太平國家濕地公園土地利用景觀格局演變分析

王劍龍，王 萍

(曲阜師范大學地理與旅游學院，山東 日照 276826)

在“人口-資源-環(huán)境”系統(tǒng)中，土地資源是最根本的。隨著人口的不斷增長，城市化和工業(yè)化的快速發(fā)展，土地利用方式不斷變化[1]。景觀生態(tài)學是一門跨學科交叉的新興科學，旨在研究不同生態(tài)系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)、相互作用、功能和動態(tài)變化。景觀生態(tài)學以景觀為研究對象，強調(diào)空間異質(zhì)性的維持與發(fā)展、生態(tài)系統(tǒng)的相互作用、資源環(huán)境的運行與管理以及人類活動對景觀及其構(gòu)成要素的影響[2]。近年來景觀生態(tài)學廣泛應用于研究環(huán)境與保護、土地利用、旅游設(shè)計、區(qū)域規(guī)劃等方面[3]。太平國家濕地公園建設(shè)的成功與否與當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境、地質(zhì)條件以及人為活動都有著密切的聯(lián)系，是集濕地保護與修復、科研宣教、生態(tài)旅游、動植物保護為一體的國家級濕地公園，對于鄒城市的經(jīng)濟建設(shè)、自然生態(tài)、園林景觀都有很大的綜合效益。本文以景觀生態(tài)學為理論指導，以地理信息系統(tǒng)、遙感為技術(shù)支撐，對太平國家濕地公園2009年，2013年，2016年這3年的土地利用景觀格局的演變進行了分析，揭示太平國家濕地公園建設(shè)過程中土地利用變化情況，為同類型的濕地公園建設(shè)提供理論依據(jù)與參考。

1 研究區(qū)概況

太平國家濕地公園位于山東省鄒城市太平鎮(zhèn)西部(見圖1)，東經(jīng)116°47′24″～116°50′24″，北緯35°24′～35°26′24″。研究區(qū)總面積為1 060.0km2。研究區(qū)地下煤炭資源豐富，因煤炭大量開采導致多處塌陷，形成水域、沼澤，原有村莊大量搬遷[4]。為恢復重建，改善生態(tài)特建此濕地公園，如今園內(nèi)生物資源豐富，具有典型的北方濕地特征，現(xiàn)有植物39科113種，各種獸類、兩棲類、爬行類、魚類、鳥類17科102種。濕地公園由五大功能區(qū)構(gòu)成，分別是生態(tài)保育區(qū)、恢復重建區(qū)、合理利用區(qū)、科普宣教區(qū)和管理服務區(qū)。

圖1 項目區(qū)位置示意圖

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究利用Google Earth獲取2009年、2013年、2016年這3年的8月份高分辨率遙感影像(分辨率：0.97m)并進行幾何校正、配準，目視解譯判讀研究區(qū)土地利用類型，運用ArcGIS10.2軟件矢量化土地利用現(xiàn)狀圖。由于研究區(qū)地貌單一，建設(shè)用地種類并不復雜，因此本研究依據(jù)國內(nèi)外土地利用分類與景觀生態(tài)分類原則[5-6]，將研究區(qū)土地利用類型分為：耕地、園林地、水域、荒草地、住宅用地和其他建設(shè)用地。其中住宅用地包括宅基地、商服用地和公共用地，其他建設(shè)用地包括工礦倉儲用地等，交通運輸用地融合在各類用地之中，不再單獨進行分析。

圖2 項目區(qū)土地利用分布圖

2.2 研究方法

景觀格局是指景觀要素斑塊和其他結(jié)構(gòu)要素的類型、數(shù)量、空間分布和配置方式的空間格局[7-8]。通過分析景觀格局特征，在看似無序的景觀斑塊中可以發(fā)現(xiàn)明顯的規(guī)律性[9]。運用景觀生態(tài)學家對景觀格局定量分析提出的指標能夠更加準確的對景觀格局進行分析[10]。其中譚雪紅在城市濕地公園景觀格局研究中選取面積比、斑塊個數(shù)、斑塊密度、斑塊形狀指數(shù)、多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、聚集度指數(shù)等景觀格局指數(shù)[11]；文獻[12]在研究中選取了平均斑塊大小、斑塊數(shù)量、形態(tài)指數(shù)、分維度指數(shù)、多樣性指數(shù)、破碎度指數(shù)等景觀格局指數(shù)。本研究基于學者研究成果主要選取了斑塊數(shù)量指數(shù)、斑塊周長、平均斑塊類型面積、分維數(shù)、景觀優(yōu)勢度指數(shù)、景觀破碎度指數(shù)等6種景觀特征指標來對3年的太平國家濕地公園景觀格局進行研究[13]。利用 ArcGIS10.2軟件分析可以得出各地類斑塊的數(shù)量、斑塊周長和平均斑塊類型面積，通過這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)在Excel上來計算分析其他景觀指數(shù)。各指數(shù)計算方法及含義如下

