近30年吉林市景观格局变化及气候效应

张 丽，赵丹丹，刘吉平，陈智文，刘家福

吉林师范大学旅游与地理科学学院，吉林 四平 136000



近30年吉林市景观格局变化及气候效应

张 丽，赵丹丹，刘吉平，陈智文，刘家福

吉林师范大学旅游与地理科学学院，吉林 四平 136000

在ArcGIS、ENVI、Excel和FRAGSTATS软件支持下，利用景观指数中的斑块数量、最大斑块指数、斑块密度、周长面积分维数、聚集度和香农多样性指数，对1980年、1995年和2010年的吉林市景观格局进行了分析。结果表明：近30年间吉林市斑块数量、斑块密度、周长面积分维数和香农多样性指数呈先增加后减少的趋势，聚集度呈先减少后增加的趋势，最大斑块指数逐渐减少；林地景观面积、草地景观面积一直在减少，湿地景观面积呈先增加后减少趋势，旱田景观面积逐渐增加。在东北地区气候变化背景下，吉林市景观格局的变化对该区气候产生了一定的影响，使该区气温上升、降雨量减少。吉林市景观格局变化与气温、降雨量变化的空间分布格局有较好的对应关系。

景观格局；景观指数；气候效应；吉林市

0 引言

景观格局是由自然或人为形成的一系列大小和形状各异、排列不同的景观要素共同作用的结果，也是一定区域生态环境体系的综合反映，其嵌块体的类型、形状、大小、数量和空间组合是各种干扰因素相互作用的结果，同时又影响着该景观内物种的丰富度、分布、种群的生存能力及抗干扰能力，影响到该景观的生态过程和边缘效应[1]。通过比较不同时间段的区域景观格局指数，分析景观格局动态演变特征与趋势，从而揭示景观格局动态变化过程及其时空规律，已成为国内外学者普遍采用的研究方法[2-4]。土地利用变化通过土地覆被的变化影响全球、区域和局地环境，景观格局对气候、生物地球化学循环、土地质量及陆地-海洋的相互作用等有重要影响[5]。关于景观格局变化对气候影响的重要性国内外学者已进行了大量研究，但对局部及区域范围内气候影响的研究仍然非常有限[6]。景观格局变化会影响到微观和中观的气候[7]，如：Schneider等[8]对瑞士纳沙泰尔湖、穆尔藤湖和比尔湖三湖地区景观变化的研究表明，景观变化对地方和区域气候影响较大；刘振等[9]模拟了环太湖区域土地利用变化的局地气候效应。因此，研究典型区域景观变化的局地尺度气候效应，对更深入系统剖析土地利用变化引起气候响应的物理机制有一定的研究意义。

近30年吉林市的社会经济发展使土地利用和景观格局发生了较大变化，进一步影响到该区的气候。笔者利用地理信息系统和遥感技术，结合景观指数模型，对1980——2010年吉林市景观格局的动态变化进行研究，在此基础上分析景观格局变化所产生的气候效应，揭示该地区的景观生态状况和空间变异特征，为该地区景观生态评价、景观规划与管理提供科学依据。

1 研究区域概况

吉林市的地理位置为东经125°40′——127°56′，北纬42°31′——44°40′，东接延边朝鲜族自治州，西临长春市、四平市，北与黑龙江省哈尔滨市接壤，南与白山市、通化市、辽源市毗邻。全市总面积27 120 km2。吉林市处于吉林省中部偏东、长白山地向松嫩平原的过渡地带，地势由东南向西北逐渐降低。吉林市属于温带大陆性季风气候，四季分明，对其景观格局变化及气候效应的研究可为生态优化提供参考。

2 数据来源和研究方法

2.1 数据来源和景观分类

在对景观格局变化的定量分析中，研究区的景观分类是其基础。笔者根据国家标准《土地利用现状分类》(GB/T 21010-2007)[10]和吉林市土地利用数据，将吉林市分为以下7个景观类型：林地、草地、水域、工矿交通居民用地、水田、旱田和湿地。气象资料来源于中国气象科学数据共享服务网(http://cdc.cma.gov.cn)。

