山西省和順縣土地利用景觀格局特征及其破碎化分析

閆洋洋，洪堅(jiān)平，張 娟

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太谷030801）

景觀格局通常是指空間格局，即大小和形狀不一的景觀要素在一定空間內(nèi)的配置和組合形式，景觀格局的形成是自然、社會(huì)以及生物之間相互作用下造成的，在景觀生態(tài)學(xué)上具有非常重要的地位。景觀破碎化指的是斑塊面積的變小且數(shù)量的增加，斑塊逐漸趨于不規(guī)則的形狀，會(huì)造成內(nèi)部生境面積的變小、廊道被割裂以及斑塊相互之間連通較差[1-2]，同時(shí)耕地的破碎化也會(huì)制約農(nóng)業(yè)的發(fā)展[3]。ArcGIS和Fragstats軟件非常適合對(duì)土地利用進(jìn)行景觀格局分析，它們的應(yīng)用是有理論支撐和現(xiàn)實(shí)意義的[4-5]。景觀的屬性和人類活動(dòng)息息相關(guān)，一般人類的生態(tài)觀念、土地利用方式等會(huì)對(duì)景觀產(chǎn)生直接或者間接的影響。同樣，景觀也會(huì)對(duì)生活在其中的人們有一定的影響[6-10]。所以，通過景觀格局特征和破碎化分析，評(píng)價(jià)人類對(duì)景觀的干擾程度是有必要的[11-15]。

目前，對(duì)土地景觀進(jìn)行景觀格局分析的多以小流域?yàn)檠芯繀^(qū)，側(cè)重于對(duì)土地?cái)?shù)量動(dòng)態(tài)變化和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系進(jìn)行研究，但是在研究土地的格局特征以及空間組合方面重視度不夠，且對(duì)于縣級(jí)的土地規(guī)劃無法提供有利的考量。

筆者研究了和順縣的土地利用景觀格局特征及其破碎化，從景觀生態(tài)學(xué)的角度說明每個(gè)景觀組分之間的特征差異，并且對(duì)景觀破碎化程度作出評(píng)價(jià)，從而揭示各個(gè)組分在和順縣的地位和作用的不同，可在理論上為景觀特征分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，促進(jìn)景觀生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)化，為實(shí)現(xiàn)該區(qū)域的土地可持續(xù)利用提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

和順縣坐落于山西省中部，太行山的西側(cè)，坐標(biāo)為東經(jīng) 113°05′～113°56′，北緯 37°03′～37°36′。該地區(qū)屬于溫帶大陸性氣候，具有典型的北方氣候特征，春季空氣比較干燥，夏季降雨較頻繁，秋季比較涼爽，冬季漫長(zhǎng)而又寒冷。和順縣溫度適宜，年平均氣溫在6.3℃左右，氣溫最低在-10℃左右，年降雨量593 mm，每年的9月到次年的5月屬于該地區(qū)的霜凍期。和順縣轄5鎮(zhèn)5鄉(xiāng)294個(gè)行政村。和順縣占地面積2 250 km2，其中，耕地面積2.24萬hm2，林地面積6.22萬hm2，宜牧地面積為4.42萬hm2[16-17]。

和順縣山嶺縱橫、溝壑交錯(cuò)、地形復(fù)雜，是典型的山地地區(qū)，山地丘陵面積占90%，小塊平川分布在清樟河周邊，平均海拔在1 300 m以上。曲陽山屬于和順縣70多條主要山脈中最高的山脈，海拔達(dá)2 058 m。和順縣是國(guó)家級(jí)貧困縣城，由于地形的原因，土地的利用和農(nóng)業(yè)的發(fā)展也受到了限制。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究采用的是2015年Landsat TM遙感影像，解譯了土地利用類型圖，根據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類》將土地分為草地、旱地、林地、水域及水利用地、采礦用地、園地、裸地、居民地、風(fēng)景名勝及特殊用地、交通用地、設(shè)施農(nóng)用地11類景觀類型[18]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 利用Arc GIS的處理數(shù)據(jù) 應(yīng)用地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS對(duì)土地利用現(xiàn)狀圖進(jìn)行數(shù)字化[9]，這樣得出的數(shù)據(jù)更加直觀，利用ArcGIS的轉(zhuǎn)換工具，將土地利用矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格大小為150 m×150 m的柵格數(shù)據(jù)。

