基于海拔梯度的阜平县土地利用景观格局时空演变分析

张家桢,尹海魁,李新旺,陈亚恒,刘微,王树涛,6

(1河北农业大学 国土资源学院,河北 保定 071000;2河北农业大学 资源与环境科学学院,河北 保定 071000;3河北工程大学 水利水电学院,河北 邯郸 056038;4河北省水利科学研究院,石家庄 050011;5河北大学 化学与环境科学学院,河北 保定 071000;6河北省农田生态环境重点实验室,河北 保定 071000)

土地作为人类生产生活不可或缺的自然要素,是社会、经济、生态各种要素组成的自然综合体。在经济发展以及科学进步的大环境下,土地利用在人与自然共同作用下影响自然界生物多样性和生物化学循环[1-2]。近几年,通过景观生态学方法定量分析土地利用已成为研究热点。景观格局是大小和形状各异的景观要素在空间上的排列和组合。它可以反映土地利用的动态变化和自然、社会与生物相互作用的结果[3]。地形和海拔作为自然环境中的关键因素,对生态系统的物质流动和能量循环有着直接影响,它的空间特征同样对景观格局演变有深远影响。在这方面,根据地形因素研究景观格局梯度效应是非常重要的[4-6]。研究景观梯度有助于优化当地生态环境,为景观规划提供数据支撑。

大多数关于景观格局的研究侧重于景观格局的粒度和幅度。梯度分析也是反映景观格局中梯度变化特性的常用研究方法[7-9]。伍娬等人构建了以建成区中心向边缘辐射的环形缓冲区,分析缓冲区内各个梯度的变化特征[10];白元等人在塔里木河流域建立了垂直分段和水平缓冲区,并分析了沿河流分布的景观梯度动态[11];程舒鹏等人为揭露黄河下游宽河段沿岸的景观格局梯度特征,在黄河下游主河道两侧设置缓冲区[12];巫丽芸等人设置缓冲区于东山岛海岸带,并分析了东山岛沿岸带景观破碎化梯度的特征[13]。然而,在县域范围内,特别在山区地区,很少有利用景观指标和梯度的方法进行景观梯度特征分析。

国内景观格局上的研究较为丰富,为本研究的开展提供了理论基础,但是从海拔梯度视角探究山区景观格局的研究较为薄弱。为此,以阜平县为研究区,基于景观生态学理论,选取景观格局指数法和梯度分析法,采用ArcGIS软件,以海拔最低点为中心构建阜平县缓冲带分析2000—2020年各景观类型在不同缓冲带上的时空演变情况,以揭示不同海拔梯度阜平县景观格局演变趋势和生态廊道变化,为阜平县景观优化提供合理方案,推进地区生态文明建设。

1 研究区概况

阜平县地处太行山北段东麓,河北省保定市西部,是一个全山区县。位于E 113°45′～114°32′,N 38°39′～39°08′,东邻曲阳、唐县,西与山西五台县相连,南接灵寿、行唐,北与涞源及山西繁峙、灵丘接壤。北距北京245 km,东距雄安180 km、距天津295 km。地理位置优越,自古被誉为“冀晋咽喉”“畿西屏障”。地势由西北向东南降低。年平均气温为12.6 ℃,平均降水量582 mm,春季干旱而多风,夏季炎热而湿润,秋季凉爽而多雨,冬季漫长而严寒。因地形多样,具有多种区域小气候。

2 研究方法

2.1 数据来源与处理

本研究数据源于2000、2010、2020年3期Landsat TM/ETM系列遥感影像。利用ENVI 5.3软件对遥感影像数据进行辐射定标、大气校正、拼接和裁剪等预处理,根据《土地利用现状分类》标准,结合研究区实际景观类型及遥感影像特点将土地利用类型划分成耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地6种类型。以上数据均来源于地理空间数据云网站(http://www.gscloud.cn/)。

图1 研究区景观类型及缓冲带划分Figure 1 Landscape type and buffer zone division of study area

2.2 土地利用动态度

土地利用动态度可以反映特定土地利用类型时空演变规律,大小表示土地利用类型变化的剧烈程度,正负表示转变方向。表达式为:

