兩種指數(shù)法表征重慶市忠縣土地利用/覆蓋變化的對比研究

詹立坤, 郭先華, 符坤, 張娜, 劉茜, 李廷真

兩種指數(shù)法表征重慶市忠縣土地利用/覆蓋變化的對比研究

詹立坤, 郭先華, 符坤, 張娜, 劉茜, 李廷真*

重慶三峽學(xué)院三峽庫區(qū)水環(huán)境演變與污染防治重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室重慶 404100

自然因素、人類活動會導(dǎo)致區(qū)域景觀格局發(fā)生變化, 進(jìn)而影響土地利用強(qiáng)度和區(qū)域生態(tài)安全。本文以重慶市忠縣為對象, 基于3S技術(shù), 應(yīng)用土地利用程度綜合程度指數(shù)和景觀指數(shù)對該區(qū)域2000、2006、2011和2017年的土地利用/覆蓋變化進(jìn)行了定量化研究, 探尋兩種方法在表征土地利用/覆蓋變化的分異特征, 結(jié)果表明: 研究區(qū)四期的土地利用綜合程度分別為265.328、265.610、266.700和268.864, 呈上升趨勢, 上升速度明顯加快, 并與建設(shè)用地的斑塊數(shù)量和未利用地的邊界密度顯著相關(guān)(二者在2000—2017年分別增長了1273和0.545), 相關(guān)系數(shù)分別為0.985和0.994, 受邊緣效應(yīng)影響。在景觀水平上, 各土地利用/覆蓋類型斑塊受人類干擾的程度不斷加深, 聚集度不斷降低, 景觀破碎化嚴(yán)重, 景觀異質(zhì)性不斷弱化。耕地為研究區(qū)主要控制景觀, 四個(gè)時(shí)期面積占比均達(dá)59%以上; 17年來, 建設(shè)用地、林地和水域面積呈增加趨勢, 分別增加了79.23 km2、88.29 km2和33.98 km2, 草地和耕地呈減少趨勢, 分別減少了103.65 km2和90.52 km2; 未利用地大幅減少, 2017年未利用地僅剩0.12 km2。研究結(jié)果為忠縣乃至三峽庫區(qū)的土地資源的合理利用提供資料參考, 也為制定科學(xué)的土地管理政策和環(huán)境治理措施提供決策支持。

遙感; 景觀; 土地利用綜合程度; 土地利用/覆蓋

0 前言

土地是人類賴以生存與發(fā)展的重要資源和物質(zhì)保障, 土地利用與土地覆被變化反映了景觀信息的變化[1]。在生態(tài)學(xué)上, 景觀是由若干個(gè)生態(tài)系統(tǒng)(自然的和人工的)組成的具有空間異質(zhì)性特征的地理單元, 而空間異質(zhì)性是指生態(tài)學(xué)過程和格局在空間分布的不均勻性和復(fù)雜性, 反映了景觀的多樣性信息[2]。研究景觀的空間結(jié)構(gòu)特征及其變化有助于為區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù), 如何較為客觀的獲取景觀信息就成了研究過程的重要一環(huán)。景觀指數(shù)以一種簡單定量的形式, 將景觀數(shù)字化, 高度濃縮了研究區(qū)的景觀格局變化信息, 也反映了景觀結(jié)構(gòu)組成特征和空間配置關(guān)系[3]。

從景觀生態(tài)學(xué)的視角來進(jìn)行區(qū)域土地利用景觀格局變化已經(jīng)成為研究的焦點(diǎn), 國外學(xué)者主要是從景觀的健康和退化情況反映研究區(qū)景觀演變的狀況, 探究景觀格局與景觀過程之間的相互關(guān)系。Mohsen Japelaghi根據(jù)已有的土地覆蓋情況, 預(yù)測了后30年的景觀類型和景觀格局指標(biāo)值變化[4]。Woon Hang Lee等人將野生動植物保護(hù)區(qū)的破碎程度和人類影響的強(qiáng)度量化, 從而評估1988年至2012年之間的時(shí)空土地利用變化[5]。將荷蘭鄉(xiāng)村景觀中奶牛養(yǎng)殖系統(tǒng)的景觀格局與農(nóng)業(yè)集約化之間的相互作用進(jìn)行了本地化和量化, Van Apeldoorn等人發(fā)現(xiàn)景觀格局和強(qiáng)度指標(biāo)之間的最大差異, 有助于為鄉(xiāng)村景觀未來動態(tài)的政策提供決策依據(jù)[6]。在國內(nèi), 基于生態(tài)安全的建設(shè), 景觀生態(tài)學(xué)的研究目前仍然處于快速發(fā)展中研究覆蓋范圍廣, 如, 以多時(shí)期的Landsat 遙感影像為數(shù)據(jù)源, 對新疆葉爾羌河流域胡楊林[7]、黃河三角洲濕地[8]、江蘇沿海地區(qū)耕地[9]、武漢中心城區(qū)湖泊[10]、東平湖濕地[11]上海市[12]和鄭州市[13]等, 通過分析土地利用等景觀格局時(shí)空演變來研究區(qū)域土地利用狀況。景觀指數(shù)、地形位指數(shù)和分布指數(shù)等指數(shù)常用來研究景觀格局動態(tài)的變化, 區(qū)域景觀格局與不同地形、坡度下各種景觀類型變化存在著相互的關(guān)系[14]; 與景觀格局的改變影響到生態(tài)系統(tǒng)的功能[15-16]。生態(tài)脆弱區(qū)是景觀生態(tài)學(xué)關(guān)注的重點(diǎn)區(qū)域, 三峽庫區(qū)由于地理位置的特殊性, 以及大范圍的工程建設(shè), 對周圍的生態(tài)環(huán)境造成了影響, 是生態(tài)脆弱區(qū), 為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)地區(qū)之一[17-20]。

