陈颖彪
, 李雁
CHEN Ying-biao, LI Yan, QIAN Qing-lan, GUO Guan-hua
中图分类号: Q149
文献标识码: A
文章编号: 1000-0690(2012)04-0458-06
收稿日期: 2011-04-18
修回日期: 2011-07-3
网络出版日期: 2012-04-20
版权声明: 2012 《地理科学》编辑部 本文是开放获取期刊文献，在以下情况下可以自由使用：学术研究、学术交流、科研教学等，但不允许用于商业目的.
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作者简介:
作者简介：陈颖彪(1969-),男,吉林长春人,教授,博士,主要从事GIS与RS应用技术研究。E-mail:chenyingb@21cn.com
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摘要
以覆盖番禺区1990年、1995年、2000年、2005年4个时相Landsat-TM影像为主要数据源,借助GIS手段和景观生态学方法生成土地覆被图。在数量化研究LUCC的基础上,借助景观格局指数反映番禺区4个时相土地覆被的变化机制,对土地覆被景观格局生态效应研究提供依据。研究表明：番禺区的土地利用结构在1990~1995年间处于开发调整时期,2000年后土地利用结构调整趋于成熟,土地覆被变化伴随着城市化的进程趋于平缓。研究时期内,番禺区的景观破碎度增加,土地利用结构的复杂程度也在增加, 人为因素导致的土地覆被类型变化的影响逐渐替代自然作用下土地覆被类型情况。
关键词：
Abstract
Based on 1990, 1995, 2000, 2005 Landsat-TM images in Panyu District of Guangzhou City as the main data source, GIS tools and Landscape Ecology methods were used to generate land cover landscape maps. On the basis of the quantitative study of LUCC, land cover change mechanism during the study period in Panyu District was reflected by landscape pattern indices, providing research basis for the effects of land cover on landscape pattern and its ecological effects. The result showed that the land use structure of Panyu District represented a period of development and adjustment from 1990 to 1995, and tends to become mature situation after 2000. The structure of land cover changed showed maturity along with the process of urbanization. The landscape fragmentation and the complexity of land use structure increased. The effects of human-induced land cover change gradually replaced the natural role in affecting land cover type.From the quantity of land use change from 1990 to 2005, land use change accompanied by urbanization and farmland quantitative changes are the largest in Panyu District. And as followed by construction land and garden, water changes are also significant. Farm land and garden are reduced while the other land type increased. Human factors induced land-cover changes played a growing role while the effect of natural factor was decreasing. The structure of agriculture and people's lifestyles are changing rapidly. The rates of land-use change rank as follows: green fields > transportation land> shrub grassland> building >garden> arable land = water. As shown in landscape changes, arable land, garden, forest land and building land have increasing patch fragmentation especially agricultural land, garden, lawn irrigation, etc. And the expansion of construction land area led to increasing degree of concentration. In addition to garden, the other land type also increases the complexity of the class.
