近30年吉林市景觀格局變化及氣候效應(yīng)

張 麗，趙丹丹，劉吉平，陳智文，劉家福

吉林師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院，吉林 四平 136000

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近30年吉林市景觀格局變化及氣候效應(yīng)

張 麗，趙丹丹，劉吉平，陳智文，劉家福

吉林師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院，吉林 四平 136000

在ArcGIS、ENVI、Excel和FRAGSTATS軟件支持下，利用景觀指數(shù)中的斑塊數(shù)量、最大斑塊指數(shù)、斑塊密度、周長面積分維數(shù)、聚集度和香農(nóng)多樣性指數(shù)，對1980年、1995年和2010年的吉林市景觀格局進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：近30年間吉林市斑塊數(shù)量、斑塊密度、周長面積分維數(shù)和香農(nóng)多樣性指數(shù)呈先增加后減少的趨勢，聚集度呈先減少后增加的趨勢，最大斑塊指數(shù)逐漸減少；林地景觀面積、草地景觀面積一直在減少，濕地景觀面積呈先增加后減少趨勢，旱田景觀面積逐漸增加。在東北地區(qū)氣候變化背景下，吉林市景觀格局的變化對該區(qū)氣候產(chǎn)生了一定的影響，使該區(qū)氣溫上升、降雨量減少。吉林市景觀格局變化與氣溫、降雨量變化的空間分布格局有較好的對應(yīng)關(guān)系。

景觀格局；景觀指數(shù)；氣候效應(yīng)；吉林市

0 引言

景觀格局是由自然或人為形成的一系列大小和形狀各異、排列不同的景觀要素共同作用的結(jié)果，也是一定區(qū)域生態(tài)環(huán)境體系的綜合反映，其嵌塊體的類型、形狀、大小、數(shù)量和空間組合是各種干擾因素相互作用的結(jié)果，同時又影響著該景觀內(nèi)物種的豐富度、分布、種群的生存能力及抗干擾能力，影響到該景觀的生態(tài)過程和邊緣效應(yīng)[1]。通過比較不同時間段的區(qū)域景觀格局指數(shù)，分析景觀格局動態(tài)演變特征與趨勢，從而揭示景觀格局動態(tài)變化過程及其時空規(guī)律，已成為國內(nèi)外學(xué)者普遍采用的研究方法[2-4]。土地利用變化通過土地覆被的變化影響全球、區(qū)域和局地環(huán)境，景觀格局對氣候、生物地球化學(xué)循環(huán)、土地質(zhì)量及陸地-海洋的相互作用等有重要影響[5]。關(guān)于景觀格局變化對氣候影響的重要性國內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了大量研究，但對局部及區(qū)域范圍內(nèi)氣候影響的研究仍然非常有限[6]。景觀格局變化會影響到微觀和中觀的氣候[7]，如：Schneider等[8]對瑞士納沙泰爾湖、穆爾藤湖和比爾湖三湖地區(qū)景觀變化的研究表明，景觀變化對地方和區(qū)域氣候影響較大；劉振等[9]模擬了環(huán)太湖區(qū)域土地利用變化的局地氣候效應(yīng)。因此，研究典型區(qū)域景觀變化的局地尺度氣候效應(yīng)，對更深入系統(tǒng)剖析土地利用變化引起氣候響應(yīng)的物理機制有一定的研究意義。

近30年吉林市的社會經(jīng)濟發(fā)展使土地利用和景觀格局發(fā)生了較大變化，進(jìn)一步影響到該區(qū)的氣候。筆者利用地理信息系統(tǒng)和遙感技術(shù)，結(jié)合景觀指數(shù)模型，對1980——2010年吉林市景觀格局的動態(tài)變化進(jìn)行研究，在此基礎(chǔ)上分析景觀格局變化所產(chǎn)生的氣候效應(yīng)，揭示該地區(qū)的景觀生態(tài)狀況和空間變異特征，為該地區(qū)景觀生態(tài)評價、景觀規(guī)劃與管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

