寶清縣景觀(guān)格局動(dòng)態(tài)變化分析

劉 婷，劉 博，李繼紅*，初 禹，包廣道

(1.東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，哈爾濱 150040;2.黑龍江省地質(zhì)調(diào)查研究總院，哈爾濱 150040)

隨著人口－資源－環(huán)境問(wèn)題的日益加劇，由“國(guó)際地圈與生物圈計(jì)劃”(IGBP)和“全球環(huán)境變化的人文領(lǐng)域計(jì)劃”(IHDP)在1995年聯(lián)合提出的土地利用/覆被變化 (LUCC)研究逐步成為全球熱點(diǎn)［1］。其研究方法主要有空間統(tǒng)計(jì)學(xué)方法、馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣法，景觀(guān)格局指數(shù)法和景觀(guān)格局動(dòng)態(tài)模擬方法［1－3］。景觀(guān)格局是大小和形狀不一的相互作用的景觀(guān)斑塊在空間上的配置，是各種生態(tài)過(guò)程在不同尺度上作用的結(jié)果［4］。通過(guò)景觀(guān)格局分析可以在似乎無(wú)序的景觀(guān)中，發(fā)現(xiàn)潛在的、有意義的規(guī)律性［5］。近年來(lái)，景觀(guān)格局及其動(dòng)態(tài)變化分析已成為景觀(guān)生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題和重要領(lǐng)域［6－8］。

寶清縣作為三江平原的腹地和北大荒的核心，是我國(guó)重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地、國(guó)家生態(tài)示范區(qū)和濕地保護(hù)核心區(qū)，對(duì)我國(guó)的糧食安全和區(qū)域生態(tài)安全有著舉足輕重的作用。但隨著人口急劇增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人類(lèi)對(duì)土地資源的利用范圍不斷擴(kuò)大、強(qiáng)度不斷加深，造成地表景觀(guān)格局的變化，引起了一系列的生態(tài)問(wèn)題。然而，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有多是針對(duì)三江平原進(jìn)行的大尺度研究［9－12］，鮮有針對(duì)寶清縣的具體分析?；诖?，本文借助景觀(guān)生態(tài)學(xué)方法，利用相關(guān)資料對(duì)寶清縣近20 a土地利用與景觀(guān)格局的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行分析，揭示其在人為因素影響下的時(shí)空動(dòng)態(tài)演變過(guò)程和原因，旨在為寶清縣的土地規(guī)劃及區(qū)域生態(tài)管理提供科學(xué)的依據(jù)，更好的實(shí)現(xiàn)兼并經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)的可持續(xù)發(fā)展。

1 研究區(qū)概況

黑龍江省雙鴨山市寶清縣位于131°12'～133°30'E，45°45'～46°55'N 之間，境內(nèi)主要以丘陵和低山地貌為主。西、南、東三面環(huán)山，中部、北部及東北部地勢(shì)較低，西南較高。由西南向東北依次為低山、丘陵、平原。四季氣候變化顯著，屬中溫帶大陸性季風(fēng)性氣候。年降水量為400～600 mm，且受地形影響，從平原到山區(qū)降水量遞減。研究區(qū)內(nèi)土地總面積為1 104 km2，轄10個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)和4個(gè)國(guó)營(yíng)農(nóng)場(chǎng)，總?cè)丝?4萬(wàn)人 (2007年)。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源及處理方法

采用1989、1999、2010年三期寶清縣30 m分辨率的Landsat TM遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，結(jié)合研究區(qū)1∶5萬(wàn)地形圖、1∶10萬(wàn)土地利用現(xiàn)狀圖和行政區(qū)劃圖，在ENVI4.6圖像處理軟件下進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成以及影像的精校正、配準(zhǔn)、鑲嵌、裁剪和圖像增強(qiáng)等處理。

2.2 土地利用景觀(guān)類(lèi)型劃分

景觀(guān)分類(lèi)是景觀(guān)格局分析的基礎(chǔ)［13］。本研究結(jié)合研究目的及研究區(qū)土地利用實(shí)際特點(diǎn)，在綜合考慮《土地利用現(xiàn)狀分類(lèi)》標(biāo)準(zhǔn)和TM影像的具體情況下，確定分為六種土地利用類(lèi)型:耕地、林草地、濕地、建設(shè)用地、水域以及未利用地。其中，濕地包括沼澤、灘涂以及水深不足6 m的水域;水域?yàn)樗畲笥? m的水體。

