基于GIS的會澤縣土地景觀格局動態(tài)變化分析

彭興松，馬 娟

(云南省會澤縣林業(yè)與草原局，云南 會澤 654200)

1 引言

土地利用變化反映了在自然和人為影響下，不同景觀類型的數(shù)量與質(zhì)量隨時間的演變，以及這種變化結(jié)果會對生態(tài)環(huán)境帶來的影響與反饋[1]。隨著對生態(tài)環(huán)境的重視，土地利用變化與景觀格局變化之間的相互作用機(jī)制已成為全球環(huán)境變化研究的關(guān)鍵，受到國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注[2]。當(dāng)前學(xué)者對土地景觀格局變化的研究主要采用不同時期遙感影像進(jìn)行景觀的動態(tài)變化分析[3,4]，其研究方法主要采用空間度量技術(shù)，以反映景觀結(jié)構(gòu)中的空間成分以及變化和增長過程的動態(tài)[5,6]；并采用景觀指標(biāo)將復(fù)雜景觀量化并分類為可識別的格局，以揭示一些無法直接觀察到的景觀特性[7,8]。此外，由于形態(tài)學(xué)空間格局分析(MSPA，Morphological Spatial Pattern Analysis)方法通過形狀對應(yīng)方式對不同斑塊進(jìn)行分類，能夠快速、直觀地識別碎片空間形態(tài)，也逐漸開始應(yīng)用于景觀格局相關(guān)研究中[9,10]。研究集中于景觀分類[11]、景觀格局分析與模擬[12]、景觀格局研究的尺度問題[13]，以及基于土地利用變化過程、規(guī)律及驅(qū)動因素的景觀格局組成、成因及作用機(jī)制[14]等方面。

會澤縣巖溶區(qū)面積分布廣泛,是云南省石漠化較嚴(yán)重的縣之一，加劇的土地石漠化與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的矛盾日益突出[15]，其生態(tài)景觀系統(tǒng)極其脆弱。但有關(guān)該區(qū)景觀格局動態(tài)變化的研究還很薄弱，亟須開展相關(guān)工作，以揭示景觀格局動態(tài)演變過程及其驅(qū)動機(jī)制，以補(bǔ)充和驗證已有的研究成果。因此，以會澤縣地表景觀演化為研究對象，基于GIS技術(shù)與景觀生態(tài)學(xué)方法，從區(qū)域景觀格局時空變化著手，開展土地利用與景觀格局變化分析，以期為該區(qū)景觀格局優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省東北部、曲靖市西北部會澤縣，東經(jīng)103°03′～103°55′，北緯25°48′～27°04′，總面積5884 km2，屬典型的溫帶高原季風(fēng)氣候，夏無酷暑，冬季冷寒，干濕分明。平均海拔2200 m以上，高原空氣稀薄，輻射波短，日照時間長。年平均晴日225 d，年日照2100 h，年平均氣溫12.7 ℃。春季升溫快，秋季降溫快。境內(nèi)河流均屬金沙江水系，小江、牛欄江、以禮河及其41條支流縱貫會澤縣，其他河流74 條。該縣地處滇東北高原，烏蒙山主峰地段。山高谷深，溝壑縱橫。山川相間排列，山區(qū)、河谷條塊分布。會澤縣地勢西高東低，南起北伏，由西向東呈階梯狀遞減。會澤縣最高峰位于大海梁子牯牛寨，海拔4017 m，為曲靖市最高峰。最低處位于小江與金沙江交匯處，海拔695 m，為曲靖市最低點。地貌景觀主要有3種類型：以山地地貌為主，次為盆地地貌，部分為冰川地貌。會澤縣是典型的石灰?guī)r巖溶地區(qū)，由于各種歷史原因，人類對環(huán)境的不合理開發(fā)利用，造成地表植被破壞、土壤流失、基巖大面積裸露，石漠化成為巖溶地區(qū)突出的生態(tài)環(huán)境問題。

3 研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究所用的土地利用類型數(shù)據(jù)來自會澤縣2006 年森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)和2020 年林地變更一張圖矢量數(shù)據(jù)。參照中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(LY/T 1812-2009)中的林地分類，將研究區(qū)的土地景觀類型劃分為:有林地、灌木林、宜林荒山荒地、草地、建設(shè)用地、農(nóng)地、水域及其他地類(主要為未成林地、無立木林地)等8 個土地景觀類型。利用ArcGis軟件將土地利用矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為50 m分辨率的柵格數(shù)據(jù)，繪制出會澤縣2006～2020年土地景觀格局分布圖。

