（生态学专业论文）江苏省19802000（三期）景观格局变化研究.pdf

摘要 本丈在地理信息系统技术( g i s 技术) 和相应的数学模型的支持下， 结合研究区域的特点，针对江苏省1980 年、19 95 年和20 0 0 年的遥感t m 图像 资料进行了景观格局变化的研究将土地利用变化研究的理论与方法和景 观生态学研究的实践相结合。在新模型的支持下对景观多样性的分析做了 积极的尝试，通过景现指数的系统分析，揭示了我省全区域景观格局 1 9 8 0 - 20 0 0 年问的变化状况，为区域的可持续发展提供一些决策信息。共 分为六章： 第一章绪论为论文选题意义、区域景观格局的研究方法及论文整体的 研究思路及结构。 第二章介绍了全省的区域概况及基于g i s 技术的景观生态类型图的编 制过程。 第三章从理论上分析了本文量化景观多样性的数学模型的科学性和 景观格局指标的选取过程。 第四章对江苏省近二十年间景观变化特征进行分析，指出三个时期的 景观格局变化特点及各类景观斑决的分布特征。 第五章利用马氏模型对近期内江苏省景观格局的变化趋势进行预 浸q 。 第六章为结论 结果表明： 耕地为江苏省的景观基底，各种景观类型的景观格局指数变化存在较 明显的差异，平均斑块面积的逐年降低，表明景观格局逐渐破碎化的特征 江苏省景观格局变化的幅度与强度具有明显的时空分异特征。耕地、林 地及草地面积减少主要流向为建设用地和水域。人口增长与景观变化的 有一定的关系。政府的各种管理措施与政策影响区域景观的变化。江苏 省整体的景观格局状况处于相对稳定的状态，总体来说自然地类减少， 建造用地面积增加。 关键词：江苏省；景观格局；景观指数：模型 s t u d yl a n d s c a p e p a t t e r no fj i a n g s up r o v i n c ef r o m 1 9 8 0t o2 0 0 0 a b s t r a c t b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es t u d ya r e a ，t h ea u t h o ra p p l i e sg i s t e c h n o l o g ya n dm a t h e m a t i c a lm o d e lt o t h es t u d yl a n d s c a p ep a t t e r no fj i a n g s u p r o v i n c eu s i n g t h et mi m a g e so ft h ey e a r19 8 0 ，19 9 5 a n d2 0 0 0 t h i sp a p e rt r yt ou s e an e wl a n d s c a p ed i v e r s i t ym o d e la n di n t e g r a t i n gl a n du s ec h a n g em e t h o da n d l a n d s c a p ee c o l o g yp r a c t i c e ，t h el a n d s c a p ei n d i c e so fc l a s sl e v e la n dl a n d s c a p el e v e l a r e a n a l y z e d t h er e s u l t o f l a n d s c a p ep a t t e r n i nj i a n g s up r o v i n c ec h a n g ef r o m 19 8 0 2 0 0 0 y e a rp r o v i d es c i e n t i f i cb a s i sf o rs u s t a i n a b l ee c o n o m yd e v e l o p m e n t t h i s p a p e rc o n s i s t so f6p a r t s p a r t1 ：i n t r o d u c em e a n i n go ft h er e s e a r c ha n dt h em e t h o do fr e g i o nl a n d s c a p e p a t t e r na n ds h o wt h ep a p e rf r a g m e n t p a r t2 ：i n t r o d u c e st h eg e n e r a ls i t u a t i o no fd i f f e r e n td i s t r i c t si nt h ep r o v i n c ea n d t h ep r o c e s so fd r a w i n ge c o l o g i c a ll a n d s c a p ep a t t e r np i c t u r e s p a r t3 ：a n a l y z e sm a t h e m a t i c sm o d e la n ds e l e c tl a n d s c a p ep a t t e r ni n d e