基于GIS的会泽县土地景观格局动态变化分析

基于(IS的会泽县」地景观格局动态变化分析摘要：会泽县作为长江中上游金沙江流域城市代表，其土地利用景观格局变化对区域生态保护和社会发展具有重要意义。选择会泽县2006年和2020年林地利用矢量数据作为基础，利用Arcgis.Envi和Fragsats软件分析了该地区2006~2020年间土地景观格局动态变化特征。结果表明2006〜2020年间，从景观类型变化上看，有林地、建设用地和水域面积增多，农地、宜林地、草地面积减少；建设地、灌木林、宜林地斑块变化速度较快，农地、林地、草地和水域相对稳定。从景观格局特征上看，景观的聚集程度、延展性和连通性减弱，分布离散性增加，将不利于生态功能和生态系统稳定性的发挥。关键词：景观格局；转移矩阵；破碎化；会泽县1引言土地利用变化反映了在自然和人为影响下，不同景观类型的数量与质量随时间的演变，以及这种变化结果会对生态环境带来的影响与反馈口」。随着对生态环境的重视，土地利用变化与景观格局变化之间的相互作用机制已成为全球环境变化研究的关键，受到国内外学者广泛关注［2」。当前学者对土地景观格局变化的研究主要采用不同时期遥感影像进行景观的动态变化分析［34］,其研究方法主要采用空间度量技术，以反映景观结构中的空间成分以及变化和增长过程的动态［56］；并采用景观指标将复杂景观量化并分类为可识别的格局，以揭示一些无法直接观察到的景观特性［78」。此外，由于形态学空间格局分析(MS-PA,MorphologicalSpatialPatternAnalysis)方法通过形状对应方式对不同斑块进行分类，能够快速、直观地识别碎片空间形态，也逐渐开始应用于景观格局相关研究中［"10］。研究集中于景观分类景观格局分析与模拟［12」、景观格局研究的尺度问题［13］,以及基于土地利用变化过程、规律及驱动因素的景观格局组成、成因及作用机制口句等方面。会泽县岩溶区面积分布广泛，是云南省石漠化较严重的县之一，加剧的土地石漠化与社会经济发展的矛盾日益突出［15］,其生态景观系统极其脆弱。但有关该区景观格局动态变化的研究还很薄弱，亟须开展相关工作，以揭示景观格局动态演变过程及其驱动机制，以补充和验证已有的研究成果。因此，以会泽县地表景观演化为研究对象，基于GIS技术与景观生态学方法，从区域景观格局时空变化着手，开展土地利用与景观格局变化分析，以期为该区景观格局优化提供科学依据。2研究区概况研究区位于云南省东北部、曲靖市西北部会泽县，东经103°03'〜103°55',北纬25°48/~27°04/,总面积5884km2,属典型的温带高原季风气候，夏无酷暑，冬季冷寒，干湿分明。平均海拔2200m以上，高原空气稀薄，辐射波短，日照时间长。年平均晴日225d,年日照2100h,年平均气温12.7笆。春季升温快，秋季降温快。境内河流均属金沙江水系，小江、牛栏江、以礼河及其41条支流纵贯会泽县，其他河流74条。该县地处滇东北高原，乌蒙山主峰地段。山高谷深，沟壑纵横。山川相间排列，山区、河谷条块分布。会泽县地势西高东低，南起北伏，由西向东呈阶梯状递减。会泽县最高峰位于大海梁子牯牛寨，海拔4017m,为曲靖市最高峰。最低处位于小江与金沙江交汇处，海拔695m,为曲靖市最低点。地貌景观主要有3种类型：以山地地貌为主，次为盆地地貌，部分为冰川地貌。会泽县是典型的石灰岩岩溶地区，由于各种历史原因，人类对环境的不合理开发利用，造成地表植被破坏、土壤流失、基岩大面积裸露，石漠化成为岩溶地区突出的生态环境问题。3研究方法3.1数据来源与处理本研究所用的土地利用类型数据来自会泽县2006年森林资源二类调查数据和2020年林地变更一张图矢量数据。参照中华人民共和国林业行业标准（LY/T1812-2009）中的林地分类，将研究区的土地景观类型划分为：有林地、灌木林、宜林荒山荒地、草地、建设用地、农地、水域及其他地类（主要为未成林地、无立木林地）等8个土地景观类型。利用Ar-Gis软件将土地利用矢量数据转化为50m分辨率的栅格数据，绘制出会泽县2006~2020年土地景观格局分布图。研究方法1土地利用转移矩阵土地利用转移矩阵是马尔科夫模型在土地变化方面的应用，可以表述为对任意两期土地类型图A"和A肯，按照地图代数方法，可以求得C,X］=X10+Aj由k时期到k+1时期的土地类型变化图Cxx.,,它表现了土地变化的类型。