吉林市的地理位置為東經(jīng)125°40′——127°56′，北緯42°31′——44°40′，東接延邊朝鮮族自治州，西臨長春市、四平市，北與黑龍江省哈爾濱市接壤，南與白山市、通化市、遼源市毗鄰。全市總面積27 120 km2。吉林市處于吉林省中部偏東、長白山地向松嫩平原的過渡地帶，地勢由東南向西北逐漸降低。吉林市屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，對其景觀格局變化及氣候效應(yīng)的研究可為生態(tài)優(yōu)化提供參考。

2 數(shù)據(jù)來源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源和景觀分類

在對景觀格局變化的定量分析中，研究區(qū)的景觀分類是其基礎(chǔ)。筆者根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T 21010-2007)[10]和吉林市土地利用數(shù)據(jù)，將吉林市分為以下7個景觀類型：林地、草地、水域、工礦交通居民用地、水田、旱田和濕地。氣象資料來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn)。

通過對吉林市1980、1995和2010年的TM遙感影像進(jìn)行解譯，獲得吉林市3個時期的土地利用圖；利用高分辨率遙感影像進(jìn)行驗證，3期遙感影像的分類精度分別為89.2%、90.3%和91.5%，均能滿足本研究要求。利用ArcGIS軟件將3個時期的土地利用圖轉(zhuǎn)成Grid 數(shù)據(jù)，再運用FRAGSTATS軟件進(jìn)行景觀格局指數(shù)計算。

2.2 研究方法

筆者采用景觀格局指數(shù)比較法，在景觀水平上進(jìn)行景觀指數(shù)的計算，以描述研究區(qū)的整體景觀格局特征。在眾多的景觀指數(shù)中，大部分景觀指數(shù)的景觀格局信息重復(fù)，且單個指數(shù)無法描述整個景觀的特征，這就需要對景觀指數(shù)進(jìn)行篩選，并結(jié)合不同的景觀指數(shù)對景觀格局進(jìn)行分析[11-14]。根據(jù)研究區(qū)域的特征，并參考前人的研究成果[15-17]，選取斑塊數(shù)量、最大斑塊占景觀面積比例、斑塊密度、周長面積分維數(shù)、聚集度、香農(nóng)多樣性指數(shù)6個指數(shù)來表征景觀格局的破碎程度、幾何形狀、空間分布排列特征以及組分。

2.2.1 斑塊數(shù)量與面積指數(shù)

斑塊數(shù)量與面積指數(shù)主要表征景觀格局的破碎程度，包括斑塊數(shù)量、最大斑塊指數(shù)和斑塊密度 3 個指數(shù)。其中：斑塊數(shù)量反映景觀的空間格局，經(jīng)常被用來描述整個景觀的異質(zhì)性；最大斑塊指數(shù)有助于確定景觀的優(yōu)勢類型，其值的變化可以反映人類活動的方向和強弱；斑塊密度表明斑塊類型的破碎度，同時反映景觀空間異質(zhì)性程度[13]。3個指數(shù)的計算公式如下。

斑塊數(shù)量(NP)：

其中：NP>1；N為整個景觀的斑塊總數(shù)。

最大斑塊指數(shù)(LPI)即最大斑塊占景觀面積的比例：

其中：A為景觀的總面積(km2)；aij為斑塊類型i的第j個斑塊的面積(km2)；Ni為景觀中斑塊類型i的總斑塊數(shù)。

斑塊密度(PD)：

其中，PD>0，表示每平方千米的斑塊數(shù)。

2.2.2 斑塊形狀指數(shù)

斑塊形狀指數(shù)主要表征景觀格局的幾何形狀，通過計算某一斑塊形狀與相同面積的圓或正方形之間的偏離程度來測量其形狀復(fù)雜程度[18]。常用的斑塊形狀指數(shù)是周長面積分維數(shù)(PAFRAC)，它可以表示整個景觀和各景觀類型的邊緣褶皺程度，揭示出景觀中各組分的邊界褶皺程度。其計算公式[19]如下：

