王 戈 于 強(qiáng) 劉曉希 楊 瀾 劉建華 岳德鵬

(1.北京林業(yè)大學(xué)精準(zhǔn)林業(yè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083； 2.北京林業(yè)大學(xué)外語學(xué)院， 北京 100083)

0 引言

土地利用/覆被變化(LUCC)是國際地圈生物圈計(jì)劃(IGBP)和全球土地計(jì)劃(GLP)的重點(diǎn)交叉學(xué)科[1],將土地利用/覆被變化與生態(tài)環(huán)境和自然資源系統(tǒng)相結(jié)合，一直是全球變化研究的重要領(lǐng)域之一。隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，城市土地利用發(fā)生著結(jié)構(gòu)性的變化。城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)，在一定程度上加速影響區(qū)域景觀格局的演化，進(jìn)而影響區(qū)域生態(tài)安全，景觀格局演化過程成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問題[2]。

從景觀格局的角度分析和研究城市土地利用演變規(guī)律是一個(gè)新的視角。國內(nèi)外學(xué)者針對景觀格局演化開展了大量的研究，大致有4個(gè)研究領(lǐng)域：景觀格局空間的定量化量測、景觀格局變化的驅(qū)動力、不同景觀類型擴(kuò)張的模擬、景觀指數(shù)和元胞自動機(jī)的模擬[3]。運(yùn)用多時(shí)間序列遙感影像研究景觀格局演變成為熱點(diǎn)[4]。黃聚聰?shù)萚5]用景觀格局指數(shù)分析廈門城市熱島景觀格局隨城市化進(jìn)程演變的趨勢。范強(qiáng)等[6]基于RS、GIS對山東省南四湖1982—2012年間的濕地景觀格局與變化特征進(jìn)行分析。衣華鵬等[7]分析了煙臺市沿海土地利用景觀格局演變特征。

包頭市地處內(nèi)陸，為典型的溫帶干旱、半干旱大陸性氣候，冬季寒冷干燥、夏季炎熱多雨[8]，地貌起伏，生態(tài)環(huán)境較為脆弱，面臨較高的水土流失與土地沙漠化、荒漠化風(fēng)險(xiǎn)。近10年來，經(jīng)濟(jì)建設(shè)與城市化進(jìn)程導(dǎo)致包頭市草地、林地、濕地等生態(tài)用地遭到占用與破壞，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)有所升高[9]。鑒于此，本文以包頭市全域?yàn)閷ο螅谶b感和GIS技術(shù)的支持下，利用2006、2010、2016年相同月份的3期遙感影像，提取6種不同用地類型景觀及其空間分布數(shù)據(jù)，運(yùn)用景觀格局變化動態(tài)度、景觀格局轉(zhuǎn)移矩陣、景觀格局變化空間集聚、景觀格局重心轉(zhuǎn)移、景觀格局指數(shù)，分析包頭市景觀時(shí)空演變特征和景觀格局演變驅(qū)動力。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

包頭市位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西部，東經(jīng)109°13′～111°26′，北緯40°13′～42°44′，面積27 768 km2，如圖1所示。包頭市深處內(nèi)陸，氣候?yàn)榈湫偷臏貛Ц珊?、半干旱大陸性氣候，冬季寒冷干燥、夏季炎熱多雨[10]，年平均氣溫2.0～7.7℃，年均降水量175～400 mm，年均蒸發(fā)量為2 100～2 700 mm。包頭市可利用地表水總量為9×108m3，地下水補(bǔ)給量為8.6×109m3。黃河流經(jīng)包頭境內(nèi)214 km，水面寬130～458 m，最大流量6 400 m3/s，年平均徑流量為2.60×1011m3，是包頭市主要用水來源。包頭市海拔976～2 317 m，地勢中間高南北低，北部丘陵、中部山地、南部平原分別占土地面積的14.49%、75.51%、10%[11]。干旱的氣候條件與起伏的地貌特征使得包頭市生態(tài)環(huán)境較為脆弱，面臨較高的水土流失與土地沙漠化、荒漠化風(fēng)險(xiǎn)。近年來，包頭市城市建設(shè)規(guī)模擴(kuò)張迅速，房地產(chǎn)開發(fā)項(xiàng)目、工業(yè)園區(qū)等建設(shè)項(xiàng)目不斷涌現(xiàn)，導(dǎo)致草地、林地、濕地等生態(tài)用地遭到占用與破壞，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)有所升高。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of study area

