2000-2015年FAST周邊土地利用景觀格局演變分析

趙祖?zhèn)? 趙衛(wèi)權(quán) 李威 楊家芳 孫小瓊

【摘要】定量化識(shí)別FAST周邊土地利用景觀格局以及時(shí)空演變特征，對(duì)于管理和維護(hù)FAST周邊生態(tài)環(huán)境和靜默環(huán)境具有重要意義。通過(guò)構(gòu)建景觀動(dòng)態(tài)變化模型以及選取斑塊密度、最大斑塊指數(shù)、景觀形狀指數(shù)、景觀集合度等景觀指數(shù)，對(duì)FAST周邊30 km緩沖區(qū)的土地利用景觀結(jié)構(gòu)、景觀動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移和演變特征進(jìn)行定量化分析。結(jié)果表明：①研究區(qū)周邊30 km緩沖區(qū)范圍內(nèi)以林地為優(yōu)勢(shì)景觀，占比約為57%，耕地和草地次之，占比約20%，水域景觀和建設(shè)用地景觀最少，占比不足1%;②耕地、林地和草地景觀之間相互轉(zhuǎn)換頻繁，水域景觀面積減少規(guī)模不大，建設(shè)用地景觀面積呈現(xiàn)劇烈上升趨勢(shì)，多數(shù)源于對(duì)林地、耕地和草地的占用;③2000-2015年期間，土地景觀斑塊破碎化程度整體呈“U”型變化.2010-2015年研究區(qū)域人類活動(dòng)對(duì)于景觀的干擾程度增加，必須針對(duì)性地管控FAST周邊人類活動(dòng)強(qiáng)度。

【關(guān)鍵詞】土地利用變化;景觀格局;時(shí)空演變;FAST

【中圖分類號(hào)】F301.2

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

景觀格局是指形狀不同、大小各異的景觀要素在二維空間上的排列組合，包括景觀要素的數(shù)目、類型、空間分布、占比配置、形狀大小等特征，景觀格局是各種生態(tài)過(guò)程在不同等級(jí)尺度上的綜合作用或結(jié)果，影響著景觀內(nèi)物種的豐富度和種群的生存環(huán)境，定量化研究區(qū)域景觀格局的演變規(guī)律，對(duì)于理解生態(tài)過(guò)程、輔助生態(tài)系統(tǒng)的管理和保護(hù)具有重要意義。因此，區(qū)域景觀格局演變及其演變機(jī)制是當(dāng)前景觀生態(tài)學(xué)和地理學(xué)領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。

隨著全球氣候變化以及不斷加重的人類活動(dòng)影響，土地利用的生態(tài)效應(yīng)備受關(guān)注。如任志遠(yuǎn)等基于土地利用動(dòng)態(tài)度模型，探討土地利用變化對(duì)于銀川盆地景觀格局脆弱性的影響程度;胡艷興等基于土地利用空間格局，從景觀結(jié)構(gòu)、類型和異質(zhì)性等方面構(gòu)建景觀格局穩(wěn)定性模型，對(duì)蘭州的景觀格局穩(wěn)定性進(jìn)行定量評(píng)估;郭少壯等利用景觀格局指數(shù)和地表覆蓋分類系統(tǒng)，構(gòu)建景觀脆弱度指數(shù)和人為干擾度，研究了秦嶺地區(qū)1980-2015年的景觀格局演變規(guī)律及其對(duì)人為干擾的響應(yīng);于婧等基于GIS和Fragstats分析技術(shù)，從景觀特征、抗干擾能力、和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等方面構(gòu)建土地生態(tài)質(zhì)量綜合評(píng)估模型，研究湖北仙桃市土地生態(tài)質(zhì)量狀況。當(dāng)前對(duì)于土地利用景觀格局的研究，多數(shù)關(guān)注流域、行政區(qū)劃、礦區(qū)、濕地、城市群等，但對(duì)于國(guó)家重大科技基礎(chǔ)建設(shè)工程周邊環(huán)境的研究較少。

