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长白山区生态用地破碎化演变及土地利用变化研究

发布时间:2020-04-20所属分类:农业论文浏览:1

摘 要: 摘要:随着城镇化进程的推进,土地资源破碎化现象逐步加深,严重威胁着区域生态安全、土地利用格局和人类生存环境。通过构建景观破碎度评价模型,研究了我国东北典型山区长白山区19952015年的生态用地破碎化程度及其动态变化特征。结果表明:①长白山区20年间

  摘要:随着城镇化进程的推进,土地资源破碎化现象逐步加深,严重威胁着区域生态安全、土地利用格局和人类生存环境。通过构建景观破碎度评价模型,研究了我国东北典型山区长白山区1995—2015年的生态用地破碎化程度及其动态变化特征。结果表明:①长白山区20年间生态用地破碎化程度降低,破碎化区域缩小,生态景观格局趋于安全。②各用地类型之间转换频繁,林地主要向草地转化。③20年来生态用地面积逐年缩小,内部类型变化幅度大于生态用地本身。④除了人类活动,城市扩张、耕地复垦等土地利用政策也是影响土地利用变化的外在因素。

长白山区生态用地破碎化演变及土地利用变化研究

  关键词:生态用地;景观格局破碎度;土地利用变化;长白山区

  1前言

  土地利用/覆被变化(LUCC)作为人类活动与自然环境相互作用的最直接表现方式,已成为土地科学和可持续发展的重要研究课题。近年来,随着城镇化进程的不断推进,我国人口膨胀、建设用地扩张和环境恶化等社会经济问题日益突出[1]。同时,人类活动加剧了对自然环境的压力,直接影响到自然生态系统的结构和功能,造成了环境污染、土地退化和生物多样性单一等多种生态安全问题[2,3]。生态用地作为直接关联土地生态功能的土地类型,是土地生态服务系统的基本载体,也是区域生态景观格局与土地利用类型之间形成有效联系的关键要素。从生态功能方面来看,生态用地具有水土保持、防风固沙、调节气候和生物多样性保护等功能[4,5],是直接影响自然—社会经济组成的复合生态系统。

  传统的生态用地研究模式主要集中分析景观格局演变和土地覆被变化[6,7]、测量城市生态用地需求[8]、构建景观生态安全格局[9,10]和生态脆弱区土地利用变化[11,12]。近年来,景观生态安全评价的研究较多。ZangZ构建了生态脆弱性评价指标体系,对典型景观类型的时空格局、生态脆弱性和生态系统服务功能变化进行了实证分析[13];周锐通过构建不同生态过程的生态安全格局来识别生态用地,为城市生态规划与空间布局规划提供了参考;潘竟虎通过RS和GIS技术,建立基于景观格局的景观生态风险指数,分析了景观生态风险的时空变化特征和聚集模式[14];于潇以景观格局安全指数和生态质量指数为变量,构建现代农业区景观生态安全评价模型,对近30年来研究区的景观生态安全时空分异进行了分析[15]。根据研究来看,定量测度生态用地景观格局演变与土地利用变化仍是理解区域生态安全与土地演化的重要手段,因此本文用定量测度方法来研究长白山区生态用地的演变特征和变化规律。

  土地破碎化是区域景观格局的表现形式,反映了斑块由简单到复杂的变化过程,是自然或人为干扰因素共同作用的结果,其景观格局特征表现为由单一均匀的连续斑块逐渐变为不连续的破碎斑块。同时,土地破碎化是描述景观演变与生态安全的重要特征指标,对研究土地破碎化的景观生态过程、土地利用模式和环境可持续发展均具有重要的影响[16,17]。从土地整治角度看,实施土地整治、退耕还林还草等土地政策的目的就是为了降低土地资源破碎化。随着相关部门对土地资源生态保护的要求越来越高,科学测量和分析土地破碎化程度对制定合理的土地利用规划和政策显得尤为重要。当前,由于土地承载力有限,人类不合理的生产活动已占用了大量土地,导致土地破碎化程度增加,县域尺度及以下的生态用地破碎度与土地利用格局演变的小尺度、精细化研究越来越受到重视[18]。