xi nt h e r e s e a r c h p a r t 4 ：l a n d s c a p ep a t t e r na n dc h a n g ej i a n g s up r o v i n c ei nt h ep a s t2 0y e a r sa r e a n a l y z e d p a r t 5 ：c a l c u l a t et h ec h a n g eo fl a n d s c a p ef o rm a n yy e a r sw i t hm a t h e m a t i c s m o d e l p a r t 6i st h ec o n c l u s j o n t h er e s u l ts h o wt h a t ：f a r m l a n dp a t t e r ni sm a t r i xo fs t u d ya r e a t h e r ea r ea f e wd i f f e r e n c ei nl a n d s c a p ei n d i c e s ；t h ef a r m l a n d ，g r a s s l a n da n df o r e s t l a n dd e c r e a s e c o n s t r u c t i o nl a n da n dw a t e rl a n di n c r e a s e ； f a r m l a n d 、f o r e s t l a n da n dg r a s s l a n d t r a n s f o r mc o n s t r u c t i o nl a n da n dw a t e rl a n d ，u r b a n i z a t i o na n ds o i le r o s i o ne f f e c t l a n d s c a p ep a t t e r n ；t h el a n d s c a p ep a t t e r nc h a n g e h a v er e l e v a n c ew i t hh u m a n a c t i v i t y ；g o v e r n m e n td e p a r t m e n t s u s em a n a g e m e n tp o l i c ye f f e c tl a n d s c a p e p a t t e r n ；l a n d s c a p ep a t t e r ni ss t e a d y f a r m l a n dp a t t e r nc o n t i n u ed e c r e a s i n g ， c o n s t r u c t i o nl a n ds t i l li n c r e a s i n g k e y w o r d ：j i a n g s up r o v i n c e ；l a n d s c a p ep a t t e r n ；l a n d s c a p ei n d i c e s ；m o d e l 致谢 转眼，三年的硕士研究生学习阶段已接近 谢我的导师宋丁全教授给我的悉心指导和关怀 严谨，明锐的学术眼光令我受益终身。 在论文的成稿过程中，导师虽工作繁忙， 指导论文，并仔细加以批改，提纲的拟订直到 y 9 0 6 4 4 5 尾声。在这三年中，我要感 。导师知识渊博，逻辑思维 但总不忘挤出时间来给学生 具体的每一章、每一节，都 是在导师的悉心指导下完成，导师多次强调数学模型与计算机软件结合应 用于研究生态问题的广阔前景，给了我很大的激励。 中国科学院地理科学与资源研究所的岳天祥研究员为论文提供研究 数据，并多次指点，谨向他致以崇高的敬意和诚挚的感谢! 特别感谢我的挚友林杰博士， 地为我提供论丈需要的各种资料， 在整个论文成稿的过程中，她不但慷慨 还在具体工作中给予我耐心的指导。可 以说，没有她的热心帮助，我的论文就不可能顺利完成。同时，我还要感 谢我的朋友及家人，感谢他们三年来对我的学业自始至终的理解、支持= 和 帮助，使我能够顺利完成了这篇毕业论文。 沈竞 二零零六年四月 第一章绪论 景观生态学是地理学、生态学及系统论、控制论等多学科交叉、渗透 而形成的一门新的综合学科。它研究由不同生态系统组成的景观的空间结 构、相互作用、功能和动态变化，研究景观和区域尺度的资源、环境经营 管理，以及人类活动对景观及其组分的影响等问题。景观结构、功能及其 动态是景观生态学研究中的三大核心问题。结构影响功能，功能的改变最 终将从结构的变化中反映出来。因此，作为景观结构研究的重要内容一景 观格局研究，它的重要性是显然的。景观格局和生态过程的相互关系是景 观生态学研究的主要内容。随着人口急居u 增长、人类活动对自然环境的影 响日趋显著，土地利用变化导致景观格局的改变。如何协调区域生态环境 与社会经济发展之间的矛盾，实现区域生态环境与社会经济的可持续发 展，已成为急需解决的重要科学问题。特别像江苏省这样的经济、人口大 省，关于它的景观格局研究就显得尤为重要。 