粮食主产区景观格局变化及生态环境响应

刘庆亚 张丽琴 程子瑞

摘要：以中部粮食主产区湖北省鄂州市1991、2012年土地利用调查变更数据为基础，根据土地利用方式对鄂州整体景观重分类，分为耕地、林地、建设用地、养殖水面、水体和其他用地6类。通过Fragstats软件计算景观格局指数，从斑块类型水平和景观类型水平分析鄂州景观数量和空间格局变化，以此建立生态危险评价模型来对生态环境进行响应。根据地统计分析中半变异函数拟合和克里金插值分析生态环境变化。1991-2012年，耕地和其他用地面积减少，破碎度增加；水体面积减少，破碎度减少；林地、建设用地和养殖水面面积增加，破碎度减少。鄂州城市整体各景观类型呈均衡趋势发展，景观多样性增加，景观格局趋于破碎化分布，但耕地大面积减少，导致植被覆盖降低，土壤侵蚀严重，生态环境恶化。

关键词：景观类型；景观格局变化；生态风险；粮食主产区；鄂州市

中图分类号：F301.2 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）11-2787-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.11.059

Landscape Pattern Change and Ecological Environment Response in Main Grain Producing Area——A Case Study on Ezhou City in Hubei Province

LIU Qing-ya， ZHANG Li-qin， CHENG Zi-rui

（School of public administration， China University of Geosciences， Wuhan 430070， China）

Abstract： Based on the change data of land use survey in both 1999 and 2012 in Ezhou city， the main grain producing area in the central region， this paper reclassified the overall landscape of Ezhou according to the ways of land use， which was divided into cultivated land， forest land， construction land， aquaculture area， and the changes of the landscape quantity and the spatial pattern in Ezhou were analyzed by the level of patch types and landscape types， so as to establish the ecological risk assessment model for the response to the ecological environment. According to the semivariogram fitting and Kriging interpolation in land statistical analysis， the ecological environment changes were analyzed. From 1991 to 2012， the area of cultivated land and other lands decreased with the increase of fragmentation； the water area decreased with the decrease of fragmentation； the area of forest land， construction land and aquaculture area increased with the decrease of fragmentation. The whole landscape types in Ezhou city developed in a balanced trend， with the increase of landscape diversity and the fragmented distribution of landscapes， but the cultivated land area decreased， resulting in the decrease in vegetation coverage， severe soil erosion and deterioration of ecological environment.

Key words： landscape type； landscape pattern change； ecological risk； main grain producing area；Ezhou city

区域土地利用变化是全球变化研究的重点领域[1]，人类的各种社会经济活动行为对土地利用的变化和景观格局变化产生重要影响，进而影响到生态系统的结构和功能。景观格局变化及其生态环境效应已经成为景观生态学研究的热点之一[2，3]。景观的稳定性直接影响土地资源的可持续利用[4，5]。景观的空间格局是若干生态过程与非生态过程长期作用的产物，景观的空间结构影响着干扰的扩散和能量的转移，尤其是景观中某些具战略性的结构退化或破坏将对整个区域生态环境产生致命的影响[6]。景观格局影响生态学过程（种群动态、动物行为、生物多样性、生态生理和生态系统过程等）。基于景观结构进行土地利用生态风险分析，可以综合评估各种潜在生态影响类型及其累积性后果。景观格局中沿某一方向的高度自相关可能预示某种生态学过程在起着重要作用[7]。掌握景观格局、组成要素相互作用以及功能的变化特征和演替规律，可以快速、准确地了解区域生态系统结构与功能的变化。本研究以湖北省鄂州市为例，城市化、工业化进程的加快使鄂州市景观格局变化十分剧烈。鄂州市作为粮食主产区大省湖北的一个重要粮食产地，景观变化尤其是耕地类型变化关系着粮食安全和生态安全。以鄂州市为研究对象，通过景观变化分析和生态环境响应可以为粮食主产区的生态环境保护提供科学依据。

