基于rs技術(shù)的鄭州市土地利用多樣性研究

基于rs技術(shù)的鄭州市土地利用多樣性研究

在信息論領(lǐng)域，生物多樣性概念和分析方法被廣泛應(yīng)用于生物科學(xué)研究中，如測(cè)量和分析生物物種，近年來在土壤和地質(zhì)研究領(lǐng)域的應(yīng)用也有所增加。Ib仳觡ez[2~6]等在20世紀(jì)90年代中期開始系統(tǒng)地運(yùn)用多樣性方法分析土壤圈層內(nèi)土壤的類別多樣性,逐步發(fā)展了與生態(tài)學(xué)研究中生物多樣性相平行的土壤多樣性概念,在國際土壤學(xué)界引起強(qiáng)烈反響。近年來國內(nèi)外陸續(xù)出現(xiàn)一些涉及該領(lǐng)域的研究報(bào)道,研究方法也日趨成熟。Toomanian等對(duì)伊朗中部扎因代河谷的土壤多樣性和成土因素進(jìn)行研究,評(píng)價(jià)了該地區(qū)的土壤異質(zhì)性程度,研究發(fā)現(xiàn)用仙農(nóng)熵定量評(píng)價(jià)土壤和土壤景觀演化具有良好的效果。本世紀(jì)初,土壤多樣性理論被引入國內(nèi),張學(xué)雷[8~14]等基于海南島、山東省和江蘇省數(shù)據(jù)進(jìn)行了案例研究并取得一定的研究成果,實(shí)現(xiàn)了土壤多樣性分析方法在地理信息系統(tǒng)環(huán)境中的數(shù)字化表達(dá)。作為人類活動(dòng)集中體現(xiàn)的綜合體,土地利用方式和強(qiáng)度在一定程度上反映了人類活動(dòng)對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)干擾的性質(zhì)和過程,而土壤資源作為人類活動(dòng)賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ),也為土地利用格局的形成提供了基礎(chǔ),它在空間上的分布格局將在一定程度上影響土地利用的空間分布格局及其演變過程[15~21]。將土壤多樣性理論與方法引入土地利用的分析與評(píng)價(jià)是近年來該領(lǐng)域研究的最新趨勢(shì),其研究對(duì)于在城市化進(jìn)程不斷加快背景下土壤和土地資源的可持續(xù)利用具有指導(dǎo)意義。然而以往該領(lǐng)域的研究多局限于單純的土壤構(gòu)成組分多樣性或相關(guān)屬性多樣性的求算,將多樣性研究方法應(yīng)用于空間分布多樣性以及土壤資源和土地利用空間分布的關(guān)聯(lián)分析在國內(nèi)研究中較為少見。本研究運(yùn)用仙農(nóng)熵變形公式定性定量地描述了鄭州市的土壤多樣性和土地利用多樣性特征,從空間角度更好地評(píng)價(jià)了兩者的離散性分布特征并深入分析了兩者之間的關(guān)聯(lián)性程度。1材料和方法1.1中原經(jīng)濟(jì)區(qū)“中心城市”的選擇鄭州市是河南省省會(huì),位于東經(jīng)112°42′~114°14′,北緯34°16′~34°58′之間,是國家級(jí)戰(zhàn)略“中原經(jīng)濟(jì)區(qū)”的中心城市。鄭州市屬暖溫帶季風(fēng)氣候,氣候溫和、四季分明,地勢(shì)西高東低,西部多山地丘陵,占總面積的2/3,東部平原占總面積的1/3。本研究以鄭州市的6區(qū)5市1縣(包括中原區(qū)、二七區(qū)、管城回族區(qū)、金水區(qū)、上街區(qū)、惠濟(jì)區(qū);新鄭市、登封市、新密市、鞏義市、滎陽市;中牟縣)為研究區(qū)域,共包括9個(gè)土壤土類、23個(gè)亞類和52個(gè)土屬。