Urbanization and Land Use 城镇化与集约用地, 2024, 8(2), 107-116 Published Online June 2024 in Hans. http://www.hanspub.org/journal/ulu https://doi.org/10.12677/ulu.2024.82011
Spatial Scale Effect of Land Use Landscape Pattern in Guangling District of Yangzhou City
Xiaoya Du1*, Weiwei Sun1, Tianyue Chen2,3#
12
Real Estate Registration Center of Jiangsu Province, Nanjing Jiangsu
School of Geographical Sciences, Nanjing Normal University, Nanjing Jiangsu 3
Rural Rejuvenation Research Institute of Nanjing Normal University, Nanjing Jiangsu
Received: May 15, 2024; accepted: Jun. 4, 2024; published: Jun. 11, 2024
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Abstract
The scale effect of land use pattern change is of great significance to optimize the land use pattern. Combined GIS and landscape analysis method by changing the spatial grain sizes and spatial ex-tent sizes, the paper analyzes the landscape patterns in Guangling District under two different patterns (class level and landscape level). The results show that: 1) with the increase of spatial extent sizes changed, on class level, the number of patches; landscape shape index gradually in-creased, the percentage of plaque type varied randomly; patch density had a local amplitude ef-fect. The response of land for transportation, urban and industrial land, land and water conser-vancy facilities to scale changes was relatively weak. On landscape level, shannon diversity, ag-gregation index gradually increased; shannon uniformity gradually reduced; the landscape index on the amplitude of the response was not sensitive. 2) The turning point of the particle size effect was 100 m, and the turning point of the amplitude effect was 10 km × 10 km at the 1:1 million scale. All in all, the grain sizes effect was different with the extent sizes effect. The results of the study provided a reference for the quantitative analysis of the landscape pattern of county units.
Keywords
Land Use, Landscape Pattern, Spatial Scale, Guangling District
土地利用格局幅度效应研究
——以扬州市广陵区为例
杜小娅1*，孙薇薇1，陈添悦2,3#
*第一作者。 #
通讯作者。
文章引用: 杜小娅, 孙薇薇, 陈添悦. 土地利用格局幅度效应研究[J]. 城镇化与集约用地, 2024, 8(2): 107-116. DOI: 10.12677/ulu.2024.82011
杜小娅 等
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江苏省不动产登记中心，江苏 南京
南京师范大学地理科学学院，江苏 南京 3
南京师范大学乡村振兴研究院，江苏 南京
收稿日期：2024年5月15日；录用日期：2024年6月4日；发布日期：2024年6月11日
摘 要
分析揭示不同斑块景观尺度下的强化土地科学利用景观格局尺度效应对于强化县域单元土地的科学利用景观具有一定的客观现实意义和科学理论的应用价值。以江苏省扬州市广陵区为代表的案例，以县域单元土地科学利用景观调查的数据为基础，运用斑块景观的格局尺度指数和GIS，通过计算和改变斑块空间利用幅度，探讨了类型和斑块景观形状水平下的强化土地科学利用景观格局和空间利用尺度的效应。分析研究的结果表明：1) 随着利用幅度的扩大，类型和水平上，斑块的数量、景观的形状类型指数逐步明显增加，斑块形状类型的百分比随机发生变化，斑块的密度随机变化呈明显的局部幅度变化效应，交通运输建设用地、城镇村及工矿建设用地、水域及其他水利基础设施等非农业用地对空间尺度变化的响应则相对微弱；在斑块景观类型水平上，香农的多样性、聚集指数逐步明显增加，香农均匀性渐趋明显减少，各斑块景观形状指数对空间幅度变化的响应均不敏感。2) 1:1万平方米的比例尺时科学利用幅度变化效应的转折点一般位于10 km × 10 km处。分析研究的结果对于类型和县域单元斑块景观科学利用格局尺度效应分析量化的研究提供了参考。
关键词
土地利用，景观格局，尺度效应，广陵区
Copyright ? 2024 by author(s) and Hans Publishers Inc.
