吉林省大安縣土地利用變化監測及景觀格局分析

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]，土地利用變化動態分析已成為近年來國內外研究的熱點[2-5]。不同的土地利用系統鑲嵌，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，借用景觀生態學中的各種空間格局分析方法，能更系統和定量地認識區域內土地利用的動態變化。通過比較景觀格局指數在時間維上的變化，可以反映景觀格局的演變規律和趨勢[7]。

1 研究區概況

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，總人口42萬。境內“一江兩河”(嫩江、洮兒河、霍林河)環繞。大安縣的草場是松嫩平原草場的一部分，年產草20萬t。該區地勢平坦，區內主要地貌類型有沖積平原、丘間洼地、河漫灘和低洼地，生態環境十分脆弱。近些年，由于氣候連續干旱、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，環境質量不斷惡化，致使部分地區農作物產量嚴重受損，低產甚至不能生長，成為東北地區鹽堿化最嚴重的地區之一，也是世界三大蘇打鹽堿地分布區之一。

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據源。圖像預處理部分以ENVI和ERDAS為主要應用軟件平臺，進行幾何輻射校正、投影轉換、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合的方法，采用監督分類方法，并參考野外調查的實際資料，考慮到土地的用途、特點、利用方式和覆蓋特征，對城鄉用地進行統一分類，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督分類的方法，再通過分類后處理得到監督分類的結果，如圖1。

圖1 最大似然法土地利用分類結果圖

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、斑塊類型指數以及景觀水平指數。研究中，對分類后的影像進行格式化處理，應用Fragstats3.3景觀分析軟件，并輔以GIS空間分析技術，對3期遙感影像進行土地利用變化信息提取和統計分析。

3 結果分析

3.1 空間統計分析

空間統計分析即將遙感和GIS空間分析技術相結合，對處理后的數據進行統計計算，挖掘研究對象的空間關系，獲取土地利用的空間變化信息。本次研究對監督分類后的結果進行統計，包括該區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個時相的結果，可以直觀地檢測出各類型的變化情況，并依此為基礎進行分析評價。

3.1.1 變化面積分析

根據分類結果，用分類后統計的方法對監督分類的結果進行面積統計，提取3個時相10類土地利用類型的面積，結果如表1。

表1 大安縣3期土地利用類型面積統計表

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，研究區土地利用類型的變化大致呈現三增(耕地、鹽堿地、建設用地)三減(草地、水體、濕地)的變化規律：耕地、建設用地面積增加，原因是該地區人口壓力大，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果；草地面積大幅減少，減少約179.36 km2，說明這期間草地發生明顯的退化現象，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，這與當地近幾年氣候干旱有關，也說明在放牧和農業灌溉過程中，生態保護程度不足，部分湖水發生湖面下降甚至干涸的情況，對當地生態環境恢復產生一定影響。總體來看，研究區域的土地利用趨向不合理化，嚴重影響該區的可持續發展。

2007～2010年，由于該區以農業經濟為主，經濟和人口的發展，使耕地、建設用地面積持續擴張；鹽堿地面積相對2007年減少約60 km2，說明這段時間該區治理工程出現效果，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，半荒草地面積相應減少，與人類的過度開墾和放牧有直接關系；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意識到不合理開發和過度放牧影響到生態環境和土地利用的可持續發展，進而投入人工治理和修復，使該區土地利用趨于合理化，生態環境惡化問題有所改善，但“三化”問題的防治仍然緊迫，應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 景觀格局指數分析

分別選擇斑塊類型、多樣性指數、均勻度指數、相似鄰近比例、景觀形狀指數、聚集度指數等多種斑塊類型指數和景觀水平指數對研究區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計算結果如表3所示。可以得出，2001～2010年間，耕地和建設用地的斑塊密度、斑塊占景觀百分比、相似鄰近比例都在增加，而斑塊數量和斑塊分散度指數在減小，說明原來的小居民地連片發展，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，當地不合理的土地利用方式吞噬了大面積的草地和耕地；河流和湖泊的斑塊個數和斑塊密度都減少，主要是由于該區干旱氣候以及農業灌溉等，然而沼澤地景觀百分比、斑塊個數均呈增長趨勢，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業經濟的增長而轉化成耕地，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表

總之，從2001年到2010年，研究區土地利用在后一階段呈現合理化，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境的降低，使生態環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

從計算結果可以看出（表4），2001年到2010年研究區域的斑塊密度、均勻度指數和蔓延性指數減少，但變化并不明顯，說明雖然后一階段景觀出現逆轉，但是總體上并未出現較大改善；斑塊個數減少，說明一部分小斑塊消失，一方面是耕地、建設用地等連片發展，另一方面是鹽堿化和沙化的小的、輕的斑塊經過治理逆轉明顯，大的斑塊治理起來仍較困難，甚至有蔓延的趨勢。多樣性指數略有增加，說明土地利用類型在調節生態系統的優化方面發揮了作用，困擾當地多年的土地鹽堿化、沙化、退化問題已經出現部分緩解，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表

4 結 語

吉林省大安縣的土地利用正在向不合理的方向發展，生態環境和水土環境受到威脅，影響當地的可持續發展，因此采取相應的生態環境保護和社會經濟措施是十分必要的。比如，改變傳統的粗放型農業模式，因地制宜，合理配置農、林、牧生產結構；城市擴張的同時盡可能少地占用農用地，保護現有耕地；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，保護現有的濕地生態系統等。堅持退耕還林，依靠科技進步，建設生態環保型農業，是實現區域持續發展的必然途徑。

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