不同土地利用類型景觀細(xì)碎化特征研究

陳占生 霍東 艾曉軍 楊碩 王玉國(guó)

(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地球物理調(diào)查中心，河北 廊坊 065000)

引言

土地細(xì)碎化是指在自然條件或人為條件下，土地主動(dòng)或被動(dòng)地分割成為多塊空間上互不相連的、大小不一的、零碎分散的土地結(jié)構(gòu)形式，呈現(xiàn)出一種無(wú)序或分散的狀態(tài)[1]。大多數(shù)國(guó)家普遍存在土地細(xì)碎化現(xiàn)象，不同地區(qū)根據(jù)氣候環(huán)境、地質(zhì)成因、地形地貌等多因素共同影響下，土地存在多種利用類型，從全球范圍來(lái)看，其中耕地細(xì)碎化程度最嚴(yán)重的地區(qū)主要分布在中東歐地區(qū)、印度和中國(guó)等[2]。不同的研究方向?qū)ν恋丶?xì)碎化影響認(rèn)識(shí)存在不同見(jiàn)解。中國(guó)作為人口大國(guó)，人均耕地面積不足0.092hm2，僅為世界平均水平的40%[3]，在20世紀(jì)80年代，我國(guó)在農(nóng)村推行土地責(zé)任制，由于土質(zhì)不同、距離不同，為公平起見(jiàn)，分配土地時(shí)基本是每塊地各戶均分一點(diǎn)，農(nóng)民承包地的“細(xì)碎化”由此出現(xiàn)[4]。在人均土地較少的國(guó)情下，在人地矛盾較為突出的特定歷史時(shí)期，在特定社會(huì)及制度因素下，細(xì)碎化有利于農(nóng)戶的經(jīng)營(yíng)管理，有利于資本要素的充分利用，有利于農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力的互補(bǔ)[5-7]，而且可以提高農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的豐富程度，并提高農(nóng)民的勞動(dòng)效率，以使勞動(dòng)力得到充分利用，提高土地的單位產(chǎn)量和種植收益。隨著我國(guó)綜合實(shí)力及經(jīng)濟(jì)水平提升，城鎮(zhèn)化率及速度不斷加快，土地細(xì)碎化的弊端越來(lái)越突出。土地細(xì)碎化不利于山水林田湖草沙綜合治理，對(duì)宜則理論提出了更復(fù)雜的技術(shù)要求，而且阻礙了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，提高了農(nóng)用機(jī)械的使用成本，降低了糧食生產(chǎn)的規(guī)模效應(yīng)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的技術(shù)效率[8,9]。

當(dāng)前，大部分學(xué)者對(duì)土地細(xì)碎化問(wèn)題的研究，主要集中于耕地細(xì)碎化問(wèn)題的研究[10-12]；有些學(xué)者則根據(jù)耕地現(xiàn)狀來(lái)選擇地塊的空間分布狀態(tài)、規(guī)模、形狀和粒度以及平均地塊規(guī)模、數(shù)量等指標(biāo)進(jìn)行量化分析[13]；有些學(xué)者探討了可有效表征項(xiàng)目區(qū)耕地細(xì)碎化變化的景觀指標(biāo)[14]；孫雁等選取平均地塊大小、地塊形狀指數(shù)、聚集度、分離度、香農(nóng)多樣性指數(shù)、香農(nóng)均勻度指數(shù)等指標(biāo)反映了中觀尺度下土地細(xì)碎化的特征[15]。