Keywords：
土地覆被类型是自然因素与人为因素共同作用结果。对LUCC（土地利用/覆被变化）过程的数量、结构和景观特性的动态描述研究逐渐日趋成熟,定量化成为主流[1~4]。王思远等提出土地利用程度变化模型,土地利用程度及其变化量和变化率可定量地揭示研究区土地利用的综合水平和变化趋势[5]。同时,地理环境与生态环境之间的相互影响机制也引起广泛的关注,运用景观指数对土地覆被定量化研究可在不同尺度上揭示土地覆被斑块异质性及生态过程[6]。
在广州市的城市化发展的辐射下,紧靠广州中心区的番禺区经历着快速城市化的过程。特别是近20 a来,人口增长与快速城市化过程导致的土地资源减少之间的矛盾日益突出。本文分析了番禺区土地利用变化的数量、转移结构、土地利用的双向动态变化度,从数量、结构、过程、程度等方面分析土地利用变化的时空动态特征;已有研究证明,景观格局指数能够高度浓缩景观格局的信息,在景观生态学中广泛应用,近年来在城市生态和城市景观研究中发挥着重要的作用,景观指数已经成为定量化研究土地覆被景观格局的主流手段[7,8],因此,本文从斑块类型水平和景观水平选取能表征土地覆被形状、面积、密度,破碎度、复杂度等特征的指数,对广州市番禺区土地覆被景观格局特征进行定量研究分析。
广州市番禺区处于22°45′N~23°05′N、113°14′E~113°34′E,位于广州中南部,珠江口西岸,珠江三角洲冲积平原东南,总面积1 313.32 km2。2001年,广州城市总体规划提出“南拓北优,东进西联”的城市发展战略,极大促进番禺区社会经济发展,也为区域内土地覆被变化带来新的动力。
本文以4幅Landsat-TM影像(1990年、1995年、2000年、2005年) 为数据源,辅助数据包括广东省土地利用现状分类,番禺区土地利用规划图和相关统计年鉴。土地利用分类体系参照中华人民共和国行业标准《土地利用动态遥感监测规程》[9]、《全国土地分类》①(① 国土资源部.全国土地分类. 国土资发[2001]255号,2011.)、以及相关的研究材料[10,11]。结合番禺区土地利用的特点,分为8种土地利用类型并对各类型编码,1为耕地,2为园地,3为林地,4为灌草地,5为绿地,6为建筑用地,7为水体,8为交通用地（图1）。
区域土地利用变化的速度可以用土地利用的动态度来定量分析,对比较土地利用变化的区域差异和预测未来土地利用变化趋势有积极的作用[5]。单一土地利用动态度可表示研究区内一定时间范围内某种土地利用类型的数量变化情况[11,12]：
K=[（Ub-Ua）/Ua] ×（1/T）×100% （1）
式（1）中,K为研究时段内某一土地利用类型动态度;Ua为研究初期某一种土地利用类型的数量;Ub为研究期末某一种土地利用类型的数量;T为研究时段长,当T的时段设定为a时,K值就是该区某地类的年变化率。
1990~2005年番禺土地利用的年变化如表1所示。1990~2000年,耕地面积呈线性下降趋势,其中1990~1995年下降幅度较大,1995~2000年间下降幅度减小,2000~2005年间耕地面积转呈上升趋势。交通用地面积一直呈上升趋势,1990年交通用地占地面积7.52 km2,到2005年增加到20 km2。园地面积在1990~1995年间减少,减少幅度不大,1995~2000年园地面积有所增加,变化最激烈时段是2000~2005年,园地面积从111.38 km2减少到33.12 km2。灌草地一直呈现减少趋势,减少幅度逐年递减。绿地面积1990~2005年间一直增加,增加幅度为2000~2005年尤为剧烈。建筑用地1990~1995年从123.90 km2增加到198.83 km2,变化率为5.71%,1995年后5 a虽有所增加,但增幅下降,2000年以后建筑用地面积比例减小。1990~2000年,水体面积增加,有一部分是修围堤造陆所引起的。
表1 1990~2005年番禺土地利用的年变化
Table 1 The annual change of land use in Panyu in 1990-2005
| 土地利用类型 | 1990年（km2） | 1995年（km2） | 2000年（km2） | 2005年（km2） | 土地利用变化率(%) | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1990~1995年 | 1995~2000年 | 2000~2005年 | |||||
