張 霞,段建南,李 萍
(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院,湖南 長沙 410128)
隨著統(tǒng)籌“山水林田湖草”生命共同體系統(tǒng)治理以及耕地數(shù)量、質(zhì)量和生態(tài)的“三位一體”保護(hù)等目標(biāo)的提出,耕地的重要性愈發(fā)凸顯[1]。在耕地空間形態(tài)變化研究方面,主要研究方法包括耕地分布重心轉(zhuǎn)移、信息熵、景觀指數(shù)法等,耕地空間分布重心與景觀格局指數(shù)法成為如今最常見的方式[2]。
國內(nèi)在耕地空間分布格局研究方面采用最多的是景觀格局分析法,將景觀空間格局定量分析方法與GIS相結(jié)合,用以描述耕地資源的空間形態(tài)及其演變[2]。耕地資源是不可替代的寶貴資源,因?yàn)殚L瀏平丘陵區(qū)地理?xiàng)l件的復(fù)雜性和耕地空間形態(tài)發(fā)展的多樣性,因此從景觀空間分異分析耕地形態(tài)空間特征,將耕地形態(tài)與耕地空間分布格局聯(lián)系起來,可為耕地利用與保護(hù)提供理論依據(jù),同時為類似區(qū)域的耕地形態(tài)研究提供借鑒與參考。
以長瀏平丘陵區(qū)耕地為研究對象,耕地類型包括水田和旱地,其中水田是指主要用來種植水稻、蓮藕等水生農(nóng)作物的耕地,其中包括實(shí)行水稻和旱地作物輪流耕作的耕地,主要包括平原水田、丘陵水田和山地水田;旱地主要依靠自然降水或水源和澆水設(shè)施種植作物,以種菜為主,屬于正常輪作的休閑地和輪歇地,主要組成包括平原旱地、丘陵旱地和山地旱地。從耕地分布情況來看(圖1),研究區(qū)耕地主要集中在中部地區(qū),主要包括長沙市中心城區(qū)外圍部分、望城北部寧鄉(xiāng)東部地區(qū)、長沙縣以及瀏陽市東北部地區(qū),空間分布在中心城區(qū)以及城鎮(zhèn)等建成區(qū)的周邊;東部分布廣,西部少;在平原分布密集,在山地分布稀疏,且多分布在水源充足地區(qū)。
圖1 研究區(qū)2015年土地利用現(xiàn)狀圖
用GIS的信息技術(shù)能夠比較直觀方便地總結(jié)不同的耕地形態(tài)模式類型,建立耕地形態(tài)圖式語言,提高對耕地形態(tài)景觀的研究與認(rèn)識的科學(xué)性,可以為定量分析耕地形態(tài)景觀格局提供技術(shù)支持。
土地形態(tài)圖式語言研究通過室內(nèi)對遙感影像的目視判讀和圖式提取[4],確定具有代表性、典型性的區(qū)域:不同地域空間類別、不同文化景觀區(qū)域、不同農(nóng)業(yè)耕作方法以及不同地理特征下的平面形態(tài)各異的耕地。
用景觀格局指數(shù)分析法可以合理選取耕地景觀格局指數(shù)指標(biāo),對長瀏平丘陵區(qū)的耕地形態(tài)景觀指數(shù)進(jìn)行計(jì)算,并對研究區(qū)的耕地景觀格局特征空間分布規(guī)律進(jìn)行總結(jié)歸納分析[5]。
耕地形態(tài)是由耕地實(shí)體呈現(xiàn)出來的具體且有形的物質(zhì)形態(tài),是自然和人文過程相統(tǒng)一的文化現(xiàn)象;耕地形態(tài)也是在長期演變過程中,通過人地相互作用所形成的特有的形態(tài)。耕地的空間形態(tài)通過數(shù)量變化和格局變化來表達(dá)[6]。耕地利用形態(tài)通過耕地結(jié)構(gòu)、數(shù)量及空間布局在長時間序列下的變化呈現(xiàn)出來[7]。