据此可以求得土地类型相互转化的数量关系的原始转移矩阵，然后根据原始转移矩阵求出两个时期不同土地资源类型之间的相互转化率，得到土地资源转换矩阵表［16］。运用ENVI5.1软件提供的动态检测工具中的分类后比较法分别比较两时相土地利用分类栅格数据，从而构建出土地类型转移矩阵。景观格局指数的选取景观指数高度浓缩景观格局信息，反映景观要素的数量、大小、类型、形状及其空间上的组合［17］0根据研究区景观特征，选择类型水平和景观水平上的景观指数进行景观格局动态分析。在类型和景观水平上均选取斑块数量（NP）、边缘密度（ED）、平均形状指数（SHAPE_MN）、斑块密度（PD）、蔓延度指数（CONTAG）、聚集指数（AI）、斑块结合度（COHESION）；此外，还选取分离度指数（SPLIT）、香农多样性指数（SHDI）、香农均匀度指数（SHEI）来反映区域景观多样性。4结果与分析4.1景观变化特征分析4.1.12006~2020年景观空间分布特征2006~2020年会泽县的景观分布格局总体变化不大。有林地和农地是最大的两类景观，占总面积74%,在全域呈现农林交错分布的格局。宜林荒山荒地和灌木林面积占比分别为9%和6%,主要分布在东北部牛栏江和西南部小江片区，这两处属于石漠化较为严重的区域。建设用地、水域和草地面积较小,且分布较为集中，其中建设用地主要分布在县域中上部的会泽县区、者海镇、乐业镇及马路乡等区域；水域较大面积主要为毛家村水库和跃进水库；草地在西部的小江及大海草山一带分布较多（图1）。4.1.22006~2020年景观变化特征2006~2020年会泽县各类景观均发生一定变图12006~2020年会泽县景观类型分布化。从各类斑块变化速度看，建设用地、灌木林地和宜林地变化最大，有50%以上的地块转化为其他景观；而林地、农地、草地和水域变化速度则相对较小,均超过60%的斑块未发生改变。从各类景观转化类型看，建设用地主要转化为农地和有林地；农地主要转化为有林地、建设用地；有林地主要转化为农地、宜林地；灌木林地主要转化为有林地和农地；水域主要转化为农地和有林地；宜林地主要转化为有林地和农地；草要主要转化为农地和其他地类。到2020年，建设用地、有林地、农地和水域景观面积均有所增加，而农地、宜林地和草地面积则有所减少（表1）。4.2景观格局特征分析1景观类型尺度分析2006~2020年间，会泽县各类景观格局均发生一定变化。其中，有林地斑块数量、斑块密度和边缘密度略有增加，斑块结合度增加，聚集指数减小，表明有林地景观尽管面积增加，结合度增强，但斑块碎片较多，完整性不高，依然呈现破碎化加剧变化趋势。灌木林和宜林地景观破碎化则更为明显，斑块数量增多，斑块密度和边缘密度增大，但斑块连通性、聚集度和蔓延性均下降。草地斑块数量、斑块密度均减小,斑块形状复杂度和蔓延性降低，但聚集度增加，表明随着草地边缘逐渐蚕食，一些零散小片草地消失，使得草地景观整体呈现虽然面积减少，但是剩余斑块更聚集、完整性反而提高。农地景观指数表明农地景观虽然面积减少，但斑块数量增加，蔓延性下降，形状变得更为规则；聚集度、结合度降低，景观破碎化加剧。建设用地则是随着面积增加，斑块数量、斑块密度和边缘密度也增加，破碎化增加；但整体景观的蔓延性降低，景观分布则更加聚集。水域景观面积增加，但景观完整性更好，虽然分布聚集性下降，但斑块数量减少，其蔓延性和连通性均有所提升；由于水域景观多为线状河流，其边缘密度较大，形状也更趋于不规则（表2）。表12006~2020年弥勒市景观类型面积百分比转移矩阵地类2006年景观类型有林地灌木林宜林地草地农地建设用地水域其他2020年有林地76.2529.0221.152.9816.159.134.5737.83灌木林2.8341.719.632.543.031.063.297.02宜林地4.689.8545.782.153.861.983.5114.21草地0.170.390.369.290.240.084.751.42农地12.6511.8111.845.6266.1340.4818.8413.27建设地0.580.490.430.443.6241.131.591.04水域0.070.350.290.310.692.1461.720.56其他2.786.3910.5816.676.2741.7324.65地类斑块变化/%23.7558.354.2230.7133.8758