(1)

式中:K为土地利用类型动态度;Ua、Ub分别为研究区基期及现期某种土地利用类型的面积;T为研究时段。

2.3 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵不仅可以定量表明不同土地利用类型之间的转化情况,还可以揭示不同土地利用类型间的转移速率。

(2)

式中:n为土地利用类型数;Sij表示研究初期的土地利用类型i转移成研究末期土地利用类型j的面积。

2.4 缓冲带构建

参考城市景观梯度分析和缓冲区梯度带的研究结果,考虑了研究区域的地理位置、阜平县的分布特征和景观类型的变化构建缓冲带[14-15]。以阜平县海拔最低点为原点并设为第1缓冲带,缓冲带为环形缓冲带向外以8 km为间隔辐射,建立8个缓冲带,分别0～8 km、8～16 km、16～24 km、24～32 km、32～40 km、40～48 km、48～56 km和56～64 km,然后将8个缓冲带与3年土地利用类型图进行叠加,进而得到不同海拔处缓冲带的景观类型图。

2.5 景观指数选择

景观指数是反映景观结构特征和空间格局变化的直观指标[14-15]。参考相关成果,从类型水平和景观水平2个景观层次分析了阜平县景观格局梯度的特征。类型水平选取景观面积比例(PLAND)、最大斑块指数(LPI)、景观形状指数(LSI)、斑块面积(CA)、斑块数(NP);景观水平选取香农多样性指数(SHDI)、香农均匀度指数(SHEI)、斑块密度(PD)、边缘密度(ED)、蔓延度指数(CONTAG)、聚合度指数(AI)。运用FRAGSTATS 4.2软件计算每个景观指数。

3 结果与分析

3.1 土地利用变化分析

3.1.1 土地利用时空变化特征 关于土地利用变化结构见表1。

表1 阜平县2000-2020年土地利用结构变化Table 1 Changes of land use structure in Fuping County from 2000 to 2020

2000-2020年草地面积占比逐年降低,由2000年的57.22%降至2020年的51.76%,所占比重高于其他土地利用类型,说明阜平县自然条件适宜草地生长,应合理利用草地资源,改善区域生态环境,发展现代草原畜牧业。2000-2020年耕地面积占比呈现先下降后上升趋势,其中2000-2010年耕地面积有所下降,从表象来讲,是因为耕地面积补充速率小于耕地面积侵占的速率,但究其本质来讲,原因有二:其一,建设用地扩张侵占了大量耕地;其二,退耕还林政策的实施,促使部分耕地转化为林地。正是在这2种原因的综合作用下,导致耕地面积下降较为明显。而后政府意识到建设用地扩张和耕地锐减的问题并加以调控,2010-2020年耕地面积有所上升,耕地面积增加了38.7 km2,表明这10年间耕地数量保护较好,耕地生产功能与社会保障功能较强。建设用地变化趋势与耕地相同,面积从2000年的4.30 km2增加到了2020年的98.72 km2,建设用地总面积占比增加量最大,为3.79个百分点,说明阜平县经济发展势头较好。林地面积由2000年的815.35 km2增加至2020年的825.37 km2,水域面积由2000年的43.44 km2增长到2020年的50.74 km2,说明阜平县生态环境条件较好,水土涵养功能较强。未利用地为占比最低的景观类型,面积由2000年的1.04 km2减少至2020年的0.02 km2。

从土地利用动态度来看见表2。

表2 2000-2020年土地利用动态度Table 2 Dynamic degree of land use from 2000 to 2020 %

建设用地是这2个时期内变化最快的土地类型,与阜平县近年来的发展有很大的关系;林地面积20年间变化程度微乎其微,属于稳定的土地利用类型;草地土地利用动态度在整个研究期均为负值,且前10年和后10年的下降速率大致相同,说明草地被其他土地利用类型侵占。建设用地土地利用动态度在2000-2010年数值高达152.90%,变化最为显著,远超其他地类,表明该时期城市化水平提高;2010-2020年建设用地扩张速度降低,土地利用动态度数值变化相比前10年变化幅度小,但和其他土地利用类型相比变化仍最大。耕地和林地土地利用动态度变化幅度较低,耕地先减少后提升,林地反之,表明耕地与林地利用较稳定。

