基于GIS和景观生态学的土地整理景观研究
田劲松1, 过家春1, 刘琳1, 江竹华2
1.安徽农业大学理学院,合肥 230036
2.安徽田园土地规划设计有限公司,合肥 230031

第一作者简介: 田劲松(1975-),男,讲师,硕士,主要从事土地整理、3S技术和景观生态学方面的研究。

摘要

运用GIS技术和景观生态学理论方法,以安徽省淮南市潘集区市级投资重点土地整理项目为例,选取3类景观指标,对项目区内土地整理前后的土地利用现状和景观格局变化情况进行研究。结果表明: 景观类型中水田斑块占绝对优势,斑块分维数、形状指数呈下降趋势,表明斑块形状趋于规则和简单; 斑块数量和斑块密度降低,平均斑块面积和最大斑块面积增加,最大斑块指数增大,景观破碎度降低; 平均分维数和平均形状指数增大,表明景观形状较整理前变得规则,但总体形态变得复杂; 多样性指数和均匀度指数降低,表明在增加了景观分布均匀程度的同时降低了景观的多样性,景观类型有所减少。

关键词: 土地整理; GIS; 景观生态学; 景观格局
中图分类号:TP301.24 文献标志码:A 文章编号:1001-070X(2011)01-0110-05
A Study of Landscape Pattern of Land Consolidation Based on GIS and Landscape Ecology
TIAN Jin-song1, GUO Jia-chun1, LIU Lin1, JIANG Zhu-hua2
1.Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China
2.Anhui Rural Land Planning and Design Company, Hefei 230031, China
Abstract

Using GIS technology as well as theory and methods of landscape ecology,the authors studied landscape pattern of land consolidation. Exemplified by the land consolidation key project for Huainan city,the authors selected three targets and probed into the land use situation and landscape pattern before and after land consolidation. The changes of land use structure and landscape patterns based on land consolidation were analyzed using Geographical Information System combined with the method of landscape ecology, and some results were obtained. First,paddy fields are predominant in the landscape pattern, and the patch fractal dimension and the shape parameters tend to decrease gradually, indicating that the pattern of patches has become regular and simple. Second,the number of landscape patches and patch densities are relatively low,the average patch area and the maximum patch area increase,and the maximum patch index rises steadily. All this shows that landscape diversity has been reduced simultaneously with the increase of the landscape distribution uniformity.

Keyword: Land consolidation; Geographical Information System; Landscape ecology; Landscape pattern
0 引言

土地整理活动是一个重建生态环境系统的过程, 它将对区域环境要素及其生态过程产生影响。Mohen B K[1]等提出了利用中性分类方法研究城市土地利用现状监测网络; Bonfanti P[2]等从区域的角度探讨了土地整理对景观格局的影响, 提出了全面的、有价值的土地整理格局变化信息需要利用景观指数, 从区域等多种时空尺度上去研究。但我国关于土地整理项目的景观效益分析还缺乏系统研究[3]。土地整理的生态环境影响因子可以归纳为土地整理项目工程的特性、土地整理后土地利用类型结构的变化以及景观格局的变化。其中, 土地整理项目工程会对土壤质量、水文环境、生物多样性、农田小气候等产生影响; 未利用土地的开发、交通用地的增加以及土地利用类型的单一化会对生态环境产生影响; 而土地景观格局的变化可能会影响动物生态行为, 同时会提高区域整体的环境美学价值[4, 5, 6, 7, 8]。以前土地整理主要注重其经济效益, 但土地整理景观效应研究是土地整理理论和实践研究的重要组成部分。如何借鉴与综合景观生态学理论方法来科学、客观地进行土地整理景观生态分析, 以推动土地整理的健康有序发展, 是重要而又亟待解决的问题[9]

本文在整理和借鉴已有理论和方法的基础上, 运用GIS和景观生态学理论方法, 以安徽省淮南市潘集区高隍镇苏咀等9个村土地整理项目为例, 选取斑块水平(Patch-level Index)、斑块类型水平(Class-level Index)和景观水平(Landscape-level Index)3个层次中的主要指标, 对项目区内土地整理前后的土地利用现状和景观格局变化情况进行研究, 旨在为新时期土地整理工作的效益评价和规划设计提供依据。

1 研究区概况

潘集区位于淮南市淮河以北地段, 东部与南部都以淮河为界, 北及东北方向与怀远相邻, 以茨淮新河、黑河为界, 地处淮北平原的南端, 形如柳叶状, 东西长而南北狭窄。高皇镇位于潘集区东部, 南与田家庵中心城区隔淮河相望, 辖区面积7 000.00 hm2, 耕地3 712.8 hm2。研究区位于淮南市潘集区高皇镇境内, 涉及苏咀村、老圩村、曹尹村、赵岗村、前圩村、朱岗村、后集村、巷东村及胜利村等9个行政村。土地总面积376.999 7 hm2

