993－2006年，分離度最大的是湖泊與水田，表明湖泊與水田分布較散。而建城區(qū)分離度呈上升趨勢，表明城市化的發(fā)展，不斷出現(xiàn)新的建城區(qū)用地斑塊。建城區(qū)用地的擴張，必然會占據(jù)大片農(nóng)田，導(dǎo)致旱地景觀的分割，分離度不斷上升。

3.3 景觀異質(zhì)性的描述

選取香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)、優(yōu)勢度指數(shù)(Dominance)、香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)和破碎化指數(shù)(C)這4個指標來反映景觀異質(zhì)性信息(表3)。

表3 1993－2006年重慶市主城區(qū)土地利用景觀異質(zhì)性信息 km2

3.3.1 香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)分析

公式描述:

式(1)中S為景觀類型數(shù)量，Pk為第k類景觀面積占總景觀面積的比重。

生態(tài)意義:SHDI是一種基于信息理論的測量指數(shù)，在生態(tài)學(xué)中應(yīng)用很廣泛。該指標能反映景觀異質(zhì)性，特別對景觀中各拼塊類型非均衡分布狀況較為敏感。SHDI=0表明整個景觀僅由一個拼塊組成;SHDI增大，說明拼塊類型增加或各拼塊類型在景觀中呈均衡化趨勢分布。

由表3可知，研究區(qū)1993－2006年景觀多樣性指數(shù)增加，表明，受人類活動的影響，大斑塊破碎，不同景觀類型的數(shù)量增加，各類用地類型所占比例的差異呈減少趨勢，導(dǎo)致該地區(qū)景觀多樣性增加。

3.3.2 優(yōu)勢度指數(shù)(Dominance)分析

公式描述:

式(2)中S為景觀類型的數(shù)量，Pk為第K類景觀面積占總景觀面積的比重，D為景觀優(yōu)勢度。

生態(tài)意義:優(yōu)勢度指數(shù)用于測度景觀結(jié)構(gòu)中某一種或少數(shù)幾種景觀類型占據(jù)支配地位的程度。D值越大就表示景觀結(jié)構(gòu)受一種或少數(shù)幾種景觀類型支配的程度越大。

由表2可知，研究區(qū)景觀優(yōu)勢度減少，也對應(yīng)了景觀香農(nóng)多樣性增加，且隨著人類活動不斷加劇，也使得整體景觀形狀復(fù)雜程度提高。

3.3.3 香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)分析

公式描述:

式(3)中SHDImax為景觀最大多樣性。

生態(tài)意義:SHEI=0表明景觀僅由一種拼塊組成，無多樣性;SHEI=1表明各拼塊類型均勻分布，有最大多樣性。SHEI值較小時優(yōu)勢度一般較高，可以反映出景觀受到一種或少數(shù)幾種優(yōu)勢拼塊類型所支配;SHEI趨近1時優(yōu)勢度低，說明景觀中沒有明顯的優(yōu)勢類型且各拼塊類型在景觀中均勻分布。

由表2可知，研究區(qū)內(nèi)香農(nóng)均勻度指數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢，均勻度指數(shù)(SHEI)與多樣性指數(shù)(SHDI)趨勢相同，也進一步驗證了各類用地類型所占比例的差異減少這一趨勢。

3.3.4 破碎化指數(shù)(C)分析

公式描述:

式(4)中S為景觀類型的數(shù)量，Nk為第K類景觀類型的斑塊數(shù)，A為景觀總面積，F(xiàn)為景觀破碎度。

生態(tài)意義:破碎度是指景觀被分割的破碎程度，用單位面積內(nèi)的斑塊數(shù)測度，與自然資源的保護密切相關(guān)。景觀的破碎化是由于人為及非人為因素導(dǎo)致的景觀斑塊破碎分離的過程，它影響著景觀的結(jié)構(gòu)、功能和動態(tài)。

由表2可知，1993－2006年研究區(qū)內(nèi)景觀破碎度略有增加，說明了在1993－2006年間人類活動的干擾不斷加強，尤其是建筑用地大量的增加，以及旱地與林地之間相互轉(zhuǎn)化，使得整個研究區(qū)的景觀破碎化程度增大。