3.1.2 土地利用类型转移分析 本研究通过构建土地利用转移矩阵(表3)来分析土地变化趋势。

表3 2000-2020年土地利用转移矩阵Table 3 Land use transfer matrix from 2000 to 2020

研究区内以耕地、草地、林地和建设用地4类土地利用类型之间的转化为主要特征。从表3可以看出,新增建设用地主要源于草地,调入量呈现先上升后下降趋势,2000-2010年为45.96 km2,表明建设用地在此期间占用了较多草地;林地的主要调入来源为草地,2个时间段比重数值高达97.8%和91.2%;林地在研究期间主要转为草地,转出量保持上升趋势,由2000-2010年的8.72 km2上升至2010-2020年的22.12 km2,比重由55%变为73%,林地转出量小于转入量,表明林地面积增加;耕地和林地主要由草地调出,与此同时草地主要由耕地和林地调入;水域与草地的转化关系大致相同,水域向草地、耕地调出的同时,草地和耕地亦向水域调入。

3.2 景观格局总体特征

阜平县类型水平上的景观格局指数显示见表4。

表4 研究区类型水平景观指数Table 4 Horizontal landscape index of study area

由表4可知,从2000年到2020年,景观面积占比最高的为草地,第二是林地,阜平县城镇边界不断蔓延,建设用地面积增加迅速,从2000年的0.17%增至2020年的3.96%。耕地面积先减少后增长,3个时期的比例分别是8.13%,7.59%和9.15%;林地面积不断增加,由2000的32.69%增为2020年的33.10%;由于耕地和建设用地的侵占,草地总面积也随之减少。从2000年到2020年,耕地的斑块数量持续增加,破碎化程度增加;林地斑块数量持续减少,一些小的零散森林减少,只剩下少数大的山林。建设用地的斑块数量继续增加,这表明随着城市化的加速,建设用地在2000年至2020年期间快速扩张,并占用其他景观。草地的最大斑块指数在3个时期内均最高,但呈下降趋势,表明草地一直是研究区内优势斑块,但是优势度逐年减弱;在过去的20年中,房地产开发和道路交通等建设导致建设用地显著增长和集聚,最大斑块指数从0.08持续上升至0.35。耕地和建设用地景观形状指数总体呈上升趋势,景观形状逐渐趋于复杂,表明人类活动的影响日益强烈。林地景观形状指数总体增加,景观形态也越来越复杂。未利用地景观形状指数基本不变,表明景观类型不受人类干预的影响。

研究区域不同时期景观水平上的景观指数变化统计分析如图2所示。

(a) 斑块密度和边缘密度

(b) 蔓延度和聚合度指数

(c) 香农多样性和香农均匀度指数图2 研究区景观水平景观指数Figure 2 Landscape level and landscape index of study area

2000年至2020年,阜平县的PD和ED总体呈上升趋势,表明研究区域的景观形状趋于复杂;2000-2020年,蔓延度指数与聚合度指数都呈现下降趋势,分别下降5.64%和0.85,表明研究区内景观破碎度增强,连通性减弱;香农多样性指数和香农均匀度指数在2000年为0.97和0.54,2020年上升至1.13和0.63,表明景观类型多样化且分布均匀。结果表明,近20年来,人类活动对阜平县景观格局的干预增强,景观稳定性逐渐下降,景观异质性逐渐增强。

3.3 类型水平的景观格局梯度分析

耕地、建设用地和水域的景观指数如图3所示。以景观面积比例、最大斑块指数和景观形状指数来反应土地利用类型梯度变化,进一步揭示阜平县不同景观类型的时空格局发展变化特征。