耕地格局的發(fā)展趨勢應(yīng)由細(xì)碎、分散化狀態(tài)向集中、連片、規(guī)整的方向變化,若耕地格局變化出現(xiàn)趨勢性轉(zhuǎn)折,耕地空間形態(tài)則會發(fā)生轉(zhuǎn)型[8]。依據(jù)景觀生態(tài)學(xué)的相關(guān)理論,耕地空間形態(tài)是“構(gòu)成耕地發(fā)展變化的空間形式特征,是耕地‘有機(jī)體’內(nèi)外矛盾的結(jié)果”[9]。耕地形態(tài)可以看做是“由形狀(耕地外在形態(tài))、結(jié)構(gòu)(斑塊地理位置)和相互作用(單元間聯(lián)系與共同組成)建立的一個空間系統(tǒng)”[10]。
廊道一般是耕地被丘陵軸線及走向、河流水系、道路所隔斷的分界線,通常分實(shí)體與非實(shí)體分界線,不同主體之間的分隔邊界,可以是事實(shí)存在的,或者是意識中存在的非事實(shí)存在的邊界[11]。基底就是從耕地形態(tài)內(nèi)部展開,其形態(tài)反映出由自然因素與人為因素共同作用下,在一定空間范圍內(nèi)對耕地利用方式以及人類活動的空間載體。長瀏平丘陵區(qū)耕地形態(tài)模式的選取標(biāo)準(zhǔn)為:第一,需要體現(xiàn)不同區(qū)域的不同特色,生態(tài)性景觀空間應(yīng)有典型特色;第二,生態(tài)性指標(biāo)要素豐富,自然生態(tài)環(huán)境具多樣性;第三,研究區(qū)域平面形態(tài)豐富、典型;第四,研究區(qū)域的歷史文化背景深厚,具有穩(wěn)定存在的生產(chǎn)線景觀空間,且能充分體現(xiàn)人類活動對自然環(huán)境的影響[12]。
長瀏平地區(qū)地貌以丘陵為主,地表水系發(fā)育,支流眾多,為了確保最終歸納總結(jié)的耕地形態(tài)圖式語言系統(tǒng)相對完善,調(diào)查樣線設(shè)置應(yīng)盡可能多地覆蓋更多更全面的景觀類型[13],依據(jù)長瀏平地區(qū)的地形情況和河流水系分布特點(diǎn),選擇設(shè)置東西和南北走向兩條樣線,為樣線1和樣線2(圖2),長度分別為233.57 km和136.46 km。
在進(jìn)行長瀏平耕地形態(tài)圖式語言提取時,沿樣線選取確定耕地形態(tài)樣點(diǎn)。先通過室內(nèi)對遙感影像的目視判讀,結(jié)合現(xiàn)有的遙感影像,確定耕地平面形態(tài)特征性較明顯且具有代表性的區(qū)域,針對不同文化景觀區(qū)域、不同地域空間類別、不同農(nóng)業(yè)耕作方式以及不同地貌特征下的平面形態(tài)各不相同的耕地,具有生態(tài)系統(tǒng)特征的穩(wěn)定性和有機(jī)性。通過對長瀏平丘陵區(qū)耕地發(fā)展的相關(guān)文獻(xiàn)和案例的研究,以空間組合圖式[14]為表達(dá)形式,從空間平面的角度,結(jié)合現(xiàn)有的長瀏平丘陵區(qū)耕地遙感影像圖進(jìn)行信息提取,對耕地平面幾何形態(tài)進(jìn)行判讀和圖式提取[15],并歸納總結(jié)為四大類模式(圖3):(1)均勻類:放射狀耕地模式、網(wǎng)格狀耕地模式、指狀耕地模式;(2)聚集類:環(huán)繞狀耕地模式、樹枝狀耕地模式、條帶狀耕地模式;(3)隨機(jī)類:散點(diǎn)耕地模式;(4)組合類:坑塘耕地組合耕地模式。雖然總結(jié)的模式并不能涵蓋全部形式的耕地用地形態(tài),但它們基本能表示出長瀏平丘陵區(qū)的最明顯的耕地空間形態(tài)發(fā)展趨勢,基本存在“模式”指導(dǎo)的意義。
