呂樂(lè)婷, 張 杰, 彭秋志, 任斐鵬, 江 源
1 遼寧師范大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院,大連 116029 2 昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院,昆明 650093 3 長(zhǎng)江科學(xué)院水利部山洪地質(zhì)災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心,武漢 430010 4 北京師范大學(xué)地表過(guò)程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100875 5 北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部,北京 100875
土地利用/覆被變化是人類活動(dòng)與自然環(huán)境相互作用最直接的表現(xiàn)形式,反映了在不同時(shí)間、空間土地的使用方式與人類活躍程度的密切關(guān)系[1- 2]。景觀格局變化是土地利用變化最直觀的表現(xiàn)形式,目前景觀格局分析方法主要有景觀格局指數(shù)分析和空間統(tǒng)計(jì)特征分析兩種[3- 4]。本文基于FRAGSTATS軟件,采用傳統(tǒng)景觀格局指數(shù)[5]計(jì)算方法和移動(dòng)窗法[6]對(duì)東江流域的景觀格局整體特征和景觀異質(zhì)性空間特征進(jìn)行研究。以闡明各個(gè)景觀組分間的特征差異,評(píng)價(jià)流域景觀破碎化程度,以提高對(duì)流域景觀格局動(dòng)態(tài)的把握,并對(duì)流域景觀的規(guī)劃與管理、資源的有效利用及環(huán)境保護(hù)具有重要意義。
土地利用預(yù)測(cè)是當(dāng)前土地利用變化研究的熱點(diǎn)之一。常用的土地利用預(yù)測(cè)模型包括CLUE[7- 8]、元胞自動(dòng)機(jī)[9]、LCM[10],但大部分模型常常單獨(dú)訓(xùn)練和估計(jì)各種土地利用類型的轉(zhuǎn)換概率,忽略各土地利用類型間的聯(lián)系,難以體現(xiàn)土地類型間的競(jìng)爭(zhēng)及相互作用。以及由黎夏等[11]提出的地理模擬與空間優(yōu)化系統(tǒng)(Geographical simulation and optimization system,Geo SOS)由其演化與改進(jìn)而來(lái)的FLUS模型,基于元胞自動(dòng)機(jī)及“自適應(yīng)慣性競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制”,解決了傳統(tǒng)元胞自動(dòng)機(jī)中轉(zhuǎn)換規(guī)則及參數(shù)確定復(fù)雜等問(wèn)題,能夠很好地實(shí)現(xiàn)人類活動(dòng)與自然條件影響下對(duì)土地利用的模擬[12]。該模型也被廣泛用于城市增長(zhǎng)邊界模擬[13]、耕地動(dòng)態(tài)模擬[14]以及大尺度的全國(guó)土地利用模擬[11]。目前,模型多用于城市地區(qū)研究,在流域的應(yīng)用較少。流域的景觀異質(zhì)性較強(qiáng),受到外界人為干擾尺度大,表現(xiàn)出的格局變化也較為明顯,對(duì)于未來(lái)土地利用變化特征及發(fā)展的態(tài)勢(shì)模擬對(duì)敏感脆弱的流域地區(qū)具有重要意義。
東江屬于珠江三大水系之一,地處粵、港、澳三地交接處,自然及人文資源豐富,景觀類型多樣。本研究以東江流域?yàn)檠芯繉?duì)象,利用土地利用變化數(shù)據(jù)分析區(qū)域景觀空間格局特征,探討東江流域1990—2016年的土地利用變化規(guī)律、景觀格局特征分析并采用FLUS模型預(yù)測(cè)土地利用未來(lái)變化態(tài)勢(shì),為東江流域土地資源的可持續(xù)利用、維持景觀完整性和安全性提供參考案例。
圖1 東江流域概況Fig.1 Location of the Dongjiang River Basin
