發布時間：2020-04-20所屬分類：農業論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:隨著城鎮化進程的推進，土地資源破碎化現象逐步加深，嚴重威脅著區域生態安全、土地利用格局和人類生存環境。通過構建景觀破碎度評價模型，研究了我國東北典型山區長白山區19952015年的生態用地破碎化程度及其動態變化特征。結果表明:①長白山區20年間
摘要:隨著城鎮化進程的推進，土地資源破碎化現象逐步加深，嚴重威脅著區域生態安全、土地利用格局和人類生存環境。通過構建景觀破碎度評價模型，研究了我國東北典型山區長白山區1995—2015年的生態用地破碎化程度及其動態變化特征。結果表明:①長白山區20年間生態用地破碎化程度降低，破碎化區域縮小，生態景觀格局趨于安全。②各用地類型之間轉換頻繁，林地主要向草地轉化。③20年來生態用地面積逐年縮小，內部類型變化幅度大于生態用地本身。④除了人類活動，城市擴張、耕地復墾等土地利用政策也是影響土地利用變化的外在因素。
關鍵詞:生態用地;景觀格局破碎度;土地利用變化;長白山區
1前言
土地利用/覆被變化(LUCC)作為人類活動與自然環境相互作用的最直接表現方式，已成為土地科學和可持續發展的重要研究課題。近年來，隨著城鎮化進程的不斷推進，我國人口膨脹、建設用地擴張和環境惡化等社會經濟問題日益突出[1]。同時，人類活動加劇了對自然環境的壓力，直接影響到自然生態系統的結構和功能，造成了環境污染、土地退化和生物多樣性單一等多種生態安全問題[2，3]。生態用地作為直接關聯土地生態功能的土地類型，是土地生態服務系統的基本載體，也是區域生態景觀格局與土地利用類型之間形成有效聯系的關鍵要素。從生態功能方面來看，生態用地具有水土保持、防風固沙、調節氣候和生物多樣性保護等功能[4，5]，是直接影響自然—社會經濟組成的復合生態系統。
傳統的生態用地研究模式主要集中分析景觀格局演變和土地覆被變化[6，7]、測量城市生態用地需求[8]、構建景觀生態安全格局[9，10]和生態脆弱區土地利用變化[11，12]。近年來，景觀生態安全評價的研究較多。ZangZ構建了生態脆弱性評價指標體系，對典型景觀類型的時空格局、生態脆弱性和生態系統服務功能變化進行了實證分析[13];周銳通過構建不同生態過程的生態安全格局來識別生態用地，為城市生態規劃與空間布局規劃提供了參考;潘竟虎通過RS和GIS技術，建立基于景觀格局的景觀生態風險指數，分析了景觀生態風險的時空變化特征和聚集模式[14];于瀟以景觀格局安全指數和生態質量指數為變量，構建現代農業區景觀生態安全評價模型，對近30年來研究區的景觀生態安全時空分異進行了分析[15]。根據研究來看，定量測度生態用地景觀格局演變與土地利用變化仍是理解區域生態安全與土地演化的重要手段，因此本文用定量測度方法來研究長白山區生態用地的演變特征和變化規律。
土地破碎化是區域景觀格局的表現形式，反映了斑塊由簡單到復雜的變化過程，是自然或人為干擾因素共同作用的結果，其景觀格局特征表現為由單一均勻的連續斑塊逐漸變為不連續的破碎斑塊。同時，土地破碎化是描述景觀演變與生態安全的重要特征指標，對研究土地破碎化的景觀生態過程、土地利用模式和環境可持續發展均具有重要的影響[16，17]。從土地整治角度看，實施土地整治、退耕還林還草等土地政策的目的就是為了降低土地資源破碎化。隨著相關部門對土地資源生態保護的要求越來越高，科學測量和分析土地破碎化程度對制定合理的土地利用規劃和政策顯得尤為重要。當前，由于土地承載力有限，人類不合理的生產活動已占用了大量土地，導致土地破碎化程度增加，縣域尺度及以下的生態用地破碎度與土地利用格局演變的小尺度、精細化研究越來越受到重視[18]。