在A(yíng)rcGIS9.3軟件中，通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)解譯和人工目視解譯相結(jié)合的方法，以野外調(diào)查和地物光譜特性分析建立的影像特征為依據(jù)，采用最大似然法進(jìn)行監(jiān)督分類(lèi)。最終得到寶清縣各時(shí)期景觀(guān)類(lèi)型分類(lèi)圖 (如圖1～圖3所示)，經(jīng)驗(yàn)證解譯結(jié)果的Kappa系數(shù)分別為0.86、0.82和0.91，滿(mǎn)足本次研究精度要求。

2.3 土地利用景觀(guān)指數(shù)選擇

景觀(guān)格局指數(shù)能夠高度濃縮景觀(guān)格局信息，是反映景觀(guān)結(jié)構(gòu)組成和空間配置某些方面特征的定量指標(biāo)［14－16］。本次研究借助Fragstats3.3景觀(guān)指數(shù)軟件的柵格版本，從景觀(guān)類(lèi)型和斑塊水平兩個(gè)方面計(jì)算景觀(guān)指數(shù)。包括斑塊個(gè)數(shù) (NP)、斑塊面積 (CA)、斑塊所占景觀(guān)面積比例 (PLAND)、最大斑塊面積指數(shù)(LPI)、景觀(guān)密度 (PD)、景觀(guān)形狀指數(shù) (LSI)、景觀(guān)香農(nóng)多樣性指數(shù) (SHDI)、景觀(guān)香農(nóng)均勻性指數(shù)(SHEI)和景觀(guān)蔓延度 (CONTAG)［17］。

3 結(jié)果分析

3.1 景觀(guān)要素的基本特征

結(jié)合各時(shí)期景觀(guān)分類(lèi)圖，通過(guò)斑塊面積，斑塊所占景觀(guān)面積比例、斑塊個(gè)數(shù)和最大斑塊面積指數(shù)等指標(biāo) (見(jiàn)表1)分析寶清縣土地利用景觀(guān)的總體情況。

圖1 1989年寶清縣景觀(guān)類(lèi)型分類(lèi)圖Fig.1 Landscape classification map of Baoqing county in 1989

圖2 1999年寶清縣景觀(guān)類(lèi)型分類(lèi)圖Fig.2 Landscape classification map of Baoqing county in 1999

圖3 2010年寶清縣景觀(guān)類(lèi)型分類(lèi)圖Fig.3 Landscape classification map in 2010

表1 不同時(shí)期景觀(guān)類(lèi)型斑塊特征Tab.1 Characteristics of landscape patch in different periods

1989～2010年間，研究區(qū)以耕地、林草地和濕地為優(yōu)勢(shì)景觀(guān)，共占總面積的95%以上，這種特征決定了研究區(qū)以農(nóng)林牧漁業(yè)生產(chǎn)為主的特點(diǎn)。耕地主要以大斑塊形式分布在研究區(qū)的中部平原地帶，林草地分布在東部和南部的山區(qū)，濕地分布在南部及中部地區(qū)。建設(shè)用地、水域和未利用地類(lèi)型面積相對(duì)較少，均占總面積的2%以下，呈補(bǔ)丁狀分布在研究區(qū)內(nèi)。1989～1999年間由于受市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制的建立和完善，當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧民和外來(lái)投資者為獲取利益而大量開(kāi)墾農(nóng)田，景觀(guān)格局發(fā)生巨烈變化，耕地斑塊面積，斑塊數(shù)量與最大斑塊指數(shù)都表現(xiàn)為大幅度上升，而林草地和濕地的斑塊面積急劇減少，數(shù)量增加，最大斑塊面積指數(shù)降低，斑塊呈破碎化。在1999～2010年間，由于國(guó)家實(shí)施的天然林保護(hù)工程和退耕還林還草等政策，使得耕地斑塊面積，斑塊數(shù)量與最大斑塊面積指數(shù)上升減緩，同時(shí)林草地和濕地的斑塊面積下降減緩，斑塊個(gè)數(shù)有所下降，最大斑塊指數(shù)趨于穩(wěn)定，破碎化程度減緩。在1989～2010年間建設(shè)用地斑塊數(shù)量雖多，但斑塊面積較小，主要受研究區(qū)以農(nóng)業(yè)為主的特點(diǎn)，居民點(diǎn)呈多而分散的狀態(tài)。在1999～2010年間，水域斑塊數(shù)量變化小，但斑塊面積和最大斑塊指數(shù)明顯上升，主要原因是區(qū)內(nèi)大Ⅱ型水利樞紐工程龍頭橋水庫(kù)的建成。

3.2 景觀(guān)要素的動(dòng)態(tài)分析

土地利用動(dòng)態(tài)度 (K)反應(yīng)區(qū)域一定時(shí)間范圍內(nèi)，某種土地利用類(lèi)型變化速度的情況，可定量描述土地利用變化速度，計(jì)算公式為:

