潘鵬程

?

福州市土地景觀格局動態(tài)變化及多樣性分析

潘鵬程

福建省省級土地登記中心

利用1985年、2000年兩期土地利用數(shù)據(jù)，借助ArcGis8.3軟件平臺對數(shù)據(jù)進行處理，得到面積、斑塊數(shù)等基本數(shù)據(jù)，然后用EXCEL軟件計算各景觀指標(biāo)指數(shù)。從數(shù)據(jù)看出，整體上福州地區(qū)多樣性指數(shù)、破碎度指數(shù)有所上升，優(yōu)勢度指數(shù)下降，景觀格局趨于穩(wěn)定，系統(tǒng)趨于優(yōu)化。內(nèi)部差異性分析方面，對2000年各景觀多樣性指數(shù)在DPS軟件包中利用模糊聚類模塊進行聚類分析，結(jié)果分為三類。

景觀格局 景觀多樣性 模糊聚類

景觀(Landscape)是由一組以類似形式重復(fù)出現(xiàn)且相互作用的生態(tài)系統(tǒng)(Ecosystem)所組成的具有高度異質(zhì)性(Heterogeneity)的區(qū)域[1-2]。景觀格局是由許多景觀過程長期作用的產(chǎn)物，同時景觀格局也直接影響景觀過程[3]。景觀多樣性是指景觀單元在結(jié)構(gòu)和功能方面的多樣性，它反映了景觀的復(fù)雜程度[4]。景觀格局的研究一直是景觀生態(tài)學(xué)研究的熱點。目前多從時間與空間兩個方面對區(qū)域景觀格局進行研究，利用不同時期數(shù)據(jù)可對某區(qū)域景觀格局進行動態(tài)變化研究，利用特定時期數(shù)據(jù)可進行區(qū)域內(nèi)部差異性研究。本文利用福州市1985年、2000年土地利用數(shù)據(jù)對福州市土地景觀格局進行動態(tài)變化研究，并對2000年福州地區(qū)各縣市景觀多樣性數(shù)據(jù)進行聚類分析。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

福州位于北緯25°15′~26°39′,東經(jīng)118°08′~120°31′，東瀕東海，與臺灣省相望，西臨三明市和南平市，北接寧德地區(qū)，南連莆田市，行政上轄五區(qū)八縣市，面積11968km2。福州地區(qū)地跨中亞熱帶與南亞熱帶，屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，暖熱濕潤，宜于林木和農(nóng)作物生長。境內(nèi)多山地，山地氣候的垂直變化也頗明顯，從而也引起土壤和植被的垂直分布差異。陸域資源林地面積大，耕地卻嚴(yán)重不足，人口與耕地的矛盾突出；水資源豐富，但時空分布不均，沿海和島嶼嚴(yán)重缺水；海洋資源豐富，生物、動力、石英砂、灘涂淺海等都有很大的儲量，面積較大。

1.2 數(shù)據(jù)獲取

本文采用1985年、2000年土地利用數(shù)據(jù)，存儲格式為ESRI Arc/Info Coverage格式。福建省政區(qū)圖，原圖比例尺1：25萬，經(jīng)緯度坐標(biāo)，數(shù)據(jù)格式為ESRI Arcview shape 格式。數(shù)據(jù)處理采用Arc/Info 作為軟件平臺。首先使用ArcToolbox 將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的Coverage 格式，采用高斯－克呂格投影，北京1954年坐標(biāo)系。利用ArcMap統(tǒng)計各景觀類型單元的斑塊數(shù)、面積、周長等，結(jié)合Excel計算各指標(biāo)值。

1.3 指標(biāo)選取

對景觀空間格局的定量描述是分析景觀結(jié)構(gòu)、功能及過程的基礎(chǔ)。通過格局分析就可以把景觀的空間特征與時間過程聯(lián)系起來，從而能夠較為清楚地對景觀內(nèi)在規(guī)律性進行分析和描述。這是景觀生態(tài)學(xué)與其它生態(tài)學(xué)科的重要區(qū)別之一[3]。根據(jù)研究區(qū)與獲取的數(shù)據(jù)特點，選取如下指標(biāo)進行景觀格局及動態(tài)變化研究[5]。