通過軟件Fragstats 4.0,選取所需要的指標(biāo)進(jìn)行定量測算。總結(jié)長瀏平丘陵區(qū)耕地空間結(jié)構(gòu)組成與耕地空間形態(tài)模式,結(jié)合實(shí)際情況選取斑塊總面積(TA)、斑塊數(shù)(NP)、斑塊密度(PD)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、邊界密度(ED)、平均面積(AREA_MN)、平均形狀指數(shù)(SHAPE_MN)、平均分維數(shù)(FRAC_MN)共9個景觀格局指數(shù),對長瀏平丘陵區(qū)不同耕地空間形態(tài)進(jìn)行景觀特征分析。
(1)斑塊總面積(TA):斑塊類型面積是最基本的空間特征,是具基礎(chǔ)性的景觀格局指數(shù)指標(biāo)[16],是單位面積的景觀組成和多樣性的重要影響因素[17]。斑塊總面積(TA)的表達(dá)式為:
TA=A×1/10000
(1)
式(1)中:A為整個景觀的總面積,除以10000后計(jì)量單位轉(zhuǎn)化為hm2。
(2)斑塊數(shù)(NP):是景觀中不同類型景觀斑塊的總和。若斑塊數(shù)增加,則景觀的破碎化指數(shù)增加[18]。斑塊數(shù)(NP)的表達(dá)式為:
NP=N
(2)
式(2)中:N為景觀中的斑塊總數(shù)。
(3)斑塊密度(PD):指單位面積的某種斑塊類型的斑塊數(shù)量,等于景觀斑塊總數(shù)與總景觀面積之比[19]。其數(shù)值越大,斑塊分布越復(fù)雜,景觀破碎度越高。斑塊密度(PD)的表達(dá)式為:
PD=N/A
(3)
式(3)中:N為景觀中的斑塊總數(shù);A為景觀總面積。
(4)景觀形狀指數(shù)(LSI):將景觀斑塊看做一個整體,用來研究整體景觀水平的指數(shù), LSI數(shù)值越大,說明邊界長度長且形狀不規(guī)則,斑塊景觀破碎化程度越高。景觀形狀指數(shù)(LSI)的表達(dá)式為:
LSI=E/minE
(4)
式(4)中:E指景觀的邊緣總長度,包括所有景觀邊界線和背景邊緣;minE是E的最小可能值。
(5)最大斑塊指數(shù)(LPI ):表示整個景觀或某種景觀類型中最大斑塊占總體斑塊面積的比例,表征集中度和優(yōu)勢度斑塊類型,指數(shù)的范圍介于0~100之間[20]。最大斑塊指數(shù)(LPI)的表達(dá)式為:
LPI=maxaij/A×100
(5)
式(5)中:aij代表斑塊ij的面積。
(6)邊界密度(ED):描述斑塊邊界與形狀的關(guān)系,用來衡量整個景觀斑塊被邊界割裂的程度。ED值為0說明整個景觀無邊界,景觀邊界以單元斑塊邊界來表示。邊界密度(ED)表達(dá)式為:
ED=E/A×106
(6)
式(6)中:E指景觀的邊緣總長度;A為景觀總面積。
(7)斑塊平均面積(AREA_MN):指斑塊類型的總面積除以斑塊類型的斑塊數(shù),通常用來說明景觀破碎化程度和景觀粒度。斑塊平均面積(AREA_MN)的表達(dá)式為:
(7)
式(7)中:aij是斑塊ij的面積,ni是類型i的斑塊數(shù)量。
(8)斑塊平均形狀指數(shù)(SHAPE_MN):反映了斑塊形狀相對于同等面積正方形的復(fù)雜程度,是斑塊形狀變化指標(biāo),取值大于等于1,且數(shù)值越小,景觀斑塊形狀越簡單。
斑塊平均形狀指數(shù)(SHAPE_MN)的表達(dá)式為:
(8)
式(8)中:aij是斑塊ij的面積;pij是斑塊ij的周長。
(9)平均斑塊分維數(shù)(FRAC_MN):表示不規(guī)則程度和破碎化程度,取值范圍在1~2之間,值越大,斑塊邊界形狀越復(fù)雜。
平均斑塊分維數(shù)(FRAC_MN)的表達(dá)式為:
(9)
