農(nóng)地流轉(zhuǎn)項目區(qū)景觀格局粒度效應(yīng)分析——以武勝縣桐子巖村為例

徐亞瓊，吳　勇，莫智斌，丁　琳,白　俊

(1. 西華師范大學(xué) 管理學(xué)院，四川 南充 637000；2.西華師范大學(xué)國土資源學(xué)院，四川 南充 637000；3.浙江大學(xué) 公共管理學(xué)院,浙江 杭州 310000)

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農(nóng)地流轉(zhuǎn)項目區(qū)景觀格局粒度效應(yīng)分析
——以武勝縣桐子巖村為例

徐亞瓊1，吳勇2，莫智斌3，丁琳2,白俊1

(1. 西華師范大學(xué) 管理學(xué)院，四川 南充 637000；2.西華師范大學(xué)國土資源學(xué)院，四川 南充 637000；3.浙江大學(xué) 公共管理學(xué)院,浙江 杭州 310000)

以2015年高分辨率的航拍影像圖為數(shù)據(jù)源，選取常用的景觀指數(shù)，利用GIS和景觀格局分析軟件Fragstas3.4，計算項目區(qū)景觀格局指數(shù)在不同粒度下的指數(shù)值，結(jié)合景觀粒度效應(yīng)圖和信息損失評價法，探索原始信息源和信息在經(jīng)過空間粒度轉(zhuǎn)換后的效應(yīng)與變化.分析在不同空間粒度下相同地物特征的差異，從而探討農(nóng)村土地流轉(zhuǎn)后“可塑性單元問題”，確定項目區(qū)最佳景觀分析粒度值.研究結(jié)果表明：除斑塊面積百分比、平均斑塊形狀指數(shù)對粒度變化的響應(yīng)不敏感外，其他景觀指數(shù)均具有明顯的粒度效應(yīng)，且相關(guān)性低的景觀指數(shù)變化規(guī)律不同.研究結(jié)論：最佳分析粒度能夠有效反映項目區(qū)的景觀格局特征，增加分析結(jié)果的可信度.對桐子巖村1︰10000比例尺下的景觀類型圖進行景觀指數(shù)計算的適宜粒度范圍為4～5 m.

桐子巖村；景觀格局；景觀指數(shù)；粒度效應(yīng)

1988年我國立法史上第一次明確了農(nóng)村土地流轉(zhuǎn)的合法地位[1].2002年起我國農(nóng)村土地進入快速流轉(zhuǎn)階段，至今這一階段仍在進行之中.據(jù)統(tǒng)計，2006年全國農(nóng)村土地流轉(zhuǎn)面積為5551.2萬畝，2009年底，我國農(nóng)村土地承包經(jīng)營權(quán)流轉(zhuǎn)面積達(dá)到1.09億畝.到目前為止，全國農(nóng)村土地流轉(zhuǎn)面積已達(dá)1.5億畝.隨著我國農(nóng)村土地流轉(zhuǎn)由禁止到允許，流轉(zhuǎn)方式多樣化，流轉(zhuǎn)區(qū)域和范圍逐漸擴大化，流轉(zhuǎn)過程中涉及地塊規(guī)模、形狀、排灌溝渠，道路的相應(yīng)調(diào)整，改變了景觀中的斑塊和廊道等景觀要素特征及其空間分布，必然對景觀效應(yīng)和生態(tài)過程產(chǎn)生影響[2].

景觀格局分析是研究景觀結(jié)構(gòu)的組成特征和空間配置的一門學(xué)科，景觀指數(shù)以高度濃縮景觀格局的信息，定量化地反映景觀結(jié)構(gòu)和空間配置特征，在景觀生態(tài)學(xué)中被廣泛應(yīng)用[3～8].但景觀指數(shù)具有尺度依賴性[9～12]，即同一景觀指數(shù)在不同尺度下的數(shù)值是不同的，并且不同的景觀指數(shù)對于尺度變化的效應(yīng)也是不同的.在景觀生態(tài)學(xué)中尺度又可用粒度或幅度來描述，而粒度又可分為空間粒度或時間粒度，空間粒度主要指研究對象的空間范圍，即研究區(qū)；時間粒度主要指某一事件或現(xiàn)象發(fā)生的概率或時間的間隔[13].因大部分景觀指數(shù)統(tǒng)計軟件以柵格數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，造成景觀指數(shù)計算結(jié)果隨柵格像元(粒度)的變化而有所不同，從而影響景觀格局分析的準(zhǔn)確性.因而，選擇景觀指數(shù)進行景觀效應(yīng)的分析時選取合適的景觀粒度對分析結(jié)果的可信度起著十分重要的作用.

