糧食主產區(qū)景觀格局變化及生態(tài)環(huán)境響應

劉慶亞 張麗琴 程子瑞

摘要：以中部糧食主產區(qū)湖北省鄂州市1991、2012年土地利用調查變更數(shù)據(jù)為基礎，根據(jù)土地利用方式對鄂州整體景觀重分類，分為耕地、林地、建設用地、養(yǎng)殖水面、水體和其他用地6類。通過Fragstats軟件計算景觀格局指數(shù)，從斑塊類型水平和景觀類型水平分析鄂州景觀數(shù)量和空間格局變化，以此建立生態(tài)危險評價模型來對生態(tài)環(huán)境進行響應。根據(jù)地統(tǒng)計分析中半變異函數(shù)擬合和克里金插值分析生態(tài)環(huán)境變化。1991-2012年，耕地和其他用地面積減少，破碎度增加；水體面積減少，破碎度減少；林地、建設用地和養(yǎng)殖水面面積增加，破碎度減少。鄂州城市整體各景觀類型呈均衡趨勢發(fā)展，景觀多樣性增加，景觀格局趨于破碎化分布，但耕地大面積減少，導致植被覆蓋降低，土壤侵蝕嚴重，生態(tài)環(huán)境惡化。

關鍵詞：景觀類型；景觀格局變化；生態(tài)風險；糧食主產區(qū)；鄂州市

中圖分類號：F301.2 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）11-2787-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.11.059

Landscape Pattern Change and Ecological Environment Response in Main Grain Producing Area——A Case Study on Ezhou City in Hubei Province

LIU Qing-ya， ZHANG Li-qin， CHENG Zi-rui

（School of public administration， China University of Geosciences， Wuhan 430070， China）

Abstract： Based on the change data of land use survey in both 1999 and 2012 in Ezhou city， the main grain producing area in the central region， this paper reclassified the overall landscape of Ezhou according to the ways of land use， which was divided into cultivated land， forest land， construction land， aquaculture area， and the changes of the landscape quantity and the spatial pattern in Ezhou were analyzed by the level of patch types and landscape types， so as to establish the ecological risk assessment model for the response to the ecological environment. According to the semivariogram fitting and Kriging interpolation in land statistical analysis， the ecological environment changes were analyzed. From 1991 to 2012， the area of cultivated land and other lands decreased with the increase of fragmentation； the water area decreased with the decrease of fragmentation； the area of forest land， construction land and aquaculture area increased with the decrease of fragmentation. The whole landscape types in Ezhou city developed in a balanced trend， with the increase of landscape diversity and the fragmented distribution of landscapes， but the cultivated land area decreased， resulting in the decrease in vegetation coverage， severe soil erosion and deterioration of ecological environment.

Key words： landscape type； landscape pattern change； ecological risk； main grain producing area；Ezhou city

區(qū)域土地利用變化是全球變化研究的重點領域[1]，人類的各種社會經(jīng)濟活動行為對土地利用的變化和景觀格局變化產生重要影響，進而影響到生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能。景觀格局變化及其生態(tài)環(huán)境效應已經(jīng)成為景觀生態(tài)學研究的熱點之一[2，3]。景觀的穩(wěn)定性直接影響土地資源的可持續(xù)利用[4，5]。景觀的空間格局是若干生態(tài)過程與非生態(tài)過程長期作用的產物，景觀的空間結構影響著干擾的擴散和能量的轉移，尤其是景觀中某些具戰(zhàn)略性的結構退化或破壞將對整個區(qū)域生態(tài)環(huán)境產生致命的影響[6]。景觀格局影響生態(tài)學過程（種群動態(tài)、動物行為、生物多樣性、生態(tài)生理和生態(tài)系統(tǒng)過程等）。基于景觀結構進行土地利用生態(tài)風險分析，可以綜合評估各種潛在生態(tài)影響類型及其累積性后果。景觀格局中沿某一方向的高度自相關可能預示某種生態(tài)學過程在起著重要作用[7]。掌握景觀格局、組成要素相互作用以及功能的變化特征和演替規(guī)律，可以快速、準確地了解區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)結構與功能的變化。本研究以湖北省鄂州市為例，城市化、工業(yè)化進程的加快使鄂州市景觀格局變化十分劇烈。鄂州市作為糧食主產區(qū)大省湖北的一個重要糧食產地，景觀變化尤其是耕地類型變化關系著糧食安全和生態(tài)安全。以鄂州市為研究對象，通過景觀變化分析和生態(tài)環(huán)境響應可以為糧食主產區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

