基于土地經(jīng)濟(jì)生態(tài)位變化的城鄉(xiāng)空間景觀格局表征

基于土地經(jīng)濟(jì)生態(tài)位變化的城鄉(xiāng)空間景觀格局表征

自20世紀(jì)80年代景觀生態(tài)學(xué)的興起以來，景觀模式作為研究的重點(diǎn)內(nèi)容，形成了景觀指數(shù)、空間統(tǒng)計(jì)特征比較、馬爾科夫變換矩陣等景觀空間分析指標(biāo)和方法。其中景觀指數(shù)方法由于其具有高度濃縮景觀格局信息,能夠反映景觀結(jié)構(gòu)組成和空間配置特征且表達(dá)簡單量化等特征,在景觀格局分析和動態(tài)研究中應(yīng)用最為廣泛。隨著GIS技術(shù)的推廣,以及Fragstats、Apack等免費(fèi)軟件包的升級,有關(guān)景觀指數(shù)的研究不斷推陳出新,出現(xiàn)了如斑塊形狀指數(shù)、分維度、景觀多樣性、均勻度、優(yōu)勢度、破碎度、分離度、粒級度等多個(gè)定量化景觀指數(shù)指標(biāo),但目前眾多的景觀指數(shù)之間存在生態(tài)學(xué)過程指示性不足、景觀信息重疊、尺度干擾大等方面的不足[6~8],且在對景觀的表達(dá)上,雖然通過各類指數(shù)的計(jì)算,可以揭示景觀的演變、更替等各種景觀格局,但卻無法揭示其背后的驅(qū)動因子和影響因素。生態(tài)位理論作為生態(tài)學(xué)的基礎(chǔ)理論之一,反映的是不同物種占有新生境的能力。近年來該理論與土地資源的研究聯(lián)系越來越緊密[9~11],張俠、倪九派等在生態(tài)位態(tài)勢理論的基礎(chǔ)上構(gòu)建了土地生態(tài)位的理論和模型。土地生態(tài)位反映了在土地利用系統(tǒng)中各類型用地所能占據(jù)的空間、所處的地位和所具有的功能,定量化表達(dá)為不同土地類型利用或占用新生境的能力。土地生態(tài)位越大,表明該類土地占用新生境的能力越強(qiáng)。在空間層面,土地生態(tài)位是不同地域單元之間相互作用力大小的量度,土地生態(tài)位越大,地域空間單元吸引人流、物流的能力越強(qiáng)。同時(shí)在土地生態(tài)系統(tǒng)中,土地利用類型存在由低生態(tài)位向高生態(tài)位轉(zhuǎn)變的自組織行為,土地生態(tài)位的變化是這一自組織過程的推手,城市化進(jìn)程對這一自組織行為具有加速作用。土地生態(tài)位驅(qū)動下的土地利用類型變化,對區(qū)域物質(zhì)循環(huán)和能量流動產(chǎn)生直接或間接的影響,是區(qū)域土地景觀格局改變的重要因素之一,因此借鑒土地生態(tài)位的理論和方法用以表征城鄉(xiāng)空間景觀格局具有十分重要的意義。本文以廣東省惠州市為例,在眾多定量指標(biāo)中,基于本文研究尺度及景觀格局指標(biāo)的生態(tài)學(xué)意義,選取了表征人為干擾強(qiáng)度和景觀穩(wěn)定性的2個(gè)常用指標(biāo)——景觀破碎化指數(shù)、分維數(shù)指數(shù),從土地經(jīng)濟(jì)生態(tài)位與景觀類型變化、景觀指數(shù)變化的關(guān)系著手,闡明土地經(jīng)濟(jì)生態(tài)位對區(qū)域景觀格局變化的表征。1研究區(qū)域的概況和數(shù)據(jù)來源11.1以大型引進(jìn)外資項(xiàng)目為主導(dǎo),擁有全國最大的引進(jìn)外資惠州市屬于廣東省珠三角9市之一,與深圳、香港毗鄰,有“粵東門戶”之稱。