贵州习水县土地利用景观格局特征分析

2015-12-03刘飞谢双喜谢鹏张文洁

天津农业科学 2015年12期

刘飞+谢双喜+谢鹏+张文洁

摘要：以土地利用数据为数据源，借助Arcgis和Fragstats工具，从景观斑块数、斑块形状、聚散性、多样性、均匀度等方面对习水县土地利用的景观空间特征进行分析。结果表明，研究区林地斑块面积占总面积的61.88%，其次是耕地占30.91%，形成林地、耕地这两个优势明显的景观类型环绕交错分布的景观特征。景观整体多样性与均匀度均不高，景观优势度较高，有相对较高的聚集程度与连通性。为习水县土地整理及可持续发展提供了依据。

关键词：土地利用;景观生态学;习水;景观指数

中图分类号：F301.2 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2015.12.020

Analysis on the Characteristics of Landscape Pattern of Land Use in Xishui County of Guizhou Province

LIU Fei1， XIE Shuang-xi1， XIE Peng2， ZHANG Wen-jie1

（1.College of Forestry， Guizhou University， Guiyang， Guizhou 550025， China; 2.Land Resources Department of Xishui County， Xishui， Guizhou 564600， China）

Abstract： Based on the information source of landscape map， and using the tools of Arcgis and Fragstats， the landscape spatial characters of land use in Xishui County such as characteristics of patch number， patch size， diversity index， and evenness index are analyzed. The result demonstrates that the forest patch area accounted for 61.88% of the total research area， and the arable land patch 30.91%， it form distributed forest and arable land patch， which have its remark able advantage in landscape type and landscape features. From the landscape as a whole， the research shows that the diversity and the evenness of landscape are low， the landscape dominance， aggregation and connectivity is relatively high. It provides the theory reference for land management and sustainable development of Xishui County in Guizhou Province.

Key words： land use; landscape ecology; Xishui county; landscape index

景观格局分析主要是研究景观内各斑块类型在景观中的分布规律，是研究景观功能和动态的基础[1-2]，数量分析方法已经不断修改和完善[3]。通过对景观格局的分析有助于对宏观区域生态环境状况评价及发展趋势进行分析，同时也有助于探索自然因素与人类活动对景观格局及动态过程的影响[4];可以科学合理地规划我们所面临的环境，以实现人口、资源和环境的协调与可持续发展[5]。以土地利用数据为数据源，借助Arcgis和Fragstats工具，从景观斑块数、斑块形状、聚散性、多样性、均匀度等方面对习水县土地利用的景观空间特征进行分析，可为土地管理决策以及区域生态环境建设提供理论支持。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

习水县位于贵州高原北部，县域面积307 563 hm2，2010年人口统计为717 534人。东连桐梓，西接赤水、四川古蔺，面向重庆，背靠遵义，是贵州进川渝、通江达海的前沿窗口。习水县地处大娄山山系西北坡与四川盆地南缘的过渡地带，境内属中山峡谷地貌，地势东高西低，最高处海拔1 871.9 m，最低处275 m。习水县已发现煤矿、铁矿、锰矿、铜矿、粘土矿等30余种矿产资源，储量十分丰富，尤其以煤矿储量最为丰富，初步估算蕴藏量为54.6亿t，已查明储量16.7亿t，素有西南煤海之称。县域内有赤水河、习水河、桐梓河等长江支流，属于长江中上游生态保护的核心区域，域内西北部有贵州省面积最大的自然保护区——贵州习水中亚热带常绿阔叶林国家级自然保护区。

1.2 数据来源及处理

基础数据来源于习水县2012年土地利用变更调查数据shape数据，土地利用现状数据是在2009年全国第二次土地利用调查的基础上通过年度变更调查得到，为.shp格式文件，地类编码总数为24个，数据来源较权威、可靠[6]，可提高土地利用景观格局分析的准确度及有效性。根据习水县实际情况及研究需要将以上24个地类进行景观重分类，然后利用Arcgis中conversition tools工具将“地类图斑”shape数据转换成20 m×20 m的栅格数据，得到习水县景观类型图（图1）。借助Fragstats软件根据景观格局分析需要对景观格局指数进行计算，得到相关的景观类型水平（class level）和景观水平（land-scape level）两种类型景观指数数据。

