2000-2015年FAST周邊土地利用景觀格局演變分析

趙祖倫 趙衛權 李威 楊家芳 孫小瓊

【摘要】定量化識別FAST周邊土地利用景觀格局以及時空演變特征，對于管理和維護FAST周邊生態環境和靜默環境具有重要意義。通過構建景觀動態變化模型以及選取斑塊密度、最大斑塊指數、景觀形狀指數、景觀集合度等景觀指數，對FAST周邊30 km緩沖區的土地利用景觀結構、景觀動態轉移和演變特征進行定量化分析。結果表明：①研究區周邊30 km緩沖區范圍內以林地為優勢景觀，占比約為57%，耕地和草地次之，占比約20%，水域景觀和建設用地景觀最少，占比不足1%;②耕地、林地和草地景觀之間相互轉換頻繁，水域景觀面積減少規模不大，建設用地景觀面積呈現劇烈上升趨勢，多數源于對林地、耕地和草地的占用;③2000-2015年期間，土地景觀斑塊破碎化程度整體呈“U”型變化.2010-2015年研究區域人類活動對于景觀的干擾程度增加，必須針對性地管控FAST周邊人類活動強度。

【關鍵詞】土地利用變化;景觀格局;時空演變;FAST

【中圖分類號】F301.2

【文獻標識碼】A

景觀格局是指形狀不同、大小各異的景觀要素在二維空間上的排列組合，包括景觀要素的數目、類型、空間分布、占比配置、形狀大小等特征，景觀格局是各種生態過程在不同等級尺度上的綜合作用或結果，影響著景觀內物種的豐富度和種群的生存環境，定量化研究區域景觀格局的演變規律，對于理解生態過程、輔助生態系統的管理和保護具有重要意義。因此，區域景觀格局演變及其演變機制是當前景觀生態學和地理學領域關注的熱點問題之一。

隨著全球氣候變化以及不斷加重的人類活動影響，土地利用的生態效應備受關注。如任志遠等基于土地利用動態度模型，探討土地利用變化對于銀川盆地景觀格局脆弱性的影響程度;胡艷興等基于土地利用空間格局，從景觀結構、類型和異質性等方面構建景觀格局穩定性模型，對蘭州的景觀格局穩定性進行定量評估;郭少壯等利用景觀格局指數和地表覆蓋分類系統，構建景觀脆弱度指數和人為干擾度，研究了秦嶺地區1980-2015年的景觀格局演變規律及其對人為干擾的響應;于婧等基于GIS和Fragstats分析技術，從景觀特征、抗干擾能力、和社會經濟等方面構建土地生態質量綜合評估模型，研究湖北仙桃市土地生態質量狀況。當前對于土地利用景觀格局的研究，多數關注流域、行政區劃、礦區、濕地、城市群等，但對于國家重大科技基礎建設工程周邊環境的研究較少。

國家重大工程500m口徑球面射電望遠鏡（Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope，FAST），位于貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣克度鎮大窩凼的喀斯特洼坑中。隨著FAST工程的竣工及使用，為保護FAST周邊的無線電靜默環境，核心區內進行了一系列的建設工程、移民搬遷工程，中間區和邊遠區內，為旅游觀光而進行的開發建設也如火如荼，如天文酒店、天文體驗區、天坑景區，FAST周邊5km以外的人類活動強度不斷加大。因此，識別FAST周邊土地利用景觀格局時空演變特征，對于FAST周邊的生態安全格局的構建和FAST健康運行具有重要意義。

基于此，本文基于CIS空間分析原理和景觀生態學原理，構建土地利用景觀動態度模型，從類型水平選取斑塊密度、最大斑塊指數、景觀形狀指數、景觀聚合度等景觀指數，定量化分析2000-2015年FAST周邊30 km緩沖區內的土地利用景觀格局演變特征，為FAST周邊景觀生態安全格局的構建和FAST周邊環境管理提供理論依據。

1 研究區概況

500m口徑球面射電望遠鏡（Five-hundred-meter ApertureSpherical Telescope.FAST），是一架直徑500 m，利用貴州現有喀斯特坑洼為基礎，反射面能主動變形的球面射電望遠鏡，位于貴州省黔南州平塘縣克度鎮大窩凼坑洼中。作為一個關鍵技術指標處于國際前沿的天文觀測設備，FAST蘊藏著巨大的發現機遇，具有對天文學產生重大影響的潛力。

1993年，中國天文學家提出在貴州喀斯特峰叢洼地建設大射電望遠鏡陣列的建議。2007年，國家批復了FAST立項建議書，工程進入可行性研究階段。2011年3月，村民搬遷完畢，FAST項目開始動工。2016年9月25日，舉世矚目的“大射電”竣工并投入使用。從選址、開工到投入使用，依據《貴州省500米口徑球面射電望遠鏡電磁波寧靜區保護辦法》，為保護FAST正常運行，將FAST電磁波寧靜區劃分為核心區、中間區和邊遠區，以FAST臺址為中心，半徑5 km的區域為核心區，半徑5 - 10 km環帶為中間區，半徑10 - 30 km環帶為邊遠區。FAST周邊30km的電磁波寧靜區，約95.77%在貴州省境內，4.23%在廣西省河池市天峨縣三堡鄉。FAST周邊環境經歷了移民搬遷、施工建設、旅游開發等多方面的影響。