綜上所述，當(dāng)前我國(guó)在不同土地利用細(xì)碎化的景觀分布特征層面研究不多，綜合山水林田湖草沙整體分析研究甚少。遼寧鳳城市位于遼寧半島東部，地形地貌以低山丘陵為主，土地利用類型主要為林地，耕地面積較少且分布比較分散，地塊平均面積除林地外的利用類型都較小，地塊形狀也比較復(fù)雜。以遼寧鳳城市為研究區(qū)，按照不同土地利用類型，將研究區(qū)分為耕地、林地、草地、水域、建筑用地和其他6個(gè)類型。通過(guò)對(duì)研究區(qū)不同利用類型的斑塊密度(patch density，PD)、平均斑塊面積(mean patch size，MPS)、邊界密度(edge density，ED)、面積加權(quán)的平均形狀指數(shù)(area-weighted mean shape index，AWMSI)、景觀分割度(Landscape Division Index，DIVISION)、破碎化指數(shù)(FS)等景觀指數(shù)綜合分析，通過(guò)運(yùn)用因子分析中的主成分分析，對(duì)土地不同利用類型的細(xì)碎化水平進(jìn)行分析，為山水林田湖草沙綜合治理提供依據(jù)，為土地的適宜性利用提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)處理

1.1 鳳城地區(qū)的基本情況

鳳城市位于遼東半島東部，地近黃海北岸，E123°32′～124°32′，N40°02′～41°06′。東鄰寬甸滿族自治縣，西與遼陽(yáng)縣、岫巖滿族自治縣相連，南與丹東市振安區(qū)和東港市接壤，北靠本溪滿族自治縣，全市總面積5513km2。鳳城屬遼東低山丘陵地貌類型，地貌特征為“八山半水一分田”。北部為海拔1000m以上的山地侵蝕構(gòu)造地形；中部為低山丘陵，地貌構(gòu)造向南至黃海沿岸呈階段狀依次降低，逐漸變?yōu)榈颓穑纬蓪掃_(dá)數(shù)十公里的波動(dòng)起伏的帶狀平原。土地利用以林地為主，耕地以坡耕居多。總?cè)丝诩s59萬(wàn)，所轄20個(gè)鎮(zhèn)(區(qū))、1個(gè)鄉(xiāng)、201個(gè)行政村、12萬(wàn)農(nóng)戶。

1.2 數(shù)據(jù)獲得與處理

選取2019年鳳城市30m土地利用數(shù)據(jù)。大多數(shù)研究首先在Arcgis軟件中，將提取出的耕地shape數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)的形式，采用Fragstats 4.2軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，計(jì)算得到細(xì)碎化相關(guān)的各種景觀指數(shù)[16]，但在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)時(shí)，有些學(xué)者采用10m×10m的柵格圖[15]，有些學(xué)者采用2m×2m的柵格圖[17]，越小的柵格圖更接近真實(shí)情況，但由于柵格圖為正方形，對(duì)真實(shí)的形狀存在一定的影響。在GIS軟件中，將不同土地利用shape數(shù)據(jù)提取到Excel表，通過(guò)公式進(jìn)行計(jì)算，保持原始圖形數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)更貼近實(shí)際。通過(guò)數(shù)據(jù)分析軟件計(jì)算主成分特征值及景觀指數(shù)的旋轉(zhuǎn)載荷矩陣，綜合評(píng)價(jià)不同利用類型景觀指數(shù)。

2 研究方法

2.1 景觀指數(shù)的選取

土地細(xì)碎化測(cè)度分為單維指標(biāo)、綜合指標(biāo)和景觀格局指數(shù)3類。隨著現(xiàn)代數(shù)字科技，空間科技的發(fā)展，景觀生態(tài)學(xué)得到快速發(fā)展，學(xué)者們開(kāi)始采用景觀格局指數(shù)來(lái)測(cè)度農(nóng)地細(xì)碎化[18]。景觀格局指數(shù)不僅能夠高度概括區(qū)域?qū)用婢坝^特征的信息[19]，還可以體現(xiàn)景觀信息的結(jié)構(gòu)組成和空間配置，是一種較為簡(jiǎn)單適用的定量指標(biāo)[20]。綜合以往的研究成果，選取斑塊密度(patch density，PD)、平均斑塊面積(mean patch size，MPS)、邊界密度(edge density，ED)、面積加權(quán)的平均形狀指數(shù)(area-weighted mean shape index，AWMSI)、景觀分割度(Landscape Division Index，DIVISION)、破碎化指數(shù)(FS)等景觀指數(shù)綜合分析，對(duì)研究區(qū)不同土地利用類型細(xì)碎化程度進(jìn)行景觀指數(shù)分析。