在現(xiàn)有的研究中, 關(guān)于三峽庫區(qū)土地利用程度和景觀格局時(shí)空演變?yōu)檠芯繂栴}尚少, 本文以三峽庫區(qū)腹地忠縣為研究區(qū), 通過遙感影像解譯獲取了2000、2006、2011和2017年四期的土地覆被變化數(shù)據(jù), 通過土地利用程度綜合指數(shù)和景觀指數(shù)兩種方法, 表征研究區(qū)土地利用/覆蓋變化的分異特性, 研究結(jié)果可為區(qū)域土地利用規(guī)劃、生態(tài)安全建設(shè)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

忠縣位于三峽庫區(qū)生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)腹心地帶, 長江北岸, 地處東經(jīng)107°3′至108°14′、北緯30°03′至30°35′之間, 如圖1所示。東鄰萬州, 南接石柱, 西界豐都、墊江, 北壤梁平, 是三峽移民搬遷重點(diǎn)縣。境內(nèi)低山起伏, 溪河縱橫交錯(cuò), 屬典型的丘陵地貌, 呈“三山兩槽”地形。土壤以水稻土、沖積土、紫色土為主。忠縣地處暖濕亞熱帶東南季風(fēng)區(qū), 幅員面積2187 km2, 截至2018年末, 人口數(shù)量為102萬。

1.2 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)包括覆蓋整個(gè)忠縣的Landsat TM遙感影像, 下載地址為地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站和中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所(RADI), 空間分辨率均為30 m。為保證云量對圖像解譯精度的影響, 選取了云量最少且季節(jié)相近的影像, 數(shù)據(jù)詳情如下表1。其它數(shù)據(jù)有: 忠縣矢量行政區(qū)劃圖、忠縣30 m分辨率數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)(DEM), 2000年—2017年社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)等相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖1 忠縣區(qū)位圖

Figure 1 The map of Zhong County

1.3 分析方法

1.3.1 遙感圖像分類方法

利用ENVI 5.2 軟件對 Landsat 遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和計(jì)算, 主要內(nèi)容有:1)對原始4 期遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正、大氣校正和圖像增強(qiáng)等預(yù)處理, 以消除遙感數(shù)據(jù)中各種不利因素的影響, 使其能準(zhǔn)確地反映地物的真實(shí)信息; 2)利用忠縣的矢量邊界進(jìn)行影像裁剪以獲得精確研究區(qū)范圍; 3)選取5、4、3波段影像組合成紅、綠、藍(lán)三種顏色的假彩色合成圖像, 依據(jù)國家土地利用分類方法并結(jié)合研究區(qū)的地域特征, 采用監(jiān)督分類中的最大似然方法, 定義地物類型訓(xùn)練樣本, 參照Google Earth 歷史影像數(shù)據(jù)以及實(shí)地調(diào)查記錄, 對ENVI 監(jiān)督分類得到的地物類型訓(xùn)練樣本進(jìn)行進(jìn)一步確認(rèn), 最終將忠縣地物類型解譯為林地、草地、建筑用地、耕地、水域及未利用地。

表1 各時(shí)期遙感影像數(shù)據(jù)

各個(gè)地物類型樣本之間的可分離性用Jeffries Matusita參數(shù)表示, ENVI為每一個(gè)分類的地物類型組合計(jì)算Jeffries Matusita 距離, 參數(shù)的值在0—2.0之間, 大于1.9說明地物類型之間可分離性好; 小于1.8, 需要重新編輯或者重新選擇樣本; 小于1, 考慮將兩類樣本合成一類樣本[21]。經(jīng)計(jì)算研究區(qū)這六種地物類型之間的Jeffries Matusita參數(shù)均大于1.9, 說明地物類型之間的可分離性好。