This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Open Access 1. 引言
土地利用规划是自然生态学和人类文明的重要组成载体，其中的生态保护价值正日益地受到自然界和人们的高度重视[1]。其中景观保护格局利用指数是对土地保护和利用规划生态效应的一种综合表现和反应，有着较为典型的土地空间异质性[2]和土地空间尺度依赖性[3] [4]，景观保护格局利用指数是分析土地保护和利用规划生态效应中异质性表征的重要指标，也已经成为生态学研究的一个理论热点[5]。因此，运用对景观保护的格局和利用指数分析的尺度对研究土地保护和利用规划景观保护格局的异质性和利用管理方式、结构，可为制定土地保护和利用规划中发挥和强化土地生态保护的作用提供理论指导。
尺度和效应是指观测或研究的景观物体或过程的时空持续范围与其分辨单位[6]。空间尺度往往以粒度和间隔幅度两种的形式加以表达，其中，幅度一般是指观测或研究的对象在景观空间或过程时间上的持续范围或间隔的长度[7] [8]。空间尺度和效应一般可能在以下3种的情况下发生：仅同时改变景观幅度、仅同时改变景观粒度或过程间隔、同时改变幅度和粒度[9]。国内外许多专家学者就我国的土地利用和景观指数格局的空间分辨率尺度和效应已开始做了深入探讨，认为景观空间尺度分辨率的大小[10]-[15]和景观研究区域的景观空间分辨率范围[16] [17] [18]对于景观的尺度和指数均有着重要的影响，并有学者认为
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应用在空间尺度统计指数分析法研究中的半方差指数分析法、尺度方差指数分析法、空隙度指数分析法和空间小波方差分析法以及景观分维指数分析法等具有很大的研究应用和潜力[9] [19]，可广泛应用于优化的土地综合利用和建筑结构。但大多研究仍将重点停留在景观空间变化尺度对某一时点上的影响对景观空间尺度格局的影响，鲜有大量动态的景观格局对尺度变化效应进行分析的案例[10]，且粒度变化效应影响的景观尺度研究更是受到广泛关注，幅度变化效应影响的景观尺度研究则较为少见，但都充分证明了景观空间尺度分辨率的大小和空间尺度研究时点某一区域的景观空间尺度研究范围对整体的景观尺度变化效应均有明显的影响，缺乏对景观格局幅度变化效应的正确理解[20]。
扬州市广陵区地处于江苏省中部，是连接南京都市圈和毗邻上海长江经济圈的重要节点和中心城市，又是重要的历史和文化名城，该区域生态旅游景观资源丰富、社会政治经济的活动频繁、人为的干扰强烈，景观生态文化特征明显，以其为主要研究的区域来探讨土地利用生态景观的效应，具有较强的客观现实意义和重要的指导参考作用。因此，研究从土地利用数据的可取性、地域的景观可代表性和具有独个性的景观可示范性三个角度出发，选取江苏省扬州市广陵区为主要研究的对象，选取共7个土地利用景观格局指数以深入探讨不同的幅度条件下土地利用区域内扬州市土地利用生态景观格局的变化，旨在分析和揭示景观变化幅度对土地利用景观格局的直接影响，为在不同的尺度条件下科学地进行景观和格局的研究提供了理论和实践参考，也为政府科学地编制扬州市土地利用的规划和决策提供了依据。
2. 数据来源与方法
2.1. 数据来源与预处理
采用了土地开发利用现状地图数据分析模型作为土地利用数据源，能避免了土地利用数据分类的不确定性，保障了图形分布空间的位置以及图形面积的准确性和精度，提高了景观建筑格局土地利用分析的数据准确度及其有效性[21]。为了提供研究的便利，研究数据部分参照了前人的做法[22] [23] [24]，利用arcgis10.1对地类数据进行了合并和分类处理，包括以下8种地类(表1)。
Table 1. Changes of Land Use Types in Guangling District from 2010 to 2015 表1. 2010~2015年广陵区土地利用类型变化统计
地类 耕地 园地 林地 草地 城镇村及工矿用地 交通运输用地 水域及水利设施用地
其他土地
2010
面积/km2 108.45 16.86 3.59 0.48 99.54 13.02 91.42 1.51
比例/% 32.39 5.04 1.07 0.14 29.73 3.89 27.30 0.45
面积/km2 106.23 16.39 3.57 0.39 103.89 14.25 88.57 1.57
2015
比例/% 31.72 4.90 1.07 0.12 31.02 4.26 26.45 0.47
2010~2015 面积变化率%
?2.05 ?2.78 ?0.45 ?17.90 4.36 9.48 ?3.12 4.23
2.2. 研究方法
2.2.1. 景观指数选取与计算
景观指数的计算包含：斑块水平、斑块类型水平和景观水平3种类型，本文依据前人研究并结合地区特点，在斑块类型和景观水平上对景观格局指数进行选取[25] [26]，斑块类型水平上景观指数包括：斑
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块数量(NP)、斑块密度(PD)、景观形状指数(LSI)、斑块类型百分比(PLAND)；景观水平上景观指数：香农多样性指数(SHDI)、香农均匀性指数(SHEI)、聚合指数(AI)。景观指数的计算采用Fragstats4.2，数理统计借助Excel 2016、SPSS 19.0计算不同空间尺度下的景观指数及其效应, 各景观指数的表达式及生态学意义参见李明涛等的研究。 2.2.2. 空间尺度效应分析
