徐 允，張 培，周寶同※

(1.西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，重慶北碚 400715； 2.重慶永川區(qū)國(guó)土房管局,重慶永川 402160)

0 引言

土地利用是在自然規(guī)律、社會(huì)經(jīng)濟(jì)規(guī)律和人類歷史規(guī)律的制約下形成不同的土地利用區(qū)域，而科學(xué)合理的土地利用分區(qū)是土地資源開發(fā)的先決條件[1]。但現(xiàn)實(shí)土地利用類型規(guī)劃中存在著多種用地類型相互交叉鑲嵌形成不同的用地景觀，所以以景觀幾何特征為基礎(chǔ)的土地利用分區(qū)可以更有效地反映土地利用變化的空間差異[1]。

土地利用分區(qū)是在土地的綜合屬性和土地利用現(xiàn)狀、方向的基礎(chǔ)上，根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法，揭示土地利用區(qū)域的差異性與相似性[2]。景觀是一個(gè)交互相關(guān)的綜合體且有比較明顯的邊界和共同的生態(tài)過程，是最適宜進(jìn)行規(guī)劃和管理的空間尺度[3-4]。土地利用景觀格局是指不同大小和形狀的土地利用類型斑塊的鑲嵌，具有顯著的時(shí)空特征，對(duì)土地利用景觀格局變化的研究有助于了解區(qū)域景觀的發(fā)展現(xiàn)狀，并為區(qū)域土地利用和資源管理的決策提供理論支持[5-6]。土地利用景觀分區(qū)的研究，不同研究人員也開展了相關(guān)研究[7-10]，但這部分的研究還相對(duì)較少，特別是分區(qū)的方法大都采用定量的分析方法[11-13]。單純的定量分析方法中存在指標(biāo)選取量較大、指標(biāo)選取的依據(jù)不明確、處理相對(duì)復(fù)雜等問題使得分區(qū)研究增加復(fù)雜性。文章以重慶市永川區(qū)為例，根據(jù)選取土地利用景觀格局指數(shù)，運(yùn)用Shannon多樣性t檢驗(yàn)法進(jìn)行以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單位的土地利用景觀格局變化分區(qū)定量研究，克服多種指標(biāo)的限制更凸顯景觀的差異性，以期為區(qū)域土地利用景觀分區(qū)的研究和土地利用政策的制定提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

永川區(qū)位于長(zhǎng)江上游北岸，東距重慶55km，西距四川成都276km。地處東經(jīng)105°38′～106°05′、北緯28°56′～29°34′。東連江津區(qū)、璧山區(qū)，北界銅梁區(qū)，西接榮昌區(qū)、大足區(qū)，南與四川瀘州市合江縣、瀘縣接壤。全區(qū)主要地形海拔450～650m，最高海拔1 025m，最低200m； 境內(nèi)山水縱橫，地勢(shì)平坦，境內(nèi)云霧山、巴岳山、黃瓜山、陰山、箕山呈川字排列。全區(qū)氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤(rùn)氣候，全年平均氣溫17.7℃，年降水量1 015mm左右。幅員面積1 576km2； 下轄16個(gè)鎮(zhèn)、7個(gè)街道、55個(gè)社區(qū)、206個(gè)行政村。

2015年全區(qū)戶籍人口為113.1萬人，其中城鎮(zhèn)人口37.9萬人，農(nóng)業(yè)人口75.2萬人，城鎮(zhèn)化水平為33.5%。全區(qū)地區(qū)生產(chǎn)總值570.3億元，實(shí)現(xiàn)財(cái)政收入46.5億元。

1.2 數(shù)據(jù)的獲取與處理

在ENVI5.1軟件的支持下，對(duì)來源于國(guó)家地理空間數(shù)據(jù)云的2005和2015年2期的遙感影像進(jìn)行幾何精校正、大氣校正、圖像增強(qiáng)和裁剪等，進(jìn)一步解譯得到永川區(qū)2期土地利用類型圖，并以此作為分析土地利用景觀格局變化的基礎(chǔ)材料。其中2005年的遙感影像是 Landsat TM， 2015年的遙感影像是landsat OLI_TRIS 遙感影像，保證遙感影像的空間解析度均為30m×30m。