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本文主要數(shù)據(jù)源包括包頭市土地利用數(shù)據(jù)(2006、2010、2016年)、歸一化植被指數(shù)(Normalized difference vegetation index, NDVI)、地面數(shù)字高程(Digital elevation model, DEM)、各區(qū)縣旗人口密度及工業(yè)園區(qū)分布數(shù)據(jù)。其中土地利用數(shù)據(jù)為Landsat-8遙感數(shù)據(jù)解譯得到，建設(shè)用地分布數(shù)據(jù)來自《包頭市土地利用總體規(guī)劃》；歸一化植被指數(shù)(NDVI)、地面高程數(shù)據(jù)(DEM)來自地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn)；各區(qū)人口密度來自包頭市統(tǒng)計(jì)年鑒(http:∥www.bttj.gov.cn/tjsj/ndsj/)。根據(jù)研究需要，從遙感影像中提取耕地、林地、草地、建設(shè)用地、水體、未利用地并通過實(shí)地驗(yàn)證確保其精度，將河灘地、沙地、鹽堿地、沼澤地、裸土地劃分為其他用地類型。

1.3 景觀格局動態(tài)度

景觀格局動態(tài)度反映某個(gè)時(shí)間段內(nèi)包括土地資源數(shù)量變化、景觀類型的空間變化和景觀類型組合方式等多個(gè)景觀類型的數(shù)量變化情況[12]。景觀格局動態(tài)度是指研究區(qū)域在時(shí)間t內(nèi)某一景觀類型的變化情況，用來評價(jià)不同景觀類型在一定時(shí)期內(nèi)的變化量與變化速度[13]，公式為

(1)

式中K——時(shí)間段t內(nèi)某一類型景觀動態(tài)度

Ua、Ub——時(shí)間段t開始與結(jié)束時(shí)某一類型景觀的面積

1.4 景觀格局轉(zhuǎn)移矩陣

景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣用于描述不同景觀類型之間的轉(zhuǎn)化情況[14]?？梢苑从逞芯砍跗诤湍┢诘木坝^類型結(jié)構(gòu)，同時(shí)可以反映研究時(shí)間段內(nèi)景觀類型的轉(zhuǎn)移情況，可以用于描述景觀類型轉(zhuǎn)移方向。轉(zhuǎn)移矩陣中的變量為景觀類型的面積，可以生成研究區(qū)景觀類型概率矩陣，實(shí)現(xiàn)在一定情境下的景觀變化模擬[15]。其公式為

(2)

式中S——土地面積

n——景觀類型數(shù)量

i、j——景觀類型序號

1.5 密度分析模型

在地理空間分析中，密度分析模型可以用于計(jì)算點(diǎn)要素和線要素在周圍鄰域中的密度[16]。核密度分析在疾病爆發(fā)區(qū)分析、區(qū)域內(nèi)犯罪情況分布等研究中應(yīng)用廣泛[17]。核密度分析模型構(gòu)建步驟為：①對于研究區(qū)內(nèi)所考慮的地理要素根據(jù)重要性設(shè)置權(quán)重，要素重要程度越高，設(shè)置的權(quán)重越大[18]。②計(jì)算搜索半徑。③進(jìn)行核密度分析，以SILVERMAN[19]所研究的四次核函數(shù)為基礎(chǔ)。

(3)

式中RS——搜索半徑

DS——標(biāo)準(zhǔn)距離

Dm——中值距離

p——所有要素權(quán)重加和

1.6 景觀格局分布重心模型

景觀格局分布重心模型在空間上可以很好地描述景觀格局的分布，同時(shí)可對不同時(shí)間景觀格局重心進(jìn)行分析，能夠有效反映研究區(qū)景觀格局演變的趨勢[20]。景觀格局分布重心模型構(gòu)建過程[21]為：①將一個(gè)區(qū)域分為若干小斑塊，確定小斑塊的重心坐標(biāo)，將每個(gè)小斑塊重心的橫縱坐標(biāo)與其面積相乘后分別累加，分別除以區(qū)域的總面積，重心坐標(biāo)計(jì)算公式為