1 研究区概况

鄂州市位于湖北省东部，长江中游南岸，是湖北省省辖市之一，面积1 596 km2，属于丘陵、滨湖地区，下辖鄂城、梁子湖、华容3区。鄂州市土壤肥沃，气候适宜，构成各种类型生态环境，有利于各种植物的生长，是我国主要的粮食产区之一。截至2012年末，鄂州市常住人口105.35万人，城镇化率62.09%，居湖北省第二位。2004-2012年，鄂州市紧靠武汉城市圈中心，依靠优越的交通条件和资源优势，经济社会高速发展，景观变化剧烈，生态环境响应显著。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源及预处理

本研究所采用的基础数据主要来自于1991年土地调查数据和2012年土地更新数据，数据调查方法均为遥感影像解译和实地详查相结合，以保证数据精确。将1991年土地调查数据通过控制点进行坐标转换，使数据坐标保持一致，并通过Arcgis将行政区范围调整一致。土地利用分类参照国土资源部制定的土地利用现状分类国家标准（GB/T21010-2007），将1991年不同土地分类标准统一为国家标准，结合鄂州市土地利用特点及覆被特征，将养殖水面从水域及水利设施用地中单独划分出来，将水利设施用地、交通运输用地和城镇村及工矿用地合并为建设用地，水域及水利设施用地扣除养殖水面和水利设施用地后的用地部分为水体，园地、牧草地数量较少，合并到其他土地中，耕地和林地保持不变。

2.2 研究方法

本研究从景观格局视角从斑块类型和景观类型分析景观类型数量和空间格局变化，通过构建生态风险指数反映生态环境变化，并通过地统计半变异函数拟合和克里金插值得到生态风险分布图，分析了鄂州市1991-2012年景观变化及生态环境响应。

2.2.1 景观格局变化 景观格局变化主要从斑块类型水平和景观类型水平2个层次分析，斑块类型层次选取景观类型数量变化和景观类型空间结构变化分析。其中以斑块类型面积和所占景观面积比对景观类型数量变化进行分析。空间结构变化则选取能够较全面反映景观空间格局的斑块密度、平均斑块分维数、平均斑块形状指数进行分析。景观类型层次则选取能代表景观敏感性和空间异质性的景观分维数、香农多样性、景观均匀度、景观斑块密度、景观蔓延度指数。

2.2.2 生态风险模型构建 生态环境响应通过构建生态风险模型，通过生态风险系数表达。景观生态环境响应主要体现在景观受人为及自然影响所表现出的抗干扰能力及其景观易损性。景观抗干扰能力主要表现在景观结构上，选取尽可能全面表达景观结构的景观破碎度、景观分离度、景观分维数指数，通过指数间加权叠加表达。一般情况下，处于初级演替阶段、食物链结构简单、生物多样性指数小的生态系统较为脆弱[8]。结合鄂州市土地现状，脆弱度由低到高依次为建设用地1、林地2、耕地3、养殖水面4、水体5、其他用地6，并对数值进行归一化处理，归一化取值空间为[0.1，0.9]。生态风险系数计算方法如下：

景观破碎度：Ci=Ai /Ni （1）

景观分离度：Ii=■■/2■ （2）

景观分维数：Fi=2In■/In（Ai） （3）

景观干扰度：Ei=a×Ci+b×Ii+c×Fi其中a+b+c=1（4）

生态风险系数：EVI=■■Ei×Gi （5）

式中，Ni为景观类型i的斑块个数；Ai为景观类型i的面积；Li为斑块i的周长，EVI为区域生态风险综合指数；n为生态小区内景观类型数量；Dki为第k个生态小区i类景观组分的面积；Dk为第k个小区的总面积；Gi为区域生态系统脆弱性指数。

2.2.3 空间分析方法 地统计学不仅可以研究空间分布数据的结构性和随机性、空间相关性和依赖性、空间格局与变异，还可以对空间数据进行最优无偏内插，以及模拟空间数据的离散性及波动性。空间异质性是景观重要属性，以半变异函数研究空间变量的随机性和相关性，通过变异函数的主要参数块金值、基台值、变程来表达空间异质性的特征，并对空间分布进行拟合。半变异函数公式如下：

r（h）=■■Z（x■）■-Z（x■+h）■

式中，r（h）为半变异函数，N（h）为样本对数，z（xi）、z（xi+h）为空间属性z在xi、xi+h点的样本值。通过克里金插值法编制生态风险分布图，直观描述景观生态环境响应。