| 耕地 | 525.68 | 383.67 | 322.67 | 394.73 | -10.81 | - 4.65 | 5.49 |
| 园地 | 107.22 | 82.76 | 111.38 | 33.12 | -1.86 | 2.18 | -5.96 |
| 林地 | 70.33 | 80.51 | 57.03 | 75.83 | 0.78 | -1.79 | 1.43 |
| 灌草地 | 13.05 | 37.07 | 25.51 | 25.39 | 1.83 | -0.88 | -0.01 |
| 绿地 | 4.69 | 10.74 | 13.91 | 32.10 | 0.46 | 0.24 | 1.39 |
| 建筑用地 | 123.90 | 198.83 | 216.93 | 212.92 | 5.71 | 1.38 | -0.31 |
| 水体 | 460.92 | 513.44 | 549.69 | 519.22 | 4.00 | 2.76 | -2.32 |
| 交通用地 | 7.52 | 6.30 | 16.21 | 20.00 | 0.09 | 0.75 | 0.29 |
| 总面积 | 1313.31 | 1313.32 | 1313.33 | 1313.31 | — | ||
总体看来,15 a间番禺区土地利用类型变化最大的是耕地,其次是建筑用地和园地,水体变化也较大,城市化进程中导致耕地和林地等自然景观用地的减少和建筑用地的增加的原因主要是城市土地利用变化的主导过程是人工景观代替自然景观。区域城市化发展最初阶段,建设用地扩展的动力主要来自于无序开发,而欠缺合理的规划。
对土地利用变化的空间定量化分析,可以更深入和准确地认识当地土地利用结构的动态演变过程。某种土地利用变化类型在一段时期内的空间格局变化包含3种空间类型：变化部分、转移部分、新增部分。分析某类土地利用的动态变化强度时,需要将其在研究时期内的新增部分考虑进去,土地利用的双向动态模型同时识别并考虑了转移与新增这一对方向相向的变化过程,其变化率是将转移速率和新增速率的绝对值相加。
某区域的综合土地利用动态度模型[13], 表达式为：
式(2)中,ULAi为研究初期t1到末期t2时段内某土地利用类型未变化部分,LA(i,t1),LA(i,t2)为该种土地利用类型在研究初期、期末的面积,则LA(i,t1)-ULAi为转移部分面积。该公式同时考虑了第i 类土地利用类型转变为其它非i类土地利用类型的数量及空间属性,可以测算和比较区域土地利用变化的总体或综合活跃程度。
为了解土地利用的双向变化情况,建立土地利用动态度的双向模型[14], 表达式为：
式（3）中, Ki 表示第i 类土地利用类型在某一时段内土地利用动态变化的双向指数,
采用式（2）、（3）计算出转出新增地类的变化速度和变化速率,及反映土地利用的综合动态度的整体变化速度和变化速率。从表2中分析得知,耕地面积转出17.52%,其中13.44%转为水体,6.26%转为建筑用地,3.28%转为园地,转为其他地类的较少。从园地,林地,灌草地,绿地,建筑用地,水体,交通用地均有土地转为耕地。虽然耕地转入的土地比例比较大,但由于耕地面积基数大,总体上来说,耕地面积还是呈现减少的趋势。反映由于城市化带来的建筑用地和交通用地对耕地的挤占。园地的50.06%转为耕地,15.92%转为水体,8.37%转为建筑用地,转为其他地类的占3.56%;从面积上看,园地面积大幅度减少,属于衰减型地类,其原因是由于农业结构的调整。林地面积有所增加,净增加5.5 km2,退耕还林和农业结构调整都对其有一定影响。灌草地面积占总体面积比例增加,结合前面分析可知,其变化的动态度较大,1990~1995年之间有所增加,而在1995年之后开始递减。绿地面积总体增加,增幅较大,1990~2005年绿地的24.36%转出为耕地,30.55%转出为园地,22.98%转出为建筑用地,转为其他用地比例较小,绿地总体变化动态度为2.38,变化速率最快。建筑用地和交通用地面积呈递增趋势,变化速率分别为0.12和0.23,较快的建筑用地和交通用地变化速率反映城市化进程。水体面积从1990年的460.92 km2增加到2005年的519.22 km2,其增加部分主要由耕地、园地、灌草地、林地和建筑用地转移而来,番禺区引起其他用地转化为水体原因有农业结构调整和人们生活生产方式改变导致退耕、围海等人为活动进行。