1.2遙感解譯與數(shù)據(jù)來源采用2001年鄭州市LandsatTM遙感影像為控制影像,在ERDASIMAGE軟件平臺(tái)上對(duì)2004年和2009年的TM遙感影像,取TM4、3、2波段合成假彩色圖像,然后對(duì)遙感圖像進(jìn)行圖像增強(qiáng)、幾何校正、圖像拼接和切割等處理。參考鄭州市地形圖等資料,運(yùn)用以目視解譯為主、計(jì)算機(jī)自動(dòng)解譯為輔的方法對(duì)2004年和2009年兩個(gè)年份的遙感影像進(jìn)行解譯,參照《中國資源環(huán)境遙感宏觀調(diào)查與動(dòng)態(tài)研究》的土地資源分類系統(tǒng),將鄭州市土地利用分為如下七大類型:耕地(包括水田、旱地)、林地(將園地也歸入林地)、草地、水域(包括河渠、水庫、坑塘和灘地)、城鎮(zhèn)建筑用地(包括各縣市主城區(qū))、農(nóng)村居民點(diǎn)和工礦用地(包括農(nóng)村居民地、工礦和交通用地)、未利用土地(包括沙地、裸土地和裸巖等)。其他相關(guān)數(shù)據(jù)包括基于第二次土壤普查的鄭州市土壤矢量數(shù)據(jù)及鄭州市統(tǒng)計(jì)年鑒等。研究中使用的軟件主要為ERDAS9.2和ArcGIS9.3。2學(xué)習(xí)方法2.1土壤和土地利用的空間分布多樣性為更好地表征研究區(qū)域?qū)ο蠓植嫉木鶆虺潭群涂臻g離散程度,研究使用如下仙農(nóng)熵變形公式:式中,Yh、S和pi定義如下:(1)在土壤和土地利用的組成分布多樣性里,S表示區(qū)域土屬總數(shù)目或者土地利用類型總數(shù)目,pi表示研究區(qū)內(nèi)第i個(gè)土屬或者土地利用類型的相對(duì)多度,其真實(shí)值實(shí)際上無法獲得,但可以通過計(jì)算pi=ni/N而得(ni為被第i個(gè)土屬或者土地利用類型覆蓋的面積,N為研究區(qū)總面積)。在此前提下,多樣性指數(shù)Yh表示研究區(qū)內(nèi)土壤或土地利用在組成分布上的多樣性特征,即所有分類單元在組成分布上的均勻程度。此時(shí)Yh也指Pielou指數(shù)(即均勻度指數(shù)),S指土壤或土地利用的豐富度指數(shù)。(2)在土壤和土地利用的空間分布多樣性里,S表示研究區(qū)空間網(wǎng)格總數(shù)目,pi表示第i個(gè)空間網(wǎng)格里某類土屬(或土地利用類型)在研究區(qū)內(nèi)該土屬(或土地利用類型)總面積里所占的比例。在此前提下,多樣性指數(shù)Yh表示研究區(qū)內(nèi)某土壤或土地利用類型在空間分布上的多樣性特征,它表征了單個(gè)土壤或單個(gè)土地利用類型在空間分布上的離散型程度。在以上兩種情況下,多樣性指數(shù)Yh的取值滿足下面不等式:在土壤和土地利用的組成分布多樣性里,Yh取值越大,表明研究區(qū)內(nèi)土壤或土地利用類別分布越均衡。如果Yh取值趨于0時(shí),說明研究區(qū)內(nèi)土壤或土地利用類別分布處于最不均勻狀態(tài),即某一類或少數(shù)幾類土壤或土地利用類型占據(jù)了研究區(qū)的全部面積;如果Yh=1,說明研究區(qū)內(nèi)土壤或土地利用類別分布達(dá)到理想的均衡狀態(tài),即所有土屬或土地利用類型覆蓋的面積相同。在土壤和土地利用的空間分布多樣性里,單個(gè)土壤或土地利用類型的多樣性指數(shù)Yh取值越大,說明其空間分布的離散性越強(qiáng)。此方法涉及到空間網(wǎng)格概念,因此在評(píng)價(jià)對(duì)象的空間分布多樣性上比傳統(tǒng)的仙農(nóng)熵公式更加精確。