黑龍江烏裕爾河流域土地利用及景觀變化分析*

劉鴻雁,趙雨森

(1.東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院,哈爾濱 150040;2.哈爾濱市水務(wù)局,哈爾濱150076)

土地利用是自然基礎(chǔ)上人類活動的直接反映,具有顯著的空間特征和時間特點[1]。研究土地利用格局,了解其形成和變化的成因與機理,分析其時空演變規(guī)律,可以進一步了解景觀格局與自然、生態(tài)過程和社會經(jīng)濟活動之間的關(guān)系[2]。景觀是具有高度空間異質(zhì)性的區(qū)域,它是由相互作用的斑塊以一定的規(guī)律組成的[3]。景觀空間格局分析是景觀生態(tài)學(xué)研究的核心問題之一。景觀格局及其變化和發(fā)展是自然、生物和社會要素相互作用的結(jié)果。景觀破碎化是與景觀變化密切相關(guān),它使景觀要素被破碎成眾多小斑塊,使流域景觀結(jié)構(gòu)和功能都受到影響,景觀破碎化程度被認為是景觀格局及其生態(tài)功能趨于不穩(wěn)定的標志[4],是對流域范圍內(nèi)生物多樣性嚴重的威脅,是景觀格局研究的重要內(nèi)容之一。進行土地利用及景觀格局分析有助于探討其景觀格局和生態(tài)過程的相互關(guān)系。土地利用及景觀格局變化分析一般方法包括遙感圖像處理、生成統(tǒng)計報表、景觀分析等。本文將GIS和景觀空間格局定量指標相結(jié)合,對烏裕爾河流域土地利用及景觀空間格局進行測定和統(tǒng)計,分析其景觀格局指數(shù),從表面上無序的景觀中發(fā)現(xiàn)其潛在變化規(guī)律或趨勢,這對土地資源合理利用、土地利用規(guī)劃和控制水土流失等均有重要意義[5]。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

烏裕爾河位于黑龍江省西部,東經(jīng) 123°47′20″-127°27′40″,北緯 46°23′05″-48°25′55″,屬溫帶大陸性季風氣候區(qū)。烏裕爾河發(fā)源于小興安嶺西麓山前臺地沼澤地,是嫩江左岸的較大無尾河流,全長587 km,流域總面積19 060 km2。流域范圍涉及黑龍江省的拜泉縣、北安市、杜蒙縣、富?？h、克東縣、克山縣、林甸縣、訥河市、齊齊哈爾市、泰來縣、五大連池和依安縣等12個縣市。烏裕爾河流域土壤類型主要為草甸土、黑土、黑鈣土、沼澤土、暗棕壤、風沙土等,其中草甸土5 827 km2、黑土5 034 km2、黑鈣土4 094 km2,廣義黑土(草甸土、黑土、黑鈣土)占比重相當大,達78.5%。由于流域土壤富含有機質(zhì),適合于農(nóng)業(yè)生產(chǎn),耕地成為主要的景觀類型。由于土地的過度開墾和其它不合理利用,該流域?qū)λ亮魇置舾小Ａ饔蚩缭胶邶埥〉奈鞑匡L沙區(qū)和漫川漫崗區(qū)兩個水土保持工作分區(qū)。其中風沙區(qū)土地面積為8 284 km2,占全流域的43.5%,漫川漫崗區(qū)土地面積為10 776 km2,占整個流域的56.5%。

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來源及處理 本文以黑龍江省1995年和2000年Landsat TM假彩色合成影象為本底數(shù)據(jù),以縣為單位分幅切割,采用ERDAS IMAG INE 9.1對影像圖進行幾何校正、影像融合、影像增強、影像拼接和裁剪幾何糾正、輻射糾正和投影處理后,詳繪1∶10萬土地利用現(xiàn)狀圖,圖件投影方式為雙標準緯線等面積割圓錐投影,采用全國統(tǒng)一的中央經(jīng)線和雙標準緯線,中央經(jīng)線為東經(jīng)105°,雙標準緯線為北緯25°和北緯47°,坐標原點為105°E,0°N 。