通过对吉林市1980、1995和2010年的TM遥感影像进行解译，获得吉林市3个时期的土地利用图；利用高分辨率遥感影像进行验证，3期遥感影像的分类精度分别为89.2%、90.3%和91.5%，均能满足本研究要求。利用ArcGIS软件将3个时期的土地利用图转成Grid 数据，再运用FRAGSTATS软件进行景观格局指数计算。

2.2 研究方法

笔者采用景观格局指数比较法，在景观水平上进行景观指数的计算，以描述研究区的整体景观格局特征。在众多的景观指数中，大部分景观指数的景观格局信息重复，且单个指数无法描述整个景观的特征，这就需要对景观指数进行筛选，并结合不同的景观指数对景观格局进行分析[11-14]。根据研究区域的特征，并参考前人的研究成果[15-17]，选取斑块数量、最大斑块占景观面积比例、斑块密度、周长面积分维数、聚集度、香农多样性指数6个指数来表征景观格局的破碎程度、几何形状、空间分布排列特征以及组分。

2.2.1 斑块数量与面积指数

斑块数量与面积指数主要表征景观格局的破碎程度，包括斑块数量、最大斑块指数和斑块密度 3 个指数。其中：斑块数量反映景观的空间格局，经常被用来描述整个景观的异质性；最大斑块指数有助于确定景观的优势类型，其值的变化可以反映人类活动的方向和强弱；斑块密度表明斑块类型的破碎度，同时反映景观空间异质性程度[13]。3个指数的计算公式如下。

斑块数量(NP)：

其中：NP>1；N为整个景观的斑块总数。

最大斑块指数(LPI)即最大斑块占景观面积的比例：

其中：A为景观的总面积(km2)；aij为斑块类型i的第j个斑块的面积(km2)；Ni为景观中斑块类型i的总斑块数。

斑块密度(PD)：

其中，PD>0，表示每平方千米的斑块数。

2.2.2 斑块形状指数

斑块形状指数主要表征景观格局的几何形状，通过计算某一斑块形状与相同面积的圆或正方形之间的偏离程度来测量其形状复杂程度[18]。常用的斑块形状指数是周长面积分维数(PAFRAC)，它可以表示整个景观和各景观类型的边缘褶皱程度，揭示出景观中各组分的边界褶皱程度。其计算公式[19]如下：

其中：pij为斑块类型i第j个斑块的周长(m)；M为斑块类型数。

2.2.3 聚散性指数

聚散性指数表征景观格局的空间分布排列特征，度量同一类型斑块的聚集程度。聚散性指数主要包括聚集度、景观分离度、斑块内聚力指数等，本文选用聚集度(AI)，其计算公式如下：

其中：gii为基于单倍法的斑块类型i像元之间的结点数；giimax为基于单倍法的斑块类型i像元之间的最大结点数；ki为类型i在整个景观中所占的比率。AI等于gii的实际值除以该类型最大限度聚集在一起时的gii最大值。当同一类型的斑块最大化地分散时，AI=0；当整个景观仅由一个类型组成时，AI=100。

2.2.4 多样性指数

多样性指数表征景观格局组分，选用香农多样性指数(SHDI)。该指标能反映景观异质性，特别对景观中各斑块类型非均衡分布状况较为敏感[13]，其计算公式如下：

其中：线性回归系数a即为气候倾向率；b为常数项。

计算每个网格1980——2010年的气温、降雨量倾向率，并对气温、降雨量倾向率进行Kriging插值计算，得出气温、降雨量倾向率的空间分布图，分析景观格局变化对气温和降雨量变化的影响。

