湖南文理学院资源环境与旅游学院,湖南 常德 415000
中图分类号: K909
文献标识码: A
文章编号: 1000-0690(2013)12-1484-05
收稿日期: 2012-12-16
修回日期: 2013-03-20
网络出版日期: 2013-12-20
版权声明: 2013 《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:彭保发(1962-),男,湖南桃源人,教授,主要研究方向为资源生态利用。E-mail: pengbaofa@163.com
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关键词:
Abstract
从景观类型组成、斑块特征和景观异质性3个方面分析景观格局特征的基础上运用主成份分析建立景观稳定性综合评价模型对土地利用景观稳定性评价。结果表明①对于土地利用景观格局林地和耕地是常德市主要的景观类型构成了区域的景观优势是调控土地利用格局稳定性的主要组成部分。土地利用景观整体格局中耕地占优势斑块相对均匀对景观总体空间格局影响较大其他农用地、牧草地、未利用地、居民点工矿用地居次。从总体来看 景观多样性复杂优势度和均匀度明显具有较高异质性;②通过区域土地利用稳定性的分析评价常德市土地利用景观稳定性整体上具有明显差异。桃源县有最高的景观稳定性然后依次为石门、澧县、鼎城、临澧、汉寿5县(区)。武陵区土地利用景观稳定性最低主要是景观结构方面的斑块多样性低景观类型单一。
Keywords:
土地利用/覆被作为一种重要的人类活动对景观及其生态效应的影响,越来越受到相关专家学者的关注。土地利用变化不仅体现了土地资源的数量、质量,还反映了在土地利用格局动态。土地利用方式是土地利用空间格局的决定因素,反映了土地利用生态过程的稳定特性。从景观生态学上看,稳定性是土地利用格局特征及生态过程的持续性,反映了区域土地利用方式与环境条件实现协调[1]。利用景观生态学方法进行土地利用格局研究,通过空间格局可以对土地利用进行定量化描述、分析和研究,包括土地利用景观类型的数量、各类型所占比例以及土地利用景观多样性等指标[2~5]。到目前为止,针对于土地利用对景观稳定性的影响研究尚不多见,且大多都从生态系统的稳定性方面表达景观的稳定性[6]。本文针对常德市土地利用现状,分析土地利用景观格局指数,根据格局指数对保持结构与功能的能力,探讨景观格局的景观稳定性的影响,为土地利用节约利用与区域可持续发展提供参考。
常德市大部处西洞庭湖区属亚热带季风气候区,四季分明,全年平均气温在16℃~17℃之间,年较差为23.6℃~24.5℃,无霜期为264~283 d。降水时空分布不均,有明显的地域性和过度性,年内降水主要集中在4~6月份。动植物资源丰富,已查明的高等植物有2 703种,占湖南省已知高等植物的62.5%。该区域地处亚热带常绿阔叶林区域,区划属于亚热带北部常绿阔叶林地带。
研究区总面积为1 818 982.48 hm2,占湖南省的8.63%。全市9县(市、区)中,面积最大的是桃源县,占全市土地总面积的24.51%,为445 832.54 hm2;其次为石门县,面积是全市的21.83%;面积最小的武陵区,仅占全市的1.64%。各类用地中,林地面积最大,占全市总面积的36.96%;其次是耕地,为全市的25.96%,远高于湖南省平均水平;最小的是牧草地,仅有303.15 hm2,仅占全市土地总面积的0.02%。
本文采用的数据源是2009年常德市土地利用现状图作为工作底,根据所获取的资料及《全国土地利用现状分类标准》,结合常德市土地利用景观类型结构特点,将土地利用类型划分为:耕地、园地、林地、牧草地、其他农用地、居民点及工矿用地、交通运输用地、水利设施用地与未利用地等。运用GIS(ArcGIS9.0)软件建立常德市土地利用类型分布数据库。
由于景观指数表征的生态意义各有侧重且又存在的相关性,从反映土地利用景观格局特征的景观结构、斑块特征及景观异质性3个方面选取所有景观指数,对土地利用景观指数两两计算相关系数,在给定置信度0.05条件下进行相关性检验,对相关性显著的可删除其中的1个评价指标,相关性不显著的则同时保留2个评价指标,这样保证了筛选出的指标反映信息不重复[9]。分别选用了景观类型面积、斑块密度、斑块数、斑块数比、斑块平均面积、斑块变动系数、斑块形状指数、多样性指数、景观优势度、景观均匀度、分维度等15个指标。采用FRAGSTATS3.3计算景观格局指数[10 ~12]。
