重庆市江津区土地利用景观干扰度时空变化
2021-01-26邸晓慧苏英慧周宝同
邸晓慧，苏英慧，明 弘，周宝同,*
(1.西南大学 地理科学学院，重庆 400715；2.重庆市盛地土地经济研究院，重庆 400000)
景观格局是指空间上大小、形状各异的景观斑块的分布，是生态系统受到不同程度作用而产生的结果[1-2]。景观的稳定对维持区域生态环境稳定起着关键作用，是保持区域生态系统服务功能稳定和实现可持续发展的基础[3]。近年来，人类活动对土地利用的干扰日益深刻，目前已有许多生态学家认识到，适度的干扰不仅对生态系统无害，而且可以促进生态系统的演化和更新，有利于生态系统的持续发展，但过度干扰会破坏原来景观系统的特征和生态功能[4]。因此研究景观干扰度对生态系统的稳定具有重要的现实意义。
目前对景观干扰的研究主要通过景观指数的计算进行定量研究和定性分析。人为干扰与景观格局变化响应机理分析已成为地理学和景观生态学研究领域的国际热点，被广泛应用于农业、林业、环境和城市等诸多领域的生态评价研究[5]。汪晶等[6]对福建将乐林场栲类次生林干扰进行评价，发现将乐林场栲类次生林主要处于轻度干扰和几无干扰状态，与干扰度相关性较大的指标是人为干扰指标和系统活力指标。郭少壮等[7]研究了在时间序列上，地区景观格局变化与人为干扰的关系，结果表明人为干扰是引起地区景观格局变化的关键因素，这种影响还在逐渐增加。此外，伍斌等[8]从缓冲区的角度研究了安顺市景观格局在空间梯度上的变化，表明安顺市建成区外部缓冲带景观多样性逐渐丰富，受人为干扰强度弱化。苏琪娇等[9]研究了喀斯特山区不同岩性分区下的景观生态质量差异，发现利用景观稳定程度和干扰程度能较好地反映不同岩性分区的人为活动对景观生态质量变化的影响模式。
重庆市江津区属于丘陵城市，具有土地利用条件复杂、生态环境脆弱、自然灾害频发、人地关系紧张的特点[10]。近几十年来，在西部大开发、退耕还林草、水土流失治理等一系列复杂的人类活动干扰下，江津区土地利用景观受到重大影响。尽管已有学者关注了土地利用景观格局及景观风险[11-13]，地形因子对景观的影响也有涉及[14-16]，但强烈的人类干扰下土地利用景观干扰度在不同土地功能区的分布规律还有待进一步探讨。本研究以江津区3个土地利用分区为单元，研究各个分区景观干扰度时空分异特征及不同坡度下景观干扰度的分布，进一步识别干扰度与坡度间的关联性，以期为江津区土地综合整治提供有价值的信息。
1 研究区概况
江津区地处重庆市西南部(图1)，地理坐标28°28′-29°28′N，105°49′-106°38′E，面积321 800 hm2。研究区地势南北高、中间低，长江自西南向东北横贯中北部，其两侧地势均向江面倾斜；全区最高点为四面山，海拔1 709.4 m，最低点在珞璜镇石家沟的长江边，海拔179.2 m，地势高差为1 530.2 m[13]。境内山地占土地总面积的31.8%，丘陵占65.1%，河谷平坝阶地占3.1%，地貌以山地和丘陵为主[17]；研究区为亚热带季风气候，夏热冬暖，年均温18.4℃，年均降水量1 001.2 mm。江津区下辖4个街道25个镇，常住人口138.7万人；2018年地区生产总值达902.3亿元，全区规模以上工业生产总值1 313亿元，双福、德感工业园成为全市产业示范园。
图1 研究区位置Fig.1 Location of the study area
2 材料与方法
2.1 数据来源与处理
土地利用数据来源于江津区2007、2010、2015、2018年遥感影像(30 m×30 m)，高程数据来源于地理空间云平台GDEMDEM，分辨率为30 m。通过对土地利用数据的分析、校对与归并，将江津区土地利用类型分为6类：耕地、建设用地、林地、水域、草地和未利用地，整理得到江津区2007、2010、2015、2018年土地利用景观类型图(图2)。
图2 江津区2007、2010、2015、2018年景观类型空间分布Fig.2 The spatial distribution of the landscape types of Jiangjin district in 2007,2010,2015 and 2018
2.2 研究方法