根據(jù)土地利用現(xiàn)狀分類國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T21010-2007)，結(jié)合研究區(qū)土地利用的情況和研究目地以及遙感影像的特點(diǎn)，通過最大似然監(jiān)督分類和目視解譯相結(jié)合的方法將永川區(qū)土地利用類型劃分為6類：建設(shè)用地、耕地、林地、草地、水域、未利用地，生成永川區(qū)2005年和2015年土地利用圖(圖1)。為保證分類結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)行地面調(diào)查和查閱往年地圖的基礎(chǔ)上對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行分類后處理和目視修改。最后在2期遙感影像不同的位置處選取總面積為永川區(qū)土地面積的2%的多個(gè)區(qū)域，對(duì)2期分類結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，根據(jù)誤差矩陣計(jì)算的2期的分類結(jié)果的總精度分別為82.5%和80.2%。

圖1 2005年和2015年永川區(qū)的土地利用類型

2 研究方法

2.1 景觀格局指數(shù)法

景觀格局指數(shù)反映景觀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成和空間分布特征的定量性指標(biāo)，能高度表達(dá)景觀格局信息[14]。該文主要在斑塊類型和景觀尺度2個(gè)層次上分析，所選取的類別層級(jí)指數(shù)有景觀類型面積(TA/CA)、斑塊個(gè)數(shù)(NP)、斑塊密度(PD)、景觀百分比(PLAND)、面積加權(quán)平均形狀指數(shù)(SHAPE_AM)； 景觀層級(jí)指數(shù)有Shannon多樣性指數(shù)(SHDI)、Shannon均勻度指數(shù)(SHEI)、散布與并列指數(shù)(IJJ)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)、景觀形狀指數(shù)(LSI)共10個(gè)指標(biāo)[15]描述永川區(qū)10年內(nèi)土地利用景觀格局演變特征。

該文以永川區(qū)16個(gè)鎮(zhèn)， 7個(gè)街道共23個(gè)單元為單位，運(yùn)用Arcgis10.2對(duì)2005年及2015年永川區(qū)的土地利用柵格類型圖進(jìn)行裁剪，并運(yùn)用Fragstats軟件分別計(jì)算每個(gè)單元的10個(gè)景觀指數(shù)。將計(jì)算出的景觀指數(shù)值做差值處理(2015年的景觀指數(shù)值減去2005年的景觀指數(shù)值)，如圖3。

2.2 Shannon多樣性t檢驗(yàn)法

Shannon多樣性指數(shù)是指不同景觀元素或同一景觀要素不同時(shí)期的變化的多樣性，是反映景觀異質(zhì)性的重要指標(biāo)； SHDI越大，表明一定區(qū)域土地利用類型越多，各景觀類型分布越均勻[16-17]。T檢驗(yàn)是用t分布理論來推斷差異發(fā)生的概率，目的是比較兩組樣本的差異是否顯著[18]。采用A.E.Magurran[19]所提出的Shannon多樣性t檢驗(yàn)法，對(duì)永川整個(gè)區(qū)域及各區(qū)的景觀格局變化的差異性進(jìn)行探討，并根據(jù)差異性的程度對(duì)永川區(qū)的各區(qū)縣做出相應(yīng)的分區(qū)。以下為Shannon多樣性t檢驗(yàn)法的計(jì)算公式[20]：

(1)

(2)

(3)

(4)

式(1)～(4)中，Hi為i期的Shannon多樣性指數(shù)，i=1， 2；VarHi為Shannon多樣性指數(shù)的變異數(shù)；Pi為斑塊類型i在景觀中所占的面積比例；mi為第i期斑塊類型數(shù)目，ni為第i期斑塊的數(shù)量。在顯著水平(α=0.05或0.01)下，若計(jì)算的t值>查表理論值，則表示該時(shí)段內(nèi)的景觀格局有顯著的差異。

