基于Shannon多样性t检验法的土地利用景观分区研究*——以重庆市永川区为例

徐 允，张 培，周宝同※

(1.西南大学地理科学学院，重庆北碚 400715； 2.重庆永川区国土房管局,重庆永川 402160)

0 引言

土地利用是在自然规律、社会经济规律和人类历史规律的制约下形成不同的土地利用区域，而科学合理的土地利用分区是土地资源开发的先决条件[1]。但现实土地利用类型规划中存在着多种用地类型相互交叉镶嵌形成不同的用地景观，所以以景观几何特征为基础的土地利用分区可以更有效地反映土地利用变化的空间差异[1]。

土地利用分区是在土地的综合属性和土地利用现状、方向的基础上，根据统计分析方法，揭示土地利用区域的差异性与相似性[2]。景观是一个交互相关的综合体且有比较明显的边界和共同的生态过程，是最适宜进行规划和管理的空间尺度[3-4]。土地利用景观格局是指不同大小和形状的土地利用类型斑块的镶嵌，具有显著的时空特征，对土地利用景观格局变化的研究有助于了解区域景观的发展现状，并为区域土地利用和资源管理的决策提供理论支持[5-6]。土地利用景观分区的研究，不同研究人员也开展了相关研究[7-10]，但这部分的研究还相对较少，特别是分区的方法大都采用定量的分析方法[11-13]。单纯的定量分析方法中存在指标选取量较大、指标选取的依据不明确、处理相对复杂等问题使得分区研究增加复杂性。文章以重庆市永川区为例，根据选取土地利用景观格局指数，运用Shannon多样性t检验法进行以乡镇为单位的土地利用景观格局变化分区定量研究，克服多种指标的限制更凸显景观的差异性，以期为区域土地利用景观分区的研究和土地利用政策的制定提供理论依据。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

永川区位于长江上游北岸，东距重庆55km，西距四川成都276km。地处东经105°38′～106°05′、北纬28°56′～29°34′。东连江津区、璧山区，北界铜梁区，西接荣昌区、大足区，南与四川泸州市合江县、泸县接壤。全区主要地形海拔450～650m，最高海拔1 025m，最低200m； 境内山水纵横，地势平坦，境内云雾山、巴岳山、黄瓜山、阴山、箕山呈川字排列。全区气候属于亚热带季风性湿润气候，全年平均气温17.7℃，年降水量1 015mm左右。幅员面积1 576km2； 下辖16个镇、7个街道、55个社区、206个行政村。

2015年全区户籍人口为113.1万人，其中城镇人口37.9万人，农业人口75.2万人，城镇化水平为33.5%。全区地区生产总值570.3亿元，实现财政收入46.5亿元。

1.2 数据的获取与处理

在ENVI5.1软件的支持下，对来源于国家地理空间数据云的2005和2015年2期的遥感影像进行几何精校正、大气校正、图像增强和裁剪等，进一步解译得到永川区2期土地利用类型图，并以此作为分析土地利用景观格局变化的基础材料。其中2005年的遥感影像是 Landsat TM， 2015年的遥感影像是landsat OLI_TRIS 遥感影像，保证遥感影像的空间解析度均为30m×30m。

根据土地利用现状分类国家标准(GB/T21010-2007)，结合研究区土地利用的情况和研究目地以及遥感影像的特点，通过最大似然监督分类和目视解译相结合的方法将永川区土地利用类型划分为6类：建设用地、耕地、林地、草地、水域、未利用地，生成永川区2005年和2015年土地利用图(图1)。为保证分类结果的准确性，进行地面调查和查阅往年地图的基础上对分类结果进行分类后处理和目视修改。最后在2期遥感影像不同的位置处选取总面积为永川区土地面积的2%的多个区域，对2期分类结果进行验证，根据误差矩阵计算的2期的分类结果的总精度分别为82.5%和80.2%。

图1 2005年和2015年永川区的土地利用类型

2 研究方法

2.1 景观格局指数法

景观格局指数反映景观的内部结构组成和空间分布特征的定量性指标，能高度表达景观格局信息[14]。该文主要在斑块类型和景观尺度2个层次上分析，所选取的类别层级指数有景观类型面积(TA/CA)、斑块个数(NP)、斑块密度(PD)、景观百分比(PLAND)、面积加权平均形状指数(SHAPE_AM)； 景观层级指数有Shannon多样性指数(SHDI)、Shannon均匀度指数(SHEI)、散布与并列指数(IJJ)、蔓延度指数(CONTAG)、景观形状指数(LSI)共10个指标[15]描述永川区10年内土地利用景观格局演变特征。