  长白山区是典型的原始森林区,但在我国境内,北坡、西坡和南坡具有典型的城市代表性,区域内土地保护、生态安全与城市之间的矛盾仍存在。近几十年来,该地区城市不断扩张,区域内生态用地对维持区域生态环境和耕地质量保护的作用日益明显。了解长白山区生态用地破碎度和土地利用变化有助于优化土地利用模式,实现不同土地利用类型利用价值的最大化。本文以长白山区3个县级行政区划涉及的31乡镇单元为研究对象,对长白山区1995—2015年生态用地的景观格局和离散程度等景观指数进行了分析,通过土地利用转移矩阵、土地利用动态度综合测度区域内不同土地利用类型之间的相互转换情况。旨在:①刻画20年来长白山区生态用地破碎化程度和景观格局演变特征,为生态用地破碎化评价提供科学合理的评价模型;②定量测度分析长白山区土地利用变化特征,了解土地利用变迁过程,为土地利用规划者提供科学参考与建议。

  2数据来源与研究方法

  2.1研究区域概况

  长白山(127°40'—128°16'E、41°35'—42°25'N)位于吉林省东南部中朝交界处,是我国东北典型的山地森林生态系统。本文是指以吉林省延边朝鲜族自治州安图县(长白山北坡)、白山市长白朝鲜自治县(长白山南坡)和抚松县(长白山西坡)3个县级单元为代表的长白山典型生态连片区域(图1),区域内共31个乡镇级别单元。该区域属于温带大陆性山地气候区,除具有一般山地气候的特点外,还具有明显的垂直气候变化特征;年均气温在-7—3℃之间,积雪深度为50—70cm,年降水量700—1400mm。同时,该区域水资源丰富,是松花江、图们江和鸭绿江三大水系的发源地。

  2.2数据来源

  遥感数据来源于我国土地利用/土地覆盖遥感监测数据库,以研究区域1995年、2005年、2015年的Landsat-Tm/ETM和Landsat8遥感影像数据为信息源,借助Envi4.5软件对遥感影像进行波段合成与矫正。通过ArcGIS10.5软件,结合三县域的地形图和土地利用图数据进行人机交互式解译,获得研究区域土地利用类型矢量文件。结合研究区域特点和研究目的,最终确定土地类型为耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地六大类型。景观格局分析基于由矢量格式转换为栅格格式的类型图,考虑到解译精度和遥感影像分辨率的影响,将栅格单元大小设为30m×30m。同时,根据行政区划,将研究区域划分为以乡镇为单元的31个评价单元,以反映乡镇级的生态用地破碎化程度及土地利用变化。

  2.3生态用地定义及分类系统

  我国现行的《土地利用现状分类(GBT21010—2017)》中没有明确生态用地的类别,同时对生态用地的分类缺乏统一的标准,导致其生态价值难以在分类体系中体现。生态用地不是一个具体统一的土地利用范畴,其定义也因为不同的研究目的而赋予不同的内涵。对生态用地的定义,以往研究在区域尺度上形成了以土地空间形态来定义的生态要素决定论[19],以土地生态功能定义的生态功能决定论[20,21]和以土地主体功能定义的主体功能决定论三种观点[22-25]。龙花楼、刘永强等在界定生态用地概念的基础上,采用逆向递推法将生态用地合并归类,将生态用地划分为生态用地、半人工生态用地和人工生态用地三种类型[5];周锐、谢花林等通过GIS、RS等技术手段提取具有空间信息的生态用地,分别构建了生态用地的空间结构和安全格局[12,26];CostanzaR通过计算土地利用类型的生态服务价值(ESV)进行了生态用地识别的研究[27]。根据以往研究成果,本文将生态用地定义为以生态价值为主要利用价值,发挥土地生态系统服务功能,维护区域生态安全和可持续发展的土地利用范畴。同时,依据土地利用现状和《土地利用现状分类(GBT21010—2017)》,将土地利用类型划分为生态用地、耕地、建设用地和未利用地,其中生态用地包括林地、草地、水域三大类(表1)。

  2.4研究方法

  生态用地破碎度评价指标选取:土地破碎化程度可反映在景观水平上,本文通过建立定量分析评价模型,利用景观生态学指标对生态用地破碎程度进行探讨。景观指数的选择应具有低冗余度,既能更好地描述景观破碎化程度的特点,又应涵盖景观面积、形态、离散度等综合方面的内容。本文借鉴已有研究成果[28,29],并考虑长白山区的实际情况,选取斑块密度(PD)、边界密度指数(ED)、面积加权形状指数(AWMSI)、破碎度指数(FS)、分离度指数(DIVISION)、分裂指数(SPLIT),共6个景观指标来描述生态土地的破碎化特征。