1.3 土地利用及景观分类

根据土地利用属性和景观生态学意义，参照国家土地利用现状分类标准（GB/T21010—2007），结合习水县实际情况，进行景观分类，共包括耕地、林地、草地、水域城镇建设用地、农村居民点用地、未利用地7类，其中：（1）耕地：包括旱地、水田和园地（因本研究区园地面积很小且基本处于粮食生产状态）三个二级类型，为粮食生产用地;（2）林地：包括有林地、灌木林地、疏林地、未成林地等林地类型;（3）草地：包括天然牧草地以及树木郁闭度<0.1、表层为土质、生长草本植物为主、不用于畜牧业的草地;（4）水域：包括河流水面、湖泊水面、水库水面、坑塘水面、内陆滩涂、沟渠以及水工建筑用地等类型;（5）城镇建设用地：主要包括城市用地、交通运输用地以及建制镇;（6）农村居民点用地：包括农村居民用地、设施农用地等村庄建设用地;（7）未利用地：主要指表层为土质、基本无植被覆盖的土地，或表层大多为岩石、石砾的未利用土地。

1.4 数据分析

本研究采用景观指数来描述研究区斑块或整个景观的空间格局。当前所能采用的各种景观格局指数累计近百个，但有些指标的生态学意义并不明确，甚至相互矛盾[7-8]。因此，本研究依据简单性、代表性和统一性的原则，在全面了解所选指标生态意义的前提下[9]，根据研究区特征，在斑块水平上选取斑块面积（CA）、斑块数（NP）、边界密度（ED）、景观百分比（PLAND）、平均斑块面积（AMN）、斑块形状指数（LSI）、景观聚集度指数（AI）、最大斑块指数（LPI）、斑块内聚集指数（COHESION），在景观水平上选取Simpsons多样性指数（SIDI）、Simpsons均匀度指数（SIEI）、景观聚集度指数（AI）等，较全面地从景观聚散性、多样性、异质性等多方面反映习水县土地利用类型的景观特征，各指数公式、计算方法及生态学含义见参考文献[9-11]。

2 结果与分析

2.1 景观整体结构分析

研究区总面积为307 563 hm2，总斑块数97 742个。如表1所示，各景观类型中，林地面积最大，为190 314.48 hm2，占研究区总面积的61.88%;其次为耕地，面积达95 080.72 hm2，占30.91%;此外，草地10 120.48 hm2，占3.29%;城镇建设及农村居民点用地合计9 919.6 hm2，占3.22%;水域2 021.76 hm2，占0.66%;未利用地106.2 hm2，占0.03%。耕地、林地面积达到了全县土地总面积的92.79%，为研究区优势景观类型，其中林地面积占研究区总面积的61.88%，在整个景观生态系统中面积最大、连通性较好，是占主导地位的景观类型，为整个研究区的景观基质[11]。研究区内林地的平均斑块面积最大，为9.35 hm2·个-1（剔除自然保护区最大斑块外为4.67 hm2·个-1），其次为耕地为3 hm2·个-1，两个值均不是很大，这说明两个主要景观类型广泛交错分布于整个研究区域[12]，在局部仍分布着的较小面积斑块。

就斑块类型数量NP来说，农村居民点用地36 708>耕地31 677>林地20 360>草地4 600>水域3 250>城镇建设用地981>未利用地166，斑块数在一定程度上可以反映出景观的破碎性，农村居民点用地在斑块面积占比2.55%情况下，斑块数量占比却达到了37.56%，这说明了农村居民点用地的点状分散性。

2.2 景观面积特征

从斑块面积来看，林地面积最大，为190 314.48 hm2，其次为耕地95 080.72 hm2，两者面积合计占研究区总面积的92.79%。林地平均斑块面积最大，为9.35 hm2·个-1，虽然超过其他景观斑块，但相差也不是很大。最大斑块为林地，最大斑块指数达到了30.942 1，这说明习水县林地斑块之间面积悬殊非常大，而且以大面积斑块占据林地景观的主体，其中以习水中亚热带常绿阔叶林国家级自然保护区及其辐射区域斑块面积最大，达95 160.07 hm2（其中保护区面积48 666 hm2），占全部林地面积的50%，占研究区景观的30.94%。这说明，其他林地斑块面积也较小且有一定分散性，由此可见，习水中亚热带常绿阔叶林国家级自然保护区对于习水县生态系统及其景观的稳定具有积极作用。城镇建设用地和农村居民用地的平均斑块面积最小，城镇建设用地为0.62 hm2·个-1，农村居民用地为0.21 hm2·个-1，说明这两类景观斑块主要呈带状、点状分布。