该文以永川区16个镇， 7个街道共23个单元为单位，运用Arcgis10.2对2005年及2015年永川区的土地利用栅格类型图进行裁剪，并运用Fragstats软件分别计算每个单元的10个景观指数。将计算出的景观指数值做差值处理(2015年的景观指数值减去2005年的景观指数值)，如图3。

2.2 Shannon多样性t检验法

Shannon多样性指数是指不同景观元素或同一景观要素不同时期的变化的多样性，是反映景观异质性的重要指标； SHDI越大，表明一定区域土地利用类型越多，各景观类型分布越均匀[16-17]。T检验是用t分布理论来推断差异发生的概率，目的是比较两组样本的差异是否显著[18]。采用A.E.Magurran[19]所提出的Shannon多样性t检验法，对永川整个区域及各区的景观格局变化的差异性进行探讨，并根据差异性的程度对永川区的各区县做出相应的分区。以下为Shannon多样性t检验法的计算公式[20]：

(1)

(2)

(3)

(4)

式(1)～(4)中，Hi为i期的Shannon多样性指数，i=1， 2；VarHi为Shannon多样性指数的变异数；Pi为斑块类型i在景观中所占的面积比例；mi为第i期斑块类型数目，ni为第i期斑块的数量。在显著水平(α=0.05或0.01)下，若计算的t值>查表理论值，则表示该时段内的景观格局有显著的差异。

3 结果分析

3.1 永川区土地利用数量结构时空变化特征

利用Fagstats 4.2软件得到的类别层级的CA和PLAND 2个景观指数，如表1。2005—2015年耕地、草地和未利用地面积呈下降趋势，建设用地、林地和水域面积均上升。受城镇化因素的影响，建设用地面积变化剧烈，变化率达14.44%，面积增加了3 510.72hm2，耕地面积减少了8 182.89hm2； 由于退耕还林还湖政策的开展，林地面积大幅度增加，变化率达12.37%； 未利用地和草地在10年间的下降幅度最大，水域仅有轻微波动。

表1 2005年和2015年永川区土地利用数量结构变化分析

表2 2005年和2015年土地利用类型尺度上的各景观指数

利用Fragstats 4.2软件计算得到2005年和2015年永川区2期各景观要素类型尺度景观格局变化指数，如表2。

2005—2015年间，在耕地面积减少的情况下，耕地斑块的个数和斑块的密度也逐渐减小，反映了耕地景观正在发生面积缩减和部分斑块消失。在实际情况中，耕地转出的位置常位于建设用地的周边或者距离人口密度较大、经济发展较快速，距区政治中心和农村居民点距离较近的地方且坡度较为平缓的地带； 由于政策因素，部分耕地常用于道路网，水利工程，生态工程的建设。农地的面积加权平均形状指数呈大幅度减少趋势，意味着耕地的形状变得更加规则。重庆地形的特殊，平坦区域相对较少，为了适当地增加耕地面积，保证耕地的数量和质量稳定持续增长，通常进行一些坡改梯，零星地类归并，零散居民地聚集，实现农田整理网格化。

林地的斑块类型面积增大，但斑块数量与斑块密度却减小且面积加权平均形状指数呈上升趋势，表明林地正从破碎化向规则化、连片型发展。这在一定程度上说明人类对景观的干扰不断增强。人类活动的时间长短和强度在景观破碎方面有明显的表现； 破碎化是一种动态过程，人类的活动干扰造成了景观的破碎化，而人类活动的植被恢复也可以减轻破碎化[21]。

由表2可知， 2005—2015年建设用地面积增大的情况下，建设用地斑块数量和斑块密度呈减小态势。在城市化过程中，由于人口聚集，建设用地之间属于非建设用地的区域也逐渐被城市化，都市区域呈现内部聚集外部开拓的趋势。而2015年的建设用地面积加权平均形状指数约2005年的3倍，表明建设用地之间的连接程度较高，主要原因是10年间道路交通网的逐步发展，使得城镇之间、城镇与居民点、居民点与居民点之间连接度提高。