3 結(jié)果分析

3.1 永川區(qū)土地利用數(shù)量結(jié)構(gòu)時(shí)空變化特征

利用Fagstats 4.2軟件得到的類別層級(jí)的CA和PLAND 2個(gè)景觀指數(shù)，如表1。2005—2015年耕地、草地和未利用地面積呈下降趨勢(shì)，建設(shè)用地、林地和水域面積均上升。受城鎮(zhèn)化因素的影響，建設(shè)用地面積變化劇烈，變化率達(dá)14.44%，面積增加了3 510.72hm2，耕地面積減少了8 182.89hm2； 由于退耕還林還湖政策的開展，林地面積大幅度增加，變化率達(dá)12.37%； 未利用地和草地在10年間的下降幅度最大，水域僅有輕微波動(dòng)。

表1 2005年和2015年永川區(qū)土地利用數(shù)量結(jié)構(gòu)變化分析

表2 2005年和2015年土地利用類型尺度上的各景觀指數(shù)

利用Fragstats 4.2軟件計(jì)算得到2005年和2015年永川區(qū)2期各景觀要素類型尺度景觀格局變化指數(shù)，如表2。

2005—2015年間，在耕地面積減少的情況下，耕地斑塊的個(gè)數(shù)和斑塊的密度也逐漸減小，反映了耕地景觀正在發(fā)生面積縮減和部分斑塊消失。在實(shí)際情況中，耕地轉(zhuǎn)出的位置常位于建設(shè)用地的周邊或者距離人口密度較大、經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快速，距區(qū)政治中心和農(nóng)村居民點(diǎn)距離較近的地方且坡度較為平緩的地帶； 由于政策因素，部分耕地常用于道路網(wǎng)，水利工程，生態(tài)工程的建設(shè)。農(nóng)地的面積加權(quán)平均形狀指數(shù)呈大幅度減少趨勢(shì)，意味著耕地的形狀變得更加規(guī)則。重慶地形的特殊，平坦區(qū)域相對(duì)較少，為了適當(dāng)?shù)卦黾痈孛娣e，保證耕地的數(shù)量和質(zhì)量穩(wěn)定持續(xù)增長(zhǎng)，通常進(jìn)行一些坡改梯，零星地類歸并，零散居民地聚集，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田整理網(wǎng)格化。

林地的斑塊類型面積增大，但斑塊數(shù)量與斑塊密度卻減小且面積加權(quán)平均形狀指數(shù)呈上升趨勢(shì)，表明林地正從破碎化向規(guī)則化、連片型發(fā)展。這在一定程度上說明人類對(duì)景觀的干擾不斷增強(qiáng)。人類活動(dòng)的時(shí)間長(zhǎng)短和強(qiáng)度在景觀破碎方面有明顯的表現(xiàn)； 破碎化是一種動(dòng)態(tài)過程，人類的活動(dòng)干擾造成了景觀的破碎化，而人類活動(dòng)的植被恢復(fù)也可以減輕破碎化[21]。

由表2可知， 2005—2015年建設(shè)用地面積增大的情況下，建設(shè)用地斑塊數(shù)量和斑塊密度呈減小態(tài)勢(shì)。在城市化過程中，由于人口聚集，建設(shè)用地之間屬于非建設(shè)用地的區(qū)域也逐漸被城市化，都市區(qū)域呈現(xiàn)內(nèi)部聚集外部開拓的趨勢(shì)。而2015年的建設(shè)用地面積加權(quán)平均形狀指數(shù)約2005年的3倍，表明建設(shè)用地之間的連接程度較高，主要原因是10年間道路交通網(wǎng)的逐步發(fā)展，使得城鎮(zhèn)之間、城鎮(zhèn)與居民點(diǎn)、居民點(diǎn)與居民點(diǎn)之間連接度提高。

與2005相比， 2015年的水域面積相對(duì)減少，水域的斑塊數(shù)量、斑塊密度和面積加權(quán)平均形狀指數(shù)均變小，但變化都不是很劇烈，這表明水域的破碎化程度小，水域呈連片分布，保護(hù)相對(duì)較好。2005—2015年間，在草地和未利用地的面積都減小的情況下，草地和未利用地的景觀斑塊數(shù)量和斑塊密度也減小，但2015年草地的面積加權(quán)平均形狀指數(shù)稍大于2005年，這主要是由于綠化行為增加草地的斑塊距離。