式中:K為研究期內(nèi)某一土地利用類(lèi)型動(dòng)態(tài)變化率;Ua、Ub分別研究期初與期末時(shí)該土地利用類(lèi)型的面積;T為研究時(shí)長(zhǎng)［18］。

圖4 不同時(shí)期土地利用動(dòng)態(tài)度 (%)Fig.4 Dynamics of land use types in different periods(%)

從圖4土地利用的變化率來(lái)看，各種土地利用變化幅度的大小排序依次為水域﹥未利用地﹥建設(shè)用地﹥濕地﹥耕地﹥林草地。1989～1999年，各土地利用類(lèi)型動(dòng)態(tài)變化率和變化幅度相對(duì)較大，未利用地的面積以每年以6.17%的較高速率減少，雖然耕地、林草地和濕地的動(dòng)態(tài)度相對(duì)較小，但由于基數(shù)大，面積變化量也較大。1999～2010年，可見(jiàn)耕地、林草地、濕地和未利用地的動(dòng)態(tài)度都有不同程度的減小，主要原因是控制開(kāi)墾度政策的實(shí)施。建設(shè)用地動(dòng)態(tài)度的增加，主要是受城市化建設(shè)的影響。水域的動(dòng)態(tài)度變化最大，從1.57～12.16，由于大Ⅱ型水利樞紐工程龍頭橋水庫(kù)的建立，使得水域急劇變化。

3.3 景觀(guān)要素的面積轉(zhuǎn)化

對(duì)于寶清縣土地利用景觀(guān)類(lèi)型之間相互轉(zhuǎn)化的過(guò)程，本文利用轉(zhuǎn)移矩陣模型進(jìn)行分析。轉(zhuǎn)移矩陣能夠揭示地類(lèi)變化過(guò)程中的細(xì)節(jié)特點(diǎn)，可全面、具體地刻畫(huà)區(qū)域土地利用變化的結(jié)構(gòu)特征與各用地類(lèi)型變化方向［19－20］。通過(guò)Arcgis9.3軟件的空間疊置分析功能，求得寶清縣各時(shí)期景觀(guān)類(lèi)型的轉(zhuǎn)移矩陣，見(jiàn)表2。

表2 不同時(shí)期景觀(guān)類(lèi)型轉(zhuǎn)移矩陣 (km2)Tab.2 Transformation matrix of landscape types in different periods(km2)

依據(jù)各時(shí)期土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移矩陣可知，1989～2010年間寶清縣的各景觀(guān)類(lèi)型之間發(fā)生了頻繁的轉(zhuǎn)移，土地利用變化的主要特征是耕地和建設(shè)用地等代表人類(lèi)對(duì)土地利用深度和廣度的土地利用類(lèi)型面積快速增長(zhǎng)，而對(duì)生態(tài)系統(tǒng)起重要調(diào)節(jié)作用的林草地和濕地等面積則急劇減少。各景觀(guān)類(lèi)型變化最活躍的為耕地、林草地和建設(shè)用地。耕地是主要的轉(zhuǎn)入景觀(guān)類(lèi)型，轉(zhuǎn)入面積為1 056.148 hm2，占總變化面積的74.69%;林草地和濕地是主要的轉(zhuǎn)出景觀(guān)類(lèi)型，且轉(zhuǎn)出的主要去向?yàn)楦?，轉(zhuǎn)出面積分別為589.396 hm2和427.687 km2，分別占總變化面積的41.68%和30.25%，占耕地轉(zhuǎn)入量的88.87%。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是大面積農(nóng)田的開(kāi)墾、有林地的亂砍濫伐及水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)活動(dòng)，使得大面積林草地和濕地面積銳減，且多主要發(fā)生在自然條件較好，交通便利，人口密度較大的地區(qū)。耕地與建設(shè)用地、水域之間也發(fā)生交互式雙向轉(zhuǎn)換，由于建設(shè)用地與水域基數(shù)相對(duì)較小，轉(zhuǎn)入大于轉(zhuǎn)出，主要表現(xiàn)為增長(zhǎng)。未利用地主要表現(xiàn)為向耕地類(lèi)型的單方向轉(zhuǎn)出，面積大幅度縮減。

3.4 景觀(guān)格局的動(dòng)態(tài)變化

對(duì)于研究區(qū)土地利用景觀(guān)空間格局的演變，本文采用景觀(guān)最大斑塊指數(shù)、景觀(guān)密度、景觀(guān)形狀指數(shù)、景觀(guān)香農(nóng)多樣性指數(shù)、景觀(guān)香農(nóng)均勻性指數(shù)和蔓延度來(lái)進(jìn)行度量。

