昌江县景观类型时空演变分析

李凤武

(国家林业和草原局中南调查规划设计院, 长沙 410014)

景观格局是指各类景观要素在空间上的表现方式，这些景观要素或集聚或分散，一直以来先天自然条件是影响景观格局分布主要因素，但随着人类对自然环境的利用和改造，景观格局也逐渐随之改变。景观格局会呈现出一定的空间组合特征和结构[1]，不同的结构往往会发挥不同的功能，因此为了达到某些特定功能通常可以对景观类型进行人为改造[2-3]。我国对景观格局的研究大致起始于20世纪80年代初[4]，由黄锡筹和刘国安两位学者将景观生态学的概念引入生态领域[5]，随后国内许多学者在其基础上着重于分析方法的研究，逐渐构建出许多评价模型，用于景观格局优化等实际应用。

21世纪以来，景观格局的研究逐步倾向于景观空间异质性分析，研究对象也逐步扩大到林地、流域等区域[6-8]，外加近年来遥感技术发展和地理信息系统的普及，我国景观格局研究在这些高新技术的支持下取得了较大进步，特别是景观格局的研究方法和技术手段均有极大提升[9-11]。2017年，席冬冬[12]基于琼海市生态环境脆弱性构建了景观格局评价模型，分析并优化了景观格局空间分布；2019年边晓辉等[13]基于RS和GIS研究了太平江流域当今20年的景观格局动态变化，指出人为经济因素是影响太平江流域景观格局变化的主要因素。本文以景观格局的动态变化为切入点，以时空分析思维为引导，通过研究昌江县景观格局的结构特征与时空演变规律，分析其空间分异特性和它在时间尺度上的演化规律,以期为昌江县生态环境的可持续发展提供科学的理论指导。

1 研究区概况

昌江黎族自治县(以下简称昌江县)是海南省直辖自治县， 在18°53’—19°30’N和108°38’—109°17’E之间，地处海南岛西部，总面积1 569 km2，下辖7镇1乡，东北距省会海口市180 km，东南距三亚市190 km。平均海拔高度400～1 000 m，属热带季风海洋性气候，其特点是具有明显的大陆性岛屿气候，阳光充足，热量丰富。

2 材料与方法

数据来源为昌江县2010年森林资源二类调查、2000和2017年昌江县30 m×30 mTM遥感影像数据以及DEM数字高程数据。以西安80为坐标系，在ArcGIS10.2软件中配准昌江县1∶10 000地形图。同时参考昌江县2000年、2010年和2017年统计年鉴资料及土地类型分布图，将研究区的景观归并为林地、农地、水域、建设用地和宜林地5种类型。

2.1 构建景观类型转移矩阵

(1)

式中：Cij为k时期到k+1时期的景观类型变化图，反映景观变化的类型及其空间分布，可求得景观类型相互转化的数量关系，进而得到景观类型转换矩阵表。

2.2 景观类型动态度

各类景观类型的面积动态程度和变化速度通常采用景观类型的动态度表现，景观类型动态度还可以体现景观类型的变化强度以及预测景观动态趋势。故昌江县景观类型的变化速率通过单一景观动态度来计算，计算公式为：

(2)

式中：K为研究期间的景观动态度；Ua和Ub分别为期初和期末的景观类型面积；T为研究时段长，当T取值为年时，K值为某种景观类型的年变化率。

2.3 景观指数选取

景观指数是用于表现景观要素的多样性、破碎化和镶嵌度等景观异质性特征的量化指标，可以反映出景观类型的结构特征和空间分布，因此采用景观指数法对昌江县的景观格局变化进行分析，详见表1。

表1 昌江县景观格局指数景观指数公式公式说明斑块密度PD=niA×10 000×100反映单位面积斑块数量。ni为景观中第i个斑块类型所包含的斑块数量;A为景观总面积(m3)香农多样性指数SHDI=-∑mi=1(pilnpi)反映生态景观异质性,特别对景观中各拼块类型非均衡分布状况较为敏感,在比较和分析不同景观或同一景观不同时期的多样性与异质性变化时,随着景观中斑块类型数的增加以及它们面积比重的均衡化,SHDI值增大

续表1 昌江县景观格局指数景观指数公式公式说明香农均度指数SHEI=-∑mi=1(pi·lnpi)lnm反映出各景观中的优势景观类型和均匀分布状况,SHEI等于香农多样性指数除以给定景观丰度下的最大可能多样性(各拼块类型均等分布)蔓延度指数CONTAG= éëêêêêêê1+∑mi=1∑mk=1éëêêêê(pi)(gik∑mk=1gik)ùûúúúú×éëêêêêln(pi)(gik∑mk=1gik)ùûúúúú2lin(m) ùûúúúúúúú (100)指标描述的是景观里不同拼块类型的团聚程度或延展趋势。一般来说,高蔓延度值说明景观中的某种优势拼块类型形成了良好的连接性;反之则表明景观是具有多种要素的密集格局,景观的破碎化程度较高散布与并列指数IJI=-∑mk=1éëêêêê(eik∑mk=1eik)ln(eik∑mk=1eik)ùûúúúúln(m-1)(100)IJI是描述景观空间格局最重要的指标之一。IJI对那些受到某种自然条件严重制约的生态系统的分布特征反映显著,尤其像山区等垂直地带性强的生态系统,其分布多呈环状,IJI值一般较低;多过渡植被类型的干旱区则反之