1.3.2 基于景觀分析軟件Fragstats 4.2的數(shù)據(jù)處理

Fragstats是一個(gè)由美國(guó)俄勒岡州立大學(xué)所發(fā)明的景觀指標(biāo)計(jì)算軟件[4]，它具有強(qiáng)大的計(jì)算功能，大量研究指標(biāo)之間有著很強(qiáng)的相關(guān)性，只是側(cè)重的方向不同。本研究選擇的指標(biāo)有斑塊面積、斑塊面積方差、斑塊周長(zhǎng)、斑塊平均面積、邊緣密度、斑塊密度、平均最近鄰距離、分維數(shù)[12，19-22]。

2 結(jié)果與分析

2.1 和順縣景觀的總體特征分析

從表1可以看出，和順縣共有11個(gè)景觀類型，斑塊數(shù)為5 282個(gè)。林地的斑塊數(shù)為1 165個(gè)，所占面積最大（1 009.463 km2），在景觀類型中占據(jù)著主導(dǎo)地位。其次是草地面積（844.650 km2），斑塊數(shù)為1312個(gè)，旱地面積（262.598 km2）斑塊數(shù)為1 292個(gè)。該地區(qū)在人類長(zhǎng)時(shí)間生息以及發(fā)展建設(shè)等的影響下，林地、草地、旱地成為最主要的3種景觀類型，三者的總面積為2 116.71 km2，占整個(gè)和順縣面積的比例為96.86%。三者的周長(zhǎng)之和是19 097.7 km，占全縣的93.2%。和順縣的各個(gè)景觀類型的面積差異相對(duì)比較大，其中，景觀類型之間的面積差異最大達(dá)到1 008.5 km2。相比之下，林地的面積方差（1 554.505 2）比其他景觀類型大，這表明林地的斑塊大小分布最不均勻，其異質(zhì)性也是最大的，與之相似的旱地和草地，異質(zhì)性也較大。

表1 和順縣景觀組分總體特征

2.2 和順縣景觀的面積特征分析

從表1可以看出，和順縣景觀組分的景觀面積為2 185.335 km2，各景觀組分面積從大到小排序?yàn)榱值兀静莸兀竞档兀舅蚣八蛴玫兀揪用竦兀韭愕兀静傻V用地＞交通用地＞風(fēng)景名勝及特殊用地＞設(shè)施農(nóng)用地＞園地。在上述排序中斑塊面積最大的景觀類型是林地，園地的斑塊面積最小。和順縣屬于全國(guó)重點(diǎn)產(chǎn)煤縣，煤炭資源比較豐富，所以，采礦用地斑塊面積較大（4.905 km2）。

和順縣林地的斑塊平均面積最大，為0.8665km2，在景觀上看林地是該區(qū)域內(nèi)景觀面積最大的利用類型，基本呈現(xiàn)連片的分布特點(diǎn)；其次是草地（0.643 8 km2）、旱地（0.203 2 km2）。裸地大部分是由于不適合種植未被人類利用，受到人類影響較小，故斑塊平均面積較大（0.108 7 km2）。居民地在平坦的地方修建，面積雖然不大但分布比較聚集。由于大量零散分布的小斑塊的影響，名勝古跡及特殊用地和設(shè)施農(nóng)用地的斑塊平均面積最小。