2.2空間分布多樣性指數(shù)為探討土壤空間分布和土地利用空間分布之間的關(guān)聯(lián)程度,建立了一種關(guān)于土壤和土地利用之間關(guān)系的關(guān)聯(lián)系數(shù),公式如下:式中,A和B分別表示為土壤和土地利用類型,r(A,B)表示土壤類型A和土地利用類型B之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)。Yh(A)、Yh(B)和Yh(A,B)的定義如下:式中,Yh(A)表示土壤類型A的空間分布多樣性指數(shù),Ph(B)表示土地利用類型B的空間分布多樣性指數(shù),P(i,j)稱為聯(lián)合分布概率,表示第i個(gè)空間網(wǎng)格里土壤類型A和第j個(gè)空間網(wǎng)格里土地利用類型B相互重疊的面積比,Yn(A,B)表示土壤類型A和土地利用類型B公共斑塊的空間分布多樣性指數(shù)。在土壤和土地利用的關(guān)聯(lián)分析中,關(guān)聯(lián)系數(shù)r(A,B)的取值滿足下面不等式:當(dāng)土壤類型A和土地利用類型B的空間分布完全不重疊,即Yh(A,B)=0時(shí),r(A,B)=0;當(dāng)土壤類型A和土地利用類型B的空間分布完全相同,即Yh(A)=Yh(B)=Yh(A,B)時(shí),r(A,B)=1。隨r(A,B)數(shù)值的不斷增加,其土壤類型A和土地利用類型B之間的空間分布相關(guān)性不斷增強(qiáng)。該關(guān)聯(lián)系數(shù)定量地描述了研究區(qū)內(nèi)土壤類型A和土地利用類型B在空間分布上相互重疊的程度,它的取值由土壤類型A的斑塊分布、土地利用類型B的斑塊分布及空間網(wǎng)格尺度所決定。2.3土地利用多樣性分析首先以土屬為基本單元,運(yùn)用公式(1)進(jìn)行土壤和土地利用組成分布多樣性分析以及不同土地利用方式下的土壤組成分布多樣性分析,然后進(jìn)行不同網(wǎng)格尺度下的土壤和土地利用空間分布多樣性分析。最后,通過關(guān)聯(lián)系數(shù)的建立進(jìn)行典型土壤和土地利用空間分布的連接性分析,由此進(jìn)行土地利用空間動(dòng)態(tài)變化以及其對(duì)土壤資源的影響分析。3結(jié)果與分析3.1土壤條件多樣性指數(shù)鄭州市共有52種土屬類型,7種土地利用類型,通過公式(1)獲取的多樣性指數(shù)可以表征出土壤和土地利用的組成分布多樣性。其中鄭州市土壤的組成分布多樣性指數(shù)為0.776,在最近文獻(xiàn)中段金龍等對(duì)我國中、東部典型省會(huì)及縣域土壤多樣性研究,南京市的組成分布多樣性指數(shù)取值0.738,開封市取值0.643,如皋市取值0.582,原陽縣取值0.732,相比之下,表明鄭州市各土屬組成分布相對(duì)均勻,混亂程度較高。圖1顯示,2004年土地利用組成分布多樣性指數(shù)為0.610,到2009年該指數(shù)增加為0.651,結(jié)合土地利用分類結(jié)果圖和研究區(qū)實(shí)際情況,可以推定土地利用組成分布多樣性增加的原因主要是占土地利用主導(dǎo)地位的耕地有大量面積從2004年到2009年主要轉(zhuǎn)變?yōu)槌擎?zhèn)建筑用地、農(nóng)村居民點(diǎn)和工礦用地等類型,使得鄭州市的土地利用組成分布更為均勻,其間接反映出五年間鄭州市的城鎮(zhèn)化進(jìn)程。