滨海开发带景观格局指数的尺度效应及对土地利用变化的响应——以江苏省大丰市为例

崔 闪 闪，刘 庆*，王 静

(1.青岛农业大学资源与环境学院，山东 青岛 266109；2.中国土地勘测规划院，北京 100035)

滨海开发带景观格局指数的尺度效应及对土地利用变化的响应
——以江苏省大丰市为例

崔 闪 闪1，刘 庆1*，王 静2

(1.青岛农业大学资源与环境学院，山东 青岛 266109；2.中国土地勘测规划院，北京 100035)

以江苏省大丰市为例，基于景观生态学方法，从斑块类型和整体景观两个水平研究了滨海开发带景观格局指数的尺度效应及其对土地利用变化的响应。结果表明：斑块水平上，耕地、水域及水利设施用地是对尺度变化较为敏感的用地类型；斑块密度、斑块结合度指数、斑块聚集度指数、有效网格大小、面积加权平均形状指数是对尺度变化较为敏感的指数。景观水平上，不同转换尺度形成的土地利用景观的空间异质性差异不大；各景观指数随尺度增加均呈现出下降的趋势,其变化可用指数函数或二项式函数进行拟合。2008年以来土地利用变化使景观的丰富度和结构的复杂性有所提升，景观斑块的破碎度、连通性和聚集性降低，分离度增大。总体上滨海开发带土地利用变化使研究区景观格局更加合理，生态稳定性进一步增强。

土地利用变化；景观指数；尺度效应；滨海开发带

0 引言

土地利用的生态效应一直是生态学家关注的问题[1]。从景观生态学的角度开展土地利用生态效应的研究是近年来逐渐兴起的一个新的研究方向，但不同空间尺度下的研究结果却存在差别[2，3]。在景观生态学中，空间尺度是指景观中最小可分辨单元所代表的特征长度、特征面积或特征体积[3-5]，空间尺度效应是指地理信息随栅格大小变化对景观空间格局产生影响的现象[5]。尺度效应常用的分析方法有景观空间格局指数和景观格局分析模型两种。其中，景观空间格局指数具有定量分析景观格局分布特征的优点，在过去的30多年里得到了迅速发展，出现了许多相关的软件和程序[6-9]。但是，由于地理信息运动的每一个环节都受到尺度的影响[3]，导致测算结果随尺度的变化而发生改变，极易出现“面积的可塑性”或“可塑性面积单元问题”[3-4,10]，因此，许多学者开展了关于景观格局指数尺度效应的研究。曹银贵等[11]基于5个时期的MSS影像和TM影像解译得到的土地利用现状图，从类型和景观两个层次上分析了三峡库区近30年间土地利用景观格局的尺度效应，很好地反映了景观格局指数在空间尺度上的变化规律。邱海军等[12]基于黄龙县1∶50 000土地利用现状图，从微观和宏观两个角度分析了景观格局的尺度效应，很好地解释了尺度的选择对景观格局指数的影响。

自20世纪90年代中国开展以县为单位的土地调查以来， 1∶1万土地调查成果为景观指数的尺度效应研究提供了重要数据源[13]，但不同区域尺度下土地利用调查成果的制图比例尺从1∶1万到1∶100万不等，针对我国几种常见比例尺对应尺度下的景观特征缺少实际的研究案例，很难回答不同制图比例尺对土地利用信息反映的差异。同时，基于土地调查数据的景观格局指数尺度效应研究主要集中于生态环境脆弱地区[14-17]和快速城市化地区[18-20]，对于海洋与陆地交接地带的滨海开发带研究相对较少，导致这些地区因土地开发所导致的生态环境变化得不到及时反映。因此，研究滨海开发带景观格局指数的尺度效应及其对土地利用变化的响应，可为不同比例尺下土地利用成果或不同分辨率数据源的信息差异研究提供参考，为滨海开发带土地利用规划和管理提供依据。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