通過傳統(tǒng)的目視判讀解譯影像,在人機交互方式下,利用A rcGIS分別對2期 TM影像的各種景觀類型進行邊界勾繪并賦小班屬性值,在Geodatabase建立信息庫,最后通過拓撲關(guān)系生成土地利用景觀斑塊分布圖(附圖4)。從Geodatabase中提取各景觀類型的斑塊特征值后,采用景觀格局指數(shù)分析法,借助景觀分析軟件 Fragstats從斑塊(Patch)、斑塊類型(Class)和景觀(Land)3個水平上計算各種景觀格局指數(shù),進行斑塊特征分析和景觀異質(zhì)性分析,以揭示研究區(qū)內(nèi)的景觀格局特征。

本文土地利用景觀分類主要以《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T 21010-2007)為依據(jù),遙感解譯結(jié)合本流域的特點,將土地利用景觀劃分為6個大類,21個類型:耕地(平原區(qū)水田、山區(qū)旱地、丘陵區(qū)旱地、平原區(qū)旱地),林地(有林地、疏林地、灌木林地、其他林地)、草地(覆蓋度＞50%為高覆蓋草地、覆蓋度20%～50%為中覆蓋草地、覆蓋度＜20%為低覆蓋草地)、水域(河渠、湖泊、水庫或坑塘、灘地)、建設(shè)用地(城鎮(zhèn)用地、工交建設(shè)用地、農(nóng)村居民點用地)、未利用土地(裸巖石礫地、灘地、鹽堿地、沼澤地等)。并在此基礎(chǔ)上進行景觀制圖和建立區(qū)域景觀數(shù)據(jù)庫。景觀制圖(附圖4)按21類詳細類型進行,景觀數(shù)據(jù)分析為便于制表,按土地利用的6大類進行計算分析。

1.2.2 指數(shù)選取與計算 本文景觀指數(shù)的計算均采用 Fragstats的公式和計算方法。通過 RS和GIS對研究區(qū)域影像及景觀圖處理后,采用景觀分析軟件Fragstats,從斑塊、景觀類型和景觀格局3個水平上分別計算出2期影像景觀指數(shù),本文僅從景觀類型(Class)和景觀格局水平上進行討論,由于描述景觀格局的指數(shù)眾多,根據(jù)本項研究目的,對其中具有代表性的指數(shù)作以分析,斑塊類型選取了景觀百分比PLAND、斑塊數(shù)量 NP和斑塊密度PD等10個指數(shù),在景觀格局水平上選用多樣性指數(shù)和優(yōu)勢度指數(shù)等多項指數(shù)。研究所選用的部分景觀指數(shù)公式如下:

(1)斑塊所占景觀面積的比例PLAND。它所度量的是景觀的組分,可以作為確定景觀中優(yōu)勢元素的依據(jù)之一 ,也是決定景觀中的生物多樣性、優(yōu)勢種和數(shù)量等生態(tài)系統(tǒng)指標的重要因素。其計算式如(1)。

式中:aij——第i類景觀要素第j個斑塊的面積;n——研究區(qū)斑塊總數(shù);A——研究區(qū)總面積。

(2)分維數(shù)。數(shù)值范圍1≤FRAC≤2,表征景觀斑塊形狀的復(fù)雜程度。

式中:pij——第i類景觀要素第j個斑塊的周長;aij——第 i類景觀要素第j個斑塊的面積。(3)Sim pson多樣性指數(shù)。數(shù)值范圍0≤SID I＜1,是景觀斑塊豐富程度和均勻程度的綜合反映。