3.2農(nóng)村居民點(diǎn)和工業(yè)用地的多樣性表1顯示,在不同的土地利用方式下,被耕地覆蓋的各土屬面積最大,2004年占總面積的66.11%,2009年減少為62.91%;而城鎮(zhèn)建筑用地由2004年的3.66%增加到2009年的6.47%,農(nóng)村居民點(diǎn)和工礦用地由2004年的9.73%增加到2009年的10.94%。與此同時(shí),在不同的土地利用單元上,土壤的組成分布多樣性指數(shù)即均勻度指數(shù)變化趨勢(shì)與土地利用面積的變化趨勢(shì)不一致(如圖2),不隨面積的增加而變大。究其原因,土壤多樣性主要是由自然生態(tài)環(huán)境條件綜合作用的結(jié)果,而土地利用方式則是土壤的自然適宜性與人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)適宜性相互作用的結(jié)果。在這一過程中,土地利用面積的分布主要受人為因素的影響,人為因素起主導(dǎo)作用。3.3土壤和土地利用的空間分布多樣性將空間分布多樣性用于評(píng)估土壤和土地利用的離散程度研究,這種方法需要注意兩點(diǎn):(1)網(wǎng)格尺度在一定程度上影響空間分布的多樣性格局。由表2可以發(fā)現(xiàn),同一種土屬在不同的3種網(wǎng)格尺度下,其空間分布多樣性指數(shù)略有不同。指數(shù)Yh這一特征值說明不同的網(wǎng)格尺度下,土壤和土地利用的空間離散性也是略有不同的。(2)圖斑大小及分布位置也在一定程度上影響空間分布的多樣性格局。也就是說即使具有相同的網(wǎng)格尺度和空間面積分布也可能由于位置不同而具有相異的多樣性指數(shù),從而表達(dá)圖斑分布的離散程度。以上兩點(diǎn)是利用空間分布多樣性指數(shù)評(píng)價(jià)對(duì)象的空間分布離散性時(shí)所固有的缺點(diǎn)。為解決此問題,一種方法是在同一網(wǎng)格尺度下通過平行移動(dòng)所有網(wǎng)格,并計(jì)算多種移動(dòng)方式下所得多樣性指數(shù)的平均值;另一種方法是計(jì)算多種網(wǎng)格尺度下所得多樣性指數(shù)的平均值。本研究選用第二種方法(見表2)。圖3模擬了某土壤或土地利用類型X在空間網(wǎng)格里的分布,該例中X的空間分布多樣性指數(shù)Yh=0.422。依照下圖和計(jì)算方法計(jì)算出鄭州市土壤和土地利用在5km×5km、3.5km×3.5km和2km×2km網(wǎng)格尺度下的空間分布多樣性指數(shù)及3種網(wǎng)格尺度下其平均值(表2,表3)。表2顯示出鄭州市同一土屬的空間分布多樣性指數(shù)在不同網(wǎng)格尺度下存在相似的分異規(guī)律。三種網(wǎng)格尺度下的土壤空間分布多樣性指數(shù)平均值小于0.200的土屬類型分別為底粘砂土、砂礫褐土、白漿化棕壤、鈣質(zhì)石質(zhì)土、麻砂質(zhì)淋溶褐土、流動(dòng)草甸風(fēng)砂土和暗礦質(zhì)褐土性土,說明這些類型是分布范圍較小的稀有土壤。此外鄭州市面積最大的土屬砂土(1109.27km2)的空間分布多樣性指數(shù)(0.793)也是最高的,說明52個(gè)土屬中砂土的空間分布最為均勻。其次石灰性褐土(819.04km2,0.739)、黃砂褐土性土(489.08km2,0.729)、立黃土(791.66km2,0.725)和褐土性土(617.35km2,0.712)的空間分布多樣性指數(shù)也較高,其空間分布的離散型程度也較強(qiáng)。其中黃砂褐土性土的面積比褐土性土、立黃土小,而空間分布多樣性指數(shù)卻比兩者大,說明黃砂褐土性土的空間分布更離散(圖4)。