2.2 景觀指數(shù)含義及計(jì)算公式

2.2.1 景觀斑塊尺度

面積指數(shù)包括斑塊密度和平均斑塊面積。

斑塊密度(patch density，PD)是景觀分析的基本指數(shù)，單位為斑塊數(shù)/km2，表達(dá)的是某土地利用類型單位土地面積上的斑塊數(shù)量，其值越大，表明破碎化程度越高。公式：

PD=n/A

式中，n為斑塊數(shù)量；A為斑塊總面積。

平均斑塊面積(mean patch size，MPS)是最基本的空間特征，可以比較直觀地反映斑塊的破碎化程度。公式：

MPS=A/n

式中，n為斑塊數(shù)量；A為斑塊總面積。

形狀指數(shù)包括邊界密度指數(shù)和面積加權(quán)形狀指數(shù)。

邊界密度(edge density，ED)邊界密度指數(shù)是分析地塊形狀的重要指標(biāo)，邊界密度越大，表示地塊被分割的程度越高。公式：

ED=E/A

式中，E為斑塊的邊界總長(zhǎng)度；A為斑塊的總面積。

面積加權(quán)的平均形狀指數(shù)(area-weighted mean shape index，AWMSI)反映土地斑塊形狀的復(fù)雜性和規(guī)則性。當(dāng)值為1時(shí)，說(shuō)明所有的斑塊形狀為最簡(jiǎn)單的方形；該值越大，表明斑塊形狀變得更復(fù)雜，且更不規(guī)則。該指標(biāo)是反應(yīng)景觀空間格局復(fù)雜性的重要指標(biāo)之一，并對(duì)許多生態(tài)過(guò)程都有影響。如，形狀影響動(dòng)物的遷移、覓食等活動(dòng)，影響植物的種植與生產(chǎn)效率。公式：

式中，n為斑塊數(shù)量；Pi為斑塊周長(zhǎng)；ai是斑塊面積；A是斑塊總面積。

2.2.2 分布指數(shù)

景觀分割度(Landscape Division Index，DIVISION)主要是指土地類型中斑塊個(gè)體分離的程度，分離度越大，土地越分散。公式：

式中，n為斑塊數(shù)量；ai是斑塊面積；A是斑塊總面積。

破碎化指數(shù)(FS)用來(lái)量化地塊的破碎度，是地塊破碎度的直觀反映。公式：

FS=1-1/MSI

式中，MSI表示平均形狀指數(shù)；ai為斑塊面積；Pi為每地塊的周長(zhǎng)；n為斑塊總數(shù)(相同土地利用類型的斑塊總數(shù))。

2.3 主成分分析

主成分是一個(gè)向量，在低維度上概括原來(lái)的高維度數(shù)據(jù)分布，主成分分析就是通過(guò)對(duì)原始的高維度數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，篩選出原始數(shù)據(jù)中信息含量最大的維度，綜合反映較多的原始信息。目前，主成分分析廣泛應(yīng)用于時(shí)間系列預(yù)測(cè)、圖像壓縮等數(shù)據(jù)科學(xué)領(lǐng)域。雖然所選景觀指數(shù)能夠反映不同土地利用類型的景觀細(xì)碎化程度，但是之間相關(guān)性較大。通過(guò)主成分分析法，用少量的變量去體現(xiàn)更多的原始信息。

3 結(jié)果與分析

3.1 鳳城市土地利用類型分布狀況

表1 土地利用類型景觀結(jié)構(gòu)

2019年，鳳城市土地總面積5513.06hm2，其中林地面積最大，共4003.39hm2，占總面積的72.62%，其次耕地為1220.79hm2，占總面積的22.14%，其他利用類型不到6%，其他用地只有1.99hm2，占0.04%，說(shuō)明鳳城市土地利用程度很高。