長白山區是典型的原始森林區，但在我國境內，北坡、西坡和南坡具有典型的城市代表性，區域內土地保護、生態安全與城市之間的矛盾仍存在。近幾十年來，該地區城市不斷擴張，區域內生態用地對維持區域生態環境和耕地質量保護的作用日益明顯。了解長白山區生態用地破碎度和土地利用變化有助于優化土地利用模式，實現不同土地利用類型利用價值的最大化。本文以長白山區3個縣級行政區劃涉及的31鄉鎮單元為研究對象，對長白山區1995—2015年生態用地的景觀格局和離散程度等景觀指數進行了分析，通過土地利用轉移矩陣、土地利用動態度綜合測度區域內不同土地利用類型之間的相互轉換情況。旨在:①刻畫20年來長白山區生態用地破碎化程度和景觀格局演變特征，為生態用地破碎化評價提供科學合理的評價模型;②定量測度分析長白山區土地利用變化特征，了解土地利用變遷過程，為土地利用規劃者提供科學參考與建議。
2數據來源與研究方法
2.1研究區域概況
長白山(127°40'—128°16'E、41°35'—42°25'N)位于吉林省東南部中朝交界處，是我國東北典型的山地森林生態系統。本文是指以吉林省延邊朝鮮族自治州安圖縣(長白山北坡)、白山市長白朝鮮自治縣(長白山南坡)和撫松縣(長白山西坡)3個縣級單元為代表的長白山典型生態連片區域(圖1)，區域內共31個鄉鎮級別單元。該區域屬于溫帶大陸性山地氣候區，除具有一般山地氣候的特點外，還具有明顯的垂直氣候變化特征;年均氣溫在-7—3℃之間，積雪深度為50—70cm，年降水量700—1400mm。同時，該區域水資源豐富，是松花江、圖們江和鴨綠江三大水系的發源地。
2.2數據來源
遙感數據來源于我國土地利用/土地覆蓋遙感監測數據庫，以研究區域1995年、2005年、2015年的Landsat-Tm/ETM和Landsat8遙感影像數據為信息源，借助Envi4.5軟件對遙感影像進行波段合成與矯正。通過ArcGIS10.5軟件，結合三縣域的地形圖和土地利用圖數據進行人機交互式解譯，獲得研究區域土地利用類型矢量文件。結合研究區域特點和研究目的，最終確定土地類型為耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地六大類型。景觀格局分析基于由矢量格式轉換為柵格格式的類型圖，考慮到解譯精度和遙感影像分辨率的影響，將柵格單元大小設為30m×30m。同時，根據行政區劃，將研究區域劃分為以鄉鎮為單元的31個評價單元，以反映鄉鎮級的生態用地破碎化程度及土地利用變化。
2.3生態用地定義及分類系統
我國現行的《土地利用現狀分類(GBT21010—2017)》中沒有明確生態用地的類別，同時對生態用地的分類缺乏統一的標準，導致其生態價值難以在分類體系中體現。生態用地不是一個具體統一的土地利用范疇，其定義也因為不同的研究目的而賦予不同的內涵。對生態用地的定義，以往研究在區域尺度上形成了以土地空間形態來定義的生態要素決定論[19]，以土地生態功能定義的生態功能決定論[20，21]和以土地主體功能定義的主體功能決定論三種觀點[22-25]。龍花樓、劉永強等在界定生態用地概念的基礎上，采用逆向遞推法將生態用地合并歸類，將生態用地劃分為生態用地、半人工生態用地和人工生態用地三種類型[5];周銳、謝花林等通過GIS、RS等技術手段提取具有空間信息的生態用地，分別構建了生態用地的空間結構和安全格局[12，26];CostanzaR通過計算土地利用類型的生態服務價值(ESV)進行了生態用地識別的研究[27]。根據以往研究成果，本文將生態用地定義為以生態價值為主要利用價值，發揮土地生態系統服務功能，維護區域生態安全和可持續發展的土地利用范疇。同時，依據土地利用現狀和《土地利用現狀分類(GBT21010—2017)》，將土地利用類型劃分為生態用地、耕地、建設用地和未利用地，其中生態用地包括林地、草地、水域三大類(表1)。
2.4研究方法
生態用地破碎度評價指標選取:土地破碎化程度可反映在景觀水平上，本文通過建立定量分析評價模型，利用景觀生態學指標對生態用地破碎程度進行探討。景觀指數的選擇應具有低冗余度，既能更好地描述景觀破碎化程度的特點，又應涵蓋景觀面積、形態、離散度等綜合方面的內容。本文借鑒已有研究成果[28，29]，并考慮長白山區的實際情況，選取斑塊密度(PD)、邊界密度指數(ED)、面積加權形狀指數(AWMSI)、破碎度指數(FS)、分離度指數(DIVISION)、分裂指數(SPLIT)，共6個景觀指標來描述生態土地的破碎化特征。
