建三江垦区景观结构动态变化及其土地利用生态系统安全时空分异

林 佳, 宋 戈,2

(1.东北大学 土地管理研究所, 沈阳 110819; 2.东北农业大学 资源与环境学院, 哈尔滨 150030)



建三江垦区景观结构动态变化及其土地利用生态系统安全时空分异

林 佳1, 宋 戈1,2

(1.东北大学 土地管理研究所, 沈阳 110819; 2.东北农业大学 资源与环境学院, 哈尔滨 150030)

对受到强干扰下的区域景观结构动态变化及其土地利用生态安全时空分异特征进行研究，是区域生态安全和可持续利用研究的重要组成部分。以建三江垦区15个农场为研究区，利用遥感手段提取研究区1992年、2001年和2010年的景观类型信息，定量分析了研究区景观结构变化特征；定量计算研究区不同尺度的景观稳定性，并结合DPSIR模型构建研究区土地利用生态安全综合评价指标体系；对15个农场的土地利用生态安全等级进行评价，并分析了其时空分异变化特征。结果表明：1992—2010年，各农场的景观整体组合特征大体分为三种类型，景观空间格局特征亦有显著变化。在时间分异上，创业农场、二道河农场和浓江农场的土地利用生态安全评价值和等级呈先下降后上升的态势，其他农场的土地利用生态系统安全值和等级都呈逐年上升态势。在空间分布上，1992年，等级相对较高的地区集中在中西部、西北部和东部；2001年，呈现两个带状分布；2010年，土地利用生态安全等级均提升，等级低的地区镶嵌其中。这种等级变化和时空分异特征体现了不同土地利用生态系统的稳定状态，即结构和功能对干扰的抗性和恢复性水平，并体现人类的土地利用行为对保障土地的可持续利用能力起到关键作用。

景观结构; 土地利用生态系统安全; 景观稳定性;DPSIR模型; 时空分异

对受到强干扰下的区域景观结构动态变化及其土地利用生态系统安全时空分异特征进行研究，是保障区域土地利用生态系统结构和功能合理健康发展的重要前提，是区域生态安全和可持续利用研究的重要组成部分[1]。景观是由不同生态系统组合和镶嵌而成的地表综合体，这些生态系统经常以土地利用类型为表现形式[2-3]，从这一角度来看，景观等同于土地利用生态系统。在人为作用强烈的地区，土地利用生态系统结构和功能都发生了巨大变化，而土地利用生态系统是一个复杂巨系统，对其结构和功能进行研究无疑存在一定的难度。将景观生态学原理与方法应用到区域土地利用生态系统安全研究中，不必像传统的研究方法一样，将土地利用系统视为自然、社会、经济、技术、政策等子系统的综合[4-5]，而是将其视为若干个具有相对独立功能的综合性的子系统在地域空间上的组合，并以系统整体稳定性为表征[6]，对这种组合下形成的土地利用生态系统安全状态进行综合评价，能为土地利用生态系统安全研究提供了新的思路和方法。同时，对不同区域的景观结构动态变化及其土地利用生态系统安全进行动态观察和对比研究，可以体现具有不同的结构和功能的土地利用生态系统间的时空分异规律，对进一步进行区域土地利用生态系统安全格局的优化，实现生态经济社会的可持续具有重要意义。

目前，相关研究主要集中在土地利用变化及其生态安全[5,7-8]、生态安全格局[9-10]、景观生态安全[11-12]等方面，多采用GIS手段和数学模型方法。但将二者相结合，并应用到土地利用生态系统安全的研究中并不多见。本文以经过40 a连续开发利用的建三江垦区所辖的15个农场为研究区，利用“3S”手段分别对15个农场的景观结构变化进行定量分析；基于景观结构变化下的研究区土地利用生态安全形成机制，从生态系统稳定的角度对不同尺度的景观稳定性进行量化研究；同时结合DPSIR模型构建景观结构动态变化下的研究区土地利用生态系统安全评价指标体系，并进行定量评价，揭示15个农场景观结构动态变化过程中的土地利用生态系统安全时空分异特征规律，可为保障区域土地利用生态系统结构和功能稳定、健康发展，实现该区域合理规划和土地资源可持续利用提供依据。