3 结果与分析

3.1 景观格局变化分析

以1991年和2012年鄂州市土地调查数据为底图，通过Arcgis10.0将矢量数据转换为栅格数据，并选取景观格局指数对1991-2012年景观格局变化进行分析。本研究以10 m为间距逐级递增，研究栅格尺寸30～100 m的空间粒度变化过程中研究区景观格局的变化，最终选定景观格局指数变化显著的50 m的栅格尺寸（图1）。

3.1.1 景观斑块类型动态变化分析

1）景观类型数量变化。景观格局变化首先反映各种景观类型组成结构的变化，结构的变化可以反映景观格局的演变。图1和表1表明，鄂州市1991-2012年，耕地面积大幅度减少，由原来的87 575.00 hm2减少到61 975.75 hm2，耕地景观用地比例减少16.12%，大量耕地被建设用地所占；林地面积增加5 233.50 hm2，景观用地比例增加3.29%；建设用地增加突出，面积增加12 223.25 hm2，景观用地比例增加7.69%；养殖水面面积增加14 262.75 hm2，鄂州市因地制宜发展特色农业，大量耕地及水体被改为精养鱼塘，导致养殖水面大量增加；水体及其他用地呈减少趋势。

2）景观类型空间格局变化。斑块密度是表征景观破碎度的景观指数，斑块密度越大表明其破碎度越高。表1表明，1991-2012年，养殖水面斑块密度最大，说明养殖水面分布广泛，破碎度高，其次是建设用地和林地，三者斑块密度2012年较1991年都有不同幅度的下降，说明经过人为因素的影响，景观类型破碎度降低，集约程度增强。耕地和其他用地斑块密度增加，斑块破碎度变大。水体斑块密度变化呈微小幅度减少。

斑块分维数在一定程度上也反映了人类活动对景观格局的影响。景观分维数指数取值范围为1～2。分维数越接近2，形状越复杂；越接近1，形状越趋于简单，说明边界越规则，受人为影响越大。表1结果表明，所有斑块类型分维数都趋近于1，差异性不大，说明景观格局受人类活动干扰影响较大。耕地、林地、建设用地、养殖水面、水体平均斑块分维数都增加，说明斑块边界形状的复杂性在逐渐变大，而其他用地平均斑块分维数减少，说明其他用地边界形状规则化加强。耕地平均斑块分维数变化最大，说明耕地受环境影响明显。

斑块形状指数能够衡量斑块聚集的程度，其值越大各斑块之间表现得就越分离。表2表明，1991-2012年，耕地和其他用地平均斑块形状指数由76.26、60.89增加到94.35、67.84，说明耕地和其他用地趋于分离，而其他景观斑块类型斑块形状指数都表现出下降的趋势，说明林地、建设用地、养殖水面、水体都变得更加集中、连片，同时形状也变得相对规则。斑块m形状指数耕地>建设用地>养殖水面>其他用地>林地>水体，说明耕地和建设用地分布最分离，养殖水面、其他用地、林地次之，水体分布聚集。

3.1.2 景观类型水平分析 鄂州市景观类型景观指数计算结果如表2所示，由表2可知，1991-2012年，鄂州市总体景观分维数小幅度增加，但整体趋近于1，斑块边界规则，人为影响较大；香农多样性指数和均匀度指数增加，说明鄂州景观多样性增加，均衡趋势增加，优势景观类型减弱；景观斑块密度降低，说明景观破碎化程度降低，人为活动影响促进景观类型用地分布集中连片；蔓延度指数是描述景观中不同斑块类型的集聚程度的，蔓延度指数由45.15下降到35.89，景观聚集程度降低；景观形状指数整体呈增加趋势，同样表明景观聚集程度降低。

综上所述，鄂州市景观空间格局1991年与2012年相比，原分布较不均衡的景观类型开始向某几类集中，尤其是建设用地迅速增加，各景观类型呈均衡趋势发展，且各景观类型边缘呈现不规则化，原较单一的成片分布模式被打乱，各景观类型相互穿插镶嵌，景观多样性增加，景观格局趋于破碎化分布，因此鄂州市景观生态的稳定性2012年低于1991年。

