1993— 2013年許昌市土地利用及景觀格局演變特征研究

摘要：利用1993、2004和2013年3期遙感影像，綜合運用RS和GIS技術，以景觀生態(tài)學理論為指導，對河南省許昌市21年間土地利用及景觀格局演變特征進行研究。結果表明，1993-2013年，林地、水域、未利用地、耕地面積都有所減少，分別減少了3 592.06、323.22、22 582.48、8 133.70 hm2，建設用地面積增加了33 817.55 hm2；土地利用變化速率從大到小依次為未利用地、建設用地、林地、水域、耕地，變化整體比較均勻，另外，根據(jù)土地利用程度計算結果，許昌市土地整體處于開發(fā)利用階段。21年間許昌市各類型景觀指數(shù)有升有降，狀態(tài)比較復雜，其中斑塊數(shù)量呈現(xiàn)出大幅度下降的趨勢，而斑塊形狀指數(shù)則呈先上升后下降的趨勢。

關鍵詞：土地利用；景觀格局；景觀生態(tài)學；許昌市

中圖分類號：F301 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）11-2769-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.11.015

人類的一切生活和生產(chǎn)資料都離不開土地，通過使用土地來滿足自己的生存和發(fā)展需要。IGBP（國際地圈生物圈計劃）和IHDP（人與環(huán)境計劃）于1995年制定并開始執(zhí)行的“土地利用/土地覆被變化科學研究計劃（LUCC）”已成為當今全球變化研究的主要議題[1]。景觀生態(tài)學是研究在某個區(qū)域內，由許多生態(tài)系統(tǒng)組成的整體空間結構、相互作用、協(xié)調功能及動態(tài)變化的一門綜合性的學科，景觀生態(tài)學的發(fā)展突出體現(xiàn)其對異質性景觀格局與過程之間的關系，以及它們在不同時間和空間尺度上相互作用的研究[2-4]。

土地表面作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，參與著整個生態(tài)系統(tǒng)的循環(huán)，影響著區(qū)域的物理、化學和生物反應過程，關系區(qū)域生態(tài)環(huán)境的安全[5]。許多研究人員針對區(qū)域土地利用及景觀格局演變已經(jīng)進行了大量研究。王海梅等[6]對黃河三角洲地區(qū)的土地利用進行了分析，指出隨著近15年自然和人為因素的影響，研究區(qū)域景觀格局破碎度增加，景觀結構的多樣性水平提高，各種土地利用類型均衡性空間分布特點不斷提高；陳文波等[7]使用典型相關分析法對鄱陽湖區(qū)景觀格局變化的社會經(jīng)濟驅動力進行了定量分析，認為導致景觀分維數(shù)、景觀破碎度變化的主要驅動力是人口與國內生產(chǎn)總值，導致景觀多樣性和優(yōu)勢度變化的主要驅動力是境內公路里程與農(nóng)村居民年均純收入；張紅月等[8]使用景觀格局指數(shù)和社會經(jīng)濟指數(shù)進行土地利用分區(qū)，研究發(fā)現(xiàn)分析結果對指導青海省土地利用合理規(guī)劃開發(fā)意義重大。張雪梅等[9]提出在不同坡度、高程及不同巖性區(qū)采用不同的土地利用方式，可以降低景觀格局變化帶來的負面效應。近20年以來，隨著中部崛起戰(zhàn)略的實施和中原經(jīng)濟區(qū)規(guī)劃的批復，許昌市城鎮(zhèn)化速度不斷加快，大量的非城鎮(zhèn)用地變?yōu)槌擎?zhèn)用地，因此，對區(qū)域的土地利用變換和景觀格局進行動態(tài)監(jiān)測和研究意義重大[10]。本研究以遙感技術和景觀生態(tài)學作為主要理論和方法，對河南省許昌市土地利用和景觀格局的演變進行分析，旨在探索21年間的演變特點和變化機制，從而為許昌市的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略實施提供決策支持。

1 研究地區(qū)與方法

許昌市位于東經(jīng)113°03′-114°19′、北緯33°16′-34°24′，全市下轄一區(qū)兩市三縣，分別是魏都區(qū)、禹州市、長葛市和鄢陵縣、襄城縣、許昌縣。許昌市歷史悠久，其美名主要源于三國時期在許昌發(fā)生的眾多戰(zhàn)役，以及歷史名人在該地的著名事跡。許昌市氣候類型為暖溫帶季風性氣候區(qū)，夏季高溫多雨、冬季寒冷干燥，適合的農(nóng)作物為小麥、玉米，農(nóng)業(yè)發(fā)展歷史悠久，糧食總產(chǎn)量已達277.22萬t。許昌市交通四通八達，臨近省會鄭州，京廣線、鄭渝線從中穿過，并與京港澳高速公路相接；2012年GDP產(chǎn)值達39 947億元，在河南省處于中上等水平，且經(jīng)濟發(fā)展速度較快，GDP排名逐年上升。