1　研究区及数据获取

本研究以1992年、2001年和2010年的三时相TM，ETM遥感影像为基础数据，以建三江垦区土地利用现状图、规划图和研究区1∶5万地形图等图件为辅助图件数据。本研究其他相关数据参考来源于《黑龙江省垦区统计年鉴》(1992—2011年)和黑龙江省垦区统计部门的相关统计资料。

根据影像解译过程中对研究区主要景观类型的分析以及研究的需要，本研究共分了7种景观类型，分别为沼泽湿地、旱地、水田、林地、草地、水域、建设用地七大类；其中，沼泽湿地包括沼泽、滩涂以及水深不足6 m的水域，水域为水深大于6 m的水体。在ENVI 4.7软件的支撑下对研究区景观类型进行了提取，分类结果经过验证，分类精度符合要求。

2　研究区景观动态变化特征

传统景观生态学的景观结构是指景观的组分构成及其空间分布形式，包括景观的空间特征和非空间特征，景观格局包括景观组分的空间分布和组合特征[6,13]。本文的景观结构变化研究包括景观组成变化和景观空间格局变化。目前有许多景观指标用来分析景观结构特征[11-13]，本文分别从各农场的景观组成特征和空间格局变化特征两方面，选取具有代表性的7个景观指数进行计算。

2.1研究区景观组成特征变化

2.1.1研究区景观组成特征变化研究方法基于Fragstats 3.5软件的指数计算功能，分别对1992年、2001年和2010年研究区所辖的15个农场的斑块数量(NP)、斑块周长(PERIM)和景观形状指数(LSI)景观类型组成特征指数进行计算。

2.1.2研究区景观组成特征计算结果计算结果表明(表1)：1992—2010年，各农场辖区(除八五九农场和大兴农场)的斑块数量随时间变化呈现先增加后减少的变化特征，1992—2000年各农场斑块数量大幅增加，2001—2010年斑块数量大幅减低；八五九农场和大兴农场随时间变化斑块数量减低；总体上，研究区各农场辖区的斑块数量变化十分显著。

所谓向内发展的工作是如此:(一)毛诗字典。(二)楚辞校议。(三)全唐诗校勘记，校正原书的误字。(四)全唐诗补编，收罗全唐诗所未收的唐诗。现已得诗一百余首，残句不计其数。(五)全唐诗人小传订补，全唐诗作家小传最潦草。拟订其讹误，补其缺略。(六)全唐诗人生卒年考，附考证。(七)杜诗新注。(八)杜甫(传记)。(三)至(八)进行迄今已三年。至于何时完工，却说不定。［2］265

1992—2010年，研究区各农场辖区的斑块周长和景观形状指数随时间变化呈现相同的变化特征。除八五九农场外，其余14个农场的斑块周长和景观形状指数均随时间变化而呈现先升高后降低的变化特征，各农场辖区的斑块形状总体呈复杂变化趋势。

表1　不同时期研究区各农场辖区景观组成变化特征

2.2研究区景观空间格局特征变化

2.2.1研究区景观空间格局特征变化研究方法本文基于Fragstats 3.5软件的指数计算功能，分别对1992年、2001年和2010年研究区所辖的15个农场的斑块密度(PD)、边缘密度(ED)、平均斑块分维数(FRAC-MN)、聚合度(AI)景观类型空间格局特征指数进行计算。

2.2.2研究区景观空间格局特征变化计算结果计算结果表明(图1)：1992—2010年，研究区内的八五九农场和大兴农场的斑块密度随时间变化逐渐降低，其余13个农场的斑块密度随时间变化呈现先升高后降低的变化特征；研究区内除八五九农场的斑块边缘密度随时间变化逐渐降低外，其余14个农场的斑块边缘密度均随时间变化呈现先升高后降低的变化特征；研究区所辖的15个农场的平均分维数均随时间变化呈现先升高后降低的变化特征；研究区内除八五九农场的聚合度指数随时间变化呈现逐级升高的变化特征外，其余14个农场的聚合度指数均随时间变化呈现先降低后升高的变化特征。