(4)

(5)

重心移動距離公式為

(6)

式中Xt、Yt——研究區(qū)域內(nèi)某一景觀類型在t時(shí)刻重心坐標(biāo)值

Xt1、Xt2——t1和t2時(shí)刻某景觀類型橫坐標(biāo)值

Yt1、Yt2——t1和t2時(shí)刻某景觀類型縱坐標(biāo)值

Cti——研究區(qū)域在t時(shí)刻的第i個(gè)斑塊面積

Xi、Yi——第i個(gè)研究區(qū)的坐標(biāo)值

C——研究區(qū)該景觀在時(shí)間段t1～t2內(nèi)重心移動的距離

m——斑塊數(shù)量

②根據(jù)研究區(qū)內(nèi)不同景觀在多時(shí)間序列的轉(zhuǎn)移距離和方向，計(jì)算重心轉(zhuǎn)移速度。

1.7 景觀格局指數(shù)

為了全面揭示包頭市不同時(shí)期景觀格局特征變化，從斑塊特征、空間鄰接度、聚散性等多個(gè)方面，分別在景觀水平和類型水平上選取景觀指數(shù)，對包頭市景觀空間格局、形狀特征、聚集程度等進(jìn)行分析[22]。其中景觀水平上選取6個(gè)指數(shù)，分別為：CONTAG、IJI、DIVISION、SHDI、SHEI、AI。類型水平上選取8個(gè)指數(shù)，分別為PD、LSI、IJI、COHESION、DIVISION、MESH、SPLIT、AI。采用FRAGSTATS 4.2軟件進(jìn)行計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 景觀格局動態(tài)度變化分析

基于2006、2010、2016年的遙感影像，提取不同年份的土地利用數(shù)據(jù)。對3個(gè)年份的土地利用數(shù)據(jù)分別統(tǒng)計(jì)6種類型景觀的面積，并計(jì)算各類景觀占同期包頭市總面積的百分比。從圖2可以看出，2006—2016年草地、耕地是包頭市主要的景觀類型。2006年草地約占景觀總面積的67%，在2006—2010年由于包頭市北部裸地變?yōu)槟敛莸?，?dǎo)致草地景觀到2010年增長至73%。在2010—2016年，草地景觀類型比例變化不明顯。在2010—2016年耕地景觀類型比例降低了1個(gè)百分點(diǎn)，建設(shè)用地占總面積比例10年間增長約1個(gè)百分點(diǎn)。由于對未利用地的開發(fā)與利用，其他用地占總面積比例降低5個(gè)百分點(diǎn)。

圖2 包頭市景觀類型面積百分比Fig.2 Percentage of landscape type area in Baotou City

通過對不同景觀的變化動態(tài)度進(jìn)行計(jì)算，可以直觀地反映不同類型景觀變化的速度[23]，動態(tài)度越大表明景觀變化越劇烈(圖3)。草地和建設(shè)用地在兩個(gè)時(shí)間段增長趨勢相同，增長速度由2006—2010年的2.5%和1.3%變化為2010—2016年的0.24%和2.76%，草地呈現(xiàn)增長減緩的趨勢而建設(shè)用地呈現(xiàn)持續(xù)加速增長的趨勢。耕地、水體和其他用地在兩個(gè)時(shí)間段減少趨勢由2006—2010年的-1.13%、-5.5%和-19.48%變化為2010—2016年的-1.13%、-12.39%、-0.87%。耕地減少速度不變，水體景觀的減少速度加快。其中在2006—2010年，其他用地的減少速度較高。林地景觀在兩個(gè)時(shí)間段呈現(xiàn)不同的變化趨勢，2006—2010年期間林地的減少速度為-4.23%，在2010—2016年林地景觀呈現(xiàn)面積增長的趨勢，增長速度為5.52%，景觀動態(tài)度變化較大。