市域面積11158km2,海岸線長223.6km,轄惠城區(qū)、惠陽區(qū)、惠東縣、博羅縣、龍門縣2區(qū)3縣,2012年城市化率63.9%?；葜菔幸酝庀蛐彤a(chǎn)業(yè)為主導(dǎo),擁有全國最大的引進(jìn)外資項(xiàng)目,已形成石化和電子信息兩大支柱產(chǎn)業(yè)。區(qū)域內(nèi)生物資源豐富,森林覆蓋率達(dá)到60%以上,生態(tài)、人居環(huán)境優(yōu)勢明顯,已獲得包括“國家衛(wèi)生城市”、“中國優(yōu)秀旅游城市”、“國家環(huán)境保護(hù)模范城市”在內(nèi)的十多項(xiàng)殊榮。11.2土地利用分類數(shù)據(jù)庫本研究數(shù)據(jù)包括1988年、2000年、2005年和2011年的惠州市Landsat-5衛(wèi)星TM遙感影像圖、惠州市統(tǒng)計(jì)年鑒。首先采用Envi4.8軟件對研究區(qū)域1988年、2000年、2005年、2011年4期遙感影像(30m分辨率)進(jìn)行監(jiān)督分類獲得土地利用分類圖。根據(jù)本研究需要,并根據(jù)“區(qū)分差異性、歸納共同性”原則,參考全國《土地利用現(xiàn)狀分類》GB/T21010-2007將土地利用類型分成建設(shè)用地、園地、耕地、林地和水體5類,得到本文的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。其次,將解譯后的土地利用圖在Arcmap10.0中轉(zhuǎn)化為柵格格式,導(dǎo)入到Fragstasts4.1軟件進(jìn)行景觀破碎化、分維數(shù)指數(shù)計(jì)算。2學(xué)習(xí)方法22.1經(jīng)濟(jì)生態(tài)位ni土地生態(tài)位在內(nèi)涵上是一個(gè)社會、經(jīng)濟(jì)、自然的多維概念,但在市場經(jīng)濟(jì)條件下,主要體現(xiàn)為土地經(jīng)濟(jì)生態(tài)位,因此,本文側(cè)重于考慮土地經(jīng)濟(jì)生態(tài)位,具體的計(jì)算公式如下:式中,Ni為不同土地利用類型或不同地域的土地經(jīng)濟(jì)生態(tài)位;Si、Pi為不同土地利用類型或不同地域的態(tài)和勢;Ai為量綱轉(zhuǎn)換系數(shù);MiXi為土地面積與單位面積收益的或地域面積與單位面積收益的乘積,即第i類土地利用的總收益或地域國內(nèi)生產(chǎn)總值;Yi為第i類土地經(jīng)濟(jì)收益的年增長量或國內(nèi)生產(chǎn)總值年增長量;Ri為附著在第i類土地利用類型上的人口數(shù)量或某一地域人口數(shù)量。22.2設(shè)斑塊的剛度、破碎度、分維數(shù)指數(shù)fd1)景觀破碎化指數(shù)(FN):景觀的破碎化狀況是景觀格局的重要屬性特征之一,它與人類活動密切相關(guān),同時(shí)與自然資源的保護(hù)互為依存。破碎度指數(shù)的高低可以表征景觀被分割的破碎程度,從而反映景觀空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和人類對景觀的干擾程度。破碎度指數(shù)值越小,則景觀斑塊具有較好的完整性,破碎度指數(shù)值越大,表明受人類活動干擾強(qiáng)度大。計(jì)算公式為:式中:FN是破碎化指數(shù),A是景觀類型面積,MPS是景觀里各類斑塊的平均斑塊面積,n是景觀類型斑塊的總數(shù)。