不同景观类型的面积大小差异较大，这与人类活动有密切关系[13]。由于研究区为高原山地区域以及长期以传统农业为主业的农业区有关，耕地在该地区分布极为广泛，且人类干预改造程度强，耕地整体地形起伏大，使得耕地多被分割为小块状分布，斑块平均面积较小，大部分林地同样如此。城镇建设用地同样受到人为影响较大，分布集中且形状规则，表现出较高的平均斑块面积，而农村居民点用地受地形和历史传统影响，以“户”为单位在全县分布表现出较小的平均斑块面积且斑块数量多。

2.3 景观形状及边缘特征分析

斑块形状指数LSI是反映景观形状复杂性以及受人为活动影响大小的重要指标，当景观中该类型的斑块只有一个，且接近正方形，LSI等于1，随着斑块类型的离散，它逐渐变大且没有限制[9]。由表1可知，耕地斑块LSI最大，达到了255.37，这主要是因为耕地斑块分布较零散导致。此外，农村居民用地LSI的也很大205.67，这是基于该区域经济条件落后，农村居民用地还局限于耕地的分布范围，随耕地的分布而呈现出较高的离散性;林地LSI为167.01，这说明，除了自然保护区区域斑块，其他林地斑块也具有一定的离散性。而城镇建设用地LSI为33.22相对农村居民用地要小很多，形状趋于简单化，这是因为前期地区经济发展落后，近几年城镇建设规模逐渐提高过程中城镇建设规划比较合理导致的。

边界密度ED揭示了景观类型被边界的分割程度，明显表现出边界长度与斑块形状的规则程度以及面积的大小有很大的关系，可以从一定程度上反映斑块与外界的联系程度和受外界干扰强度[9-10]。由表1可知，习水县景观边界密度最大的为耕地102.15，其次为林地93.28，表明在景观本身的自然属性和人类干扰影响下，耕地和林地边缘复杂，边缘效应大。此外，农村居民点用地达到了23.69，也进一步说明了农村居民点的点状分散性。水域的边界密度大小在各景观类型中适中，水域则因主要分布于少数中小型水库和低洼河谷区域，斑块数量少，且分布相对稳定，边界密度也相对较小。草地和未利用地表现出相对较小的边界密度，受人为影响较小，外界干扰程度小。城镇建设用地ED达到了1.97的低值，这是由于早期城镇建设发展落后，近年来城市用地虽不断扩张，但建设用地斑块由于城镇建设规划的影响，具有较强的团聚式扩张特点[11]，从而边界密度相对较小。

2.4 景观聚集度与连通性指数分析

景观聚集度指数AI单位是%取值范围在0～100，当某一斑块类型的破碎程度达到最大化时，AI等于0，随着聚集程度的不断增加，AI值也不断增大[10]。如表所示，各景观类型聚集度指数AI除农村居民点用地53.68%和水域68.84%外，其余各景观类型的聚集度指数都较高，尤其是林地92.38%、城镇建设用地85.75%、耕地83.49%，草地83.63%和未利用地74.01%次之，这与研究区的山区地形条件及的人类活动影响有关。

从斑块内聚力指数COHESION的角度来看，林地99.89>耕地99.04>城镇建设用地95.28>草地94.42>水域94.36>未利用地83.04>农村居民点用地68.88，农村居民点用地连通性较低，其余斑块类型均处于一个相对较高的连通性水平，特别是林地和耕地。

