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貴州習水縣土地利用景觀格局特征分析
摘要：以土地利用數據為數據源，借助Arcgis和Fragstats工具，從景觀斑塊數、斑塊形狀、聚散性、多樣性、均勻度等方面對習水縣土地利用的景觀空間特征進行分析。結果表明，研究區林地斑塊面積占總面積的61.88%，其次是耕地占30.91%，形成林地、耕地這兩個優勢明顯的景觀類型環繞交錯分布的景觀特征。景觀整體多樣性與均勻度均不高，景觀優勢度較高，有相對較高的聚集程度與連通性。為習水縣土地整理及可持續發展提供了依據。
關鍵詞：土地利用;習水;景觀指數;景觀生態學
景觀格局分析主要是研究景觀內各斑塊類型在景觀中的分布規律，是研究景觀功能和動態的基礎[1-2]，數量分析方法已經不斷修改和完善[3]。通過對景觀格局的分析有助于對宏觀區域生態環境狀況評價及發展趨勢進行分析，同時也有助于探索自然因素與人類活動對景觀格局及動態過程的影響[4];可以科學合理地規劃我們所面臨的環境，以實現人口、資源和環境的協調與可持續發展[5]。以土地利用數據為數據源，借助Arcgis和Fragstats工具，從景觀斑塊數、斑塊形狀、聚散性、多樣性、均勻度等方面對習水縣土地利用的景觀空間特征進行分析，可為土地管理決策以及區域生態環境建設提供理論支持。
一、研究區概況與研究方法
1.1 研究區概況
習水縣位于貴州高原北部，縣域面積307 563 hm2，2010年人口統計為717 534人。東連桐梓，西接赤水、四川古藺，面向重慶，背靠遵義，是貴州進川渝、通江達海的前沿窗口。習水縣地處大婁山山系西北坡與四川盆地南緣的過渡地帶，境內屬中山峽谷地貌，地勢東高西低，最高處海拔1 871.9 m，最低處275 m。習水縣已發現煤礦、鐵礦、錳礦、銅礦、粘土礦等30余種礦產資源，儲量十分豐富，尤其以煤礦儲量最為豐富，初步估算蘊藏量為54.6億t，已查明儲量16.7億t，素有西南煤海之稱�？h域內有赤水河、習水河、桐梓河等長江支流，屬于長江中上游生態保護的核心區域，域內西北部有貴州省面積最大的自然保護區――貴州習水中亞熱帶常綠闊葉林國家級自然保護區。
1.2 數據來源及處理
基礎數據來源于習水縣2012年土地利用變更調查數據shape數據，土地利用現狀數據是在2009年全國第二次土地利用調查的基礎上通過年度變更調查得到，為.shp格式文件，地類編碼總數為24個，數據來源較權威、可靠[6]，可提高土地利用景觀格局分析的準確度及有效性。根據習水縣實際情況及研究需要將以上24個地類進行景觀重分類，然后利用Arcgis中conversition tools工具將“地類圖斑”shape數據轉換成20 m×20 m的柵格數據，得到習水縣景觀類型圖(圖1)。借助Fragstats軟件根據景觀格局分析需要對景觀格局指數進行計算，得到相關的景觀類型水平(class level)和景觀水平(land-scape level)兩種類型景觀指數數據。 1.3 土地利用及景觀分類
根據土地利用屬性和景觀生態學意義，參照國家土地利用現狀分類標準(GB/T21010―2007)，結合習水縣實際情況，進行景觀分類，共包括耕地、林地、草地、水域城鎮建設用地、農村居民點用地、未利用地7類，其中：(1)耕地：包括旱地、水田和園地(因本研究區園地面積很小且基本處于糧食生產狀態)三個二級類型，為糧食生產用地;(2)林地：包括有林地、灌木林地、疏林地、未成林地等林地類型;(3)草地：包括天然牧草地以及樹木郁閉度<0.1、表層為土質、生長草本植物為主、不用于畜牧業的草地;(4)水域：包括河流水面、湖泊水面、水庫水面、坑塘水面、內陸灘涂、溝渠以及水工建筑用地等類型;(5)城鎮建設用地：主要包括城市用地、交通運輸用地以及建制鎮;(6)農村居民點用地：包括農村居民用地、設施農用地等村莊建設用地;(7)未利用地：主要指表層為土質、基本無植被覆蓋的土地，或表層大多為巖石、石礫的未利用土地。