(a) 耕地景观面积占比

(b) 耕地最大斑块

(c) 耕地景观形状

(d) 水域景观面积占比

(e) 水域最大斑块

(f) 水域景观形状

(g) 建设用地景观面积占比

(h) 建设用地最大斑块

(i) 建设用地景观形状图3 类型水平的景观格局梯度变化特征Figure 3 Change characteristics of landscape pattern gradient at type level

3.3.1 耕地 耕地景观面积(PLAND)占比随海拔梯度的上升先呈现骤减趋势,后趋于平缓。在0～40 km缓冲带,研究期内耕地景观面积占比随海拔梯度增加呈急骤下降趋势,说明耕地的景观优势度与海拔梯度成反比,耕地的景观优势度受海拔高度影响强烈。2000-2010年景观面积比例逐年降低,表明近年来建设用地不断扩张,耕地被建设用地侵占。而随着距阜平县海拔最低点距离的增加,耕地侵占强度随海拔升高而逐渐衰减。而后2010-2020年的PLAND增长,原因是近些年在政府的扶持下,农户大规模种植食用菌,发展食用菌产业,因此耕地面积有所上升。40 km以外区域,2000-2020年PLAND数值低且变化不明显,表明该区域多山地,耕地占比少且趋于稳定。2000-2020年耕地最大斑块指数(LPI)曲线整体呈“u”型的先下降后上升的变化趋势。从海拔分布看,低海拔梯度下耕地最大斑块指数最高,表明人类活动与耕地利用强度高;随着海拔增高最大斑块指数骤降,到40 km处下降到最小,40 km梯度内地形差异较大,连通性较差,不利于耕地集中耕种。大于40 km处,随着海拔梯度的增加,耕地最大斑块指数也随之上升,耕地集中分布在河流两岸以及村庄附近。从时间跨度来看,在40～64 km缓冲带处,随着年份增长,受退耕还林和易地搬迁双重政策的影响,耕地最大斑块指数呈逐渐下降趋势。3个时期耕地景观形状指数(LSI)曲线呈现先升后降的“n”型变化趋势,最大值出现在16 km缓冲带,数值为22.02、23.47、23.20。结果表明,16 km缓冲带的形状最复杂,人为干扰最大。从海拔分布看,0～16 km梯度下耕地景观形状随海拔梯度的上升而增大,16～32 km梯度下耕地景观形状指数普遍较高,原因在于距城镇中心近,人为活动强,表明该范围内人类活动对耕地景观格局的干扰强度较大。16～64 km缓冲带下耕地景观形状随海拔梯度的上升而下降,因距城镇中心远,自然景观成为主导景观,因此形状复杂性相对较小。从时间跨度来看,耕地景观形状呈上升趋势,且前10年景观形状指数增幅大于后10年,前10年人类活动对景观格局的干扰强度高于后10年。

3.3.2 建设用地 建设用地景观面积占比曲线随海拔梯度的上升除2000年波动平缓外,2010、2020年2个时期的缓冲带整体变化趋势相似,均呈“升-降-升-降”趋势变化。0～40 km缓冲带的变化范围很广:最大值出现在24 km缓冲带,随后景观面积占比快速下降,大于40 km缓冲带2010年和2020年的PLAND变幅较小,随海拔梯度的上升整体呈减小趋势,但在48 km缓冲带又出现较大值。从时间跨度来看,2000-2020年耕地景观面积占比增幅显著,但2000-2010年增速更快,原因是阜平县的建设用地在2000-2010年大量增加。2010-2020期间,16～24 km缓冲带的增幅显著大于40～48 km缓冲带,表明随着海拔梯度的上升,距离城镇中心近,景观优势度强。建设用地最大斑块指数2000年整体趋势平缓,2010年呈现先下降后上升的变化趋势,2020年总体呈现先上升后下降的趋势。从海拔分布看,低海拔梯度下建设用地最大斑块指数最高,表明人类活动较强;随着海拔上升,距城镇越来越远,受人类活动影响下降,最大斑块指数急速下降。从时间跨度上看,0～30 km海拔梯度带处建设用地最大斑块指数变化剧烈,其主要原因为该梯度带下为建设用地集聚区,建设用地近年大量扩张,0～8 km梯度带下,2000-2010年LPI变化显著随后趋于平缓;8～32 km梯度带下,2010-2020年LPI变化显著,32～40 km梯度带下2000-2010年LPI变化较大随后趋于平缓。建设用地景观形状指数除2000年整体变化趋势平缓,2010与2020年均呈现“n”型的先上升后下降的变化趋势,在24～32 km处景观形状指数数值较高,表明该范围内形状最为复杂且受人为干扰最大,从海拔分布看,0～24 km海拔梯度下景观整体形状复杂性保持稳定上升,24～32 km海拔梯度下趋于平缓,建设用地景观形状指数增高,32～64 km缓冲区间内景观形状的复杂性逐渐降低,表明城市正在低海拔的区域扩张,导致景观形状趋于复杂,在较高海拔区间,因距城镇中心远,建设用地分散,自然景观为主导景观,其形状复杂性相对较小。从时间跨度来看,建设用地景观形状呈上升趋势,且前10年LSI增幅显著,因为近些年阜平县大力发展,建设用地在前10年扩张力度高于后10年。