國(guó)家重大工程500m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope，F(xiàn)AST），位于貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣克度鎮(zhèn)大窩凼的喀斯特洼坑中。隨著FAST工程的竣工及使用，為保護(hù)FAST周邊的無(wú)線電靜默環(huán)境，核心區(qū)內(nèi)進(jìn)行了一系列的建設(shè)工程、移民搬遷工程，中間區(qū)和邊遠(yuǎn)區(qū)內(nèi)，為旅游觀光而進(jìn)行的開(kāi)發(fā)建設(shè)也如火如荼，如天文酒店、天文體驗(yàn)區(qū)、天坑景區(qū)，F(xiàn)AST周邊5km以外的人類活動(dòng)強(qiáng)度不斷加大。因此，識(shí)別FAST周邊土地利用景觀格局時(shí)空演變特征，對(duì)于FAST周邊的生態(tài)安全格局的構(gòu)建和FAST健康運(yùn)行具有重要意義。

基于此，本文基于CIS空間分析原理和景觀生態(tài)學(xué)原理，構(gòu)建土地利用景觀動(dòng)態(tài)度模型，從類型水平選取斑塊密度、最大斑塊指數(shù)、景觀形狀指數(shù)、景觀聚合度等景觀指數(shù)，定量化分析2000-2015年FAST周邊30 km緩沖區(qū)內(nèi)的土地利用景觀格局演變特征，為FAST周邊景觀生態(tài)安全格局的構(gòu)建和FAST周邊環(huán)境管理提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

500m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（Five-hundred-meter ApertureSpherical Telescope.FAST），是一架直徑500 m，利用貴州現(xiàn)有喀斯特坑洼為基礎(chǔ)，反射面能主動(dòng)變形的球面射電望遠(yuǎn)鏡，位于貴州省黔南州平塘縣克度鎮(zhèn)大窩凼坑洼中。作為一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)處于國(guó)際前沿的天文觀測(cè)設(shè)備，F(xiàn)AST蘊(yùn)藏著巨大的發(fā)現(xiàn)機(jī)遇，具有對(duì)天文學(xué)產(chǎn)生重大影響的潛力。

1993年，中國(guó)天文學(xué)家提出在貴州喀斯特峰叢洼地建設(shè)大射電望遠(yuǎn)鏡陣列的建議。2007年，國(guó)家批復(fù)了FAST立項(xiàng)建議書(shū)，工程進(jìn)入可行性研究階段。2011年3月，村民搬遷完畢，F(xiàn)AST項(xiàng)目開(kāi)始動(dòng)工。2016年9月25日，舉世矚目的“大射電”竣工并投入使用。從選址、開(kāi)工到投入使用，依據(jù)《貴州省500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡電磁波寧?kù)o區(qū)保護(hù)辦法》，為保護(hù)FAST正常運(yùn)行，將FAST電磁波寧?kù)o區(qū)劃分為核心區(qū)、中間區(qū)和邊遠(yuǎn)區(qū)，以FAST臺(tái)址為中心，半徑5 km的區(qū)域?yàn)楹诵膮^(qū)，半徑5 - 10 km環(huán)帶為中間區(qū)，半徑10 - 30 km環(huán)帶為邊遠(yuǎn)區(qū)。FAST周邊30km的電磁波寧?kù)o區(qū)，約95.77%在貴州省境內(nèi)，4.23%在廣西省河池市天峨縣三堡鄉(xiāng)。FAST周邊環(huán)境經(jīng)歷了移民搬遷、施工建設(shè)、旅游開(kāi)發(fā)等多方面的影響。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為2000、2005、2010和2015年FAST周邊30km的土地利用，覆被類型數(shù)據(jù)（貴州部分），空間分辨率為30 m，通過(guò)地理空間數(shù)據(jù)云和USGS獲取四期遙感影像，根據(jù)Google高清影像輔助進(jìn)行感興趣區(qū)的選取，利用ENVI 5.3進(jìn)行監(jiān)督分類，將研究區(qū)的景觀類型大致分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地等五種類型。景觀動(dòng)態(tài)變化和轉(zhuǎn)移矩陣，是利用ArcCIS統(tǒng)計(jì)分析和空間分析工具進(jìn)行計(jì)算;景觀指數(shù)是運(yùn)用Fragstats v4.2進(jìn)行計(jì)算，鄰域選擇4x4。