3.2 景观生态风险评价

结合研究并考虑鄂州市实际情况，采用专家打分法，三轮打分，分别给景观破碎度、景观分离度、景观分维数赋予相应权重，权重分别为0.475、0.312、0.213。本研究通过等间距系统采样法将研究区划分为2 km×2 km的采样单元网格，对景观综合风险指数进行空间化，共得到430个样区。根据表3、公式（5）计算每个样区的生态风险指数，并将综合生态风险值作为采样网格中心点的生态风险值。

通过地统计学分析综合生态风险的空间分布，通过采样中心点数据分析得到半变异函数，由于球状模型拟合结果比较理想，以此进行半变异函数的拟合。空间异质性主要由随机部分和自相关部分组成，主要指标有块金值、基台值、变程。块金值表示随机部分的空间异质性，2012年块金值是1991年块金值的15倍，表明较小尺度上的某种过程不可忽视，说明影响风险指数的空间分布还存在着小尺度结构的作用因素。基台值表示半变异函数从块金值达到相对稳定的常数时，该常数值称为基台值。它表示空间分布的均匀性与异质性。1991年基台值较小，生态风险强度分布比较均匀，差异较小。与1991年相比，2012年基台值明显增加，空间分布发生变化，风险强度明显提高，空间分布差异变大。变程可用来表达空间异质性。变程是指变异函数达到基台值所对应的距离，它表明各要素的空间自相关尺度，当取样距离大于这个尺度时，各要素是随机的。在此尺度之内，各要素的空间分布是自相关的，其主要的生态学功能、过程与格局都与该尺度有关。1991年与2012年相比，变程由6.978 km减少至2.517 km，说明大规模人为景观改造活动，使景观破碎加剧，景观形成差异变大，导致生态风险指数空间相关距离减小（表4）。

图2是半变异函数拟合，并通过克里金插值得到的空间生态风险分布图。根据生态风险指数由低到高将研究区分为五个级别：低风险、一般风险、中风险、较高风险、高风险。两期生态风险图显示：1991-2012年，由于人口增长，城镇化进程加快等原因，景观格局和生态环境在不同程度上发生变化。1991年研究区用地主要分布在低风险、一般风险和中风险区域，生态风险级别较低。区域内低生态风险的区域主要位于水体周边，水体脆弱度比较低，生态环境良好；一般生态风险区域主要位于耕地和林地分布的区域，这些区域内主要是植被覆盖均匀，生长良好，土壤以黏性土为主，脆弱度比较低，生态环境良好，因此，生态风险比较低。2012年研究区用地生态风险级别分布较平均，较高风险和高风险级别区域明显增加，整体生态风险级别提高。区域内较高风险和高风险区域主要分布在三区交界处，大量的耕地被养殖水面占用，植被覆盖度低，脆弱度变高，极易发生风蚀，生态环境恶化。1991年与2012年区域内的生态风险相比，生态环境整体向变差趋势发展，究其原因，大量耕地被坑塘水面和建设用地占用，导致植被覆盖率降低，脆弱度增加。在今后的城市发展中，应加强对耕地资源的保护，严格落实耕地保护政策，对中等、较低和低生态风险区要加强建设和保护，保持生态环境的稳定；对高和较高生态风险区应高度重视，通过政策引导人们落实耕地保护，积极改善生态环境。

4 小结与展望

从斑块类型角度看，1991、2012年，鄂州市各类景观的面积、斑块数量和空间结构都发生了巨大变化，但耕地仍然是景观基质。耕地景观面积锐减，破碎度、分离度和分维数增加；林地、建设用地和养殖水面景观面积和分维数增加，破碎度和分离度减少；水体景观面积和破碎度减少，分维数和分离度增加；其他用地面积和分维数减少，破碎度和分离度增加。从景观类型角度看，1991、2012年鄂州市景观分维数、多样性、均匀度和形状指数增加，景观斑块密度和蔓延度指数减小。景观类型分布均匀，各景观类型呈均衡趋势发展，景观多样性增加，景观格局趋于破碎化分布，但耕地景观的变化导致大量植被被破坏，植被覆盖率变低，生态脆弱度增加，土壤侵蚀加重，整体生态环境恶化。

本研究在研究景观格局变化及生态环境响应时，主要集中在景观格局及结构上，并没有进行景观格局和生态过程的耦合研究，下一步景观格局与生态环境的耦合分析将作为研究重点。

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