1 1 景观生态学与区域可持续发展 c a r lt r o l l ( 德) 提出景观生态( l a n d s c a p ee c o l o g y ) 一词以来， 景观生态学以其多学科交叉性、综合整体性、宏观区域性和与人类活动 密切相关性等学科特点，在2 0 世纪8 0 年代得以迅猛发展，并逐渐成为 世界上资源、环境、生态方面研究的一个热点，其作用被越来越多的研 究者所认识和强调“1 。现代生态学奠基人e p o d u m 在他的基础生态 学”，中指出，应把景观生态和土地合理布局利用作为解决经济发展与 生态维护问几乎是不可调和的根本性矛盾主要的可能出路。自2 0 世纪 9 0 年代以来，区域生态问题被关注，景观生态学以其实用性强的优势， 为区域的生态环境与社会经济可持续发展提供有力的科学依据，在研究 可持续发展方面显示出重大价值。 首先，景观生态学的研究十分注重人类活动对景观格局及其过程的 影响”3 ，人类与自然生物共生控制理论是景观生态学重要指导思想，这 与可持续发展的思想是一致。其次，景观类别有明显的边界和共同的生 态过程”9 1 ，景观是最适宜于进行规划和管理的空间尺度，人类活动与景 观格局和可持续发展均系息息相关，为实现可持续发展，人们要利用景 观研究的成果对现有景观进行规划与管理。再次，区域的生态过程与景 观生态理论相吻合，而且景观生态学理论体系中的景观动态与演进、景 观变化与稳定性、景观多样性、景观规划与建设以及景观生态保护等都 是区域生态环境研究中所面临的核心问题，因而景观生态学在研究区域 生态环境问题及可持续发展对策中有着广阔的应用前景。研究区域的现 实状况，经济发达地区存在的自然环境问题，可以归纳为人类活动强烈 干扰自然生态系统的过程中，自然环境体系出现不稳定波动而超出生态 安全阈值的变化，在区域上出现两种密切相联的不同景观格局变化：以 江苏省为例，一方面在沿海和沿江，农耕发达，一般形成集约化、灌溉 系统完善的农田景观和城市化景观；另一方面，在远离水源或区域西北 边地区，资源被袭夺程度的不断增加，天然生态体系破坏不断加剧，景 观由破碎化加剧。这种区域上景观类型与格局的变化，这是经济发展不 平衡性在生态环境演变上的具体表现，如何控制这种演变，并使自然生 态系统与人类生态系统实现生物共生与可持续协调是任何区域整体可持 续发展研究始终需要解决的问题。 1 2 区域景观格局分析在景观生态学研究中的意义 景观通常指一组相互作用的生态系统在空间上的镶嵌组合。不同生态 系统反映在空间上即不同类型的土地利用单元，它们以各种形状和大小镶 嵌组合，构成斑块、廊道、基底等景观要素。景观格局即指景观的空间结 构特征，包括景观组成单元的类型、数目以及空间分布与配置景观格局分 析是景观生态学基本理论研究的重要组成部分”1 ，也是景观生态评价、规 划、管理及建设等应用方向的基础。景观生态系统空间结构在很大程度上 控制其功能的特征及其发挥，影响着其中物质、能量和信息各种流的过程 及其形式“”，并对景观的性质、变化方向起着决定性作用。分析景观格局 的目的在于从看似无序的景观中发现潜在的有意义的有序或规律，并把景 观的空间特征与时间过程联系起来，研究其随时间的变化、演替和外界干 扰对景观格局的影响，从而能够更为清楚地磅究和把握景观格局与生态过 程相互作用的内在规律性，它是对整个景观认识的第一步。 在景观格局与生态过程及功能之间存在紧密联系“。格局可以影响 景观中资源和物理环境的分布形式和组合”“、物种的分布和丰度“”等多种 过程或功能，反之生态过程也会引起景观格局的变化“。景观空间格局的 形成和变化受到自然环境和人类活动的共同作用，它不仅体现自然、生物 和社会的各种生态过程在不同空间尺度上相互作用的结果，还决定各种自 然环境因子在景观空间的分布和组合，从而制约生态过程。因此，分析景 观格局的目的又可以理解是为了解产生和控制景观空间结构的因子和机 制“，比较不同的景观格局及其生态效应“，最终为景观的合理利用与规 划提供依据。景观规划者理解格局和过程之间的关系，便于预期空间规划 方案的生态后果成为可能。 关于生物多样性的研究一直是生态学的重要课题。生境破碎化对世 界范围内生物多样性是最严重的威胁之一”，生境破碎化是与景观变化 相联系的普遍过程，它使景观要素被分割成众多小斑块，对结构和功能都 产生影响。景观破碎化程度被认为是景观格局及其生态功能趋于不稳定 的标志，严重影响生物多样性和生态系统功能的发挥，是景观格局研究的 2 重要内容之。 便于制定合理的景观生态管理与保育对策。区域景观格局的动态变 化必然引起区域生态功能流动，那些景观格局是有利于提高区域生态系 统功效的良性发展或是促使区域生态系统低能化而导致环境恶化，充分 识别区域生态环境的变化趋势及其内在因素，这些对认识区域景观行为， 对区域景观进行管理有益。 1 3 景观格局国内外研究现状 在景观格局研究方面，以d a n s e r e a u 、r t t f o r m a n 、p g r i s s e r 、 m t u r n e r 等为代表的美国流派，把景观生态学研究建立在现代科学和系统 生态学基础上，形成了从景观空间结构分析、景观生态功能研究、景观动 态变化分析、一直到景观控制和管理的一整套方法。”1 。