其中：pij為斑塊類型i第j個斑塊的周長(m)；M為斑塊類型數(shù)。

2.2.3 聚散性指數(shù)

聚散性指數(shù)表征景觀格局的空間分布排列特征，度量同一類型斑塊的聚集程度。聚散性指數(shù)主要包括聚集度、景觀分離度、斑塊內(nèi)聚力指數(shù)等，本文選用聚集度(AI)，其計算公式如下：

其中：gii為基于單倍法的斑塊類型i像元之間的結(jié)點數(shù)；giimax為基于單倍法的斑塊類型i像元之間的最大結(jié)點數(shù)；ki為類型i在整個景觀中所占的比率。AI等于gii的實際值除以該類型最大限度聚集在一起時的gii最大值。當(dāng)同一類型的斑塊最大化地分散時，AI=0；當(dāng)整個景觀僅由一個類型組成時，AI=100。

2.2.4 多樣性指數(shù)

多樣性指數(shù)表征景觀格局組分，選用香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)。該指標(biāo)能反映景觀異質(zhì)性，特別對景觀中各斑塊類型非均衡分布狀況較為敏感[13]，其計算公式如下：

其中：線性回歸系數(shù)a即為氣候傾向率；b為常數(shù)項。

計算每個網(wǎng)格1980——2010年的氣溫、降雨量傾向率，并對氣溫、降雨量傾向率進(jìn)行Kriging插值計算，得出氣溫、降雨量傾向率的空間分布圖，分析景觀格局變化對氣溫和降雨量變化的影響。

3 吉林市景觀格局動態(tài)變化分析

3.1 景觀指數(shù)變化特征

一般來講，通過兩期景觀斑塊平均面積及斑塊數(shù)的比較，可以看出景觀破碎化程度的變化情況。斑塊的密度越大，斑塊越小，景觀破碎程度越高。通過景觀指數(shù)的運算，得出吉林市1980——2010年的景觀水平結(jié)構(gòu)特征數(shù)據(jù)(表1)。

由表1可以看出近30年吉林市的景觀格局變化動態(tài)。1980——2010年，吉林市斑塊數(shù)量和斑塊密度均呈先增加后減少的趨勢。1980——1995年，NP有所增加，增加了37個，平均每年增加2.5個；1995——2010年，NP卻急劇下降，減少了1 598個，平均每年減少106.5個。在這兩個時間段里，PD在前15年略有增加，1995年相對于1980年增加了0.9%；而后15年顯著下降，2010年相對1995年下降了37.3%。斑塊密度越大，斑塊越小，景觀破碎程度越高。在1980——1995年，景觀破碎化程度有所增加，其主要驅(qū)動力是人類活動強度增大，城市化速度加??；而在1995——2010年，該區(qū)注重生態(tài)保護(hù)，減少對林地的開發(fā)，造成景觀破碎程度降低。

表1 景觀水平格局指數(shù)的結(jié)構(gòu)特征

Table 1 Structural characteristics of the landscape level pattern index

年份NPPDLPIPAFRACAISHDI198042430.152656.34101.626365.46751.1231199542800.154055.17281.627565.05711.1596201026820.096549.69061.596870.21991.0386

近30年間，最大斑塊指數(shù)一直呈下降趨勢，1980——1995年緩慢減少，1995——2010年相對前15年下降速度較快。1980——1995年吉林市景觀格局中，最大斑塊類型的優(yōu)勢度緩慢下降，說明其在整個景觀中的地位在下降；而1995——2010年的下降速度變快，顯示出最大斑塊對整個景觀的影響程度進(jìn)一步下降。