与2005相比， 2015年的水域面积相对减少，水域的斑块数量、斑块密度和面积加权平均形状指数均变小，但变化都不是很剧烈，这表明水域的破碎化程度小，水域呈连片分布，保护相对较好。2005—2015年间，在草地和未利用地的面积都减小的情况下，草地和未利用地的景观斑块数量和斑块密度也减小，但2015年草地的面积加权平均形状指数稍大于2005年，这主要是由于绿化行为增加草地的斑块距离。

3.2 永川区土地利用景观格局变化分析

由表3可知， 2005—2015年景观形状指数由190.17减小至153.75，表明2005—2015年研究区整体形状及景观形状趋于规则简单。蔓延度指数从44.48增加至48.26，表明研究区内各土地利用斑块类型的连续性逐渐变好，景观破碎度降低，斑块分布呈集中趋势。2005年和2015年散布与并列的指数约为55%，说明永川区的各土地利用景观类型之间的距离较大，某种景观类型相邻的景观类型数目较少。2005—2015期间。散布与并列的指数减小，说明各土地利用景观类型之间的相邻交错机会减小，各景观类型之间的直线距离增大，景观的分布趋于简单化。2005—2015期间，Shannon多样性指数减小，说明在永川区某景观内土地利用类型变少了，各斑块之间的景观异质性降低了，也在一定程度上表明人类干扰了自然环境。Shannon均匀度指数由2005年的0.647 4降低到2015年的0.645 2，表明各土地类型之间的均匀度相差不大。

3.3 土地利用景观分区研究

3.3.1 永川区Shannon多样性t值的分析

由表3可知， 2005年和2015年Shannon多样性指数分别为1.16和1.156，即2005年景观多样性更显著。10年期间永川区的景观是否发生显著性的变化，值得进一步的探讨。因此该研究检验2005—2015年这一时段内永川区土地利用景观格局变化是否具有显著性，如表4。

根据表4，在极显著水平α=0.01水平， 2005—2015年时段的t值大于查表值，既认定2005—2015年永川区土地利用景观格局确实发生了显著的变化。

3.3.2 永川区各行政区土地利用景观格局的分区

以永川区23个行政区作为评价单元，利用Shannon多样性t检验法，研究得出t检验值如表5。

表3 2005年和2015年土地利用景观尺度上的各景观指数

表4 2005—2015年永川区Shannon多样性指数t检验结果

表5 2005—2015年永川区各行政区Shannon多样性t检验结果

根据已有的研究成果和永川区的实际情况和现实需要，并结合(α=0.01)理论t值对照表，将永川区各行政区划分为3个显著性等级：景观变化极显著性区、景观变化显著性区、景观变化不明显区，利用Arcgis10.2对其进行空间刻画，结果见图2。

景观变化极显著区，包括松溉镇、仙龙镇、何埂镇、吉安镇、临江镇、宝峰镇、卫星湖、南大街、陈食街、永荣镇、青峰镇、中山路、红炉镇、大安街、胜利路、双石镇、板桥镇。由图2显示，该区主要位于7个街道及其周围地区，城市化现象显著，人为干扰活动强烈。如图3，该区2005—2015年间土地利用景观格局变化主要表现为林地、耕地和建设用地之间的转换。由景观类型面积差值和景观百分比差值显示6个街道主要表现为耕地减少、建设用地增加，其他地区建设用地减少、林地和耕地增加，其他地类无明显变化。由斑块数量差值和斑块密度差值显示该区水域呈增加趋势，林地和建设用地呈现剧烈减小趋势，其他地类无明显变化。由面积加权形状指数差值显示耕地剧烈减小，建设用地增加，其他地类无明显变化，表明该时段耕地的形状趋于简单规则化，建设用地的形状趋于复杂化破碎化。结合景观形状指数和散布与并列指数说明该时段该区内各行政区的景观形状逐渐规则简单化，各景观之间的直线距离缩小，景观的分布趋向复杂化。总体来看，该区是永川区市中心及距离市中心较近地区，受人为干扰强度大，需要加强区域的土地规划，严格保证生态环境质量和耕地的数量，优化景观格局和生态系统。