1.4 數據分析
本研究采用景觀指數來描述研究區斑塊或整個景觀的空間格局。當前所能采用的各種景觀格局指數累計近百個，但有些指標的生態學意義并不明確，甚至相互矛盾[7-8]。因此，本研究依據簡單性、代表性和統一性的原則，在全面了解所選指標生態意義的前提下[9]，根據研究區特征，在斑塊水平上選取斑塊面積(CA)、斑塊數(NP)、邊界密度(ED)、景觀百分比(PLAND)、平均斑塊面積(AMN)、斑塊形狀指數(LSI)、景觀聚集度指數(AI)、最大斑塊指數(LPI)、斑塊內聚集指數(COHESION)，在景觀水平上選取Simpson’s多樣性指數(SIDI)、Simpson’s均勻度指數(SIEI)、景觀聚集度指數(AI)等，較全面地從景觀聚散性、多樣性、異質性等多方面反映習水縣土地利用類型的景觀特征，各指數公式、計算方法及生態學含義見參考文獻[9-11]。
二、結果與分析
2.1 景觀整體結構分析
研究區總面積為307 563 hm2，總斑塊數97 742個。如表1所示，各景觀類型中，林地面積最大，為190 314.48 hm2，占研究區總面積的61.88%;其次為耕地，面積達95 080.72 hm2，占30.91%;此外，草地10 120.48 hm2，占3.29%;城鎮建設及農村居民點用地合計9 919.6 hm2，占3.22%;水域2 021.76 hm2，占0.66%;未利用地106.2 hm2，占0.03%。耕地、林地面積達到了全縣土地總面積的92.79%，為研究區優勢景觀類型，其中林地面積占研究區總面積的61.88%，在整個景觀生態系統中面積最大、連通性較好，是占主導地位的景觀類型，為整個研究區的景觀基質[11]。研究區內林地的平均斑塊面積最大，為9.35 hm2・個-1(剔除自然保護區最大斑塊外為4.67 hm2・個-1)，其次為耕地為3 hm2・個-1，兩個值均不是很大，這說明兩個主要景觀類型廣泛交錯分布于整個研究區域[12]，在局部仍分布著的較小面積斑塊。
就斑塊類型數量NP來說，農村居民點用地36 708>耕地31 677>林地20 360>草地4 600>水域3 250>城鎮建設用地981>未利用地166，斑塊數在一定程度上可以反映出景觀的破碎性，農村居民點用地在斑塊面積占比2.55%情況下，斑塊數量占比卻達到了37.56%，這說明了農村居民點用地的點狀分散性。
2.2 景觀面積特征
從斑塊面積來看，林地面積最大，為190 314.48 hm2，其次為耕地95 080.72 hm2，兩者面積合計占研究區總面積的92.79%。林地平均斑塊面積最大，為9.35 hm2・個-1，雖然超過其他景觀斑塊，但相差也不是很大。最大斑塊為林地，最大斑塊指數達到了30.942 1，這說明習水縣林地斑塊之間面積懸殊非常大，而且以大面積斑塊占據林地景觀的主體，其中以習水中亞熱帶常綠闊葉林國家級自然保護區及其輻射區域斑塊面積最大，達95 160.07 hm2(其中保護區面積48 666 hm2)，占全部林地面積的50%，占研究區景觀的30.94%。這說明，其他林地斑塊面積也較小且有一定分散性，由此可見，習水中亞熱帶常綠闊葉林國家級自然保護區對于習水縣生態系統及其景觀的穩定具有積極作用。城鎮建設用地和農村居民用地的平均斑塊面積最小，城鎮建設用地為0.62 hm2・個-1，農村居民用地為0.21 hm2・個-1，說明這兩類景觀斑塊主要呈帶狀、點狀分布。