.8738.2875.352006年地类面积/hm222866835364552788063206820128382582372162020年地类面积/hm22457613595553415611218778814978415438666地类面积变化占比/%7.481.67-3.37-24.2-9.216.6760.883.9表22006〜2020年会泽县景观类型指数变化情况景观年份NPPDEDSHAPEMNCONTAGCOHESIONAI有林地200669641.1949.21.560.3899.2184.19202071991.2253.461.560.3699.4884.01变化2350.034.260-0.020.27-0.18灌木林200627230.4610.491.630.4994.38785711.481.60.4593.7176.49变化6180.110.99-0.03-0.04-0.67-1.64宜林地200645070.7716.581.610.4693.2677.9420205872118.161.560.3992.5275.04变化13650.231.58-0.05-0.07-0.74-2.9草地2006720.010.611.730.5298.8494.6520201800.31.560.3299.2496.78变化-54-0.01-0.31-0.17-0.20.42.13农地200667071.1450.471.570.3399.5582.05202077811.3249.751.560.3199.1880.53变化10740.18-0.72-0.01-0.02-0.37-1.52建设用地200638140.656.31.340.3783.1464.23202039890.686.951.370.3287.7966.18变化1750.030.650.03-0.054.651.95水域20067200.120.91.350.1791.7370.5220206270.111.11.430.1895.2777.75变化-93-0.010.20.080.013.547.234.2.2景观水平尺度分析2006~2020年间，景观水平上的NP、PD、ED均明显上升，AREA_MN下降,SHAPE_MN指数值下降，表明会泽县景观斑块的数量增加，斑块密度增加，各类景观交错镶嵌，边界割裂程度加深，破碎化程度加深，但景观形状趋于规则。景观的蔓延性和连通性降低；同时，景观蔓延度指数、聚集指数下降，分离度指数呈上升趋势，充分反映研究区不同类型景观的聚集程度、延展性和连通性减弱，景观分布离散性增强,不利于生态功能和生态系统稳定性的发挥。香农均匀度指数和香农多样性指数的增加，反映景观多样性增加，整体呈现破碎化、非均衡性、景观异质性趋势变化（表3）。

表32006~2020年会泽县景观水平指数变化情况指数2006年2020年变化量NP27952323954443PD4.7635.4950.731ED72.18876.5094.321SHAPE_MN1.5471.538-0.009CONTAG48.36747.424-0.942COHESION99.17599.070-0.105SPLIT43.03055.54512.515AI81.90180.824-1.077SHDI1.4681.4740.006SHEI0.7060.7090.0035结论与讨论会泽县各类景观在空间分布上存在非均衡性。立“点、线、面”相结合的立体化全方位建设模式，全方位提升会泽县城森林景观质量。建设用地、灌木林地和宜林地变化最快；而林地、农地、草地和水域变化速度则相对较小；建设用地、有林地、农地和水域景观面积均增加，而农地、宜林地和草地面积减少。尽管各地类景观斑块的数量、面积及空间格局都相应地发生了不同程度的变化，但农林始终是其景观基质，且呈现农林交错分布特点立“点、线、面”相结合的立体化全方位建设模式，全方位提升会泽县城森林景观质量。影响会泽县土地利用类型和景观结构变化的驱动因素一般包括自然因素和社会经济因素两大类。在过去15年中，随着大规模的荒山造林、封山育林使得有林地面积大量增加；退耕还林、陡坡地治理也使大量的农地转化为有林地。此外，城市化转移了农村劳动力，减轻了林区森林退化的压力，并逐渐将一些利用率低的偏远农田、居民区和道路转变为森林[18]/r