2 數據與方法

2.1 數據來源與處理

基礎數據為2000、2005、2010和2015年FAST周邊30km的土地利用，覆被類型數據（貴州部分），空間分辨率為30 m，通過地理空間數據云和USGS獲取四期遙感影像，根據Google高清影像輔助進行感興趣區的選取，利用ENVI 5.3進行監督分類，將研究區的景觀類型大致分為耕地、林地、草地、水域、建設用地等五種類型。景觀動態變化和轉移矩陣，是利用ArcCIS統計分析和空間分析工具進行計算;景觀指數是運用Fragstats v4.2進行計算，鄰域選擇4x4。

2.2 研究方法

2.2.1 景觀格局指數。景觀指數是指從斑塊、類型和景觀等多層次角度進行考慮，以定量化方式表達斑塊形狀、數量、大小、密度等結構組成和空間配置特征的簡單指數。景觀指數的變化，可以從一定程度上揭示自然因素和人類干擾對于土地景觀的影響程度。參考相關研究，景觀類型水平上選取斑塊密度、最大斑塊指數、景觀形狀指數、斑塊聚合度對FAST周邊各景觀類型的格局進行定量化分析，景觀指數的計算公式和生態意義詳見參考文獻。

2.2.2景觀動態變化模型。景觀動態變化模型主要用于定量化測度景觀類型的轉移方向、數量和程度。

（1）單一景觀動態度。單一景觀動態度可以反映一定時期內，某種景觀類型的變化程度。計算公式如下：

（2）景觀轉移矩陣。轉移矩陣可以直觀的表達景觀類型之間相互轉移的方向和程度，其中轉移程度以轉移面積大小的方式表達，轉移面積越多，說明被侵占擠壓的程度越大。轉移矩陣的計算公式如下：

3 結果與分析

3.1 景觀結構特征

從各類景觀類型面積和占比情況統計來看（表1），FAST周邊30 km緩沖區范圍內景觀類型多樣，以林地為主要優勢景觀，多年占比均在57%以上，其次是耕地和草地，兩類景觀面積相當，多年占比均超過20%，水域和建設用地的面積最少，占比均少于1%;從空間分布情況來看（圖1），林地景觀類型分布廣泛，FAST核心區、中間區和邊遠區均為林地景觀占優，耕地景觀主要分為6大塊，即中間區的克渡鎮和塘邊鎮區域、邊遠區南部的董當鄉至云干鄉區域、西涼鄉周邊、新塘鄉至通州條帶區域、羨塘鄉和抵季鄉北部零散區域、邊陽鎮周邊等，草地景觀分布特征與耕地大概相同，連片區域分布在耕地景觀周邊，水域景觀主要分布在邊遠區山谷中的河流和部分水庫，如曹渡河、壩王河、龍潭水電站水庫，建設用地景觀，主要集中分布在地勢較平坦區域，如研究區西南部羅甸縣城、克渡鎮、邊陽鎮、其它鄉鎮周邊以及鄉鎮間道路兩旁呈條帶狀區域。

3.2 景觀類型動態轉移

從FAST周邊景觀類型動態變化統計可知（表2，表3），2000-2005年期間，草地面積劇烈減少，減少面積約18.25km2，轉移方向為耕地和林地，其中規模大小約18.90 km2的草地轉為耕地，規模大小約25.62 km2的草地轉為林地，林地和耕地也向草地轉移分別13.15 km2和13.14 km2，耕地、林地和草地的動態度分別為1.12%、0.78qo和-3.05%，這5年期間建設用地和水域景觀的變化程度不大;2005-2010年期間，建設用地景觀變化較為劇烈，動態度達127.55，面積增長約0.97km2，建設用地景觀面積增長來源為林地和草地，耕地景觀類型變化較為明顯，耕地面積大約減少2.51 km2，林地減少約0.09 km2，轉移方向主要為耕地和草地，轉移面積分別約為7.96km2和6.08 km2，林地和草地向耕地景觀轉移的面積分別為7.10km2和4.42 km2; 2010-2015年期間，建設用地景觀劇烈增加，面積增加約12.60 km2，動態度達146.61%，建設用地面積增加來源于耕地、林地和草地，占用面積分別為5.49 km2、5.00 m2和2.75 km2。

總體來看，2000-2015年期間耕地、林地和草地景觀之間相互轉換頻繁，水域景觀面積減少程度不大，建設用地景觀面積呈現劇烈上升趨勢，反映出人類活動對于FAST周邊的景觀結構影響越來越明顯。