3.2 研究方法

3.2.1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

3.2.2 景觀格局指數(shù)的選取

景觀指數(shù)高度濃縮景觀格局信息，反映景觀要素的數(shù)量、大小、類型、形狀及其空間上的組合[17]。根據(jù)研究區(qū)景觀特征，選擇類型水平和景觀水平上的景觀指數(shù)進(jìn)行景觀格局動態(tài)分析。在類型和景觀水平上均選取斑塊數(shù)量(NP)、邊緣密度(ED)、平均形狀指數(shù)(SHAPE_MN)、斑塊密度(PD)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)、聚集指數(shù)(AI)、斑塊結(jié)合度(COHESION)；此外，還選取分離度指數(shù)(SPLIT)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)、香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)來反映區(qū)域景觀多樣性。

4 結(jié)果與分析

4.1 景觀變化特征分析

4.1.1 2006～2020年景觀空間分布特征

2006～2020 年會澤縣的景觀分布格局總體變化不大。有林地和農(nóng)地是最大的兩類景觀，占總面積74%，在全域呈現(xiàn)農(nóng)林交錯分布的格局。宜林荒山荒地和灌木林面積占比分別為9%和6%，主要分布在東北部牛欄江和西南部小江片區(qū)，這兩處屬于石漠化較為嚴(yán)重的區(qū)域。建設(shè)用地、水域和草地面積較小，且分布較為集中，其中建設(shè)用地主要分布在縣域中上部的會澤縣區(qū)、者海鎮(zhèn)、樂業(yè)鎮(zhèn)及馬路鄉(xiāng)等區(qū)域；水域較大面積主要為毛家村水庫和躍進(jìn)水庫；草地在西部的小江及大海草山一帶分布較多(圖1)。

圖1 2006～2020年會澤縣景觀類型分布

4.1.2 2006～2020年景觀變化特征

2006～2020 年會澤縣各類景觀均發(fā)生一定變化。從各類斑塊變化速度看，建設(shè)用地、灌木林地和宜林地變化最大，有50%以上的地塊轉(zhuǎn)化為其他景觀；而林地、農(nóng)地、草地和水域變化速度則相對較小，均超過60%的斑塊未發(fā)生改變。從各類景觀轉(zhuǎn)化類型看，建設(shè)用地主要轉(zhuǎn)化為農(nóng)地和有林地；農(nóng)地主要轉(zhuǎn)化為有林地、建設(shè)用地；有林地主要轉(zhuǎn)化為農(nóng)地、宜林地；灌木林地主要轉(zhuǎn)化為有林地和農(nóng)地；水域主要轉(zhuǎn)化為農(nóng)地和有林地；宜林地主要轉(zhuǎn)化為有林地和農(nóng)地；草要主要轉(zhuǎn)化為農(nóng)地和其他地類。到2020年，建設(shè)用地、有林地、農(nóng)地和水域景觀面積均有所增加，而農(nóng)地、宜林地和草地面積則有所減少(表1)。

表1 2006～2020年彌勒市景觀類型面積百分比轉(zhuǎn)移矩陣

4.2 景觀格局特征分析

4.2.1 景觀類型尺度分析

2006～2020年間，會澤縣各類景觀格局均發(fā)生一定變化。其中，有林地斑塊數(shù)量、斑塊密度和邊緣密度略有增加，斑塊結(jié)合度增加，聚集指數(shù)減小，表明有林地景觀盡管面積增加，結(jié)合度增強(qiáng)，但斑塊碎片較多，完整性不高，依然呈現(xiàn)破碎化加劇變化趨勢。灌木林和宜林地景觀破碎化則更為明顯，斑塊數(shù)量增多，斑塊密度和邊緣密度增大，但斑塊連通性、聚集度和蔓延性均下降。草地斑塊數(shù)量、斑塊密度均減小，斑塊形狀復(fù)雜度和蔓延性降低，但聚集度增加，表明隨著草地邊緣逐漸蠶食，一些零散小片草地消失，使得草地景觀整體呈現(xiàn)雖然面積減少，但是剩余斑塊更聚集、完整性反而提高。農(nóng)地景觀指數(shù)表明農(nóng)地景觀雖然面積減少，但斑塊數(shù)量增加，蔓延性下降，形狀變得更為規(guī)則；聚集度、結(jié)合度降低，景觀破碎化加劇。建設(shè)用地則是隨著面積增加，斑塊數(shù)量、斑塊密度和邊緣密度也增加，破碎化增加；但整體景觀的蔓延性降低，景觀分布則更加聚集。水域景觀面積增加，但景觀完整性更好，雖然分布聚集性下降，但斑塊數(shù)量減少，其蔓延性和連通性均有所提升；由于水域景觀多為線狀河流，其邊緣密度較大，形狀也更趨于不規(guī)則(表2)。