3.3.3 水域 从整体上看,2000-2020年水域最大斑块指数与水域景观面积占比曲线均呈现“L”型先降低后趋于平缓的变化趋势。0～8 km海拔梯度下,地形平缓,受自然因素与人为因素影响,由高山汇流形成水库,水域最大斑块指数与水域景观面积占比高,水域景观优势度强。随着海拔梯度的增加,地形起伏大,人为干预减小,水域斑块优势度降低。0～24 km海拔梯度内,水域景观形状指数随着海拔升高而增大,整体上看水域景观形状指数曲线类似“m”型波动。水域在阜平县聚中连片分布,随着缓冲带的变化景观形状指数波动剧烈,呈现波动增长最后急骤下降,这主要是因为低海拔地区大部分水域都是形状简单而规则的湖泊;阜平县中部海拔以河流为主,河流较为分散,因此景观形状复杂,碎片化程度较高;而高海拔地区地形起伏大,河流向低洼流动,水域占比极低。

3.4 景观水平的景观格局梯度分析

从景观水平上来看,各景观指数随距阜平县海拔最低距离变化特征如图4所示。

(a) 斑块密度

(b) 边缘密度

(c) 蔓延度指数

(d) 聚合度指数

(e) 香农多样性指数

(f) 香浓均匀度指数图4 景观水平的景观格局梯度变化特征Figure 4 Change characteristics of landscape pattern gradient at landscape level

景观破碎化方面,斑块密度(PD)总体变化趋势呈下降趋势,景观逐渐集聚。斑块密度在2020年一直最高,2000年一直最低。16～48 km缓冲带处3个时期斑块密度的差值显著,2000-2020年阜平县景观格局破碎化程度逐年增加且前10年的增幅大于后10年,在中高海拔地区易发生景观破碎化现象。边缘密度(ED)随着海拔升高而逐渐降低,低海拔梯度地区景观斑块的边缘长度比高海拔地区长,表明低海拔地区由于距离居民点近,景观斑块受人为影响分割为更多的单体斑块,斑块之间的离散程度增加。

在景观聚集性方面,随着距阜平县海拔最低点距离的增加,其蔓延度和聚合度指数呈上升趋势。如图所示,每个梯度带的景观聚集度(AI)均大于90%,表明景观由几个大斑块组成,景观异质性较弱,景观相对集中。随着时间的推移,人类活动的干扰增加,景观的异质性增加。在32～40 km缓冲带急剧下降后,景观聚集度随着海拔梯度的升高而迅速增加,这表明城市越远,景观连通性越好。由于阜平县发展迅速,建设用地大幅增加,其他类型的景观被占用,景观聚集性降低、破碎化增强,2020年的CONTAG和AI显著低于前2个时期。

