1996-2016年洞庭湖区土地利用及景观格局演变特征

谭洁, 赵赛男, 谭雪兰, 董俐, 刘洁锐, 季沁园



1996-2016年洞庭湖区土地利用及景观格局演变特征

谭洁, 赵赛男, 谭雪兰*, 董俐, 刘洁锐, 季沁园

湖南农业大学资源环境学院，长沙410128

以1996年、2001年、2007年、2012、2016年洞庭湖区的遥感影像数据为基础, 利用转移矩阵模型及景观格局指数等方法分析了洞庭湖区20年间的土地利用及景观格局变化特征。结果表明: 洞庭湖区土地利用景观格局变化主要表现为耕地、林地和建设用地的增加, 水域、草地和其它用地有不同程度的减少; 总体景观呈破碎化趋势, 形状更加复杂, 多样性指数呈增加趋势; 各类型土地的斑块数目总体呈上升趋势, 其中水域与其他用地基本保持不变, 耕地的最大斑块指数变化最大, 平均分维数基本呈上升趋势。

土地利用; 景观格局; 洞庭湖区

1 前言

土地利用/覆被变化是人类与地球环境进行物质、能量交换作用的重要表现, 发生于任何时空尺度, 它不仅影响陆地生态系统的地理分布格局及其生产力, 客观反映人类改变地球生物化学循环、生态系统的结构和功能及产品和服务的供应, 而且还再现了陆地表面的时空变化过程, 与全球的气候变化、生物多样性的减少、生态环境演变以及人类与环境之间相互作用的可持续性等密切相关[1]。近年来, 随着景观生态学的观点和方法在土地利用/覆被变化研究与应用的不断深入,景观生态学与土地利用的结合研究的成为了强有力的研究手段和发展趋势。在国际上, 许多学者通过对遥感影像的解译, 对不同地域的土地利用景观格局演变过程及尺度效应进行了研究与分析, 较好地揭示了研究区域在不同尺度上土地利用景观格局变化的时空特征[2–4]。我国不少学者也通过将土地利用研究方法和景观格局分析方法结合起来, 对不同层次的地区的土地利用/覆盖时间动态特征和空间动态特征进行了大量研究, 并利用景观生态学的理论和方法对各个土地利用类型的空间格局、组合特征和动态变化情况进行了全面分析[5–6]。同时，我国学者非常重视典型或热点区域的土地利用/覆盖时空演变特征的分析[7–8]。此外，还有学者对洞庭湖区的景观变化情况也展开了深入的研究[9-10]。洞庭湖区位于长江流域不同生态景观的过渡地带,占据着长江中下游最敏感又最脆弱的生态区位[11]。由于洞庭湖区快速的环境变迁和复杂的湖垸、江湖关系及长期、强烈的人类活动, 该区域地表土地利用/覆被变化及景观格局变化迅速, 景观界面脆弱性表现得特别突出[12], 湿地萎缩、水体富营养化、大气环境质量不稳定、土地退化等生态环境问题突显[13]。因此, 本文以洞庭湖地区1996—2016年的遥感数据为基础, 分析探讨了20年间该区域土地利用和景观格局动态变化特征, 以期为该区域的可持续发展及生态环境保护提供依据。

2 研究区域概况

洞庭湖区地处长江中游荆江南岸, 地跨湘、鄂两省, 介于北纬28°30′—30°20′, 东经110°40′—113°10′, 大部分地区海拔高度低于50 m, 85%以上面积位于湖南省辖境内[14]。洞庭湖区地势平坦开阔, 土地资源丰富, 土层深厚肥沃, 是我国重要的商品粮、油、麻、蚕桑、水产基地, 是湖南乃至全国的“鱼米之乡”。该区属于中北亚热带季风气候区, 年均温约16. 5—17. 0 ℃, 年平均降雨量约1200—1450 mm, 是长江流域也是我国湖泊水位涨落变幅最大的湖泊之一[15]。“十二五”期间, 国家已将洞庭湖区列入了构建“十大生态屏障”之一的长江流域的重点区域, 2012年“环洞庭湖生态经济圈”又被纳入国家发展战略, 其生态环境的可持续受到了国家高度关注。

本文选取的洞庭湖区主要指的是湖南省的洞庭湖区部分, 包括常德市的鼎城区、武陵区、汉寿县、安乡, 益阳的资阳区、赫山区、沅江市、南县, 岳阳市的君山区、岳阳楼区, 云溪区、华容县、湘阴县、岳阳县、汨罗市在内的15个县市区, 共20227.13 km2。