4 景觀格局轉(zhuǎn)移分析

土地利用/覆被類型轉(zhuǎn)移矩陣能夠定量說明類型間的相互轉(zhuǎn)化情況，揭示它們之間互相轉(zhuǎn)化的比例和速率等特征。目前廣泛采用的是一種二維矩陣，矩陣中行列元素的含義清晰，具有明確的統(tǒng)計關(guān)系，適合于表達研究時段內(nèi)土地利用/覆被變化情況。轉(zhuǎn)移矩陣不僅可以反映研究初、末期土地利用/覆被類型結(jié)構(gòu)，而且還可以反映研究各土地利用/覆被類型的轉(zhuǎn)移變化情況，便于了解研究初期各土地利用/覆被類型的轉(zhuǎn)移變化情況，便于了解研究初期各土地利用/覆被類型的轉(zhuǎn)出方向和研究末期各土地利用/覆被類型的轉(zhuǎn)入來源與數(shù)量特征［7］。

式(5)中，S代表面積，n代表土地利用類型數(shù)，i，j分別代表研究期初與研究期末的土地利用類型。

表3中，列表示每個初始狀態(tài)類別(即1993年)所包含的面積，行表示每個終止狀態(tài)類別(即2006年)所包含的面積。

表3 1993－2006年重慶市主城區(qū)土地利用的馬爾柯夫轉(zhuǎn)移矩陣 km2

4.1 干流轉(zhuǎn)換分析

干流轉(zhuǎn)換分為轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出兩個部分，1993－2006年間，共有14.25 km2的其他土地轉(zhuǎn)換為干流，其中大多數(shù)轉(zhuǎn)換為旱地，達11.16 km2，而僅有3.03 km2的干流轉(zhuǎn)換為其他用地。

4.2 灌木林地轉(zhuǎn)換分析

灌木林地在1993－2006年間，共轉(zhuǎn)出了423.33 km2，其中僅轉(zhuǎn)換為旱地的面積就達211.33 km2，建城區(qū)為131.18 km2，有林地49.29 km2。而其他景觀轉(zhuǎn)換為灌木林地的面積為232.63 km2，增加的面積也主要由旱地轉(zhuǎn)換而來，為162.76 km2。

4.3 旱地轉(zhuǎn)換分析

旱地與灌木林地之間交互式雙向轉(zhuǎn)換明顯。最大轉(zhuǎn)入景觀與最大轉(zhuǎn)出景觀都為灌木林地。

4.4 湖泊轉(zhuǎn)換分析

湖泊景觀轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出基本平衡，分別為8.29 km2與10.90 km2。轉(zhuǎn)出部分，主要轉(zhuǎn)換為建城區(qū)，達6.27 km2，約占總轉(zhuǎn)出面積的57%，而轉(zhuǎn)入部分，主要由灌木林地轉(zhuǎn)換而來，達4.70 km2，約占總轉(zhuǎn)入面積的56%。

4.5 建成區(qū)轉(zhuǎn)換分析

建成區(qū)面積共轉(zhuǎn)入254.60 km2，轉(zhuǎn)出10.87 km2，呈現(xiàn)出明顯的畸形轉(zhuǎn)換趨勢。其轉(zhuǎn)入來源主要為灌木林地，達131.18 km2，其次為旱地，91.58 km2。而建城區(qū)僅向灌木林地轉(zhuǎn)出了 6.22 km2，旱地1.00 km2。

4.6 水田轉(zhuǎn)換分析

共有24.47 km2的灌木林地和11.33 km2的旱地轉(zhuǎn)換為水田，而1993－2006年水田共向外轉(zhuǎn)出了80.08 km2，其中灌木林地 36.38 km2，旱地 22.40 km2，建城區(qū) 18.95 km2。

4.7 有林地轉(zhuǎn)換分析

研究區(qū)有林地轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出的主要來源都為灌木林地，1993－2006年，有林地共轉(zhuǎn)入了66.22 km2，其中由灌木林地轉(zhuǎn)換而來的面積為49.29 km2，約占總轉(zhuǎn)入面積的74%。共轉(zhuǎn)出了39.53 km2，其中轉(zhuǎn)換為灌木林地的面積為24.10 km2，約占總轉(zhuǎn)出面積的61%。

