吉林省大安縣土地利用變化監(jiān)測及景觀格局分析

蘭紅月，李家存，李曉燕

（1.首都師范大學 資源環(huán)境與旅游學院，北京100048；2.吉林大學 地球科學學院，吉林 長春，130061）

土地資源利用問題受到全世界的高度重視[1]，土地利用變化動態(tài)分析已成為近年來國內(nèi)外研究的熱點[2-5]。不同的土地利用系統(tǒng)鑲嵌，形成土地利用景觀，具有顯著的空間和時間特征[6]。從景觀分析的角度，借用景觀生態(tài)學中的各種空間格局分析方法，能更系統(tǒng)和定量地認識區(qū)域內(nèi)土地利用的動態(tài)變化。通過比較景觀格局指數(shù)在時間維上的變化，可以反映景觀格局的演變規(guī)律和趨勢[7]。

1 研究區(qū)概況

大安縣位于吉林省白城市東北部，地處松嫩平原腹地，全縣東西約95 km，南北約90 km，總面積約4 879km2，總?cè)丝?2萬。境內(nèi)“一江兩河”(嫩江、洮兒河、霍林河)環(huán)繞。大安縣的草場是松嫩平原草場的一部分，年產(chǎn)草20萬t。該區(qū)地勢平坦，區(qū)內(nèi)主要地貌類型有沖積平原、丘間洼地、河漫灘和低洼地，生態(tài)環(huán)境十分脆弱。近些年，由于氣候連續(xù)干旱、水資源短缺以及過度放牧等原因，再加上地勢低平，排水不暢，鹽堿化呈發(fā)展趨勢，水域萎縮、濕地減少、鹽堿化、草原退化、沙化等問題日益嚴重，環(huán)境質(zhì)量不斷惡化，致使部分地區(qū)農(nóng)作物產(chǎn)量嚴重受損，低產(chǎn)甚至不能生長，成為東北地區(qū)鹽堿化最嚴重的地區(qū)之一，也是世界三大蘇打鹽堿地分布區(qū)之一。

2 研究方法

2.1 圖像預處理

本次研究以遙感為主要手段，以大安縣2001年、2007年和2010年的Landsat TM 8～10月份的遙感影像為主要數(shù)據(jù)源。圖像預處理部分以ENVI和ERDAS為主要應(yīng)用軟件平臺，進行幾何輻射校正、投影轉(zhuǎn)換、裁剪鑲嵌、圖像增強等，最后得到3年的精校正遙感影像。

2.2 遙感影像解譯

遙感影像解譯即根據(jù)影像上的各種地物特征以及空間分布進行綜合分析，提取出感興趣的信息[8,9]。考慮到土地利用調(diào)查精度要求較高，本研究利用計算機自動處理和人工目視解譯相結(jié)合的方法，采用監(jiān)督分類方法，并參考野外調(diào)查的實際資料，考慮到土地的用途、特點、利用方式和覆蓋特征，對城鄉(xiāng)用地進行統(tǒng)一分類，確定了10類訓練樣本，即耕地、林地、荒草地、半荒草地、河流、湖泊、建設(shè)用地、沙地、鹽堿地、沼澤地。通過建立誤差矩陣精度驗證，選擇最大似然法作為監(jiān)督分類的方法，再通過分類后處理得到監(jiān)督分類的結(jié)果，如圖1。

圖1 最大似然法土地利用分類結(jié)果圖

2.3 景觀格局分析

景觀格局特征可以從3個層次進行分析：斑塊水平指數(shù)、斑塊類型指數(shù)以及景觀水平指數(shù)。研究中，對分類后的影像進行格式化處理，應(yīng)用Fragstats3.3景觀分析軟件，并輔以GIS空間分析技術(shù)，對3期遙感影像進行土地利用變化信息提取和統(tǒng)計分析。