最佳景觀分析粒度一方面能夠有效反映研究區(qū)域的景觀格局特征，另一方面使數(shù)據(jù)采樣后有效的信息丟失最少.其選取的方法包括定性和定量兩種方法，定性方法是通過景觀格局指數(shù)粒度效應(yīng)圖中的拐點進行分析選取最佳的分析粒度；定量分析中包括信息損失評價法[14，13]、矩陣和Logistic-CA-Markov分析法[16]、統(tǒng)計分析法[17]、分維分析法[18]等.文章利用定性和定量方法相結(jié)合的優(yōu)勢，以武勝縣桐子巖村土地流轉(zhuǎn)項目區(qū)為研究對象，2015高分辨率的航拍影像圖為數(shù)據(jù)源，選取常用的景觀指數(shù)，計算項目區(qū)景觀格局指數(shù)在不同粒度下的粒度值，結(jié)合景觀粒度效應(yīng)圖和信息損失評價法，探索原始信息源和信息在經(jīng)過空間粒度轉(zhuǎn)換后的效應(yīng)與變化，分析在不同空間粒度下相同地物特征的差異，從而探討農(nóng)村土地流轉(zhuǎn)后“可塑性單元問題”，確定項目區(qū)最佳景觀分析粒度值.為相應(yīng)研究中的尺度推繹與轉(zhuǎn)換的理論方法體系奠定一定的基礎(chǔ)，區(qū)域農(nóng)村土地流轉(zhuǎn)景觀格局變化的研究積累一定的經(jīng)驗.

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

武勝縣介于東經(jīng)105°56′39〃～106°26′50〃，北緯30°10′46〃～30°32′36〃之間，海拔372.24 米，四川省東部，嘉陵江中下游，面積960平方公里，轄三溪、飛龍、樂善等15鎮(zhèn)，桐子巖、石盤、八一等16鄉(xiāng).處川渝兩省市結(jié)合部，與南充、遂寧、合川三市交界，扼川東川南進出之咽喉.本區(qū)屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，四季分明，雨量充沛，日照充足，年平均氣溫17.6 oC，年平均降雨量1 046毫米.桐子巖村位于武勝縣東北部，以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主且農(nóng)業(yè)主產(chǎn)水稻、小麥、玉米、紅薯.常駐人口1 360人.自2003年以來，村民在鄉(xiāng)鎮(zhèn)組織的帶領(lǐng)下，土地流轉(zhuǎn)方式優(yōu)化和利用效率得以提升，區(qū)域社會、經(jīng)濟和各項事業(yè)得到發(fā)展，農(nóng)民人均可支配收入達(dá)到2 180元.

1.2數(shù)據(jù)來源與處理

土地流轉(zhuǎn)后的原始數(shù)據(jù)源為武勝縣桐子巖村2015年度高分辨率航拍影像.經(jīng)過輻射糾正、幾何校正，參考1︰10000地形數(shù)據(jù)，桐子巖村土地利用類型分布圖、林相分布圖、野外GPS采點數(shù)據(jù)和相關(guān)部門收集獲取的自然、社會、經(jīng)濟等基礎(chǔ)資料,以土地用途、分布特征和利用方式為主要分類依據(jù)，根據(jù)地表景觀特征建立土地利用解譯標(biāo)志，采用人機交互模式解譯出2015年的土地利用分布數(shù)據(jù)，并對分類的數(shù)據(jù)進行矢量化.通過編輯處理，創(chuàng)建拓?fù)潢P(guān)系，建立桐子巖村土地利用數(shù)據(jù)庫.

桐子巖村流轉(zhuǎn)前土地利用景觀類型圖　　　　　　桐子巖村流轉(zhuǎn)后土地利用景觀類型圖

參照《第二次全國土地調(diào)查土地分類》(GB/T21010-2007)土地利用分類方法,結(jié)合研究區(qū)的實際情況，將研究區(qū)的土地利用類型劃分為耕地、有林地、水域、建設(shè)用地、其他類型.由于水田和旱地變化顯著，故把耕地二級土地利用水田和旱地進行了進一步描述.

1.3粒度與景觀指數(shù)選取

在對桐子巖村景觀類型進行劃分的基礎(chǔ)上，對照上述土地利用現(xiàn)狀圖，結(jié)合野外調(diào)查的數(shù)據(jù)，使用MapGis軟件對1︰10000土地利用現(xiàn)狀圖中的區(qū)文件進行各景觀單元的合并、分割，由于研究區(qū)面積較小，所以采用的粒度大小為1～40 m，即1、2、4、5、7、10、15、20、25、30、35、40 m，然后用Fragstas3.4軟件計算景觀格局指數(shù).