5 影響因素分析

(1)干流面積的增加主要是由于隨著三峽工程2003年開始蓄水發(fā)電，長江上游的水位不斷增長，位于長江上游的重慶段的干流面積有增長趨勢。

(2)林地面積(包括灌木林地面積與有林地面積)1993－2006年間也主要呈現(xiàn)增長趨勢，這一方面是由于重慶開始轉(zhuǎn)變產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，尤其是把旅游業(yè)作為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，為了創(chuàng)造一個良好的投資、旅游和居住環(huán)境，重慶市不斷通過各種途徑保護和提高植被覆蓋面積，另一方面這也與重慶市積極鼓勵植樹造林，退耕還林，一系列政策的出臺息息相關(guān)。

(3)耕地面積(包括旱地面積與水田面積)1993－2006年間主要呈現(xiàn)銳減趨勢，這主要源于，城市化的急速發(fā)展，建城區(qū)面積的急速增加，而重慶主要以山地丘陵為主，能用于城市建設(shè)的平地不多，使得大量耕地被占用。

(4)湖泊面積1993－2006年間也主要呈現(xiàn)增長趨勢，這主要是源于重慶主城區(qū)在建設(shè)過程中，為保證無水荒之憂，同時也為了提升城市品質(zhì)，把重慶建設(shè)成為西部地區(qū)最宜居城市之一。突出“山城”、“江城”自然風(fēng)貌和歷史文化底蘊，精心打造親近自然、開闊靚麗、具有山地建筑特色和體現(xiàn)重慶歷史文脈的城市景觀，修建了一些水庫、湖泊及濕地公園，增加了市區(qū)的水域面積。

(5)隨著城市迅速擴張，城市化水平的不斷加快，第一產(chǎn)業(yè)比重下降，非農(nóng)業(yè)人口增加，各種建設(shè)項目占用大量林地與耕地，建城區(qū)用地面積越來越大。

6 總結(jié)

采用兩個時期景觀格局對比分析的方法，以1993年、2006年重慶市主城區(qū)土地利用矢量圖作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，利用GIS平臺和FRAGSTATE3.3軟件同時運作的手段，借助于景觀格局、空間分析等對土地利用研究具有代表性的數(shù)學(xué)計算模式，對重慶市主城區(qū)土地利用景觀空間格局做了深入的研究和分析，得結(jié)論:

(1)1993－2006年重慶市主城區(qū)的景觀發(fā)生較大變化，各種景觀類型的面積均有不同程度的增減。區(qū)域內(nèi)的景觀基質(zhì)也發(fā)生了改變，1993年旱地為基質(zhì)，占有約為總面積50%的面積比例，隨著灌木林地，建城區(qū)面積的大幅度增長，而旱地面積的明顯減少，至2006年，旱地、灌木林地和建城區(qū)用地共同控制該區(qū)景觀。

(2)1993－2006年，重慶市主城區(qū)內(nèi)景觀的多樣性及均勻度皆呈現(xiàn)上升趨勢，說明區(qū)域內(nèi)景觀異質(zhì)化程度在增高，土地利用正朝著多樣化、均勻化方向發(fā)展［8］。

(3)1993－2006年隨著城市化進程的不斷加快，人類活動的干擾不斷加強，建城區(qū)用地大幅增加，旱地與灌木林地之間轉(zhuǎn)換頻繁，重慶市主城區(qū)內(nèi)景觀的破碎度增加。

(4)1993－2006年重慶市主城區(qū)各類用地景觀之間的轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出較為頻繁，其中建城區(qū)用地為主要轉(zhuǎn)入者，而灌木林地、旱地與水田為主要轉(zhuǎn)出者，這也是城市化進程中土地利用變化的顯著特征，另一方面也反映了重慶市主城區(qū)存在土地非農(nóng)化問題。

但是，研究也存在許多不足之處，如能在以后的研究中進行多時相數(shù)據(jù)的分析，從而對景觀格局變化進行定量化跟蹤，則分析意義會更明顯。此外，可以結(jié)合相應(yīng)的自然、人口、政策、經(jīng)濟發(fā)展等數(shù)據(jù)深入探討引起土地利用、景觀格局變化的驅(qū)動力機制，并對景觀格局提出一些優(yōu)化措施與建議，有利于使得各景觀要素的數(shù)量及其空間分布合理。

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