对于选取土地利用格局指标,需要从景观指数是有利于还是不利用格局稳定性作为标准,进行无纲量化,计算公式为:
正指标
负指标
式中,
根据标准化的景观指数,利用主成份分析构建土地利用景观格局的稳定性评价指标体系[13,14],进行土地利用景观稳定性评价。根据式(3)确定各主成份权重(wj)。
式中,
式中,Fi为i单位的土地利用景观稳定性指数,Zj为主成份j的得分。Fi值与土地利用景观分布和景观稳定性成正相关。
3.1.1 土地利用类型组成结构特征
景观类型组成结构包括组成单元的类型、多样性等数量特征。表1可见,林地和耕地是常德市的主要景观类型,构成研究区域的优势景观,未利用地、其他农用地、居民点及工矿用地次之,最小的是牧草地。从斑块数和斑块比来看,斑块数最多的为林地,斑块密度最大的为牧草地,耕地斑块密度最小。
3.1.2 土地利用景观的斑块特征
土地利用类型的斑块特征主要通过斑块规模、形状系数、分维度等指数来反映(表2)。
由表2可见, 常德市斑块平均面积最大的为耕地,但变动系数居中,体现了斑块大小相对较均匀。变动系数取小的为交通运输用地、牧草地、其他农用地,体现了斑块大小均匀,破碎化程度低。从形状复杂性来看,交通运输用地的斑块边缘密度、形状系数和分维度最大,林地与水利设施用地居次,主要由于形状成带状分布所致。
3.1.3 土地利用景观异质性
景观异质性反映土地利用程度的不均匀性和复杂程度。表3可见,林地优势度和多样性最大,其次为均匀度,体现了常德市林地类型丰富,同时呈相对均匀的空间分布,但分离度居第6,说明了林地呈集中分布。耕地有最大的均匀度,分布均匀,对景观总体格局具有较大的影响。综合分析表明,区域表现出较大程度的异质性和多样性,主要体现了林地、耕地、居民点及工矿用地对总体景观有较高的控制程度。分离度最小的为交通运输用地和水利设施用地,其多样性差但均匀度居中。从研究区域来看,景观总体空间格局表现了较高的异质性。
3.2.1 景观格局稳定性评价模型参数
土地景观稳定性是景观结构的体现。本文结合区域现状与景观结构的特征,选取12个主要的指标,即斑块数X01、平均值X02、斑块密度X03、标准差X04、变动系数X05、形状指数X06、斑块边缘密度X07、多样性指数X08、优势度X09、均匀度X10、分离度X11、分维度X12等作为稳定性功能的评价。通过主成份分析取前4个主成份,累计方差的贡献率达93.967%,得出该4个主成份主成分的贡献率λj与载荷表Zj(表4、表5)。4个主成份权重能够反映格局指数对保持结构与功能的能力。
表1 常德市景观组成结构 (2009)
Table 1 Landscape composition in Changde City (2009)
土地利用类型 | 面积(hm2) | 面积比(%) | 斑块数(块) | 斑块数比(%) | 斑块密度(块/hm2) |
---|---|---|---|---|---|
耕地 | 472190.82 | 25.96 | 45974 | 12.67 | 0.0974 |
园地 | 40886.06 | 2.25 | 24601 | 6.78 | 0.6017 |
林地 | 672364.60 | 36.96 | 133740 | 36.85 | 0.1989 |
牧草地 | 303.15 | 0.02 | 6904 | 1.90 | 22.7742 |
其他农用地 | 206742.77 | 11.37 | 28712 | 7.91 | 0.1389 |
居民点及工矿用地 | 126898.38 | 6.98 | 83796 | 23.09 | 0.6603 |
交通运输用地 | 10478.83 | 0.58 | 3031 | 0.84 | 0.2892 |
水利设施用地 | 31033.91 | 1.71 | 3332 | 0.92 | 0.1074 |
未利用地 | 258083.96 | 14.19 | 32829 | 9.05 | 0.1272 |
表2 常德市土地利用类型斑块特征(2009)
Table 2 Patch characteristics of the land use type in Changde City(2009)
景观类型 | 平均值(hm2) | 标准差(hm2) | 变动系数 | 斑块边缘(m/hm2) | 形状指数 | 分维度 |