式(9)中:aij是斑塊ij的面積;pij是斑塊ij的周長。
耕地形態(tài)類型特征分析選取斑塊總面積(TA)、斑塊數(shù)(NP)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、平均面積(AREA_MN)4個景觀格局指數(shù)(表1)。
據(jù)此可分析,放射狀和網(wǎng)格狀、指狀耕地形態(tài)模式的斑塊面積較大,存在優(yōu)質(zhì)斑塊且優(yōu)勢度較大,而破碎化程度較小,適宜于農(nóng)業(yè)耕作生產(chǎn)。樹枝狀、環(huán)繞狀、條帶狀耕地形態(tài)斑塊最大斑塊面積的數(shù)值相對較小一些,優(yōu)勢度也相對較小一些??犹粮亟M合狀耕地形態(tài)模式的破碎化程度一般,優(yōu)勢度也一般。而散點(diǎn)狀耕地形態(tài)的斑塊分散,聚集度不高且破碎化程度高。
耕地形態(tài)景觀特征分析選取邊界密度(ED)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、平均形狀指數(shù)(SHAPE_MN)這3個景觀格局指數(shù)(表2)。
由表2可知,放射狀耕地形態(tài)的邊界密度值較大,但另外兩項(xiàng)形狀指數(shù)的值偏小,說明其耕地景觀的形狀規(guī)則,復(fù)雜程度較低,但分割程度較高。網(wǎng)格狀耕地形態(tài)的耕地形狀規(guī)整有序,且整體均勻簡單,但邊界密度的數(shù)值較大一些,景觀邊界具有一定的破碎度,會受到人類社會經(jīng)濟(jì)活動的影響,具備進(jìn)行規(guī)?;r(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的條件。指狀耕地形態(tài)不規(guī)則,耕地斑塊無邊界。
樹枝狀耕地形態(tài)的邊界密度數(shù)值相對較小,景觀整體的破碎化程度較低,較為集中且聯(lián)系度高,而其景觀形狀指數(shù)較高,說明該模式下景觀形狀的整體規(guī)則程度較低,邊界長度較長,破碎化程度相對較高。環(huán)繞狀耕地形態(tài)的景觀破碎化程度一般,但邊界形狀相對較復(fù)雜,較難進(jìn)行農(nóng)業(yè)的規(guī)?;a(chǎn)和機(jī)械化作業(yè)。條帶狀耕地形態(tài)的這幾項(xiàng)指標(biāo)相對較適中,但其邊界形狀較復(fù)雜,規(guī)則程度較低,因此條帶耕地的利用程度較低,利用效率相對不高。
坑塘耕地組合狀耕地形態(tài)的各項(xiàng)指標(biāo)適中,說明該模式下的景觀破碎化程度一般,景觀形狀較規(guī)則,邊界復(fù)雜程度較低,景觀格局的生態(tài)價值較高,具有一定的穩(wěn)定性和適宜性。散點(diǎn)狀耕地形態(tài)的景觀破碎化程度較高,形狀不規(guī)則,聚集度低,形狀邊界較復(fù)雜。
耕地形態(tài)景觀優(yōu)勢度分析選取斑塊密度(PD)、平均分維數(shù)(FRAC_MN)這兩個景觀格局指數(shù)(表3)。
放射狀耕地形態(tài)的斑塊密度值與平均分維數(shù)值較小,說明景觀破碎化程度低,斑塊形狀規(guī)則集中,且LPI值較高,具有較高的優(yōu)勢度。網(wǎng)格狀耕地形態(tài)的斑塊密度數(shù)值較小且平均分維數(shù)接近于1,說明其斑塊的形狀規(guī)則簡單,破碎化程度低,而LPI值較高,體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢度。指狀耕地形態(tài)斑塊分布平均分維數(shù)接近于1,優(yōu)勢度較明顯。