3.2 細(xì)碎化景觀指標(biāo)測(cè)算分析

對(duì)研究區(qū)景觀面積指數(shù)進(jìn)行計(jì)算如表2所示，得到不同土地利用類型面積總體規(guī)模情況，斑塊密度越小，說(shuō)明該利用類型土地在規(guī)模上越細(xì)碎。由計(jì)算結(jié)果可以看出，林地的平均斑塊面積最大、斑塊密度最小，而建筑用地平均斑塊面積最小、斑塊密度最大。表明林地在規(guī)模上具有較高的成片性，與單個(gè)斑塊最大面積4003.39km2相一致；而建筑用地斑塊數(shù)量多，單位面積小，細(xì)碎化程度最大，主要受地形地貌影響，除少量平原區(qū)相對(duì)集中外，山區(qū)溝谷分散了很多居民，建筑因地形而建，形成低山丘陵特有的規(guī)律。

表2 土地利用類型面積指數(shù)

對(duì)研究區(qū)景觀形狀指數(shù)進(jìn)行計(jì)算如表3所示，得到不同土地利用類型形狀細(xì)碎化程度。由計(jì)算結(jié)果可以看出，建筑用地邊界密度指數(shù)最大，被分割的程度最大，細(xì)碎化程度最高，但面積加權(quán)形狀指數(shù)最小，越接近1越接近正方形，表明建筑用地規(guī)劃方正；林地雖然邊界密度指數(shù)最小，但面積加權(quán)形狀指數(shù)最大，進(jìn)一步說(shuō)明了林地有較好的成片性，被分割程度小，但形狀最不規(guī)則；耕地較林地分割程度大，受地形影響，形狀隨山溝山谷成各種形狀，在人工種植整理下，形狀相對(duì)林地更為規(guī)整。

表3 土地利用類型形狀指數(shù)

對(duì)研究區(qū)景觀分布指數(shù)進(jìn)行計(jì)算如表4所示，得到不同土地利用類型破碎程度及景觀分離程度。由計(jì)算結(jié)果可以看出，景觀分割度除林地較小外，其他利用類型都比較大，反映出除林地空間上集中成片，其他類型都比較分散。

表4 土地利用類型分布指數(shù)

3.3 土地細(xì)碎化景觀指數(shù)的因子分析

對(duì)選擇的土地細(xì)碎化景觀指數(shù)在數(shù)據(jù)處理軟件中進(jìn)行計(jì)算，全部景觀指數(shù)進(jìn)行降維分析，旋轉(zhuǎn)選用最大方差法，分析獲得結(jié)果見(jiàn)表5和表6。

表5 主成分分析結(jié)果

表6 旋轉(zhuǎn)載荷矩陣

從表5分析結(jié)果得出，土地細(xì)碎化景觀指數(shù)的第1、第2主成分的特征值為4.539和2.089，累加變異系數(shù)為94.693%，大于85%，可選第1和第2主成分來(lái)量化分析鳳城市不同土地利用類型景觀細(xì)碎化程度。由景觀指數(shù)旋轉(zhuǎn)載荷矩陣分析可知，在第1主成分中載荷值較大的為MPS、ED、AWMSI、DIVISION，這4個(gè)景觀指數(shù)的特征可以由第1主成分反映出來(lái)。其中，MPS、AWMSI第1主成分的相關(guān)系數(shù)為負(fù)值，表明為負(fù)相關(guān)關(guān)系，即平均斑塊面積越大，斑塊形狀越復(fù)雜，越不規(guī)則，第1主成分值反而越小。而ED和DIVISION第1主成分的相關(guān)系數(shù)為正，表明為正相關(guān)關(guān)系，即邊界密度越大、分離度越大，第1主成分值就越高；在第2主成分中載荷值較大的為PD、MSI、FS，這3個(gè)景觀指數(shù)的特征可以由第2主成分反映出來(lái)。其中，MSI、FS第2主成分的相關(guān)系數(shù)為正值，即地塊破碎程度越大，第2主成分就越大；PD第2主成分的相關(guān)系數(shù)為負(fù)值，即斑塊密度越大，第2主成分反而越小。