2)分維數(shù)指數(shù)(FD):主要是反映復(fù)雜形體占有空間的有效性,它是復(fù)雜形體不規(guī)則性的量度,其值在1~2之間。應(yīng)用分維數(shù)指數(shù)可以定量來描述某類型景觀核心面積的大小及其邊界線的曲折性。分維數(shù)越趨近于1,景觀斑塊具有較小的核心面積和較大的邊界曲折性,斑塊的幾何形狀越趨于規(guī)則;反之,分維數(shù)越趨近于2,景觀斑塊具有較大的核心面積和較小的邊界曲折性,斑塊的幾何形狀趨于不規(guī)則。計(jì)算公式為:式中,FD表示分維數(shù);P為斑塊周長;A為斑塊面積。3改變徽州土地經(jīng)濟(jì)生態(tài)位的城市景觀結(jié)構(gòu)是城市景觀的特征33.1土地經(jīng)濟(jì)生態(tài)位根據(jù)公式(1)計(jì)算惠州市1988~2011年的土地經(jīng)濟(jì)生態(tài)位。從表1可知1988~2011年惠州市各類景觀土地經(jīng)濟(jì)生態(tài)位的變化特征為:建設(shè)用地由1988年的0.411增加到2011年的0.640,年均增長2.42%;耕地的經(jīng)濟(jì)生態(tài)位先下降后上升,2000年以后由0.102上升到0.114,年均增長1.10%,建設(shè)用地的年均增長率在三者中是最快的;園地的經(jīng)濟(jì)生態(tài)位亦先下降后上升,總體表現(xiàn)為上升趨勢,由0.139下降到0.116,2011年上升到0.142,年均增長0.82%;林地的經(jīng)濟(jì)生態(tài)位不斷下降,由1988年的0.089下降到2011年的0.037,下降幅度達(dá)到年均2.91%;水體的土地經(jīng)濟(jì)生態(tài)由0.175下降到0.074,下降幅度達(dá)到年均2.52%。土地經(jīng)濟(jì)生態(tài)位總體變化特征為建設(shè)用地、耕地、園地的經(jīng)濟(jì)生態(tài)位不斷上升,林地和水體的經(jīng)濟(jì)生態(tài)位呈下降趨勢;這與城市化過程中土地利用變化趨勢保持一致,可見城市化過程是導(dǎo)致生態(tài)景觀改變的重要推手。以惠州市1988年、2000年、2005年、2011年遙感解譯圖像為依據(jù),對各景觀類型土地面積進(jìn)行柵格統(tǒng)計(jì)得到圖1。從圖1可知,1988~2011年惠州市各類土地的特征為:林地是主要的用地類型,其次是耕地、園地和建設(shè)用地;在各類用地中,建設(shè)用地、耕地、園地景觀面積從1988~2011年呈現(xiàn)不斷增加的態(tài)勢,其中建設(shè)用地由330.25km2增加到496.30km2,增加了166.05km2;耕地由2022.83km2增加到2594.25km2,增加了571.41km2;園地由295.32km2增加到659.95km2,增加了364.63km2;而惠州市景觀變遷主要貢獻(xiàn)者是林地和水體,其景觀面積從1988~2011年呈現(xiàn)不斷減少的態(tài)勢,林地由8287.69km2減少到7217.58km2,減少了1070.11km2;水體由339.90km2減少到307.50km2,減少了32.40km2。比較表1和圖1,惠州市建設(shè)用地、耕地、園地在1988~2011年期間,出現(xiàn)建設(shè)用地、園地、園地景觀面積增大與土地經(jīng)濟(jì)生態(tài)位同步增大的趨勢;與此同時(shí),林地、水體土地經(jīng)濟(jì)生態(tài)位不斷下降與用地面積不斷減少的同步特征,表現(xiàn)出各景觀類型的在數(shù)量變化上與相應(yīng)的用地土地經(jīng)濟(jì)生態(tài)位變化一致性的規(guī)律,由此可見土地經(jīng)濟(jì)生態(tài)位是推動景觀面積變化的驅(qū)動力。