3.2 永川區(qū)土地利用景觀格局變化分析

由表3可知， 2005—2015年景觀形狀指數(shù)由190.17減小至153.75，表明2005—2015年研究區(qū)整體形狀及景觀形狀趨于規(guī)則簡(jiǎn)單。蔓延度指數(shù)從44.48增加至48.26，表明研究區(qū)內(nèi)各土地利用斑塊類型的連續(xù)性逐漸變好，景觀破碎度降低，斑塊分布呈集中趨勢(shì)。2005年和2015年散布與并列的指數(shù)約為55%，說明永川區(qū)的各土地利用景觀類型之間的距離較大，某種景觀類型相鄰的景觀類型數(shù)目較少。2005—2015期間。散布與并列的指數(shù)減小，說明各土地利用景觀類型之間的相鄰交錯(cuò)機(jī)會(huì)減小，各景觀類型之間的直線距離增大，景觀的分布趨于簡(jiǎn)單化。2005—2015期間，Shannon多樣性指數(shù)減小，說明在永川區(qū)某景觀內(nèi)土地利用類型變少了，各斑塊之間的景觀異質(zhì)性降低了，也在一定程度上表明人類干擾了自然環(huán)境。Shannon均勻度指數(shù)由2005年的0.647 4降低到2015年的0.645 2，表明各土地類型之間的均勻度相差不大。

3.3 土地利用景觀分區(qū)研究

3.3.1 永川區(qū)Shannon多樣性t值的分析

由表3可知， 2005年和2015年Shannon多樣性指數(shù)分別為1.16和1.156，即2005年景觀多樣性更顯著。10年期間永川區(qū)的景觀是否發(fā)生顯著性的變化，值得進(jìn)一步的探討。因此該研究檢驗(yàn)2005—2015年這一時(shí)段內(nèi)永川區(qū)土地利用景觀格局變化是否具有顯著性，如表4。

根據(jù)表4，在極顯著水平α=0.01水平， 2005—2015年時(shí)段的t值大于查表值，既認(rèn)定2005—2015年永川區(qū)土地利用景觀格局確實(shí)發(fā)生了顯著的變化。

3.3.2 永川區(qū)各行政區(qū)土地利用景觀格局的分區(qū)

以永川區(qū)23個(gè)行政區(qū)作為評(píng)價(jià)單元，利用Shannon多樣性t檢驗(yàn)法，研究得出t檢驗(yàn)值如表5。

表3 2005年和2015年土地利用景觀尺度上的各景觀指數(shù)

表4 2005—2015年永川區(qū)Shannon多樣性指數(shù)t檢驗(yàn)結(jié)果

表5 2005—2015年永川區(qū)各行政區(qū)Shannon多樣性t檢驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)已有的研究成果和永川區(qū)的實(shí)際情況和現(xiàn)實(shí)需要，并結(jié)合(α=0.01)理論t值對(duì)照表，將永川區(qū)各行政區(qū)劃分為3個(gè)顯著性等級(jí)：景觀變化極顯著性區(qū)、景觀變化顯著性區(qū)、景觀變化不明顯區(qū)，利用Arcgis10.2對(duì)其進(jìn)行空間刻畫，結(jié)果見圖2。