圖3 包頭市景觀變化動態(tài)度Fig.3 Dynamic degree of landscape change in Baotou City

圖4 包頭市景觀格局轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)Fig.4 Landscape pattern transfer network in Baotou City

2.2 景觀格局轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)分析

基于ArcGIS的空間分析工具面積制表，獲取兩個(gè)時(shí)間段景觀變化轉(zhuǎn)移矩陣，為直觀顯示轉(zhuǎn)移方向和轉(zhuǎn)移量，制作景觀格局轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)圖(圖4)。在2006—2016年期間，包頭市6種類型景觀發(fā)生了明顯的相互轉(zhuǎn)化。

從不同的時(shí)間段來看，在2006—2010年間，其他用地轉(zhuǎn)化為其他類型景觀的年均變化量為368 km2,由于包頭市北部大量裸土地轉(zhuǎn)化為草地，導(dǎo)致其他用地轉(zhuǎn)化為草地景觀的轉(zhuǎn)移率為76%。耕地轉(zhuǎn)化為其他類型景觀的年均變化量為269 km2，轉(zhuǎn)化為草原景觀最多，為15.19%，轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地為3.79%。轉(zhuǎn)化為草地、水體、其他用地較少，分別為1.2%、0.9%、0.64%。草地景觀轉(zhuǎn)化為其他類型景觀的年均變化量為262 km2，其中轉(zhuǎn)化為耕地的面積最多，轉(zhuǎn)移率為3.09%。林地景觀轉(zhuǎn)化為其他景觀類型的年均變化量為134 km2，轉(zhuǎn)化為耕地的百分比較高，達(dá)到9.52%。水體景觀和建設(shè)用地的年均轉(zhuǎn)化量不高，分別為96 km2和74 km2。

在2010—2016年間，耕地與草地景觀的年均轉(zhuǎn)化量較高，分別為346 km2和396 km2。耕地轉(zhuǎn)化為草地景觀的轉(zhuǎn)化率較高，為30.87%，轉(zhuǎn)化為林地、水體、建設(shè)用地和其他用地的轉(zhuǎn)移率分別為5.61%、0.84%、6.8%、1.27%。林地、水體、其他用地的年均轉(zhuǎn)化量不高，分別為94、82、53 km2。其他用地在這一時(shí)期減少速度不高，轉(zhuǎn)化為耕地和草地的年均量較大，為28.47%和49.86%。表明隨著人口增長和生態(tài)環(huán)境的壓力，對于其他用地的整理和治理成為新增草地和耕地的主要途徑[24]。

2.3 景觀格局變化空間集聚特征分析

圖5 包頭市景觀類型轉(zhuǎn)移密度示意圖Fig.5 Schematics of landscape type transfer density in Baotou City

2006—2016年間，景觀變化在包頭市呈現(xiàn)點(diǎn)狀分布，主要分布在耕地密布草地破碎的農(nóng)業(yè)耕作區(qū)和不同景觀交替的邊緣(圖5)。隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)與城市化進(jìn)程加速，居民聚集點(diǎn)的景觀變化較明顯。而不同類型的景觀演變在時(shí)空上也有不同的特征，在2006—2010年間，景觀類型轉(zhuǎn)移密度最大值為15.403 6，變化的區(qū)域集中在烏克忽洞鄉(xiāng)、下濕壕鄉(xiāng)、土默特右旗、九原區(qū)。在2010—2016年間，景觀類型轉(zhuǎn)移密度最大值為33.790 8，與2006—2010年相比，景觀變化更為明顯，景觀格局變化空間上更為聚集。變化的區(qū)域主要集中在五當(dāng)召鎮(zhèn)、將軍堯鄉(xiāng)、三道河鄉(xiāng)。包頭市中部與東南部景觀變化密集，反映了農(nóng)田與建設(shè)用地的擴(kuò)張對于景觀格局的影響。

