吉林省大安县土地利用变化监测及景观格局分析

兰红月，李家存，李晓燕

（1.首都师范大学 资源环境与旅游学院，北京100048；2.吉林大学 地球科学学院，吉林 长春，130061）

土地资源利用问题受到全世界的高度重视[1]，土地利用变化动态分析已成为近年来国内外研究的热点[2-5]。不同的土地利用系统镶嵌，形成土地利用景观，具有显著的空间和时间特征[6]。从景观分析的角度，借用景观生态学中的各种空间格局分析方法，能更系统和定量地认识区域内土地利用的动态变化。通过比较景观格局指数在时间维上的变化，可以反映景观格局的演变规律和趋势[7]。

1 研究区概况

大安县位于吉林省白城市东北部，地处松嫩平原腹地，全县东西约95 km，南北约90 km，总面积约4 879km2，总人口42万。境内“一江两河”(嫩江、洮儿河、霍林河)环绕。大安县的草场是松嫩平原草场的一部分，年产草20万t。该区地势平坦，区内主要地貌类型有冲积平原、丘间洼地、河漫滩和低洼地，生态环境十分脆弱。近些年，由于气候连续干旱、水资源短缺以及过度放牧等原因，再加上地势低平，排水不畅，盐碱化呈发展趋势，水域萎缩、湿地减少、盐碱化、草原退化、沙化等问题日益严重，环境质量不断恶化，致使部分地区农作物产量严重受损，低产甚至不能生长，成为东北地区盐碱化最严重的地区之一，也是世界三大苏打盐碱地分布区之一。

2 研究方法

2.1 图像预处理

本次研究以遥感为主要手段，以大安县2001年、2007年和2010年的Landsat TM 8～10月份的遥感影像为主要数据源。图像预处理部分以ENVI和ERDAS为主要应用软件平台，进行几何辐射校正、投影转换、裁剪镶嵌、图像增强等，最后得到3年的精校正遥感影像。

2.2 遥感影像解译

遥感影像解译即根据影像上的各种地物特征以及空间分布进行综合分析，提取出感兴趣的信息[8,9]。考虑到土地利用调查精度要求较高，本研究利用计算机自动处理和人工目视解译相结合的方法，采用监督分类方法，并参考野外调查的实际资料，考虑到土地的用途、特点、利用方式和覆盖特征，对城乡用地进行统一分类，确定了10类训练样本，即耕地、林地、荒草地、半荒草地、河流、湖泊、建设用地、沙地、盐碱地、沼泽地。通过建立误差矩阵精度验证，选择最大似然法作为监督分类的方法，再通过分类后处理得到监督分类的结果，如图1。

图1 最大似然法土地利用分类结果图

2.3 景观格局分析

景观格局特征可以从3个层次进行分析：斑块水平指数、斑块类型指数以及景观水平指数。研究中，对分类后的影像进行格式化处理，应用Fragstats3.3景观分析软件，并辅以GIS空间分析技术，对3期遥感影像进行土地利用变化信息提取和统计分析。

3 结果分析

3.1 空间统计分析

空间统计分析即将遥感和GIS空间分析技术相结合，对处理后的数据进行统计计算，挖掘研究对象的空间关系，获取土地利用的空间变化信息。本次研究对监督分类后的结果进行统计，包括该区土地利用类型在时间序列上的变化面积和变化速率。对比3个时相的结果，可以直观地检测出各类型的变化情况，并依此为基础进行分析评价。

3.1.1 变化面积分析

根据分类结果，用分类后统计的方法对监督分类的结果进行面积统计，提取3个时相10类土地利用类型的面积，结果如表1。

表1 大安县3期土地利用类型面积统计表

由表1可知，大安县从2001年至2010年间土地利用类型面积随时间的阶段性变化很大。

2001～2007年，研究区土地利用类型的变化大致呈现三增(耕地、盐碱地、建设用地)三减(草地、水体、湿地)的变化规律：耕地、建设用地面积增加，原因是该地区人口压力大，城市化进程加快；盐碱地、沙地面积明显增加，盐碱地面积增加了约145.05 km2，虽然采取措施控制治理，盐碱化、沙化程度仍有所增加，环境进一步恶化；林地面积略有增加，主要是政府采取退耕还林、病虫害治理等措施的结果；草地面积大幅减少，减少约179.36 km2，说明这期间草地发生明显的退化现象，一部分草地被开垦成耕地，另一部分被盐碱地和沙地吞噬；水域、湿地面积减少，大约减少103 km2，这与当地近几年气候干旱有关，也说明在放牧和农业灌溉过程中，生态保护程度不足，部分湖水发生湖面下降甚至干涸的情况，对当地生态环境恢复产生一定影响。总体来看，研究区域的土地利用趋向不合理化，严重影响该区的可持续发展。