林地面積在整個(gè)景觀面積中所占的比例最高，達(dá)46.19%，草地和旱地面積所占比例較高，分別是38.65%和12.02%。而園地面積所占比例最小，為0.044%，它的面積大小為0.968 km2，斑塊數(shù)30個(gè)，因?yàn)楹晚樋h海拔均在1 800 m以上，不適宜種植水果，所以，園地的面積和斑塊數(shù)較少。裸地和居民地這2種景觀類型的面積在整個(gè)景觀類型中屬于一般大小，其二者面積所占的比例分別為0.65%，0.82%。雖然它們的面積跟其他各個(gè)景觀類型相比較小，但是二者的斑塊平均大小在所有景觀類型中屬于較大的類型，這表明裸地和居民地這2種景觀利用類型的破碎化程度較低。從表1可以看出，在整個(gè)和順縣的景觀類型中，風(fēng)景名勝及特殊用地的斑塊數(shù)量相較于設(shè)施農(nóng)用地和園地來說，較多且分布較為廣泛，但是它的斑塊平均面積大小卻是所有景觀類型中最小的，說明它的破碎化程度在整個(gè)景觀中是最高的。從水域及水利用地的研究結(jié)果中可以看出，它們的景觀面積所占比例較大，斑塊平均面積大小卻相對(duì)較?。?.036 6 km2），表明其破碎化程度相對(duì)較高。

2.3 和順縣景觀的周長(zhǎng)特征分析

從表1，2可以看出，和順縣的總斑塊周長(zhǎng)為20 491.50km。其中，斑塊周長(zhǎng)最大的利用類型是草地，其斑塊周長(zhǎng)為8 337.15 km，平均斑塊周長(zhǎng)為6.35 km。各景觀組分周長(zhǎng)比例為草地∶林地∶旱地∶水域及水域用地∶居民地∶裸地∶交通用地∶采礦用地∶風(fēng)景名勝及特殊用地∶設(shè)施農(nóng)用地∶園地＝365.66∶313.95∶158.01∶22.27∶15.01∶9.68∶4.63∶4.43∶2.64∶1.43∶1。從這些周長(zhǎng)比例中可以看出，林地、草地和旱地這3種景觀類型的周長(zhǎng)所占的比例比其他類型都大，可以充分說明這3種利用類型對(duì)整個(gè)和順縣景觀的影響水平要比其他類型高的多。風(fēng)景名勝及特殊用地（60.15 km）、設(shè)施農(nóng)用地（33.60 km）和園地（22.80 km）景觀組分有著相對(duì)較小的周長(zhǎng)比例，并且相對(duì)于前面3種利用類型來說，它們的平均周長(zhǎng)相對(duì)較小，故對(duì)于整個(gè)和順縣景觀影響的水平比較低。

表2 和順縣斑塊組分的周長(zhǎng)特征

邊緣密度1最高的是設(shè)施農(nóng)用地（24.888 9 km/km2），最低的是林地（7.090 9 km/km2）。各個(gè)景觀組分的邊緣密度1的排序是設(shè)施農(nóng)用地＞風(fēng)景名勝＞園地＞交通用地＞水域及水利用地＞采礦用地＞居民地＞裸地＞旱地＞草地＞林地。上述各個(gè)景觀組分的邊緣密度的順序與斑塊總周長(zhǎng)的分布順序恰恰相反，就斑塊面積和周長(zhǎng)來說，草地和林地這2種景觀利用類型相對(duì)于其他景觀組分來說較大，但它們的邊緣密度相對(duì)于其他景觀類型較小，說明二者的破碎化程度低。而設(shè)施農(nóng)用地、風(fēng)景名勝及特殊用地這2種景觀類型的斑塊面積、周長(zhǎng)與邊緣密度的大小分布和草地、林地利用類型相反，表明它們的破碎化程度嚴(yán)重。對(duì)居民地這一景觀進(jìn)行分析可以看出，面積和周長(zhǎng)都小，密度也較低，說明它的破碎化程度介于這2種景觀之間，其完整度相對(duì)較高。湯萃文等[23]使用邊緣密度1來反映景觀類型的破碎化程度。

鄒月等[24]通過各個(gè)景觀類型在整個(gè)景觀中的邊緣密度2來研究某個(gè)利用類型的斑塊邊緣對(duì)整個(gè)景觀的影響程度。從表2可以看出，和順縣草地的邊緣密度2（3.815 0 km/km2）是最高的，其次是林地（3.275 5 km/km2）和旱地（1.648 5 km/km2）。最小的是園地（0.010 4 km/km2），園地斑塊面積和斑塊數(shù)最小，對(duì)景觀的影響程度也最小。

