基于CA-Markov模型的福州市景观格局动态模拟研究

随着福州市社会经济快速发展,区域土地利用方式和土地覆盖类型发生了巨大变化。在人口大量增加、城市化进程不断加快、生存环境压力日益增大的背景下,福州市景观格局发生了显著变化。人为活动的干扰使得区域生态系统结构和功能紊乱,伴随而来的水源和大气污染、土壤侵蚀和地质灾害等生态环境问题,不仅影响了生态环境保护和土地合理利用,还对社会经济可持续发展造成威胁。因此对福州市景观格局进行动态模拟,分析福州市土地利用/土地覆盖变化的生态效应,可为区域社会经济可持续发展提供科学依据。 本文以福建省福州市为研究区,在提取福州市四个时期遥感影像景观生态信息的基础上,通过FRAGSTATS3.3和LEAPII软件计算得到的景观格局指数,来分析福州市景观格局变化规律。然后利用多准则评价模型分析景观格局演变与自然、社会和经济影响因子之间的关系。最后在IDRISI软件支持下,构建CA-Markov模型对2014年福州市景观格局进行模拟。得到如下结论: (1)福州市景观格局演变研究表明,1994年福州市景观类型以耕地和林地为主,但随着社会经济发展和城市化进程不断加快,福州市景观格局总体上呈现建设用地、园地、林地增加和耕地、水域、未利用地减少的趋势。通过分析福州市三个阶段的景观类型转移概率矩阵可知,1994-2009年福州市耕地减少部分主要是转为建设用地,也有相当部分由于农业产业结构调整转为园地,耕地的补充主要来源于园地、林地和未利用地。建设用地的增加主要靠占用耕地和未利用地,转化为其它景观类型较少。 15年间福州市景观斑块数目上升,斑块面积变异系数增大,平均斑块面积和分维数都呈下降趋势,景观斑块空间形状趋于简单。景观破碎度增加,表明人类活动对研究区土地利用格局影响程度不断加深。同时福州市香农多样性指数和散布与并列指数有所增加,优势度指数、蔓延度指数小幅减少。这表明由于景观格局受到较为强烈的人为活动干扰,导致景观格局中各组成要素分配趋于均匀,各景观类型斑块面积比例差别有所增加,景观格局异质性增加,景观多样性有所上升,从而造成林地和耕地景观在整个景观格局中的优势程度下降。 (2)福州市景观格局演变驱动因素及其机制分析结果表明,从自然驱动因子对景观格局变化的影响来看,离城市中心的距离对景观类型变化的影响最大。在离市区较近的地方,由于城市扩展,耕地转变为建设用地速度很快,从1994年到2009年,离城市1000m范围内,耕地转变为建设用地速度最快。林地面积是随着离市中心距离的增加,面积比例也逐渐增加。道路对景观格局变化也有着一定的影响。15年间建设用地的面积在高速公路、国道、省道和铁路附近3500m范围内都有所增加,其中从1999年开始增加速度有所加快。但随着离道路的距离越远,面积增加的幅度越小。四个级别的道路相比,高速公路和铁路的影响作用相对较小,但影响的范围较远,国道和省道在1500m距离内的影响较大。 地形对景观格局影响主要体现在不同的地形条件制约着福州市各景观类型的空间分布。建设用地、耕地、水域和滩涂的90%以上的面积分布在坡度0到6度的区域,大多数的变化也主要发生在这个范围内。6度以上,林地面积占有绝对优势。在6度到15度之间,部分耕地转为林地,其他景观类型的面积比例都比较小。 河流也在一定程度上影响着景观格局空间分布。耕地、园地和建设用地的面积占有比例都随着缓冲区距离增加而降低。相反随着离河流的距离越远,林地面积占有比例越大。在距离河流1000m以外,林地面积占有绝对优势,其他景观类型的面积比例都比较小。 从社会经济因子与景观格局变化的关系来看,影响福州市景观格局变化的社会经济驱动因子有两个,其中主成分1主要包括经济发展、城市化进程、人口增长,主成分2主要是农业发展状况在15年间,这两个主成分对福州市景观格局变化的影响程度在不断增强。 (3)以CA-Markov模型为基础,利用福州市1999、2004年遥感影像生成的景观格局图,验证了CA-Markov模型在区域景观格局模拟中的效果。模拟结果的Kappa指数达到了0.76,具有较高可信度,表明该模型能较好地模拟福州市景观格局的动态变化,总体上能够满足研究与预测需要。 根据模拟,2009-2014年福州市各景观类型变化明显,耕地、林地面积不断减少、建设用地、园地面积持续增加,其余景观类型略有变化。5年期,福州市景观破碎化程度进一步加深,平均斑块面积趋于小型化,斑块面积变异指数和景观均匀度指数均有所增大,景观多样性呈上升趋势,景观异质性程度不断增大,表明人类活动对福州市景观格局影响程度不断加深。