景觀指數(shù)包含斑塊水平指數(shù)、斑塊類型水平指數(shù)、斑塊景觀水平指數(shù).由于斑塊水平指數(shù)對區(qū)域景觀的結(jié)構(gòu)不具有較大的解釋價值[19]，因而，本文結(jié)合斑塊類型水平指數(shù)和景觀水平指數(shù)來分析研究區(qū)景觀空間分布格局.由于景觀指數(shù)繁多且存在重復(fù)性，根據(jù)研究需要和前人的研究[20～23]，文章在類型水平上，從斑塊的面積、連通性、形狀和分布特征等方面選取斑塊面積百分比(PLAND)、平均斑塊形狀(SHAPE-MN)、凝聚度指數(shù)(COHESION)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、分離度指數(shù)((DIVISION)和聚集度指數(shù)(CLUMPY)共6個指標(biāo).在景觀水平上，從面積、形狀、多樣性、分布狀態(tài)等方面，選取了蔓延度指數(shù)(CONTAG)、平均斑塊形狀指數(shù)(MSI)、凝聚度指數(shù)(COHESION)、分離度指數(shù)(SPLIT)、香濃多樣性指數(shù)(SHDI)和香濃均勻度指數(shù)(SHEI)、斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(shù)(LPI)共8個指標(biāo)研究桐子巖村土地流轉(zhuǎn)后景觀指數(shù)的粒度效應(yīng).各景觀指數(shù)的計算公式和含義可見相關(guān)參考文獻[24，25].

圖2　土地利用類型景觀指數(shù)的粒度效應(yīng)

2　結(jié)果和分析

2.1斑塊類型水平上景觀指數(shù)的粒度效應(yīng)

如圖2所示，當(dāng)粒度由1區(qū)性m增加到40 m時，不同土地利用景觀指數(shù)的粒度效應(yīng)變化規(guī)律如下：

1) 聚集度指數(shù)反映景觀組分的空間配置特征，描述景觀中不同斑塊類型的非隨機性或聚集程度，其數(shù)值在-1～1之間.當(dāng)斑塊呈隨機分布時，數(shù)值為0；呈現(xiàn)聚集狀態(tài)分布，數(shù)值為1；呈現(xiàn)離散狀態(tài)分布時，數(shù)值為-1.根據(jù)表1分析得知，聚集度指數(shù)伴隨著粒度的增加，呈現(xiàn)遞減的趨勢，尺度效應(yīng)關(guān)系比較明確，沒有明顯的尺度轉(zhuǎn)折點.

2) 最大斑塊指數(shù)是斑塊水平上優(yōu)勢度的測量.該特征曲線表明，隨著粒度的增加，坑塘水面始終處于最低水平，表明在景觀中坑塘水面處于弱勢斑塊類型.隨著粒度的增加，同樣處于低水平的建設(shè)用地在粒度1處急速下降，在粒度2～40之間保持平穩(wěn).保持優(yōu)勢斑塊類型的水田，在粒度1～7之間，30～35之間呈現(xiàn)劇升趨勢；7～30，35～40之間保持平穩(wěn).

3) 凝聚度指數(shù)反映景觀斑塊水平連通性.隨著粒度的增加，水田的凝聚度指數(shù)基本無變化，其值基本處于100.旱地隨著粒度的增加處于較平穩(wěn)的下降趨勢，尺度效應(yīng)關(guān)系比較明確，沒有明顯的尺度轉(zhuǎn)折點.未利用地較其他地類的變化趨勢強，且在1～20之間呈現(xiàn)急劇下降，在20～40之間變化趨勢較平穩(wěn).其他地類的變化總體呈現(xiàn)下降的趨勢，在粒度增加的后期，指數(shù)值部分呈現(xiàn)上升的趨勢，尺度效應(yīng)關(guān)系比較復(fù)雜.

4) 景觀的形狀指數(shù)反映出不同土地類型景觀形狀的復(fù)雜程度，景觀形狀指數(shù)越高，說明景觀整體邊界形狀變得更為復(fù)雜.在粒度增加的初期，總體呈現(xiàn)上升的趨勢，在粒度增加的中后期，指數(shù)值有上升有下降的趨勢，曲線變化類似于“n”形狀，尺度對應(yīng)關(guān)系較復(fù)雜，具有明顯的尺度轉(zhuǎn)折點.在1～10,10～25,25～40之間，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在粒度3、10、25處，出現(xiàn)最大轉(zhuǎn)折點.旱地在1～2之間呈現(xiàn)上升的趨勢，在2～40之間呈現(xiàn)緩慢下降趨勢.其他地類隨著粒度的增加變化趨勢基本相穩(wěn)合.