3　研究区土地利用生态系统安全综合评价

3.1研究区景观格局稳定性指数测算

在以往的研究中作者已经对景观稳定性的内涵及景观结构变化下研究区土地利用生态系统安全形成机制进行了研究[6]。相关研究表明，景观稳定性是景观面对干扰时的抗性和恢复性，具有动态性、相对平衡性和时空尺度限制性。研究区景观结构稳定性与其土地利用生态系统安全等级呈正相关关系。

本文以1992—2010年为时间尺度，以研究区30 m分辨率影像为空间尺度，对研究区的景观格局稳定性进行研究。体现景观稳定性的指数有很多[14-17]，本文从景观多样性、镶嵌结构的复杂性和景观基质的稳定性三方面，对研究区景观整体的稳定性指数进行测算。

采用Shannon多样性指数表现景观的多样性，该指标计算方法同上，其值越大表示景观异质性水平越高；基于分形理论，采用结构稳定性指数(SI)表现镶嵌结构的复杂性，计算方法[18]：SI=|1.5-D|，其中，D为分维数，其值越高说明镶嵌结构越稳定；采用基质比例稳定性指数(SM)表现景观基质的稳定性，计算方法[14]：SM=1-(0.5-m)，其中，m为基质的比例，其值越高表明基质稳定性越高。

3.2评价指标体系的构建

将15个农场分别看成相对独立的土地利用生态安全系统，以“驱动力—压力—状态—影响—响应(DPSIR)”的系统模型结构结合层次分析法的思想[19-20]，构建评价指标体系。由于这15个农场间经纬度差异较小，受到自然光热影响的差异不大，结合研究区的实际特点、景观结构稳定性指数和数据获取的难易程度，选取25个具有代表性的指标构建基于景观结构变化的研究区土地利用生态系统安全状态评价指标体系(表2)，其中“结构稳定性指数(S4)”和“基质稳定性指数(S5)”采用各农场范围景观稳定性计算结果。

图1研究区景观空间格局特征指数变化

表2　基于景观结构变化的研究区土地利用生态系统安全评价指标体系

3.3指标权重的确定

本文选择熵值法确定指标权重[6,21]，该方法是客观赋权法的一种，在一定程度上避免了主观因素带来的偏差。熵值法是基于系统的理念，以物理学概念中的熵来表现系统的结构，指标的熵值越大说明其对系统的影响越强。由于熵值法已经是很成熟的权重计算方法，因此本部分不详细列出其计算公式。

3.4综合评价模型的建立

为消除不同指标间的影响，本文对指标进行标准化处理，计算模型为：

(1)

式中：U(xij)指第i年第j个指标的标准化值；xij指第i年第j个指标的具体值；aj指第j个指标的最大值；bj指第j个指标的最小值。

并根据多目标综合评价法模型，求得研究区土地利用生态系统安全综合评价值。评价模型为：

(2)

式中：ESI为研究区土地利用生态系统安全综合评价值；Wj为第j个指标的权重；U(xij)指第i年第j个指标的标准化值。

3.5研究区土地利用生态系统安全评价标准

根据模型计算的生态安全综合评价值处于0～1，越趋近于1生态安全水平越高，越趋近于0生态安全水平越低。由于目前尚未形成统一的评价标准，本文参照相关研究[13-14,20-22]，针对本研究区设计5级评价标准(表3)。

表3　评价等级及其标准化值

4　土地利用生态系统安全分异特征

4.1研究区土地利用生态系统安全等级时间变化特征

各农场景观结构变化下的土地利用生态系统安全评价标准仍采用研究区范围的评价标准。各农场景观结构变化下的土地利用生态系统安全指数计算结果如下(表4)：1992—2010年，创业农场、二道河农场和浓江农场的土地利用生态系统安全评价值和等级呈先下降后上升的态势。

除这三个农场外，其他农场的土地利用生态系统安全值和等级都呈逐年上升态势，说明人类的土地利用行为对保障景观/土地的可持续利用能力起到持续的促进作用，且作用效果明显。其中，在研究期内土地利用生态系统安全指数变化最大的是胜利农场，变化差值为0.729 2。