3 結(jié)果分析

3.1 空間統(tǒng)計分析

空間統(tǒng)計分析即將遙感和GIS空間分析技術(shù)相結(jié)合，對處理后的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計計算，挖掘研究對象的空間關(guān)系，獲取土地利用的空間變化信息。本次研究對監(jiān)督分類后的結(jié)果進行統(tǒng)計，包括該區(qū)土地利用類型在時間序列上的變化面積和變化速率。對比3個時相的結(jié)果，可以直觀地檢測出各類型的變化情況，并依此為基礎(chǔ)進行分析評價。

3.1.1 變化面積分析

根據(jù)分類結(jié)果，用分類后統(tǒng)計的方法對監(jiān)督分類的結(jié)果進行面積統(tǒng)計，提取3個時相10類土地利用類型的面積，結(jié)果如表1。

表1 大安縣3期土地利用類型面積統(tǒng)計表

由表1可知，大安縣從2001年至2010年間土地利用類型面積隨時間的階段性變化很大。

2001～2007年，研究區(qū)土地利用類型的變化大致呈現(xiàn)三增(耕地、鹽堿地、建設(shè)用地)三減(草地、水體、濕地)的變化規(guī)律：耕地、建設(shè)用地面積增加，原因是該地區(qū)人口壓力大，城市化進程加快；鹽堿地、沙地面積明顯增加，鹽堿地面積增加了約145.05 km2，雖然采取措施控制治理，鹽堿化、沙化程度仍有所增加，環(huán)境進一步惡化；林地面積略有增加，主要是政府采取退耕還林、病蟲害治理等措施的結(jié)果；草地面積大幅減少，減少約179.36 km2，說明這期間草地發(fā)生明顯的退化現(xiàn)象，一部分草地被開墾成耕地，另一部分被鹽堿地和沙地吞噬；水域、濕地面積減少，大約減少103 km2，這與當?shù)亟鼛啄隁夂蚋珊涤嘘P(guān)，也說明在放牧和農(nóng)業(yè)灌溉過程中，生態(tài)保護程度不足，部分湖水發(fā)生湖面下降甚至干涸的情況，對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境恢復產(chǎn)生一定影響。總體來看，研究區(qū)域的土地利用趨向不合理化，嚴重影響該區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。

2007～2010年，由于該區(qū)以農(nóng)業(yè)經(jīng)濟為主，經(jīng)濟和人口的發(fā)展，使耕地、建設(shè)用地面積持續(xù)擴張；鹽堿地面積相對2007年減少約60 km2，說明這段時間該區(qū)治理工程出現(xiàn)效果，雖然階段性減少，但相對于2001年的絕對面積仍然是增加的，土地鹽堿化現(xiàn)象仍沒有得到根本改變；沙地面積略有增加，導致草地退化，半荒草地面積相應(yīng)減少，與人類的過度開墾和放牧有直接關(guān)系；林地和荒草地面積變化不明顯，水域面積尤其是沼澤地面積有所增加，說明這段時間人們已經(jīng)意識到不合理開發(fā)和過度放牧影響到生態(tài)環(huán)境和土地利用的可持續(xù)發(fā)展，進而投入人工治理和修復，使該區(qū)土地利用趨于合理化，生態(tài)環(huán)境惡化問題有所改善，但“三化”問題的防治仍然緊迫，應(yīng)該進一步采取有效措施進行緩解。

3.1.2 變化速率分析

土地利用的變化速率可以反映出研究區(qū)各種利用類型變化增加或減少的速度。計算公式為：

其中，s0、st分別表示變化前后土地類型的面積，t為變化的時間間隔。

通過對大安縣影像分類結(jié)果進行計算，得出2001～2007～2010年大安縣土地利用年變化率表，見表2。

表2 大安縣土地利用類型變化速率表/%

由表2可得，2001～2007年大安縣土地利用年變化率最高的是荒草地和沼澤地，分別達到5.62%和-4.55%；年變化率最小的是河流和沙地，分別為0.56%和1.42%；綜合土地利用年平均變化速度較快，達3.92%。2007～2010年，變化最大的仍然是荒草地和沼澤地，但二者在這段時間的面積都是增加的，年變化率分別是4.29%和4.04%；變化最小的是河流和半荒草地，分別是-1.51%和-1.20%；綜合土地利用年平均變化速度相對較慢，為2.16%。