表2 番禺区土地利用双向动态度变化率（1990~2005年）
Table 2 The bilateral dynamic degree of land use in Panyu in 1990-2005
| 土地利用类型 | 未变化 面积 （%） | 未变化面积百分比（%） | 1990年转出部分 | 2005年新增部分 | 变化 速度 (km2) | 变化速率（km2/a) | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 转出面积(km2) | 百分比 (%) | 转移 速度(km2) | 转移速率（km2/a) | 新增面积 (km2) | 百分比 (%) | 新增 速度(km2) | 新增速率（km2/a) | |||||
| 耕地 | 294.10 | 0.56 | 100.64 | 17.52 | 6.71 | 0.01 | 231.55 | 42.38 | 15.44 | 0.03 | 22.15 | 0.04 |
| 园地 | 7.07 | 0.07 | 59.15 | 10.30 | 3.94 | 0.04 | 100.16 | 18.33 | 6.68 | 0.06 | 10.62 | 0.10 |
| 林地 | 37.56 | 0.53 | 33.12 | 5.77 | 2.21 | 0.03 | 32.77 | 6.00 | 2.18 | 0.03 | 4.39 | 0.06 |
| 灌草 | 0.35 | 0.03 | 25.05 | 4.36 | 1.67 | 0.13 | 12.70 | 2.32 | 0.85 | 0.06 | 2.52 | 0.19 |
| 绿地 | 0.52 | 0.11 | 31.59 | 5.50 | 2.11 | 0.45 | 4.18 | 0.76 | 0.28 | 0.06 | 2.38 | 0.51 |
| 建筑 | 60.82 | 0.49 | 152.1 | 26.48 | 10.14 | 0.08 | 63.07 | 11.54 | 4.20 | 0.03 | 14.34 | 0.12 |
| 水体 | 365.80 | 0.79 | 153.42 | 26.71 | 10.23 | 0.02 | 95.16 | 17.41 | 6.34 | 0.01 | 16.57 | 0.04 |
| 交通 | 0.68 | 0.09 | 19.33 | 3.37 | 1.29 | 0.17 | 6.84 | 1.25 | 0.46 | 0.06 | 1.74 | 0.23 |
| 总计 | 766.90 | - | 574.40 | 100.00 | 38.29 | 0.03 | 546.43 | 100.00 | 36.43 | 0.03 | 74.72 | 1.29 |
总之,从土地利用变化速率大小看,依次为：绿地>交通用地>灌草地>建筑用地>园地>林地>耕地=水体;从增减总面积占全区土地利用变化面积的比例看,依次为：耕地>建筑用地>水体>园地>林地>灌草地>绿地>交通用地。番禺区依附于广州,属于珠三角腹地的中心,在近15 a间城市化发展导致土地利用类型的转变由自然功能类型向人工功能类型转变。
根据番禺区的土地利用状况,选取耕地,园地,林地和建筑用地4种土地利用类型,研究其景观格局特征。斑块类型水平上选取：斑块密度(PD),斑块形状（LSI）,面积加权分维数(FRAC_AM),聚集度(CLUMP),凝聚度(COHESION),分离度(DIVISION)。景观水平上选取：斑块密度(PD),面积加权形状指数(SHAPE_AM),蔓延度(CONTAG),凝聚度（COHESION）,分离度(DEVISION),丰富度指数(PRD),辛普森多样性(SIDI),辛普森均衡性（SIEI）。
1） 土地利用类型特征分析。如图2所示,由于2000年以来番禺区农业结构调整,耕地斑块密度指数和形状指数在2000年发生突变升高,斑块密度增大,形状破碎度也增大。耕地分维数水平呈递增趋势,其斑块复杂性增大。1990~2000年集聚度下降,2000年后开始增加,反映耕地扩张。