大丰市位于江苏省盐城市的东南部，地处北纬32°56′～33°36′，东经120°13′～120°56′之间，位于亚热带与暖温带的过渡地带，四季分明，气温适中，雨量充沛，适宜喜湿作物的生长。大丰市共有土地总面积3 059 km2，属于淤积平原，地形南宽北窄，辖12个镇，1个经济技术开发区、1个海洋经济综合开发区。截止2013年末，大丰市户籍人口72.54万人，国内生产总值443.52亿元，全市人均地区生产总值63 229元，在“全国县域经济基本竞争力百强县(市)”中排名第54位。

1.2 数据来源

本研究主要数据来源于江苏省大丰市2008年和2013年土地利用调查和变更调查数据，数据比例尺为1∶1万。该数据土地利用分类根据2007年国土资源部颁布的《第二次全国土地调查技术规程》(TD/T1014-2007)进行，其中一级类12个，二级类57个。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用类型合并 参照《全国土地分类(试行)》[21]及《生态环境状况 评价技术规范(试行)》[22],同时结合研究区特点，将研究区土地利用类型按照一级类划分标准归并为耕地、园地、林地、草地、交通运输用地、水域及水利设施用地、城镇及工矿用地、其他用地共8种用地类型；其次，利用ArcGIS10.0软件，对合并后的各个地类进行边界融合。

1.3.2 图件转换 根据《土地利用动态遥感监测规程》中规定的1∶1万比例尺最小上图单位为2 mm的规定，计算出1∶1万比例尺下地物的最小长度为20 m。以此为基础，分别选择20 m、50 m、100 m、200 m、400 m、500 m、1 000 m、2 000 m作为基本输出单元，然后按照中心属性值法(即网格取值以栅格单元框架中心点的属性值作为输出值)，将经合并后的比例尺为1∶1万的2013年土地利用现状图矢量数据进行栅格转换，分别转化为相当于1∶1万、1∶2.5万、1∶5万、1∶10万、1∶20万、1∶25万、1∶50万和1∶100万的8种比例尺栅格图，为便于对不同年度间土地利用变化景观格局变化的比较，在对2013年土地利用数据按不同尺度进行栅格转化的同时，将通过同样方法合并后的2008年土地利用数据转化为20 m的栅格数据。

1.3.3 景观指数选取与计算 综合前人研究经验，从斑块类型和整体景观水平上对景观格局指数进行选取[1]，其中，斑块类型水平上景观指数包括：斑块密度(PD)、斑块面积百分比(PLAND)、有效网格大小(MESH)、面积加权平均形状指数(SHAPE-AM)、面积加权平均斑块分维数(FRAC-AM)、斑块结合度指数(COHESION)、聚集度指数(AI)、分离度指数(DIVISION)；景观水平上的指数包括：斑块密度(PD)、面积加权平均斑块分维数(FRAC-AM)、平均形状指数(SHAPE-MN)、景观聚集度指数(AI)、景观分离度指数(SPLIT)、蔓延度指数(CONTAG)、香农多样性指数(SHDI)、香农均匀度指数(SHEI)。利用Fragstats3.4软件对以上景观指数进行计算和统计分析，各景观指数的含义见Fragstats3.4软件指南。

1.4 数据处理

研究区土地利用数据的处理采用ArcGIS10.0软件；景观指数的计算采用Fragstats3.4软件；数据的统计分析与绘图采用Excel 2010软件。

2 结果与讨论

2.1 类型水平上的景观指数尺度效应分析

通过Fragstats3.4软件，基于大丰市2013年土地利用调查数据，分别计算了斑块类型水平上的景观指数在20 ～ 2 000 m空间尺度范围内的变化，结果见图1。

(1)斑块密度随尺度的增加而降低，不同土地利用景观的斑块密度表现出相似的变化规律，尺度效应明显且具有较强的可预测性；在20 ～ 100 m的范围内，斑块密度减少幅度较大。其中，降低幅度最明显的是水域及水利设施用地和城镇及工矿用地，说明研究区水域及水利设施用地和城镇及工矿用地斑块较为零散或破碎，小面积斑块所占比例较多[23]，这与该地区具有大面积水稻种植密切相关；在大于100 m的尺度范围内，各土地利用类型的斑块密度减小变缓。总体而言，随着尺度增大，研究区土地利用景观中总的斑块数减少，景观破碎度降低。