---|---|---|---|---|---|---|
耕地 | 10.2708 | 56.6278 | 5.51 | 33.0875 | 10.1029 | 1.3213 |
园地 | 1.6620 | 10.0480 | 6.05 | 12.0943 | 5.3047 | 1.2167 |
林地 | 5.0274 | 45.5523 | 9.06 | 44.5576 | 25.3458 | 1.4339 |
牧草地 | 0.0439 | 0.0776 | 1.77 | 9.0432 | 3.5563 | 1.2154 |
其他农用地 | 7.2006 | 8.9400 | 1.24 | 8.1048 | 2.8979 | 1.2019 |
居民点及工矿用地 | 1.5144 | 90.1275 | 59.51 | 21.9753 | 8.0243 | 1.2898 |
交通运输用地 | 3.4572 | 8.0963 | 2.34 | 60.0334 | 52.8954 | 1.3874 |
水利设施用地 | 9.3139 | 83.0080 | 8.91 | 57.1265 | 48.6798 | 1.3662 |
未利用地 | 7.8615 | 11.7684 | 1.50 | 3.5456 | 6.3791 | 1.2020 |
表3 常德市景观异质性特征(2009)
Table 3 Heterogeneity of landscape types in Changde City (2009)
景观类型 | 分离度 | 优势度 | 多样性指数 | 均匀度 |
---|---|---|---|---|
耕地 | 80.4221 | 35.6807 | 18.2214 | 0.8945 |
园地 | 166.3079 | 12.4744 | 16.4287 | 0.6015 |
林地 | 85.62 | 37.0978 | 18.6231 | 0.8864 |
牧草地 | 174.456 | 9.6623 | 16.5576 | 0.6224 |
其他农用地 | 121.7815 | 21.6211 | 16.9120 | 0.7153 |
居民点及工矿用地 | 97.8276 | 29.5467 | 17.4434 | 0.8703 |
交通运输用地 | 5.3463 | 16.7620 | 10.0023 | 0.8681 |
水利设施用地 | 30.2381 | 15.7432 | 13.4519 | 0.8639 |
未利用地 | 143.558 | 20.1247 | 16.9952 | 0.6672 |
表4 特征值与主成分贡献率
Table 4 Total variance explained
主成分 | 初始特征值 | 因子提取结果 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|
特征值 | 贡献率 | 累计贡献率 | 特征值 | 贡献率 | 累计贡献率 | |
1 | 6.524 | 54.367 | 54.367 | 6.524 | 54.367 | 54.367 |
2 | 2.450 | 20.415 | 74.782 | 2.450 | 20.415 | 74.782 |
3 | 1.714 | 14.279 | 89.061 | 1.714 | 14.279 | 89.061 |
4 | 0.589 | 4.906 | 93.967 | 0.589 | 4.906 | 93.967 |
5 | 0.428 | 3.571 | 97.538 | |||
6 | 0.146 | 1.213 | 98.751 | |||
7 | 0.091 | 0.762 | 99.513 | |||
8 | 0.037 | 0.309 | 99.822 | |||
9 | 0.016 | 0.134 | 99.956 | |||
10 | 0.003 | 0.023 | 99.979 | |||
11 | 0.002 | 0.018 | 99.998 | |||
12 | 0.000 | 0.002 | 100.000 |
