太平国家湿地公园土地利用景观格局演变分析

王剑龙，王 萍

(曲阜师范大学地理与旅游学院，山东 日照 276826)

在“人口-资源-环境”系统中，土地资源是最根本的。随着人口的不断增长，城市化和工业化的快速发展，土地利用方式不断变化[1]。景观生态学是一门跨学科交叉的新兴科学，旨在研究不同生态系统的空间结构、相互作用、功能和动态变化。景观生态学以景观为研究对象，强调空间异质性的维持与发展、生态系统的相互作用、资源环境的运行与管理以及人类活动对景观及其构成要素的影响[2]。近年来景观生态学广泛应用于研究环境与保护、土地利用、旅游设计、区域规划等方面[3]。太平国家湿地公园建设的成功与否与当地的生态环境、地质条件以及人为活动都有着密切的联系，是集湿地保护与修复、科研宣教、生态旅游、动植物保护为一体的国家级湿地公园，对于邹城市的经济建设、自然生态、园林景观都有很大的综合效益。本文以景观生态学为理论指导，以地理信息系统、遥感为技术支撑，对太平国家湿地公园2009年，2013年，2016年这3年的土地利用景观格局的演变进行了分析，揭示太平国家湿地公园建设过程中土地利用变化情况，为同类型的湿地公园建设提供理论依据与参考。

1 研究区概况

太平国家湿地公园位于山东省邹城市太平镇西部(见图1)，东经116°47′24″～116°50′24″，北纬35°24′～35°26′24″。研究区总面积为1 060.0km2。研究区地下煤炭资源丰富，因煤炭大量开采导致多处塌陷，形成水域、沼泽，原有村庄大量搬迁[4]。为恢复重建，改善生态特建此湿地公园，如今园内生物资源丰富，具有典型的北方湿地特征，现有植物39科113种，各种兽类、两栖类、爬行类、鱼类、鸟类17科102种。湿地公园由五大功能区构成，分别是生态保育区、恢复重建区、合理利用区、科普宣教区和管理服务区。

图1 项目区位置示意图

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本研究利用Google Earth获取2009年、2013年、2016年这3年的8月份高分辨率遥感影像(分辨率：0.97m)并进行几何校正、配准，目视解译判读研究区土地利用类型，运用ArcGIS10.2软件矢量化土地利用现状图。由于研究区地貌单一，建设用地种类并不复杂，因此本研究依据国内外土地利用分类与景观生态分类原则[5-6]，将研究区土地利用类型分为：耕地、园林地、水域、荒草地、住宅用地和其他建设用地。其中住宅用地包括宅基地、商服用地和公共用地，其他建设用地包括工矿仓储用地等，交通运输用地融合在各类用地之中，不再单独进行分析。

图2 项目区土地利用分布图

2.2 研究方法

景观格局是指景观要素斑块和其他结构要素的类型、数量、空间分布和配置方式的空间格局[7-8]。通过分析景观格局特征，在看似无序的景观斑块中可以发现明显的规律性[9]。运用景观生态学家对景观格局定量分析提出的指标能够更加准确的对景观格局进行分析[10]。其中谭雪红在城市湿地公园景观格局研究中选取面积比、斑块个数、斑块密度、斑块形状指数、多样性指数、均匀度指数、聚集度指数等景观格局指数[11]；文献[12]在研究中选取了平均斑块大小、斑块数量、形态指数、分维度指数、多样性指数、破碎度指数等景观格局指数。本研究基于学者研究成果主要选取了斑块数量指数、斑块周长、平均斑块类型面积、分维数、景观优势度指数、景观破碎度指数等6种景观特征指标来对3年的太平国家湿地公园景观格局进行研究[13]。利用 ArcGIS10.2软件分析可以得出各地类斑块的数量、斑块周长和平均斑块类型面积，通过这些基础数据在Excel上来计算分析其他景观指数。各指数计算方法及含义如下

(1)斑块数量指数

计算公式NP=N

式中：NP在类型级别上等于景观中某一斑块类型的斑块总个数；在景观级别上等于景观中所有的斑块总数。NP反映景观的空间格局，经常被用来描述整个景观的异质性，其值的大小与景观的破碎度也有很好的正相关性，一般规律是NP大，破碎度高；NP小，破碎度低。

(2)平均斑块类型面积

式中：A为景观中所有斑块的总面积，N为总个数。MPS代表一种平均状况，在景观结构分析中反映两方面的意义：景观中MPS值的分布区间对图像或地图的范围以及对景观中最小斑块的选取有制约作用；另一方面MPS可以指征景观的破碎程度，一个具有较小MPS值的景观比一个具有较大MPS值的景观更破碎。