33.2不同類型景觀的破碎化指數(shù)變化從1988~2011年惠州市景觀破碎化指數(shù)的絕對值來看(圖2),林地的破碎化指數(shù)最大,在景觀生態(tài)學(xué)中,該景觀類型被分割的破碎化程度高,景觀空間復(fù)雜、異質(zhì)化程度高;結(jié)合土地經(jīng)濟(jì)生態(tài)位來看(表1),林地的土地經(jīng)濟(jì)生態(tài)位最低。破碎化指數(shù)方面,建設(shè)用地、水體、園地的破碎化指數(shù)相對較低,原因是該類景觀由大量的人工構(gòu)筑物構(gòu)成,形狀較為方正、規(guī)則;這類景觀被分割的破碎化程度低,景觀空間結(jié)構(gòu)簡單、均質(zhì)化程度高,該類景觀的土地經(jīng)濟(jì)生態(tài)位相對較高。耕地的破碎化指數(shù)介于兩者之間,其破碎化的程度亦介于兩者之間,耕地的經(jīng)濟(jì)生態(tài)位要高于林地,但低于建設(shè)用地、水體、園地。因此,土地經(jīng)濟(jì)生態(tài)位數(shù)值越低,該景觀類型破碎化程度越高,景觀發(fā)生轉(zhuǎn)變的可能越高。從1988~2011年景觀破碎化指數(shù)的動態(tài)變化來看,建設(shè)用地、耕地、園地隨著時(shí)間的變化,其破碎化指數(shù)呈現(xiàn)不斷增大的態(tài)勢,其中建設(shè)用地由0.029增大到0.044;耕地由0.179增大到0.230;園地由0.026增大到0.059;而林地、水體的破碎化指數(shù)則不斷減小。結(jié)合土地經(jīng)濟(jì)生態(tài)位動態(tài)變化來看,兩者之間表現(xiàn)出同一種景觀類型增減一致性的關(guān)系。33.3主要景觀類型動態(tài)變化從1988~2011年景觀分維數(shù)指數(shù)的絕對值來看(圖3),耕地、林地的分維數(shù)趨近于2,從景觀生態(tài)學(xué)上說,耕地、林地景觀的斑塊自我相似性程度低、自然化程度高、斑塊形態(tài)復(fù)雜,與此同時(shí),該類景觀的土地經(jīng)濟(jì)生態(tài)位較低,其中林地具有最高的分維數(shù)以及最低土地經(jīng)濟(jì)生態(tài)位;建設(shè)用地、園地、水體的分形維數(shù)趨近于1,其中水體的分維數(shù)最低,均值為1.380,表明建設(shè)用地、園地、水體的斑塊自我相似性程度高,斑塊形態(tài)規(guī)整,受人為干擾作用強(qiáng),同時(shí)該類景觀的土地經(jīng)濟(jì)生態(tài)位也較高。從景觀分維數(shù)指數(shù)的動態(tài)變化來看,惠州市1988~2011年景觀分維數(shù)指數(shù)總體隨時(shí)間變化不大,在變化趨勢方面表現(xiàn)為,建設(shè)用地、耕地、園地的分維數(shù)指數(shù)不斷增大,其中建設(shè)用地由1.367增大到1.417;耕地由1.601增大到1.634;園地由1.386增大到1.456;而林地和水體的分維數(shù)指數(shù)則不斷減小,分別由1.769、1.386減小到1.755、1.352。結(jié)合土地經(jīng)濟(jì)生態(tài)位動態(tài)變化來看,兩者之間表現(xiàn)出同一種景觀類型增減一致性的關(guān)系。