根據(jù)許昌市所在的Landsat衛(wèi)星掃描條帶號，選擇了1993、2004和2013年3期6-9月、云量小于10%的TM數(shù)據(jù)（圖1），分析許昌市21年間的土地利用變化情況，另外，還輔以許昌市土地利用規(guī)劃圖、許昌市及各縣市統(tǒng)計年鑒等資料。首先運用遙感（Remote sensing，RS）和地理信息系統(tǒng)（Geographil information system，GIS）技術對數(shù)據(jù)進行輻射校正和幾何校正，幾何配準精度小于1個像元，然后對其進行分類，根據(jù)許昌市的實際情況，將土地利用和土地覆蓋分為5類：耕地、林地、建設用地、水域和未利用地[11，12]。利用fracstas軟件對區(qū)域景觀格局進行分析研究，選取景觀、類型和斑塊中的部分指標進行定量分析[7]。

2 結果與分析

2.1 許昌市土地利用變化分析

從表1和圖1可以看出：①1993-2004年，林地、水域、未利用地、耕地面積都有所減少，分別由之前占總面積的3.67%、0.77%、5.75%、76.35%變?yōu)?.45%、0.72%、5.02%、73.71%，而建設用地有所增加，由之前的13.46%變?yōu)?9.10%。期間，林地與建設用地的單一土地利用幅度變化比較大，土地利用變化速率分別為-60.56%和41.91%，林地面積減少了11 133.61 hm2，建設用地增加了28 218.83 hm2。這一階段，許昌市經(jīng)濟發(fā)展迅速，一方面建設用地增長幅度較大，另一方面因經(jīng)濟利益的驅動和政府監(jiān)管的缺失，森林遭到亂砍濫伐，林地被其他用地類型大量擠壓占據(jù)，生態(tài)環(huán)境遭到破壞。②2004-2013年，水域與未利用地面積有所減少，分別由之前占總面積的0.72%、5.02%下降到0.70%、1.24%；建設用地、林地、耕地面積都有所增加，由之前所占總面積的19.10%、1.45%、73.71%增加至20.25%、2.96%、74.84%。期間，林地與未利用地的單一土地變化幅度最大，動態(tài)度即土地利用變化速率分別為104.02%、-75.26%。這一階段，隨著經(jīng)濟的深入發(fā)展，國家政策開始出現(xiàn)從經(jīng)濟發(fā)展優(yōu)先到經(jīng)濟與環(huán)境兼顧的轉變，進一步完善了生態(tài)環(huán)境、林業(yè)政策等相關法律法規(guī)，隨著各種林業(yè)和生態(tài)環(huán)境工程以及專項整治措施的實施，林業(yè)用地增長幅度較大，生態(tài)環(huán)境有所好轉。③總體來講，1993-2013年，林地、水域、未利用地、耕地的面積都有所減少，分別減少了3 592.06、323.22、22 582.48、8 133.70 hm2，建設用地的面積有所增加，增加了33 817.55 hm2。就動態(tài)度來講，建設用地與未利用地變化較大，分別為50.23%與-78.43%，其變化與城市化過程中建設了大量工廠、道路、住宅等基礎和工業(yè)設施以及未利用土地與面積基數(shù)小有一定關系。

由表1和圖2a分析可知，1993-2004年，土地利用變化速率從大到小依次為林地、建設用地、未利用地、水域、耕地，但是除了建設用地與林地之外，其他土地利用類型的變化較小。2004-2013年，土地利用變化速率從大到小依次為林地、未利用地、建設用地、水域、耕地，其中林地與未利用地變化速率較大，其他幾種土地類型幾乎沒有什么大的變化?？傮w來看，1993-2013年，土地利用變化速率從大到小依次為未利用地、建設用地、林地、水域、耕地，變化整體比較均勻，隨著政府政策的調控和經(jīng)濟利益的驅動，各類型表現(xiàn)出有升有降的狀態(tài)。由表1和圖2b可知，1993、2004、2013年的土地利用程度依次為2.98、3.07、3.14，可以明顯看出土地利用程度呈較穩(wěn)上升趨勢，與全國土地利用綜合程度值2.32相比，許昌市的土地利用程度水平較高，由此可以看出許昌市土地整體處于開發(fā)利用階段。由圖2c可以得出，在1993、2004、2013年，許昌市的土地利用率分別為93.89%、94.72%、98.74%，逐步增加，遠遠高于全國土地利用率的23%，這與許昌市地理位置有極大的關系，許昌市地處平原，海拔較低，幾乎沒有荒草地、鹽堿地、沙地等不可利用的土地。由圖2d可知，許昌市在1993、2004、2013年的土地墾殖率依次為76.35%、73.71%、74.84%，1993-2004年墾殖率有所下降，與這段時間建設用地增加，占用農(nóng)田面積有直接關系。2004-2013年，墾殖率有所增加，這與政府鼓勵保護耕地，合理利用土地資源的政策有較大關系，另外本研究中將鄢陵花木歸于耕地，從2001年開始，鄢陵政府大力提倡花木種植，并舉辦花博會，將花木引入市場，在經(jīng)濟驅動影響之后，墾殖率也會受到一部分影響而小幅度增加。