(2)斑块面积百分比指某一类斑块面积占整个景观面积的百分比，是描述斑块面积随尺度变化的一个指标。由图1可以看出，研究区各土地利用景观斑块面积变化幅度较小，说明各用地类型斑块总面积受尺度变化的影响较小。从斑块面积占总面积的百分比看，耕地和水域及水利设施用地始终是区域的优势景观，具有明显的滨海地区景观。

(3)面积加权平均斑块分维数是反映斑块形状变化的指标。由图1可以看出，随着尺度的增加，各土地利用类型的面积加权平均斑块分维数呈下降的趋势，除耕地斑块在尺度小于200 m时有缓慢上升外，其他用地类型指数值均表现为随尺度增加而逐渐下降且遵循相同的规律。说明除耕地外，随尺度增加，各土地利用类型斑块的形状越来越趋于规则，这与滨海地区地势平坦、耕地斑块平均面积较大有关。

图1 不同土地利用类型各景观指数的空间尺度效应曲线

(4)面积加权平均形状指数是反映斑块形状变化的另一指标，其值为1时，表示景观中所有的斑块形状为简单的正方形；其值大于1时，表示斑块的形状不规则性增加[1]。由图1可以看出，面积加权平均形状指数与面积加权平均斑块分维数具有一致的变化规律，在图1上表现为相似的拟合曲线。

(5)斑块结合度指数是表述同一景观类型斑块之间连通性的指标，其值越大，斑块之间的连通性越强。由图1可以看出，随着尺度的增加，交通运输用地的斑块结合度指数急速下降，这与交通运输用地自身特点有关；耕地和水域及水利设施用地变化最小，其值基本上接近100。

(6)有效网格大小是指某一类斑块面积的平方和除以景观总面积所得的比值，用于比较不同类型斑块平均面积的大小，其值越大，斑块面积越大[24]。随着尺度的增加，各土地覆盖的有效网格大小随尺度变化在图1上表现的比较复杂，其中影响比较明显的为耕地，在20 ～ 100 m的尺度范围内，其指数值呈缓慢增加，在100 ～ 400 m的尺度范围内，其指数快速增加，之后基本保持稳定；其次是水域及水利设施用地，其他土地利用类型指数对尺度的变化不敏感，这与耕地和水域及水利设施用地以优势景观为主有关，与针对内陆干旱地区的研究结果存在明显的差异[16，17]。

(7)聚集度指数是指景观中某一类型中斑块之间的聚集与分散状态，其值越大，景观中同类斑块分布越集中[25]。由图1看出，随着尺度的增加，各土地利用景观的聚集度指数呈现降低的趋势，并且没有明显的尺度转折。其中影响最敏感的为其他用地，从93.91下降至30.23，且在尺度为400 m处，出现了小幅度的转折，说明这类用地斑块较小，斑块与斑块之间距离多在400 m以下，分布相对集中；耕地和水域及水利设施用地变化最小，说明这两种地类斑块分布较为均匀。

(8)分离度指数指某一景观类型中斑块个体分布的离散程度，分离度指数越大，说明斑块分布越零碎或离散[23-25]。由图1可以看出，随着尺度的增加，耕地分离度指数呈现持续减少的趋势，并且在尺度100 m和400 m处出现明显的拐点，响应比较明显，这与研究区耕地斑块大小与分布特点有关；其他土地利用景观类型的分离度指数值始终接近或等于1，说明该尺度变化范围内，分离度指数对尺度的响应比较小。

总之，不同用地类型斑块在大小、形状和分布特征各异，导致其同一景观指数的尺度效应不同，其中尺度效应比较明显的斑块类型是交通运输用地斑块；同时，不同的景观指数在同一类型斑块上对尺度变化的响应也存在差异。研究发现，研究区优势景观以耕地和水域及水利设施用地为主，这与多数滨海地区景观特征一致[26]，而与以耕地和城镇及工矿用地为主的内陆景观存在明显的差异[20]。根据景观指数随尺度增加的变化规律，可将其划分为4种类型：1)单调递减型，景观指数呈单调递减趋势且尺度效应明显，如斑块密度；2)波动式递减型，总体呈现减少的趋势，但过程中出现明显的尺度转折点且无明确变化规律，如面积加权平均斑块分维数、面积加权平均形状指数、聚集度指数和斑块结合度指数；3)稳定不变型，各景观指数基本维持不变或变化很小，如斑块面积百分比和分离度指数；4)不确定型，不同地类景观指数变化规律不尽一致且差异明显，如有效网格大小。