鄂州市位于湖北省東部，長江中游南岸，是湖北省省轄市之一，面積1 596 km2，屬于丘陵、濱湖地區(qū)，下轄鄂城、梁子湖、華容3區(qū)。鄂州市土壤肥沃，氣候適宜，構成各種類型生態(tài)環(huán)境，有利于各種植物的生長，是我國主要的糧食產區(qū)之一。截至2012年末，鄂州市常住人口105.35萬人，城鎮(zhèn)化率62.09%，居湖北省第二位。2004-2012年，鄂州市緊靠武漢城市圈中心，依靠優(yōu)越的交通條件和資源優(yōu)勢，經(jīng)濟社會高速發(fā)展，景觀變化劇烈，生態(tài)環(huán)境響應顯著。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及預處理

本研究所采用的基礎數(shù)據(jù)主要來自于1991年土地調查數(shù)據(jù)和2012年土地更新數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)調查方法均為遙感影像解譯和實地詳查相結合，以保證數(shù)據(jù)精確。將1991年土地調查數(shù)據(jù)通過控制點進行坐標轉換，使數(shù)據(jù)坐標保持一致，并通過Arcgis將行政區(qū)范圍調整一致。土地利用分類參照國土資源部制定的土地利用現(xiàn)狀分類國家標準（GB/T21010-2007），將1991年不同土地分類標準統(tǒng)一為國家標準，結合鄂州市土地利用特點及覆被特征，將養(yǎng)殖水面從水域及水利設施用地中單獨劃分出來，將水利設施用地、交通運輸用地和城鎮(zhèn)村及工礦用地合并為建設用地，水域及水利設施用地扣除養(yǎng)殖水面和水利設施用地后的用地部分為水體，園地、牧草地數(shù)量較少，合并到其他土地中，耕地和林地保持不變。

2.2 研究方法

本研究從景觀格局視角從斑塊類型和景觀類型分析景觀類型數(shù)量和空間格局變化，通過構建生態(tài)風險指數(shù)反映生態(tài)環(huán)境變化，并通過地統(tǒng)計半變異函數(shù)擬合和克里金插值得到生態(tài)風險分布圖，分析了鄂州市1991-2012年景觀變化及生態(tài)環(huán)境響應。

2.2.1 景觀格局變化 景觀格局變化主要從斑塊類型水平和景觀類型水平2個層次分析，斑塊類型層次選取景觀類型數(shù)量變化和景觀類型空間結構變化分析。其中以斑塊類型面積和所占景觀面積比對景觀類型數(shù)量變化進行分析?？臻g結構變化則選取能夠較全面反映景觀空間格局的斑塊密度、平均斑塊分維數(shù)、平均斑塊形狀指數(shù)進行分析。景觀類型層次則選取能代表景觀敏感性和空間異質性的景觀分維數(shù)、香農多樣性、景觀均勻度、景觀斑塊密度、景觀蔓延度指數(shù)。

2.2.2 生態(tài)風險模型構建 生態(tài)環(huán)境響應通過構建生態(tài)風險模型，通過生態(tài)風險系數(shù)表達。景觀生態(tài)環(huán)境響應主要體現(xiàn)在景觀受人為及自然影響所表現(xiàn)出的抗干擾能力及其景觀易損性。景觀抗干擾能力主要表現(xiàn)在景觀結構上，選取盡可能全面表達景觀結構的景觀破碎度、景觀分離度、景觀分維數(shù)指數(shù)，通過指數(shù)間加權疊加表達。一般情況下，處于初級演替階段、食物鏈結構簡單、生物多樣性指數(shù)小的生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱[8]。結合鄂州市土地現(xiàn)狀，脆弱度由低到高依次為建設用地1、林地2、耕地3、養(yǎng)殖水面4、水體5、其他用地6，并對數(shù)值進行歸一化處理，歸一化取值空間為[0.1，0.9]。生態(tài)風險系數(shù)計算方法如下：