式中:Pi——第i類斑塊體占景觀總面積的比例;m——研究區(qū)景觀斑塊體的類型總數(shù)。

(4)香農(nóng)多樣性指數(shù)SHD I。是一種基于信息理論的測量指數(shù),能反映景觀異質(zhì)性,是景觀斑塊豐富程度和均勻程度的綜合反映。數(shù)值范圍SHD I≥0,SHD I的大小反映景觀要素的多少和各景觀要素所占比例的變化。當景觀為均質(zhì)時,其多樣性指數(shù)為0,當各景觀類型所占比例相等時,其景觀的多樣性為最高;各景觀類型所占比例差異增大,則景觀的多樣性下降。其計算公式如(4)。

式中:Pi——第i類斑塊體占景觀總面積的比例;m——研究區(qū)景觀斑塊體的類型總數(shù)。

(5)散布與并列指數(shù)IJI。描述景觀空間格局最重要的指標之一。其單位為百分比,取值在0～100之間。IJI取值小時表明拼塊類型i僅與少數(shù)幾種其它類型相鄰接;IJI=100表明各拼塊間比鄰的邊長是均等的,即各拼塊間的比鄰概率是均等的。IJI值大,間接反映出其受人類活動影響劇烈,周邊景觀類型(Class)豐富。本文對 IJI景觀指數(shù)在C lass水平和Land水平上都進行了計算,這里只列出Class水平上的計算式如(5)。

式中:i——斑塊類型;m——研究范圍內(nèi)景觀斑塊的類型總數(shù);eik——與類型為k的斑塊相鄰的斑塊i的邊長。

(6)蔓延度指數(shù)CONTAG。百分比值,范圍0＜CONTAG≤100。CONTAG指標描述的是景觀里不同拼塊類型的團聚程度或延展趨勢。由于該指標包含空間信息,是描述景觀格局的最重要的指數(shù)之一。高蔓延度值說明景觀中的某種優(yōu)勢拼塊類型形成了良好的連接性;反之則表明景觀是具有多種要素的密集格局,景觀的破碎化程度較高。而且研究發(fā)現(xiàn)蔓延度和優(yōu)勢度這兩個指標的最大值出現(xiàn)在同一個景觀樣區(qū)[6]。CONTAG指數(shù)計算公式如式(6)。

式中:gik——類型斑塊和k類型斑塊毗鄰的數(shù)目;pi——第 i類斑塊體占景觀總面積的比例;m——研究區(qū)景觀斑塊體的類型總數(shù)。

(7)景觀破碎化指數(shù)FN,用來描述景觀被分割的破碎程度和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性,FN值在0～1之間,0表示無破碎化,1代表完全破碎。其計算公式如式(7)。

式中:NP——結(jié)構(gòu)中各類斑塊的總數(shù);NC——研究區(qū)域總面積與最小斑塊面積之比。

2 土地利用變化的時空分析

烏裕爾河流域1995年和2000年各類土地利用現(xiàn)狀所占面積及比例統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

本文對土地利用變化的研究主要是在A rcGIS的支持下,通過對2個時期的土地利用圖進行空間疊加運算,求出各時期土地利用類型的轉(zhuǎn)移矩陣,再進一步分析土地利用變化過程[8-9]。地圖代數(shù)法求得兩期土地利用轉(zhuǎn)移矩陣的公式如式(8)。

式中:Mi——土地利用類型轉(zhuǎn)移代碼;Nk——前一時期的土地利用情況;Nk+1——后一時期的土地利用情況。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣計算結(jié)果如表2所示。

表1 烏裕爾河流域土地利用現(xiàn)狀統(tǒng)計表

表2 烏裕爾河流域1995-2000年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 hm2

從表2可以看出:面積增加最多的是耕地,其次是草地和水域。2000年耕地較 1995年增加27 059.77 hm2,草地、水域分別增加 10 802.92 hm2、4 770.26 hm2。增加的面積主要來源于林地和未利用地(沼澤地占 91.3%),其中,林地減少18 565.39 hm2,未利用地減少 23 688.06 hm2。各類土地利用面積變動反映出該時間段主要表現(xiàn)為耕地數(shù)量外延,與其對應(yīng)的是林地和未利用地面積的減少。而林地和沼澤地面積的減少,對于本流域的生態(tài)環(huán)境保護及水土保持會產(chǎn)生不利的影響。同時,土地利用類型的相互轉(zhuǎn)化反映出隨著國家政策的變動、經(jīng)濟發(fā)展及人口增加,對耕地的壓力也加大,驅(qū)使耕地增加,未利用地(尤其是沼澤地)被大面積開墾耕種,迫使林地等面積被動減少。