(1)斑塊數(shù)量指數(shù)

計算公式NP=N

式中：NP在類型級別上等于景觀中某一斑塊類型的斑塊總個數(shù)；在景觀級別上等于景觀中所有的斑塊總數(shù)。NP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，其值的大小與景觀的破碎度也有很好的正相關(guān)性，一般規(guī)律是NP大，破碎度高；NP小，破碎度低。

(2)平均斑塊類型面積

式中：A為景觀中所有斑塊的總面積，N為總個數(shù)。MPS代表一種平均狀況，在景觀結(jié)構(gòu)分析中反映兩方面的意義：景觀中MPS值的分布區(qū)間對圖像或地圖的范圍以及對景觀中最小斑塊的選取有制約作用；另一方面MPS可以指征景觀的破碎程度，一個具有較小MPS值的景觀比一個具有較大MPS值的景觀更破碎。

(3)分維數(shù)

式中：p為某類斑塊的平均周長；A為某類斑塊的平均面積；FDI的理論值范圍在1.0至2.0之間，F(xiàn)DI值越大，斑塊形狀越復雜，值越小，斑塊形狀越簡單。

(4)景觀優(yōu)勢度指數(shù)

式中：L為某斑塊的數(shù)目/斑塊總數(shù)目；R為某斑塊的面積/斑塊總面積；LDI為斑塊在景觀中的重要程度，LDI值越大斑塊越重要。

(5)景觀破碎度指數(shù)

式中：∑Nk為某一斑塊的總個數(shù)；∑Ak為該類型斑塊的總面積。F反映了破碎化程度，F(xiàn)值越大斑塊破碎化程度越大。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用轉(zhuǎn)移變化

利用ArcGIS10.2對2009年、2013年和2016年土地利用分類圖進行疊加分析，統(tǒng)計得到2009～2013年和2013～2016年的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，結(jié)果如表1、表2所示。

結(jié)果表明： 2009～2013年，荒草地面積轉(zhuǎn)出最多，達938 316.96m2；園林地面積轉(zhuǎn)入最多，為1 275 446.14m2，轉(zhuǎn)出荒草地的74%變?yōu)閳@林地。2013～2016年，耕地面積轉(zhuǎn)出最多，面積為1 879 296.92m2；園林地和水域面積轉(zhuǎn)入最多，分別為1 671 883.88m2和841 758.78m2。由此可見，太平國家濕地公園的土地利用類型主要變化是耕地、 園林地和水域， 耕地面積從4 190 014.00m2到4 625 756.52m2再到 3 150 722.15m2，先增加后減少，總體呈減少趨勢；園林地面積從1 001 151.43m2到1 832 242.16m2再到2 925 448.58m2，處于不斷增加的趨勢；水域面積從2 792 211.97m2到2 962 408.24m2再到3 344 957.41m2，也在不斷增加。

由分析可知，耕地的置換面積較大，主要分布在中部平坦地區(qū)；園林地大規(guī)模增加主要分布在中部和南部地區(qū)；荒草地以減少為主，分布在西部和南部地區(qū)；水域面積增加，分布比較分散；其他建設(shè)用地略微增加，分布在中東部地區(qū)；住宅用地的減少明顯，分布在東部地區(qū)。

表1 2009～2013年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 m2

表2 2013～2016年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 m2

3.2 景觀格局變化過程

景觀格局的變化可以通過斑塊的變化來顯示出來[14]，對斑塊數(shù)量指數(shù)、斑塊周長、斑塊平均面積的統(tǒng)計進行分析(見表3)，結(jié)合各景觀面積的變化可以看出：