2 研究方法

首先, 依据新版土地利用分类结构和土地利用现状, 将研究区内的景观格局分为7大类11小类。

然后, 借助土地整理前的1:1万土地利用现状图、1:1万地形图、1:2 000勘测定界图以及整理后的1:2 000土地整理成果图, 利用MapGIS 6.7、数字化成图软件(南方cass 7.0)以及Excel 2003软件进行图形属性(面积、周长、斑块数量等)分析和统计, 整理前后的土地利用类型面积统计结果如表1所示。

表1 土地整理实施前后的土地利用类型面积统计 Tab.1 Count the classification area before and after land consolidation

最后, 使用Excel 2003计算研究区内景观格局各项指标变化情况, 从斑块水平、斑块类型水平和景观水平3个层次上分别选取主要指标参数进行计算, 并分析景观格局变化效应。

3 景观指标的选取[10, 11]

景观指标是指能够高度浓缩景观格局信息, 并反映其结构组成和空间配置等方面特征的定量指标。景观格局特征可以从单个斑块指标、斑块类型指标以及景观镶嵌体[12]3个层次上分析。本文景观格局指标选取了单个斑块水平指标(主要有斑块形状指数和斑块分维数)、斑块类型水平指标(主要选取斑块总面积、景观百分比、最大斑块指数、平均斑块面积)和景观水平指标(平均形状指数、平均分维指数、多样性指数、均匀度指数、优势度指数)。

3.1 斑块水平指标

斑块水平指标是描述研究区分布的每一个斑块的几何特征指数, 可以定量反映每个斑块在景观中的生态学意义和属性特征。一般情况下, 人类干扰强度大, 斑块形状就趋于简单, 具有较低的分维值, 但自然形成的斑块边缘趋于复杂化, 分维值较高。

(1) 形状指数(A)。其公式为

A=0.25pij/ aij(1)

式中, pij为斑块周长(m); aij为斑块面积(m2)。

(2) 斑块分维数(B)。其公式为

B=2ln(0.25pij)/ln aij(2)

3.2 斑块类型水平指标

斑块类型水平指标是描述研究区每一种类型的景观指数[13], 它综合了某一既定类型景观类型上所有的斑块信息, 表征景观空间构型的破碎度[14]。主要指标有斑块总面积、景观百分比、最大斑块指数及平均斑块面积等, 是用来表征景观空间构型的主要因素。

(1) 斑块总面积(C)。其公式为

C= i, j=1naij( 110000)(3)

式中, aij为相应斑块面积。

(2) 景观百分比(D)。其公式为

D=( i, j=1naij/10 000Z)× 100(4)

式中, Z为景观总面积。

(3) 最大斑块指数(G)。该指数描述了整个景观被最大斑块占据的程度, 是优势度的一个简单测度, 其公式为

G=(max aij/10 000Z)× 100(5)

(4) 平均斑块面积(H)。该数据是景观类型和面积的综合测度, 其公式为

H=C/n (6)

式中, H的单位是hm2; n是斑块数目。

3.3 景观水平指标

景观水平指标是把研究区作为一个整体来描述景观格局分布的特征指数, 它综合了所有景观类型的信息或是建立在所有信息上的指标[15, 16]。这些指标对整个区域的生态过程及其相互之间的作用提供了必要条件, 它是表征景观多样性、均匀度和优势度的关键指标。

(1) 平均形状指数(M)。该指数是景观形状的测度, 其公式为

M= i=1mj=1n0.25pijaij/Y(7)

式中, aij为相应斑块面积(m2); Y为景观中斑块数目。

(2) 平均分维指数(N)。该指数表示景观总体的形状特征, 其公式为

N= i=1mj=1n2ln(0.25pij)lnaij/Y (8)

式中, pij为斑块周长(m)。

(3) Simpson多样性指数(O)。该指数表示随机选取的景观类型是不同类型的可能性, 其公式为

O=1- i=1mDi2(9)

式中, Di表示景观类型i的景观百分比。

(4) Simpson均匀度指数(P)。Simpson均匀度指数是景观均匀度的测度, 均匀度是指不同景观类型面积分布的均匀程度, 其公式为

P=(1- i=1mDi2)/[1-( 1m)](10)

式中, Di表示景观类型i的景观百分比; m表示与景观类型i相邻的景观类型j的类型数目。

(5) 优势度指数(Q)。优势度指数表征某一景观类型在整个景观中的优势程度, 其公式为

Q=2- 1m- i=1mDi2(11)

式中, Di表示景观类型i的景观百分比; m表示与景观类型i相邻的景观类型j的类型数目。

4 结果与分析
4.1 土地整理对斑块格局特征的影响

土地整理前后对斑块格局特征的影响通过斑块水平指标来反映[17]。一般情况下, 人类干扰强度大, 斑块形状就趋于简单, 具有较低的分维值, 但自然形成的斑块边缘趋于复杂化, 分维值较高, 计算结果如表2所示。