2.2.1 景观干扰度计算 景观干扰度用来反映不同景观所代表的生态系统受到干扰(主要是人类活动)的程度[18]。借鉴高宾等[18]、王娟等[19]研究成果，采用与景观干扰密切相关的景观类型破碎度指数、分维度倒数和优势度指数3种指数作为基础指标，结合权重，构建景观干扰度指数公式[20]:
Ui=xFNi+yFDi+zFIi
(1)
式中，Ui为景观i的景观干扰度，FNi为景观i的破碎度指数，FDi为景观i的分维度倒数，FIi为景观i的优势度指数。x、y、z为权重，此处的权重反映了各指数对景观所代表的生态环境的影响程度，本研究参考王娟等[21]、傅微等[22]、赵越等[23]的研究成果，结合研究区实际情况，综合分析各景观指数对生态环境贡献的大小，认为破碎度指数最重要，其次为分维度指数和优势度指数，最终将破碎度指数、分维度倒数和优势度指数的权重分别设定为0.5、0.3和0.2。
破碎度在一定程度上反映了人类对景观的干扰程度，它是景观由单一、均质和连续的整体趋向于复杂、异质和不连续的斑块镶嵌体的过程[24]，公式如下：
FNi=Ni/Ai
(2)
式中,Ni代表景观i的斑块数量，Ai为景观i的斑块面积。
景观分维度用来描述斑块形状的复杂程度，取值范围1～2，值越小，表明斑块形状越单一，受人为干预的程度越大[24]，公式如下：
(3)
(4)
式中，FRAC_MN为平均斑块分维度，pij为景观斑块ij的周长，aij为斑块ij的面积，N为全部景观的斑块总数。
景观优势度反映一种或几种景观要素支配景观格局的程度[18]，公式如下：
FIi=0.25×(ni/N+mi/M)+0.5×Ai/A
(5)
式中,ni为景观i的斑块数量,mi为景观i出现的格网数，M为格网总数，A为全部景观总面积，
由景观指数计算软件Fragstats 4.2对研究区域提取3个斑块类型尺度的指标:斑块类型面积(CA)、斑块数(NP)及分维度(FRAC_MN)，3个景观尺度的指标:景观总面积(TA)、斑块总数(NP)、优势度指数(SIDI)，利用上述公式进行景观干扰度计算。
2.2.2 空间分析方法 根据研究区面积和网格划分的工作量，将研究区各年景观类型分布矢量图均划分出178个5 km×5 km的正方形网格，计算每一网格的景观干扰度，在ArcGIS中利用反距离权重法进行插值处理，得到江津区各年景观干扰度的空间分布图。对每个网格2007年和2018年景观格局干扰度做差，求得每个网格2007-2018年景观格干扰度变化，利用同样的插值方法得到江津区景观干扰度变化的空间分布图。
2.2.3 土地利用功能分区 江津区北部多浅丘，地势相对平缓，区域内以城镇发展为主，建设用地分布较为广泛；江津区中部以中高丘平地为主，主要发展农业，分布有大片农田；江津区南部以山地为主，主要发展生态旅游业。禹洋春等[25]采用聚类分析的方法，根据聚类结果兼顾区域连续性及江津区今后社会经济发展，将该区分为3个综合分区。本研究参考前人研究，结合江津区土地利用规划，将江津区土地利用分为3大分区(图3)，即北部城镇高度发展区、中部传统农业发展区和南部农林生态涵养区，基于这3个分区对江津区景观干扰度进行分析。
图3 江津区土地利用功能分区Fig.3 The land use function zoning of Jiangjin district
2.2.4 基于坡度的景观干扰度分区研究 利用ArcGIS 10.2的空间分析工具提取江津区坡度信息，参考《第二次全国土地调查技术规程》，将江津区坡度划分为5级：S≤2°、2°
图4 江津区坡度分级Fig.4 Picture of gradient classification of Jiangjin district
3 结果与分析
3.1 江津区土地利用景观变化
从江津区景观类型水平指数变化可知(表1)，耕地、林地是江津区主要景观类型。2007-2010年耕地、林地CA减小，其余地类CA呈增加趋势，其中建设用地增加幅度最大；建设用地、耕地、水域、未利用地NP均增加，而林地、草地NP减少。2010-2015年，耕地、建设用地和未利用地CA增加，而其余地类均减少，林地和草地NP增加，耕地、建设用地、水域和未利用地呈减少趋势。2015-2018年间，林地、建设用地CA增加，水域、耕地、草地和未利用地CA减小，耕地、林地和草地NP有所增加，建设用地、水域、未利用地NP减少。