3 吉林市景观格局动态变化分析

3.1 景观指数变化特征

一般来讲，通过两期景观斑块平均面积及斑块数的比较，可以看出景观破碎化程度的变化情况。斑块的密度越大，斑块越小，景观破碎程度越高。通过景观指数的运算，得出吉林市1980——2010年的景观水平结构特征数据(表1)。

由表1可以看出近30年吉林市的景观格局变化动态。1980——2010年，吉林市斑块数量和斑块密度均呈先增加后减少的趋势。1980——1995年，NP有所增加，增加了37个，平均每年增加2.5个；1995——2010年，NP却急剧下降，减少了1 598个，平均每年减少106.5个。在这两个时间段里，PD在前15年略有增加，1995年相对于1980年增加了0.9%；而后15年显著下降，2010年相对1995年下降了37.3%。斑块密度越大，斑块越小，景观破碎程度越高。在1980——1995年，景观破碎化程度有所增加，其主要驱动力是人类活动强度增大，城市化速度加剧；而在1995——2010年，该区注重生态保护，减少对林地的开发，造成景观破碎程度降低。

表1 景观水平格局指数的结构特征

Table 1 Structural characteristics of the landscape level pattern index

年份NPPDLPIPAFRACAISHDI198042430.152656.34101.626365.46751.1231199542800.154055.17281.627565.05711.1596201026820.096549.69061.596870.21991.0386

近30年间，最大斑块指数一直呈下降趋势，1980——1995年缓慢减少，1995——2010年相对前15年下降速度较快。1980——1995年吉林市景观格局中，最大斑块类型的优势度缓慢下降，说明其在整个景观中的地位在下降；而1995——2010年的下降速度变快，显示出最大斑块对整个景观的影响程度进一步下降。

图1 近30年吉林市景观类型Fig.1 Landscape type in Jilin City during the past 30 years

PAFRAC可以反映出空间实体几何形状的不规则性。PAFRAC的理论范围值为1.0～2.0：当PAFRAC=1.0时，斑块形状为欧几里德正方形；当PAFRAC=2.0时，斑块形状最为复杂；PAFRAC越接近1.5，表示景观越不稳定。由表1可知：1980——2010年的PAFRAC都大于1.5，说明吉林市景观格局比较复杂，景观边缘不规则；2010年的PAFRAC比较接近 1.6，显示出景观结构的不稳定状态。这是由于受人为因素影响较大所致。

从景观格局的聚散程度来看，1980——2010年，吉林市聚集度呈先减少后增加的趋势：1980——1995年AI下降了0.410 4，而1995——2010年却上升了5.162 8，说明斑块由聚集向分散分布。

吉林市香农多样性指数近30年变化为2010年<1980年<1995年。由此可见：1995年比1980年、2010年景观多样性程度高，说明当年的景观中各类型面积比较均匀，差别小；而2010年的SHDI最小，在整个景观中各景观类型面积比例差异较大。

3.2 景观格局动态分析

为了揭示吉林市1980——2010年景观格局的变化特征及其气候效应，笔者以生态学理论为基础，运用空间分析方法，分别对1980——1995年、1995——2010年、1980——2010年的景观格局变化数据进行计算，加上这3个时间段的景观类型图(图1)，得出各景观类型间转化的面积。

由图1可知，1980——1995年吉林市的林地景观面积最大，其次是旱田、水田、交通工矿居民用地、水域、草地，面积最小的是湿地景观。

1980年林地景观面积略大于1995年，林地景观大部分转移成旱田景观。草地景观面积在这15年间面积略有增加，但是其转移过程中也是转移成了旱田景观。水域景观面积大多都转为旱田和水田，但是水田景观面积的增加几乎都是由旱田景观转移过来的。交通工矿居民用地景观面积略有增加，由旱田景观转移过来。湿地景观面积大约增加了 2 倍，其中 1/3 是由旱田景观转移过来的。总体来看，旱田景观面积几乎没有变化。