造成草地和水域面積增加的原因是多方面的,除自然因素的影響外,人為將未利用地(沼澤地)開發(fā)為耕地,其中部分沼澤地向兩個極端分化,濕地促生為草地和水域。未利用地的景觀分割為草地和水域,很大程度降低了未利用地中重要部分——濕地在整個流域的生態(tài)功能。從1995-2000年土地利用景觀分析結(jié)果看,未利用地中的沼澤地部分直接減小21 622.58 hm2,其收縮程度明顯過大。草地景觀內(nèi)部高、中、地草地變化也比較明顯。

3 景觀變化分析

3.1 景觀類型水平(Class level)分析

進行土地利用景觀類型級別分析能反映出研究區(qū)中各類景觀類型的結(jié)構(gòu)特征,揭示其中變化重點和趨勢。表3列出了1995年和2000年主要景觀類型的空間格局特征指數(shù)的變化情況。

表3 烏裕爾河流域土地利用景觀類型的景觀指標

進行景觀類型水平分析時,選定9個景觀指標:景觀百分比PLAND、斑塊數(shù)量NP、斑塊密度PD、總邊緣長度TE、邊緣密度ED、景觀形狀指標LSI、周長面積分維數(shù)PAFRAC、散布及并指數(shù)IJI、景觀破碎化指數(shù)FN和聚合度AI,2期景觀類型指數(shù)計算結(jié)果表3。從表3可以看出:耕地面積的增加,PLAND指數(shù)增加,斑塊數(shù)量 NP也大幅增加215個,尤其景觀破碎化指數(shù)FN由0.071增到0.109,邊緣密度、分維數(shù)和面積加權(quán)平均形狀指數(shù)增大,說明了耕地斑塊更加破碎,耕地景觀邊緣更趨復(fù)雜,分布更為分散;散布與并列指數(shù)IJI增加,也說明耕地與其它景觀類型的分布關(guān)系變得復(fù)雜,連通性降低,反映了人類對耕地的開發(fā)程度增強。而林地和未利用地各類指數(shù):PLAND、TE、ED、LSI和IJI的相應(yīng)減小,FN指數(shù)的增大,同時反應(yīng)出耕地向林地和未利用地拓展的結(jié)果,耕地、林地和未利用地的空間關(guān)系更加密切。

城鎮(zhèn)建設(shè)用地所占景觀面積、百分比PLAND和IJ I等多項指數(shù)均略微減小或持平,間接表明建設(shè)用地原來分散的城區(qū)與工礦用地逐漸連成了一體,呈現(xiàn)大片的連續(xù)分布,連通性增強,其形狀也更加規(guī)則。水域面積增加而斑塊數(shù)減少,TE、ED、PAFRAC、IJI和AI增加,這說明原來較小的水體與河網(wǎng)逐漸被趨于成互連的水域,分布更集中,形狀更簡單,相互連通性增強,小片水域逐漸消失,濕地面積空間分布不均。而草地則在人類的開發(fā)下伴隨耕地、水域的變動變得更加集中,連通性與分散度降低。

3.2 景觀格局水平(land level)分析

計算了烏裕爾河全流域的多樣性指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)、均勻度指數(shù)、分維數(shù)、總破碎度等,結(jié)果見表4。