圖1 近30年吉林市景觀類型Fig.1 Landscape type in Jilin City during the past 30 years

PAFRAC可以反映出空間實體幾何形狀的不規(guī)則性。PAFRAC的理論范圍值為1.0～2.0：當(dāng)PAFRAC=1.0時，斑塊形狀為歐幾里德正方形；當(dāng)PAFRAC=2.0時，斑塊形狀最為復(fù)雜；PAFRAC越接近1.5，表示景觀越不穩(wěn)定。由表1可知：1980——2010年的PAFRAC都大于1.5，說明吉林市景觀格局比較復(fù)雜，景觀邊緣不規(guī)則；2010年的PAFRAC比較接近 1.6，顯示出景觀結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定狀態(tài)。這是由于受人為因素影響較大所致。

從景觀格局的聚散程度來看，1980——2010年，吉林市聚集度呈先減少后增加的趨勢：1980——1995年AI下降了0.410 4，而1995——2010年卻上升了5.162 8，說明斑塊由聚集向分散分布。

吉林市香農(nóng)多樣性指數(shù)近30年變化為2010年<1980年<1995年。由此可見：1995年比1980年、2010年景觀多樣性程度高，說明當(dāng)年的景觀中各類型面積比較均勻，差別?。欢?010年的SHDI最小，在整個景觀中各景觀類型面積比例差異較大。

3.2 景觀格局動態(tài)分析

為了揭示吉林市1980——2010年景觀格局的變化特征及其氣候效應(yīng)，筆者以生態(tài)學(xué)理論為基礎(chǔ)，運用空間分析方法，分別對1980——1995年、1995——2010年、1980——2010年的景觀格局變化數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，加上這3個時間段的景觀類型圖(圖1)，得出各景觀類型間轉(zhuǎn)化的面積。

由圖1可知，1980——1995年吉林市的林地景觀面積最大，其次是旱田、水田、交通工礦居民用地、水域、草地，面積最小的是濕地景觀。

1980年林地景觀面積略大于1995年，林地景觀大部分轉(zhuǎn)移成旱田景觀。草地景觀面積在這15年間面積略有增加，但是其轉(zhuǎn)移過程中也是轉(zhuǎn)移成了旱田景觀。水域景觀面積大多都轉(zhuǎn)為旱田和水田，但是水田景觀面積的增加幾乎都是由旱田景觀轉(zhuǎn)移過來的。交通工礦居民用地景觀面積略有增加，由旱田景觀轉(zhuǎn)移過來。濕地景觀面積大約增加了 2 倍，其中 1/3 是由旱田景觀轉(zhuǎn)移過來的。總體來看，旱田景觀面積幾乎沒有變化。

1995——2010年，各景觀類型中林地景觀的面積最大，但2010年的林地景觀面積相對1995年有所減少，轉(zhuǎn)移成了旱田景觀。草地景觀已經(jīng)完全消失了，大多轉(zhuǎn)移成林地景觀，少部分轉(zhuǎn)移到旱田景觀。水域景觀也向旱田景觀轉(zhuǎn)移。交通工礦居民用地景觀面積急劇減少，轉(zhuǎn)化成旱田景觀。水田景觀、濕地景觀面積都減少，并向旱田景觀轉(zhuǎn)移。旱田景觀面積大量增加。

圖2 1980——2010年吉林市氣溫、降雨量變化Fig.2 Variation of temperature and rainfall in Jilin City from 1980 to 2010

4 吉林市景觀格局變化的氣候效應(yīng)

土地利用變化通過改變地表反照率、土壤和植被的蒸散發(fā)、溫室氣體和活性痕量氣體的排放、礦物粉塵及生物氣溶膠的收支等途徑對區(qū)域氣候事件的發(fā)生頻率和強度乃至全球氣候產(chǎn)生一系列影響。受影響的氣候因子包括溫度、蒸散發(fā)、云量、降水、氣壓場和風(fēng)場等，氣候變化發(fā)生在不同的空間尺度范圍內(nèi)，按空間尺度的不同可劃分為近地面氣候(微型和局部)、區(qū)域氣候(中尺度)和全球尺度(大尺度)[20]。吉林市的氣候變化應(yīng)屬于局地氣候變化，它是整個東北地區(qū)氣候變化和人類活動所造成的吉林市景觀格局變化共同作用下的結(jié)果，是在全球氣候變化的背景下疊加了吉林市景觀格局變化所產(chǎn)生的效應(yīng)。