1992—2001年，勤得利农场、前进农场和洪河农场的土地利用生态系统安全等级都为临界安全状态，2001—2010年土地利用生态系统安全等级都从临界安全状态转为安全状态，变化幅度相对较小。

青龙山农场、红卫农场和前锋农场的土地利用生态系统安全等级都从不安全状态转为较安全状态，2001—2010年土地利用生态系统安全等级都从较安全状态转为安全状态；八五九农场、大兴农场、前哨农场和鸭绿河农场的土地利用生态系统安全等级都从不安全状态转为临界安全状态，2001—2010年土地利用生态系统安全等级都从临界安全状态转为安全状态。

1992—2001年，七星农场土地利用生态系统安全等级从不安全状态转为安全状态，是此时期中土地利用生态系统安全值变化幅度最大的农场，也是15个农场中最早进入安全状态的农场之一，另一个较早进入安全状态的农场是浓江。2010年，15个农场都处于较安全等级以上的等级状态，其中以胜利农场的土地利用生态系统安全等级最高，达到了理想安全状态，以浓江农场最低，仅达到较安全状态，其余农场都处于安全等级状态。

表4　各农场景观结构变化下的土地利用生态系统安全指数计算结果

4.2研究区土地利用生态系统安全等级空间变化特征

从各农场等级的空间分布特征来看(图2)，1992年各农场土地利用生态系统安全水平都不高，“不安全”等级的农场占近研究区面积近一半，等级相对较高的地区集中在中西部、西北部和东部。勤得利农场、浓江农场、前进农场、洪河农场和创业农场形成西北部—中西部的相对高安全团聚区域，东部地区只有二道河农场处于临界安全等级，其他农场都处于不安全等级状态。

2001年各农场的土地利用生态系统安全等级总体呈现上升趋势，“临界安全”等级和“较安全”等级状态成为研究区土地利用生态系统安全等级图的背景，相对较高等级的地区向西移动，形成浓江农场—青龙山农场—七星农场和前锋农场—胜利农场—红卫农场的两个带状分布。

2010年各农场的土地利用生态系统安全等级总体呈现继续上升趋势，土地利用生态系统安全等级均匀扩散，“安全等级”状态成为研究区土地利用生态系统安全等级图的背景，并占研究区总面积的近70%，处于其他等级的农场镶嵌其中。

图2不同年份各农场土地利用生态系统安全等级分布状况

5　结论与讨论

本文基于景观研究尺度和系统思想，对建三江垦区的15个农场景观结构动态变化及其土地利用生态系统安全时空分异特征进行了研究。对各农场景观结构动态变化特征研究表明，1992—2010年，各农场组合和景观空间格局都有显著的变化特征。各指数变化特征均说明，研究区景观受到人类活动的严重干扰，研究区各农场景观结构普遍经历着由简单变复杂，再由复杂变简单的演变过程。同时，这也与景观稳定性的计算结果相符合，说明人类活动对系统变化起关键作用。

对研究区1992—2010年的各农场范围景观结构变化及其土地利用生态系统安全评价结果的时空分异特征分析表明，创业农场、二道河农场和浓江农场的土地利用生态系统安全评价值和等级呈先下降后上升的态势，说明人类的土地利用行为对研究区景观结构先起到了破坏作用，后又起到了恢复和保障作用，使景观结构表现出对干扰有较强的抗性和恢复性，呈现稳定状态，从而对土地可持续利用起保障作用；除这三个农场外，其他农场的土地利用生态系统安全值和等级都呈逐年上升态势，说明人类的土地利用行为对保障景观/土地的可持续利用能力起到持续的促进作用，且作用效果明显。其中，在研究期内土地利用生态系统安全指数变化最大的是胜利农场，说明人为作用最强烈的就是这个地区，并且人类的土地利用行为对保障景观/土地的可持续利用能力起到持续的促进作用最明显。