樹枝狀耕地形態(tài)的斑塊密度及平均分維數(shù)的值較低,說明其聚集度較高,斑塊形狀規(guī)則,破碎化程度較低,且LPI值較高,優(yōu)勢度較明顯。環(huán)繞狀耕地形態(tài)的兩項(xiàng)指標(biāo)數(shù)值較低,景觀聚集度一般,且LPI值較高,整體的優(yōu)勢度較明顯。條帶狀耕地形態(tài)的斑塊密度相對大一些,說明其景觀斑塊的破碎度相對較大,而平均分維數(shù)相對較大,斑塊邊界形狀復(fù)雜一些,LPI值一般,優(yōu)勢度相對較小。
坑塘耕地組合模式的斑塊密度值及平均分維數(shù)較小,說明其景觀破碎化程度一般、景觀形狀較規(guī)則,優(yōu)勢度一般。
散點(diǎn)狀耕地形態(tài)斑塊破碎化程度較高,分散度較高,形狀較復(fù)雜,優(yōu)勢度較低。
通過對長瀏平丘陵區(qū)的耕地形態(tài)以及景觀格局的研究,對長瀏平丘陵區(qū)進(jìn)行耕地形態(tài)歸納提取,總結(jié)出4類耕地空間關(guān)系模式:
(1)均勻類:放射形態(tài)耕地模式、網(wǎng)格形態(tài)耕地模式、指狀形態(tài)耕地模式。放射形態(tài)耕地模式分布相對較為均勻,耕地斑塊由中心向四周放射延伸,地形平坦,多出現(xiàn)于平原地帶,耕地分布呈放射狀分布;網(wǎng)格形態(tài)耕地模式耕地分布非常均勻,耕地斑塊形狀規(guī)則,相互連接并含有許多網(wǎng)格道路,位于平原地區(qū),地勢平坦,田面較寬廣,耕地集中連片,形成多個大面積的分布區(qū),呈現(xiàn)規(guī)則式均勻聚集格局,距離基本一致;在指狀形態(tài)耕地模式中,占優(yōu)勢的兩類耕地斑塊,彼此犬牙交錯,相互交織,共享一個邊界,如果地理位置臨近則相鄰相互作用強(qiáng)烈,將會影響景觀要素的相對面積,形成“半島形”組分的方向性和豐富度,長寬則會影響景觀過程。
(2)聚集類:環(huán)繞形態(tài)耕地模式、樹枝形態(tài)耕地模式、條帶狀形態(tài)耕地模式。環(huán)繞形態(tài)耕地模式受到地形、河流隔斷等自然環(huán)境的約束,再加上人類規(guī)劃等原因的影響,被山地、丘陵、河流和森林等分隔為相對獨(dú)立的多個帶狀或團(tuán)狀用地形式,有一個中心,連接著很多分散的耕地團(tuán),沒有明顯的主次之分,形成若干較大面積的分布區(qū),再散步在整個景觀中,構(gòu)成分散發(fā)展的組團(tuán)型耕地形態(tài);樹枝形態(tài)耕地模式多沿河道分布,布局密集且緊湊,交通成本相比于指狀耕地模式及環(huán)繞狀耕地模式要低,一般以河流干流為中心,通過中心枝干向兩側(cè)分別延伸出不同的鏈接情況,其中兩側(cè)延伸出的耕地分支可能還會進(jìn)一步延伸出二級、三級分支等等,整體呈現(xiàn)出“綠帶串聯(lián)、枝狀穿插”;條帶狀形態(tài)耕地模式多呈線性、條形狀分布,在地勢平坦或者地形有起伏的地區(qū)都有可能出現(xiàn),或在河流沿岸植物帶、公路、鐵路、山脊線平行分布。
(3)隨機(jī)類:散點(diǎn)形態(tài)耕地模式。散點(diǎn)形態(tài)耕地模式由點(diǎn)綴在基質(zhì)里的點(diǎn)狀地物構(gòu)成,多分布在山地丘陵地區(qū),一般有溪流經(jīng)過,呈現(xiàn)不規(guī)則、無規(guī)律、隨機(jī)分布模式,破碎化程度高,交通成本高。
(4)組合類:坑塘耕地組合形態(tài)耕地模式??犹粮亟M合耕地模式屬于特定組合或空間連接,是耕地與坑塘相關(guān)聯(lián)的格局,一般分布在地勢低洼地帶,水源坑塘密布呈現(xiàn)出散點(diǎn)狀,與耕地呈拼接式組合。