2.2 景观水平上的景观指数尺度效应分析

基于大丰市2013年土地利用调查数据，分析了景观水平上各土地利用类型的景观指数在20～2 000 m的尺度效应，其结果见图2。

图2 景观水平上景观指数尺度效应曲线

从图2可以看出，各景观指数随尺度增加表现为下降或基本不变的趋势。其中，斑块密度随尺度的增加呈现急剧降低的趋势，无明显的尺度转折，说明随着尺度的增加，景观斑块面积增大，破碎度降低；香农多样性指数和香农均匀度指数随着尺度的增加，基本保持不变，说明随着尺度变化，该研究区内的景观丰富度和分布状态的尺度效应不敏感；景观聚集度指数、景观分离度指数和蔓延度指数随着尺度的增加，呈单调小幅度降低趋势，无明显的尺度转折，说明随着尺度的增加，景观中斑块之间的聚集性和连通性降低，分布越分散；面积加权平均斑块分维数和平均形状指数随着尺度的增加，分别呈现平稳下降和先降后升趋势，说明随着尺度的增加，研究区内景观的形状逐渐规则。

为定量描述景观水平上景观格局指数随尺度变化的关系，对各景观指数随尺度的变化用函数进行拟合，结果见表1。可以看出，除斑块密度可用指数函数进行拟合外，其他指数均可用二次多项式进行拟合，所有拟合函数中除香农多样性指数和香农均匀度指数拟合函数的决定系数较小外，其他指数的拟合效果均达到显著和极显著水平，说明这些指数对尺度变化的响应均具有较为明显的规律性，可通过拟合方程对其变化进行精确地预测[11，13]。

表1 景观格局指数随尺度变化的拟合函数

2.3 景观格局指数的变异程度分析

为充分了解不同土地利用类型景观指数随尺度变化的差异性，基于2.1节和2.2节分析结果，在斑块类型和整体景观水平上分别计算不同景观指数随尺度变化的变异系数，结果分别见表2和表3。

由表2可以看出，耕地、水域及水利设施用地在斑块密度、分离度指数上变异系数较大，而在结合度指数和聚集度指数上变异系数较小，具有突出的沿海地区特征[26]，而与内陆地区的研究结果大相径庭[11，20]。斑块类型水平上同一景观指数具有大体相似的规律，变化图上表现相似的拟合曲线，但各景观指数对尺度变化响应的敏感程度不同，对尺度变化响应比较敏感的景观指数为斑块密度、斑块结合度指数、斑块聚集度指数、有效网格大小、面积加权平均形状指数；对尺度变化响应不敏感的景观指数包括斑块面积百分比、面积加权平均斑块分维数和分离度指数。

表2 斑块类型水平上不同土地利用类型景观指数的变异系数

土地覆盖类型斑块面积百分比斑块密度面积加权平均形状指数面积加权平均斑块分维数结合度指数有效网格大小分离度指数聚集度指数平均值耕地0.54215.2655.394.40.5976.0110.3910.0946.59园地8.24167.5837.444.845.79111.36054.9153.76林地3.08161.1277.086.8234.6241.15037.3845.16草地6.5595.861.235.7336.29100.35057.3345.41交通运输用地16.86184.98122.827.67100.64172.50102.3888.48水域及水利设施用地0.83193.17148.228.784.2720.551.3713.2448.8城镇及工矿用地5.12169.1726.153.7222.685.920.0145.844.81其他用地3.64163.4619.382.4512.5371.260.0229.3437.76平均值5.61168.8268.465.5532.1784.891.4743.8151.35

由表3可以看出，整体景观水平上不同景观指数对尺度变化的响应规律差异明显。其中，斑块密度的尺度效应最为敏感,其变异系数为185.34%，分离度指数对尺度变化具有中等的敏感性，变异系数为54.2%，其他景观指数尺度效应均不敏感。这与周伟、赵文武等[13,27]针对湖北鹤峰县、陕北延河流域的研究结果一致。由此也进一步说明，滨海开发带景观指数随尺度的变异大小与自身所反映的地理意义关系密切，区域差异所造成的影响不大。