在景观尺度上，可以借鉴景观生态生态学的理论和方法以及系统理论方法，对研究区景观结构动态变化及其土地利用生态系统变化进行研究。从研究结果来看，在人—地关系作用强烈的地区，景观结构的变化导致了景观稳定性的规律性变化，与其相对应的土地利用生态系统也发生规律性的演化，从而形成了土地利用生态系统安全状态，并因为系统结构的差异呈现时空分异特征。但值得注意的是，这里的土地利用生态系统安全状态所表达的内涵是评价时点的土地利用生态系统结构是否具有较好的稳定性，即系统对干扰是否具有很好的抗性和恢复性，并不是代表该系统在该时点的生态状态。因此，存在系统当前生态状态并不理想，但是由于其具有很好的系统稳定性，而将其视为生态安全状态安全的情况。也正因为如此，才会出现处于理想安全状态下的区域，但这并不代表其生态情况为理想状态，只能说明该系统在评价时点所表现出来的系统结构和功能较为完善，利于承担更高的生态风险。这一思想可以被应用到区域规划和生态环境整治中。

无论是景观还是土地利用系统研究都是大尺度的研究，其研究理论和规律性成果都仅适用于区域及以上尺度现象的阐释，如果尺度过小，可能会呈现出其他规律和特点，因此本研究并不适用于小尺度的研究。对于土地利用系统漫长的演化历程而言，要在有限的研究期内探讨其演化规律，典型区域的选择就显得尤为重要。本文以受到人类集中利用和开发的建三江垦区为研究区，使短期内能观察和分析该地区的土地利用系统演化规律成为可能。也正是由于人为景观不断替代了自然景观，成为研究区的景观基质，景观与土地利用系统的本质相统一，这就为本研究结果和思想的推广创造了空间。并且，本文的结论表明，在这些区域，人为作用方向和强度对土地利用生态系统结构的演化尤为重要，因此，下一步以此为基础的土地利用生态系统结构的优化及区域生态安全格局的构建研究更为重要，这将对保障区域土地利用系统健康和安全，实现区域可持续发展具有重要意义。

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Research on Dynamic Changes of Landscape Structure and Land Use Eco-security Spatiotemporal Variation in Jian Sanjiang Land Reclamation Area

LIN Jia1, SONG Ge1,2

(1.InstituteofLandManagement,NortheastUniversity,Shenyang110819,China;2.CollegeofResourcesandEnvironment,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China)

Research for the dynamically strong disturbance regional landscape structure and the spatiotemporal variation of land use ecological security is one of very important parts of regional ecological security and sustainable utilization study. We selected Jian Sanjiang land reclamation area which includes 15 farms as the study area. We used the remote sensing (RS) tools to get the types of landscape in 1992, 2001 and 2010. We quantitatively analyzed the landscape structure characteristics changed of the study area and quantitatively calculated the landscape structure stability of each farms. We established the comprehensive evaluation indicator system based on the DPSIR model, evaluated and analyzed the eco-security level of land-use in each farm with the eco-security of land-use data. We analyzed the spatiotemporal variation of each farm. The results showed that three characters changed in the landscape components from 1992 to 2010. The landscape spatiaopattern characteristics of the study area changed dramatically. Land use ecological security evaluation values and ratings were dropped after the first upward trend in Chuang ye farm, Er daohe farm and Nong jiang farm over the time. And the values and ratings of the other farms showed the increasing trend. With respect to the spatial distribution, the distribution of high level farms concentrated in the mid-west region, northwestern and eastern in 1992; it was shown that two zonal distribution zones in 2001; the land-use ecological security levels of most areas have raised and the low-grade regional inserted in them in 2010. This level of changes and spatial differentiation reflects the different land use ecosystem steady state (the structure and function of the level resistance to the interference). It is reflected that the land use and human behavior play a key role in securing the ability of the sustainable land use.

landscape structure; land-use ecological system security; landscape stability; DPSIR model; spatiotemporal variation

2015-06-04

2015-09-08

国家自然科学资助项目(41071346);中央高校基本科研业务费(130714001)

林佳(1986—),女,黑龙江哈尔滨人,博士研究生,研究方向:土地利用。E-mail:season365@126.com

宋戈(1969—),女,黑龙江庆安人,教授,博士生导师,研究方向:土地利用。E-mail:songgelaoshi@163.com

F301.2

A

1005-3409(2016)04-0048-07