景觀變化極顯著區(qū)，包括松溉鎮(zhèn)、仙龍鎮(zhèn)、何埂鎮(zhèn)、吉安鎮(zhèn)、臨江鎮(zhèn)、寶峰鎮(zhèn)、衛(wèi)星湖、南大街、陳食街、永榮鎮(zhèn)、青峰鎮(zhèn)、中山路、紅爐鎮(zhèn)、大安街、勝利路、雙石鎮(zhèn)、板橋鎮(zhèn)。由圖2顯示，該區(qū)主要位于7個(gè)街道及其周圍地區(qū)，城市化現(xiàn)象顯著，人為干擾活動(dòng)強(qiáng)烈。如圖3，該區(qū)2005—2015年間土地利用景觀格局變化主要表現(xiàn)為林地、耕地和建設(shè)用地之間的轉(zhuǎn)換。由景觀類型面積差值和景觀百分比差值顯示6個(gè)街道主要表現(xiàn)為耕地減少、建設(shè)用地增加，其他地區(qū)建設(shè)用地減少、林地和耕地增加，其他地類無明顯變化。由斑塊數(shù)量差值和斑塊密度差值顯示該區(qū)水域呈增加趨勢(shì)，林地和建設(shè)用地呈現(xiàn)劇烈減小趨勢(shì)，其他地類無明顯變化。由面積加權(quán)形狀指數(shù)差值顯示耕地劇烈減小，建設(shè)用地增加，其他地類無明顯變化，表明該時(shí)段耕地的形狀趨于簡(jiǎn)單規(guī)則化，建設(shè)用地的形狀趨于復(fù)雜化破碎化。結(jié)合景觀形狀指數(shù)和散布與并列指數(shù)說明該時(shí)段該區(qū)內(nèi)各行政區(qū)的景觀形狀逐漸規(guī)則簡(jiǎn)單化，各景觀之間的直線距離縮小，景觀的分布趨向復(fù)雜化?？傮w來看，該區(qū)是永川區(qū)市中心及距離市中心較近地區(qū)，受人為干擾強(qiáng)度大，需要加強(qiáng)區(qū)域的土地規(guī)劃，嚴(yán)格保證生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和耕地的數(shù)量，優(yōu)化景觀格局和生態(tài)系統(tǒng)。

圖2 2005—2015年永川區(qū)土地利用景觀分區(qū)

景觀變化顯著區(qū)，包括來蘇鎮(zhèn)、茶山竹海街道辦事處、金龍鎮(zhèn)。由圖2所示在中心城區(qū)的東北西南走向。圖3顯示2005—2015年間該區(qū)水域、林地面積比重增大，土地利用程度較弱，由斑塊類型面積差值和景觀百分比差值顯示主要是林地、水域增大，耕地減少。由斑塊數(shù)量差值和斑塊密度差值顯示該區(qū)水域呈增加趨勢(shì)，林地和建設(shè)用地呈減小趨勢(shì)。由面積加權(quán)形狀指數(shù)差值顯示耕地減小，其他地類無明顯化，說明耕地的形狀趨于簡(jiǎn)單規(guī)則化。結(jié)合景觀格局指數(shù)差值顯示該區(qū)各鎮(zhèn)景觀形狀指數(shù)均減小，分別為10.35、4.78、8.06，表明10年內(nèi)該區(qū)各行政區(qū)的景觀形狀逐漸簡(jiǎn)單規(guī)則； 散布與并列指數(shù)差值顯示來蘇鎮(zhèn)、茶山竹海街道增大，金龍鎮(zhèn)減小，表明來蘇鎮(zhèn)和茶山竹海街道各景觀之間的直線距離增大，景觀的分布趨向簡(jiǎn)單規(guī)則化。

景觀變化不明顯區(qū)，包括朱沱鎮(zhèn)、五間鎮(zhèn)、三教鎮(zhèn)。由圖2所示該區(qū)分布在中心城區(qū)的南部和西北部。圖3， 2005—2015年間朱沱鎮(zhèn)建設(shè)用地和林地之間轉(zhuǎn)換劇烈，五間鎮(zhèn)和三教鎮(zhèn)各地類之間無明顯轉(zhuǎn)換。面積加權(quán)形狀指數(shù)差值顯示該區(qū)各鎮(zhèn)耕地均減小16.14、12.84、14.53，表明耕地形狀趨于規(guī)則簡(jiǎn)單。結(jié)合景觀格局指數(shù)差值顯示該區(qū)景觀景觀形狀指數(shù)均減小劇烈，分別為13.02、9.67、11.43，表明10年內(nèi)各行政區(qū)的景觀形狀逐漸變得簡(jiǎn)單規(guī)則。