由表5看出:第一主成份Z1在斑块密度X03、斑块边缘密度X07、多样性指数X08、优势度X09、分离度X11因子上的载荷分别为+0.963、+0.959、+0.861、+0.839与+0.970,都超过了85%以上,综合了5个变量的变异信息,反映了土地类型之景观异质性特征。第二主成份Z2于标准差X04、变动系数X05、均匀度X 103个因子上的载荷系数分别是+0.838、+0.783和-0.675,体现了土地类型之斑块规模特征。第三主成份Z3于斑块数X01、形状指数X06、均匀度X 10等3个因子上的载荷系数分别是+0.720、+0.493、+0.610,反映了土地类型多样性及分布均匀。第四主成份Z4于标准差X04、分维度X12上的因子载荷分别是+0.283 8和+0.560 3,体现了土地类型之斑块破碎化程度。
表5 主成分载荷矩阵
Table 5 Load matrix of the principle components
X01 | X02 | X03 | X04 | X05 | X06 | |
---|---|---|---|---|---|---|
Z1 | 0.544 | -0.813 | 0.963 | 0.035 | 0.513 | 0.707 |
Z2 | -0.293 | -0.282 | -0.160 | 0.838 | 0.783 | 0.447 |
Z3 | 0.720 | 0.163 | -0.081 | 0.412 | 0.167 | 0.493 |
Z4 | 0.216 | -0.143 | -0.135 | 0.284 | -0.221 | -0.115 |
X078 | X08 | X09 | X 10 | X11 | X12 | |
Z1 | 0.959 | 0.861 | 0.839 | 0.362 | 0.970 | 0.666 |
Z2 | -0.193 | -0.387 | 0.290 | -0.675 | -0.054 | -0.134 |
Z3 | -0.161 | 0.005 | -0.427 | 0.610 | -0.098 | -0.369 |
Z4 | -0.066 | -0.190 | -0.003 | 0.037 | -0.081 | 0.560 |
3.2.2 景观格局稳定性评价
从各区域的景观稳定性指数分析(图1)可知,土地利用类型的景观稳定性在总体上差异明显。
图1 常德市景观稳定性指数雷达图(2009)
Fig .1 The index of integrated evaluation of the land use patterns in Changde City in 2009
由于斑块特征明显,景观类型多、异质性高及景观组成结构合理,桃源县景观稳定性为最高,稳定性指数是3.972。然后依次为石门、澧县、鼎城、临澧、汉寿5县(区),景观稳定性指数均大于2.300,石门县景观多样性、均匀度与分离度高,景观稳定性指数为2.861。鼎城区虽然生态用地类型丰富,地形地貌复杂,斑块数多,但由于城市化进程中人类干扰加快了景观的破碎度,导致景观稳定性降低。临澧县、汉寿县由于湖区面积大,水系复杂,景观异质性较强,景观稳定性居中。景观稳定性较低的有津市市、安乡县、景观稳定性指数小于2。武陵区景观稳定性最低,主要原因是斑块数小,斑块多样性低,景观格局相对简单。
稳定性作为土地利用的重要特性之一,不仅要关注土地利用变化状态,更要注重土地利用景观的稳定结构,土地类型的景观稳定性研究具有重要现实意义和科学价值。
1) 对于土地利用景观格局,林地和耕地是常德市主要的景观类型,是调控土地利用景观稳定性的主要组分,构成研究区域优势景观。土地利用景观整体格局中耕地占据优势,斑块相对较均匀,对景观总体空间格局的影响较大,交通运输用地斑块形状最复杂。从总体来看,常德市的土地景观格局具有较高的异质性。
2) 通过区域土地利用稳定性的分析评价,常德市土地利用景观稳定性整体上具明显差异。其中桃源县景观稳定性最高,武陵区景观稳定性最低,石门、鼎城、澧县、汉寿、临澧5县(区)居中。
3) 本文是基于结构决定功能,从单一尺度上对土地利用的稳定性功能进行研究,但存在一定的局限性,对其结构驱动生态过程的机制与效应及其与社会经济发展的耦合机理的研究和认识,有待于进一步研究。
The authors have declared that no competing interests exist.
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