對遙感影響分類解譯后, 需對分類結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn), 計(jì)算分類錯(cuò)誤概率大小。在對計(jì)算機(jī)分類結(jié)果準(zhǔn)確性分析時(shí), 一般并不能對整幅圖的每個(gè)像元驗(yàn)證, 因此選取有代表性的檢驗(yàn)區(qū), 從檢驗(yàn)區(qū)中選取檢驗(yàn)樣本, 構(gòu)建混淆矩陣(每一列代表了預(yù)測類別, 每一列的總數(shù)表示預(yù)測為該類別的數(shù)據(jù)的數(shù)目; 每一行代表了數(shù)據(jù)的真實(shí)歸屬類別, 每一行的數(shù)據(jù)總數(shù)表示該類別的數(shù)據(jù)實(shí)例的數(shù)目), 計(jì)算分類結(jié)果圖的相應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行精度評價(jià)。本文采用總體分類精度和Kappa系數(shù)指標(biāo)對分類結(jié)果進(jìn)行精度評價(jià)。其中, 總體分類精度的計(jì)算公式為

Kappa系數(shù)計(jì)算公式為

式中:為總體分類精度;a為混淆矩陣的元素; i, j分別為混淆矩陣的行數(shù)和列數(shù), 且=;為混淆矩陣的階數(shù);Cell為所有真實(shí)參考源的像元總數(shù),為Kappa系數(shù)[22]。經(jīng)ENVI 5.2軟件計(jì)算總體分類精度和Kappa系數(shù)結(jié)果如下表, 得知四期影像分類精度較高, 滿足后續(xù)分析變化要求。

1.3.2 土地利用綜合程度指數(shù)測算

土地利用程度綜合指數(shù)用來描述土地資源的利用變化, 是土地利用景觀格局變化的重要指標(biāo), 反映了土地以及土地利用結(jié)構(gòu)的變化[22], 從而揭示研究區(qū)域內(nèi)土地資源利用變化的強(qiáng)弱程度, 有利于更好的了解土地利用覆被變化的情況。

土地利用程度綜合指數(shù)是針對一個(gè)具體年份內(nèi)所有土地利用類型整體反映的土地利用集約化程度。土地利用程度綜合指數(shù)通過對土地利用程度的分級, 量化人類活動對于土地系統(tǒng)的影響程度, 定量地描述該地區(qū)土地利用的綜合水平和變化趨勢[23-24]。根據(jù)土地利用程度分級原則[25—27], 按照土地自然綜合體在社會因素影響下的自然平衡狀態(tài)分為4個(gè)等級, 如表3所示。

公式表達(dá)如下:

式中,為土地利用程度綜合指數(shù);A為第級的土地利用程度分級指數(shù);C為第級土地利用程度分級面積百分比。

表2 各時(shí)段精度評價(jià)結(jié)果表

采用3.25 km×3.25 km的網(wǎng)格作為統(tǒng)計(jì)單元, 將研究區(qū)分為204個(gè)網(wǎng)格, 計(jì)算各指標(biāo)數(shù)據(jù), 將204個(gè)網(wǎng)格計(jì)算后的土地利用綜合程度數(shù)值依次賦值到編號對應(yīng)的中心點(diǎn), 最后利用Kriging插值, 得到忠縣土地利用程度分布圖。

1.3.3 景觀指數(shù)分析

景觀指數(shù)能夠定量表述景觀特征, 反映景觀格局信息。對于研究各土地利用類型的演變及綜合利用程度而言, 采用景觀水平上景觀指數(shù)來表示。結(jié)合研究區(qū)尺度, 主要選取斑塊水平上景觀格指數(shù), 包括: 斑塊個(gè)數(shù)()、斑塊密度()、邊界密度()、景觀分維數(shù)()和面積加權(quán)平均斑塊形狀指數(shù)()、聚集度()、散布與并列指數(shù)()和分離度指數(shù)()等斑塊水平指數(shù)來反應(yīng)研究區(qū)土地覆蓋變化的景觀特征, 景觀指數(shù)的計(jì)算方法及意義詳見表4[2,3,26, 28], 各景觀指數(shù)的計(jì)算均在 Fragstats4．2 軟件中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地覆蓋變化分析

土地覆蓋變化反映了人類活動對自然生態(tài)環(huán)境的影響, 通過對研究區(qū)三期影像分類, 得到林地、草地、耕地、建設(shè)用地、水域以及未利用地六類覆蓋類型信息。如下圖2所示:

研究區(qū)總面積2187 km2, 各類土地類型面積分布不均衡, 差異明顯(表5)。2000以來, 忠縣土地覆蓋類型主要以耕地為主, 占研究區(qū)總面積比重在59%以上, 但耕地占地面積總體持續(xù)減少, 截至2017年減少量為90.52 km2; 林地次之, 所占比重在23%以上, 呈上升趨勢, 與2000年相比, 2017年增加了88.49 km2; 建設(shè)用地所占比重較少, 但持續(xù)增加, 而且提升幅度較大, 占全縣面積從2000年的0.84%增至2017年的4.46%; 水域面積逐年增長, 17年間增長量為33.98 km2; 草地面積出現(xiàn)了波動, 整體上呈現(xiàn)減少的趨勢, 從2000年的198.40 km2減少到2017年的94.75 km2。未利用地減少幅度較大, 2017僅有0.12 km2, 在2006年后, 隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)加快, 越來越多的未利用地被開墾, 使得該類型土地面積急劇減少。忠縣景觀以人為景觀(耕地, 建設(shè)用地)為主, 而自然景觀(林地、草地等)占據(jù)較小比例。說明忠縣地區(qū)是以人為景觀為主導(dǎo)區(qū)域的景觀格局特征, 人為景觀處于支配地位, 這與研究區(qū)的人口數(shù)量、經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度及農(nóng)業(yè)政策有關(guān)。

表3 土地利用類型分級表

表4 斑塊水平景觀指數(shù)

圖2 忠縣2000—2017年景觀類型圖

Figure 2 Landscape types image of Zhong County from 2000 to 2017

2.2 土地利用綜合程度指數(shù)分析

研究區(qū)四個(gè)時(shí)期的土地利用綜合程度指數(shù)均在265—269之間, 并呈逐年上升的趨勢, 說明研究區(qū)域的土地利用綜合程度處于中等水平, 土地利用集約化程度不斷提高。2000—2006年土地利用綜合程度指數(shù)上升率幅度為0.41%, 變化幅度較少, 表明這個(gè)時(shí)期研究區(qū)土地利用程度處于調(diào)整或衰退階段。2017年土地利用綜合程度指數(shù)比2000年上升了3.536, 尤其是2011年以后, 研究區(qū)處于一個(gè)土地利用較快發(fā)展期,人口的增長, 經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及國家政策的傾斜, 土地利用的深度和廣度不斷增大, 使得土地利用程度明顯提高?？梢? 人口的變化對土地利用綜合程度有較大的影響。三峽庫區(qū)的建設(shè)使得大范圍的生態(tài)移民, 更多的土地轉(zhuǎn)化為居民建設(shè)用地, 加快了土地利用開發(fā)程度。

四個(gè)時(shí)期的土地利用綜合程度指數(shù)較高的區(qū)域主要在長江中游——忠縣主城區(qū)及西北區(qū)域附近, 如圖4。海拔相對較低, 為0—800 m, 典型的低海拔山地地貌, 地形起伏較小, 土壤肥沃, 多為水稻土、紫色土、黃壤土。氣候適宜, 適宜人類生產(chǎn)生活, 因此更容易受到人類的干擾, 故多為建設(shè)用地和耕地, 呈現(xiàn)出不同土地利用兼?zhèn)涞母窬脂F(xiàn)狀, 致使土地利用綜合程度較高。土地利用綜合程度指數(shù)較低的區(qū)域主要在忠縣南北區(qū)域邊界地帶以及中部山地附近, 該區(qū)域?yàn)橹泻０紊降氐孛? 海拔普遍在1000 m以上,地形起伏較大, 土壤較為貧瘠, 相對人口較少, 不利于人們生活和從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動, 人類活動對自然影響程度較小, 景觀類型多為林地和草地, 從而在一定程度上降低了對土地的利用綜合程度。也說明了該區(qū)域多為自然景觀, 植被覆蓋率較高。2000年, 經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式以農(nóng)業(yè)為主, 耕地在土地利用方式中占主導(dǎo)地位, 故大范圍的土地利用綜合程度較高, 但總體上指數(shù)相對較低, 后來隨著城鎮(zhèn)化的不斷發(fā)展, 居民聚居地成為了土地利用綜合程度指數(shù)較高的區(qū)域。

表5 2000—2017年忠縣景觀類型面積統(tǒng)計(jì)表

圖3 研究區(qū)域不同時(shí)期土地利用綜合程度指數(shù)變化

Figure 3 The change of land use degree index in different phase in study region

相比于 2000 年, 2017年人們對忠縣西部土地的開發(fā)強(qiáng)度明顯增大。2000—2017 年土地利用程度增加幅度較大的區(qū)域主要集中在研究區(qū)的西北部和東北部地區(qū)。近 17 年來人們對忠縣的開發(fā)利用程度從南部向西北部和東北部增強(qiáng), 從生態(tài)環(huán)境較好的地區(qū)向生態(tài)脆弱區(qū)增強(qiáng)。

2.3 景觀指數(shù)分析

通過軟件Fragstas 4.2軟件進(jìn)行計(jì)算, 最終得到2000年、2006年、2011年和2017年研究區(qū)景觀類型水平指數(shù), 見圖5。