3.2 景觀格局指數(shù)分析

分別選擇斑塊類型、多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、相似鄰近比例、景觀形狀指數(shù)、聚集度指數(shù)等多種斑塊類型指數(shù)和景觀水平指數(shù)對研究區(qū)的景觀格局進行分析。

3.2.1 斑塊類型水平的景觀格局分析

大安縣斑塊類型水平景觀格局指數(shù)計算結(jié)果如表3所示。可以得出，2001～2010年間，耕地和建設(shè)用地的斑塊密度、斑塊占景觀百分比、相似鄰近比例都在增加，而斑塊數(shù)量和斑塊分散度指數(shù)在減小，說明原來的小居民地連片發(fā)展，耕地也隨居民地的變化而變化；鹽堿地和沙地的景觀百分比和斑塊個數(shù)在增加，而斑塊密度、相似鄰近比例和聚集度降低，說明鹽堿地在該區(qū)景觀中所占比例在加大，絕對面積增加，景觀呈破碎和分散趨勢，一方面是氣候等自然原因，另一方面是人類活動，當?shù)夭缓侠淼耐恋乩梅绞酵淌闪舜竺娣e的草地和耕地；河流和湖泊的斑塊個數(shù)和斑塊密度都減少，主要是由于該區(qū)干旱氣候以及農(nóng)業(yè)灌溉等，然而沼澤地景觀百分比、斑塊個數(shù)均呈增長趨勢，其中包括人工濕地和天然濕地，說明濕地的自我修復和人工修復取得明顯效果，密集度降低，景觀形狀指數(shù)增大，說明沼澤的分布范圍在擴大；荒草地和半荒草地的景觀百分比、相似鄰近比例、斑塊密度、聚集度指數(shù)等都降低，原因在于一部分草地鹽堿化和沙化，另一部分由于追求農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的增長而轉(zhuǎn)化成耕地，景觀也呈破碎化趨勢。

表3 大安縣斑塊類型水平景觀格局指數(shù)表

總之，從2001年到2010年，研究區(qū)土地利用在后一階段呈現(xiàn)合理化，景觀格局的變化趨向改善，但總體來看，土地鹽堿化、沙化和草地退化問題仍然嚴峻，再加上水域和濕地環(huán)境的降低，使生態(tài)環(huán)境和生物多樣性受到威脅。

3.2.2 景觀水平的景觀格局分析

從計算結(jié)果可以看出（表4），2001年到2010年研究區(qū)域的斑塊密度、均勻度指數(shù)和蔓延性指數(shù)減少，但變化并不明顯，說明雖然后一階段景觀出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)，但是總體上并未出現(xiàn)較大改善；斑塊個數(shù)減少，說明一部分小斑塊消失，一方面是耕地、建設(shè)用地等連片發(fā)展，另一方面是鹽堿化和沙化的小的、輕的斑塊經(jīng)過治理逆轉(zhuǎn)明顯，大的斑塊治理起來仍較困難，甚至有蔓延的趨勢。多樣性指數(shù)略有增加，說明土地利用類型在調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)化方面發(fā)揮了作用，困擾當?shù)囟嗄甑耐恋佧}堿化、沙化、退化問題已經(jīng)出現(xiàn)部分緩解，為進一步治理和改善提供了途徑。