3.3 景觀指數變化特征

利用依據Fragstats v4.2軟件，計算2000-2015年4個時期土地景觀類型水平上的斑塊密度、景觀形狀指數、最大斑塊指數和斑塊聚合度指數及其變化特征（表4）。其中斑塊密度主要用于測度斑塊的破碎度情況，PD值越大，說明某類型景觀斑塊破碎度越大;最大斑塊指數用于表示最大斑塊占某類型景觀面積的比例，反映最大斑塊對于景觀的影響程度，LSI值越高，該類型斑塊對于景觀影響越大;景觀形狀指數用于測度某類型景觀的整體斑塊的復雜或者規則程度，LPI指數越大，景觀斑塊形狀越復雜，反之越規則;景觀聚合度指數主要用于測度某種景觀類型斑塊間的連通性程度，AI值越小，景觀越離散，反之聚集程度高。

通過分析可知，2000-2005年，林地景觀斑塊密度略有增加，景觀形狀指數增大，最大斑塊指數增大，斑塊聚集度減小，說明該5年期間林地景觀斑塊破碎化程度增加，斑塊形狀趨于復雜，最大林地斑塊面積增加，且斑塊間的離散程度增加;耕地景觀斑塊密度減小，破碎化程度減小，斑塊形狀趨于復雜，最大耕地斑塊面積增加，耕地斑塊之間的連通度有所降低;草地景觀斑塊密度降低，破碎度減少，斑塊形狀趨于復雜，連通度有所降低;水域景觀破碎化特征不明顯，連通性有所降低;建設用地整體斑塊形狀趨于復雜和離散，連通性有所降低。

2005-2010年，林地景觀破碎化程度有降低，斑塊形狀復雜程度減小，斑塊間聚集程度有所增加;耕地景觀破碎化程度增加，斑塊形狀趨于規則，斑塊間的連通性有所增加;草地景觀破碎化程度降低，斑塊形狀趨于規則，斑塊間連通性降低;水域斑塊形狀趨于復雜，連通度有所增加;建設用地景觀破碎化程度增加，斑塊形狀趨于復雜，最大斑塊面積規模變大，離散程度增加，連通性降低。

2010-2015年，林地景觀各指標的變化特征類似2000-2005年的變化特征，呈現進一步的斑塊破碎化、形狀復雜化、斑塊間連通程度略有降低;耕地破碎化程度增加，形狀趨于復雜，最大斑塊規模有所減小，斑塊連通性有所減小;草地斑塊密度增加，形狀指數變化不明顯，最大斑塊面積規模增加，斑塊間連通性增加;建設用地景觀破碎化程度減小，形狀進一步規則，斑塊連通性降低。

整體來看，不同土地利用景觀的景觀破碎度從大到小的排序大致為：耕地景觀>草地>林地景觀>建設用地景觀>水域景觀，耕地景觀最為破碎，水域景觀較為連續;從斑塊形狀來看，耕地景觀形狀最為復雜，草地和林地景觀次之，水域和建設用地景觀最為規則;從斑塊的聚集性或者連通性方面看，林地景觀連通性最好，水域和建設用地景觀連通性較差。FAST周邊30km范圍的斑塊密度呈現先減少后增加，呈“U”型變化，即2000-2010年斑塊破碎化程度有所降低，但2010-2015年呈現上升趨勢，反映了后五年人類活動對于景觀的干擾程度增加，這與FAST工程的施工建設、移民搬遷活動、周邊旅游開發活動等時間相對應。

4 結論

本文基于ArcGIS空間分析原理和景觀生態學原理，通過構建景觀動態模型和景觀指數，定量分析2000-2015年FAST周邊30 km（貴州范圍內）的土地景觀結構以及演變特征，主要結論如下。

（1） FAST周邊30 km緩沖區范圍內，土地景觀以林地為優勢景觀，多年占比均超過57%，耕地和草地景觀占比20%左右，水域和建設用地景觀占比不足1%。

（2） 2000-2015年期間，耕地、林地和草地景觀之間相互轉換頻繁，水域景觀面積減少規模不大，建設用地景觀面積呈現劇烈上升趨勢，建設用地15年間增加約13.57 km2，建設用地景觀面積的增加，多數源于對林地、耕地和草地的占用。

（3） 2000-2015年期間，土地景觀斑塊破碎化程度整體呈“U”型變化，2010-2015年研究區域人類活動對于景觀的干擾程度增加，FAST工程的開發建設和投入使用對于周邊的景觀結構具有較大的直接或間接影響，必須加強對FAST靜默區的人類活動干擾管控。

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[作者簡介]趙祖倫（1993-），男，貴州赫章人，研究實習員，碩士，研究方向：國土資源與3S技術應用。

[通訊作者]趙衛權（1982-），男，甘肅寧縣人，副研究員，博士，研究方向：資源環境與3S技術應用。