表3 景观水平上景观指数的变异系数

景观指数斑块密度平均形状指数面积加权平均斑块分维数蔓延度指数分离度指数聚集度指数香农多样性指数香农均匀度指数变异系数185.343.695.138.7254.214.670.90.9

2.4 土地利用变化对景观格局指数的影响

为进一步了解土地利用变化对研究区景观格局指数的影响，以20 m栅格大小为基本计算尺度，分别从斑块水平和整体景观水平上，对比分析了2008-2013年研究区景观格局指数的变化情况。

2.4.1 斑块类型水平上景观格局指数变化 由表4可以看出，2008-2013年间，各景观指数变化具有以下特征：1)耕地斑块密度增大，斑块形状与斑块之间的连通性也未发生明显的变化，研究期间耕地之间具有显著的双向转换，既有大量的优良耕地转化为建设用地和其他用地，又有草地、林地和水域及水利设施用地转化为耕地，但总体上看，在研究期间耕地转入面积大于转出面积，增加了4.43 km2；2)园地的各景观指数变化幅度较小，保持相对稳定；3)林地景观总面积减少，斑块密度基本不变，形状变得规则，斑块之间的连通性降低，聚集度基本保持不变，主要是由于受人类的影响，林地被征用为耕地和建设用地；4)草地景观斑块密度基本上未发生变化，形状的不规则性增强，斑块之间的连通性基本不变，聚集度降低，研究期间，草地面积大量减少，一部分转为耕地和建设用地，另一部分为退草还林；5)交通运输用地斑块破碎度降低，斑块形状的不规则性与相互之间的连通性增强，斑块总面积与平均斑块面积增加，主要是由于其他土地利用类型转化为交通运输用地；6)水域及水利设施用地破碎度增加，形状越来越不规则，斑块之间的连通性降低，团聚程度降低，研究期间，该类景观面积减少； 7)城镇及工矿用地斑块总面积增加，斑块之间的破碎度增加，形状未发生明显变化，斑块之间聚集度增加，主要由于土地整理，使得原来比较分散的小斑块连片分布；8)其他用地斑块总面积增加，破碎度降低，形状越来越规则，斑块之间的聚集度降低。

表4 2008-2013年斑块水平上不同土地利用景观指数动态效应

2.4.2 整体景观水平上景观格局指数变化 由表5可以看出，在2008-2013年期间，斑块密度有所增大，说明单位面积内斑块数增加，景观破碎度增大；平均形状指数和面积加权平均斑块分维数维持不变，说明景观斑块形状总体上没有发生明显的变化；蔓延度指数和聚集度指数分别由53.41%、80.67%下降为52.78%、80.47%，说明景观中斑块之间的连通性和聚集性降低；分离度指数增加了1.12%，说明景观个体分布离散程度增加；香农多样性指数和香农均匀度指数分别增加了0.02和0.01，说明该研究区内景观丰富度和结构的复杂性有所提升，但提升的幅度不大。由此反映出滨海开发带地区随着土地开发的进一步深入与土地利用的调整，无论在斑块水平还是景观水平上，景观的丰富度和结构的复杂性有所提升，景观中斑块之间的破碎度、连通性和聚集性降低，景观分离程度增大。

表5 2008-2013年整体水平上景观指数动态效应

2.5 讨论

本研究以江苏省大丰市为研究区，基于1∶1万土地利用调查及变更数据，利用景观生态学方法与地理信息系统平台，从斑块类型和景观水平上研究滨海开发带景观格局指数对尺度变化的响应特征，建立了景观格局指数随尺度变化的拟合方程，该方程可用于滨海开发带景观格局指数随尺度变化的预测；同时，利用不同时期土地利用调查数据，对比分析了土地利用变化对景观格局指数的影响。本研究根据我国土地利用现状图常用的1∶1万、1∶2.5万、1∶5万、1∶10万、1∶20万、1∶25万、1∶50万和1∶100万8种比例尺，基于我国《土地利用动态遥感监测规程》中规定的1∶1万比例尺最小上图单位为2 mm的规定，分别计算出对应8种比例尺图件的空间粒度大小为20 m、50 m、100 m、200 m、400 m、500 m、1 000 m、2 000 m，具有一定的科学性和实用性。但是该转化方法与大多数通过等间距或等倍数空间粒度转化的研究方法存在差异，对研究结果的比较带来不便。