空间的幅度变化效应，通过空间幅度的变化原理来预测和分析景观格局的空间尺度变化效应，保持粒度(20 m × 20 m)的不变，使景观研究区域范围发生变化，借助GIS空间分析的功能，以研究景观区域的几何物理学中心为研究中心，从而建立以1 km为基准步长范围覆盖景观全域的多环景观缓冲区[16] [18] [27] (参见图1)，最小的幅度指数值为1 km × 1 km，最大的幅度为20 km × 20 km。总体景观指数的尺度变化效应的分析借助总体景观变化指数的尺度变化效应形成一条曲线，曲线是以不同的尺度为一个横轴，以该尺度条件下对应的总体景观变化指数值的尺度为一个纵轴进行建立的[13]。各样本的变异系数cv分别反映了总体样本中各景观样本数据之间的尺度离散变异程度和平均变异的程度，可以直观地反映总体景观变化程度指数对各样本尺度变化的敏感性。cv值越大，表明总体景观指数对各样本的尺度变化的敏感性越强；cv值越小，表明总体景观变化程度指数对各样本尺度变化的敏感性越弱[28] [29] [30]。将尺度敏感性的程度指数分为三类：cv ≤ 10% (弱敏感性)、10% ≤ cv ≥ 100% (中等程度敏感性)和0% ≤ cv ≥ 100% (强敏感性) [31] [32] [33]。
Figure 1. Landscape ecograph of study area and generation of different exents 图1. 研究区景观生态图及不同幅度景观图的生成
3. 结果与分析
3.1. 土地利用格局空间幅度效应分析
3.1.1. 斑块水平上土地利用格局变化的幅度效应
各土地利用类型的景观响应率指数呈现幅效应[14]，不同的土地利用类型对景观幅度的响应程度之间
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具有明显差异性(参见图2、表2)。
Figure 2. Effects of spatial amplitude size on different land use landscape changed with time 图2. 不同土地利用类型随时间变化的空间幅度效应
Table 2. Variation coefficient of landscape index for different land use types 2010-2015 (%) 表2. 2010~2015年不同土地利用类型景观指数的变异系数(%)
景观指数
地类
耕地 园地 林地 草地 城镇村及工矿用地 交通运输用地 水域及水利设施用地
其他土地
斑块数量 2010 59.21 58.65 63.68 70.75 57.65 55.22 57.42 58.83
2015 58.82 58.70 63.62 71.19 58.20 55.03 57.13 59.72
斑块密度 2010 10.25 9.99 26.08 41.19 8.51 14.44 5.35 17.08
2015 9.90 9.48 26.18 41.48 7.99 15.34 6.03 18.38
景观形状指数 2010 37.80 42.12 45.34 55.17 35.38 35.40 38.93 39.44
2015 37.71 42.10 45.43 56.33 34.98 35.76 38.81 40.52
斑块类型百分比 2010 6.83 23.04 40.95 143.82 20.65 14.00 17.46 35.80
2015 7.91 21.97 29.45 42.58 19.04 11.97 15.87 32.23
1) 综合利用斑块土地数量尺度效应具有明显的土地利用尺度效应，根据土地利用曲线的变化效应特征，将斑块土地数量的综合利用幅度效应分为3个幅度效应区间，1 km × 1 km至5 km × 5 km范围，不同的土地综合利用幅度类型的土地斑块尺度效应数量随土地利用幅度的增大而大幅增加，增幅最大的斑块分别是位于水域及其他水利设施交通运输用地及其他交通运输用地，林地、草地、其他土地尺度效应变化较平缓；5 km × 5 km至11 km × 11 km范围，不同的土地综合利用幅度类型的土地斑块数量随土地利用幅度的变大而小幅增长，增幅最大的仍然分别是水域及水利设施用地及其他交通运输设施用地；当幅度效应范围 > 11 km时，各水域及土地综合利用类型的幅度效应斑块土地数量的变化不明显，尺度效应逐渐明显减弱。与此同时，不同的水域及土地综合利用类型的土地斑块尺度效应数量的综合利用尺度效应随土地利用时间的变化也有所明显不同。其中草地、林地、耕地等的变异系数较大，而其他交通运输设施用地、水域及其他水利设施交通运输用地等的变异系数则相对较小(详见表2)。随着时间变化，不同土地利用类型的尺度变化敏感性总体变化不大，其中，耕地斑块数量的变异系数由2010年的59.21%下降至2015年的58.82%，而草地、城镇村及工矿用地、其他土地的尺度依赖性在增大但增幅微弱，分别由2010年的70.75%、57.65%、68.83%增大至2015年的71.79%、58.20%、59.71%。
2) 土地对斑块工业用地密度随幅度变化的尺度依赖性效应不显著，1 km × 1 km至5 km × 5 km的范
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