表4 大安縣景觀水平景觀格局指數(shù)表

4 結(jié) 語

吉林省大安縣的土地利用正在向不合理的方向發(fā)展，生態(tài)環(huán)境和水土環(huán)境受到威脅，影響當?shù)氐目沙掷m(xù)發(fā)展，因此采取相應(yīng)的生態(tài)環(huán)境保護和社會經(jīng)濟措施是十分必要的。比如，改變傳統(tǒng)的粗放型農(nóng)業(yè)模式，因地制宜，合理配置農(nóng)、林、牧生產(chǎn)結(jié)構(gòu)；城市擴張的同時盡可能少地占用農(nóng)用地，保護現(xiàn)有耕地；用科學有效的方法大力開展沙地和鹽堿地的治理和改良工程，保護現(xiàn)有的濕地生態(tài)系統(tǒng)等。堅持退耕還林，依靠科技進步，建設(shè)生態(tài)環(huán)保型農(nóng)業(yè)，是實現(xiàn)區(qū)域持續(xù)發(fā)展的必然途徑。

[1]宋乃平，張鳳榮，王磊等. 我國土地利用／覆被研究的熱點與應(yīng)用發(fā)展問題[J].地球信息科學，2008，10(1)：60-66

[2]鐘凱文，孫彩歌，解靚. 基于GIS 的廣州市土地利用遙感動態(tài)檢測與變化分析[J].地球信息科學學報，2009(2):111-116

[3]葉琳，徐涵秋. 近20年來福州市土地利用時空變化的遙感分析[J].地球信息科學，2008，10(1)：80-87

[4]牟鳳云，張增祥，遲耀斌. 基于多源遙感數(shù)據(jù)的北京市1973-2005年間城市建成區(qū)的動態(tài)監(jiān)測與驅(qū)動力分析[J].遙感學報，2007，11 (2) ：257-268

[5]李磊，李小娟，崔偉宏. 基于GIS和RS的縣級土地利用動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].地理學與國土研究，2001(5):28-32

[6]張本昀，申懷飛，鄭敬剛，等. 河南省土地利用景觀格局分析[J]. 資源科學，2009，31(2)：317-323

[7]邱揚，傅伯杰. 土地持續(xù)利用評價的景觀生態(tài)學基礎(chǔ)[J]. 資源科學，2000，22(6)：1-8

[8]趙英時. 遙感應(yīng)用分析原理與方法[M]. 北京：科學出版社，2003

[9]沈煥峰，鐘燕飛. ENVI遙感影像處理方法[M].武漢：武漢大學出版社，2009

[10]蔡春菊，賈金寶，王成. 揚州地區(qū)土地利用與景觀格局分析[J]. 東北林業(yè)大學學報，2010，38(4)：42-48

[11]陳鳳臻. 全球變化下松遼平原生態(tài)環(huán)境變遷[D]. 長春：吉林大學，2009

[12]張華，佟文嘉，王南，等. 基于退耕還草的科爾沁沙地土地利用景觀格局分析[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2012，26(6)：96-101

[13]楊國安，甘國輝，郭騰云. 北京市土地利用動態(tài)變化及其預測[J]. 地球信息科學，2005(1)：108-111

[14]余興修，楊桂山. 土地利用/覆被變化研究的現(xiàn)狀與問題[J].地理科學進展，2002，21(1)：51-57

[15]包亮，門明新. 區(qū)域土地利用和覆蓋景觀格局變化研究——以邯鄲地區(qū)為例[J]. 農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究，2002，24(3)：230-233

[16]王玉鵬，任政. 基于定量遙感的重慶市土地利用動態(tài)變化研究[J].西南大學學報，2009，31 (10) :154-159

[17]包亮，門明新.區(qū)域土地利用和覆蓋景觀格局變化研究——以邯鄲地區(qū)為例[J]. 農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究.2004，24(3)：230-233

[18]Nikora V I, Pearson C P，Shankar U. Scaling Properties in Landscape Patterns: New Zealand Experience [J]. Landscape Ecology，1999：17- 33

[19]Townshend J R G. Global Data Sets for Land Applications from the Advanced Very High Resolution Radiometer [J]. Remote Sensing，1994，15(17): 3 319-3 332

[20]Medda F，Nijkamp P，Rietveld P. Recognition and Classification of Urban Shapes [J]. Geographical Analysis，1998，30 (3) : 304-314