通過(guò)主成分計(jì)算分析，第1、第2主成分能較好地體現(xiàn)本研究所選的各項(xiàng)景觀指數(shù)特征，可以用來(lái)替代原景觀指數(shù)信息，用表6中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)分別除以表5中相對(duì)應(yīng)的特征值的平方根，得出各個(gè)景觀指數(shù)的系數(shù)值，計(jì)算公式：

F1=-0.468MPS+0.230PD+0.430ED-0.344AWMSI+0.013MSI-0.042FS+0.452DIVISION

F2=-0.007MPS-0.570PD-0.172ED+0.421AWMSI+684MSI+0.687FS-0.053DIVISION

由于從5個(gè)主成分中選取的2個(gè)，要以這2個(gè)因子的變異系數(shù)與被解釋的總和之比為權(quán)重，分別算出每個(gè)主成分的比重，得到綜合主成分F，公式：

F=0.685F1+0.315F2

表7 不同土地利用類型主成分值

從分析結(jié)果可以看出，建筑用地第1主成分值相對(duì)較大，表明這2種景觀邊界密度和分離度較大，而林地為負(fù)值，表明林地邊界密度和分離度小于平均水平，林地平均斑塊面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他利用類型土地。建筑用地第2主成分值相對(duì)較大，表明建筑用地的破碎程度和斑塊密度較大。林地的綜合主成分值最小，為-6.907，說(shuō)明林地的細(xì)碎化綜合水平最低，空間分布最集中，與實(shí)際情況吻合；建筑用地和其他用地空間分布最分散。綜合分析能夠較好地評(píng)價(jià)不同土地利用類型景觀細(xì)碎化的真實(shí)情況。

4 結(jié)論

基于景觀指數(shù)量化分析鳳城市不同土地利用類型景觀細(xì)碎化水平，選擇7個(gè)能反映土地細(xì)碎化的景觀指數(shù)，通過(guò)主成分分析法得出2個(gè)主成分指標(biāo)，更直接地反映土地景觀細(xì)碎化水平。研究結(jié)論如下。

受地形地貌及氣候影響，鳳城以低山丘陵為主，土地利用類型以林地為主，其次為耕地。建筑用地邊界密度指數(shù)最大，被分割的程度最大，細(xì)碎化程度最高，但斑塊形狀比較規(guī)整；而林地雖然邊界密度指數(shù)最小，面積加權(quán)形狀指數(shù)最大，進(jìn)一步說(shuō)明了林地有較好的成片性，被分割程度小，但形狀最不規(guī)則；耕地較林地分割程度大，受地形影響，形狀隨山溝山谷成各種形狀，在人工種植整理下，形狀相對(duì)林地更為規(guī)整。

通過(guò)主成分計(jì)算，在第1主成分中載荷值較大的為MPS、ED、AWMSI、DIVISION，在第2主成分中載荷值較大的為PD、MSI、FS，選擇的景觀指數(shù)可以綜合反映土地的面積、形狀和分布特征。根據(jù)第1和第2主成分的計(jì)算公式，加權(quán)綜合為綜合值公式，綜合分析不同利用類型的土地細(xì)碎化程度，林地的綜合值比較小，表明林地空間分布集中，細(xì)碎化程度低；而建筑用地綜合值較大，表明細(xì)碎化嚴(yán)重。

本研究以鳳城市為例，對(duì)不同土地利用類型景觀細(xì)碎化水平進(jìn)行綜合分析。受多重因素影響，土地利用在空間分布上比較復(fù)雜，尤其是低山丘陵區(qū)，地勢(shì)起伏大，土地起伏不平，導(dǎo)致平原區(qū)少，土地利用不能連續(xù)成片，各種利用類型破碎化水平高。當(dāng)前，提倡山水林田湖草沙統(tǒng)一規(guī)劃、綜合治理，要求摸清不同土地利用類型的數(shù)量、規(guī)模、細(xì)碎化程度等，為宜則情況提出合理建議。