東江位于珠江三角洲東北端,發(fā)源于江西省尋烏縣椏髻缽山,流至廣東省龍川市合河壩與安遠(yuǎn)水匯合,地處113°50′—115°50′E,22°30′—25°20′N。干流全長(zhǎng)562 km,流域總面積為34702 km2。主要流經(jīng)廣東省廣州市、深圳市、東莞市、惠州市、河源市及江西省贛州市安遠(yuǎn)縣、尋烏縣等地,是流經(jīng)地區(qū)約5000萬(wàn)居民的主要引用水源。流域地形以低山丘陵為主,山地和平原分別占流域面積的78%和14%,上游以林地為主、下游的山地平原多密集耕種。地勢(shì)東北高、西南低(圖1)。流域位于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),年均氣溫為20—22°C,年均降雨量為1500—2400 mm,主要集中于4—9月[15]。近年來(lái)流域城市化發(fā)展迅速,城市化水平達(dá)到65%以上。
本文所用1990、2000和2009年Landsat TM以及2016年Landsat OLI遙感影像來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn),空間分辨率皆為30 m,影像軌道號(hào)/行號(hào)分別為121/43、121/44、122/43、122/44每期4景,成像時(shí)間均在1—4月,影像的云量均低于2%。借助ENVI5.1軟件對(duì)圖像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、影像的拼接與裁剪,并根據(jù)實(shí)際情況選擇7、5、2波段組合方案,同時(shí)對(duì)影像進(jìn)行2%的拉伸以增強(qiáng)解譯效果。本文采用最大似然法,參照中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心的土地分類系統(tǒng)結(jié)合東江流域土地利用實(shí)際情況,將東江流域的土地利用劃分為7個(gè)一級(jí)分類,并結(jié)合Google Earth建立混淆矩陣對(duì)結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果顯示,所解譯的4個(gè)時(shí)段土地利用類型圖Kappa系數(shù)均在0.8以上,達(dá)到了中分辨率遙感影像精度使用要求[16- 17]。本文所用DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云ASTER GDEM(V1)數(shù)據(jù)集,空間分辨率為30 m;市級(jí)GDP數(shù)據(jù)來(lái)源于廣東省和江西省統(tǒng)計(jì)年鑒;主要公路、主要鐵路、地級(jí)和縣級(jí)城市駐地?cái)?shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心。
本文通過(guò)轉(zhuǎn)移矩陣對(duì)不同類型土地利用的轉(zhuǎn)移方向及轉(zhuǎn)移數(shù)量進(jìn)行分析。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣通用形式為[18]:
(1)
式中,S代表面積;n代表土地利用類型數(shù);i、j(i,j=1,2,…,n)分別代表轉(zhuǎn)移前與轉(zhuǎn)移后的土地利用類型;Sij表示轉(zhuǎn)移前的i類土地利用轉(zhuǎn)移成j類土地利用的面積。
為了既全面反映流域景觀格局特征,并減少信息冗余度,本文選擇斑塊個(gè)數(shù)(NP)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、分離度(DIVISION)、Shannon 多樣性指數(shù)(SHDI)和集聚度指數(shù)(AI),基于FRAGSTATS 軟件,采用移動(dòng)窗口法,并根據(jù)東江流域的實(shí)際情況及前人研究成果[19- 21],利用3500 m大小的移動(dòng)窗口,分析東江流域景觀格局破碎化及多樣性特征。窗口從研究區(qū)左上角開始移動(dòng),每次移動(dòng)1個(gè)柵格,計(jì)算當(dāng)前窗口內(nèi)上述的景觀格局指數(shù)并賦予其中心柵格,最終獲得各景觀指數(shù)的空間分布特征圖[22- 23]。選擇斑塊個(gè)數(shù)(NP)、斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、斑塊平均大小(AREA-MN)、分維數(shù)(FRAC)和散布并列指數(shù)(IJI),采用傳統(tǒng)景觀指數(shù)計(jì)算方法,對(duì)東江流域景觀斑塊水平進(jìn)行了分析。具體景觀格局指數(shù)的計(jì)算方法和生態(tài)學(xué)含義見相關(guān)參考文獻(xiàn)[24]。