林地面積表現(xiàn)為持續(xù)增加的趨勢, 而斑塊數(shù)量總體上呈下降的趨勢, 17年來, 共減少了2251, 同時(shí)邊界密度從2000年的1.521, 增加到2017年的3.064, 增加率為101.45％。另一方面, 面積加權(quán)平均斑塊形狀指數(shù)和斑塊分維數(shù)呈上升的趨勢, 這說明人類有組織的開發(fā)和干擾增強(qiáng)。三峽庫區(qū)的開發(fā)建設(shè)和研究區(qū)忠縣柑橘產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展, 導(dǎo)致了林地樹種的增多, 長江兩岸樹木蔥綠, 擴(kuò)大了邊界總長度, 從而造成了邊界密度的增加。斑塊密度從2000年的1.521上升到2017年的3.064, 同時(shí)聚集度保持平穩(wěn), 分離度呈下降趨勢, 說明隨著柑橘種植業(yè)的發(fā)展, 林地斑塊聚集的更加緊密, 由分散走向集中。當(dāng)景觀是由許多離散的小區(qū)塊組成時(shí), 其聚集度的值較小; 當(dāng)景觀中以少數(shù)大斑塊為主, 或同一類型的斑塊呈現(xiàn)高度相接時(shí), 其聚集度的值較大。就所由景觀類型而言, 耕地的聚集度最大, 而耕地聚集度呈現(xiàn)下降的趨勢, 而分離度在2000—2006年和2011—2017年呈現(xiàn)增加趨勢, 在2006—2011年呈現(xiàn)減少的趨勢, 總體略有下降。在所有景觀類型中, 其分離度最小, 這是由于耕地斑塊面積比例最大, 處于主體地位, 分布相對集中。但由于人口壓力過大及土地利用方式不合理, 耕地斑塊數(shù)量17年間減少了3676, 隨著斑塊密度和邊界密度的上升, 表明人類一些不合理的活動給局部環(huán)境引發(fā)了破壞性性后果, 斑塊被分割, 破碎度增大。面積加權(quán)平均斑塊形狀指數(shù)和斑塊分維數(shù)呈上升的趨勢, 斑塊面積趨于復(fù)雜化, 也一定程度上反映了人為干擾對該類型不斷增加的程度。

圖4 研究區(qū)土地利用綜合指數(shù)空間分布狀況

Figure 4 The spatial distribution of land use degree index in the study region

圖5 2000—2017年研究區(qū)斑塊水平景觀指數(shù)動態(tài)變化

Figure 5 Dynamic changes of patch landscape index in the study area from 2000 to 2017

表6 土地利用綜合程度與斑塊指數(shù)相關(guān)性分析結(jié)果

建設(shè)用地斑塊的斑塊分維數(shù)為所有景觀類型中的最大值, 是受人類影響最大的土地利用類型, 和面積加權(quán)平均斑塊形狀指數(shù)均呈上升趨勢, 這與經(jīng)濟(jì)發(fā)展, 不斷推進(jìn)城鎮(zhèn)化發(fā)展是有密切關(guān)系的。斑塊面積的擴(kuò)大導(dǎo)致了斑塊數(shù)量上升了1273, 增加率為54.15%, 并且由于該景觀類型面積的增加, 致使邊界總長度的增加, 邊界密度擴(kuò)大了8倍, 是所有景觀類型中增長最快的斑塊, 也導(dǎo)致了斑塊密度呈上升趨勢。17年間聚集度呈上升趨勢, 但是相對變化不大, 分離度在2000年最大, 2017年最小, 說明研究初期, 建設(shè)用地在分布格局上分散, 后來城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快, 不斷呈向外擴(kuò)展的發(fā)展趨勢, 居民點(diǎn)由散居向聚居轉(zhuǎn)變, 逐年由分散走向集中, 連接性增強(qiáng)。

草地斑塊數(shù)量在研究期內(nèi)總體上呈現(xiàn)減少的趨勢, 而斑塊密度和邊界密度呈現(xiàn)逐年上升的趨勢, 分別上升了205.96%和51.40%, 草地聚集度越來越小, 分離度越來越大。這是由于草地被生態(tài)造林, 農(nóng)業(yè)用地, 濫砍濫伐等被侵占破壞, 分布愈加分散, 斑塊逐漸破碎化, 聚集度和連接性降低, 主要分布在林地景觀周邊, 呈零散分布。而草地的斑塊分維數(shù)和面積加權(quán)平均斑塊形狀指數(shù)變化趨勢相同。都是呈現(xiàn)先增加后減少再上升的趨勢, 庫區(qū)修建占用了大量的草地, 退耕還林還草等政策使其趨于不規(guī)則化和復(fù)雜化。