1995——2010年，各景观类型中林地景观的面积最大，但2010年的林地景观面积相对1995年有所减少，转移成了旱田景观。草地景观已经完全消失了，大多转移成林地景观，少部分转移到旱田景观。水域景观也向旱田景观转移。交通工矿居民用地景观面积急剧减少，转化成旱田景观。水田景观、湿地景观面积都减少，并向旱田景观转移。旱田景观面积大量增加。

图2 1980——2010年吉林市气温、降雨量变化Fig.2 Variation of temperature and rainfall in Jilin City from 1980 to 2010

4 吉林市景观格局变化的气候效应

土地利用变化通过改变地表反照率、土壤和植被的蒸散发、温室气体和活性痕量气体的排放、矿物粉尘及生物气溶胶的收支等途径对区域气候事件的发生频率和强度乃至全球气候产生一系列影响。受影响的气候因子包括温度、蒸散发、云量、降水、气压场和风场等，气候变化发生在不同的空间尺度范围内，按空间尺度的不同可划分为近地面气候(微型和局部)、区域气候(中尺度)和全球尺度(大尺度)[20]。吉林市的气候变化应属于局地气候变化，它是整个东北地区气候变化和人类活动所造成的吉林市景观格局变化共同作用下的结果，是在全球气候变化的背景下叠加了吉林市景观格局变化所产生的效应。

据我国最新的气候变化国家评估报告显示：我国的增温趋势与北半球大体相同，但各地区对气候变暖的响应不完全一致[21]，近50年东北地区增温幅度最大，达0.36 ℃/(10 a)，增温幅度较小的地区是西南地区，仅为0.15 ℃/(10 a)[22]。近30年吉林市的气温是逐渐上升的(图2)，大约增加了0.95 ℃，增温幅度为0.32 ℃/(10 a)。吉林市的气温变化规律和东北地区变化大体一致，但由于吉林市位于吉林省中东部，地处长白山地向松辽平原过渡带，植被覆盖较好，其境内松花湖总面积为554 km2，湖区的水源涵养林和水土保持覆盖率达70%以上，这些造成其气温增幅小于整个东北的平均增温幅度。同时吉林市景观格局变化也对气温变化产生一定的影响：吉林市林地、草地景观逐渐减少，旱田景观逐渐增加，而林地、草地具有调节气候的作用，林地、草地景观的减少，旱田景观的增加会造成气温的升高[23]。因此，吉林市林地、草地景观减少，旱田景观的增加是导致气温上升的因素之一。

近50年我国降雨量变化的区域差异较明显，东北地区呈减少趋势，主要是由秋季和夏季降雨量减少造成的，而西北地区和西南地区呈增加趋势[21]。同东北地区一样，吉林市年降雨量也呈减少趋势(图2)，降雨量减少幅度为18.2 mm/(10 a)。降雨量减少的原因一方面受东北地区乃至中国北方地区气候变化作用的结果，同时受吉林市下垫面变化的影响。景观格局变化对降雨量有较大影响：张宝雷等[24]研究表明，林地景观面积减少会导致降雨量下降；李月臣等[25]研究指出土地利用变化是影响降雨量的因素之一。吉林市草地景观退化，林地景观面积也在减少，对环境的影响较大，是导致降雨量下降的原因之一。

吉林市景观变化具有明显的区域差异，会对吉林市的局地气候变化产生一定的影响。笔者采用气候倾向率来研究吉林市气温和降雨量的变化趋势，计算1980——2010年的气温倾向率、降雨量倾向率，并进行Kriging插值，得到气温倾向率和降雨量倾向率空间分布图(图3)，从气温倾向率、降雨量倾向率与各景观类型变化的相关关系角度，分析湿地、林地、草地、旱田变化对气温和降雨量变化的影响。

图3 1980——2010年吉林市气温倾向率和降雨量倾向率空间分布Fig.3 Spatial distribution of temperature tendency rate and rainfall tendency rate in Jilin City from 1980 to 2010