FLUS模型由基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的適宜性概率計(jì)算模塊(BP-ANN)和基于自適應(yīng)慣性機(jī)制的元胞自動(dòng)機(jī)模塊(CA)組成[25- 26]。BP-ANN模塊需輸入土地利用變化驅(qū)動(dòng)因子,本文根據(jù)流域的實(shí)際情況和數(shù)據(jù)的可獲取性,選取了地形因子:地形條件是決定土地利用類型的關(guān)鍵因素之一,其中高程和坡度是決定土地利用的主要因素[27],所以采用30 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)。交通通達(dá)度因子:交通條件及城鎮(zhèn)發(fā)展對(duì)土地利用具有重要吸引作用[28],所以選擇到一般公路的距離、到高速公路的距離、到區(qū)中心距離和到鎮(zhèn)中心距離作為通達(dá)性因子,這些因子通過(guò)ArcGIS的歐氏距離工具分析得到。設(shè)置神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練采樣比例(本文設(shè)置為 2%),并選用隨機(jī)采樣模式進(jìn)行各類用地的訓(xùn)練樣本采樣(本文訓(xùn)練隱藏層數(shù)設(shè)置為12),實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)化處理后各驅(qū)動(dòng)因子分布狀況,最終計(jì)算得到土地利用類型在各像元上的適宜性概率圖。
基于自適應(yīng)慣性機(jī)制的元胞自動(dòng)機(jī)模塊以多類別或雙類別空間土地利用數(shù)據(jù)為初始輸入數(shù)據(jù),需預(yù)設(shè)各土地利用類型變化數(shù)量的目標(biāo),(本文采用馬爾科夫預(yù)測(cè)模型得到預(yù)設(shè)的各土地利用類型的變化的數(shù)量)[29]。然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定不同土地類型間的相互轉(zhuǎn)換難易度(0—1,0表示不允許轉(zhuǎn)換,1表示可自由轉(zhuǎn)換),最后設(shè)置土地利用類型相互轉(zhuǎn)換的限制發(fā)生區(qū)域(依據(jù)水源保護(hù)的基本政策,本文將流域水庫(kù)及寬闊水面設(shè)為東江流域土地利用變化限制發(fā)生區(qū))。模型參數(shù)設(shè)定上,將模擬迭代目標(biāo)次數(shù)設(shè)置為500,領(lǐng)域大小設(shè)置為3×3,最終實(shí)現(xiàn)東江流域土地利用變化模擬。
3.1.1土地利用結(jié)構(gòu)變化分析
圖2 東江流域1990—2016年土地利用類型圖Fig.2 Land use types of Dongjiang River Basin from 1990 to 2016
東江流域1990—2016年土地利用狀況如圖(2)和表(1)所示。林地是東江流域的主要用地類型。在研究時(shí)段內(nèi),流域耕地、林地和草地面積減少;園地、水域、未利用地和城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積增加。其中,林地面積減少最多,減少量為2538 km2,所占比例從78.34%減少至71.03%;城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積增加最多,增加量為2884 km2,所占比例從1.41%增長(zhǎng)至9.72%;園地、水域和未利用地所占比例分別由4.06%、3.37%和0.09%增長(zhǎng)至6.11%、3.85%和0.45%;耕地和草地所占比例分別由10.62%和2.11%減少至8.27%和0.57%。
表1 東江流域1990—2016年土地利用結(jié)構(gòu)表