从景观水平上来看，景观聚集度指数AI达到了88.15%，也从一定程度上说明了整个景观较高的聚集性和连通性。

以上景观指数分析情况比较真实地反映出了习水县景观概况：习水县除西北部的自然保护区外，是典型的山地农业景观，低丘缓坡及坝子地区往往是耕地景观，而林地则分布于山坡、山岭之上，这就导致两个斑块类型的聚集程度和斑块连通性处于一个较高的水平，形成耕地与林地面积占研究区绝大部分比重、两者环绕交错分布的总体格局。居民点往往根据耕地分布、地形条件而因地制宜分布，整体上处于较为零散的状态，聚集度较低，水域则因山区地形条件限制，仅散落分布于少量水库及河谷地带，聚集度也较低。

2.5 景观多样性与均匀度指标分析

Simpsons多样性指数取值范围为0≤SIDI<1。当整个景观中只有一个斑块时SIDI=0，随着景观中斑块类型数的增加以及他们面积比重的不断均衡化，SIDI值也不断向1接近。Simpsons均匀度指数范围：0≤SIEI≤1。随着景观中不同斑块类型面积比重越来越不平衡，指标值不断向0接近，当只有一个斑块时SHEI=0。当景观中各斑块类型面积比重相同时，SHEI=1[10]。

由表2可知，研究区Simpsons 多样性指数SIDI为0.519 7，说明景观多样性较低，部分斑块类型存在明显优势性。Simpsons均匀度指数SIEI也不大，为0.606 3，说明研究区斑块类型均匀度不高而优势景观类型比较明显。从景观水平的景观聚集度AI分析结果来看，AI值达到88.15%，同样体现出了整个景观较高的聚集程度。从均匀度和聚集度来看，景观类型均呈现出较高的聚集度，其反映的结果基本与多样性指数一致，整体景观复杂性不高，多样性不高。这主要是因为林地、耕地两个斑块类型面积占到了研究区总面积的92.79%，占了整个研究区的绝大部分比例，与其他5个斑块类型面积差异很大，从而导致林地、耕地景观优势突出。

3 结论与讨论

（1）习水县景观类型构成比例大小依次为林地、耕地、草地、农村居民点用地、城镇建设用地、水域和未利用地，形成耕地与林地两个聚集程度较高、面积占研究区绝大部分比重、两者环绕交错分布的总体景观特征。林地斑块面积最大、景观聚集度最高，表征了习水县是典型山区农业县，且森林生态系统是支撑该县农业发展的重要因素。习水县景观多样性较低与均匀度均不高，农村居民点斑块数量大，因为依赖耕地分布、地形条件而因地制宜分布影响，整体上处于较为零散的状态，聚集度最低。城镇建设用地则由于早期城镇建设发展落后，近年来城市用地虽不断扩张受城镇建设规划影响，具有较强的团聚式扩张特点，从而表现出相对较高的聚集度和趋于简单化的斑块形状。草地和未利用地因受人类活动影响较小，主要分布于高山偏僻地区，斑块数量少，且分布相对稳定，受外界干扰程度小。水域则因研究区地形条件限制，仅散落分布于少量水库及河谷地带，斑块数量少、面积小、聚集度也较低。从整个研究区景观的角度来看，研究区不同景观类型的面积大小差异较大，均匀度不高、多样性较低，景观优势度较高，有较高的聚集程度与连通性。

（2）虽然整个研究区景观存在较高的聚集程度与连通性，但也存在以下几个方面的问题。首先，林地、耕地斑块虽然景观类型面积最大，具有明显的优势度，但斑块类型内部也存在明显的离散性，都具有复杂的边缘特征，边缘效应大。其次，作为典型的山区农业景观，农村居民点用地斑块数量大，离散性高。第三，本研究区域水域斑块数量少、面积小、聚集度也较低，仅散落分布于少量水库及河谷地带。

因此，有必要进行土地整理，整合较小面积耕地斑块;继续进行合理的退耕还林工作，根据局部地区的主体景观类型实现用途转变，提升林地、耕地的相对集中分布程度;根据实际地形条件应适度发展中小型水库，提高山区百姓生产生活用水安全保障。有利于规模化生产和集中管理，也有利于农村居民点的迁改合并，达到集约节约用地的目的。

（3）通过空间格局分析，得到了习水县景观特征的初步认识。在此基础上可进一步开展有关坡度、坡向等地形因子对习水县土地利用格局影响以及习水县景观生态安全格局等课题的研究，从而为习水县生态建设和土地资源持续利用等提供理论依据。

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