  相关期刊推荐:《资源开发与市场》(月刊)创刊于1985年,是四川省科学技术厅主管,四川省自然资源研究所主办的综合性自然科学学术期刊,涵盖自然科学的各个学科。国内外公开发行。本刊重点刊登国内以自然资源为主、兼顾社会经济资源的科学理论研究的创新成果,资源开发中的新技术、新方法、新工艺以及资源与环境、资源管理、开发与保护等具有创新性的科研成果

  3结果及分析

  3.1生态用地破碎度总体情况

  研究发现,1995—2015年各评价单元的土地破碎化指数均在不同程度上有所增加,具有破碎化特征(图2)。其中,斑块密度(PD)和边界密度(ED)两个指标值在1995年均为较低水平,斑块具有较高的完整性和连接性。2005年,超过68%的评价单元PD和ED值急剧上升,且超过20%的评价单元上升幅度大于10%,区域斑块的均匀性随着碎片的增加而剧烈降低。2015年,PD和ED指标值上升幅度减缓,在此期间人类活动和城市扩张在生态土地破碎化中发挥着重要作用。面积加权形状指数(AWMSI)和破碎度指数(FS)是用于描述生态用地形状破碎化程度的指标,各评价单元在研究时段内的AWMSI和FS值均呈上升趋势,研究区域内生态用地的空间格局是分散和不规则的。分离度指数(DIVISION)和分裂指数(SPLIT)20年来小幅增长,各评价单元斑块间的连通性变弱并且分布趋于分散性。总体上来看,1995—2005年长白山区生态景观格局由连续、均质状态急剧转化为不连续、离散的状态;2005—2015年,破碎化程度仍然存在,但趋于下降的趋势,破碎化过程相对缓慢并且得到控制。结合实际情况来看,生态用地破碎化之所以略有回升,景观安全趋于平稳,主要得益于长白山区近年来对生态土地保护和土地管理的重视,以及人类活动对生态土地的负面影响在逐渐减弱。

  3.2生态用地破碎度时空变化分析

  根据1995—2015年长白山区各评价单元的景观指数值,赋权后依此计算1995年、2005年和2015年各评价单元的面积—边缘破碎指数、形状破碎指数、离散破碎指数和破碎度综合指数(表4)。研究结果显示不同年份不同评价单元生态用地破碎化程度不同。总体来看,长白山区破碎化程度从1995—2015年呈下降趋势,破碎化程度降低,区域差异性显著,研究结果与实际情况相符合。

  破碎度时间变化分析:对比3个时期研究区域各评价单元的破碎度综合指数(表5)情况,破碎化程度存在较大的差异。1995—2005年有11个评价单元破碎化现象日趋严重,破碎化程度增加,其中增幅最大的乡镇为永庆乡、两江镇、万良镇和兴隆乡,增幅分别为83.52%、10.97%、10.15%和9.54%。其他20个评价单元的破碎度综合指数降低,降幅度最大的分别为新房子镇、亮兵镇、二道白河镇。漫江镇和明月镇破碎化程度未发生明显变化,破碎现象较稳定。

  2005—2015年12个评价单元破碎度指数增幅大于零,增幅最大的乡镇分别为兴隆乡、万良镇和新房子镇。19个评价单元破碎度降低,万宝镇和十四道沟镇降幅最大,分别为47.63%和19.94%。总体看,1995—2015年长白山区整体破碎化程度降低,个别乡镇如宝泉山镇、万良镇、兴隆乡的破碎化程度一直处于上升趋势,生态用地分布趋于零散化、斑块形状复杂化,破碎化程度日渐加剧;而长白镇、亮兵镇、万宝镇的破碎化现象明显降低,生态用地破碎化得以缓解;新房子镇前十年的破碎化程度明显减低,但后10年却剧烈增加,生态用地亟需保护。

  破碎度空间变化分析:根据分级结果(图3),将生态用地破碎度分为4个级:Ⅰ级为低破碎化程度区(0—0.5),Ⅱ级为轻破碎化程度区(0.5—1.0),Ⅲ级为中破碎化程度区(1.0—1.5),Ⅳ级为高破碎化程度区(1.5—2.0)。根据研究结果,1995年破碎化程度较高,Ⅳ级为区域评价单元数量最多,分布在长白县西部,I级和II级广泛分布在23个评价单元内。2005年Ⅳ级区域个数明显减少,且个别区域的破碎度等级均有降低趋势,主要集中在长白县西部和安图县南部地区。2015年的破碎化程度最低,IV级区域个数最少。

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