2.4 景观适宜分析粒度

粒度效应分析是可以定性分析空间粒度变化，面积信息精度定量分析则采用面积信息守恒评价法，通过两者的定性和定量分析，可以快速便捷的计算出昌江县景观格局分析的适宜粒度[14]。

面积信息守恒评价法能有效评价粒度化后土地利用类型信息的损失精度，此法可以比较不同尺度下景观面积的变化，并能计算出其变化的相对值与绝对值。参照徐芝英等[15]学者提出面积损失精度评价指数模型，分析了各景观类型面积损失程度。

景观粒度分析需要将矢量数据转换为粒度尺度不同的栅格数据。本研究以30 m为起始粒度， 转换粒度间隔也为30 m，期间设置10组粒度梯度，最大粒度为300 m。在Fragstats4.2软件中计算不同粒度的栅格数据，以获取对应粒度下的景观指数，通过分析不同景观指数的变化趋势，确定昌江县景观适宜分析粒度。

3 结果与分析

3.1 昌江县景观类型的数量结构特征

昌江县各景观类型的分布面积和所占比例统计结果见表2。

表2 昌江县2000—2017年景观类型面积和比例景观类型面积/hm2占比/%2000年2010年2017年2000年2010年2017年建设用地5 784.198 114.738 757.263.595.045.44林地 100 103.9298 120.5198 926.6862.1660.9361.43农地 41 502.2642 422.0141 822.0625.7726.3425.97水域 5 528.755 353.685 551.593.443.333.45宜林地 8 116.617 024.815 978.155.044.363.71

从表2可知，林地景观和农地景观是昌江县的主要景观类型，两者之和占据全县总景观类型面积近90%，林地景观面积占据全县总景观类型面积的60%以上，由此可知昌江县的景观基质为林地景观，从2000年到2010年的面积变化可以看出10年时间昌江县的林地面积减小了1.23%，累计变化面积1 983.41 hm2。但10年间景观变化幅度最大的却是建设用地景观，累计增加面积2 330.54 hm2，变化比例达到了1.45%。其他景观方面：农地景观增加了919.74 hm2，变化比例为0.56%；宜林地减少了1 091.80 hm2，变化比例为0.68%；水域减少了175.07 hm2，变化比例为0.11%。

在2010年至2017年期间，五大景观类型中变化面积最大的是宜林地景观，7年间宜林地景观减少了1 046.66 hm2，变化比例为0.65%；其次为林地景观，景观面积增加了806.17 hm2，变化比例为0.50%；再是建设用地景观，其景观面积增加了642.53 hm2，变化比例为0.40%。其他景观类型：农地景观面积减少了599.95 hm2，变化比例为0.37%；水域景观面积增加了197.91 hm2，变化比例为0.12%。

3.2 昌江县景观类型的动态变化特征

根据公式(1)计算出昌江县景观类型转移矩阵，详见表3。

表3 2000—2017年景观类型转移矩阵 hm2年份景观类型2017年建设用地林地农地水域宜林地总计建设用地5 784.195 784.19林地648.9297905.321 274.68361.50100 103.922000年农地518.53312.6340 771.1611.2890.3241 502.26水域55.235 517.475 528.76宜林地1 848.89640.750.605 526.338 116.56总计8 757.2698 926.6841 822.065 551.595 978.15161 035.74

由表3可以看出，研究区各景观类型面积在2000—2017年间的转变。建设用地景观在五大景观类型中的表现最为稳定，在研究调研期间内没有发生任何景观转移现象，由此可知，建设用地景观在所有景观类型中最难转化，景观安全系数最高。按照转出面积大小排序，昌江县景观转出面积依次为：建设用地景观518.53 hm2>林地景观312.63 hm2>宜林地景观90.32 hm2>水域景观11.28 hm2，表明在此期间，研究区域内的农地景观发生了重大变化。在此期间退耕还林政策得到了良好实施，但是由于受到地理条件的限制，并不能保证所有林木的正常生长，导致部分农地演变成宜林地；建设用地景观也得到较大范围的扩展；同时农地景观的变更也导致了一定规模的水域增加。

林地景观面积的转出，以农地景观(1 274.68 hm2)最大，其次则转变成为建设用地景观(648.92 hm2)，以及部分林地景观退化成为宜林地景观(361.50 hm2)。说明研究区内有较大规模的林地复垦为农地，还有一部分林地被开发成了建设用地，以及部分林地因人为干扰或管理不善退化成了宜林地景观。

宜林地景观则以转化为建设用地景观为主，有640.75 hm2宜林地恢复为林地，及0.60 hm2水域；水域景观在这17年间基本没有太大变化，仅有55.23 hm2转化成为建设用地景观。