图2 2005—2015年永川区土地利用景观分区

景观变化显著区，包括来苏镇、茶山竹海街道办事处、金龙镇。由图2所示在中心城区的东北西南走向。图3显示2005—2015年间该区水域、林地面积比重增大，土地利用程度较弱，由斑块类型面积差值和景观百分比差值显示主要是林地、水域增大，耕地减少。由斑块数量差值和斑块密度差值显示该区水域呈增加趋势，林地和建设用地呈减小趋势。由面积加权形状指数差值显示耕地减小，其他地类无明显化，说明耕地的形状趋于简单规则化。结合景观格局指数差值显示该区各镇景观形状指数均减小，分别为10.35、4.78、8.06，表明10年内该区各行政区的景观形状逐渐简单规则； 散布与并列指数差值显示来苏镇、茶山竹海街道增大，金龙镇减小，表明来苏镇和茶山竹海街道各景观之间的直线距离增大，景观的分布趋向简单规则化。

景观变化不明显区，包括朱沱镇、五间镇、三教镇。由图2所示该区分布在中心城区的南部和西北部。图3， 2005—2015年间朱沱镇建设用地和林地之间转换剧烈，五间镇和三教镇各地类之间无明显转换。面积加权形状指数差值显示该区各镇耕地均减小16.14、12.84、14.53，表明耕地形状趋于规则简单。结合景观格局指数差值显示该区景观景观形状指数均减小剧烈，分别为13.02、9.67、11.43，表明10年内各行政区的景观形状逐渐变得简单规则。

1.朱沱镇； 2.松溉镇； 3.仙龙镇； 4.何埂镇； 5.五间镇； 6.吉安镇； 7.临江镇； 8.宝峰镇； 9.卫星湖； 10.来苏镇； 11.南大街； 12.陈食街道； 13.永荣镇； 14.青峰镇； 15.红炉镇； 16.中山路； 17.大安街； 18.胜利路； 19.双石镇； 20.茶山竹海； 21.金龙镇； 22.板桥镇； 23.三教镇图3 永川区各行政区土地利用景观格局指数

4 结论与讨论

该研究先借助RS和GIS技术和Fragstats计算的量化指数对永川区土地利用景观格局结构进行分析论述，再利用Shannon多样性t检验法对永川区的景观格局变化的显著性进行检定以及利用理论t值进行分区研究。得到的主要结论如下。

(1)从类别层级上来看， 2005—2015年间，由于城区扩张和退耕还林还湖政策，建设用地和林地大量增加，变化率为14.44%、12.37%； 耕地、草地、未利用地表现为减少趋势； 水域仅有轻微变化。永川区的土地利用类型以耕地为主，耕地面积最大(表1)，但耕地的斑块密度、大小、面积加权平均形状指数均减小意味着耕地受人为干扰较大，景观越来越规则； 交通设施的完善使得建设用地之间的连接程度提高； 林地的形状逐渐变得简单规则。

(2)从景观层级上来看，研究区整体形状及景观形状趋于规则简单。各土地利用斑块类型的连续性逐渐变好，景观破碎度降低，斑块分布呈集中趋势。整体景观在自然和人为的干扰下土地利用类型变少，各斑块之间的景观异质性降低。

(3)在极显著水平α=0.01的水平下，Shannon多样性指数t检验结果表明2005—2015年永川区的土地利用景观格局变化具有极显著性。利用Shannon多样性t检验法对23个行政区的土地利用类型变化的显著性进行检验，并根据检验结果与理论t值对照结果把永川区景观格局变化划分3个区(图2)。景观变化极显著区，主要分布在7个街道及其周围地区，该区城市化现象显著，人为干扰活动强烈； 景观变化显著区，该区土地利用程度较弱，土地利用类型面积主要表现为林地和水域增多，耕地减少； 景观变化不明显区，该区远离主城，土地利用类型变化不明显，人为干扰活动不强。

该文运用景观格局的研究方法对小区域的土地利用景观分区进行研究，运用Shannon多样性指数t检验法中t值进一步定量的分析各行政区土地利用景观指数，尝试为土地利用分区的研究提供新的方法与思路，但研究过程中由于自身的知识积累，主观认识和客观条件的影响，使得遥感解译的精确性和景观指数选择的适合性仍需不断地深入与完善。