5) 分離度指數(shù)用來描述斑塊在空間上的分散程度，其值越大表明該類型的元素分布越分散.隨著粒度的增加，水田的變化趨勢較明顯，在1～7之間，指數(shù)值呈現(xiàn)下降的趨勢，在7～30之間，變化不明顯；在30～35之間呈現(xiàn)下降的趨勢；在35～40之間保持不變.旱地、建設(shè)用地、道路、有林地、未利用地、坑塘水面分離度指數(shù)值基本無變化，數(shù)值為1.

6)隨著粒度的增加，斑塊面積處于無明顯變化趨勢.耕地(水田、旱地)仍是研究區(qū)所占比重最大的土地利用類型，是桐子巖村土地利用最重要的景觀基底.

表1不同土地利用類型景觀指數(shù)對粒度響應(yīng)的變異系數(shù)

根據(jù)表1可知，斑塊類型水平中，變異系數(shù)最大的是水田的斑塊密度，表明水田作為項目區(qū)景觀基底的同時，對粒度變化的響應(yīng)程度比其他土地利用類型高；其次是流轉(zhuǎn)后仍占項目區(qū)16.55%的未利用地的斑塊密度.伴隨著粒度的增加，其斑塊密度變異系數(shù)值僅次于水田.從橫向看，僅占項目區(qū)總面積3.05%的道路是對粒度變化最為敏感的土地利用類型；從縱向看，不同斑塊類型水平指數(shù)中變化最大的是斑塊密度指數(shù)，隨著粒度的增加，分散、破碎的斑塊逐漸演變成大斑塊，對粒度變化的響應(yīng)最為明顯.

2.2整體景觀水平景觀指數(shù)的粒度效應(yīng)

利用Fragstas3.4軟件分析的結(jié)果，對桐子巖村整體景觀水平上的景觀特征進行比較分析.土地利用整體景觀特征的粒度效應(yīng)如圖3所示.

圖3景觀水平上土地利用景觀指數(shù)的粒度效應(yīng)

在整體景觀水平上，對選取的8個有代表性的景觀水平指數(shù)進行分析，其景觀指數(shù)值大部分隨著粒度的增加呈現(xiàn)下降的趨勢.香濃多樣性指數(shù)和香濃均勻度指數(shù)在粒度1～20之間保持平穩(wěn)態(tài)勢，基本無變化.在粒度20處開始急劇上升，上升到粒度30時出現(xiàn)最大轉(zhuǎn)折點，在粒度30～35之間出現(xiàn)急劇下降態(tài)勢.一方面是因為隨著粒度的增加，像元不斷分割使這個過程中破碎的小斑塊、優(yōu)勢度較低的斑塊融合成大斑塊；另一方面，隨著粒度的增加，分戶種植的小規(guī)模多樣性農(nóng)作物逐漸消失，出現(xiàn)的是大規(guī)模集中種植同種類型的農(nóng)作物從而造成生物多樣性降低.最大斑塊指數(shù)在粒度1～7之間出現(xiàn)有規(guī)律的上升，在7～30之間曲線基本保持平直.隨著粒度的持續(xù)增加，優(yōu)勢景觀類型的優(yōu)勢度不斷增加，在35出現(xiàn)最大轉(zhuǎn)折點.在1～7之間，分離度指數(shù)呈現(xiàn)波動下降，表明在此區(qū)間，分離度指數(shù)對粒度變化的響應(yīng)比較敏感，在7～30之間，分離度指數(shù)基本保持不變，表明分離度指數(shù)在此區(qū)間對粒度變化響應(yīng)不敏感.斑塊密度、蔓延度指數(shù)、凝聚度指數(shù)對粒度變化響應(yīng)均呈單調(diào)下降的態(tài)勢.凝聚度指數(shù)在1～3，5～30之間出現(xiàn)有規(guī)律的下降，說明在此期間凝聚度指數(shù)對粒度變化響應(yīng)比較敏感.平均形狀指數(shù)在選取的尺度域內(nèi)基本不受粒度變化的影響，可預(yù)測性較強.

表2景觀水平上景觀指數(shù)對粒度響應(yīng)的變異系數(shù)

根據(jù)表2分析可知，整體景觀水平中，對粒度變化響應(yīng)最強的是斑塊密度；其次是與邊緣密度呈負(fù)相關(guān)，與景觀分散度有關(guān)的蔓延度指數(shù)；變異系數(shù)最低的是最大斑塊指數(shù).