不同景觀類型的面積大小差異較大，這與人類活動有密切關系[13]。由于研究區為高原山地區域以及長期以傳統農業為主業的農業區有關，耕地在該地區分布極為廣泛，且人類干預改造程度強，耕地整體地形起伏大，使得耕地多被分割為小塊狀分布，斑塊平均面積較小，大部分林地同樣如此。城鎮建設用地同樣受到人為影響較大，分布集中且形狀規則，表現出較高的平均斑塊面積，而農村居民點用地受地形和歷史傳統影響，以“戶”為單位在全縣分布表現出較小的平均斑塊面積且斑塊數量多。
2.3 景觀形狀及邊緣特征分析
斑塊形狀指數LSI是反映景觀形狀復雜性以及受人為活動影響大小的重要指標，當景觀中該類型的斑塊只有一個，且接近正方形，LSI等于1，隨著斑塊類型的離散，它逐漸變大且沒有限制[9]。由表1可知，耕地斑塊LSI最大，達到了255.37，這主要是因為耕地斑塊分布較零散導致。此外，農村居民用地LSI的也很大205.67，這是基于該區域經濟條件落后，農村居民用地還局限于耕地的分布范圍，隨耕地的分布而呈現出較高的離散性;林地LSI為167.01，這說明，除了自然保護區區域斑塊，其他林地斑塊也具有一定的離散性。而城鎮建設用地LSI為33.22相對農村居民用地要小很多，形狀趨于簡單化，這是因為前期地區經濟發展落后，近幾年城鎮建設規模逐漸提高過程中城鎮建設規劃比較合理導致的。
邊界密度ED揭示了景觀類型被邊界的分割程度，明顯表現出邊界長度與斑塊形狀的規則程度以及面積的大小有很大的關系，可以從一定程度上反映斑塊與外界的聯系程度和受外界干擾強度[9-10]。由表1可知，習水縣景觀邊界密度最大的為耕地102.15，其次為林地93.28，表明在景觀本身的自然屬性和人類干擾影響下，耕地和林地邊緣復雜，邊緣效應大。此外，農村居民點用地達到了23.69，也進一步說明了農村居民點的點狀分散性。水域的邊界密度大小在各景觀類型中適中，水域則因主要分布于少數中小型水庫和低洼河谷區域，斑塊數量少，且分布相對穩定，邊界密度也相對較小。草地和未利用地表現出相對較小的邊界密度，受人為影響較小，外界干擾程度小。城鎮建設用地ED達到了1.97的低值，這是由于早期城鎮建設發展落后，近年來城市用地雖不斷擴張，但建設用地斑塊由于城鎮建設規劃的影響，具有較強的團聚式擴張特點[11]，從而邊界密度相對較小。
2.4 景觀聚集度與連通性指數分析
景觀聚集度指數AI單位是%取值范圍在0～100，當某一斑塊類型的破碎程度達到最大化時，AI等于0，隨著聚集程度的不斷增加，AI值也不斷增大[10]。如表所示，各景觀類型聚集度指數AI除農村居民點用地53.68%和水域68.84%外，其余各景觀類型的聚集度指數都較高，尤其是林地92.38%、城鎮建設用地85.75%、耕地83.49%，草地83.63%和未利用地74.01%次之，這與研究區的山區地形條件及的人類活動影響有關。
從斑塊內聚力指數COHESION的角度來看，林地99.89>耕地99.04>城鎮建設用地95.28>草地94.42>水域94.36>未利用地83.04>農村居民點用地68.88，農村居民點用地連通性較低，其余斑塊類型均處于一個相對較高的連通性水平，特別是林地和耕地。
從景觀水平上來看，景觀聚集度指數AI達到了88.15%，也從一定程度上說明了整個景觀較高的聚集性和連通性。
以上景觀指數分析情況比較真實地反映出了習水縣景觀概況：習水縣除西北部的自然保護區外，是典型的山地農業景觀，低丘緩坡及壩子地區往往是耕地景觀，而林地則分布于山坡、山嶺之上，這就導致兩個斑塊類型的聚集程度和斑塊連通性處于一個較高的水平，形成耕地與林地面積占研究區絕大部分比重、兩者環繞交錯分布的總體格局。居民點往往根據耕地分布、地形條件而因地制宜分布，整體上處于較為零散的狀態，聚集度較低，水域則因山區地形條件限制，僅散落分布于少量水庫及河谷地帶，聚集度也較低。
