2000-2015年FAST周边土地利用景观格局演变分析

赵祖伦 赵卫权 李威 杨家芳 孙小琼

【摘要】定量化识别FAST周边土地利用景观格局以及时空演变特征，对于管理和维护FAST周边生态环境和静默环境具有重要意义。通过构建景观动态变化模型以及选取斑块密度、最大斑块指数、景观形状指数、景观集合度等景观指数，对FAST周边30 km缓冲区的土地利用景观结构、景观动态转移和演变特征进行定量化分析。结果表明：①研究区周边30 km缓冲区范围内以林地为优势景观，占比约为57%，耕地和草地次之，占比约20%，水域景观和建设用地景观最少，占比不足1%;②耕地、林地和草地景观之间相互转换频繁，水域景观面积减少规模不大，建设用地景观面积呈现剧烈上升趋势，多数源于对林地、耕地和草地的占用;③2000-2015年期间，土地景观斑块破碎化程度整体呈“U”型变化.2010-2015年研究区域人类活动对于景观的干扰程度增加，必须针对性地管控FAST周边人类活动强度。

【关键词】土地利用变化;景观格局;时空演变;FAST

【中图分类号】F301.2

【文献标识码】A

景观格局是指形状不同、大小各异的景观要素在二维空间上的排列组合，包括景观要素的数目、类型、空间分布、占比配置、形状大小等特征，景观格局是各种生态过程在不同等级尺度上的综合作用或结果，影响着景观内物种的丰富度和种群的生存环境，定量化研究区域景观格局的演变规律，对于理解生态过程、辅助生态系统的管理和保护具有重要意义。因此，区域景观格局演变及其演变机制是当前景观生态学和地理学领域关注的热点问题之一。

随着全球气候变化以及不断加重的人类活动影响，土地利用的生态效应备受关注。如任志远等基于土地利用动态度模型，探讨土地利用变化对于银川盆地景观格局脆弱性的影响程度;胡艳兴等基于土地利用空间格局，从景观结构、类型和异质性等方面构建景观格局稳定性模型，对兰州的景观格局稳定性进行定量评估;郭少壮等利用景观格局指数和地表覆盖分类系统，构建景观脆弱度指数和人为干扰度，研究了秦岭地区1980-2015年的景观格局演变规律及其对人为干扰的响应;于婧等基于GIS和Fragstats分析技术，从景观特征、抗干扰能力、和社会经济等方面构建土地生态质量综合评估模型，研究湖北仙桃市土地生态质量状况。当前对于土地利用景观格局的研究，多数关注流域、行政区划、矿区、湿地、城市群等，但对于国家重大科技基础建设工程周边环境的研究较少。

国家重大工程500m口径球面射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope，FAST），位于贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县克度镇大窝凼的喀斯特洼坑中。随着FAST工程的竣工及使用，为保护FAST周边的无线电静默环境，核心区内进行了一系列的建设工程、移民搬迁工程，中間区和边远区内，为旅游观光而进行的开发建设也如火如荼，如天文酒店、天文体验区、天坑景区，FAST周边5km以外的人类活动强度不断加大。因此，识别FAST周边土地利用景观格局时空演变特征，对于FAST周边的生态安全格局的构建和FAST健康运行具有重要意义。

基于此，本文基于CIS空间分析原理和景观生态学原理，构建土地利用景观动态度模型，从类型水平选取斑块密度、最大斑块指数、景观形状指数、景观聚合度等景观指数，定量化分析2000-2015年FAST周边30 km缓冲区内的土地利用景观格局演变特征，为FAST周边景观生态安全格局的构建和FAST周边环境管理提供理论依据。

1 研究区概况

500m口径球面射电望远镜（Five-hundred-meter ApertureSpherical Telescope.FAST），是一架直径500 m，利用贵州现有喀斯特坑洼为基础，反射面能主动变形的球面射电望远镜，位于贵州省黔南州平塘县克度镇大窝凼坑洼中。作为一个关键技术指标处于国际前沿的天文观测设备，FAST蕴藏着巨大的发现机遇，具有对天文学产生重大影响的潜力。

1993年，中国天文学家提出在贵州喀斯特峰丛洼地建设大射电望远镜阵列的建议。2007年，国家批复了FAST立项建议书，工程进入可行性研究阶段。2011年3月，村民搬迁完毕，FAST项目开始动工。2016年9月25日，举世瞩目的“大射电”竣工并投入使用。从选址、开工到投入使用，依据《贵州省500米口径球面射电望远镜电磁波宁静区保护办法》，为保护FAST正常运行，将FAST电磁波宁静区划分为核心区、中间区和边远区，以FAST台址为中心，半径5 km的区域为核心区，半径5 - 10 km环带为中间区，半径10 - 30 km环带为边远区。FAST周边30km的电磁波宁静区，约95.77%在贵州省境内，4.23%在广西省河池市天峨县三堡乡。FAST周边环境经历了移民搬迁、施工建设、旅游开发等多方面的影响。