景觀破碎度：Ci=Ai /Ni （1）

景觀分離度：Ii=■■/2■ （2）

景觀分維數(shù)：Fi=2In■/In（Ai） （3）

景觀干擾度：Ei=a×Ci+b×Ii+c×Fi其中a+b+c=1（4）

生態(tài)風險系數(shù)：EVI=■■Ei×Gi （5）

式中，Ni為景觀類型i的斑塊個數(shù)；Ai為景觀類型i的面積；Li為斑塊i的周長，EVI為區(qū)域生態(tài)風險綜合指數(shù)；n為生態(tài)小區(qū)內景觀類型數(shù)量；Dki為第k個生態(tài)小區(qū)i類景觀組分的面積；Dk為第k個小區(qū)的總面積；Gi為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)脆弱性指數(shù)。

2.2.3 空間分析方法 地統(tǒng)計學不僅可以研究空間分布數(shù)據(jù)的結構性和隨機性、空間相關性和依賴性、空間格局與變異，還可以對空間數(shù)據(jù)進行最優(yōu)無偏內插，以及模擬空間數(shù)據(jù)的離散性及波動性?？臻g異質性是景觀重要屬性，以半變異函數(shù)研究空間變量的隨機性和相關性，通過變異函數(shù)的主要參數(shù)塊金值、基臺值、變程來表達空間異質性的特征，并對空間分布進行擬合。半變異函數(shù)公式如下：

r（h）=■■Z（x■）■-Z（x■+h）■

式中，r（h）為半變異函數(shù)，N（h）為樣本對數(shù)，z（xi）、z（xi+h）為空間屬性z在xi、xi+h點的樣本值。通過克里金插值法編制生態(tài)風險分布圖，直觀描述景觀生態(tài)環(huán)境響應。

3 結果與分析

3.1 景觀格局變化分析

以1991年和2012年鄂州市土地調查數(shù)據(jù)為底圖，通過Arcgis10.0將矢量數(shù)據(jù)轉換為柵格數(shù)據(jù)，并選取景觀格局指數(shù)對1991-2012年景觀格局變化進行分析。本研究以10 m為間距逐級遞增，研究柵格尺寸30～100 m的空間粒度變化過程中研究區(qū)景觀格局的變化，最終選定景觀格局指數(shù)變化顯著的50 m的柵格尺寸（圖1）。

3.1.1 景觀斑塊類型動態(tài)變化分析

1）景觀類型數(shù)量變化。景觀格局變化首先反映各種景觀類型組成結構的變化，結構的變化可以反映景觀格局的演變。圖1和表1表明，鄂州市1991-2012年，耕地面積大幅度減少，由原來的87 575.00 hm2減少到61 975.75 hm2，耕地景觀用地比例減少16.12%，大量耕地被建設用地所占；林地面積增加5 233.50 hm2，景觀用地比例增加3.29%；建設用地增加突出，面積增加12 223.25 hm2，景觀用地比例增加7.69%；養(yǎng)殖水面面積增加14 262.75 hm2，鄂州市因地制宜發(fā)展特色農業(yè)，大量耕地及水體被改為精養(yǎng)魚塘，導致養(yǎng)殖水面大量增加；水體及其他用地呈減少趨勢。

2）景觀類型空間格局變化。斑塊密度是表征景觀破碎度的景觀指數(shù)，斑塊密度越大表明其破碎度越高。表1表明，1991-2012年，養(yǎng)殖水面斑塊密度最大，說明養(yǎng)殖水面分布廣泛，破碎度高，其次是建設用地和林地，三者斑塊密度2012年較1991年都有不同幅度的下降，說明經(jīng)過人為因素的影響，景觀類型破碎度降低，集約程度增強。耕地和其他用地斑塊密度增加，斑塊破碎度變大。水體斑塊密度變化呈微小幅度減少。