建筑用地斑块密度、分维数、集聚度、凝聚度、分离度指数变化情况都较明显。斑块密度、面积加权分维数、凝聚度、分离度拐点都在2000年,这是由城市集聚和建筑面积增加造成。建筑用地版块密度越来越高,复杂性增大。建筑用地总体分离度较低于其他地类,分布较集中。
林地斑块密度指数和斑块形状指数相似,一直处于缓慢递增趋势,但总增加幅度不大。表明城市化进程的影响下,林地的斑块破碎度有所增加。从面积加权分维数看,林地的斑块形状与其他地类相比并不复杂,其中在1995年出现较高拐点,该时期林地斑块复杂性较大。林地聚集度指数1990年最大,该时期林地被人工破坏比率较小,大面积林地存在,随着城市化发展及人为原因破坏,1990年后的时间林地的集聚指数逐渐下降,至2000年后,由于对林地采取保护措施,遏制人工破坏,其集聚度指数开始缓和,后5 a时间林地集聚度比例逐渐增加。15 a间林地分离度很高,没有明显变化趋势,说明林地景观分布一直处于较复杂状态,分离度越高,对番禺区生态系统影响越大,保护林地的必要性由此可见。
园地的斑块密度和斑块指数也呈同步变化的趋势,1990~2000年一直递增,2000~2005年开始下降,说明由于农业结构的调整,园地在后5 a时间内面积和斑块数都逐渐减少。与其他地类相比,园地平均分维数较低,说明其斑块复杂性不大,1995年“高点”由于城市化进程初期,土地利用变化转折点造成。
2） 土地利用类型的景观特征分析。图3所示,斑块密度曲线一直呈现上升的趋势,说明景观斑块的破碎度趋于增大,2000~2005年变幅减小,其破碎度的力度降低。形状指数稍有变化,其变化趋于增大,与密度指数吻合。分离度描述斑块在空间上的分散程度,1990~2000年,分离度指数值有所下降,而2000~20005年,其值呈上升趋势变化,说明2000~2005年这段时间,斑块在空间上趋于分散,分布较为零散。辛普森多样性和辛普森均匀度的变化趋势吻合,1990~1995年,二者值都呈增加趋势,说明这段时间景观结构的复杂性趋于增加,而在1995年之后的时间内,这二者的值趋于平衡态,这段时间,番禺区景观结构的动态变化不明显。凝聚度描述景观聚集度。图3看出,番禺区15 a来景观集聚度变化平缓,4个时间凝聚度值分别是：99.661,99.648,99.647,99.588。蔓延度指数体现景观的空间自相关性,1990~1995年间有所下降,1995年后趋于平缓。
以上选取的景观指数从多方面定量的描述了番禺区土地覆被景观在不同时期的动态过程及其差异,指数的动态特征表明番禺区在近15 a时间内,土地利用变化趋于平缓,景观格局的变化也相对趋于平缓。这种趋势表明番禺区的城市化进程已逐步成熟。
1） 从土地利用变化的数量关系上可以看出, 1990~2005年的15 a 间,伴随城市化进程,番禺区变化最大的是耕地,其次是建筑用地和园地,水体变化也较大,其中耕地和园地均有减少,而其他地类均有增加。人为因素在土地覆被变化中所起的作用越来越大,自然覆被减少,并且农业结构和人们生活方式也在迅速转变。
2） 从土地利用结构变化看,土地利用变化速率依次为：绿地>交通用地>灌草地>建筑用地>园地>林地>耕地=水体;各地类增减总面积占全区土地利用变化面积的比例依次为：耕地>建筑用地>水体>园地>林地>灌草地>绿地>交通用地。各地类均有向其他地类转变的部分,也有其他部分转入的土地。其中转移比例较多的是林地,绿地,耕地和灌草地,新增较多的地类是建筑用地,交通用地,水体,耕地。土地利用类型的转变由自然功能类型向人工功能类型转变。
2） 从土地覆被的景观格局变化方面,可以看出耕地,园地,林地,建筑用地4类土地利用类型的斑块破碎度都增大,尤其是农用地,园地,灌草地等,而建筑用地面积的扩展和布局的调整导致建筑用的集聚度增大,除园地外,其他地类的复杂性也增加;另外,林地,园地,建筑用地的分离度近年来趋于增加,这对番禺区生态系统保护中产生的影响不可忽视。
The authors have declared that no competing interests exist.
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