表3 不同時(shí)期景觀(guān)格局指數(shù)變化Tab.3 Changes of landscape pattern indices in different periods

1989～2010年間，寶清縣景觀(guān)最大斑塊指數(shù)、景觀(guān)斑塊密度和景觀(guān)形狀指數(shù)均呈不斷上升趨勢(shì)，分別從31.628 5上升到50.373 2，0.077 8上升到0.088 1和11.407 1上升到12.708 7(見(jiàn)表3)。主要是由于農(nóng)田的大量開(kāi)墾，使得作為優(yōu)勢(shì)景觀(guān)的耕地面積大幅度增加;而林草地、濕地和未利用地等斑塊被分割，其中大部分轉(zhuǎn)為耕地，小部分轉(zhuǎn)為建設(shè)用地和水域等類(lèi)型;景觀(guān)斑塊形狀愈加復(fù)雜，景觀(guān)破碎化程度增加。香農(nóng)多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)都經(jīng)歷了先減少后增加的過(guò)程，表明作為優(yōu)勢(shì)景觀(guān)的耕地對(duì)整個(gè)研究區(qū)的控制作用加大，景觀(guān)向多元化方向發(fā)展;景觀(guān)多樣性減少，異質(zhì)性下降。蔓延度指數(shù)增加，表明景觀(guān)連通度增大。

4 結(jié)論與討論

本文運(yùn)用GIS技術(shù)以及Fragstats景觀(guān)結(jié)構(gòu)分析軟件，定量對(duì)1989～2010年寶清縣土地利用景觀(guān)格局變化進(jìn)行分析。結(jié)果表明:研究區(qū)以耕地、林草地和濕地為優(yōu)勢(shì)景觀(guān)，三者共占研究區(qū)總面積的95%以上，建設(shè)用地、水域和未利用地等景觀(guān)類(lèi)型呈補(bǔ)丁狀分布在研究區(qū)內(nèi)。由于大Ⅱ型水利樞紐工程的建立，使得水域景觀(guān)的動(dòng)態(tài)率變化最大。各景觀(guān)類(lèi)型轉(zhuǎn)化頻繁，其中代表人類(lèi)對(duì)土地利用深度和廣度的耕地和建設(shè)用地景觀(guān)面積增長(zhǎng)，而對(duì)生態(tài)系統(tǒng)起重要調(diào)節(jié)作用的林草地和濕地等景觀(guān)的面積卻不斷減少。在1989～2010年間，各景觀(guān)類(lèi)型的轉(zhuǎn)化經(jīng)歷了由劇烈到減緩的過(guò)程。在1989～1999年間，受人口增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，大量原生沼澤濕地和森林草地急劇轉(zhuǎn)化為耕地，斑塊數(shù)量大幅增加，景觀(guān)破碎化程度嚴(yán)重，耕地對(duì)研究區(qū)的控制作用明顯增大，景觀(guān)多樣性和異質(zhì)性下降。在劇烈的土地利用景觀(guān)格局變化下，導(dǎo)致草地退化，濕地萎縮，涵養(yǎng)水源下降等一系列生態(tài)問(wèn)題的被突顯出來(lái)。引起了政府部門(mén)的高度重視與關(guān)注，陸續(xù)推行了退耕還林還草、六大林業(yè)工程、加大濕地保護(hù)等相關(guān)恢復(fù)治理措施。在1999～2010年間，隨著政策的實(shí)行，過(guò)量開(kāi)墾現(xiàn)象得到一定程度的遏制，景觀(guān)類(lèi)型間的轉(zhuǎn)化趨于平緩，景觀(guān)破碎化程度有所改善。1989～2010年間，建設(shè)用地面積呈現(xiàn)平穩(wěn)增長(zhǎng)狀態(tài)，表明寶清縣的城市化建設(shè)正在穩(wěn)步前進(jìn)。

1989～2010年間，寶清縣景觀(guān)格局動(dòng)態(tài)分析研究顯示人為干擾對(duì)研究區(qū)的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了顯著的影響，濕地和林草地等資源的破壞為生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)了嚴(yán)峻的考驗(yàn)，相關(guān)政府部門(mén)應(yīng)引起足夠的重視并制定科學(xué)合理的發(fā)展治理規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)人口－資源－環(huán)境的和諧發(fā)展。

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4.2.2 采用視頻展示“明廚亮灶”的，可通過(guò)視頻直播或錄播等方式向社會(huì)公眾展示，使就餐人員在就餐場(chǎng)所能看到展示的內(nèi)容。

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