由表2可看出,惠州市各區(qū)縣1988~2011年的土地經(jīng)濟(jì)生態(tài)位的動態(tài)變化表現(xiàn)出以下特征:1988~2011年惠東縣的土地經(jīng)濟(jì)生態(tài)位總體處于下降趨勢,惠城區(qū)、惠陽區(qū)的土地經(jīng)濟(jì)生態(tài)位總體呈上升趨勢,而博羅縣、龍門縣則波動變化;從生態(tài)位的絕對數(shù)量大小來看,整體表現(xiàn)為惠城區(qū)>惠陽區(qū)>博羅縣>惠東縣>龍門縣。將1988年、2000年、2005年、2011年的遙感解譯圖導(dǎo)入到Arcmap10.0進(jìn)行矢量化,并兩兩進(jìn)行空間疊置分析,得到1988~2000年、2000~2005年、2005~2011年3個(gè)時(shí)期土地利用轉(zhuǎn)移矩陣情況,通過屬性查詢得到各個(gè)時(shí)期新增景觀的空間分布情況,并加以疊加得到1988~2011年新增建設(shè)用地、耕地、園地的分布情況(圖4)。由圖4所示,新增的建設(shè)用地面積主要集中分布在惠城區(qū)、惠陽區(qū);新增的耕地主要集中在惠城區(qū)、博羅縣;新增的園地集中在惠陽區(qū)、惠東縣,由此可見,惠州市城鄉(xiāng)用地空間上,景觀格局發(fā)生改變的空間主要集中在惠城區(qū)、惠陽區(qū)、博羅縣、惠東縣。結(jié)合土地經(jīng)濟(jì)生態(tài)位來看(表2),景觀格局的空間變化主要發(fā)生在土地經(jīng)濟(jì)生態(tài)位高的區(qū)縣,土地經(jīng)濟(jì)生態(tài)位的變化是景觀空間格局變化的影響因子。4土地經(jīng)濟(jì)生態(tài)位影響地生態(tài)系統(tǒng)景觀變化的驅(qū)動因子主要由自然驅(qū)動因子和人為驅(qū)動因子構(gòu)成,自然驅(qū)動因子較為穩(wěn)定,具有一定的累積效應(yīng),而人為驅(qū)動因子則相對比較活躍。本文將綜合了自然與人為因素的土地生態(tài)位理論引入到區(qū)域景觀格局的研究當(dāng)中,探討土地經(jīng)濟(jì)生態(tài)位及其動態(tài)變化與景觀格局之間的關(guān)系,為城鄉(xiāng)空間景觀格局表征引入了新的理論和方法。主要結(jié)論有以下幾點(diǎn):1)土地經(jīng)濟(jì)生態(tài)位是城鄉(xiāng)空間景觀數(shù)量變化的重要驅(qū)動力?；葜菔芯坝^生態(tài)系統(tǒng)當(dāng)中存在建設(shè)用地、耕地、園地景觀面積增加,土地經(jīng)濟(jì)生態(tài)位上升;林地、水體景觀面積減少,土地經(jīng)濟(jì)生態(tài)位下降,景觀面積的增減表現(xiàn)出與土地經(jīng)濟(jì)生態(tài)位升降具有一致性的規(guī)律。2)土地經(jīng)濟(jì)生態(tài)位是城鄉(xiāng)空間景觀指數(shù)變化的重要影響因子。在惠州市景觀生態(tài)系統(tǒng)當(dāng)中,各類景觀土地經(jīng)濟(jì)生態(tài)位高低依次為建設(shè)用地>園地>耕地>水體>林地,相應(yīng)的景觀破碎化和分維數(shù)指數(shù)均為林地>耕地>園地>建設(shè)用地>水體。土地經(jīng)濟(jì)生態(tài)位越小,景觀的破碎化程度越高,景觀形態(tài)越復(fù)雜,景觀越容易發(fā)生轉(zhuǎn)變;反之則破碎化程度越低,形態(tài)越簡單,景觀越難發(fā)生轉(zhuǎn)變。從時(shí)間維度的動態(tài)