三峽庫區(qū)的修建, 擴(kuò)大了水域的面積, 斑塊數(shù)量總體呈上升趨勢。2000—2006年庫區(qū)初步修建完成, 擴(kuò)大了水域所占面積比例, 導(dǎo)致了邊界總程度的增加, 從而造成了邊界密度從0.996上升到了1.494, 相對于其他時(shí)間段, 上升率最高。與其他景觀類型相比, 水域的分維數(shù)較大, 水域景觀貫穿研究區(qū)域內(nèi), 所經(jīng)地形復(fù)雜, 另一方面, 長江沿岸多為居住地, 開發(fā)利用頻繁。水域被分割和侵蝕, 受人類干擾程度加大, 斑塊趨于破碎化, 連通性減弱, 從而造成水域景觀的聚集度和分離度降低的趨勢。

未利用低景觀的破碎度是最大的, 而聚集度也從2000年的80.358下降到2017年的75.142, 邊界密度17年間減少了0.545, 這是因?yàn)殡S著不斷開發(fā)建設(shè), 使得部分荒山荒地被利用起來, 進(jìn)行人工植草造林, 從而造成未利用面積減少, 在空間上呈分散布局。

散布與并列指數(shù)反映了對那些受到某種自然條件嚴(yán)重制約的生態(tài)系統(tǒng)的分布特征。研究各斑塊的散布與并列指數(shù)處在40—85之間, 結(jié)合地域自然條件, 地形起伏較大, 說明研究區(qū)的各種生態(tài)系統(tǒng)受到垂直地帶性的作用顯著, 尤其水域和耕地, 受影響程度較大。

2.4 土地利用綜合程度指數(shù)與關(guān)鍵斑塊水平景觀指數(shù)分異

采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)法分析了土地利用綜合程度指數(shù)與斑塊水平景觀格局指數(shù)(8個(gè)指數(shù))的相關(guān)性, 數(shù)據(jù)基本符合正太分布, 可以進(jìn)行相關(guān)性分析。設(shè)置兩個(gè)顯著性水平(0.05和0.01), 并進(jìn)行雙尾檢驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上, 確定了影響土地利用綜合程度指數(shù)的關(guān)鍵景觀指數(shù)。相關(guān)性結(jié)果如下表。

土地利用綜合程度指數(shù)與建設(shè)用地斑塊數(shù)量和未利用地邊界密度密切相關(guān), 相關(guān)系數(shù)分別為0.985和0.994, 這意味著斑塊特征對土地利用綜合程度具有重大的影響。主要原因是建設(shè)用地是人為景觀的典型代表, 對土地開發(fā)利用的程度最高。建設(shè)用地的斑塊密度、邊界密度和面積加權(quán)平均斑塊形狀指數(shù)相關(guān)系數(shù)分別為0.879、0.868和0.922, 表明也有很強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系, 這三者景觀指數(shù)的增大, 表明建設(shè)用地面積擴(kuò)大, 斑塊形狀變得更復(fù)雜, 更不規(guī)則, 人類的影響程度加深, 有助于提升土地利用綜合程度。而與未利用地的邊界密度具有很強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系, 未利用地的邊界密度越大, 說明未利用地被邊界的其他類型景觀的分割程度越高, 越容易被開發(fā), 將未利用地轉(zhuǎn)化為其他用地類型, 從而極大程度提高土地利用的綜合程度。另一方面, 與未利用地分離度的相關(guān)系數(shù)為0.936, 有很強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系。分離度越大, 不同景觀類型之間的演替就越頻繁, 未利用地分離度越大, 就越容易轉(zhuǎn)換成其他景觀類型, 從而提升土地利用的綜合程度。

林地、草地、耕地和建設(shè)用地的斑塊分維數(shù)與土地利用綜合程度指數(shù)的相關(guān)程度均在0.7以上, 同時(shí)林地、草地、耕地和建設(shè)用地的面積加權(quán)平均斑塊形狀指數(shù)的相關(guān)程度在0.8以上, 呈現(xiàn)很強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系。這表明隨著人類活動的增加, 景觀形狀變得更加復(fù)雜, 破碎度和連通性發(fā)生了顯著變化, 使景觀類型更加多樣化, 促進(jìn)土地利用綜合程度的提高。隨著研究區(qū)城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)必然帶來建設(shè)用地不斷增加, 而林地、草地、耕地面積隨之下降, 因此必須協(xié)調(diào)城市發(fā)展與土地利用之間的關(guān)系, 促進(jìn)綠色的可持續(xù)發(fā)展, 實(shí)現(xiàn)土地集約化利用。

