基于海拔梯度的阜平县土地利用景观格局时空演变分析.pdf
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1、第38 卷第4期2023年10 月文章编号:2 0 96-47 49(2 0 2 3)0 4-0 459-10引文格式:张家桢,尹海魁,李新旺,陈亚恒,刘微,王树涛.基于海拔梯度的阜平县土地利用景观格局时空演变分析.林业与生态科学,2 0 2 3,38(4):459-46 8.ZHANG Jiazhen,YIN Haikui,LI Xinwang,CHEN Yaheng,LIU Wei,WANG Shutao.Spatial-temporal evolution a-nalysis of land use landscape pattern based on elevation gradien
2、t in Fuping CountyLJ.Forestry and Ecological Sci-ences,2023,38(4):459-468.基于海拔梯度的阜平县土地利用景观格局时空演变分析林业与生态科学FORESTRY ANDECOLOGICAL SCIENCESDOI:10.13320/ki.hjfor.2023.0057Vol.38 No.4Oct.2 0 2 3张家桢1,尹海魁2.3,李新旺4,陈亚恒1,刘微5,王树涛1.6(1河北农业大学国土资源学院,河北保定0 7 10 0 0;2 河北农业大学资源与环境科学学院,河北保定0 7 10 0 0;3河北工程大学水利水电学院,河北
3、邯郸0 56 0 38;4河北省水利科学研究院,石家庄0 50 0 11;5河北大学化学与环境科学学院,河北保定0 7 10 0 0;6 河北省农田生态环境重点实验室,河北保定0 7 10 0 0)摘要:海拔梯度是影响土地景观变化的重要因素,为了揭露不同海拔梯度下景观格局的时空特征以及变化规律,基于3期遥感影像,借助GIS技术与Fragstats等软件,以阜平县海拔最低点为中心,以8 km为间距分别建立缓冲带,通过土地利用动态度、土地利用转移矩阵和景观指数分析阜平县2 0 0 0 一2 0 2 0 年土地利用和景观的时空变化特征。结果表明:(1)草地是阜平县最重要的土地利用类型,占研究区总面积
4、的51%。从2 0 0 0 年到2 0 2 0 年,建设用地面积一直增加,草地面积一直减少,耕地和林地处于波动状态;土地利用类型转换主要发生在草地与建设用地、耕地与林地、草地与林地、草地与耕地之间。(2)在类型水平上,随着海拔梯度的增加,耕地、建设用地和水域景观格局指数在空间和时间上呈现不同的梯度特征。(3)景观水平上,在空间上斑块密度、边缘密度、香农多样性和香农均匀度指数均随距阜平县海拔最低点距离的增加呈下降趋势,而蔓延度和聚合度指数的变化趋势与之相反;在时间上相关指数在后10 年的变化幅度远小于前10 年。关键词:土地利用;景观格局;景观指数;缓冲区中图分类号:F301.2Spatial-
5、temporal evolution analysis of land use landscapepattern based on elevation gradient in Fuping County文献标志码:AZHANG Jiazhen,YIN Haikui23,LI Xinwang,CHEN Yaheng,LIU Wei,WANG Shutaol.6(1 College of Land and Resources,Hebei Agricultural University,Baoding 071000,China;2 College of Resources and Environme
6、ntal Sciences,Hebei Agricultural University,Baoding 071000,China;3 College of Water Resources and Hydropower,Hebei University of Engineering,Handan 056038,China;4 Hebei Institute of Water Conservancy Science,Shijiazhuang 05001l,China;5 College of Chemistry and Environmental Sciences,Hebei University
7、,Baoding 071000,China;收稿日期:2 0 2 3-0 5-15基金项目:河北省重点研发计划项目(2 2 32 7 30 1D);河北省重点研发计划项目(2 137 38 0 7 D)。第一作者:张家桢(1997-),男,河北保定人,硕士研究生,研究方向为土地资源利用。通信作者:王树涛(197 8-),男,河北邢台人,教授,研究方向为土壤与土地资源持续利用。4606 Key Laboratory for Farmland Eco-Environment of Hebei Province,Baoding 071000,China)Abstract:Terrain and al
8、titude were important factors that affect land landscape change.Inorder to reveal the spatio-temporal characteristics and change rules of landscape pattern un-der different altitude gradients,based on the three phase remote sensing images,with thehelp of GIS technology and Fragstats and other softwa