1.朱沱鎮(zhèn)； 2.松溉鎮(zhèn)； 3.仙龍鎮(zhèn)； 4.何埂鎮(zhèn)； 5.五間鎮(zhèn)； 6.吉安鎮(zhèn)； 7.臨江鎮(zhèn)； 8.寶峰鎮(zhèn)； 9.衛(wèi)星湖； 10.來蘇鎮(zhèn)； 11.南大街； 12.陳食街道； 13.永榮鎮(zhèn)； 14.青峰鎮(zhèn)； 15.紅爐鎮(zhèn)； 16.中山路； 17.大安街； 18.勝利路； 19.雙石鎮(zhèn)； 20.茶山竹海； 21.金龍鎮(zhèn)； 22.板橋鎮(zhèn)； 23.三教鎮(zhèn)圖3 永川區(qū)各行政區(qū)土地利用景觀格局指數(shù)

4 結(jié)論與討論

該研究先借助RS和GIS技術(shù)和Fragstats計(jì)算的量化指數(shù)對(duì)永川區(qū)土地利用景觀格局結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析論述，再利用Shannon多樣性t檢驗(yàn)法對(duì)永川區(qū)的景觀格局變化的顯著性進(jìn)行檢定以及利用理論t值進(jìn)行分區(qū)研究。得到的主要結(jié)論如下。

(1)從類別層級(jí)上來看， 2005—2015年間，由于城區(qū)擴(kuò)張和退耕還林還湖政策，建設(shè)用地和林地大量增加，變化率為14.44%、12.37%； 耕地、草地、未利用地表現(xiàn)為減少趨勢(shì)； 水域僅有輕微變化。永川區(qū)的土地利用類型以耕地為主，耕地面積最大(表1)，但耕地的斑塊密度、大小、面積加權(quán)平均形狀指數(shù)均減小意味著耕地受人為干擾較大，景觀越來越規(guī)則； 交通設(shè)施的完善使得建設(shè)用地之間的連接程度提高； 林地的形狀逐漸變得簡(jiǎn)單規(guī)則。

(2)從景觀層級(jí)上來看，研究區(qū)整體形狀及景觀形狀趨于規(guī)則簡(jiǎn)單。各土地利用斑塊類型的連續(xù)性逐漸變好，景觀破碎度降低，斑塊分布呈集中趨勢(shì)。整體景觀在自然和人為的干擾下土地利用類型變少，各斑塊之間的景觀異質(zhì)性降低。

(3)在極顯著水平α=0.01的水平下，Shannon多樣性指數(shù)t檢驗(yàn)結(jié)果表明2005—2015年永川區(qū)的土地利用景觀格局變化具有極顯著性。利用Shannon多樣性t檢驗(yàn)法對(duì)23個(gè)行政區(qū)的土地利用類型變化的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)，并根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果與理論t值對(duì)照結(jié)果把永川區(qū)景觀格局變化劃分3個(gè)區(qū)(圖2)。景觀變化極顯著區(qū)，主要分布在7個(gè)街道及其周圍地區(qū)，該區(qū)城市化現(xiàn)象顯著，人為干擾活動(dòng)強(qiáng)烈； 景觀變化顯著區(qū)，該區(qū)土地利用程度較弱，土地利用類型面積主要表現(xiàn)為林地和水域增多，耕地減少； 景觀變化不明顯區(qū)，該區(qū)遠(yuǎn)離主城，土地利用類型變化不明顯，人為干擾活動(dòng)不強(qiáng)。

該文運(yùn)用景觀格局的研究方法對(duì)小區(qū)域的土地利用景觀分區(qū)進(jìn)行研究，運(yùn)用Shannon多樣性指數(shù)t檢驗(yàn)法中t值進(jìn)一步定量的分析各行政區(qū)土地利用景觀指數(shù)，嘗試為土地利用分區(qū)的研究提供新的方法與思路，但研究過程中由于自身的知識(shí)積累，主觀認(rèn)識(shí)和客觀條件的影響，使得遙感解譯的精確性和景觀指數(shù)選擇的適合性仍需不斷地深入與完善。