2.4 景觀格局重心轉(zhuǎn)移變化分析

基于ArcGIS分別計(jì)算2006年、2010年和2016 年的重心坐標(biāo)并計(jì)算相鄰年份重心間的距離，根據(jù)轉(zhuǎn)移距離和方向得出景觀類型重心轉(zhuǎn)移速度與方向(表1)，各類景觀類型重心轉(zhuǎn)移示意圖如圖6所示。

表1 景觀類型轉(zhuǎn)移方向與距離Tab.1 Landscape type transfer direction and distance

在2006—2016年間，其他用地和水體景觀的遷移較為明顯。在2006—2010年間，其他用地中的北部大面積裸土地經(jīng)過生態(tài)治理，面積減少，重心向東南移動73.79 km。在2010—2016年間，對南部其他用地中的沙地與裸土地進(jìn)行整理與治理[25]，其他用地重心向西北移動31.37 km。

圖6 景觀類型重心轉(zhuǎn)移示意圖Fig.6 Schematics of gravity shift of landscape type

水體景觀重心在兩個(gè)時(shí)期持續(xù)向南移動，表明包頭市南部水土保持、引黃蓄水工程取得成效。建設(shè)用地的重心持續(xù)向西南移動，移動速度達(dá)到4.24 km/a，表明包頭市西南部城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)。耕地景觀類型重心在2006—2010年以0.63 km/a的速度向東北移動，反映為在西河鄉(xiāng)、烏蘭忽洞鄉(xiāng)、希拉穆仁鎮(zhèn)等地耕地景觀類型的擴(kuò)張。林地景觀類型在2006—2010年由于大廟鄉(xiāng)、銀號鄉(xiāng)、下濕壕鄉(xiāng)等地生態(tài)狀況不斷好轉(zhuǎn)，林地景觀面積擴(kuò)大，導(dǎo)致重心以3.70 km/a的速度向東南移動了14.78 km。草地景觀重心在兩個(gè)時(shí)間段均向北移動，分別以0.41、0.43 km/a的速度移動了1.63、2.58 km。

2.5 景觀格局指數(shù)變化分析

基于fragstats專業(yè)軟件，將2006、2010、2016年3期的景觀類型分布圖轉(zhuǎn)化為geo Raster 格式，在景觀和類型尺度上進(jìn)行景觀格局指數(shù)的計(jì)算，如表2、3所示。

2006—2010年在景觀水平上蔓延度指數(shù)增長至72.14%，景觀散布與并列指數(shù)變化幅度較大，降低至71.31%，景觀分割指數(shù)、香農(nóng)多樣性、香農(nóng)均勻性均略微減小，聚集度指數(shù)略微增加。在2010—2016年間，在景觀水平上蔓延度指數(shù)呈減小趨勢，降低至71.29%。散布與并列指數(shù)降至66.38%。景觀分割指數(shù)、香農(nóng)多樣性、香農(nóng)均勻性、聚集指數(shù)均呈減小趨勢，表明不同景觀類型之間的均衡度增加，尚未形成優(yōu)勢景觀，景觀破碎度進(jìn)一步加劇。

表2 景觀水平景觀格局指數(shù)Tab.2 Landscape horizontal landscape pattern index

表3 類型水平景觀格局指數(shù)Tab.3 Type horizontal landscape pattern index

在類型水平上，草地的斑塊密度呈先下降后增大趨勢，草地景觀的破碎度加劇導(dǎo)致其形狀指數(shù)增加至87.35%，散布與并列指數(shù)降低至71.90%，有效網(wǎng)格面積增加，分離度指數(shù)減小至2.77%。水體景觀在2006—2010年的形狀指數(shù)增加幅度明顯，增長至64.70%，由于包頭市地處內(nèi)陸，氣候干燥，水體景觀破碎導(dǎo)致分離度指數(shù)較高。2010—2016年，建設(shè)用地的形狀指數(shù)增加至120.74%，散布與并列指數(shù)呈減小趨勢，有效網(wǎng)格面積增長至888.71%，分離度指數(shù)降低。2006—2010年，林地斑塊密度呈現(xiàn)降低的趨勢，分離度指數(shù)減小至9 679.86%，2010—2016年形狀指數(shù)增加。耕地的斑塊密度在兩個(gè)時(shí)期呈現(xiàn)略微增大趨勢，形狀指數(shù)在兩個(gè)時(shí)期均增加，有效網(wǎng)格面積減少至3 686.06 hm2，分離度指數(shù)增加至748.08%。