对比分析图1和图3可以看出，吉林市景观格局变化与气温、降雨量倾向率空间分布格局有较好的对应关系。研究区的北部和东部地区气温倾向率较大，气温上升幅度较高，而降雨量倾向率较小，降雨量下降幅度较大；这主要是由于该区域农田大面积增加，林地景观、草地景观大面积减少所造成的。吉林市西南部气温上升幅度较小，而降雨量下降较少，是由于该区景观变化较小造成的。

本文研究的结果表明景观变化对于局地气候变化具有一定的作用，但景观变化对地表辐射能量收支与平衡、地表水文循环和局部大气环流的影响是相当复杂的过程，相关的过程和机制还需做更深入的分析研究。

5 结论

1)1980——2010年，吉林市的景观格局发生了明显变化，吉林市斑块数量、斑块密度、周长面积分维数和香农多样性指数呈先增加后减少的趋势，聚集度呈先减少后增加趋势，最大斑块指数逐渐减少。

2)林地景观面积最大，受人类活动的影响，1980——2010年林地面积逐渐减少，农田面积逐渐增加，林地面积丧失和农田面积增加的区域主要发生在研究区的北部和东部。

3)在整个东北地区气候变化和人类活动所造成的吉林市景观格局变化共同作用下，吉林市气候发生了明显变化，气温逐渐上升，增温幅度为0.32 ℃/(10 a)，降雨量逐渐减少，减少幅度为18.2 mm/(10 a)，吉林市景观格局变化与气温、降雨量变化的空间分布格局有较好的对应关系。

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The Change of Landscape Pattern in Jilin City and Its Effects on the Climate During the Past 30 Years

Zhang Li, Zhao Dandan, Liu Jiping, Chen Zhiwen, Liu Jiafu

CollegeofTouristandGeoscience,JilinNormalUniversity,Siping136000,Jilin,China

To analyze the landscape pattern of Jilin City in 1980, 1995 and 2010, the number of patches, patch density, the largest patch index, perimeter-area fractal dimension, aggregation index and Shannon diversity index were used by employing ArcGIS, ENVI, Excel and FRAGSTATS platforms. The results showed that the number of patches, patch density, perimeter-area fractal dimension, and Shannon diversity index increased first and then decreased, aggregation index decreased first and then increased，and the largest patch index was increased during the past thirty years in Jilin City. The areas of forest and grassland landscape had been reduced during the whole term, the area of wetland had increased first but reduced afterwards, and the area of dry landscape had expanded. Under the background of climate changing in the Northeast China, the changing of landscape pattern should have a certain effect on the climate of Jilin City. In this area, temperature increased and rainfall decreased. This study provides a scientific basis for the regional landscape ecological evaluation, landscape planning and management. A good relationship was found between the changing of landscape pattern and the spatial distribution patterns of the temperature and rainfall of Jilin City.

landscape pattern; landscape index; climatic effects; Jilin City

10.13278/j.cnki.jjuese.201501209.

2014-04-10

国家科技支撑计划项目(2013BAD07B02)；吉林省科技厅项目(20130101097JC，201215224)；吉林省教育厅项目(吉教科合字2013第201号)

张丽(1976——)，女，满族，副教授，博士，主要从事遥感技术与土地利用研究，E-mail:zli_76@163.com

刘吉平(1972——)，男，教授，博士，主要从事资源与环境信息系统研究，E-mail:liujpjl@163.com。

10.13278/j.cnki.jjuese.201501209

Q149

A

张丽，赵丹丹，刘吉平，等. 近30年吉林市景观格局变化及气候效应.吉林大学学报:地球科学版,2015,45(1):265-272.

Zhang Li, Zhao Dandan, Liu Jiping, et al. The Change of Landscape Pattern in Jilin City and Its Effects on the Climate During the Past 30 Years.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2015,45(1):265-272.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201501209.