從表4中看出,1995年和2000年烏裕爾河流域經(jīng)過5 a的變遷,總體景觀空間格局特征顯現(xiàn)了客觀的變化。流域內(nèi)斑塊數(shù)量從5 625增加到5 965,增加340個,斑塊密度從0.295增加到了0.313,由此造成斑塊平均尺寸從338.84降低至319.53,降低19.314。斑塊總邊緣長度指數(shù) TE從1995年的 25 237 km增長 4.40%,2000年達到26 349 km,斑塊邊緣密度指數(shù)ED同步呈顯增大趨勢,景觀形狀指標LSI、蔓延度CONTAG和周長-面積分維數(shù)PAFRAC增大,說明了景觀斑塊不規(guī)則程度呈現(xiàn)上升。散布及并列指數(shù)IJI略有增加,體現(xiàn)了在景觀級別上各個斑塊類型間的總體散布與并列狀況有所增加,這與其斑塊數(shù)量的增長是相適應(yīng)的。形式數(shù)量、形狀等趨于復(fù)雜。這說明了斑塊的破碎化程度加大,這點直接從景觀分割度D IVISION指數(shù)和分離度指數(shù)(SPLIT)增大得到反應(yīng)。景觀破碎化不僅導(dǎo)致生物多樣性喪失,亦破壞土地利用景觀穩(wěn)定性,加劇水土流失、降低土地利用持續(xù)性。烏裕爾河流域2005年土地利用景觀分割度較1995年的0.746增加0.107,上升到0.853,說明在人類不合理活動加劇了烏裕爾河流域景觀破碎化進程,流域景觀被破壞程度不容樂觀,需采取有效的措施和政策,來減少人為干擾的影響。

香農(nóng)多樣性和均勻度指數(shù)減小,說明景觀異質(zhì)程度下降,景觀類型有向單一化或非均衡化方向發(fā)展的趨勢,這也是本區(qū)內(nèi)耕地、園地與城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積大量增加,而林地與水域大量減少的直接反映。但這也降低了景觀的抗干擾的能力與整個生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

表4 烏裕爾河流域土地利用景觀類型的景觀指標比較

4 結(jié)論與建議

通過上述分析可以看出,烏裕爾河流域土地利用景觀格局在1995—2000年的變化情況為:

(1)烏裕爾河流域土地利用景觀的主體為耕地,土地面積始終保持在60%以上,并呈現(xiàn)向外拓展趨勢,流域呈現(xiàn)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)特征,其它依次是未利用地、草地、林地、建設(shè)用地和水域。耕地、草地和水域面積增加而林地、建設(shè)用地和未利用地減少。尤其以林地和未利用地(主要是沼澤地)向耕地轉(zhuǎn)移最為突出。

(2)從景觀類型水平分析,草地、水域和建設(shè)用地的破碎化指數(shù)略有下降或持平,耕地、林地和未利用地景觀破碎化指數(shù)的上升,尤其是耕地該指數(shù)增幅較大,集中反應(yīng)出耕地面積和格局的變動,對整個流域的各類土地利用景觀有顯著影響,耕地與其他各類土地利用景觀關(guān)系更加密切,同時反應(yīng)出人類活動對流域景觀的穩(wěn)定性和可持續(xù)發(fā)展影響較強。

(3)從整個流域景觀格局分析,流域斑塊數(shù)量增加、景觀分割度、分離度指數(shù)SPLIT等指數(shù)增大,斑塊平均尺寸MPS、散布及并列指數(shù)IJI、有效粒度尺寸MESH和香農(nóng)多樣性指數(shù)SHD I、Sim pson's多樣性指數(shù)SIEI和聚合度AI減小,表明流域景觀的實際變化情況,變動趨勢對區(qū)域整個流域生態(tài)系統(tǒng)功能發(fā)揮不利。說明流域在耕地迅速增加對流域景觀格局的變化產(chǎn)生了重要作用,景觀格局的變化對區(qū)域生態(tài)環(huán)境和社會產(chǎn)生了不良影響,生態(tài)系統(tǒng)脆弱性在增大,所以今后應(yīng)加強流域生態(tài)型土地利用類型措施,增強流域可持續(xù)發(fā)展能力。

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