(3)分维数

式中：p为某类斑块的平均周长；A为某类斑块的平均面积；FDI的理论值范围在1.0至2.0之间，FDI值越大，斑块形状越复杂，值越小，斑块形状越简单。

(4)景观优势度指数

式中：L为某斑块的数目/斑块总数目；R为某斑块的面积/斑块总面积；LDI为斑块在景观中的重要程度，LDI值越大斑块越重要。

(5)景观破碎度指数

式中：∑Nk为某一斑块的总个数；∑Ak为该类型斑块的总面积。F反映了破碎化程度，F值越大斑块破碎化程度越大。

3 结果与分析

3.1 土地利用转移变化

利用ArcGIS10.2对2009年、2013年和2016年土地利用分类图进行叠加分析，统计得到2009～2013年和2013～2016年的土地利用转移矩阵，结果如表1、表2所示。

结果表明： 2009～2013年，荒草地面积转出最多，达938 316.96m2；园林地面积转入最多，为1 275 446.14m2，转出荒草地的74%变为园林地。2013～2016年，耕地面积转出最多，面积为1 879 296.92m2；园林地和水域面积转入最多，分别为1 671 883.88m2和841 758.78m2。由此可见，太平国家湿地公园的土地利用类型主要变化是耕地、 园林地和水域， 耕地面积从4 190 014.00m2到4 625 756.52m2再到 3 150 722.15m2，先增加后减少，总体呈减少趋势；园林地面积从1 001 151.43m2到1 832 242.16m2再到2 925 448.58m2，处于不断增加的趋势；水域面积从2 792 211.97m2到2 962 408.24m2再到3 344 957.41m2，也在不断增加。

由分析可知，耕地的置换面积较大，主要分布在中部平坦地区；园林地大规模增加主要分布在中部和南部地区；荒草地以减少为主，分布在西部和南部地区；水域面积增加，分布比较分散；其他建设用地略微增加，分布在中东部地区；住宅用地的减少明显，分布在东部地区。

表1 2009～2013年土地利用转移矩阵 m2

表2 2013～2016年土地利用转移矩阵 m2

3.2 景观格局变化过程

景观格局的变化可以通过斑块的变化来显示出来[14]，对斑块数量指数、斑块周长、斑块平均面积的统计进行分析(见表3)，结合各景观面积的变化可以看出：

1)2009年和2013年耕地为整个景观格局中的基质，2016年时水域变为了基质。2009年和2016年斑块数表现为耕地>园林地>水域>荒草地>其他建设用地>住宅用地，而在2013年斑块数表现为耕地>园林地>水域>荒草地>住宅用地>其他建设用地。2009年、2013年和2016年中，耕地斑块数量比重在分别为50.8%、51.8%和45.3%，园林地分别占16.8%、24.4%和29.7%，水域分别占11%、12.2%和12.5%，荒草地分别占10.5%、5.5%和5.5%，住宅用地分别占5.2%、3.7%和1.6%，其他建设用地分别占5.6%、2.4%和5.5%。

2)将景观格局指数分析结合2009～2013年和2013～2016年的土地利用转移矩阵可以看出，2009年到2016年耕地的斑块数量指数、斑块周长有明显的减少，景观面积整体上呈下降趋势，耕地正逐渐转移变为其他地类。园林地除了斑块数量指数大致呈增长趋势外，斑块周长、斑块平均面积和景观面积皆有较大幅度的增长，从转移矩阵中也可以看出园林地是太平国家湿地公园建设过程中发展最快的地类。水域的斑块数量指数、斑块周长大致呈下降趋势，而平均斑块面积、景观面积是上升的，其中大量耕地、园林地变为水域，使水域的面积逐渐扩大，并有逐渐合并的趋势。荒草地斑块数量指数、斑块周长有明显的下降，斑块平均面积和景观面积大致呈下降趋势，转移矩阵也展示出湿地公园里的荒草地正在逐步的变为以园林地为主的其他地类。住宅用地的斑块数量指数、斑块周长、斑块平均面积和景观面积都迅速减少，转移矩阵中也展示出住宅用地大量转移为其他地类，可以看出住宅用地在太平国家湿地公园建设过程中大量减少，由于采煤塌陷地的逐渐扩大，原湿地公园内的住宅都在逐渐的搬迁，转移安置。其他建设用地斑块数量指数、斑块周长大致呈下降趋势，而斑块平均面积和景观面积有略微的增长，表明原有的其他建设用地正逐渐被太平国家湿地公园的建设项目所取代。