图1 研究区示意图

3 研究方法

3.1 遥感数据来源及处理

本研究选取Landsat的1996年、2001年、2007年、2012、2016年TM/ETM影像, 遥感图来源于地理空间数据云网站; 采用的遥感处理软件为5.1, 参考地形图、土地利用图等辅助信息, 经过去条带处理、辐射校正、几何纠正、影像拼接与裁剪、图像增强等影像处理手段, 并采用监督分类中的最大似然法进行土地利用分类。在参考国内外土地利用分类系统与研究区的土地利用状况之后, 考虑到遥感影像的可能解译能力以及本研究的目的, 将土地利用分为耕地、林地、草地、水域、建设用地及其他用地6大类。利用混淆矩阵进行精度计算总体分类精度均大于90%, 满足判别分类误差精度要求。

3.2 土地利用变化分析方法

3.2.1 土地利用动态

不同景观类型, 由于受到不同自然和人为因素的干扰, 其变化速率也随之发生变化[16]。景观变化速率的区域差异情况可以用单一土地利用动态度模型来反映[17-18], 公式如下:

单一土地利用类型动态度:

式中:为研究时段内某一土地利用类型动态度,U、U为研究初期和研究期末某一土地利用类型的数量,为研究时段。当的值设为年时,为该研究区域某种土地利用类型的年变化率。

3.2.2 土地利用景观空间转移矩阵

转移矩阵是开展各景观类型间相互转化数量和方向研究的主要定量方法, 能反映景观变化的结构特征和各类型之间的转移方向[16]。转移矩阵的数学形式可以表述为[19]:

式中:为面积;为景观类型数;P中的分别表示研究初期与末期的景观类型。

3.3 景观格局变化分析方法

景观格局变化是运用景观生态学的视角将研究区域视为一个景观整体, 通过多种景观格局指数来揭示土地的空间格局特征在时间序列上的变化, 在短时间尺度下(50年内), 景观格局变化多体现为土地利用方面的格局变化[20]。本文选择斑块类型指数和景观水平指数进行分析, 运用Fragstats计算NP(斑块数量)、PD(斑块密度)、LPI(最大斑块指数)、 ED(边缘密度)、 LSI(景观形状指数)、FRAC_MN(平均分维数)、CONTAG(蔓延度指数)、SHDI(香农多样性指数)等景观格局指数。

4 结果与分析

4.1 土地利用变化分析

4.1.1 土地利用类型面积变化

由表1可见, 洞庭湖区的耕地面积总体呈上升趋势; 林地在三个时间段内变化有小幅度上升, 保持在21%左右; 草地在这20年间呈逐步下降趋势, 且2012—2016年期间变化最大; 水域面积也呈现逐年减少的趋势, 但在2012—2016年间有所回升; 建设用地在这20年间均呈上升趋势, 其中1996—2001年和2007—2012年上升幅度较大; 其它用地总体呈以加速下降趋势。

由表2可见, 1996—2001年建设用地的增长速度最快, 水域的减少速度最快, 变化最缓慢的为草地和林地。2001—2007年建设用地的增长速度仍为最快, 其他用地的减少速度最快, 变化最缓慢的是耕地和水域。2007—2012年的建设用地的增加速度仍为最快, 未利用地的减少速度最快, 耕地和林地的变化速度最慢。2012—2016年的水域增加速度最快, 其他用地的减少速度仍为最快, 耕地和林地的变化速度缓慢。

表1 洞庭湖区1996—2016年土地利用结构变化

表2 1996—2016年单一土地利用动态度（%）

1996—2016年土地利用类型动态度表明, 建设用地>其他用地>草地>水域>耕地>林地。建设用地和水域的变化先迅速、后平稳、再迅速, 建设用地的变化速率在所有土地类型中是最快的, 但建设用地的面积是持续增加的, 而水域的面积是朝不断减少的方向发展的。未利用地面积的变化呈现持续下降的趋势, 且2012—2016年这4年未利用地减少的速度最快。草地在1996—2012年间的变化速率小于20年来的平均速率, 而2012—2016年间的变化十分剧烈。耕地在1996—2001年间的变化迅速, 之后则趋于平缓。林地的变化速率最低, 尤其是20012—2016年的面积基本保持不变。