據(jù)我國最新的氣候變化國家評估報告顯示：我國的增溫趨勢與北半球大體相同，但各地區(qū)對氣候變暖的響應(yīng)不完全一致[21]，近50年東北地區(qū)增溫幅度最大，達(dá)0.36 ℃/(10 a)，增溫幅度較小的地區(qū)是西南地區(qū)，僅為0.15 ℃/(10 a)[22]。近30年吉林市的氣溫是逐漸上升的(圖2)，大約增加了0.95 ℃，增溫幅度為0.32 ℃/(10 a)。吉林市的氣溫變化規(guī)律和東北地區(qū)變化大體一致，但由于吉林市位于吉林省中東部，地處長白山地向松遼平原過渡帶，植被覆蓋較好，其境內(nèi)松花湖總面積為554 km2，湖區(qū)的水源涵養(yǎng)林和水土保持覆蓋率達(dá)70%以上，這些造成其氣溫增幅小于整個東北的平均增溫幅度。同時吉林市景觀格局變化也對氣溫變化產(chǎn)生一定的影響：吉林市林地、草地景觀逐漸減少，旱田景觀逐漸增加，而林地、草地具有調(diào)節(jié)氣候的作用，林地、草地景觀的減少，旱田景觀的增加會造成氣溫的升高[23]。因此，吉林市林地、草地景觀減少，旱田景觀的增加是導(dǎo)致氣溫上升的因素之一。

近50年我國降雨量變化的區(qū)域差異較明顯，東北地區(qū)呈減少趨勢，主要是由秋季和夏季降雨量減少造成的，而西北地區(qū)和西南地區(qū)呈增加趨勢[21]。同東北地區(qū)一樣，吉林市年降雨量也呈減少趨勢(圖2)，降雨量減少幅度為18.2 mm/(10 a)。降雨量減少的原因一方面受東北地區(qū)乃至中國北方地區(qū)氣候變化作用的結(jié)果，同時受吉林市下墊面變化的影響。景觀格局變化對降雨量有較大影響：張寶雷等[24]研究表明，林地景觀面積減少會導(dǎo)致降雨量下降；李月臣等[25]研究指出土地利用變化是影響降雨量的因素之一。吉林市草地景觀退化，林地景觀面積也在減少，對環(huán)境的影響較大，是導(dǎo)致降雨量下降的原因之一。

吉林市景觀變化具有明顯的區(qū)域差異，會對吉林市的局地氣候變化產(chǎn)生一定的影響。筆者采用氣候傾向率來研究吉林市氣溫和降雨量的變化趨勢，計算1980——2010年的氣溫傾向率、降雨量傾向率，并進(jìn)行Kriging插值，得到氣溫傾向率和降雨量傾向率空間分布圖(圖3)，從氣溫傾向率、降雨量傾向率與各景觀類型變化的相關(guān)關(guān)系角度，分析濕地、林地、草地、旱田變化對氣溫和降雨量變化的影響。

圖3 1980——2010年吉林市氣溫傾向率和降雨量傾向率空間分布Fig.3 Spatial distribution of temperature tendency rate and rainfall tendency rate in Jilin City from 1980 to 2010

對比分析圖1和圖3可以看出，吉林市景觀格局變化與氣溫、降雨量傾向率空間分布格局有較好的對應(yīng)關(guān)系。研究區(qū)的北部和東部地區(qū)氣溫傾向率較大，氣溫上升幅度較高，而降雨量傾向率較小，降雨量下降幅度較大；這主要是由于該區(qū)域農(nóng)田大面積增加，林地景觀、草地景觀大面積減少所造成的。吉林市西南部氣溫上升幅度較小，而降雨量下降較少，是由于該區(qū)景觀變化較小造成的。