耕地形態(tài)斑塊類型特征分析:均勻類耕地形態(tài)模式斑塊面積相對都較大,景觀斑塊規(guī)模較大,存在優(yōu)質(zhì)斑塊,適宜于農(nóng)業(yè)耕作生產(chǎn); 環(huán)繞狀、樹枝狀、條帶狀最大斑塊面積相對較小,優(yōu)勢度較前三類低;坑塘耕地組合耕地形態(tài)與散點(diǎn)狀耕地形態(tài)最大斑塊面積值較小,聚集度不高,耕地形態(tài)景觀規(guī)模小。
耕地形態(tài)的斑塊形狀分析:放射形態(tài)、網(wǎng)格形態(tài)、樹枝形態(tài)形狀規(guī)則;指狀形態(tài)、環(huán)繞形態(tài)、條帶狀形態(tài)、散點(diǎn)形態(tài)耕地斑塊形狀不規(guī)則;坑塘耕地組合形態(tài)的形狀一般規(guī)整。
耕地形態(tài)景觀斑塊優(yōu)勢度分析:放射形態(tài)、網(wǎng)格形態(tài)、指狀形態(tài)、環(huán)繞形態(tài)、樹枝形態(tài)優(yōu)勢度明顯;條帶狀形態(tài)、散點(diǎn)狀形態(tài)、坑塘耕地組合形態(tài)優(yōu)勢度不明顯。
耕地形態(tài)景觀斑塊異質(zhì)性分析:均衡分布最明顯的是指狀耕地形態(tài)、散點(diǎn)狀耕地形態(tài)。
長瀏平丘陵區(qū)耕地分布總體情況:高密度區(qū)集中分布在中部地區(qū),西部和東部相對較為稀疏,耕地分布以中部區(qū)域?yàn)橹鳌T诘匦纹教?、起伏度小的平原地區(qū),值越大,耕地分布密度越高;在地勢較高、地形起伏度較高的丘陵地區(qū),值越小,耕地分布密度越低;在城市中心發(fā)展區(qū)域以及遠(yuǎn)離城區(qū)的地區(qū),密度值小,而在發(fā)展區(qū)外圍靠近發(fā)展區(qū),密度值高。
任何空間格局都是過程演變的瞬時狀態(tài),不同的耕地形態(tài)景觀格局決定形態(tài)景觀的不同過程,人們對于耕地形態(tài)空間規(guī)劃管理的目的,是調(diào)整優(yōu)化耕地形態(tài)空間要素面積、輪廓、類型和配置等,提高耕地斑塊的連通性;耕地斑塊破碎度修復(fù)是生產(chǎn)過程和諧、有序進(jìn)行的首要前提。
(1)均勻類:優(yōu)勢度較高,一般在地勢較為平坦、水資源豐富的地區(qū),針對集中分布、集中連片、成規(guī)模的耕地,可以通過建立大型斑塊剛性控制線保持耕地斑塊的完整,或者建立斑塊剛性保護(hù)區(qū),如基本農(nóng)田保護(hù)區(qū),用以保證農(nóng)業(yè)的科學(xué)發(fā)展。
(2)聚集類:優(yōu)勢度良好,次于均勻類耕地模式,也可以通過建立小型斑塊剛性控制線,在控制線內(nèi),可以通過恢復(fù)生態(tài)節(jié)點(diǎn),使破碎化的耕地斑塊間得以連通;針對耕地斑塊形狀不規(guī)則情況,通過增強(qiáng)邊緣效應(yīng)可以增強(qiáng)相鄰耕地斑塊間的連通程度。
(3)隨機(jī)類:往往出現(xiàn)在海拔較高的地區(qū),耕地斑塊破碎度明顯,連通性差,斑塊分布較為分散,應(yīng)以保護(hù)生態(tài)環(huán)境為主,保護(hù)物種多樣性,有利于物種的擴(kuò)散與遷移。
(4)組合類:水源分布多,一般可發(fā)展多種副業(yè),可以發(fā)展?jié)O產(chǎn)養(yǎng)殖類農(nóng)產(chǎn)品,即保留水域自然斑塊與自然廊道,以集中與分散相結(jié)合混合的原則,實(shí)現(xiàn)最理想的耕地格局模式。