在研究景观结构 与功能方面f o r m a n 按景观元素的构型和格局特征划分了四种基本景观类 型，并同时研究了决定这些空间格局特征的因素与参数以及不同景观格局 对其生态过程的影响”1 。随着景观格局定量化方法取得新进展，对景观 格局的变化研究成为国外学者研究热点，e p o d u m 和m g t u r n e r 。3 利用美 国佐治亚洲1 9 3 5 年到1 9 8 5 年共计五十年的该州景观和资源情况的资料，对 其景观变化的研究涉及土地利用变化、景观空间格局、景观多样性以及模 拟景观格局变化四个方面，同时还研究了该州土地利用变化的生态学影响 和资源利用趋势，并根据景观格局变化研究结果提出了六点生态环境保护 建议。其研究为发展中国家的生态环境与社会经济协调发展提供经验。也 为本研究提供了思路。 近年来，在以g i s 和遥感为代表的新技术支撑下，对景观动态变化进 行大尺度生态监测和建模研究成为景观生态学的新热点。由于景观变化难 以控制和进行实验，在计算机上进行模拟研究成为研究者采用的方法，如 j f r a n k l i n 和李哈滨对美国西部森林景观空间格局所进行的计算机模拟 研究。除技术手段的改进外，动态的数学模型在景观分析中发挥作用，建 立景观空间动态模型一般有两种思路，即或是把生物反馈引入空间动态模 型，或是把空间特征引入生态学模型。 我国目前景观生态研究受北美学派的影响很大，研究主要集中于对景 观的格局、功能和动态研究上。以肖笃宁。们对沈阳西郊景观格局变化的研 究作为典范。不少论文应用了g i s 、遥感与统计分析模型等先进方法和手 段“”1 ”，其中以傅伯杰在这方面开展的工作较为突出。他在对陕北米脂 县黄土区农业景观的空间格局研究中，将g i s 和景观空间分析模型相结合， 用g i s 显示景观的空间分布，用定量模型测定景观的空问格局，取得了更 为精确的分析结果，从而能够对当地的资源优化管理提出合理建议”“。目 前我国学者对景观结构动态变化的建模研究还处于起步阶段。谢志霄，肖 笃宁在沈阳市东陵区开展了城郊景观动态模型研究，建立了三个不同的城 郊景观动态模型，得出结论认为在渗透理论、马尔柯夫过程基础上综合介 入自然因子和决策因素是建立景观动态模型的有效途径，而现实因素的介 入可以改进模拟效果”“。苏文贵和常禹对景观动态研究的模型方法作了综 述，分析了景观动态模型的特点，并对景观动态模型进行了分类，指出模 型方法已成为景观动态研究的主要技术手段，并将形成景观生态学研究的 新领域一景观建模研究”1 。 统观我国的景观生态学研究现状，从总体来看和国际水平还存在明显 差距，应用上有着广阔的发展前景。本论文是在这方面做了有益的尝试。 l ，4 区域景观格局研究方法 景观科学是一个跨学科的复合型科学，它的研究方法具有多学科的特 点。早期的景观生态学与区域地理学和植被科学十分密切，研究范围狭小， 随着科学技术的迅速发展，其研究的广度和深度的不断加强，已经形成了 一系列的空间格局分析方法和动态模拟模型。有关景观格局的研究方法在 大量文献中多有讨论，主要涉及到以下几个方面： 1 遥感与地理信息系统( g i s ) 遥感 遥感是指通过任何不接触被观测物体的手段来获取信息的过 程和方法。它为研究大尺度和跨尺度的景观现象提供可能。在大量的区域 景观研究中提供原始的土地类型和面积等景观特征的定量化数据，景观在 时间上的变化，植被动态等。2 0 世纪7 0 年代，卫星遥感技术成为获取景观 ( 土地利用) 变化信息的主要手段。目前高分辨率( 时间与空间) 的卫星遥 感技术为大范围高空间精确度的土地利用变化跟踪调查研究提供了方便， 文中的原始图像就是通过遥感影像获得的。 地理信息系统( g i s ) g i s 是一系列用来收集、存贮、提取、转换和展 示r 空间数据的计算机工具，具有强大的图形分析、空问叠加、空间统计与 制图功能为景观格局分析提供了一个强有力又较易操作的技术构架，大大 增加了对资料的存取和分析速度，有利于研究者采用模型和计算机做复杂 研究。近年来，g i s 己成为景观格局变化研究的重要手段。 2 区域景观格局分析中的主要数学模型 模型手段的普遍使用，极大地促进了景观在宏观层次的理论和应用发 展，特别是与计算机模拟相结合的数学模型，在景观生态学中占重要地位。 目前国内外在研究区域景观格局时，所常用的模型大体分为以下几 类：景观格局认识模型、景观过程模型、景观综合评价模型、景观发展预 测模型 ( 1 ) 景观格局认识模型 这是一种基于经验的定性分析模型，是建立定量分析模型的基础，如 景观变化动力模型：还有与空间统计学和地统计学有关的统计模型通过综 4 合的方法来建立景观变化与自然一一人文综合体的经验模型来认识景观 格局，为政策的制订提供据。如层次分析法模型等。 ( 2 ) 景观过程模型 此类模型反映景观的空间格局和生态学过程之间的相互作用，它的结 构很适用于与g i s 和遥感技术结合使用。主要有以下几类：以相变物理学 的渗透理论为基础的渗透模型，该模型被广泛用于景观斑块的聚集性和空 间结构；个体行为模型：该模型以生物个体为基本单位，模拟每一个体的 行为以及个体间和个体与景观之间的相互作用，它有对多层次的功能、过 程和现象解释能力：空间生态系统模型，该模型可以将生态系统过程空间 化，在不同尺度上真实体现景观功能变化，与其他景观模型相比，能更加真 实地反映现景观格局与过程的相互作用。 ( 3 ) 综合评价模型 景观格局的综合评价模型是综合评价景观格局变化产生的环境效应 的主要手段。这类模型包括：景观格局变化对环境影响评价模型，如温室 效应综合评价模型、利用区域水平模型预测森林斑块变化可能影响环境温 度，地表景观格局变化对区域水循环影响模型等。 ( 4 ) 景观发展预测模型 景观发展预测模型主要分两类，一类是研究景观格局和过程在时间和 空间上的整体动态不涉及具体的生态过程，它是一种试图将空间信息与概 率分布相结合的模型，其中最常用的是马尔柯夫链模型阳”。另一类模型 是把局部性小尺度上观测到的数据结合到领域规则之中，在通过计算机模 拟来研究在大尺度上系统的动态特征，是一种离散型数学模型。c a 模型 ( c e l l u l a ra u t o m a t i o i lm o d e l ) 即，细胞自动机模型属于此类。 3 景观格局指标的量化及其选择 景观格局分析构建有关模型后常常需要运用各种定量化的指标来进 行景观结构描述与评价，景观生态学本身有一套较成熟的景观格局测定、 描述和统计的指标体系，从定性分析向定量方法拓展。景观指标在景观生 态学中都有明确的定义，被用来指征景观空间格局与生态过程之间的定量 关系。“”1 。指标数目十分丰富。美国环境保护局( e p a ) 依据许多景观指 标的不同作用和地位把它们归类成三类：即用于流域完整性的指标，用于 景观稳定性与弹性恢复的指标和用于生物完整性与多样性的指标。其中， 蔓延度、优势度和分数维，这三个指标在景观生态学中运用最广泛啪3 。近 年来，遥感技术提供了丰富的影像数据，传统景观格局指标得以改进和发 展。f r o h n 发展了两个新指标：p p u ( p a t c h p e r u n i t ) 和s q p ( s q u a r ep i x e l ) 。 赵景柱建立了两种动态指标序列：一种是单向动态指标序列，共1 3 个，另 一种是总体动态指标序列。，它可以从总体上体现景观空间格局的自然演 替规律和人类活动开发规律。 如此多样的景观指标要用于解决实际问题，如何选择? r i t t e r s 等人 曾对5 5 个景观格局指标做过统计独立性分析，他们认为这5 5 个指标所包 含的信息可以集中到6 个指标。生态学研究时在不同空间尺度上分析或考 虑问题时需要合适的尺度分析方法目前所通用的一些指标缺少对这些的 讨论。使用时，应根据研究目的采用合适的模型和景观指标。 在讨论江苏省二十年闻的景观变化时，由于研究区域尺度相对较大， 既要关注研究区景观中斑块类型面积变化又要掌握景观中斑块类型的空 间分布情况，按随机规则和优势规则，经过筛检本文主要选择：破碎度指 数、蔓延度指数、景观多样性指数等。 4 景观多样性指数模型在区域景观格局分析中的作用 景观多样性是指景观格局、功能和时间变化方面的多样性，是景观水 平上生物组成多样化的程度的表征，其指数越高，景观结构组成成分越复 杂。大尺度上的景观多样性构成了其他层次生物多样性的背景，制约着其 他层次生物多样性的时空格局及其变化过程。社会与环境在时空上是相互 联系的，景观多样性是受自然环境的限制和人类活动的干预而发生变化 是区域景观变化的最集中表现。景观组成格局多样性测度在总体上包含了 物种多样性测度。 选用合适的模型是景观量化的第步，在研究时既要注意可以借鉴生 物多样性计量中一些既成模型，又要注意两者的区别，抓住景观分析的特 点。 1 5 景观驱动因子的分类 区域景观变化研究的主要内容是把握土地利用系统变化的“信息”及 格局变化的普适性与特殊性规律、通过现代技术手段加上归纳与演绎方 法，探讨区域景观变化的原因、驱动因素因子内部作用机制、分析景观变 化的内在根源、预测系统未来的时空变化方向，为合理利用和管理景观提 供科学依据。但是区域景观变化是一个十分复杂的过程。景观分布格局及 引发的原因之间存在着复杂关系”“。 景观变化是受多种因子的影响，导致区域景观变化的驱动因素很多 “”，总体来说，分为以下几类： ( 1 ) 按照驱动因素对系统作用的行为方式划分 区域景观变化的驱动因素可分为推力、拉力和约束力三种力量的相互 作用。推力主要是体现微观层次上农业生产者的主观意愿，从自身的利益 角度出发。决定土地利用的生产方式与生产强度：拉力主要为城市发展对 土地的需求量的增长：约束力主要表现为政府从区域环境综合治理角度所 进行的宏观干预。 ( 2 ) 按照系统景观变化与驱动因素的关系划分 可分为直接驱动因素与间接驱动因素“。直接因素包括：对景观类型 的需求、对景观的投入、城市化程度、土地利用集约化程度、土地权属、 6 土地利用政策及对土地资源的保护态度，间接因素则包括六个方面：人口 变化、技术发展、经济增长、政治与经济政策、富裕程度和价值取向，这 些间接因素通过直接因素而起作用。 ( 3 ) 按照研究尺度划分 由于区域景观系统具有层次性，土地利用研究具有尺度范畴。不同层 次与不同尺度的景观变化特征，产生变化的原因不同，因而驱动力在不同 研究尺度上的特征也不一。据此，可划分为全球尺度驱动因子、区域尺度 驱动因子、局地尺度驱动因子、地块微观尺度驱动因子等类型。