2.5 景觀多樣性與均勻度指標分析
Simpson’s多樣性指數取值范圍為0≤SIDI<1。當整個景觀中只有一個斑塊時SIDI=0，隨著景觀中斑塊類型數的增加以及他們面積比重的不斷均衡化，SIDI值也不斷向1接近。Simpson’s均勻度指數范圍：0≤SIEI≤1。隨著景觀中不同斑塊類型面積比重越來越不平衡，指標值不斷向0接近，當只有一個斑塊時SHEI=0。當景觀中各斑塊類型面積比重相同時，SHEI=1[10]。
由表2可知，研究區Simpson’s 多樣性指數SIDI為0.519 7，說明景觀多樣性較低，部分斑塊類型存在明顯優勢性。Simpson’s均勻度指數SIEI也不大，為0.606 3，說明研究區斑塊類型均勻度不高而優勢景觀類型比較明顯。從景觀水平的景觀聚集度AI分析結果來看，AI值達到88.15%，同樣體現出了整個景觀較高的聚集程度。從均勻度和聚集度來看，景觀類型均呈現出較高的聚集度，其反映的結果基本與多樣性指數一致，整體景觀復雜性不高，多樣性不高。這主要是因為林地、耕地兩個斑塊類型面積占到了研究區總面積的92.79%，占了整個研究區的絕大部分比例，與其他5個斑塊類型面積差異很大，從而導致林地、耕地景觀優勢突出。
三、結論與討論
(1)習水縣景觀類型構成比例大小依次為林地、耕地、草地、農村居民點用地、城鎮建設用地、水域和未利用地，形成耕地與林地兩個聚集程度較高、面積占研究區絕大部分比重、兩者環繞交錯分布的總體景觀特征。林地斑塊面積最大、景觀聚集度最高，表征了習水縣是典型山區農業縣，且森林生態系統是支撐該縣農業發展的重要因素。習水縣景觀多樣性較低與均勻度均不高，農村居民點斑塊數量大，因為依賴耕地分布、地形條件而因地制宜分布影響，整體上處于較為零散的狀態，聚集度最低。城鎮建設用地則由于早期城鎮建設發展落后，近年來城市用地雖不斷擴張受城鎮建設規劃影響，具有較強的團聚式擴張特點，從而表現出相對較高的聚集度和趨于簡單化的斑塊形狀。草地和未利用地因受人類活動影響較小，主要分布于高山偏僻地區，斑塊數量少，且分布相對穩定，受外界干擾程度小。水域則因研究區地形條件限制，僅散落分布于少量水庫及河谷地帶，斑塊數量少、面積小、聚集度也較低。從整個研究區景觀的角度來看，研究區不同景觀類型的面積大小差異較大，均勻度不高、多樣性較低，景觀優勢度較高，有較高的聚集程度與連通性。
(2)雖然整個研究區景觀存在較高的聚集程度與連通性，但也存在以下幾個方面的問題。首先，林地、耕地斑塊雖然景觀類型面積最大，具有明顯的優勢度，但斑塊類型內部也存在明顯的離散性，都具有復雜的邊緣特征，邊緣效應大。其次，作為典型的山區農業景觀，農村居民點用地斑塊數量大，離散性高。第三，本研究區域水域斑塊數量少、面積小、聚集度也較低，僅散落分布于少量水庫及河谷地帶。
因此，有必要進行土地整理，整合較小面積耕地斑塊;繼續進行合理的退耕還林工作，根據局部地區的主體景觀類型實現用途轉變，提升林地、耕地的相對集中分布程度;根據實際地形條件應適度發展中小型水庫，提高山區百姓生產生活用水安全保障。有利于規�；a和集中管理，也有利于農村居民點的遷改合并，達到集約節約用地的目的。
(3)通過空間格局分析，得到了習水縣景觀特征的初步認識。在此基礎上可進一步開展有關坡度、坡向等地形因子對習水縣土地利用格局影響以及習水縣景觀生態安全格局等課題的研究，從而為習水縣生態建設和土地資源持續利用等提供理論依據。
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