表1 江津区景观类型水平景观指数变化Table 1 Changes of landscape index in type level of Jiangjin district
3.2 江津区土地利用景观干扰度构成指标变化
江津区各地类景观干扰度构成指标变化情况见表2，耕地2007-2010年破碎度指数增加，2010-2018年减小，分维度倒数持续减小，优势度指数先减小后增大；建设用地破碎度先增加后减小，分维度倒数维持在0.97，变化不大，优势度持续增加；林地破碎度2007-2010年减小，2010-0018年增加，分维度倒数2007-2015年减小，2015-2018缓慢增加，优势度持续降低；水域破碎度和优势度在2007-2010年增加，2010年后开始降低，分维度倒数持续减小；草地2007-2018年破碎度与优势度均持续降低；未利用地破碎度、分维度倒数和优势度在2007-2010年增加，2010年之后降低。相较于其他地类景观，建设用地和耕地景观的3个指标指数变化幅度较大。
表2 江津区景观干扰度构成指标变化Table 2 Changes of component indicators of landscape disturbance degree in Jiangjin district
3.3 江津区土地利用景观干扰度时空变化
3.3.1 景观干扰度时间变化 江津区2007、2010、2015、2018年各景观类型干扰度见表3，由表3可知，建设用地、水域和未利用地景观干扰度偏高且变化较突出，耕地、林地和草地的景观干扰度偏低且变化幅度较小。2007-2010年，耕地、水域、林地和未利用地干扰度增加，建设用地、草地干扰度降低；2010-2015年，建设用地干扰度显著增加，耕地和草地干扰度略有增加，水域和未利用地干扰度转而降低；2015-2018年，各景观类型干扰度变化相对前2个阶段较小，建设用地、耕地和未利用地干扰度降低，林地、水域、草地干扰度基本不变。
表3 江津区景观干扰度变化Table 3 Changes of landscape disturbance degree of Jiangjin district
3.3.2 景观干扰度空间变化 根据各年份干扰度指数的范围并参考前人研究[11]，对江津区景观干扰度进行分级：U≤0.5为极低干扰度，0.5
由图5可知，总体上景观干扰度Ⅰ区>Ⅱ区>Ⅲ区，2007年的景观干扰度总体由北向南减小，景观干扰度高值区主要分布在Ⅰ区的几江街道、鼎山街道和支坪镇，低值区主要分布在Ⅲ区；2010年景观干扰度高值区转移到Ⅱ区，低值区主要分布在Ⅲ区，高干扰度主要位于西南部的石蟆镇、白沙镇、石门镇，面积增大。2015年江津区景观干扰度由中心向南北方向辐射递减，景观干扰度高值区主要位于Ⅱ区中部，低值区依旧分布在Ⅲ区，中、高干扰度范围明显扩大，极低、低干扰度范围显著缩减。2018年干扰度分布格局与2015年相似，景观干扰度高值区位于Ⅱ区，低值区主要位于Ⅲ区，但高干扰度面积较2015年有所减小。可以看出，2015年是景观干扰度变化的转折点，2007-2010年江津区大部分地区属于低干扰度和极低干扰度，景观干扰度水平较低。2015-2018年大部分地区属于中、高干扰度，景观干扰度水平较高，但2018年较2015年中、高景观干扰度范围减小，景观干扰度水平有下降趋势。
图5 江津区景观干扰度空间格局Fig.5 Spatial pattern of landscape disturbance degree in Jiangjin district
江津区干扰度变化空间分布情况见图6，2007-2018年，景观干扰度变化:Ⅰ区>Ⅱ区>Ⅲ区。北部城镇高度发展区的大部分区域景观干扰度变化较大，特别在德感街道、几江街道、支坪镇、珞璜镇，景观干扰度变化最大；中部传统农业发展区大部分地方干扰度变化较北部小，越往南部，变化越小；南部农林生态涵养区主要以自然景观为主，景观干扰度变化最小，四面山景区景观干扰度变化<0.4。
图6 江津区景观干扰度变化空间格局Fig.6 Spatial pattern of changes on landscape disturbance degree in Jiangjin district