斑塊分維數(shù)在一定程度上也反映了人類活動對景觀格局的影響。景觀分維數(shù)指數(shù)取值范圍為1～2。分維數(shù)越接近2，形狀越復雜；越接近1，形狀越趨于簡單，說明邊界越規(guī)則，受人為影響越大。表1結果表明，所有斑塊類型分維數(shù)都趨近于1，差異性不大，說明景觀格局受人類活動干擾影響較大。耕地、林地、建設用地、養(yǎng)殖水面、水體平均斑塊分維數(shù)都增加，說明斑塊邊界形狀的復雜性在逐漸變大，而其他用地平均斑塊分維數(shù)減少，說明其他用地邊界形狀規(guī)則化加強。耕地平均斑塊分維數(shù)變化最大，說明耕地受環(huán)境影響明顯。

斑塊形狀指數(shù)能夠衡量斑塊聚集的程度，其值越大各斑塊之間表現(xiàn)得就越分離。表2表明，1991-2012年，耕地和其他用地平均斑塊形狀指數(shù)由76.26、60.89增加到94.35、67.84，說明耕地和其他用地趨于分離，而其他景觀斑塊類型斑塊形狀指數(shù)都表現(xiàn)出下降的趨勢，說明林地、建設用地、養(yǎng)殖水面、水體都變得更加集中、連片，同時形狀也變得相對規(guī)則。斑塊m形狀指數(shù)耕地>建設用地>養(yǎng)殖水面>其他用地>林地>水體，說明耕地和建設用地分布最分離，養(yǎng)殖水面、其他用地、林地次之，水體分布聚集。

3.1.2 景觀類型水平分析 鄂州市景觀類型景觀指數(shù)計算結果如表2所示，由表2可知，1991-2012年，鄂州市總體景觀分維數(shù)小幅度增加，但整體趨近于1，斑塊邊界規(guī)則，人為影響較大；香農多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)增加，說明鄂州景觀多樣性增加，均衡趨勢增加，優(yōu)勢景觀類型減弱；景觀斑塊密度降低，說明景觀破碎化程度降低，人為活動影響促進景觀類型用地分布集中連片；蔓延度指數(shù)是描述景觀中不同斑塊類型的集聚程度的，蔓延度指數(shù)由45.15下降到35.89，景觀聚集程度降低；景觀形狀指數(shù)整體呈增加趨勢，同樣表明景觀聚集程度降低。

綜上所述，鄂州市景觀空間格局1991年與2012年相比，原分布較不均衡的景觀類型開始向某幾類集中，尤其是建設用地迅速增加，各景觀類型呈均衡趨勢發(fā)展，且各景觀類型邊緣呈現(xiàn)不規(guī)則化，原較單一的成片分布模式被打亂，各景觀類型相互穿插鑲嵌，景觀多樣性增加，景觀格局趨于破碎化分布，因此鄂州市景觀生態(tài)的穩(wěn)定性2012年低于1991年。

3.2 景觀生態(tài)風險評價

結合研究并考慮鄂州市實際情況，采用專家打分法，三輪打分，分別給景觀破碎度、景觀分離度、景觀分維數(shù)賦予相應權重，權重分別為0.475、0.312、0.213。本研究通過等間距系統(tǒng)采樣法將研究區(qū)劃分為2 km×2 km的采樣單元網(wǎng)格，對景觀綜合風險指數(shù)進行空間化，共得到430個樣區(qū)。根據(jù)表3、公式（5）計算每個樣區(qū)的生態(tài)風險指數(shù)，并將綜合生態(tài)風險值作為采樣網(wǎng)格中心點的生態(tài)風險值。