2007～2010年，由于该区以农业经济为主，经济和人口的发展，使耕地、建设用地面积持续扩张；盐碱地面积相对2007年减少约60 km2，说明这段时间该区治理工程出现效果，虽然阶段性减少，但相对于2001年的绝对面积仍然是增加的，土地盐碱化现象仍没有得到根本改变；沙地面积略有增加，导致草地退化，半荒草地面积相应减少，与人类的过度开垦和放牧有直接关系；林地和荒草地面积变化不明显，水域面积尤其是沼泽地面积有所增加，说明这段时间人们已经意识到不合理开发和过度放牧影响到生态环境和土地利用的可持续发展，进而投入人工治理和修复，使该区土地利用趋于合理化，生态环境恶化问题有所改善，但“三化”问题的防治仍然紧迫，应该进一步采取有效措施进行缓解。

3.1.2 变化速率分析

土地利用的变化速率可以反映出研究区各种利用类型变化增加或减少的速度。计算公式为：

其中，s0、st分别表示变化前后土地类型的面积，t为变化的时间间隔。

通过对大安县影像分类结果进行计算，得出2001～2007～2010年大安县土地利用年变化率表，见表2。

表2 大安县土地利用类型变化速率表/%

由表2可得，2001～2007年大安县土地利用年变化率最高的是荒草地和沼泽地，分别达到5.62%和-4.55%；年变化率最小的是河流和沙地，分别为0.56%和1.42%；综合土地利用年平均变化速度较快，达3.92%。2007～2010年，变化最大的仍然是荒草地和沼泽地，但二者在这段时间的面积都是增加的，年变化率分别是4.29%和4.04%；变化最小的是河流和半荒草地，分别是-1.51%和-1.20%；综合土地利用年平均变化速度相对较慢，为2.16%。

3.2 景观格局指数分析

分别选择斑块类型、多样性指数、均匀度指数、相似邻近比例、景观形状指数、聚集度指数等多种斑块类型指数和景观水平指数对研究区的景观格局进行分析。

3.2.1 斑块类型水平的景观格局分析

大安县斑块类型水平景观格局指数计算结果如表3所示。可以得出，2001～2010年间，耕地和建设用地的斑块密度、斑块占景观百分比、相似邻近比例都在增加，而斑块数量和斑块分散度指数在减小，说明原来的小居民地连片发展，耕地也随居民地的变化而变化；盐碱地和沙地的景观百分比和斑块个数在增加，而斑块密度、相似邻近比例和聚集度降低，说明盐碱地在该区景观中所占比例在加大，绝对面积增加，景观呈破碎和分散趋势，一方面是气候等自然原因，另一方面是人类活动，当地不合理的土地利用方式吞噬了大面积的草地和耕地；河流和湖泊的斑块个数和斑块密度都减少，主要是由于该区干旱气候以及农业灌溉等，然而沼泽地景观百分比、斑块个数均呈增长趋势，其中包括人工湿地和天然湿地，说明湿地的自我修复和人工修复取得明显效果，密集度降低，景观形状指数增大，说明沼泽的分布范围在扩大；荒草地和半荒草地的景观百分比、相似邻近比例、斑块密度、聚集度指数等都降低，原因在于一部分草地盐碱化和沙化，另一部分由于追求农业经济的增长而转化成耕地，景观也呈破碎化趋势。

表3 大安县斑块类型水平景观格局指数表

总之，从2001年到2010年，研究区土地利用在后一阶段呈现合理化，景观格局的变化趋向改善，但总体来看，土地盐碱化、沙化和草地退化问题仍然严峻，再加上水域和湿地环境的降低，使生态环境和生物多样性受到威胁。

3.2.2 景观水平的景观格局分析

从计算结果可以看出（表4），2001年到2010年研究区域的斑块密度、均匀度指数和蔓延性指数减少，但变化并不明显，说明虽然后一阶段景观出现逆转，但是总体上并未出现较大改善；斑块个数减少，说明一部分小斑块消失，一方面是耕地、建设用地等连片发展，另一方面是盐碱化和沙化的小的、轻的斑块经过治理逆转明显，大的斑块治理起来仍较困难，甚至有蔓延的趋势。多样性指数略有增加，说明土地利用类型在调节生态系统的优化方面发挥了作用，困扰当地多年的土地盐碱化、沙化、退化问题已经出现部分缓解，为进一步治理和改善提供了途径。

表4 大安县景观水平景观格局指数表

4 结 语

吉林省大安县的土地利用正在向不合理的方向发展，生态环境和水土环境受到威胁，影响当地的可持续发展，因此采取相应的生态环境保护和社会经济措施是十分必要的。比如，改变传统的粗放型农业模式，因地制宜，合理配置农、林、牧生产结构；城市扩张的同时尽可能少地占用农用地，保护现有耕地；用科学有效的方法大力开展沙地和盐碱地的治理和改良工程，保护现有的湿地生态系统等。坚持退耕还林，依靠科技进步，建设生态环保型农业，是实现区域持续发展的必然途径。

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