3.1.2土地利用轉(zhuǎn)化過(guò)程分析
1990—2016年?yáng)|江流域土地利用轉(zhuǎn)移矩陣見表(2)所示。在1990—2016年間,東江流域城鎮(zhèn)建設(shè)用地轉(zhuǎn)入量最大,其面積增加來(lái)源于林地、耕地、園地和水域;園地轉(zhuǎn)入量其次,其面積增加來(lái)源于林地、耕地、草地和水域;林地、耕地和草地的轉(zhuǎn)入面積小于轉(zhuǎn)出面積,造成其面積有所減少。其他用地類型也產(chǎn)生了不同程度的轉(zhuǎn)化。
表2 東江流域1990—2016年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣
3.2.1景觀破碎化分析
東江流域1990—2016年景觀破碎化空間分布如圖(3)所示??梢?最大斑塊指數(shù)LPI和斑塊個(gè)數(shù)NP空間分布趨勢(shì)相反,有很強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性,而景觀分離度指數(shù)DIVISION與斑塊個(gè)數(shù)NP分布趨勢(shì)相似,且更能體現(xiàn)流域的破碎度。流域在1990—2009年LPI指數(shù)減少、NP指數(shù)增加,景觀破碎化過(guò)程明顯;但在2016年LPI指數(shù)相對(duì)上升,NP指數(shù)相對(duì)有下降趨勢(shì),說(shuō)明流域景觀破碎化過(guò)程減弱,趨向整合。從空間上看,流域景觀破碎度呈現(xiàn)以河道為中心向東西兩側(cè)減小的趨勢(shì),流域上游最大斑塊指數(shù)高、斑塊個(gè)數(shù)少、景觀分離度小;原因在于流域上游及流域東西兩側(cè)地形均以山地為主,海拔較高,人為活動(dòng)干擾小,景觀以林地和園地為主,景觀格局較完整,破碎度低。流域中下游地區(qū),特別是東莞、惠州和河源市等地景觀破碎度較高。此區(qū)域城市建設(shè)起步早、發(fā)展快,地勢(shì)低平,大面積開墾耕地,導(dǎo)致斑塊個(gè)數(shù)少、最大斑塊指數(shù)小、破碎度高。1990—2016年,流域景觀破碎度高值區(qū)有擴(kuò)散的趨勢(shì),增城區(qū)、博羅縣和惠東縣附近的景觀破碎程度大幅增加,而東莞市的景觀破碎程度降低;這是由于增城、博羅和惠東位于東江下游,自然條件優(yōu)越,且緊鄰東莞和惠州,是兩地市城市擴(kuò)張發(fā)展的主要承接地,近年來(lái)由于城市擴(kuò)張,景觀破碎度增加;東莞市城市建設(shè)高速發(fā)展,經(jīng)濟(jì)主要以高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)為主,城鎮(zhèn)建設(shè)用地集中連片分布,農(nóng)業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)向外遷移,景觀破碎度降低。
圖3 東江流域1990—2016年景觀破碎化空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of landscape fragmentation of Dongjiang River Basin from 1990 to 2016
3.2.2景觀多樣性分析
東江流域1990—2016年景觀多樣性空間分布如圖(4)所示。可見,從空間上看,流域景觀多樣性呈現(xiàn)中上游多樣性較小、下游多樣性較大的特點(diǎn),且有明顯的擴(kuò)散趨勢(shì)。河源、東莞和惠州市景觀多樣性較高;河源市憑借東江流域最大的新豐江水庫(kù)大力發(fā)展水產(chǎn)養(yǎng)殖、開墾耕地,山區(qū)大面積種植果樹,發(fā)展經(jīng)濟(jì)加快城市化建設(shè),景觀類型多樣;東莞市、惠州市位于河流下游,農(nóng)業(yè)和漁業(yè)發(fā)展的自然條件好,社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件優(yōu)越,在經(jīng)濟(jì)發(fā)展和資源開發(fā)的過(guò)程中造成用地類型及景觀類型的多樣化特征。
圖4 東江流域1990—2016年景觀多樣性空間分布圖Fig.4 Spatial distribution of landscape diversity index of Dongjiang River Basin from 1990 to 2016