通過地統(tǒng)計學分析綜合生態(tài)風險的空間分布，通過采樣中心點數(shù)據(jù)分析得到半變異函數(shù)，由于球狀模型擬合結果比較理想，以此進行半變異函數(shù)的擬合。空間異質性主要由隨機部分和自相關部分組成，主要指標有塊金值、基臺值、變程。塊金值表示隨機部分的空間異質性，2012年塊金值是1991年塊金值的15倍，表明較小尺度上的某種過程不可忽視，說明影響風險指數(shù)的空間分布還存在著小尺度結構的作用因素。基臺值表示半變異函數(shù)從塊金值達到相對穩(wěn)定的常數(shù)時，該常數(shù)值稱為基臺值。它表示空間分布的均勻性與異質性。1991年基臺值較小，生態(tài)風險強度分布比較均勻，差異較小。與1991年相比，2012年基臺值明顯增加，空間分布發(fā)生變化，風險強度明顯提高，空間分布差異變大。變程可用來表達空間異質性。變程是指變異函數(shù)達到基臺值所對應的距離，它表明各要素的空間自相關尺度，當取樣距離大于這個尺度時，各要素是隨機的。在此尺度之內，各要素的空間分布是自相關的，其主要的生態(tài)學功能、過程與格局都與該尺度有關。1991年與2012年相比，變程由6.978 km減少至2.517 km，說明大規(guī)模人為景觀改造活動，使景觀破碎加劇，景觀形成差異變大，導致生態(tài)風險指數(shù)空間相關距離減?。ū?）。

圖2是半變異函數(shù)擬合，并通過克里金插值得到的空間生態(tài)風險分布圖。根據(jù)生態(tài)風險指數(shù)由低到高將研究區(qū)分為五個級別：低風險、一般風險、中風險、較高風險、高風險。兩期生態(tài)風險圖顯示：1991-2012年，由于人口增長，城鎮(zhèn)化進程加快等原因，景觀格局和生態(tài)環(huán)境在不同程度上發(fā)生變化。1991年研究區(qū)用地主要分布在低風險、一般風險和中風險區(qū)域，生態(tài)風險級別較低。區(qū)域內低生態(tài)風險的區(qū)域主要位于水體周邊，水體脆弱度比較低，生態(tài)環(huán)境良好；一般生態(tài)風險區(qū)域主要位于耕地和林地分布的區(qū)域，這些區(qū)域內主要是植被覆蓋均勻，生長良好，土壤以黏性土為主，脆弱度比較低，生態(tài)環(huán)境良好，因此，生態(tài)風險比較低。2012年研究區(qū)用地生態(tài)風險級別分布較平均，較高風險和高風險級別區(qū)域明顯增加，整體生態(tài)風險級別提高。區(qū)域內較高風險和高風險區(qū)域主要分布在三區(qū)交界處，大量的耕地被養(yǎng)殖水面占用，植被覆蓋度低，脆弱度變高，極易發(fā)生風蝕，生態(tài)環(huán)境惡化。1991年與2012年區(qū)域內的生態(tài)風險相比，生態(tài)環(huán)境整體向變差趨勢發(fā)展，究其原因，大量耕地被坑塘水面和建設用地占用，導致植被覆蓋率降低，脆弱度增加。在今后的城市發(fā)展中，應加強對耕地資源的保護，嚴格落實耕地保護政策，對中等、較低和低生態(tài)風險區(qū)要加強建設和保護，保持生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定；對高和較高生態(tài)風險區(qū)應高度重視，通過政策引導人們落實耕地保護，積極改善生態(tài)環(huán)境。

4 小結與展望

從斑塊類型角度看，1991、2012年，鄂州市各類景觀的面積、斑塊數(shù)量和空間結構都發(fā)生了巨大變化，但耕地仍然是景觀基質。耕地景觀面積銳減，破碎度、分離度和分維數(shù)增加；林地、建設用地和養(yǎng)殖水面景觀面積和分維數(shù)增加，破碎度和分離度減少；水體景觀面積和破碎度減少，分維數(shù)和分離度增加；其他用地面積和分維數(shù)減少，破碎度和分離度增加。從景觀類型角度看，1991、2012年鄂州市景觀分維數(shù)、多樣性、均勻度和形狀指數(shù)增加，景觀斑塊密度和蔓延度指數(shù)減小。景觀類型分布均勻，各景觀類型呈均衡趨勢發(fā)展，景觀多樣性增加，景觀格局趨于破碎化分布，但耕地景觀的變化導致大量植被被破壞，植被覆蓋率變低，生態(tài)脆弱度增加，土壤侵蝕加重，整體生態(tài)環(huán)境惡化。

本研究在研究景觀格局變化及生態(tài)環(huán)境響應時，主要集中在景觀格局及結構上，并沒有進行景觀格局和生態(tài)過程的耦合研究，下一步景觀格局與生態(tài)環(huán)境的耦合分析將作為研究重點。

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