4.1.2 土地利用变化转移矩阵分析

由表1、表3可知, 洞庭湖区1996—2016年变化较大的土地利用类型主要特点可概括为:

(1) 耕地。在此期间, 耕地面积净增加了36976.59 hm2, 此阶段耕地为扩展型地类。耕地面积增加的主要来自草地, 有121152.96 hm2草地转化为耕地, 占新增面积的45.40%。与此同时, 有92992.59 hm2耕地转化为草地, 占40.45%。其次是林地和水域, 分别占了25.74%和15.05%。。

(2)林地。在此期间, 林地净增加了14182.02 hm2,林地增加的主要来源有耕地和草地, 分别有63072.09 hm2和88633.44 hm2耕地和草地转化为林地, 依次占转入面积的34.73%和48.81%。同时, 68698.71 hm2林地转化为耕地, 还有50055.48 hm2林地转化为草地。

(3)草地。在此期间,草地净减少84731.9 hm2，其中121152.96 hm2草地转化为耕地, 还有92992.59 hm2耕地转化为草地。其次, 50055.48 hm2林地转化为草地, 又有88633.44 hm2草地转化为林地。由此可见，草地和耕地、林地的之间发生了相互转换。

表3 洞庭湖区1996—2016年土地利用转换矩阵 (hm2)

(4)水域。水域在此期间减少剧烈, 净减少面积53459.90 hm2, 主要有40173.21 hm2水域转化为耕地, 72936.63 hm2水域转化为林地, 分别占转出面积的28.50%和51.74%, 同时, 也有13495.05 hm2水域转化为建设用地。水域的来源主要是耕地和草地, 分别有17426.61 hm2耕地和39495.42 hm2草地转化为水域。

(5)建设用地。建设用地在此期间大幅度增加, 净增加了97146.36 hm2, 属于高速扩展型地类。耕地是建设用地新增部分的主要来源, 占转入面积的37.31 %, 草地占31.53 %; 且有29695.14 hm2建设用地转化为了耕地。

4.2 景观格局动态

4.2.1 总体景观格局变化

由表4可见, 1996—2016年洞庭湖区总体景观格局呈现出景观破碎化程度加大、景观异质性减小且景观形状趋于复杂的趋势。

(1)景观破碎化程度增大。斑块数量(NP)从1996年802270个增长到了2016年的1190181个; 斑块密度(PD)也随之变化, 由1996年的21.2297个增长为2016年的31.4947个; 边缘密度(ED)也由1996年的73.1508增长至2016年的96.0447, 说明了洞庭湖区的景观类型不断被边界分割。由此可见随着气候条件的改变以及人为因素, 尤其是三峡工程的成功建设, 导致洞庭湖区的斑块正在被不断的割裂成一些小的斑块, 景观的破碎度增加, 景观类型纵横交错的程度在不断加深。

(2)景观异质性减小。香农多样性指数(SHDI)表现为先增加后减少再增加又减少, 由1996年的1.5203增大到2001年的1.5753, 最后减少到2016年的1.52, 但总体指数增加, 表明研究区各景观类型比例差距正在逐渐缩小, 景观中的优势类型受到削弱, 景观多样性略有增加; 而蔓延度指数(CONTAG)则在减少, 由1996年的50.6969减小至2016年的48.9622。多样性指数的增加和蔓延度指数的减少, 说明研究区各景观类型空间分布的异质性在减小。

(3)景观形状趋于复杂。景观类型形状指数(LSI)表现为增加的趋势, 由1996年的356.5081增长到2016年的467.7681; 而平均分维数(FRAC_MN)在此期间表现比较稳定, 略有增加; 景观形状指数(LSI)的增加表明斑块越来越离散。这说明研究区的景观类型形状的不规则性加大, 斑块越来越离散, 复杂程度增大。

表4 1996—2016景观水平类型指数

注: NP: 斑块数量 PD:斑块密度 LPI: 最大斑块指数 ED: 边缘密度 LSI: 景观形状指数 FRAC_MN: 平均分维数 CONTAG: 蔓延度指数 SHDI: 香农多样性指数。

4.2.2 各景观类型景观格局变化

由表5可见, 1996—2016年洞庭湖区各景观类型的景观格局变化呈较大差异。

(1)建设用地。从斑块数量(NP)变化以及斑块密度(PD)可以看出, 建设用地在1996—2016年总体呈大幅度上升趋势, 这与我国推进改革开放等推进经济发展的政策以及城镇化进程加快息息相关。