2 数据与方法

2.1 数据来源与处理

基础数据为2000、2005、2010和2015年FAST周边30km的土地利用，覆被类型数据（贵州部分），空间分辨率为30 m，通过地理空间数据云和USGS获取四期遥感影像，根据Google高清影像辅助进行感兴趣区的选取，利用ENVI 5.3进行监督分类，将研究区的景观类型大致分为耕地、林地、草地、水域、建设用地等五种类型。景观动态变化和转移矩阵，是利用ArcCIS统计分析和空间分析工具进行计算;景观指数是运用Fragstats v4.2进行计算，邻域选择4x4。

2.2 研究方法

2.2.1 景观格局指数。景观指数是指从斑块、类型和景观等多层次角度进行考虑，以定量化方式表达斑块形状、数量、大小、密度等结构组成和空间配置特征的简单指数。景观指数的变化，可以从一定程度上揭示自然因素和人类干扰对于土地景观的影响程度。参考相关研究，景观类型水平上选取斑块密度、最大斑块指数、景观形状指数、斑块聚合度对FAST周边各景观类型的格局进行定量化分析，景观指数的计算公式和生态意义详见参考文献。

2.2.2景观动态变化模型。景观动态变化模型主要用于定量化测度景观类型的转移方向、数量和程度。

（1）单一景观动态度。单一景观动态度可以反映一定时期内，某种景观类型的变化程度。计算公式如下：

（2）景观转移矩阵。转移矩阵可以直观的表达景观类型之间相互转移的方向和程度，其中转移程度以转移面积大小的方式表达，转移面积越多，说明被侵占挤压的程度越大。转移矩阵的计算公式如下：

3 结果与分析

3.1 景观结构特征

从各类景观类型面积和占比情况统计来看（表1），FAST周边30 km缓冲区范围内景观类型多样，以林地为主要优势景观，多年占比均在57%以上，其次是耕地和草地，两类景观面积相当，多年占比均超过20%，水域和建设用地的面积最少，占比均少于1%;从空间分布情况来看（图1），林地景观类型分布广泛，FAST核心区、中间区和边远区均为林地景观占优，耕地景观主要分为6大块，即中间区的克渡镇和塘边镇区域、边远区南部的董当乡至云干乡区域、西凉乡周边、新塘乡至通州条带区域、羡塘乡和抵季乡北部零散区域、边阳镇周边等，草地景观分布特征与耕地大概相同，连片区域分布在耕地景观周边，水域景观主要分布在边远区山谷中的河流和部分水库，如曹渡河、坝王河、龙潭水电站水库，建设用地景观，主要集中分布在地势较平坦区域，如研究区西南部罗甸县城、克渡镇、边阳镇、其它乡镇周边以及乡镇间道路两旁呈条带状区域。

3.2 景观类型动态转移

从FAST周边景观类型动态变化统计可知（表2，表3），2000-2005年期间，草地面积剧烈减少，减少面积约18.25km2，转移方向为耕地和林地，其中规模大小约18.90 km2的草地转为耕地，规模大小约25.62 km2的草地转为林地，林地和耕地也向草地转移分别13.15 km2和13.14 km2，耕地、林地和草地的动态度分别为1.12%、0.78qo和-3.05%，这5年期间建设用地和水域景观的变化程度不大;2005-2010年期间，建设用地景观变化较为剧烈，动态度达127.55，面积增长约0.97km2，建设用地景观面积增长来源为林地和草地，耕地景观类型变化较为明显，耕地面积大约减少2.51 km2，林地减少约0.09 km2，转移方向主要为耕地和草地，转移面积分别约为7.96km2和6.08 km2，林地和草地向耕地景观转移的面积分别为7.10km2和4.42 km2; 2010-2015年期间，建设用地景观剧烈增加，面积增加约12.60 km2，动态度达146.61%，建设用地面积增加来源于耕地、林地和草地，占用面积分别为5.49 km2、5.00 m2和2.75 km2。

总体来看，2000-2015年期间耕地、林地和草地景观之间相互转换频繁，水域景观面积减少程度不大，建设用地景观面积呈现剧烈上升趋势，反映出人类活动对于FAST周边的景观结构影响越来越明显。

3.3 景观指数变化特征

利用依据Fragstats v4.2软件，计算2000-2015年4个时期土地景观类型水平上的斑块密度、景观形状指数、最大斑块指数和斑块聚合度指数及其变化特征（表4）。其中斑块密度主要用于测度斑块的破碎度情况，PD值越大，说明某类型景观斑块破碎度越大;最大斑块指数用于表示最大斑块占某类型景观面积的比例，反映最大斑块对于景观的影响程度，LSI值越高，该类型斑块对于景观影响越大;景观形状指数用于测度某类型景观的整体斑块的复杂或者规则程度，LPI指数越大，景观斑块形状越复杂，反之越规则;景观聚合度指数主要用于测度某种景观类型斑块间的连通性程度，AI值越小，景观越离散，反之聚集程度高。