本文研究的結(jié)果表明景觀變化對于局地氣候變化具有一定的作用，但景觀變化對地表輻射能量收支與平衡、地表水文循環(huán)和局部大氣環(huán)流的影響是相當(dāng)復(fù)雜的過程，相關(guān)的過程和機制還需做更深入的分析研究。

5 結(jié)論

1)1980——2010年，吉林市的景觀格局發(fā)生了明顯變化，吉林市斑塊數(shù)量、斑塊密度、周長面積分維數(shù)和香農(nóng)多樣性指數(shù)呈先增加后減少的趨勢，聚集度呈先減少后增加趨勢，最大斑塊指數(shù)逐漸減少。

2)林地景觀面積最大，受人類活動的影響，1980——2010年林地面積逐漸減少，農(nóng)田面積逐漸增加，林地面積喪失和農(nóng)田面積增加的區(qū)域主要發(fā)生在研究區(qū)的北部和東部。

3)在整個東北地區(qū)氣候變化和人類活動所造成的吉林市景觀格局變化共同作用下，吉林市氣候發(fā)生了明顯變化，氣溫逐漸上升，增溫幅度為0.32 ℃/(10 a)，降雨量逐漸減少，減少幅度為18.2 mm/(10 a)，吉林市景觀格局變化與氣溫、降雨量變化的空間分布格局有較好的對應(yīng)關(guān)系。

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The Change of Landscape Pattern in Jilin City and Its Effects on the Climate During the Past 30 Years

Zhang Li, Zhao Dandan, Liu Jiping, Chen Zhiwen, Liu Jiafu

CollegeofTouristandGeoscience,JilinNormalUniversity,Siping136000,Jilin,China

To analyze the landscape pattern of Jilin City in 1980, 1995 and 2010, the number of patches, patch density, the largest patch index, perimeter-area fractal dimension, aggregation index and Shannon diversity index were used by employing ArcGIS, ENVI, Excel and FRAGSTATS platforms. The results showed that the number of patches, patch density, perimeter-area fractal dimension, and Shannon diversity index increased first and then decreased, aggregation index decreased first and then increased，and the largest patch index was increased during the past thirty years in Jilin City. The areas of forest and grassland landscape had been reduced during the whole term, the area of wetland had increased first but reduced afterwards, and the area of dry landscape had expanded. Under the background of climate changing in the Northeast China, the changing of landscape pattern should have a certain effect on the climate of Jilin City. In this area, temperature increased and rainfall decreased. This study provides a scientific basis for the regional landscape ecological evaluation, landscape planning and management. A good relationship was found between the changing of landscape pattern and the spatial distribution patterns of the temperature and rainfall of Jilin City.

landscape pattern; landscape index; climatic effects; Jilin City

10.13278/j.cnki.jjuese.201501209.

2014-04-10

國家科技支撐計劃項目(2013BAD07B02)；吉林省科技廳項目(20130101097JC，201215224)；吉林省教育廳項目(吉教科合字2013第201號)

張麗(1976——)，女，滿族，副教授，博士，主要從事遙感技術(shù)與土地利用研究，E-mail:zli_76@163.com

劉吉平(1972——)，男，教授，博士，主要從事資源與環(huán)境信息系統(tǒng)研究，E-mail:liujpjl@163.com。

10.13278/j.cnki.jjuese.201501209

Q149

A

張麗，趙丹丹，劉吉平，等. 近30年吉林市景觀格局變化及氣候效應(yīng).吉林大學(xué)學(xué)報:地球科學(xué)版,2015,45(1):265-272.

Zhang Li, Zhao Dandan, Liu Jiping, et al. The Change of Landscape Pattern in Jilin City and Its Effects on the Climate During the Past 30 Years.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2015,45(1):265-272.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201501209.