1)2009年和2013年耕地為整個景觀格局中的基質(zhì)，2016年時水域變?yōu)榱嘶|(zhì)。2009年和2016年斑塊數(shù)表現(xiàn)為耕地>園林地>水域>荒草地>其他建設(shè)用地>住宅用地，而在2013年斑塊數(shù)表現(xiàn)為耕地>園林地>水域>荒草地>住宅用地>其他建設(shè)用地。2009年、2013年和2016年中，耕地斑塊數(shù)量比重在分別為50.8%、51.8%和45.3%，園林地分別占16.8%、24.4%和29.7%，水域分別占11%、12.2%和12.5%，荒草地分別占10.5%、5.5%和5.5%，住宅用地分別占5.2%、3.7%和1.6%，其他建設(shè)用地分別占5.6%、2.4%和5.5%。

2)將景觀格局指數(shù)分析結(jié)合2009～2013年和2013～2016年的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可以看出，2009年到2016年耕地的斑塊數(shù)量指數(shù)、斑塊周長有明顯的減少，景觀面積整體上呈下降趨勢，耕地正逐漸轉(zhuǎn)移變?yōu)槠渌仡?。園林地除了斑塊數(shù)量指數(shù)大致呈增長趨勢外，斑塊周長、斑塊平均面積和景觀面積皆有較大幅度的增長，從轉(zhuǎn)移矩陣中也可以看出園林地是太平國家濕地公園建設(shè)過程中發(fā)展最快的地類。水域的斑塊數(shù)量指數(shù)、斑塊周長大致呈下降趨勢，而平均斑塊面積、景觀面積是上升的，其中大量耕地、園林地變?yōu)樗?，使水域的面積逐漸擴大，并有逐漸合并的趨勢?；牟莸匕邏K數(shù)量指數(shù)、斑塊周長有明顯的下降，斑塊平均面積和景觀面積大致呈下降趨勢，轉(zhuǎn)移矩陣也展示出濕地公園里的荒草地正在逐步的變?yōu)橐詧@林地為主的其他地類。住宅用地的斑塊數(shù)量指數(shù)、斑塊周長、斑塊平均面積和景觀面積都迅速減少，轉(zhuǎn)移矩陣中也展示出住宅用地大量轉(zhuǎn)移為其他地類，可以看出住宅用地在太平國家濕地公園建設(shè)過程中大量減少，由于采煤塌陷地的逐漸擴大，原濕地公園內(nèi)的住宅都在逐漸的搬遷，轉(zhuǎn)移安置。其他建設(shè)用地斑塊數(shù)量指數(shù)、斑塊周長大致呈下降趨勢，而斑塊平均面積和景觀面積有略微的增長，表明原有的其他建設(shè)用地正逐漸被太平國家濕地公園的建設(shè)項目所取代。

表3 2009年、2013年和2016年景觀格局指數(shù)

3.3空間異質(zhì)變化過程

景觀異質(zhì)性的研究也是景觀格局分析的重要過程[15-16]?？臻g異質(zhì)性是通過斑塊的空間分布形式的不均勻性、形狀差異和復雜程度上反映出來[17]。本研究通過分維數(shù)、景觀優(yōu)勢度指數(shù)、景觀破碎度指數(shù)來反映空間異質(zhì)性變化的特征。通過分析(見表4)可以看出：

1)分維數(shù)可以展示出斑塊形狀，它的取值范圍為1～2，當取值為1時，斑塊邊界的曲折性最大；當取值為2時，斑塊邊界為圓，邊界的曲折性最小。由分析可以看出3年中各景觀斑塊分維數(shù)都很接近，在1.008～1.150之間。說明太平濕地公園內(nèi)各景觀都具有較小的邊界曲折性，斑塊的形狀都比較單一。其中耕地、園林地、住宅用地、水域的分維數(shù)增大，說明這幾類用地的斑塊形狀逐漸變得復雜化，而荒草地的分維數(shù)減小，表明其斑塊形狀逐漸變得均勻，其他建設(shè)用地的分維數(shù)沒有明顯變化。

2)2009年的景觀優(yōu)勢度指數(shù)表現(xiàn)為耕地>水域>園林地>荒草地>住宅用地>其他建設(shè)用地，2013年景觀優(yōu)勢度指數(shù)表現(xiàn)為耕地>園林地>水域>荒草地>住宅用地>其他建設(shè)用地，2016年景觀優(yōu)勢度指數(shù)表現(xiàn)與2013年相同，由此可見耕地的面積雖然減少，但在研究區(qū)仍占有主導地位；園林地與水域的優(yōu)勢度都有增長，但園林地在2013年超過水域的優(yōu)勢度指數(shù)，成為繼耕地之后的主導地類；荒草地、住宅用地和其他建設(shè)用地的地類優(yōu)勢度指數(shù)均減少。