表3 2009年、2013年和2016年景观格局指数

3.3空间异质变化过程

景观异质性的研究也是景观格局分析的重要过程[15-16]。空间异质性是通过斑块的空间分布形式的不均匀性、形状差异和复杂程度上反映出来[17]。本研究通过分维数、景观优势度指数、景观破碎度指数来反映空间异质性变化的特征。通过分析(见表4)可以看出：

1)分维数可以展示出斑块形状，它的取值范围为1～2，当取值为1时，斑块边界的曲折性最大；当取值为2时，斑块边界为圆，边界的曲折性最小。由分析可以看出3年中各景观斑块分维数都很接近，在1.008～1.150之间。说明太平湿地公园内各景观都具有较小的边界曲折性，斑块的形状都比较单一。其中耕地、园林地、住宅用地、水域的分维数增大，说明这几类用地的斑块形状逐渐变得复杂化，而荒草地的分维数减小，表明其斑块形状逐渐变得均匀，其他建设用地的分维数没有明显变化。

2)2009年的景观优势度指数表现为耕地>水域>园林地>荒草地>住宅用地>其他建设用地，2013年景观优势度指数表现为耕地>园林地>水域>荒草地>住宅用地>其他建设用地，2016年景观优势度指数表现与2013年相同，由此可见耕地的面积虽然减少，但在研究区仍占有主导地位；园林地与水域的优势度都有增长，但园林地在2013年超过水域的优势度指数，成为继耕地之后的主导地类；荒草地、住宅用地和其他建设用地的地类优势度指数均减少。

(3)对于景观破碎度来说，景观破碎化是由社会经济活动的影响超过自然活动的影响导致的[18-19]。通过分析发现耕地、水域、园林地、荒草地和其他建设用地的景观破碎度均减小，说明这几类斑块呈逐渐聚集状态，而住宅用地由于搬迁与规划在研究区范围内破碎度略有增加。

表4 2009年、2013年、2016年景观指数

4 讨论

研究区作为采煤塌陷地而生的新生湿地，一方面受人为过度开采煤矿导致的采煤塌陷地的影响，生态环境遭到破坏，地表变形，耕地造成严重破坏，土壤环境改变，土壤养分流失严重，肥力下降[20]，矿区塌陷后形成大面积长期积水，湿地公园中的水域面积呈扩大趋势，同时由于不同地区塌陷程度不同，造成耕地、水域和园林地等斑块形状难以均匀规划。另一方面因塌陷而形成新生湿地资源为合理整治采煤塌陷区和矿坑积水区、营造湿地自然生态系统奠定了基础，为建设湿地公园提供了条件[21]。湿地公园的开发与建设要结合塌陷区现状与演变趋势进行，通过计划性的修复、补充耕地，发展湿地经济，遵循生态规划完善公园建设，使耕地、水域和园林地面积增加，斑块集聚程度增大，充分开发未利用地并安置搬迁村庄，合理配置住宅用地和生态用地比例，提高土地利用率，提高规划布局的科学性。太平国家湿地公园将采煤塌陷的利与弊相结合，利用煤矸石填充部分塌陷区，营造景观，变废为宝[22]，并结合采煤塌陷地动态变化特点[23]，合理开发利用新生湿地资源，加强与土地、园林、环保等相关部门的联系[24]，实现其生态价值，为该地区的生态恢复治理提供典范。

5 结论

(1)2009年、2013年与2016年这三年间，太平国家湿地公园中耕地在2009年和2013年为景观格局的基质，水域在2016年总面积超过耕地成为景观格局的基质。耕地、水域和园林地为研究区的主要地类，三种地类在2009年占研究区总面积的75.3%，2013年占88.9%，2016年占89.0%。景观斑块整体数量缓慢下降，其中荒草地，住宅用地下降明显，转移矩阵显示耕地、住宅用地、荒草地正逐渐转移为园林地和水域。

(2)斑块数量、优势度、破碎度三个指标在生态公园建设中变化明显。其中荒草地、住宅用地斑块数量下降明显；耕地、园林地、住宅用地和水域的斑块形状逐渐变得复杂，荒草地的斑块形状逐渐变得均匀，其他建设用地没有明显变化；耕地面积逐渐虽然减少但一直处于主导地位，园林地和水域的面积逐渐增加，并且园林地在2016年超过水域成为次主导景观，其他用地优势度均减少；耕地、水域、园林地、荒草地和其他建设用地的景观破碎度均减小，斑块逐渐聚集，而住宅用地破碎度指数略有增加。

研究区由于采煤塌陷地的逐渐扩大，耕地倾斜，村庄搬迁，而水域的面积不断增加，太平国家湿地公园的建设实现了当地的恢复重建与景观的合理利用，又为当地的生态建设做出了贡献，同时警示人们开发与保护并举的重要性，为因地制宜发挥景观最大效益提供经验做法。