3 討論

社會及經(jīng)濟(jì)建設(shè)活動不可避免會影響土地覆蓋變化, 從而導(dǎo)致景觀結(jié)構(gòu)、功能與動態(tài)的變化。在這個(gè)過程中, 人類自身及其活動起著重要的作用。三峽工程的實(shí)施, 庫區(qū)水位上升, 淹沒大量的生態(tài)用地和耕地, 為了保存被水淹沒的肥沃土壤, 以及防止肥沃土壤淹沒后對庫區(qū)環(huán)境造成污染, 于是實(shí)施了“移土培肥”項(xiàng)目, 將這些土壤轉(zhuǎn)移到相對貧瘠的地方重新利用, 從而提高土地貧瘠地區(qū)的糧食作物產(chǎn)量[29]。忠縣在當(dāng)時(shí)被重慶市確定為三峽移土培肥工程試點(diǎn)縣, 占用了大量的草地。另外,為了滿足日益增長的糧食需求,大量天然草地被用于耕種作物,致使自2000年后忠縣草地面積持續(xù)減少, 2000—2006年間減少量為30.15 km2, 而到2017年, 草地面積僅剩94.75 km2, 較2000年下降了52.24%。這就造成了草地分布趨于分散化, 斑塊逐漸破碎化, 主要分布在林地景觀周邊, 呈零散分布。

17年間, 林地面積逐年上升, 增長了88.49 km2。一方面是由熱量和水分的增加, 一部分草地轉(zhuǎn)換為了林地; 另一方面, 得天獨(dú)厚的自然氣候條件讓忠縣成為了“中國柑橘城”, 截止2017年, 忠縣已建成35萬畝標(biāo)準(zhǔn)果園基地, 在林地中占了很大的比例。人類對林地干擾的程度加深, 一方面提升了植被覆蓋率, 但某些區(qū)域封山育林、種植柑橘林等措施, 也降低了林地的聚集程度, 使林地分布趨于分散化。

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展, 建設(shè)用地一直處于顯著增加的狀態(tài), 從2000年的18.32 km2增加到2017年的97.55 km2, 17年間的建筑面積增長了432.48%。三峽庫區(qū)建設(shè), 移民建立了新的居民地,加快了忠縣城區(qū)擴(kuò)建的速度[30]。另一方面, 城市化進(jìn)程加快與人口數(shù)量的增加在不同程度上推動了城市的快速發(fā)展, 使一些分散的居民點(diǎn)走向了集中。也因此, 建設(shè)用地成為了研究區(qū)景觀中受人類活動影響最大的斑塊類型。

隨著三峽庫區(qū)蓄水量的增加, 水域面積不斷擴(kuò)大。在水位抬高的過程中, 大部分河灘地, 和另外一些近河裸地、沙灘地被水淹沒[31]。后來隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)不斷推進(jìn), 越來越多的未利用地不斷被開墾, 轉(zhuǎn)換化為村鎮(zhèn)建設(shè)用地和林地, 柑橘的種植面積也隨之?dāng)U大。耕地在2000—2017年間一直處于減少的狀態(tài), 主要是因?yàn)槿龒{水庫的修建和城鎮(zhèn)化建設(shè)造成了耕地斑塊被分割, 破碎度日益增大, 連通性減弱。這就警示我們, 耕地作為人類賴以生存的基本資源和條件, 應(yīng)確保耕地的數(shù)量和質(zhì)量, 這樣才能保持農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

人類活動可以直接或間接影響環(huán)境, 從而導(dǎo)致景觀類型的變化, 并最終影響整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的變化。人為干擾被認(rèn)為是在較小的時(shí)空尺度上增加景觀異質(zhì)性的主要驅(qū)動力, 并影響著景觀類型的演變, 而中等水平的干擾有利于生物多樣性的改善[32]。隨著人類活動對環(huán)境的影響越來越大, 景觀格局演變受到人類干擾更多的影響。最后, 進(jìn)一步加深了各類土地利用斑塊的破碎化程度, 人口增長和人為干擾是研究區(qū)忠縣景觀破碎化和生態(tài)退化的重要原因。

利用土地利用綜合程度指數(shù)與景觀指數(shù)來量化土地利用/覆蓋變化的分異特性, 在理解未來土地利用/覆蓋的變化趨勢方面起著重要作用。有助于規(guī)劃者理解這些變化的復(fù)雜性, 也可以用作評估土地使用價(jià)值的有效標(biāo)準(zhǔn)。但是, 在改變土地用途之前, 應(yīng)考慮這一系列的連鎖反應(yīng), 以防止土地利用/覆蓋的任意改變對該地區(qū)脆弱生態(tài)系統(tǒng)造成不可彌補(bǔ)的損害。

4 結(jié)論

隨著三峽庫區(qū)的建設(shè), 社會的發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快, 人類對土地利用的干擾越來越明顯, 使得研究區(qū)各景觀類型變化顯著, 在這17年里, 各類用地間呈“三增三減”的變化趨勢, 主要表現(xiàn)為: 林地、建設(shè)用地和水域不同程度增加, 分別增加了88.49 km2、79.23 km2和33.98 km2, 草地、耕地和未利用地面積不斷減少, 分別減少了103.65 km2、90.52 km2和8.65 km2。忠縣目前主要的用地類型是耕地, 其次為林地, 建設(shè)用地面積增長速度加快。耕地和林地變化相對穩(wěn)定。