滨海开发带作为我国工业化快速发展过程中的一个复合地理单元，是陆地与海洋圈层界面的过渡地带，具有资源丰富、环境敏感、变化过程复杂的特点[28]。随着工业化、城市化的进一步推进，滨海开发带作为沿海快速发展地区土地资源开发的主体，必将承接更多人类活动带来的对生态系统的重要影响[29]。本研究结果显示，虽然在斑块类型和整体景观水平上景观指数随尺度的变化与其他地区没有太大差异，但是研究区优势景观以耕地和水域及水利设施用地为主，则显示了滨海开发带的区域特征；该两种用地类型在斑块密度、分离度指数上变异系数较大，而在结合度指数和聚集度指数上变异系数较小，更具有滨海地区特色。整体景观格局对土地利用变化的响应特点体现为景观的丰富度和结构的复杂性有所提升，景观中斑块之间的破碎度、连通性和聚集性降低，分离程度增大。景观格局指数随土地利用的变化特征集中反映了研究区土地利用变化所引起的景观格局更加合理，生态稳定性进一步增强。

3 结论

斑块类型水平上，斑块密度、斑块结合度指数、斑块聚集度指数、有效网格大小、面积加权平均形状指数对尺度变化响应较为敏感；斑块面积百分比、面积加权平均斑块分维数和分离度指数响应不敏感；耕地、水域及水利设施用地是对尺度变化较为敏感的用地类型。根据景观指数随尺度增加的变化规律,可将景观指数划分为单调递减型、波动式递减型、稳定不变型和不确定型4种类型。

景观水平上，各景观指数随尺度增加均呈现出下降的趋势，除斑块密度外，其他景观指数变化均较为缓和；除香农多样性指数和香农均匀度指数外，各景观指数对尺度变化的响应均具有较为明显的规律性，可通过拟合方程对其变化进行精确地预测。

景观格局指数随土地利用的变化特征集中反映了研究区土地利用变化所引起的景观格局更加合理，生态稳定性进一步增强。

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Scale Effect of Landscape Pattern Index and Its Response to Land Use Change in the Coastal Development Zone:A Case Study of Dafeng City in Jiangsu Province

CUI Shan-shan1,LIU Qing1,WANG Jing2

(1.CollegeofResourcesandEnvironment,QingdaoAgriculturalUniversity,Qingdao266109;2.ChinaLandSurveyingandPlanningInstitute,Beijing100035,China)

Based on landscape ecology method,at the patch and landscape scale,this paper studied the scale effect of landscape pattern index and its response to land use change in the coastal development zone in Dafeng City of Jiangsu Province.The results showed that at the patch scale,cultivated land,water and water conservancy facilities were more sensitive to the scale change;the patch density,patch cohesion index,aggregation index,effective mesh size,area-weighted mean shape index were more sensitive to scale change.At the landscape level,the spatial heterogeneity of land use landscape was not significant with the scale transformation;the landscape index showed a downward trend with the increasing of scale.The change of the landscape index can be fitted by exponential function or binomial function.Since 2008,the change of land use had promoted the richness and complexity of landscape,the fragmentation degree,connectivity and aggregation of landscape patches were decreased,and the degree of separation was increased.On the whole,the landscape pattern of the study area was more reasonable,and the ecological stability was further strengthened with the land use change of the coastal development zone.

land use change;landscape index;scale effect;coastal development zone

2016-04-08；

2016-09-01

国家自然科学基金重点项目“滨海开发带生态用地演变过程与网格化监管方法研究”(41330750)

崔闪闪(1989-)，女，硕士研究生，研究方向为土地利用规划与农业环境保护。*通讯作者E-mail：13455764802@163.com

10.3969/j.issn.1672-0504.2016.06.015

P901

A

1672-0504(2016)06-0087-07