(2)耕地。在此期间, 耕地斑块数量(NP)、斑块密度(PD)、边缘密度(ED)、最大斑块指数(LPI)和景观形状指数(LSI)均呈下降趋势, 平均分维数(FRAC_MN)增加, 这说明景观的破碎度降低, 优势度减少, 斑块越来越整合, 景观越来越稳定, 这是由于1998年实行的“退田还湖、退耕还林”等政策的实行以及1998年长江流域大洪灾后大范围的退田还湖, 使得零散的耕地斑块减少, 耕地的分布趋向集中; 2001—2016年间斑块数量(NP)、斑块密度(PD)及最大斑块指数(LPI)呈现先增加后减少再增加的趋势, 景观形状指数(LSI)、边缘密度(ED)和平均分维数(FRAC_MN)持续增加, 说明这期间土地的总面积在不断增加, 离散和分割程度不断增大。湖区社会经济的迅速发展及人口的急速增加, 使得很大一部分耕地被破坏和改造成为工厂、城镇等, 而为了提高粮食产量, 通过田块归并, 改变地块零散、整治荒地、废弃土地等土地整治项目, 增加有效耕地面积。

表5 1996、2001、2007、2012、2016年各类型景观格局指数

(3)水域。水域总面积在此期间不断减少, 斑块数量(NP)、斑块密度(PD)及边缘密度(ED)呈下降趋势, 平均分维数(FRAC_MN)却在增加, 说明随着时间的推移, 水域细碎化程度降低, 分割程度降低, 这与1998年开展的“退田还湖”政策有关及1996年洞庭湖的洪水有关, 1996年的洪水使得当年的水域面积扩大, 以及之后大量泥沙淤积造成水域面积不断缩小, 而“退田还湖”政策的实行使得许多被分割的水域整合。2012—2016年水域总面积增加, 斑块数量(NP)、斑块密度(PD)及最大斑块指数(LPI)也在增加, 这主要是由于2016年汛期先后发生15次明显的强降雨过程, 造成洞庭湖区发生区域性大洪水, 大量滩涂、草地被淹没, 水域面积扩大单位斑块面积增加, 一些新的坑塘的形成, 造成水域景观斑块数量增加。

(4)林地。林地的斑块数量(NP)、斑块密度(PD)、边缘密度(ED)、景观形状指数(LSI)和平均分维数(FRAC_MN)均呈现先增加后减少再增加的趋势, 表明期间林地的面积虽有增加, 但破碎度及离散程度却在变化, 这是由于在防护林建设的基础上, 洞庭湖区在20世纪90年代至21世纪初, 大力推动杨树等速生经济林的种植, 造成林地、林滩地斑块数、斑块密度、最大斑块所占比例均增加一倍以上, 而后期对经济林的大面积砍伐造成了林地、林滩地的破碎程度增加。

(5)草地。草地的斑块数量(NP)、斑块密度(PD)、边缘密度(ED)及景观形状指数(LSI)在1996—2001年上升, 2001—2007年下降, 2007—2012年又上升, 2012—2016年再次下降, 最大斑块指数(LPI)正好与之相反,而平均分维数(FRAC_MN)呈现先增加后减少的趋势。草地的各项景观指数均有较大的波动, 呈现一个不稳定的趋势, 而草地是陆地上更新速度最快的一种自然资源, 主要分布于洞庭湖周边的滩涂以及河流的两侧, 其变化主要受水文情势的影响较大。故草地面积的变化与政策、气候、降水等因素密切相关。

(6)其他用地。其他用地的斑块数量(NP)、斑块密度(PD)、平均分维数(FRAC_MN)、景观形状指数(LSI)及边缘密度(ED)在此期间总体呈现下降趋势, 但平均分维数(FRAC_MN)持续下降。这表明其他用地的稳定性下降, 优势度降低。这主要是随着经济社会的发展, 其他用地不断被开发利用, 导致后备土地资源大量减少。

5 讨论

在土地利用方面,以洞庭湖区为研究对象的成果多认为建筑用地是变化最剧烈的土地利用类型, 耕地面积在所有土地利用类型中占有优势地位[21-24],这与本文的结果相吻合。但不同之处是对耕地变化的解释, 如杨利[24]等的研究结果(表6)表明洞庭湖区1998—2004年耕地面积减少, 2004—2008年耕地面积的增加, 而本文中1996—2016年耕地是持续增加的。而贾慧聪[22]等的研究结果表明1985—2011年间的耕地面积持续增加(表7)。这主要是不同研究者选取的研究区域和遥感影像选择时间不一致, 获得数据存在差异导致的。