表2 2006～2020年會澤縣景觀類型指數(shù)變化情況

4.2.2 景觀水平尺度分析

2006～2020年間，景觀水平上的NP、PD、ED均明顯上升，AREA_MN下降，SHAPE_MN指數(shù)值下降，表明會澤縣景觀斑塊的數(shù)量增加，斑塊密度增加，各類景觀交錯鑲嵌，邊界割裂程度加深，破碎化程度加深，但景觀形狀趨于規(guī)則。景觀的蔓延性和連通性降低；同時，景觀蔓延度指數(shù)、聚集指數(shù)下降，分離度指數(shù)呈上升趨勢，充分反映研究區(qū)不同類型景觀的聚集程度、延展性和連通性減弱，景觀分布離散性增強(qiáng)，不利于生態(tài)功能和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的發(fā)揮。香農(nóng)均勻度指數(shù)和香農(nóng)多樣性指數(shù)的增加，反映景觀多樣性增加，整體呈現(xiàn)破碎化、非均衡性、景觀異質(zhì)性趨勢變化(表3)。

表3 2006～2020年會澤縣景觀水平指數(shù)變化情況

5 結(jié)論與討論

會澤縣各類景觀在空間分布上存在非均衡性。建設(shè)用地、灌木林地和宜林地變化最快；而林地、農(nóng)地、草地和水域變化速度則相對較?。唤ㄔO(shè)用地、有林地、農(nóng)地和水域景觀面積均增加，而農(nóng)地、宜林地和草地面積減少。盡管各地類景觀斑塊的數(shù)量、面積及空間格局都相應(yīng)地發(fā)生了不同程度的變化，但農(nóng)林始終是其景觀基質(zhì)，且呈現(xiàn)農(nóng)林交錯分布特點。景觀總體上呈現(xiàn)聚集程度、延展性和連通性減弱，趨向破碎化、非均衡性、異質(zhì)性趨勢變化。

影響會澤縣土地利用類型和景觀結(jié)構(gòu)變化的驅(qū)動因素一般包括自然因素和社會經(jīng)濟(jì)因素兩大類。在過去15年中，隨著大規(guī)模的荒山造林、封山育林使得有林地面積大量增加；退耕還林、陡坡地治理也使大量的農(nóng)地轉(zhuǎn)化為有林地。此外，城市化轉(zhuǎn)移了農(nóng)村勞動力，減輕了林區(qū)森林退化的壓力，并逐漸將一些利用率低的偏遠(yuǎn)農(nóng)田、居民區(qū)和道路轉(zhuǎn)變?yōu)樯諿18]。 “三沿”(沿路、沿河、集鎮(zhèn))使得有林地景觀的結(jié)合度增強(qiáng)，連通性提高，也使得邊緣密度增加。高速公路、等級公路、鄉(xiāng)村路道及林區(qū)道路快速發(fā)展也將有林地、農(nóng)地等各類景觀分割成更小面積的斑塊，使得景觀斑塊增多，斑塊密度增加，破碎化程度加劇。此外，特殊的地理環(huán)境也對景觀的分布帶來影響，如西部區(qū)域金沙江小江流域干熱河谷區(qū)及牯牛寨高寒山區(qū)，生態(tài)環(huán)境十分脆弱，盡管近些年來，該縣開展了大規(guī)模的封山育林、困難立地生態(tài)恢復(fù)、石漠化綜合治理等工程，但生態(tài)恢復(fù)技術(shù)要求高和難度大，投入資金及人工成本高，景觀主要以灌木林地、宜林地和草地為主。同時也發(fā)現(xiàn)，位于縣城及鄉(xiāng)鎮(zhèn)居民區(qū)，有較多的土地轉(zhuǎn)化為農(nóng)地及其他非林地景觀，在一定程度上反映了隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展，尤其是發(fā)展農(nóng)業(yè)和城市建設(shè)，對土地資源的需求逐漸增加，使得較多的林地向非林地轉(zhuǎn)化，對當(dāng)?shù)氐牧值刭Y源保護(hù)帶來了較大的壓力。

針對會澤縣景觀格局及特征，提出建議：合理規(guī)劃國土利用空間，進(jìn)一步加強(qiáng)林地資源的管理，增強(qiáng)當(dāng)?shù)鼐用竦纳鷳B(tài)保護(hù)意識，防止過度開發(fā)活動發(fā)生；同時，加強(qiáng)基本農(nóng)田保護(hù)，防止耕田“非農(nóng)化”“非糧化”。順應(yīng)自然地理地貌，依托山水林田湖草自然資源，開展綠廊綠道建設(shè)，構(gòu)建以重要自然資源分布區(qū)域為主體、水系與廊道為紐帶、重點生態(tài)公園為節(jié)點，通山達(dá)水的生態(tài)空間網(wǎng)絡(luò)。加強(qiáng)重點區(qū)域生態(tài)修復(fù)，重點開展石漠化綜合治理、退化草原修復(fù)；圍繞“美麗縣城”建設(shè)，拓展城市森林空間，重點抓好縣鎮(zhèn)入口等重點區(qū)域節(jié)點、重要道路、城鎮(zhèn)面山等的綠化美化，建立“點、線、面”相結(jié)合的立體化全方位建設(shè)模式，全方位提升會澤縣城森林景觀質(zhì)量。