2.4 和順縣景觀的斑塊數(shù)特征分析

和順縣斑塊總數(shù)為5 282個(gè)，景觀組分之間的斑塊個(gè)數(shù)極不均勻（表1）。草地的斑塊個(gè)數(shù)最多（1 312個(gè)），園地斑塊數(shù)最少（30個(gè)）。風(fēng)景名勝及特殊用地、水域及水利用地2種景觀組分的面積較小，但二者斑塊個(gè)數(shù)卻較大，表明這2種利用類型的破碎化較為明顯。旱地的斑塊數(shù)為1 292個(gè)，和草地、林地斑塊數(shù)相差不大，斑塊面積卻遠(yuǎn)小于草地和林地，大概是草地的1/4。旱地的斑塊面積雖然小，但其斑塊個(gè)數(shù)多，這說明旱地的破碎化程度高于草地、林地2種景觀利用類型。這主要是因?yàn)槿祟惡妥匀灰蛩氐挠绊?，和順縣山地丘陵面積高達(dá)90%，地形復(fù)雜且地勢(shì)起伏不平，旱地多為坡梁地，給人類利用土地造成了阻礙，由于人類活動(dòng)的干預(yù)，人為開墾，使得旱地切割破碎。

表3 和順縣景觀組分的斑塊數(shù)、分維數(shù)、平均最近鄰距離特征

從表3可以看出，斑塊密度1最高的是草地，為0.600 4個(gè)/km2，說明該利用類型對(duì)整個(gè)景觀的影響最大，最低者是園地，為0.013 7個(gè)/km2。王永軍等[25]就是利用斑塊密度1來研究某種利用類型在整個(gè)景觀中的影響程度。

王斌等[26]、雒峰等[27]通過各個(gè)景觀組分的斑塊密度2直接地體現(xiàn)破碎化水平，當(dāng)斑塊密度2越大，破碎化水平也就越高。和順縣風(fēng)景名勝及特殊用地斑塊密度2最大（38.2716個(gè)/km2），最小的是林地，為1.154 1個(gè)/km2?？梢钥闯?，林地的破碎度是最低的（表 3）。

2.5 和順縣平均最近鄰距離的指標(biāo)分析

從表3可以看出，各景觀的平均最近鄰距離為園地＞設(shè)施農(nóng)用地＞風(fēng)景名勝及特殊用地＞裸地＞居民地＞采礦用地＞交通用地＞水域及水利用地＞旱地＞林地＞草地。平均最近鄰距離是通過計(jì)算同種景觀類型斑塊之間的間距水平來反映景觀格局的聚集與分隔程度。居民地、交通用地的平均最近鄰距離較大。因?yàn)樯絽^(qū)的地勢(shì)起伏大，造成了居民地間隔較遠(yuǎn)和農(nóng)村交通用地分布的分散。平均最近鄰距離最大的是園地（35.368 6 km）。園地斑塊數(shù)、面積最小，說明多以小面積零散分布。草地的平均最近鄰距離是最小的，說明其連接性最好，成片連續(xù)分布。

2.6 和順縣景觀面積和周長(zhǎng)的分形維數(shù)指標(biāo)分析

邱海軍等[28-29]利用分形維數(shù)這個(gè)指標(biāo)來表示各個(gè)景觀組分的邊緣褶皺水平，在分形維數(shù)＞1時(shí)，表示邊緣形狀偏離歐幾里得幾何圖形（如正方形），當(dāng)分形維數(shù)接近于2時(shí)，說明斑塊邊緣比較復(fù)雜。由表3可知，居民地的分維數(shù)最小，為1.368 9，說明居民地的邊緣最為規(guī)則，交通用地的分形維數(shù)最高，為1.678 1。其次是水域及水利用地（1.673 6）和草地（1.641 7）。交通用地、水域及水利用地和草地的斑塊邊界褶皺水平相對(duì)復(fù)雜曲折。和順縣的分形維數(shù)是1.613 3，趨向于2，說明邊界褶皺水平較為復(fù)雜。