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3結果及分析
3.1生態用地破碎度總體情況
研究發現，1995—2015年各評價單元的土地破碎化指數均在不同程度上有所增加，具有破碎化特征(圖2)。其中，斑塊密度(PD)和邊界密度(ED)兩個指標值在1995年均為較低水平，斑塊具有較高的完整性和連接性。2005年，超過68%的評價單元PD和ED值急劇上升，且超過20%的評價單元上升幅度大于10%，區域斑塊的均勻性隨著碎片的增加而劇烈降低。2015年，PD和ED指標值上升幅度減緩，在此期間人類活動和城市擴張在生態土地破碎化中發揮著重要作用。面積加權形狀指數(AWMSI)和破碎度指數(FS)是用于描述生態用地形狀破碎化程度的指標，各評價單元在研究時段內的AWMSI和FS值均呈上升趨勢，研究區域內生態用地的空間格局是分散和不規則的。分離度指數(DIVISION)和分裂指數(SPLIT)20年來小幅增長，各評價單元斑塊間的連通性變弱并且分布趨于分散性。總體上來看，1995—2005年長白山區生態景觀格局由連續、均質狀態急劇轉化為不連續、離散的狀態;2005—2015年，破碎化程度仍然存在，但趨于下降的趨勢，破碎化過程相對緩慢并且得到控制。結合實際情況來看，生態用地破碎化之所以略有回升，景觀安全趨于平穩，主要得益于長白山區近年來對生態土地保護和土地管理的重視，以及人類活動對生態土地的負面影響在逐漸減弱。
3.2生態用地破碎度時空變化分析
根據1995—2015年長白山區各評價單元的景觀指數值，賦權后依此計算1995年、2005年和2015年各評價單元的面積—邊緣破碎指數、形狀破碎指數、離散破碎指數和破碎度綜合指數(表4)。研究結果顯示不同年份不同評價單元生態用地破碎化程度不同。總體來看，長白山區破碎化程度從1995—2015年呈下降趨勢，破碎化程度降低，區域差異性顯著，研究結果與實際情況相符合。
破碎度時間變化分析:對比3個時期研究區域各評價單元的破碎度綜合指數(表5)情況，破碎化程度存在較大的差異。1995—2005年有11個評價單元破碎化現象日趨嚴重，破碎化程度增加，其中增幅最大的鄉鎮為永慶鄉、兩江鎮、萬良鎮和興隆鄉，增幅分別為83.52%、10.97%、10.15%和9.54%。其他20個評價單元的破碎度綜合指數降低，降幅度最大的分別為新房子鎮、亮兵鎮、二道白河鎮。漫江鎮和明月鎮破碎化程度未發生明顯變化，破碎現象較穩定。
2005—2015年12個評價單元破碎度指數增幅大于零，增幅最大的鄉鎮分別為興隆鄉、萬良鎮和新房子鎮。19個評價單元破碎度降低，萬寶鎮和十四道溝鎮降幅最大，分別為47.63%和19.94%。總體看，1995—2015年長白山區整體破碎化程度降低，個別鄉鎮如寶泉山鎮、萬良鎮、興隆鄉的破碎化程度一直處于上升趨勢，生態用地分布趨于零散化、斑塊形狀復雜化，破碎化程度日漸加劇;而長白鎮、亮兵鎮、萬寶鎮的破碎化現象明顯降低，生態用地破碎化得以緩解;新房子鎮前十年的破碎化程度明顯減低，但后10年卻劇烈增加，生態用地亟需保護。
破碎度空間變化分析:根據分級結果(圖3)，將生態用地破碎度分為4個級:Ⅰ級為低破碎化程度區(0—0.5)，Ⅱ級為輕破碎化程度區(0.5—1.0)，Ⅲ級為中破碎化程度區(1.0—1.5)，Ⅳ級為高破碎化程度區(1.5—2.0)。根據研究結果，1995年破碎化程度較高，Ⅳ級為區域評價單元數量最多，分布在長白縣西部，I級和II級廣泛分布在23個評價單元內。2005年Ⅳ級區域個數明顯減少，且個別區域的破碎度等級均有降低趨勢，主要集中在長白縣西部和安圖縣南部地區。2015年的破碎化程度最低，IV級區域個數最少。
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