通過分析可知，2000-2005年，林地景观斑块密度略有增加，景观形状指数增大，最大斑块指数增大，斑块聚集度减小，说明该5年期间林地景观斑块破碎化程度增加，斑块形状趋于复杂，最大林地斑块面积增加，且斑块间的离散程度增加;耕地景观斑块密度减小，破碎化程度减小，斑块形状趋于复杂，最大耕地斑块面积增加，耕地斑块之间的连通度有所降低;草地景观斑块密度降低，破碎度减少，斑块形状趋于复杂，连通度有所降低;水域景观破碎化特征不明显，连通性有所降低;建设用地整体斑块形状趋于复杂和离散，连通性有所降低。

2005-2010年，林地景观破碎化程度有降低，斑块形状复杂程度减小，斑块间聚集程度有所增加;耕地景观破碎化程度增加，斑块形状趋于规则，斑块间的连通性有所增加;草地景观破碎化程度降低，斑块形状趋于规则，斑块间连通性降低;水域斑块形状趋于复杂，连通度有所增加;建设用地景观破碎化程度增加，斑块形状趋于复杂，最大斑块面积规模变大，离散程度增加，连通性降低。

2010-2015年，林地景观各指标的变化特征类似2000-2005年的变化特征，呈现进一步的斑块破碎化、形状复杂化、斑块间连通程度略有降低;耕地破碎化程度增加，形状趋于复杂，最大斑块规模有所减小，斑块连通性有所减小;草地斑块密度增加，形状指数变化不明显，最大斑块面积规模增加，斑块间连通性增加;建设用地景观破碎化程度减小，形状进一步规则，斑块连通性降低。

整体来看，不同土地利用景观的景观破碎度从大到小的排序大致为：耕地景观>草地>林地景观>建设用地景观>水域景观，耕地景观最为破碎，水域景观较为连续;从斑块形状来看，耕地景观形状最为复杂，草地和林地景观次之，水域和建设用地景观最为规则;从斑块的聚集性或者连通性方面看，林地景观连通性最好，水域和建设用地景观连通性较差。FAST周边30km范围的斑块密度呈现先减少后增加，呈“U”型变化，即2000-2010年斑块破碎化程度有所降低，但2010-2015年呈现上升趋势，反映了后五年人类活动对于景观的干扰程度增加，这与FAST工程的施工建设、移民搬迁活动、周边旅游开发活动等时间相对应。

4 结论

本文基于ArcGIS空间分析原理和景观生态学原理，通过构建景观动态模型和景观指数，定量分析2000-2015年FAST周边30 km（贵州范围内）的土地景观结构以及演变特征，主要结论如下。

（1） FAST周边30 km缓冲区范围内，土地景观以林地为优势景观，多年占比均超过57%，耕地和草地景观占比20%左右，水域和建设用地景观占比不足1%。

（2） 2000-2015年期间，耕地、林地和草地景观之间相互转换频繁，水域景观面积减少规模不大，建设用地景观面积呈现剧烈上升趋势，建设用地15年间增加约13.57 km2，建设用地景观面积的增加，多数源于对林地、耕地和草地的占用。

（3） 2000-2015年期间，土地景观斑块破碎化程度整体呈“U”型变化，2010-2015年研究区域人类活动对于景观的干扰程度增加，FAST工程的开发建设和投入使用对于周边的景观结构具有较大的直接或间接影响，必须加强对FAST静默区的人类活动干扰管控。

[参考文献]

[1]吉平，赵丹丹，田学智，等.1954-2010年三江平原土地利用景观格局动态变化及驱动力[J]生态学报，2014，34 （12）：3234- 3244.

[2]任志远，张晗.银川盆地土地利用变化对景观格局脆弱性的影响[J].应用生态学报，2016， 27（1）：243-249.

[3]胡艳兴，潘竟虎.基于土地利用空间格局的兰州市景观稳定性[J]中国沙漠，2016，36 （2）：556-563.

[4]郭少壮，白红英，孟清，等.1980-2015年秦岭地区景观格局变化及其对人为干扰的响应[J]，应用生态学报，2018，29（ 12）：4080-4088.

[5]于婧，陈艳红，彭婕，等.基于GIS和Fragstats的土地生态质量综合评价研究一以湖北省仙桃市为例[J].生态学报，2020，40 （9）1-12.

[6]南仁东，李会贤.FAST的进展—科学、技术与设备[J].中国科学：物理学力学天文学，2014，44（ 10）：1063-1074.

[7]邬建国，景观生态学一格局、过程、尺度与等级[M].北京：高等教育出版社，2007： 17，106-120.

[作者简介]赵祖伦（1993-），男，貴州赫章人，研究实习员，硕士，研究方向：国土资源与3S技术应用。

[通讯作者]赵卫权（1982-），男，甘肃宁县人，副研究员，博士，研究方向：资源环境与3S技术应用。