根据公式(2)，可计算出研究区不同时段、不同行政区的景观类型动态度，详见表4。

表4 2000—2017年景观类型动态度%景观类型2000—2017年动态度建设用地51.39林地1.18农地0.77水域0.41宜林地26.35区域动态度2.06区域年动态度0.12

表4反映出2000—2017年以来，各个时期各景观类型的动态度变化情况与整个研究区的动态变化。动态度最高的景观类型为建设用地景观，在2000—2017年间，达到51.39%，说明昌江县建设用地在此期间的得到了较大程度的发展，城市化进程推进速度较快；其次是宜林地景观，17年间的动态度为26.35%；农地景观、林地景观、水域景观的变化幅度较低，其中水域景观动态度仅0.41%，对整体景观而言基本没有改变。

3.3 景观粒度分析

经改进型景观面积损失精度评价模型计算，并将计算结果整理成图1。在粒度域值内，其粒度值处于(120 m,180 m]时，景观面积精度变化指数先是由0.482 3下降至0.286 4，然后再上升为0.749 1。由此可推断，昌江县景观格局的适宜粒度值为150 m，在该粒度基础上能保证准确的反映昌江县景观信息。

图1 不同粒度景观面积精度变化指数

3.4 景观格局分析

选取PD，CONTAG，IJI，SHDI和SHEI这5个景观指数对昌江县景观尺度上的格局变化进行分析。计算结果见表5。

1)景观结构组成

描述景观结构组成的景观指数为斑块密度(PD)，其变化趋势(表5)，在2000—2010年和2010—2017年两个时间段内，从1.651 0增加到1.728 3，随后又下降至1.717 9，呈现出先增大后缓慢减小的现象。PD的高低预示着景观斑块变化程度的大小，同时还影响着景观生态的活跃度，高的PD值有着高的景观生态的活跃度。由此可知研究区内的景观异质性在2000—2010年期间不断提高，但2010年后出现缓慢的下降趋势。

表5 2000—2017年景观尺度景观指数评价尺度年份景观格局指数PDCONTAGIJISHDISHEI20001.651 047.659 872.185 61.033 00.641 8景观尺度20101.728 346.515 274.704 51.055 70.655 920171.717 946.146 975.007 81.066 30.662 5

2) 景观聚散性分析

由表5可知，2000—2017年期间，CONTAG下降幅较小，从2000年的47.659 8下降到2017年的46.146 9，降幅仅为3.17%，这表明昌江县的景观破碎化程度有一定幅度的升高，生态系统服务功能出现了遭受了一定的破坏，理论上会使种群灭绝的可能性增加，尽管这种可能性很小。

IJI指数则有极小幅度的增加，由2000年的72.185 6增加到2017年的75.007 8，增幅为3.91%。该指数的上升反映出在此期间昌江县景观类型不同的斑块其邻接概率有所增长，同种斑块之间的逐渐疏散。IJI影响整个景观能量和信息的传播和扩散化，因此其值的增大也有助于提高生物多样性。

3) 景观多样性分析

研究区在17年间，SHDI由2000年的1.033上升到2017年的1.066 3(表5)，其演变趋势持续增加。可见，景观类型的丰富度不断增加，但同时也使得研究区景观的破碎化程度有所上升，信息含量的不定性也越来越大。SHEI由2000年的0.641 8上升到2017年的0.662 5，与SHDI的变化趋同，呈持续且缓慢的增大趋势。

4 结论与讨论

1) 林地景观和农地景观是昌江县的主要景观类型，两者之和占据全县总景观类型面积近90%，林地景观面积占据全县总景观类型面积的60%以上，由此可知昌江县的景观基质为林地景观，但建设用地景观在研究调研期间内没有发生任何景观转移现象，景观安全系数最高；2000—2017年以来各景观类型的动态度变化中，建设用地景观是整个研究时期内动态度最高的景观类型，在此期间达到51.39%，说明昌江县建设用地在此期间的得到了较大程度的发展，城市化进程推进速度较快；根据改进型景观面积损失精度评价模型的评价结果, 昌江县适宜景观粒度为150 m，在此粒度下景观斑块之间的组合状态达到最佳。

2) 选取PD，CONTAG，IJI，SHDI和SHEI这5个景观指数对研究区的格局变化进行分析。其中PD值呈现出先增大后缓慢减小的现象，说明三个时间段昌江县景观异质性大小的排序为2010年>2017年>2000年；CONTAG呈缓慢减小趋势，而IJI指数呈现缓慢增加趋势，这是因为在此期间景观类型不同的斑块其邻接概率有所增长，同种斑块之间的逐渐疏散，使得昌江县的景观破碎化程度缓慢升高，虽然有助于整个景观能量和信息的传播和扩散化，但增加了某些弱势种群灭绝的可能性；SHDI和SHEI在此期间都表现为持续增加的趋势，说明昌江县景观类型趋于丰富多元化，景观的破碎化程度也增加，其不定性的信息含量也越大。