表3統(tǒng)計(jì)了鄭州市2004年和2009年的土地利用在5km、3.5km和2km網(wǎng)格下的空間分布多樣性指數(shù)及3種網(wǎng)格下的多樣性指數(shù)均值情況。耕地的空間分布多樣性指數(shù)在兩個(gè)時(shí)期均取最大值,分別為0.975和0.972,說明耕地是鄭州市分布最廣泛的土地利用類型。作為城鎮(zhèn)化發(fā)展進(jìn)程的主要衡量因子,即城鎮(zhèn)建筑用地的空間分布多樣性指數(shù)隨研究時(shí)期推進(jìn)增加比較明顯,由2004年的0.597增加到2009年的0.654,從側(cè)面表明了鄭州市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。農(nóng)村居民點(diǎn)和工礦用地由2004年(702.53km2,0.917)變?yōu)?009年的(798.83km2,0.910),較除耕地以外的其它土地利用類型,其空間分布多樣性指數(shù)也是很高的,結(jié)合鄭州市土地利用現(xiàn)狀,說明農(nóng)村居民點(diǎn)和工礦用地分布比較零散,較2004年其2009年分布面積有增加而空間分布多樣性指數(shù)略有減少,間接反映出農(nóng)村居民點(diǎn)和工礦用地空間分布離散性不僅僅與分布面積的增加有關(guān),這與圖6中所得結(jié)論相似。3.4典型土壤的關(guān)聯(lián)系數(shù)為探討土壤空間分布與土地利用空間分布之間的關(guān)聯(lián)程度,鑒于鄭州市土壤分布存在京廣鐵路以東主要為潮土和風(fēng)砂土,京廣鐵路以西主要為褐土的規(guī)律,選取潮土中面積最大且空間分布多樣性指數(shù)最高的砂土、風(fēng)砂土中的固定草甸風(fēng)砂土以及褐土中的石灰性褐土和黃砂褐土性土這4種典型土屬作為研究對(duì)象,分別統(tǒng)計(jì)了4種土屬與兩個(gè)年份中的7種土地利用類型之間的公共面積(表4)。由公式(3)統(tǒng)計(jì)計(jì)算了鄭州市典型土壤與土地利用在3種網(wǎng)格尺度下的關(guān)聯(lián)系數(shù)。由表5看出不同空間網(wǎng)格尺度下的關(guān)聯(lián)系數(shù)略有不同,這與此前不同網(wǎng)格尺度下土壤和土地利用空間分布多樣性指數(shù)也略有不同比較相似。將城鎮(zhèn)建筑用地、農(nóng)村居民點(diǎn)和工礦用地這兩類土地利用類型作為衡量城鎮(zhèn)化的主要因子,兩者與各典型土壤的關(guān)聯(lián)系數(shù)從2004年到2009年在3種網(wǎng)格尺度下均有增加的趨勢(shì)(表5),例如城鎮(zhèn)建筑用地與砂土的關(guān)聯(lián)系數(shù)由2004年到2009年在3種網(wǎng)格尺度下分別為:(0.630,0.718);(0.663,0.741);(0.699,0.769)。說明從2004年到2009年這4類典型土壤均有不同程度的比例轉(zhuǎn)化為城鎮(zhèn)化用地,導(dǎo)致大面積土壤的地表永久密閉,也從側(cè)面說明土壤類型的多樣性隨研究時(shí)期的推進(jìn)同樣面臨著挑戰(zhàn)。同時(shí)占土地利用主導(dǎo)地位的耕地與各典型土壤的關(guān)聯(lián)系數(shù)隨研究時(shí)期推進(jìn)在不同網(wǎng)格尺度下主要呈減小趨勢(shì),例如耕地與砂土的關(guān)聯(lián)系數(shù)由2004年到2009年在3種網(wǎng)格尺度下分別為:(0.875,0.865);(0.880,0.871);(0