2.2 研究方法

2.2.1 景觀格局指數(shù)。景觀指數(shù)是指從斑塊、類型和景觀等多層次角度進(jìn)行考慮，以定量化方式表達(dá)斑塊形狀、數(shù)量、大小、密度等結(jié)構(gòu)組成和空間配置特征的簡(jiǎn)單指數(shù)。景觀指數(shù)的變化，可以從一定程度上揭示自然因素和人類干擾對(duì)于土地景觀的影響程度。參考相關(guān)研究，景觀類型水平上選取斑塊密度、最大斑塊指數(shù)、景觀形狀指數(shù)、斑塊聚合度對(duì)FAST周邊各景觀類型的格局進(jìn)行定量化分析，景觀指數(shù)的計(jì)算公式和生態(tài)意義詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)。

2.2.2景觀動(dòng)態(tài)變化模型。景觀動(dòng)態(tài)變化模型主要用于定量化測(cè)度景觀類型的轉(zhuǎn)移方向、數(shù)量和程度。

（1）單一景觀動(dòng)態(tài)度。單一景觀動(dòng)態(tài)度可以反映一定時(shí)期內(nèi)，某種景觀類型的變化程度。計(jì)算公式如下：

（2）景觀轉(zhuǎn)移矩陣。轉(zhuǎn)移矩陣可以直觀的表達(dá)景觀類型之間相互轉(zhuǎn)移的方向和程度，其中轉(zhuǎn)移程度以轉(zhuǎn)移面積大小的方式表達(dá)，轉(zhuǎn)移面積越多，說(shuō)明被侵占擠壓的程度越大。轉(zhuǎn)移矩陣的計(jì)算公式如下：

3 結(jié)果與分析

3.1 景觀結(jié)構(gòu)特征

從各類景觀類型面積和占比情況統(tǒng)計(jì)來(lái)看（表1），F(xiàn)AST周邊30 km緩沖區(qū)范圍內(nèi)景觀類型多樣，以林地為主要優(yōu)勢(shì)景觀，多年占比均在57%以上，其次是耕地和草地，兩類景觀面積相當(dāng)，多年占比均超過(guò)20%，水域和建設(shè)用地的面積最少，占比均少于1%;從空間分布情況來(lái)看（圖1），林地景觀類型分布廣泛，F(xiàn)AST核心區(qū)、中間區(qū)和邊遠(yuǎn)區(qū)均為林地景觀占優(yōu)，耕地景觀主要分為6大塊，即中間區(qū)的克渡鎮(zhèn)和塘邊鎮(zhèn)區(qū)域、邊遠(yuǎn)區(qū)南部的董當(dāng)鄉(xiāng)至云干鄉(xiāng)區(qū)域、西涼鄉(xiāng)周邊、新塘鄉(xiāng)至通州條帶區(qū)域、羨塘鄉(xiāng)和抵季鄉(xiāng)北部零散區(qū)域、邊陽(yáng)鎮(zhèn)周邊等，草地景觀分布特征與耕地大概相同，連片區(qū)域分布在耕地景觀周邊，水域景觀主要分布在邊遠(yuǎn)區(qū)山谷中的河流和部分水庫(kù)，如曹渡河、壩王河、龍?zhí)端娬舅畮?kù)，建設(shè)用地景觀，主要集中分布在地勢(shì)較平坦區(qū)域，如研究區(qū)西南部羅甸縣城、克渡鎮(zhèn)、邊陽(yáng)鎮(zhèn)、其它鄉(xiāng)鎮(zhèn)周邊以及鄉(xiāng)鎮(zhèn)間道路兩旁呈條帶狀區(qū)域。