景观多样性方面,香农多样性指数(SHDI)和香农均匀度指数(SHEI)变化趋势基本一致,均随海拔梯度的升高而逐渐降低,在距阜平最低点16～40 km的区域内,香农多样性指数和香浓均匀度指数变化不大,结构稳定。在3个时期的指数特征为:2020年>2010年>2000年,该值呈逐年增加趋势,表明阜平县景观异质性增强,景观类型更加丰富且空间结构更加均匀。在低海拔距离城市较近的梯度带中,受到城市扩张的严重影响,人类干扰频繁,景观多样性高。但海拔梯度越高的区域则表现出更为显著的景观单一性。

4 讨论与结论

国内景观格局上的研究多在经济发达或地区,而在山地地区的研究较少,阜平县是典型山区,土地利用景观时空演变研究可以为当地景观规划设计及生态环境优化提供一定依据。以阜平县为研究区,利用GIS技术和Fragstats软件,采用2000、2010、2020年的3期LandsatTM遥感影像数据,选取土地利用动态模型、土地利用转移矩阵和景观格局指数等方法定量分析2000-2020年阜平县景观格局变化。

(1)从土地利用动态变化上来看,20年来阜平县土地利用变化较为明显。草地是阜平县最主要的土地利用类型,2000-2020年整体占比最低为51.76%,最高为2000年的57.22%,呈减少趋势;林地是第二大利用类型,在过去的20年中,林地森林面积先增加后减少;耕地面积先减少后增加;建设用地和水域都在增加。从土地利用动态度来看,动态变化较为明显。土地利用类型转换主要发生在草地与建设用地、耕地与林地、草地与林地、草地与耕地之间,主要通过草地的转出、耕地和林地的转入为主。其中阜平县扩张最为显著的是建设用地,表明研究期内阜平县工业发展迅速。

(2)从景观格局时空变化来看。类型水平上,各景观类型在梯度特征上都出现了不同的结果。耕地景观面积占比整体呈现随海拔梯度的上升先骤减,后趋于平缓;最大斑块指数曲线整体呈“u”型的先下降后上升的变化趋势;景观形状指数曲线变化呈“n”型先增大后减小的变化趋势。建设用地景观面积占比、最大斑块指数、景观形状指数曲线随海拔梯度的上升呈现不同变化趋势,说明阜平县20年来建设用地大规模扩张,发展迅速。2000-2020年水域最大斑块指数与水域景观面积占比曲线均呈现“L”型先降低后趋于平缓的变化趋势,景观形状指数随着海拔的升高而增大,水域景观形状指数曲线类似“m”型的呈“升-降-升-降”波动。景观水平上,不同海拔梯度景观格局指数变化差异显著。在空间上,斑块密度、边缘密度、香农多样性和香农均匀度指数随距阜平县海拔最低点距离的增加而降低,变化趋势截然相反的为蔓延度指数和聚合度指数,海拔梯度越高的地区景观越明显表现出单一性。时间上前10年的指数变化远大于后10年。

土地利用景观格局变化特征受海拔梯度的影响。此研究阐释了阜平县不同海拔高度景观格局的空间和时间变化规律。景观格局的研究对尺度具有显著的依赖。设立不同梯度样带的方法、设置不同形状的缓冲区都会影响景观指数的结果。但是无论使用哪种梯度分析,梯度带上景观变化的总体规律是相同的,没有显著差异。利用高分辨像率影像数据提高景观格局分析的准确性,可以表明,人类干预和城市化发展是景观格局时空变化的重要驱动因素,对景观生态建设和城市资源规划具有重要参考价值。

针对阜平县的景观规划设计及生态环境优化,未来将根据当地情况配置和调整同海拔梯度区域景观结构;在快速发展的背景下,针对不同海拔高度的区域,有针对性地优化、调整土地利用结构,采取措施避免针对性较强的农用地或林地损失;对于低海拔地区的城市化进程,应严格控制土地开发强度,减少景观碎片化,以及充分处理好城市化与区域环境保护之间的关系;此外,还应在高、中高、中低级别地形地区采取促使耕地恢复森林的举措,并应严格禁止毁林等不当做法,以确保林地景观的水源保护等生态功能、生物活动和迁移量、水土流失缓解,实现人与自然的和谐持续发展。