3.4 不同坡度条件下景观干扰度变化
一般坡度小的地区适合人类开展生产活动，人类对景观的干扰较强，坡度大的地区开发利用难度相对较大，人为干扰程度较低[26]。江津区属于典型丘陵区，土地利用效率高，地形因子是影响丘陵区景观类型分布的关键因素[12]，而坡度是表征地形的重要指标，因此加入坡度因素，分析不同坡度等级下景观干扰度分布情况，从多角度对江津区景观干扰度进行研究。
江津区各分区不同坡度下的干扰度见表4，Ⅰ区即北部城镇高度发展区，在S≤15°范围内，低干扰度和中干扰度均占优势地位，占该区面积的总比例达55.21%，15° 表4 江津区不同坡度下景观干扰度等级Table 4 Level of landscape disturbance degree under different slopes in Jiangjin district 综上，低干扰度在各坡度范围内面积占比均较大，在Ⅱ区优势地位更突出；中干扰度在Ⅰ区和Ⅱ区的面积占比均接近30%，在S≤15°的范围内优势地位更明显；高干扰度在Ⅰ区2° 耕地和林地是江津区主要景观类型，2007-2018年建设用地、林地和水域总体上破碎化加剧，耕地、草地、未利用地破碎程度减小。 2007-2018年江津区景观干扰度先增加后减小，2015年是景观干扰度变化的转折点，2007-2015年江津区迫于发展经济的压力，人类活动强度大，景观变得破碎，景观干扰度呈增加趋势。2015年以来，生态文明建设取得显著成果，景观破碎度降低，景观干扰度呈下降趋势。 研究期内景观干扰度总体上Ⅰ区>Ⅱ区>Ⅲ区，干扰度变化也表现为Ⅰ区>Ⅱ区>Ⅲ区。Ⅰ区为中心城区和工业园区所在地，发展较快，以低、中干扰度为主，面积总比例达67.65%，高干扰度占比较Ⅱ区和Ⅲ区大，Ⅱ区低干扰度占优势地位，面积占比达56.75%，Ⅲ区以林地景观为主，是极低干扰度占比最大的区域。 景观干扰度空间分布受坡度的影响，低干扰度在各坡度范围内面积占比均较大；中干扰度在Ⅰ区和Ⅱ区S≤15°的范围内面积占比较大，高干扰度在Ⅰ区2° 景观干扰度变化受人类活动的影响，而不同时期人类活动的强度存在差异。2007-2010年江津区处于发展阶段，大部分地区经济建设尚处于起步阶段，人类活动触及的范围有限。随着社会的发展，特别是2002年重庆市人民政府批准审核通过江津工业园区以来，政府投入大量资金发展工业，园区基础日益完善，工业园周围大量耕地、草地和林地被占用，小斑块数量增加，景观变得破碎，干扰度高值区扩大，景观干扰度趋于增加。而近年来，江津区注重统筹人与自然和谐发展，在天然林保护、封山育林、退耕还林、植树造林等一系列生态文明建设政策的驱动下，部分耕地转为林地、草地，加上对土地的各项整治措施，使耕地和建设用地破碎度降低，致使2015年以后景观干扰度呈现降低的态势。 研究期内江津区景观干扰度总体上Ⅰ区>Ⅱ区>Ⅲ区，这与各分区自然条件和社会经济条件息息相关。江津区地处云贵高原和四川盆地边缘低山浅丘交界处，由于地势地貌的特殊性，坡度在区域内差异大，南部山区时常发生山体崩塌、滑坡、泥石流、地面沉降等自然灾害[17]，因此Ⅲ区不适宜开展大规模城镇化建设，该区景观干扰度以极低和低为主。而Ⅰ区地形平坦开发历史悠久，中心城区和德感、珞璜、双福工业园区均位于该区，发展迅速，园区面积不断扩大，周围地类转换频繁，故而以低干扰度和中干扰度为主。 江津区低丘缓坡资源总面积占全区土地总面积的42.76%[16]，而低丘缓坡通常存在着植被较少、水土流失严重、土层较薄、基岩裸露和生态系统不稳定等环境问题[27]，开发强度不宜过大，故低干扰度在全区各个坡度范围内面积占比均较大，中干扰度仅在Ⅰ区和Ⅱ区S≤15°的范围内面积占比较大。 景观干扰度增加意味着生态环境受到人类活动严重影响，不利于城市可持续发展，未来Ⅰ区应集中布局产业，立足园区特色，利用土地级差、土地置换，改变小型工业企业用地性质，进行工业景观整合[28]，提高土地集约利用效率，见缝插针营造绿地，加强生态建设与保护。Ⅱ区应有计划地进行土地整治，提高耕地质量。Ⅲ区应加强保护优质耕地，重点实施退耕还林，保护该区生态环境。
4 结论与讨论