9、re,buffer zones were respectively es-tablished with the lowest altitude of Fuping County as the center and 8 km as the spacing,and land use dynamics,land use transfer matrix and landscape index were used to analyze thetemporal and spatial changes of land use and landscape in Fuping County from 2000
10、to 2020.The results showed that:(1)Grassland was the most important land use type in FupingCounty,accounting for 51%of the total area of study area.From 2000 to 2020,the area ofconstruction land had been increasing,the area of grassland had been decreasing,and thecultivated land and forest land were
11、 in a fluctuating state;Cultivated land and forest landwere in a state of fluctuation;Land use type conversion mainly occurred between grasslandand construction land,cultivated land and forest land,grassland and forest land,grasslandand cultivated land.(2)At the type level,with the increase of altit
12、ude gradient,the land-scape pattern index of cultivated land,construction land and water area presented differentgradient characteristics in space and time.(3)At the landscape level,the patch density,edge density,Shannon diversity and Shannon evenness index showed a general downwardtrend with the in
13、crease of the distance from the lowest elevation point of Fuping County,while the change trend of the spread and aggregation index was opposite;In terms of time,the change range of relevant indexes in the last l0 years was far less than that in the previous10 years.Keywords:land use;landscape patter
14、n;landscape index;buffer土地作为人类生产生活不可或缺的自然要素,是社会、经济、生态各种要素组成的自然综合体。在经济发展以及科学进步的大环境下,土地利用在人与自然共同作用下影响自然界生物多样性和生物化学循环 1-2 1。近几年,通过景观生态学方法定量分析土地利用已成为研究热点。景观格局是大小和形状各异的景观要素在空间上的排列和组合。它可以反映土地利用的动态变化和自然、社会与生物相互作用的结果 3。地形和海拔作为自然环境中的关键因素,对生态系统的物质流动和能量循环有着直接影响,它的空间特征同样对景观格局演变有深远影响。在这方面,根据地形因素研究景观格局梯度效应是非常重要的L
15、4-6。研究景观梯度有助于优化当地生态环境,为景观规划提供数据支撑。大多数关于景观格局的研究侧重于景观格局的粒度和幅度。梯度分析也是反映景观格局中梯度变化特性的常用研究方法 7-9。伍斌等人构建了以建成区中心向边缘辐射的环形缓冲区,分析缓冲区内各个梯度的变化特征 10 ;白元等人在塔里木河流域林业与生态科学建立了垂直分段和水平缓冲区,并分析了沿河流分布的景观梯度动态 1;程舒鹏等人为揭露黄河下游宽河段沿岸的景观格局梯度特征,在黄河下游主河道两侧设置缓冲区 12 ;巫丽芸等人设置缓冲区于东山岛海岸带,并分析了东山岛沿岸带景观破碎化梯度的特征 13。然而,在县域范围内,特别在山区地区,很少有利用景
16、观指标和梯度的方法进行景观梯度特征分析。国内景观格局上的研究较为丰富,为本研究的开展提供了理论基础,但是从海拔梯度视角探究山区景观格局的研究较为薄弱。为此,以阜平县为研究区,基于景观生态学理论,选取景观格局指数法和梯度分析法,采用ArcGIS软件,以海拔最低点为中心构建阜平县缓冲带分析2 0 0 0 2 0 2 0 年各景观类型在不同缓冲带上的时空演变情况,以揭示不同海拔梯度阜平县景观格局演变趋势和生态廊道变化,为阜平县景观优化提供合理方案,推进地区生态文明建设。第38 卷56第4期1研究区概况阜平县地处太行山北段东麓,河北省保定市西部,是一个全山区县。位于E1134511432,N38393
17、98,东邻曲阳、唐县,西与山西五台县相连,南接灵寿、行唐,北与涞源及山西繁峙、灵丘接壤。北距北京2 45km,东距雄安18 0 km、距天津295km。地理位置优越,自古被誉为“冀晋咽喉”“畿西屏障”。地势由西北向东南降低。年平均气温为12.6,平均降水量58 2 mm,春季干旱而多风,夏季炎热而湿润,秋季?爽而多雨,冬季漫长而严寒。因地形多样,具有多种区域小气候。645648张家桢,等:基于海拔梯度的阜平县土地利用景观格局时空演变分析网站(http:/ 0 0 0、2 0 10、2 0 2 0 年3期Landsat TM/ETM系列遥感影像。利用ENVI5.3软件对遥感影像数据进行辐射定标、