(3)對于景觀破碎度來說，景觀破碎化是由社會經(jīng)濟活動的影響超過自然活動的影響導致的[18-19]。通過分析發(fā)現(xiàn)耕地、水域、園林地、荒草地和其他建設(shè)用地的景觀破碎度均減小，說明這幾類斑塊呈逐漸聚集狀態(tài)，而住宅用地由于搬遷與規(guī)劃在研究區(qū)范圍內(nèi)破碎度略有增加。

表4 2009年、2013年、2016年景觀指數(shù)

4 討論

研究區(qū)作為采煤塌陷地而生的新生濕地，一方面受人為過度開采煤礦導致的采煤塌陷地的影響，生態(tài)環(huán)境遭到破壞，地表變形，耕地造成嚴重破壞，土壤環(huán)境改變，土壤養(yǎng)分流失嚴重，肥力下降[20]，礦區(qū)塌陷后形成大面積長期積水，濕地公園中的水域面積呈擴大趨勢，同時由于不同地區(qū)塌陷程度不同，造成耕地、水域和園林地等斑塊形狀難以均勻規(guī)劃。另一方面因塌陷而形成新生濕地資源為合理整治采煤塌陷區(qū)和礦坑積水區(qū)、營造濕地自然生態(tài)系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)，為建設(shè)濕地公園提供了條件[21]。濕地公園的開發(fā)與建設(shè)要結(jié)合塌陷區(qū)現(xiàn)狀與演變趨勢進行，通過計劃性的修復、補充耕地，發(fā)展?jié)竦亟?jīng)濟，遵循生態(tài)規(guī)劃完善公園建設(shè)，使耕地、水域和園林地面積增加，斑塊集聚程度增大，充分開發(fā)未利用地并安置搬遷村莊，合理配置住宅用地和生態(tài)用地比例，提高土地利用率，提高規(guī)劃布局的科學性。太平國家濕地公園將采煤塌陷的利與弊相結(jié)合，利用煤矸石填充部分塌陷區(qū)，營造景觀，變廢為寶[22]，并結(jié)合采煤塌陷地動態(tài)變化特點[23]，合理開發(fā)利用新生濕地資源，加強與土地、園林、環(huán)保等相關(guān)部門的聯(lián)系[24]，實現(xiàn)其生態(tài)價值，為該地區(qū)的生態(tài)恢復治理提供典范。

5 結(jié)論

(1)2009年、2013年與2016年這三年間，太平國家濕地公園中耕地在2009年和2013年為景觀格局的基質(zhì)，水域在2016年總面積超過耕地成為景觀格局的基質(zhì)。耕地、水域和園林地為研究區(qū)的主要地類，三種地類在2009年占研究區(qū)總面積的75.3%，2013年占88.9%，2016年占89.0%。景觀斑塊整體數(shù)量緩慢下降，其中荒草地，住宅用地下降明顯，轉(zhuǎn)移矩陣顯示耕地、住宅用地、荒草地正逐漸轉(zhuǎn)移為園林地和水域。

(2)斑塊數(shù)量、優(yōu)勢度、破碎度三個指標在生態(tài)公園建設(shè)中變化明顯。其中荒草地、住宅用地斑塊數(shù)量下降明顯；耕地、園林地、住宅用地和水域的斑塊形狀逐漸變得復雜，荒草地的斑塊形狀逐漸變得均勻，其他建設(shè)用地沒有明顯變化；耕地面積逐漸雖然減少但一直處于主導地位，園林地和水域的面積逐漸增加，并且園林地在2016年超過水域成為次主導景觀，其他用地優(yōu)勢度均減少；耕地、水域、園林地、荒草地和其他建設(shè)用地的景觀破碎度均減小，斑塊逐漸聚集，而住宅用地破碎度指數(shù)略有增加。

研究區(qū)由于采煤塌陷地的逐漸擴大，耕地傾斜，村莊搬遷，而水域的面積不斷增加，太平國家濕地公園的建設(shè)實現(xiàn)了當?shù)氐幕謴椭亟ㄅc景觀的合理利用，又為當?shù)氐纳鷳B(tài)建設(shè)做出了貢獻，同時警示人們開發(fā)與保護并舉的重要性，為因地制宜發(fā)揮景觀最大效益提供經(jīng)驗做法。