3.2.3景觀類型指數(shù)分析
根據(jù)景觀類型指數(shù)表,表(3)可知,斑塊個(gè)數(shù)不僅反映了景觀的異質(zhì)性,而且其值的大小與破碎度也有一定的正相關(guān)性;流域園地的斑塊數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他類別,說(shuō)明園地斑塊的景觀破碎度較高。林地所占面積最大而斑塊數(shù)量不是最大,說(shuō)明其組成斑塊較大且其中存在著大量的優(yōu)勢(shì)斑塊,即存在面積較大的完整林地,也比較符合流域的實(shí)際情況;同時(shí),林地的最大斑塊指數(shù)值高,達(dá)到60%以上,以絕對(duì)優(yōu)勢(shì)影響著景觀格局的組成;林地的平均斑塊面積從2000年的125.54下降到2009年的44.90,說(shuō)明隨著人類活動(dòng)的加強(qiáng),較大的自然景觀斑塊被改造為一些較小的斑塊,同時(shí)隨著道路、引水渠等條狀基礎(chǔ)設(shè)施的修建,也將大斑塊的景觀分割為許多大小不同的小斑塊,增加了景觀的破碎度。城鎮(zhèn)建設(shè)用地的斑塊個(gè)數(shù)和斑塊密度都在緩慢增加,表明了城鎮(zhèn)建設(shè)用地趨于集中化的變化趨勢(shì),這也符合東江流域沿河兩岸發(fā)展和居住的特點(diǎn)。在1990—2016年,流域各景觀類型的散布并列指數(shù)都有所增加,表明各類型間相鄰的類型有增大的趨勢(shì),接壤的景觀類型豐富度有所增加。1990—2016年,流域其他類型景觀格局狀況基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。
表3 東江流域1990—2016年景觀類型指數(shù)表
本文以1990年的土地利用類型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),借助DEM數(shù)據(jù)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)得到的土地利用適宜性轉(zhuǎn)移圖層,對(duì)2016年土地利用類型進(jìn)行了預(yù)測(cè)(圖5),并用2016年實(shí)際土地利用類型對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證。結(jié)果表明當(dāng)?shù)螖?shù)在350次時(shí)Kappa系數(shù)達(dá)到0.85,滿足本研究的要求。在此基礎(chǔ)上用2016年的土地利用類型數(shù)據(jù)對(duì)2042年土地利用類型進(jìn)行了預(yù)測(cè),結(jié)果如圖5所示。2042年,東江流域城鎮(zhèn)建設(shè)用地增加顯著,未利用地減少,城市化過(guò)程明顯,主要集中在流域中下游地區(qū)。耕地、園地、水域和城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積有所增加;林地、草地和未利用地面積則減少。根據(jù)東江流域2016—2042年土地利用類型變化圖(圖6)可知,城鎮(zhèn)建設(shè)用地增加幅度最大,增加了14.3%,其次是水域,增加了7.53%,耕地和園地分別增加了0.24%和0.16%;未利用地減少幅度最大,減少了3.33%,其次為草地和林地,分別減少了10.53%和2.25%。
圖5 FLUS模擬東江流域2016、2042年土地利用圖 Fig.5 Simulation result of land use types in 2016 and 2042 based on the FLUS model
圖6 東江流域2016—2042年土地利用類型變化圖Fig.6 Land use change of Dongjiang River Basin from 2016 to 2042
