华北农田生态系统景观格局的演变特征

张永生, 欧阳芳, 袁哲明



华北农田生态系统景观格局的演变特征

张永生1, 欧阳芳2, 袁哲明1

1. 湖南农业大学植物保护学院, 植物病虫害生物学与防控湖南省重点实验室, 长沙 410128 2. 中国科学院动物研究所, 农业虫害鼠害综合治理研究国家重点实验室, 北京 100101

基于华北6省(市)2000、2005、2010年三期土地覆盖遥感数据, 通过计算农田景观格局指数和农田景观转移矩阵, 在省域范围的大空间尺度上分析了2000—2010年农田生态系统景观格局的变化特征。结果表明, 2000年至2010年华北6省(市)的农田景观格局变化主要表现为: 耕地景观的面积在减少, 破碎化程度在加大, 斑块形状趋于简单化; 园地景观的面积在增加, 破碎化程度在降低, 斑块形状趋于复杂化。耕地减少的面积主要转变为城镇, 增加的面积主要来自水体; 园地减少的面积主要转变为耕地, 增加的面积主要来自耕地, 园地景观主要与耕地景观相互转化。城镇化等人类活动加剧了耕地的减少和破碎化, 应加强耕地保护, 特别是耕地的集约化布局, 降低农田破碎化程度, 促进农田的可持续发展。

农田景观; 景观格局指数; 景观变化; 遥感影像

1 前言

农田是人类赖以生存的农业耕作场所, 是人工种植的各种农作物组成的生态系统[1-2]。农田景观是农业生态系统中的重要组成部分, 在农业生产实践中发挥着重要作用。农田景观为人类提供了食物、燃料等, 也为生态系统的生物多样性、生态服务功能等提供了稳定支持。农田景观格局是自然过程与人为干扰相互作用形成的, 是农田生态系统内的各种生态过程作用于农田景观的结果[3]。不同景观格局的形成反映了不同的生态过程, 如不同的土地利用方式、不同的农业生产方式必然形成不同的农田景观格局[4]。同时, 农田景观格局也制约和影响着农田的组成分布与各种农田生态过程。随着城镇化进程的加快和农业集约化程度的增强, 农田景观格局发生了明显的变化, 对农田生态系统造成了一些影响。在农田生态系统中, 农田景观格局的变化会影响景观中的生物多样性、植物和动物的多度和丰富度、作物生产力以及系统的稳定性等[5-7], 如农田景观格局的单一化, 会引起农田中生物多样性的下降, 影响害虫的发生、扩散与危害以及天敌的种群结构[6-9]。理解和把握农田景观格局的变化规律可以为未来合理地规划、利用和保护农田提供支撑, 从而促进农业生态环境和农业生产的可持续发展。

近年来遥感技术的快速发展, 已成为景观生态学研究的重要手段。使用遥感影像, 可以计算各种景观格局指数来定量描述景观斑块的大小、密度、边缘、形状、空间分布等特征, 从而分析研究区域在不同尺度上景观格局演变的特征和规律[10-15]。目前利用遥感影像对城市的景观格局和小尺度区域的景观格局研究的比较多[12-16], 如Li等[17]利用景观格局指数分析了上海市1989—2005年间城市化的时空格局变化。赵婷婷等[18]使用景观格局指数分析了北京市顺义区农田景观规模和空间格局的演变, 发现农田景观规模呈缩减趋势, 建设用地是侵占农田的主体。而专门针对农田类型尤其是在一个较大的尺度(如省域尺度)上, 分析农田生态系统景观格局变化的研究还比较少。华北地区是我国重要的产粮区, 本文基于华北6省(市)2000、2005、2010年3期土地覆盖分类栅格数据, 通过计算农田景观格局指数和农田景观转移矩阵, 在省域范围的大空间尺度上分析了2000—2010年农田生态系统景观格局的特征及其变化。

2 数据与方法

2.1 研究区域概况

研究区域为华北6省(市), 包括北京市、天津市、河北省、河南省、山东省和山西省。华北地区属于暖温带半湿润大陆性季风气候, 四季分明, 光照充足; 是我国小麦、玉米的主产区和粮食的重要生产基地; 2010年农田约占总面积的51.5%, 其次是林地约占24.1%。