2.3信息損失評價

信息損失是矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為不同粒度下的柵格像元過程中所損失的信息.信息損失評價計算公式如下(其中：M為信息損失量，Agi為第i類景觀柵格數(shù)據(jù)值，Abi為第i類景觀基準(zhǔn)數(shù)據(jù)值，n為景觀類型的項目，P為某一評價指標(biāo)的精度損失)：

(1)

P=|100×m/Ab|

(2)

鑒于斑塊數(shù)目、斑塊面積是其他景觀格局指數(shù)的基礎(chǔ)，因而筆者選取斑塊密度、斑塊面積指數(shù)，以景觀的粒度為橫坐標(biāo)，以斑塊面積損失、斑塊密度損失為縱坐標(biāo)，參考信息損失評價公式，計算不同粒度下各景觀指標(biāo)的信息損失.

圖4不同粒度下各指標(biāo)信息損失評價結(jié)果

由圖可知，在2～4 m的粒度范圍內(nèi)，斑塊面積、斑塊數(shù)目的精度損失最小.

3　結(jié)論

通過對高精度航拍影像圖下桐子巖村2015年景觀格局指數(shù)的粒度效應(yīng)研究，以桐子巖村土地利用的方式、用途、規(guī)模等因素對桐子巖村的土地進行歸類劃分的分類體系下，以農(nóng)用地為主，1︰10000比例尺的土地利用景觀格局下，土地利用景觀指數(shù)在景觀水平和斑塊類型水平上有以下特征：

1)土地利用類型景觀指數(shù)和整體景觀水平景觀指數(shù)都具有相應(yīng)的粒度響應(yīng)，景觀指數(shù)值隨著粒度的增加呈現(xiàn)相應(yīng)的變化趨勢.變化程度雖不同，但卻表明粒度變化對景觀指數(shù)的計算具有重要影響.

2)在景觀水平上，斑塊密度隨著粒度的增加呈現(xiàn)直線下降，對粒度變化響應(yīng)比較敏感；蔓延度指數(shù)、凝聚度指數(shù)隨著粒度的增加單調(diào)遞減，并無明顯的尺度轉(zhuǎn)折點；分離度指數(shù)、最大斑塊指數(shù)在1～7之間分別呈現(xiàn)階梯型下降和上升，兩者在7～30之間基本無變化；香濃多樣性指數(shù)和香濃均勻度指數(shù)隨著粒度的增加呈現(xiàn)復(fù)雜的尺度效應(yīng)關(guān)系，在1～20粒度范圍內(nèi)基本無變化，在粒度30出現(xiàn)最大轉(zhuǎn)折點.

3) 在斑塊類型水平上，最大斑塊指數(shù)、分離度指數(shù)在粒度1～7之間分別呈現(xiàn)單調(diào)遞增和遞減.聚集度數(shù)、斑塊密度指數(shù)、水田的凝聚度指數(shù)隨著粒度的增加呈現(xiàn)單調(diào)減緩的態(tài)勢，具有明顯的尺度效應(yīng)關(guān)系，但沒有明顯的尺度轉(zhuǎn)折點；平均形狀指數(shù)中水田和其他地類的變化趨勢較強，尺度效應(yīng)關(guān)系比較復(fù)雜，在1～10，10～25,25～40之間曲線變化類似于“n”形狀，三個區(qū)域的變化態(tài)勢都是在粒度較小時上升，在粒度增加的后期，指數(shù)值呈現(xiàn)下降的趨勢；斑塊面積百分比隨著粒度的變化基本無變化.

4) 根據(jù)土地利用斑塊類型和整體景觀水平景觀指數(shù)的粒度效應(yīng)分析結(jié)果可知，研究區(qū)景觀指數(shù)計算的適宜粒度為4～7 m之間.鑒于斑塊面積、斑塊密度的精度損失最小范圍在2～4 m之間.綜上，本文選取4 m～5 m為桐子巖村景觀格局分析的最佳粒度.

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2016-05-20

四川省教育廳2015年省級大學(xué)生創(chuàng)新項目(201510638058)；西華師范大學(xué)2014年大學(xué)生科技創(chuàng)新項目(427115)；南充市“十二五”社科規(guī)劃2015年立項課題(NC2015B048)；西華師范大學(xué)研究基金會(11B034)資助.

徐亞瓊(1990—)，女，河南信陽人，碩士研究生，主要從事土地資源管理方面的研究.

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1009-2102(2016)02-0073-07