3 結(jié)論

在整個(gè)景觀之中，各組分之間擁有的面積不均衡，面積最大的是林地，占整個(gè)研究區(qū)的46.19%，草地和旱地次之，三者面積之和是2 116.71 km2，占該區(qū)域總面積的96.86%。這三者的周長(zhǎng)之和是19 097.7 km，占全縣的93.2%。這3種利用類型基本上控制了整個(gè)景觀。其中，林地的異質(zhì)性最為強(qiáng)烈。

從該研究區(qū)的面積特征來看，在景觀上看林地是該區(qū)域內(nèi)景觀面積最大的利用類型，基本呈現(xiàn)集中連片的分布特點(diǎn)。風(fēng)景名勝及特殊用地斑塊平均面積最?。?.026 5 km2），說明多以小面積零散分布，遍布在整個(gè)景觀里，表明破碎化最高。裸地和居民地在景觀中占有較小面積，所占比例分別為0.65%，0.82%，但其斑塊平均大小相對(duì)較大，破碎程度較低。水域及水利用地的景觀面積較大（22.275 km2），斑塊平均面積卻較小（0.036 6 km2），表明其破碎化水平相對(duì)較高。

從該研究區(qū)的周長(zhǎng)特征來看，草地（8337.15km）、林地（7 158.00 km）和旱地（3 602.55 km）的周長(zhǎng)遠(yuǎn)比其他利用類型要高，表明三者對(duì)整個(gè)景觀影響的水平高于其他利用類型。從邊緣密度1可以看出，面積和周長(zhǎng)都大，而邊緣密度1較小時(shí)，破碎化程度低，例如草地、林地。面積和周長(zhǎng)都小，而邊緣密度1較大時(shí)，破碎化嚴(yán)重，例如設(shè)施農(nóng)用地、風(fēng)景名勝及特殊用地。

從該研究區(qū)的斑塊個(gè)數(shù)特征來看，與林地和草地相比，旱地斑塊面積?。?62.598 km2），但斑塊數(shù)多（1 292個(gè)），這表明旱地的破碎化水平比草地和林地高。斑塊密度2指標(biāo)顯示林地的破碎度是最低的。從該研究區(qū)的平均最近鄰距離來看，最大的是園地（35.368 6 km）。園地斑塊數(shù)、面積最小，說明多以小面積零散分布。草地是最小的（3.356 5 km），說明其成片連續(xù)分布。居民地的分維數(shù)最小，為1.368 9，說明居民地的邊緣最為規(guī)則。其次是草地（1.641 7）和旱地（1.630 5）。水域和水利用地、草地和旱地的斑塊邊界褶皺水平相對(duì)復(fù)雜曲折。和順縣的分形維數(shù)是1.613 3，說明整個(gè)和順縣的邊界褶皺水平較為復(fù)雜。

和順縣是典型的山地地區(qū)，林地和草地資源豐富，破碎化程度低。旱地破碎化較高，影響土地的高效利用，需要在坡度大的地區(qū)采取以坡改梯和退耕還林還草的方式來優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)。在和順縣的紫羅地區(qū)已經(jīng)大面積實(shí)施了退耕還林還草，積極響應(yīng)國(guó)家退耕還林還草政策。由于人類長(zhǎng)期生活的影響，整個(gè)和順縣邊緣褶皺水平較為復(fù)雜，設(shè)施農(nóng)用地、風(fēng)景名勝及特殊用地破碎化嚴(yán)重。本研究認(rèn)為，應(yīng)該嚴(yán)格控制城鄉(xiāng)居民點(diǎn)建設(shè)用地，科學(xué)規(guī)劃，在合理利用每一寸土地的基礎(chǔ)上，最大限度地發(fā)揮現(xiàn)有土地的價(jià)值。