2.2 遥感影像和景观类型分类

本研究使用的遥感数据来源于2000、2005、2010年Landsat TM/ETM的中分辨率卫星影像(10~30m)。使用ENVI 5.0遥感图像处理软件, 对图像进行几何精校正、图像裁剪和图像增强等预处理, 建立遥感影像分类图谱库。利用遥感影像分类图及其数值编码, 获得华北6省(市)2000、2005、2010年土地覆盖分类的栅格数据。土地覆被系统分为二级, 一级为6类, 对应IPCC的6类, 二级类型由FAO LCCS的方法进行定义, 共38类基本类型[19-20]。景观类型分类是进行景观格局分析的前提。在本研究中, 基于这38类基本类型, 根据华北地区的实际土地覆盖类型情况, 使用ARCGIS 10.2软件将栅格数据的景观类型合并整理为8类: 耕地、园地、林地、草地、城镇、水体、湿地和其他用地(图1), 作为本研究的景观分类体系。耕地与园地构成了农田生态系统。土地覆盖分类的栅格数据空间分辨率为30×30 m。利用ARCGIS 10.2软件, 根据华北6省(市)行政区的矢量数据, 分割出各省(市)土地覆盖分类的栅格数据。

2.3 景观格局分析

农田生态系统的景观格局特征及其变化可以从“质”、“量”、“形”、“度”4个方面来描述与分析[6-7,20]。“质”表示景观的斑块组成类型, 如农田由耕地与园地构成。“量”表示不同类型斑块的面积比例、大小、密度等。“形”表示不同类型斑块的边缘、形状、空间排列方式等。“度”表示景观格局的空间尺度和其变化的时间尺度, 在不同的空间与时间尺度上, 农田景观格局的特征及其变化规律也不同, 本文在省域空间尺度上分析了10年间的农田景观格局变化特征。

图1 2000、2005和2010年华北6省(市)景观类型图

“量”方面选取了景观类型比例(PLAND)、平均斑块面积(AREA_MN)、最大斑块指数(LPI)和斑块密度(PD)等景观格局指数(表1)[13-14,20]。PLAND反映农田面积比例及面积变化等最基本信息。AREA_MN描述农田斑块面积的平均大小, 即连片农田的平均面积, 在一定程度上可反映农田的破碎化, 其值越小农田越破碎化。LPI是最大农田斑块即最大连片农田的面积占农田总面积的比例, 其值的变化可以反映人类活动干扰的强弱与方向。PD是单位面积上农田斑块即连片农田的数目, 可反映农田的空间异质性和破碎化程度; 其值越大空间异质性和破碎化程度越大, 其值越小相对越集中或规模化。“形”方面选取了边界密度(ED)和面积加权平均斑块分维数(FRAC_AM)等景观格局指数(表1)[12-14,20]。ED是单位面积农田的边界长度, 是对农田边缘的描述; 它揭示了农田被边界分割的程度, 是农田破碎化程度的直接反映, 值越大越破碎化, 同时也反映农田的边缘效应。ED可从一定程度上反映农田与外界的联系程度和受外界的干扰强度, 其值越大, 农田的开放性越强, 越易于同外界进行交流, 也越易受外界环境干扰。FRAC_AM是用分维数来描述农田斑块的面积大小及其边界线的曲折性, 度量农田的空间形状复杂性, 其值越大农田形状越复杂, 通常受人类活动影响越小。

基于2000、2005、2010年3期土地覆盖分类栅格数据, 使用景观格局分析软件FRAGSTATS 4.2, 计算各省(市)的景观格局指数。

表1 景观格局指数

2.4 景观类型转移

农田景观的转移变化过程用土地利用类型的转移矩阵来描述[21-24]。基于土地覆盖分类栅格数据, 使用ARCGIS 10.2软件的Tabulate Area工具, 计算各省(市)农田景观与其它7类景观类型之间的转移矩阵, 反映农田景观的动态变化。

3 结果与分析

3.1 农田景观的构成

农田生态系统由耕地与园地构成, 耕地包括水田与旱地, 园地包括乔木园地与灌木园地。2010年华北6省(市), 耕地占总面积的50.92%, 园地占总面积的0.53%; 水田占耕地面积的3.32%, 旱田占耕地面积的96.68%; 乔木园地占园地面积的85.96%, 灌木园地占园地面积的14.04%。

3.2 耕地景观格局变化

从2000到2010年, 各省(市)耕地所占区域总面积的比例(PLAND)均呈逐步下降趋势。其中, 北京下降幅度较大, 从2000年的26.95%到2010年的18.69%, 减少了0.31倍; 其次是天津(图2A)。北京与天津的城市化快速发展占用了相对多的耕地。耕地的AREA_MN, 总体呈减小趋势, 北京、天津、河北前5年的变化大于后5年, 这说明耕地趋破碎化, 尤其是天津(图2B)。耕地的LPI, 除山西外其它省(市)均呈减小趋势, 其中山东与河南减小最多(图2C)。受人为活动干扰大, 连片耕地的面积在减小。耕地的PD, 除天津增加幅度大外其它省(市)相对变化不大, 天津耕地的破碎化程度和空间异质性逐渐增大(图2D)。耕地的ED, 北京逐渐减小, 天津逐渐增大, 其它省(市)变化非常小(图2E)。北京耕地的分割程度不断减少; 天津耕地的分割程度不断增大, 趋破碎化, 越易受外界环境干扰。耕地的FRAC_AM, 除山西变化很小外其它省(市)均呈减小趋势(图2F)。耕地的形状趋于简单化, 这可能是受耕地整理、农田设施建设, 如沟渠、喷灌、田间道路修建等活动影响的结果[3]。