3.2 景觀類型動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移

從FAST周邊景觀類型動(dòng)態(tài)變化統(tǒng)計(jì)可知（表2，表3），2000-2005年期間，草地面積劇烈減少，減少面積約18.25km2，轉(zhuǎn)移方向?yàn)楦睾土值?，其中?guī)模大小約18.90 km2的草地轉(zhuǎn)為耕地，規(guī)模大小約25.62 km2的草地轉(zhuǎn)為林地，林地和耕地也向草地轉(zhuǎn)移分別13.15 km2和13.14 km2，耕地、林地和草地的動(dòng)態(tài)度分別為1.12%、0.78qo和-3.05%，這5年期間建設(shè)用地和水域景觀的變化程度不大;2005-2010年期間，建設(shè)用地景觀變化較為劇烈，動(dòng)態(tài)度達(dá)127.55，面積增長(zhǎng)約0.97km2，建設(shè)用地景觀面積增長(zhǎng)來(lái)源為林地和草地，耕地景觀類型變化較為明顯，耕地面積大約減少2.51 km2，林地減少約0.09 km2，轉(zhuǎn)移方向主要為耕地和草地，轉(zhuǎn)移面積分別約為7.96km2和6.08 km2，林地和草地向耕地景觀轉(zhuǎn)移的面積分別為7.10km2和4.42 km2; 2010-2015年期間，建設(shè)用地景觀劇烈增加，面積增加約12.60 km2，動(dòng)態(tài)度達(dá)146.61%，建設(shè)用地面積增加來(lái)源于耕地、林地和草地，占用面積分別為5.49 km2、5.00 m2和2.75 km2。

總體來(lái)看，2000-2015年期間耕地、林地和草地景觀之間相互轉(zhuǎn)換頻繁，水域景觀面積減少程度不大，建設(shè)用地景觀面積呈現(xiàn)劇烈上升趨勢(shì)，反映出人類活動(dòng)對(duì)于FAST周邊的景觀結(jié)構(gòu)影響越來(lái)越明顯。

3.3 景觀指數(shù)變化特征

利用依據(jù)Fragstats v4.2軟件，計(jì)算2000-2015年4個(gè)時(shí)期土地景觀類型水平上的斑塊密度、景觀形狀指數(shù)、最大斑塊指數(shù)和斑塊聚合度指數(shù)及其變化特征（表4）。其中斑塊密度主要用于測(cè)度斑塊的破碎度情況，PD值越大，說(shuō)明某類型景觀斑塊破碎度越大;最大斑塊指數(shù)用于表示最大斑塊占某類型景觀面積的比例，反映最大斑塊對(duì)于景觀的影響程度，LSI值越高，該類型斑塊對(duì)于景觀影響越大;景觀形狀指數(shù)用于測(cè)度某類型景觀的整體斑塊的復(fù)雜或者規(guī)則程度，LPI指數(shù)越大，景觀斑塊形狀越復(fù)雜，反之越規(guī)則;景觀聚合度指數(shù)主要用于測(cè)度某種景觀類型斑塊間的連通性程度，AI值越小，景觀越離散，反之聚集程度高。

通過(guò)分析可知，2000-2005年，林地景觀斑塊密度略有增加，景觀形狀指數(shù)增大，最大斑塊指數(shù)增大，斑塊聚集度減小，說(shuō)明該5年期間林地景觀斑塊破碎化程度增加，斑塊形狀趨于復(fù)雜，最大林地斑塊面積增加，且斑塊間的離散程度增加;耕地景觀斑塊密度減小，破碎化程度減小，斑塊形狀趨于復(fù)雜，最大耕地斑塊面積增加，耕地斑塊之間的連通度有所降低;草地景觀斑塊密度降低，破碎度減少，斑塊形狀趨于復(fù)雜，連通度有所降低;水域景觀破碎化特征不明顯，連通性有所降低;建設(shè)用地整體斑塊形狀趨于復(fù)雜和離散，連通性有所降低。