2.2 許昌市景觀格局演變分析

利用景觀生態(tài)學的理論和方法對許昌市的景觀格局演變進行分析，選取斑塊數(shù)量（NP）、斑塊類型面積（CA）、斑塊面積比（PLAND）、平均斑塊密度（PD）、斑塊形狀指數(shù)（MSI）、香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）、平均斑塊分維數(shù)（MPFD）、香農(nóng)均勻度指數(shù)（SHEI）、平均斑塊面積（MPS）、景觀形狀指數(shù)（LSI）等12個景觀指數(shù)進行分析，計算結果見表2與表3。

由表2可知，在斑塊數(shù)量中建設用地在數(shù)量上占有絕對的優(yōu)勢地位，這與建設用地延道路、河流等線狀、點狀布局有極大關系，但是也可以看出，其斑塊數(shù)量在1993-2013年呈現(xiàn)出大幅度下降的狀態(tài)，這是由于城市化的發(fā)展，城區(qū)面積不斷擴大，已建成區(qū)域逐漸連成片的原因。林地的斑塊數(shù)量在1993-2004年下降比例較大，表明林地受到人類的影響越來越深，林地分布越來越規(guī)則。未利用地在人類改造下變得越來越少。耕地斑塊數(shù)量較少，主要原因是耕地一方面受人類改造程度較高，另一方面國家有關耕地保護的政策在當?shù)氐玫接行У呢瀼芈鋵崱Ｋ蜃兓惶黠@，由于該地區(qū)屬于缺水地區(qū)，且水體分布較少。

由表2還可以看出，1993-2004年，大部分斑塊類型的MSI都小幅度增加，說明整體景觀格局在這段時間內受到人類的干擾較大，這是由于這段時間內的城市化發(fā)展速度較快，各種景觀類型都或多或少受到了人類的改造。2004-2013年，大部分景觀類型的MSI指數(shù)都小幅度下降，說明景觀類型的破碎度降低，這個變化與許昌市的城市規(guī)劃指導思想有較大關系。整體而言，許昌市在21年間，景觀類型的MSI指數(shù)呈先上升后下降的趨勢。

本研究選取斑塊密度、平均斑塊面積、形狀指數(shù)、平均分維數(shù)、平均形狀指數(shù)這幾個指標來表示景觀破碎度的變化，結合表2可以看出，各景觀類型都有升有降，狀態(tài)比較復雜，但是整體的趨勢表現(xiàn)為：建設用地隨著城鎮(zhèn)化程度的提高，越來越集中，破碎化程度降低；耕地由于被道路、居民地、人造水渠等隔斷，整體形狀破碎化程度提高；林地由于集中分布于許昌市的西北部、西南部，海拔較高，人類活動影響較小，但是在政府調控與規(guī)劃之下，形狀越來越規(guī)則，破碎化程度變化較不明顯；水域整體基數(shù)較小，加之水利工程的影響，破碎化程度升高；未利用地主要分布于許昌市的山地上，并且受到大量建設用地施工占用的原因，未利用地破碎化程度略微升高。

由表3可知，許昌市的香農(nóng)多樣性指數(shù)與香農(nóng)均勻度指數(shù)都表現(xiàn)為先升高后降低，整體趨勢為下降。在前期1993-2004年，香農(nóng)多樣性指數(shù)由0.80上升至0.84，均勻度指數(shù)由0.45上升至0.47，說明許昌市隨著城市化迅速的發(fā)展，耕地逐步被建設用地侵占，斑塊形狀越來越狹小，越來越復雜，整體的破碎化程度增加；在后期2004-2013年，由于政府規(guī)劃意識的增強，各景觀類型的生態(tài)功能布局得到較好發(fā)揮，整體的香農(nóng)多樣性指數(shù)與香農(nóng)均勻度指數(shù)都有所下降，綠地面積不斷增加，景觀破碎度有所下降，但仍需要繼續(xù)改進。

3 結論

1）許昌市各土地利用類型的面積在21年間發(fā)生極大變化，其中耕地、建設用地的變化最為顯著。建設用地的面積有所增加，增加了33 817.55 hm2，耕地面積有所下降，減少了8 133.70 hm2，土地利用程度較高，處于開發(fā)階段。

2）許昌市的景觀格局變化較為復雜，1993-2013年，各項景觀指數(shù)有升有降，但是耕地是整個景觀格局中的優(yōu)勢景觀類型，沒有發(fā)生變化，隨著人類的改造活動，景觀格局的破碎化程度整體上升，各景觀類型的生態(tài)效益在一定程度上得到了改善。

3）1993-2013年，建設用地變化比較穩(wěn)定，轉入面積大于轉出面積，變化主要發(fā)生在耕地轉建設用地之間，林地的變化受政策影響，前期轉出面積較多，后期轉入面積較多，水域受屬性與分布限制，整體變化較不明顯，耕地面積轉出面積大于轉入面積，主要轉化為建設用地，但是后期的轉化量較小，轉化速度減慢。

4）景觀格局演變的原因包括自然原因、人口壓力、政策激勵、經(jīng)濟驅動等方面，其中人為影響在短期的時間尺度上影響較為顯著。

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