1.3.1 斑塊面積(A)和斑塊周長(P)。斑塊面積和斑塊周長是進行景觀格局計算的基礎(chǔ),可直接利用ArcMap的統(tǒng)計查詢功能獲得。

1.3.3 景觀優(yōu)勢度(D0)

1.3.4 景觀破碎度（C）。C=板塊總數(shù)/總面積，反映景觀的破碎化程度。

1.3.5 斑塊分維數(shù)(D)。D=2log(P/4)/logA, 用來測定斑塊周邊形狀的復(fù)雜程度。D值的理論范圍為1.0～2.0,1.0代表形狀最簡單的正方形嵌塊,2.0代表等面積下周邊最復(fù)雜的嵌塊體。

1.3.7 景觀均勻度(E)。 E=(H/Hmax)，用于描述景觀里不同景觀類型的分配均勻程度。E是均勻度，H是多樣性指數(shù)，Hmax是最大多樣性指數(shù)，Hmax=log2(m) ，m為景觀類型數(shù)目。

1.3.8 景觀分離度Fi。Fi=Di/Si，其中,Fi為景觀類型i的分離度；Di為景觀類型i的距離指數(shù),Di= ni/A，ni是景觀類型i的斑塊總數(shù),A為景觀的總面積;Si為景觀類型i的面積指數(shù),Si=Ai/A,Ai表示景觀類型i的總面積。

2 景觀格局動態(tài)變化分析

根據(jù)福州具體情況，從斑塊數(shù)、面積、景觀優(yōu)勢度、多樣性指數(shù)、景觀破碎度來分析福州市15年來的景觀變化情況。

2.1 統(tǒng)計結(jié)果

根據(jù)以上統(tǒng)計方法，得到福州地區(qū)景觀格局與景觀指標(biāo)值變化結(jié)果如表1。

表1 福州地區(qū)景觀格局與景觀指標(biāo)值變化

續(xù)表1

景觀格局指標(biāo)多樣性指數(shù)優(yōu)勢度破碎度 1985年1.2421.7580.828 2000年1.7801.2200.845

2.2 結(jié)果分析

對表1兩個時期的面積、景觀比例（％）、平均面積、多樣性指數(shù)、優(yōu)勢度、破碎度的比較，反映出在15年中福州市景觀格局變化呈如下特點：水田、旱地、草地面積、景觀比例均有不同程度的減少，林地、建設(shè)用地明顯增加。說明在此期間受政策因素影響，考慮到生態(tài)環(huán)境的保護，部分耕地實行了退耕還林，且隨人口數(shù)量的增加、人民生活水平的提高部分耕地或草地被建筑所占用。森林仍然作為景觀基質(zhì)，景觀比例占60％以上。并且由于大面積的人工林使得林地連片分布，平均面積由5.69km2上升到6.13km2。與1985年相比，到2000年為止，景觀優(yōu)勢度指數(shù)變小，多樣性指數(shù)與破碎度指數(shù)均有上升。多樣性指數(shù)上升與優(yōu)勢度指數(shù)下降說明隨著人類對生態(tài)環(huán)境認識的深入，環(huán)境意識的加強，對環(huán)境的破壞減少，使得景觀類型多樣化，系統(tǒng)自組織調(diào)節(jié)能力有所增強，系統(tǒng)趨于優(yōu)化。

3 景觀多樣性分析

景觀動態(tài)變化說明了福州市景觀格局隨時間的變化情況，為提出合理的政策，由于區(qū)域內(nèi)部存在差異性，本文對其多樣性在DPS軟件包中利用模糊聚類對各縣市指標(biāo)值（如表2）進行聚類分析。

3.1 模糊聚類基本原理

假設(shè)有n 個要分類的樣本，記為X1,X2,…,Xn,每個樣本有m個量化指標(biāo)，記為Xi1,Xi2,…,Xim,構(gòu)成n×m階矩陣。模糊聚類是一種以模糊等價關(guān)系為基礎(chǔ)的傳遞閉包法，該方法首先定義樣本之間的相似系數(shù)或距離，樣本X1與X2的距離記做rij,得到n×n階模糊矩陣R:

一般來講，相似矩陣只滿足自反性rij＝1，對稱性rij=rji,而不滿足傳遞性，不是模糊等價矩陣，因而不能直接進行分類，必須進行改造。利用平方法改造矩陣：R2=R×R,…,R2k=Rk×Rk,k=1,2,4,…,直到找到最小的k，使得R2k=Rk,令R=Rk，則R就是模糊等價矩陣。取水平λ滿足0≤λ≤1，依次比較R中的各個元素，若該元素大于等于λ，則令該元素為1，否則為0，得到截矩陣Rλ,由Rλ進行分類。

3.2 指標(biāo)值獲取

景觀多樣性主要研究組成景觀的斑塊在數(shù)量、大小、形狀和景觀的類型、分布及其斑塊間的連續(xù)性、連通性等結(jié)構(gòu)和功能上的多樣性。因此，選擇多樣性指數(shù)、景觀優(yōu)勢度、破碎度、均勻度、分離度、分維數(shù)、形狀指數(shù)、斑塊數(shù)、面積等9個指標(biāo)，對福州地區(qū)各縣市景觀多樣性進行聚類分析。指標(biāo)值是在ArcGis 8.3軟件平臺上統(tǒng)計面積、周長、斑塊數(shù)結(jié)合EXCEL計算獲得（表2）。然后利用DPS軟件包中模糊聚類模塊進行分析。

表2 景觀多樣性指標(biāo)值

3.3 結(jié)果及分析

3.3.1 評價指標(biāo)的預(yù)處理

為了消除不同指標(biāo)的量綱影響，便于分析和比較，采用極差標(biāo)準(zhǔn)化變換方法對數(shù)據(jù)進行歸一化處理，公式如下：

Zij=(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)

其中Zij、Xij分別為標(biāo)準(zhǔn)化后、標(biāo)準(zhǔn)化前第i各樣本的第j個指標(biāo)值，Xjmin、Xjmax為第j個指標(biāo)的最小、最大值。

3.3.2 模糊相似矩陣的建立

樣本間的相似系數(shù)由相關(guān)系數(shù)法計算，其公式為：

3.3.3 聚類結(jié)果

利用傳遞閉包法求得模糊等價矩陣R及聚類樹系圖（見圖1）。

通過模糊聚類分析可以看出，當(dāng)置信水平λ＝0.90時，福州地區(qū)的9個縣市可以劃分為三類：

第一類：長樂、福清、福州、羅源、閩清、永泰，多樣性指數(shù)較高，優(yōu)勢度指數(shù)偏低，破碎度、均勻度、分離度指數(shù)較高，形狀指數(shù)偏大，整體呈現(xiàn)出城市地域型景觀特征，與該地域在研究年份內(nèi)水田、旱地、草地面積、景觀比例減少，建設(shè)用地增加有關(guān)。

第二類：連江、平潭，多樣性指數(shù)相對均衡，優(yōu)勢度指數(shù)偏低，破碎度、均勻度、分離度指數(shù)不高，形狀指數(shù)適中，整體呈現(xiàn)出城鄉(xiāng)過渡型地域景觀特征，該地域在研究年份內(nèi)部分耕地實現(xiàn)了退耕還林、森林覆蓋率顯著提升。

第三類：閩侯，多樣性指數(shù)相對均衡，優(yōu)勢度指數(shù)較低，破碎度、均勻度、分離度指數(shù)形狀指數(shù)均偏低，整體呈現(xiàn)出傳統(tǒng)型地域景觀特征，系統(tǒng)自組織調(diào)節(jié)能力有待增強。

[1] [美]Ｒ·福爾曼,Ｍ·戈德倫.肖篤寧等譯.景觀生態(tài)學(xué)[Ｍ].北京:科學(xué)出版社,1990.

[2] 宋樹龍,李貞.廣州市城市植被景觀多樣性分析[J].熱帶地理,2000,20(2):121-124.

[3] 王憲禮,肖篤寧等.遼河三角洲濕地的景觀格局分析[J].生態(tài)學(xué)報,1997,17(3):317-323.

[4] 傅伯杰,陳利頂.景觀多樣性的類型及其生態(tài)意義[J].地理學(xué)報,1996,51(5):454-462.

[5] 馬安青,陳東景等.基于RS與GIS的隴東黃土高原土地景觀格局變化研究[J].水土保持學(xué)報,2002,16(3):56-59.