3.3 园地景观格局变化

从2000到2010年, 各省(市)园地的PLAND均呈逐步增加趋势。其中, 北京增加最多, 从2000年的3.78%到2010年的5.51%, 增加了0.46倍。北京的园地所占比例最大, 山西与河南的园地所占比例非常小(图3A)。园地的AREA_MN, 除河南外, 其它省(市)均呈增加趋势(图3B)。这说明园地的破碎化程度在降低, 山东的值最大且增加也最多, 山东是我国重要的水果生产基地。园地的LPI, 从2000到2010年北京增加最大, 山西与河南的值非常小(图3C)。受人为活动干扰大, 连片园地的面积在增加。园地的PD, 各省(市)从2000到2010年变化均不大, 北京的值远大于其它省(市), 说明北京园地相对零散，破碎化程度和空间异质性相对较大(图3D)。园地的ED, 各省(市)从2000到2010年均呈增大趋势, 北京的值远大于其它省(市)(图3E)。园地的分割程度不断增大, 越易受外界环境干扰。园地的FRAC_AM, 各省(市)间变化差异大。北京、河北、山西从2000到2010年呈增大趋势, 园地的形状趋于复杂化; 山西与河南前5年园地形状变简单, 后5年又变复杂(图3F)。

3.4 农田景观转移变化

2000—2010年间各省(市)农田景观转移变化见表2。北京减少的耕地主要转变为城镇用地和园地, 占耕地2000年面积的15.82%和8.27%; 增加的耕地主要由园地与水体转变而来, 占耕地2010年面积的2.3%与1.68%。减少的园地主要转为耕地和城镇用地, 占园地2000年面积的11.36%和5.43%; 增加的园地主要来自耕地, 占园地2010年面积的40.46%, 新增园地比较多。天津减少的耕地主要转为城镇用地, 增加的耕地主要来自水体, 分别占耕地2000、2010年面积的8.82%和1.07%。减少的园地主要转为城镇用地, 增加的园地主要来自耕地, 分别占园地2000、2010年面积的8.82%和1.07%。河北减少的耕地主要转为城镇用地, 增加的耕地主要来自水体, 分别占耕地2000、2010年面积的2%和0.15%。减少的园地主要转为林地和耕地, 占园地2000年面积的3.5%和1.44%; 增加的园地主要来自耕地, 占园地2010年面积的34.28%。山西减少的耕地主要转为林地, 增加的耕地主要来自草地, 分别占耕地2000、2010年面积的0.64%和0.27%。减少的园地主要转为耕地和林地, 占园地2000年面积的10.3%和8.36%; 增加的园地主要来自耕地, 占园地2010年面积的65.28%, 2000至2010未变化的园地仅占32.24%, 大部分园地是新增的。山东减少的耕地主要转为城镇用地, 增加的耕地主要来自水体, 分别占耕地2000、2010年面积的6.71%和0.1%。减少的园地主要转为耕地, 增加的园地主要来自耕地, 分别占园地2000、2010年面积的1.33%和4.87%。河南减少的耕地主要转为城镇用地, 占耕地2000年面积的0.59%; 增加的耕地主要来自水体与林地, 占耕地2010年面积的0.07%与0.06%。减少的园地主要转为耕地, 增加的园地主要来自耕地, 分别占园地2000、2010年面积的19.06%和31.53%。

图2 2000—2010年耕地景观格局变化

图3 2000—2010年园地景观格局变化

各省(市)前5年(表3)与后5年(表4)的农田转移变化与2000—2010年基本一致, 耕地减少的面积主要转变为城镇用地, 增加的面积主要由水体转变而来; 园地减少的面积主要转变为耕地, 增加的面积也主要由耕地转变而来, 园地主要与耕地发生相互转变。

4 结论与讨论

随着城镇化、经济建设、资源开发利用等人类活动的不断加强, 农田生态系统受到的干扰也不断增大, 华北地区的农田景观格局发生了明显的变化。本文利用遥感数据, 通过景观格局指数与景观转移矩阵分析了华北6省(市)农田生态系统景观格局的演变特征。