18、大气校正、拼接和裁剪等预处理,根据土地利用现状分类标准,结合研究区实际景观类型及遥感影像特点将土地利用类型划分成耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地6 种类型。以上数据均来源于地理空间数据云5648N406432241684840322416图例缓冲带边界耕地水域林地建设用地草地未利用地2.2土地利用动态度土地利用动态度可以反映特定土地利用类型时空演变规律,大小表示土地利用类型变化的剧烈程度,正负表示转变方向。表达式为:U-UXK=X100%U式中:K为土地利用类型动态度;Ua、U b 分别为研究区基期及现期某种土地利用类型的面积;T为研究时段。2.3土地利用转移矩阵土地利用转移矩阵不仅
19、可以定量表明不同土地利用类型之间的转化情况,还可以揭示不同土地利用类型间的转移速率。SilSinSi;=:(Sml.Sm式中:n为土地利用类型数;S;表示研究初期的(a)2 0 0 0 年001020kmFigure 1 Landscape type and buffer zone division of study area(b)2 0 10 年图1研究区景观类型及缓冲带划分土地利用类型i转移成研究末期土地利用类型i的面积。2.4缓冲带构建参考城市景观梯度分析和缓冲区梯度带的研究结果,考虑了研究区域的地理位置、阜平县的分布特(1)征和景观类型的变化构建缓冲带 1-15。以阜平县海拔最低点为原
20、点并设为第1缓冲带,缓冲带为环形缓冲带向外以8 km为间隔辐射,建立 8 个缓冲带,分别 0 8 km、8 16 k m、16 2 4 k m、2 432km,3240km、40 48 k m、48 56 k m 和56 6 4km,然后将8 个缓冲带与3年土地利用类型图进行叠加,进而得到不同海拔处缓冲带的景观类型图。2.5景观指数选择景观指数是反映景观结构特征和空间格局变化(2)的直观指标 14-15。参考相关成果,从类型水平和景观水平2 个景观层次分析了阜平县景观格局梯度的特征。类型水平选取景观面积比例(PLAND)、最大(c)2 0 2 0 年462斑块指数(LPI)、景观形状指数(LS
21、I)、斑块面积(CA)、斑块数(NP);景观水平选取香农多样性指数(SHDI)、香农均匀度指数(SHEI)、斑块密度(PD)、边缘密度(ED)、蔓延度指数(CONTAG)、聚合度指数(AI)。运用FRAGSTATS4.2软件计算每个景观指数。土地利用类型Land use type草地耕地建设用地林地水域未利用地2000一2 0 2 0 年草地面积占比逐年降低,由2 0 0 0年的57.2 2%降至2 0 2 0 年的51.7 6%,所占比重高于其他土地利用类型,说明阜平县自然条件适宜草地生长,应合理利用草地资源,改善区域生态环境,发展现代草原畜牧业。2 0 0 0 一2 0 2 0 年耕地面积
22、占比呈现先下降后上升趋势,其中2 0 0 0 一2 0 10 年耕地面积有所下降,从表象来讲,是因为耕地面积补充速率小于耕地面积侵占的速率,但究其本质来讲,原因有二:其一,建设用地扩张侵占了大量耕地;其二,退耕还林政策的实施,促使部分耕地转化为林地。正是在这2 种原因的综合作用下,导致耕地面积下降较为明显。而后政府意识到建设用地扩张和耕地锐减的问题并加以调控,2 0 10 一2 0 2 0 年耕地面积有所上升,耕地面积增加了38.7 km,表明这10 年间耕地数量保护较好,耕地生产功能与社会保障功能较强。建设用地变化趋势与耕地相同,面积从2 0 0 0 年的4.30 km增加到了2 0 2 0
23、 年的9 8.7 2 km,建设用地总面积占比增加量最大,为3.7 9个百分点,说明阜平县经济发展势头较好。林地面积由2 0 0 0 年的8 15.35km增加至2 0 2 0 年的8 2 5.37 km,水域面积由2 0 0 0 年的43.44km增长到2 0 2 0 年的50.74km,说明阜平县生态环境条件较好,水土涵养功能较强。未利用地为占比最低的景观类型,面积由2 0 0 0 年的1.0 4km减少至2 0 2 0 年的0.0 2km。从土地利用动态度来看见表2。林业与生态科学3结果与分析3.1土地利用变化分析3.1.1土地利用时空变化特征关于土地利用变化结构见表1。表1阜平县2 0
24、 0 0 一2 0 2 0 年土地利用结构变化Table 1 Changes of land use structure in Fuping County from 2000 to 20202000年面积/km比重/%AreaProportion1.426.9457.22202.878.144.310.17815.3532.6943.441.741.040.04第38 卷2010年2020年面积/km比重/%AreaProportion1360.2654.54189.347.5970.212.82828.2333.2145.991.84表2 2 0 0 0 一2 0 2 0 年土地利用动态度T
25、able 2LDynamic degree of land use from 2000 to 2020土地利用类型Land use type耕地林地草地水域建设用地未利用地建设用地是这2 个时期内变化最快的土地类型,与阜平县近年来的发展有很大的关系;林地面积20年间变化程度微乎其微,属于稳定的土地利用类型;草地土地利用动态度在整个研究期均为负值,且前10 年和后10 年的下降速率大致相同,说明草地被其他土地利用类型侵占。建设用地土地利用动态度在2 0 0 0 一2 0 10 年数值高达152.90%,变化最为显著,远超其他地类,表明该时期城市化水平提高;2010一2 0 2 0 年建设用地扩张
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