表2 土地整理前后景观类型的斑块特征比较 Tab.2 The patch characteristics of landscape before and after land consolidation

表2分析得知, 土地整理后, 研究区旱地全部转变为水田, 耕地数量和斑块总面积最大, 在景观中占有绝对优势。从斑块分维数可以看出, 各种景观斑块的分维值大部分呈下降趋势, 表明斑块形状趋于规则简单。另外, 水田斑块的分维数最大, 表明此斑块的周长最长以及整体形状最复杂。斑块形状指数基本呈下降趋势, 表明景观中斑块形状趋于规则, 水田斑块的形状指数最大, 表明其形状最复杂。整理后旱地全部转变为水田, 分维数和形状指数均为0, 水田斑块的分维数由1.462 1下降为1.370 8, 形状指数由31.323 4降为15.865 2, 农村宅基地斑块的形状指数由25.890 5下降为10.224 1, 分维数由1.461 4下降为1.421 9, 表明土地整理对水田和旱地的影响较大, 其边缘比较规则, 有利于机械化作业和田间管理。规划后水田斑块形状较整理前规则, 水田、旱地和农村宅基地斑块受人为因素干扰较大。整理前后果园斑块面积保持不变, 但形状指数和分维数均降低较大, 表明只是对其形状进行了整理, 受人为因素干扰斑块形状比较规则, 边缘变得简单。

4.2 土地整理对斑块类型水平指标的影响

利用MapGIS 6.7进行面积、周长及斑块数量的分析和统计。利用Excel 2003软件计算斑块总面积、景观百分比、最大斑块指数、平均斑块面积等4项指标值。属性信息统计结果如表3所示, 斑块类型水平指标计算结果如表4所示。

表3 整理前后斑块属性统计 Tab.3 Count the patch-attribute before and after land consolidation
表4 斑块类型水平指标 Tab.4 The patch class-level index

表3表4可以看出, 土地整理后, 斑块数量减少了2 973个, 降低了62.49%。平均斑块面积增加了5.275 6 hm2, 与整理前比较, 斑块变得均匀。从斑块总面积、景观百分比、最大斑块指数可以看出, 整理后水田斑块数量下降, 面积增大, 形状规则, 斑块聚集度增加, 斑块破碎度明显下降; 整理后原来的果园、沟渠等斑块总面积、景观百分比、最大斑块指数变化不大, 说明只做过边界调整, 破碎度没有明显变化; 对一些小水塘和部分农村宅基地斑块整理成水田, 但水塘斑块面积增大, 而数量明显减少, 破碎度降低; 从景观整体来看, 景观整体优势度增加, 破碎度降低。

4.3 土地整理对景观水平指标的影响

计算出斑块形状指数、斑块分维数、斑块数目的和, 以及景观百分比平方和、研究区景观类型数目, 其结果如表5所示。

表5 斑块水平和斑块类型水平数据统计 Tab.5 Count patch-level index and class-level index

根据景观生态学原理[18], 景观水平指标主要包括景观平均形状指数、平均分维指数、Simpson多样性指数、Simpson均匀度指数和优势度指数, 结合Excel 2003, 计算结果如表6所示。

表6 景观整体空间水平指标 Tab.6 Overall spatial landscape-level index

表6分析, 平均形状指数有所增加, 说明景观形状接近于规则; 平均分维指数增大, 说明景观总体的形态变得比整理前复杂; 多样性指数和均匀度指数的大小取决于斑块类型的多少和各斑块类型在面积分布上的均匀度, 两者值越大, 说明景观结果组成的复杂性越大、景观分布越不均匀。整理后Simpson多样性指数降低, 说明景观整体类型数目减少, 景观异质性较高, 但各景观类型所占比例差别较大; Simpson均匀度指数降低, 说明景观分布均匀程度有所增大, 但仍有景观类型面积分布不均匀、少数景观类型控制整个景观的现象; 从优势度指数也可以分析出, 整理前后优势度指数值均大于1, 表示景观只受一个或几个斑块类型支配, 这与通过均匀度指数分析出来的结果一致。

5 结论

(1)基于GIS和景观生态学丰富了土地整理景观研究的理论和方法, 为土地整理规划与可行性研究中景观效益评价提供了参考。

(2)此次土地整理增加了水田斑块面积, 完善了农田水利, 提高了灌溉、排涝标准, 增强了抵御旱涝灾害的能力, 提高了耕地质量, 增加了耕地产出率。

(3)通过田块重划、土地平整和完善田间道路工程等工作, 方便了田间作业, 改善了农业生产条件, 为区内农业机械化生产和规模化经营创造了条件。

(4)通过土地整理, 斑块形状趋于规则, 景观整体空间水平提高; 各种景观斑块的分维值大部分呈下降趋势, 多样性指数、均匀度指数降低, 说明土地整理后景观破碎度和景观多样性有所降低。

The authors have declared that no competing interests exist.

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