表2 2000—2010年农田景观转移矩阵(%)

表3 2000—2005年农田景观转移矩阵(%)

表4 2005—2010年农田景观转移矩阵(%)

(1)10年间各省(市)的耕地面积在减小, 其中北京与天津的耕地面积减小幅度相对较大; 耕地的破碎化程度在增加, 耕地的边界与形状趋于简单。赵婷婷等[18]对北京市顺义区农田景观格局的研究也表明, 农田规模在不断缩减, 农田景观呈破碎化趋势, 建设用地是侵占农田的主体。城镇化进程的加快和建设用地的增加对耕地的影响比较大, 加剧了耕地的减少和破碎化。

(2)10年间各省(市)的园地面积在增加, 其中北京的园地面积增加明显。园地的破碎化在降低, 连片园地的面积在增加, 园地的边界与形状均趋于复杂化; 园地的布局更集中, 趋于更合理的发展趋势。山西耕地与园地的各个景观格局指数值变化很小。北京园地增加明显, 这可能是北京城市人口的不断增加, 对园地的需求也不断增加, 从而促进了园地的扩张[25]。

(3)从农田景观转移矩阵分析可知, 耕地减少的面积主要转变为城镇, 增加的面积主要来自水体; 园地减少的面积主要转变为耕地, 增加的面积主要来自耕地, 园地主要与耕地进行相互转换。韩会庆等[25]对城市园地时空变化的研究结果也表明, 园地与其他景观类型之间的转化以耕地转为园地为主。在城镇扩张、开发区建设等因素影响下耕地面积减少、大量耕地转为城镇用地, 在退耕还林政策等因素的影响下耕地转为园地、园地面积增加, 社会经济、自然因素及政策制度是农田景观变化的主要驱动因素[15, 22,25-26]。

城镇化和经济建设对用地的需求以及生态退耕不可避免地带来农田面积减少和破碎化, 农田破碎化也可直接造成农田面积的损失。农田景观的破碎化不利于农业的规模化种植、农田设施的配套管理和农田病虫害的防治, 是制约农业发展的重要因素。农田面积减少与破碎化问题的缓解是一个系统工程, 通过农田的规模化经营、农田整理以及一些行政措施, 可以降低农田的破碎化程度。合理的农田整理可以合并零散的田块, 提高农田的集中连片程度, 增加有效农田面积, 提高农田质量, 改善农业生产条件和降低农业生产成本, 形成集约化的农田景观。农业的可持续发展需要不断的优化和管理农田景观格局。

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Change characteristics of landscape pattern in farmland ecosystems in North China

ZHANG Yongsheng1, OUYANG Fang2, YUAN Zheming1

1.Hunan Provincial Key Laboratory for Biology and Control of Plant Diseases and Insect Pests, College of Plant Protection, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China 2. State Key Laboratory of Integrated Management of Pest Insects and Rodents, Institute of Zoology, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China

Based on the remote sensing data of land cover in the year of 2000, 2005 and 2010, we calculated the pattern metrics and conversion matrix of cropland landscape, and analyzed the change characteristics of landscape pattern of farmland ecosystems from 2000 to 2010 on the large spatial scale in six provinces of North China. The results showed that the area of farmland was decreasing, the degree of farmland fragmentation was increasing, and the shape of farmland tended to be simplified from 2000 to 2010. The area of the orchard land was increasing, the degree of orchard land fragmentation was decreasing, and the shape of the orchard land tended to be complicated. The reduced farmland was mainly transformed into urban land, and the increased farmland mainly came from water. The reduced orchard land was mainly changed into farmland, and the increased orchard land mainly was from farmland. The changes of orchard land use type mainly were from and into farmland type. Urbanization and other human activities intensified the reduction and fragmentation of farmland, so we should strengthen the protection of farmland, especially the layout of intensive farmland, reduce the degree of farmland fragmentation, and promote sustainable development of farmland.

cropland landscape; landscape pattern metrics; landscape change; remote sensing data

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.04.014

P901

A

1008-8873(2018)04-114-09

2018-02-26;

2018-03-25

国家自然科学基金项目(31300347)

张永生(1980—), 男, 博士, 主要从事农田景观与害虫防治研究, E-mail: yshzhang@hunau.edu.cn

张永生, 欧阳芳, 袁哲明.华北农田生态系统景观格局的演变特征[J]. 生态科学, 2018, 37(4): 114-122.

ZHANG Yongsheng, OUYANG Fang, YUAN Zheming. Change characteristics of landscape pattern in farmland ecosystems in North China[J]. Ecological Science, 2018, 37(4): 114-122.