其中的全 球尺度驱动力，主要是指产生全球范围的景观变化的主导因子，如全球气 候变暖、全球人口增长、科技重大创新与重大进步等因子导致景观的变化， 迸一步影响到全球尺度的相关问题的变化。 ( 4 ) 按照驱动因子与环境的关系划分 动力学研究应从研究时空尺度、研究对象的层次两方面进行综合分 析，区分出动力学的环境因子、正驱动因子、负驱动因子。研究对象变化 的支撑环境背景称为环境因子。促进系统变化的因子称为正驱动因子：将 对系统产生阻碍变化的因子称为负驱动因子： ( 5 ) 按照驱动因子层次结构划分 可分为自然驱动因子与入文驱动因子。自然驱动因子通常是指景观变 化过程中的背景环境，对景观变化起加速或约束作用。当景观系统与背景 环境相协调一致时，将促进景观系统的演变与发展：当系统变化与背景环 境状况相抵触时，环境条件将起着约束作用。如果环境因子发生变化必将 进一步影响景观系统；但是从研究的时间尺度而言，自然驱动因子的变化 速度相对较缓慢，变化的幅度较小。 在驱动因子的选择上本文来采用第二种分类方法来研究江苏省近二 十年的景观变化最为合适。 1 6 研究思路及论文结构 江苏省平原面积比率之高，水面面积比率之大，低山丘陵岗地面积比 率之小，在全国各省、自治区中均居首位。由于其得天独厚得自然资源， 经济与人口密度均居全国前列。经济发达地区的生态环境演变，将很好 地反映在景观的变化上。所以，本研究以江苏省为研究单元，采用景观 生态学的理论和方法研究区域的生态环境变化，可为区域的可持续发展 提供一定的科学依据。本文在景观生态原理的基础上，结合数学模型， 借助g i s 的空间分析功能、计算机软件的帮助下和三期景观专题图，探 讨区域随时闻变化的景观差异，并结合景观生态学理论和区域统计年鉴 给出变化的驱动机制及其影响因子。最后，利用马尔柯夫转移矩阵给出 景观变化状况的预测。 研究路线如图卜1 所示： 7 图卜1 论文整体思路 第二章研究区域三期景现生态类型图的编制 2 1 研究区域( 江苏省) 概况 自然环境概况： 汇苏省地处长江下游，东邻黄海，北纬3 0 。4 6 n 一3 5 。0 2 7 n ，东经 1 1 6 。2 2 e 1 2 1 。5 5 e 。全省总面积约1 0 2 6 万平方公里，占全国总面积 的1 0 6 ，海岸线长9 5 4 公里。 全省地势平坦，其中平原面积7 0 6 万平方公里，是我国地势最低平 的省区，平原面积约占8 5 ，由黄淮平原、江淮平原、滨海平原和长江 三角洲组成。低山丘陵占5 ，大多为邻省山脉的延伸。东北部低山丘陵 是山东山地的南延部分，主要有云台山、锦屏山、吴山、夹山、马陵山 等组成。南部低山丘陵分布最为集中，主要有宁镇山脉、茅山、老山、 宜漂山地等，其中宜漂山地是天日山向东北延伸部分，属天目山余脉。 省内低山丘陵的山势低缓，海拔多在2 0 0 3 0 0 米之间，最高峰海拔6 2 5 米，位于苏北云台山，第二峰黄塔顶海拔高度为6 1 1 米，位于宜溧山地。 在低山丘陵的坡麓和山间谷地，还有占全省总面积1 0 的丘陵岗地，有 石质性岗地和黄土性岗地之分。水面面积1 7 3 万平方公里，长江横贯全 省，淮河经由本省出海，境内河流纵横，大小湖泊2 9 0 多个。省内自然 土壤的地带性分布与气候、自然植被的分布有较大的一致性。受水文地 貌的影响，平原的湖滨低地常为沼泽地；沿江的冲积平原大多为草甸土； 滨海平原受海水的浸渍形成盐土；黄淮平原地势相对低洼的地方，由于 地下水位高或地下水富含盐分，加之蒸发旺盛，往往形成碱土。 江苏省处于亚热带向暖温带过渡地带，为典型季风特征。全省年平均 气温介于1 3 。c 至1 6 。c 之间，冬季( 一月) 全省平均气温一1 5 。c 至3 5 。c 之间， 夏季( 七月) 平均气温2 6 5 。c 至3 0 。c 。全省年平均无霜期2 0 0 2 l o 天。以淮 河与苏北灌溉总渠一线为界。南部为亚热带湿润季风气候，北部属暖温带 半湿润季风气候，在亚热带湿润季风气候带内，以镇江一扬州线为界， 分为长江下游平原丘陵亚区和长江三角洲亚区。江苏各地年降水量在 8 0 0 m m 一1 2 0 0 m m 之间，降水变化趋势大致是由南向北依次递减。年降水量的 季节分配差别明显，夏季降水量较为集中，约占全年降水量的4 0 一5 0 。 春季降水量也较多，南部春季降水量占年降水量的2 5 ，而北部春季降水 量占年降水量的1 5 。南北气候上的明显分异，直接导致农业生产环境的 差异，形成了江苏省内苏南、苏中、苏北的分异格局。行政区划上将江苏 省分为苏南地区( 苏州市、无锡市、常州市) 、苏中地区( 南京市、镇江市、 扬州市、泰州市、南通市) 、苏北地区( 徐州市、淮阴市、连云港市、盐城 市、宿迁市) 。 9 一个地区景观类型的组成及其数量特征是直接受自然因素影响的。从 江苏省的自然现状分析来看，江苏省农业生产集约化水平高，农业生产状 况在全国占有重要的地位的事实是自然因素作用的结果。 非自然状况： 现辖1 3 地级市、2 7 县级市、2 7 县、5 2 市辖区。江苏省主体部分是长江 经济带的核心区域之一，江苏省同时也是我国农业最发达的省区之一， 1 9 9 9 年全省粮食和大豆产量占全国总产量的7 o ，2 0 0 0 年全省粮食产量占 全国总产量的6 4 。人口7 4 3 8 万，是我国人口密集的省份，约是全国均值 的五倍。