2005-2010年，林地景觀破碎化程度有降低，斑塊形狀復(fù)雜程度減小，斑塊間聚集程度有所增加;耕地景觀破碎化程度增加，斑塊形狀趨于規(guī)則，斑塊間的連通性有所增加;草地景觀破碎化程度降低，斑塊形狀趨于規(guī)則，斑塊間連通性降低;水域斑塊形狀趨于復(fù)雜，連通度有所增加;建設(shè)用地景觀破碎化程度增加，斑塊形狀趨于復(fù)雜，最大斑塊面積規(guī)模變大，離散程度增加，連通性降低。

2010-2015年，林地景觀各指標(biāo)的變化特征類似2000-2005年的變化特征，呈現(xiàn)進(jìn)一步的斑塊破碎化、形狀復(fù)雜化、斑塊間連通程度略有降低;耕地破碎化程度增加，形狀趨于復(fù)雜，最大斑塊規(guī)模有所減小，斑塊連通性有所減小;草地斑塊密度增加，形狀指數(shù)變化不明顯，最大斑塊面積規(guī)模增加，斑塊間連通性增加;建設(shè)用地景觀破碎化程度減小，形狀進(jìn)一步規(guī)則，斑塊連通性降低。

整體來(lái)看，不同土地利用景觀的景觀破碎度從大到小的排序大致為：耕地景觀>草地>林地景觀>建設(shè)用地景觀>水域景觀，耕地景觀最為破碎，水域景觀較為連續(xù);從斑塊形狀來(lái)看，耕地景觀形狀最為復(fù)雜，草地和林地景觀次之，水域和建設(shè)用地景觀最為規(guī)則;從斑塊的聚集性或者連通性方面看，林地景觀連通性最好，水域和建設(shè)用地景觀連通性較差。FAST周邊30km范圍的斑塊密度呈現(xiàn)先減少后增加，呈“U”型變化，即2000-2010年斑塊破碎化程度有所降低，但2010-2015年呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，反映了后五年人類活動(dòng)對(duì)于景觀的干擾程度增加，這與FAST工程的施工建設(shè)、移民搬遷活動(dòng)、周邊旅游開(kāi)發(fā)活動(dòng)等時(shí)間相對(duì)應(yīng)。

4 結(jié)論

本文基于ArcGIS空間分析原理和景觀生態(tài)學(xué)原理，通過(guò)構(gòu)建景觀動(dòng)態(tài)模型和景觀指數(shù)，定量分析2000-2015年FAST周邊30 km（貴州范圍內(nèi)）的土地景觀結(jié)構(gòu)以及演變特征，主要結(jié)論如下。

（1） FAST周邊30 km緩沖區(qū)范圍內(nèi)，土地景觀以林地為優(yōu)勢(shì)景觀，多年占比均超過(guò)57%，耕地和草地景觀占比20%左右，水域和建設(shè)用地景觀占比不足1%。

（2） 2000-2015年期間，耕地、林地和草地景觀之間相互轉(zhuǎn)換頻繁，水域景觀面積減少規(guī)模不大，建設(shè)用地景觀面積呈現(xiàn)劇烈上升趨勢(shì)，建設(shè)用地15年間增加約13.57 km2，建設(shè)用地景觀面積的增加，多數(shù)源于對(duì)林地、耕地和草地的占用。

（3） 2000-2015年期間，土地景觀斑塊破碎化程度整體呈“U”型變化，2010-2015年研究區(qū)域人類活動(dòng)對(duì)于景觀的干擾程度增加，F(xiàn)AST工程的開(kāi)發(fā)建設(shè)和投入使用對(duì)于周邊的景觀結(jié)構(gòu)具有較大的直接或間接影響，必須加強(qiáng)對(duì)FAST靜默區(qū)的人類活動(dòng)干擾管控。

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[作者簡(jiǎn)介]趙祖?zhèn)悾?993-），男，貴州赫章人，研究實(shí)習(xí)員，碩士，研究方向：國(guó)土資源與3S技術(shù)應(yīng)用。

[通訊作者]趙衛(wèi)權(quán)（1982-），男，甘肅寧縣人，副研究員，博士，研究方向：資源環(huán)境與3S技術(shù)應(yīng)用。