根據(jù)2042年?yáng)|江流域景觀破碎化空間分布圖和景觀多樣性空間分布圖,如圖(7)、圖(8)所示,東江流域的景觀破碎化增加,最大斑塊指數(shù)最小值降低到4.46,斑塊個(gè)數(shù)的最大值增加到707個(gè),景觀多樣性成增加趨勢(shì),聚集度指數(shù)最小值減小到60.67,多樣性指數(shù)增加到1.72。從空間分布上看,流域的破碎化趨勢(shì)仍然呈現(xiàn)中下游地區(qū)破碎化嚴(yán)重,以河道為中心向兩側(cè)破碎化減弱。2009—2016年流域景觀雖趨向整合,但是2042年流域的破碎化又呈現(xiàn)增加趨勢(shì),所以應(yīng)加強(qiáng)對(duì)流域景觀生態(tài)的保護(hù),特別是流域中下游地區(qū)和河道兩岸。
圖7 東江流域2042年景觀破碎化空間分布圖Fig.7 Spatial distribution of landscape fragmentation of Dongjiang River Basin in 2042
圖8 東江流域2042年景觀多樣性空間分布圖 Fig.8 Spatial distribution of landscape diversity index of Dongjiang River Basin in 2042
東江流域景觀格局特征既包括河流、水源地的脆弱度和敏感性,也兼具經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的城市化地區(qū)的人地矛盾問(wèn)題。1990—2016年,東江流域7種土地利用類型都發(fā)生了變化,其中耕地、林地和草地面積減少;園地、水域、未利用地和城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積增加。林地雖是流域的優(yōu)勢(shì)景觀類型,但平均斑塊面積在2000—2009年急劇下降,說(shuō)明隨著人類活動(dòng)的加強(qiáng),對(duì)流域自然景觀的干擾和破壞程度增加,如何既保持經(jīng)濟(jì)發(fā)展又保護(hù)自然環(huán)境是當(dāng)前急需解決的問(wèn)題。
對(duì)東江流域景觀格局分析表明:1990—2009年流域景觀破碎度呈上升趨勢(shì),但是隨著勞動(dòng)力的向外輸出和種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展,人類活動(dòng)對(duì)東江流域景觀的干擾程度降低,在2009—2016年間流域的景觀破碎趨勢(shì)變緩。園地的斑塊個(gè)數(shù)和斑塊破碎度較大,受人為干擾強(qiáng)。今后,流域在發(fā)展林果種植的同時(shí)要注意對(duì)原始景觀的保護(hù),盡量大面積、成規(guī)模發(fā)展,這樣既有利于林果產(chǎn)業(yè)化發(fā)展,也有利于對(duì)流域景觀環(huán)境的保護(hù)。
利用FLUS模型預(yù)測(cè)的東江流域2042年景觀與2016年相比在流域的中下游地區(qū),城鎮(zhèn)建設(shè)用地增加顯著,未利用地減少,城市化過(guò)程明顯。這是經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的成果,與此同時(shí),林地進(jìn)一步減少,不利于流域的生態(tài)環(huán)境保護(hù)。所以在今后的發(fā)展中,流域必須要充分利用已建立的人工區(qū),以降低對(duì)自然植被的破壞。
由于本研究?jī)H考慮了土地利用類型轉(zhuǎn)化因素、地形因素和交通通達(dá)度因素,針對(duì)水源保護(hù)區(qū)設(shè)置了禁止寬闊水面轉(zhuǎn)化的限制轉(zhuǎn)化因素,利用FLUS模型對(duì)流域未來(lái)土地利用進(jìn)行模擬,沒有設(shè)置不同情景,模擬沒有與其他模型進(jìn)行對(duì)比,所以并不具有絕對(duì)性。針對(duì)本研究,建議東江流域充分利用已建成的城鎮(zhèn)建設(shè)用地,開發(fā)未利用地,減少對(duì)其他生態(tài)景觀的破壞。在當(dāng)前景觀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,優(yōu)化資源配置,保護(hù)水源地,確保流域景觀向更穩(wěn)定的方向發(fā)展。受研究者知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和主觀因素的限制,對(duì)于東江流域景觀破碎度和多樣性變化的驅(qū)動(dòng)力解釋還不夠完善,對(duì)此進(jìn)行深入探索并進(jìn)而提出可行有效的流域生態(tài)管理建議是本研究今后努力的方向。