1 9 9 9 年全省g d p 产值占全国的9 4 ，而2 0 0 2 年全省g d p 产值占全国 的比重增至1 0 4 ：单位面积的经济贡献率则从1 9 9 9 年为全国的8 7 9 倍增 至2 0 0 2 年的9 7 倍。因此，虽然全省农业生产在全国的地位逐步下降，但 全省的经济发展在全国仍占有举足轻重的地位。江苏省人均耕地面积少， 在社会经济快速发展，耕地减少的趋势更加明显。从经济发展水平和城市 分布地区差异看，江苏目前有3 种城市化类型。 ( 1 ) 沪宁城市带，包括南京市、镇江市、苏州市、无锡市、常州市， 以沪宁铁路和高速公路为轴线。苏南城市化水平、经济水平在全国都名 列前茅，今后发展目标是发展成为世界级城市带。 ( 2 ) 长江以北的沿江地区，是城镇密集区雏形，包括南通市全部、扬州 市和泰州市大部分( 不含高邮、宝应、兴化) 以及南京的六合、江浦两县。 今后这一区域以众多的人口、城镇为基础，依托即将建成的高速公路和铁 路，形成城镇密集区。 ( 3 ) 苏北的徐州市、淮阴市、盐城市、连云港市、宿迁市以及扬州市 的宝应、高邮、泰州市的兴化，为城镇点轴带。城市化水平和经济发展水 平全省最低。今后依托铁路、高等级公路干线，形成据点式大中城市和轴 线带城镇相结合的点轴带城市空间布局结构。 2 2 基于g i s 技术的景观数据处理方法 在景观生态学研究中，地理信息系统( g e o g r a p h y i n f o r m a t i o n s y s t e m ，g i s ) 是最重要的研究工具，所谓地理信息就是表征地理圈或地 理环境固有要素或物质的数量、质量、分布特征、联系和规律的数字、文 字、图像和图形的总称”“。 景观表现出地理信息的三个主要特征：( 1 ) 位置的识别与数据联系在 一起，这种定位特征是区别于其它类型信息的一个重要标志。( 2 ) 在空闯 的基础上可阻表现多种专题信息的层次结构，不同专题相互关联，构成空 间信息的整体。如立地质量、森林资源类型和效益、森林火灾。( 3 ) 明显 的时序特征景观的各种特征在空间尺度上随着时间的变化而变化，要把 握其内在的规律性和它的功能特点，必须首先对景观的这种区域性的，多 层次的和动态变化的特征进行研究和掌握，只有这样才能实现综合分析、 1 0 管理、规划和决策的目的。而地理信息系统作为景观信息管理的工具可以 体现出其强大的优势。g i s 在计算机软硬件的支持下，可以把景观信息( 地 形图、土坡图、植被等各种专业图件相应的数据资料以及各种文字资料) 进行贮存、编辑，可以有效地管理各种空间数据、属性数据，克服了传统 的数据误差大、效率低、精度不高等缺点，可以方便地进行查询、叠加、 维护、更新、制图，可以实现别的软件无法作到的地理意义的景观数据计 算机化，能够做到快速，自动，高精度地测算出各种景观要素的空间信息 从而为综合的多层次的系统分析奠定了基础，也为各种数学模型的应用提 供了可能”。所以在景观生态研究中具有重要的意义。 目前对数据处理大多采用矢量形式，即用扫描或手扶数字化进行地图 的矢量化，将具有地理属性的景观要素按点线面的方式送入计算机，编辑 并与相应的属性库联接，合理的组织景观要素的图层控制，在s q i 或g s q i 语言的支持下可进行各种属性的查询、检索，并且可抽提其中所需要的信 息进行专题图的输出。在一定的专家系统支持下可进行景观格局分析、景 观的动态管理。g i s 即对真实景观的描述过程，进行数据的抽象化，即将 真实景观转换为计算机存储的数字信号，一般把描述真实景观的各种专题 图件数据资料贮存到计算机中，建立静态景观模型景观”。在以上的数 据基础上按照一定的数学方法，对信息进行分析运算，并根据要解决的问 题采用一定的数学模型进行加工和再生成，最终以图形的方式输入结果， 在系统支持下，运用模型进行摸拟，以预测某个过程的发展趋势，即建立 动态景观模型”1 。 2 3 江苏省三个时期的景观生态类型图的生成 景观生态类型图是根据景观生态分类的原则，综合表现景观生态各要 素之间相互关系，并通过各类景观生态单元的区域组合，反映其空间分布 特征的种专题地图”。马克耶夫( 苏) 在进行景观学研究时就曾指出， 景观生态图是景观研究的一种基础。因而说明景观生态图是进行种景观生 态分析与研究的前提。景观生态制图实质上是用景观生态学观点对土地进 行分类制图。制图者依据研究区自然条件的不同以及调查方法和研究目的 的差异，来制定不同的景观分类原则和设计景观制图。在景观制图过程中 须根据景观生态学原理，坚持综合性原则，发生统一原则和主导因素原则。 遥感技术的兴起，使我们能够迅速获得各种时空尺度上的影像数据，这些 数据与功能强大的g i s 软件紧密结合，可以快速制作出更为准确、美观和 满足不同景观生态研究目的的各种景观生态专题图，从而使我们摆脱了野 外调查这种繁重而粗糙的传统方法来编制景观生态图，逐渐形成新的现代 景观制图方法“。 本论文从采集景观数据开始到最终获得满足f r a g s t a t s 软件运行要 求的文件格式的每一步操作，无一不是贯穿于g i s 的各种平台和软件之中。 