2.6 景觀格局演變驅(qū)動力分析

基于ArcGIS對包頭市2006—2010年和2010—2016年進(jìn)行景觀變化核密度分析，核密度可以直觀地反映景觀變化的密集程度，統(tǒng)計(jì)每個(gè)像元(尺寸為1 000 m×1 000 m)的核密度與2006—2016年多年平均NDVI值、MNDWI值和夜間燈光數(shù)據(jù)值，基于Matlab進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，結(jié)果如圖7所示。

圖7 2006—2016年包頭市NDVI、MNDWI、夜間燈光值平均分布圖Fig.7 Distributions of NDVI, MNDWI and average of nighttime lights in Baotou City in 2006—2016

景觀變化密集度與NDVI在2006—2010年的相關(guān)性為0.38，2010—2016年的相關(guān)性為0.426 7，植被覆蓋度高的區(qū)域多為耕地，耕地與生態(tài)景觀交錯(cuò)的區(qū)域多為景觀變化密集的區(qū)域。景觀變化密集度與MNDWI,在2006—2010年的相關(guān)性為-0.30，在2010—2016年的相關(guān)性為-0.326 1，水體景觀所占比例最小，對于景觀變化的影響較小。景觀變化密集度與夜間燈光數(shù)據(jù)值的相關(guān)性較小，在2006—2010年的相關(guān)性為0.11，在2010—2016年的相關(guān)性為0.069 5，夜間燈光數(shù)據(jù)值高的區(qū)域多為建設(shè)用地，隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，建設(shè)用地的擴(kuò)張導(dǎo)致與其交錯(cuò)的區(qū)域?yàn)榫坝^變化密集的區(qū)域。

3 結(jié)論

(1)以包頭市為研究區(qū)，將景觀類型分為草地、林地、耕地、水體、建設(shè)用地、其他用地共6種景觀類型。在2006—2016年10年間市域景觀特征發(fā)生了較大變化，2006—2010年其他用地景觀類型的減少速度高達(dá)19.48%，10年間建設(shè)用地的增加速度從1.3%增至2.76%，城市化進(jìn)程加速導(dǎo)致生態(tài)景觀破碎。在2010—2016年有15.19%的耕地轉(zhuǎn)化為草原景觀，3.79%的耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地。

(2)10年間景觀變化在包頭市呈現(xiàn)點(diǎn)狀分布，主要分布在耕地密布、草地破碎的農(nóng)業(yè)耕作區(qū)和不同景觀交替的邊緣。2006—2010年間，其他用地中

的北部裸土地經(jīng)過生態(tài)治理面積減少，其他用地重心向東南移動73.79 km，從景觀轉(zhuǎn)移反映出包頭市生態(tài)建設(shè)成效顯著。

(3)在景觀水平上，10年間蔓延度指數(shù)增加了4.85個(gè)百分點(diǎn)，散布與并列指數(shù)、景觀分割指數(shù)、香農(nóng)多樣性、香農(nóng)均勻性、聚集指數(shù)分別減小了8.93個(gè)百分點(diǎn)、0.1、0.22、0.12和1.26個(gè)百分點(diǎn)，尚未形成優(yōu)勢景觀，景觀破碎度加劇。在類型水平上，2006—2016年草地景觀的散布與并列指數(shù)、分離度指數(shù)分別減少了15.98、1.12個(gè)百分點(diǎn)；建設(shè)用地的形狀指數(shù)增長了55.3個(gè)百分點(diǎn)、聚集指數(shù)降低了4.59個(gè)百分點(diǎn)；耕地的形狀指數(shù)和分離度指數(shù)分別增加了79.5、447.74個(gè)百分點(diǎn)。結(jié)合景觀格局指數(shù)分析結(jié)果并進(jìn)行驅(qū)動力分析，發(fā)現(xiàn)景觀變化密集度與NDVI具有相關(guān)性。