在景观格局变化方面, 杨利[24]、汪朝辉[12]、段亚峰[25]的研究成果认为洞庭湖区的景观破碎化程度增大, 景观形状趋于复杂, 多样性在不断增加, 斑块之间越来越离散(表8)。人类对景观的干扰能力加强, 这些都是由于人类长期对洞庭湖区的开发行为, 及开发之后为了缓解环境压力而开展的自然保护区建设和实行退田还湖、营造防护林等政策所致, 这与本文研究结果一致[24-26]。

表6 1987—2008年各景观类型面积 (km2)

表7 1985—2011年各景观类型面积(km2)

表8 洞庭湖区景观格局动态变化

6 结论

洞庭湖地区是我国重要的粮仓之一, 人类活动的影响十分强烈,而此区域又是长江中下游地区社会可持续发展的重要生态屏障, 在长江中下游防洪减灾中的地位举足轻重。自然环境的演变以及各种政策、法规的实施都使得洞庭湖区的土地利用与景观空间格局发生了巨大的变化。

(1)洞庭湖区在1996—2016年期间, 土地利用方式发生变化, 主要表现在耕地、林地和建设用地的增加, 水域、草地和其它用地有不同程度的减少; 从土地利用转移矩阵来看, 各个时期内洞庭湖区各种土地利用有所差异, 但从整体上看, 建设用地的增加主要来自于水域和耕地。

(2)从景观总体变化来看, 洞庭湖区的景观破碎度总体呈上升趋势, 平均分维数增加, 斑块数量由1996年的802270变化至2016年的1190181, 说明了随着湖区资源的不断开发与利用, 湖区景观破碎程度增强。优势度基本不变, 景观的多样性增加, 稳定程度上升。

(3)1996—2016年, 各类型土地的斑块数目总体呈上升趋势, 其中水域与其他用地基本保持不变; 耕地的最大斑块指数变化最大; 平均分维数除其他用地外，基本呈上升趋势，说明在研究时间内各种类型土地的破碎程度基本上都增加, 斑块的优势度最大, 各种类型土地稳定性提高。这些都与90年代开展的自然保护区建设和“退田还湖”等相关政策有关。

随着人类活动对湖区的影响不断加强,特别是二十一世纪以来, 洞庭湖连年遭受洪涝灾害,令当地人民生命财产遭受巨大损失。洞庭湖区连年遭受洪涝灾害的原因除降水的影响之外, 更大程度上是由于湿地、湖泊被城镇、工业建设大量侵占, 导致洞庭湖蓄洪调洪功能逐渐弱化, 尤其是洞庭湖与长江的水文联系逐渐恶化。因此, 需要引起足够的重视去改善洞庭湖的生态环境, 提高洞庭湖的蓄洪能力, 推进洞庭湖区整体综合治理。

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Change characteristics of land use and landscape pattern in Dongting Lake during 1996-2016

TAN jie, ZHAO sainan, TAN xuelan, DONG li, LIU jierui, JI qinyuan

College of Resources and Environment, Hunan Agricultural University, Changsha 410128,China

In this paper, we analyzed land use and landscape pattern change of Dongting Lake area from 1996 to 2016 using U.S. Geological Survey’s Landsat remote-sensing images combined with RS technique and landscape pattern indices and the transfer matrix model method.The results show that the LUCC in the Dongting Lake area was represented primarily as a decrease in water, grassland and other land and an increase in cultivated land, forest land and construction land in the past 20 years. The overall landscape showed fragmentation trend, the shape was more complex, and the diversity index increased. The patch number of all types of land showed an upward trend. Water area and other land remained basically unchanged. The maximum patch index of cultivated land was most significant, and its average fractal dimension showed an upward trend.

land use; landscape pattern; Dongting Lake

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.06.013

P901

A

1008-8873(2017)06-089-09

2016-09-20;

2016-11-06

国家自然科学基金项目(41571168);湖南省教育厅优秀青年科学研究项目(15B107)

谭洁(1979—), 女, 湖南湘潭人, 博士研究生, 讲师, 主要从事土地资源与环境信息技术研究, E-mail: tt_jj1225@163.com

谭雪兰, 女, 博士, 副教授, 主要从事城乡土地利用及农村聚落地理研究, E-mail: txl780120@163.com