用地類型的變化, 也引起了土地利用綜合程度的變化。時(shí)間上, 2000年以來, 土地利用綜合程度呈上升趨勢, 2011年后土地利用綜合程度上升速度明顯提高, 表明人們在不斷提高土地利用程度, 使有限資源效益最大化, 土地利用向著多樣化和均勻化方向發(fā)展?？臻g上, 土地利用綜合程度相對較高的區(qū)域主要在長江中游-忠縣主城區(qū)及西北區(qū)域附近, 歸因于海拔較低, 地形相對平坦, 交通便利, 適宜人類開發(fā)。

土地利用/覆蓋的變化是自然與人為因素相互作用的結(jié)果, 景觀指數(shù)是評估景觀總體狀態(tài)的有效量化指標(biāo), 可以使人們更準(zhǔn)確地了解土地利用/覆蓋。研究區(qū)整個(gè)區(qū)域斑塊密度偏大, 聚集度呈下降趨勢, 斑塊破碎化程度較高, 受人類干擾比較強(qiáng)烈, 景觀形狀趨于復(fù)雜和不規(guī)則, 空間格局更加復(fù)雜。絕大部分景觀的斑塊分維數(shù)和面積加權(quán)平均斑塊分維數(shù)偏小, 形狀趨于簡單, 景觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差。應(yīng)注重優(yōu)化景觀形態(tài)結(jié)構(gòu), 增強(qiáng)各景觀類型空間布局的均衡性。

景觀指數(shù)揭示了如何進(jìn)一步提高土地利用綜合程度, 在斑塊景觀指數(shù)中, 建設(shè)用地斑塊數(shù)量和未利用地邊界密度土地利用綜合程度指數(shù)顯著相關(guān), 系數(shù)分別為0.985和0.994。以土地集約高效利用為目標(biāo), 有計(jì)劃擴(kuò)大建設(shè)用地面積, 開發(fā)未利用土地, 優(yōu)化土地資源配置, 使土地利用/覆蓋變化格局與研究區(qū)的社會經(jīng)濟(jì)相適應(yīng)。

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Comparative study of two index methods for characterizing of landuse / cover change in Zhong County, Chongqing

ZHAN Likun, GUO Xianhua, FU Kun, ZHANG Na, LIU Xi, LI Tingzhen*

Key Laboratory of Water Environment Evolution and Pollution Control in Three Gorges Reservoir, Chongqing Three Gorges University, Chongqing 404100, China

Natural factors and human activities will lead to changes in regional landscape pattern, and then affect the intensity of land use and regional ecological security. Zhong County, Chongqing City was taken as the research area in this paper.Based on 3S technology, we used the comprehensive index of land use degree and landscape index to quantitatively analyze the the changes of land use/cover in 2000, 2006, 2011, and 2017. The results show that the comprehensive degree of land use in the four periods of the study area was 265.328, 265.610, 266.700 and 268.864, showing an upward trend. The rising rate was significantly accelerated. The comprehensive degree of land use was significantly correlated with the number of patches of construction land and the boundary density of unused land. These two indices increased by 1273 and 0.545 from 2000 to 2017, respectively.The correlation coefficients were 0.985 and 0.994 respectively, which were affected by the edge effect. At the level of landscape types, the aggregation of patches demonstrated a declining trend, due to the deepening of human interference after the sluice of the reservoir. The landscape fragmentation was serious, and the landscape heterogeneity was continued to weaken. Cultivated land was the main controlled landscape in the area, and the area proportion of the four periods was more than 59%. In the past 17 years, there has been a curve in construction land, forest land and waters, increased by 79.23 km2, 88.29 km2and 33.98 km2respectively. And the areas of grassland and arable land were decreased by 103.65 km2and 90.52 km2respectively. The unused land was only 0.12 km2in 2017. The work can provide a decision support for the formulation of scientific land management policies and environmental governance measures.

remote sensing; landscape; comprehensive degree of land use; land use/cover

詹立坤, 郭先華, 符坤, 等. 兩種指數(shù)法表征重慶市忠縣土地利用/覆蓋變化的對比研究[J]. 生態(tài)科學(xué), 2021, 40(4): 102–112.

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10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.04.012

P901

A

1008-8873(2021)04-102-11

2020-02-03;

2020-03-05

國家自然科學(xué)基金(41461117); 三峽庫區(qū)水環(huán)境演變與污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(WEPKL2016ZD-02)

詹立坤(1994—), 男, 河北秦皇島人, 碩士研究生, 主要研究方向景觀生態(tài), E-mail: zlkforpeople@163.com

李廷真(1978—), 男, 博士, 教授, 主要研究方向環(huán)境安全, E-mail: litingzhen@163.com