如：在a r c v i e w 平台上对三个时期的土地利用图数字化并迸行空间坐标转 换和几何纠正；在a r c v i e w 3 3 平台上利用其多种扩展模块p a t c ha n a l y s t 和s p a t i a la n a l y s t 等建立景观类型的各种属性数据库，进行制图综合并 输出各时期景观生态图；并将景观图转化为满足f r a g s t a t s 要求的图像文 件格式从而计算出各种景观结构指标结果。 本文所使用的数据集来自中国资源环境数据库，主要有江苏省2 0 世纪 末三期( 1 9 8 0 ，1 9 9 5 ，2 0 0 0 ) 土地利用的1 ：1 0 万的土地利用数据、全省 生态背景数据( 如地形地貌) 以及全省分县行政界限数据等。土地利用数据 是通过对遥感t m 图像进行人工目视解译得到的。判读前首先进行t m 图像的 几何纠正与辐射纠正，而后进行图像的镶嵌、整饰，得到9 0 个分块的图像。 判读过程中，充分利用了地形地貌图等辅助数据，并进行了实地勘察。根据 中国土地利用现状调查技术规程和土地的用途、经营特点、利用方式 和覆盏特征等因素作为土地利用的分类依据，区分差异性，归纳共同性，从 高级到低级逐级划分，将土地利用类型分耕地、林地、草地、水域、城乡 工矿居民用地和未利用土地共6 个一级类型和2 6 个二级类型，包括水田、 早地：有林地，灌木地，疏林地，其它林地：高覆盖度草地，中覆盖度草地，低 覆盖度草地：河渠，湖泊，水库坑塘，永久性冰川雪地，滩涂，滩地：城镇用地， 农村居民点。其他建设用地：沙地，戈壁，盐碱地，沼泽地，裸土地，裸岩石砾 地，其他等。以上土地利用数据与行政界限数据均被统一到统一的坐标系 和投影下。所采用的投影为等面积割圆锥投影，并采用中国统一的中央经 线和双标准纬线，中央经线为东经1 0 54 ，双标准纬线分别为北纬2 5 。和北 纬4 7 。，所采用的椭球k r a s o v s k y 椭球体。就拥有了一个可在a r c v i e w 软件 环境下可操作的三期分块土地利用数据源，再对这些分幅图形进行拼接均 被的g r i d 数据。这样，就全省的可被操作的分期地图数据源。 根据研究区域的大小相对比较广( 全江苏省) ，为讨论景观变化时计 算景观指标的科学性和可操作性，并结合研究区域的实际地理情况( 地形 情况相对不复杂) ，对二级地类进行了合并，统一只研究六类景观类型的 指标变化，代码所代表的内容( 见附录1 ) 。这样，利用g i s 软件a r c v i e w3 3 对给土地单元图斑赋新的属性，已拼好的江苏省土地利用图中的景观图斑 块进行合拼在p a t c ha n a l a s y 模块下合并属性一致的图斑，根据新的属性 制图，制作成景观专题图，并运行s p a t i a la n a l a s y 模块将其转换成统一 栅格化成3 0 m 3 0 m g r i d 的格式输出，以备使用。 图2 - 1 景观生态类型图生成过程图 图2 2 江苏省1 9 8 0 年景观生态类型图 图2 3 江苏省1 9 9 5 年景观生态类型圈 4 图2 4 江苏省2 0 0 0 年景观生态类型图 2 4 小结 本章在综合分析所提供的江苏省三期遥感t m 图像的基础上，首先对分 块的遥感影像进行降噪等预处理，再利用配准好的地形图对其进行几何精 校正，然后，针对应用的目的对遥感图像进行处理，以提高图像的信息处 理能力，选定入库要素后，对图像做矢量跟踪编辑修改生成拓扑关系，进 行拓扑校正，并循环调整，通过坐标转换得到分幅图像，再在a r c w l e w 软 件中对其进行拼接，通过空间统计分析后，输出矢量化的景观生态专题图， 对图像中的二级地类斑块进行合并，便于对景观变化的预测研究，同时， 将矢量格式的景观图用a r c w l e w 软件中工具转化为栅格格式的景观专题图 以便分析景观格局指数的变化状况。 第三章量化景观格局变化的模型和指标 3 1 选用指数的依据和各自的生态意义 本论文的研究目标是从宏观尺度上分析江苏省的景观格局及其变化。 由于整个区域尺度较宽，并且缺少斑块核心面积和边缘带宽的实测数据， 因而不适合计算边缘指标和核心面积指标以及一部分邻近度指标。 r i t t e r s 等人曾对5 5 个景观格局指标做过统计独立性分析，他们认为这 5 5 个指标所包含的信息可以集中到6 个指标。这6 个指标是：优势度、 蔓延度、基于周长面积比的分数维、破碎度、面积加权的平均形状和斑块 类型数。考虑到指标的生态意义与它的科学性；在利用a r c v i e w 和 f r a g s t a t s 软件确保计算精度的前提下，在斑块类型级别上选用了9 个指 标，它们是：斑块类型面积、斑块所占景观面积的比例、斑块个数等；在 景观级别上选用了9 个指标，它们是：最大斑块所占景观面积的比例、多 样性指数、破碎度指数、蔓延度指数等。在斑块和景观级别上，有些指标 是度量景观组分的，有些是度量景观空间格局的。由于组分和格局都能够 独立和相互地影响并作用于生态过程，因而了解这些指标的内涵是十分重 要的，这也是分析江苏省区域景观格局的前提与基础。 公式中使用的符号说明： i ，k = l ，m ：斑块类型；j = i ，n ：斑块数目： s = 1 ，n ：给定距离内的斑块数日。 a ：总的景观面积( k m 2 )a l