1. 引言

土地覆被是地表景观格局的表现形式,是土地物质能量循环的重要驱动力。研究土地覆被变化,对深入理解人地相互作用下景观变迁、资源环境变化、生态环境响应具有直接价值,也对未来土地资源开发与保护具有重要意义。

国内土地覆被研究阶段:

  • 2000年以前:国内土地覆被研究相对平稳的发展阶段,研究内容主要集中于前期方向性问题
  • 2000年后:呈现学科多样、范围广泛、内容丰富等特点,涉及地理学、测绘科学、生态学等学科

国际土地覆被研究:

国际土地覆被研究亦属于热门的研究课题,涉及环境科学与遥感科学等学科,研究主题关注土地覆被分类精度、土地覆被变化与预测等内容。

本文选择群落生态学的相关理论和方法作为切入点,研究发达地区乡村土地覆被的原因:①土地覆被/土地利用变化是热点;②当前关于土地覆被/土地利用变化研究多从动态度、变化率、转换/转移等视角切入,需要新的研究视角和范式。

2. 理论概述

2.1 群落生态学视角下土地覆被认识

根据生物群落的认识,本文认为土地覆被可以视为由各种具体土地覆被类型组成的土地覆被整体,其从边界性、集合性、交互性3个角度的阐述如下:

边界性

区域土地覆被具有一定范围,出现在地球表面特定地区。土地覆被的特定地区或范围,可以是某个100m×100m范围,可以是村庄范围,也可以是国家甚至全球范围。

集合性

土地覆被包括耕地、森林、草地等多个类型,各种土地覆被类型的集合,使土地覆被具有类似于群落的结构特点。

交互性

土地覆被内普遍存在着交互作用,彼此相互影响、相互制约、相互协调。由于各种土地覆被类型的交互作用,表现出不同土地覆被格局。

2.2 群落生态学方法到土地覆被研究方法

群落结构与土地覆被结构具有相似的表现形式,本文从等级-多度、丰富度、优势度等来认识和研究土地覆被结构:

表1 群落生态学方法在土地覆被研究中的应用
方法 生态学中内涵 本文使用的思路 公式
等级-多度 一般是指相对多度与多度等级的联系,体现了群落等级位序和均匀性特点 土地覆被等级-多度曲线呈现快速下降曲线,说明单一土地覆被类型作为主导,土地覆被均匀性低。土地覆被等级-多度曲线相对平缓,则说明土地覆被均匀程度高,其主导类型相对不明显 -
丰富度 丰富度是指一定范围或区域内物种种类的多少 土地覆被存在类型差异,必然具有不同土地覆被丰富度。土地覆被丰富度越高,则表示土地覆被类别越齐全,反之则表示土地覆被类别稀少 -
优势度 生态学中优势度可以理解为物种在群落中的优势地位 某个土地覆被类型优势度越高,则说明其对整体影响较大 YSDi = (ACSi/AC) × 100%
香农-维纳指数 生态学中香农-维纳指数可以反映生物群落综合多样性 土地覆被多样性用等级-多度、丰富度、优势度观测相对直观,但缺少综合性表征结构变化 XShannon = -∑PilnPi

2.3 不同土地覆被类型的相互作用认识

各种土地覆被类型的生态位

生态位是影响生物生存和发展所有因素的集合,土地覆被是人类活动和自然基础影响下产生的现象:

  • 自然基础影响下的各种土地覆被类型生态位
  • 人类活动影响下的各种土地覆被类型生态位

生态位分化是土地覆被分布的基础

群落中,生态位分化促进了资源合理利用和群落效益最大化:

  • 生态位挤占-多个土地覆被类型会挤占相同生态位
  • 生态位分化-生态位分化产生了土地覆被分布格局
  • 生态位优化-生态位优化促进了土地覆被生态效益最优

竞争作用促进土地覆被演化

生态学中物种间存在竞争行为,竞争推动了群落结构的演化:

  • 自然竞争作用是推动土地覆被演化的重要因素
  • 人类活动影响下的竞争作用是推动土地覆被演化的决定因素

3. 研究区概况与数据处理

3.1 研究区概况

句容市隶属于江苏省南部的镇江市,位于长三角核心地区。2022年句容市实现地区生产总值754.62亿元,人均GDP达到11.75万元。研究区为句容市乡村地区,主要位于句容东部、南部、北部,属于平原-丘陵过渡地区。

  • 北部乡村:宝华和下蜀
  • 中部乡村:边城和白兔
  • 东南部乡村:茅山
  • 西南部乡村:郭庄、后白、天王
江苏镇江句容市乡村地区概况

3.2 数据处理

数据来源:

土地覆被分类:

本研究得到的土地覆被类型包括6种:

耕地 森林 草地 湿地 不透水面 水域

研究方法:

动态度分析

可以反映土地覆被变化情况,正值表示增加趋势,负值表示减少趋势,绝对值越大则变化越剧烈

空间自相关分析

包括高-高(High-High)、高-低(High-Low)、低-低(Low-Low)、低-高(Low-High)等类型

4. 结果与分析

4.1 土地覆被变化基本特征

4.1.1 土地覆被面积变化特征

2000-2020年江苏镇江句容市乡村地区不同土地覆被面积变化趋势

2000-2020年研究区土地覆被面积变化:

  • 耕地:面积从915.93km²下降到862.65km²,变化斜率为-2.68
  • 森林:面积下降15.02km²,下降斜率明显小于耕地
  • 不透水面:面积从41.60km²上升到98.19km²,变化斜率达到了2.91

4.1.2 土地覆被空间分布特征

2000-2020年江苏镇江句容市乡村地区土地覆被空间分布

2000-2020年研究区土地覆被空间分布特点:

4.1.3 土地覆被占比与动态度变化特征

2000-2020年江苏镇江句容市乡村地区土地覆被年占比和阶段占比变化

2000-2020年研究区土地覆被占比:

  • 耕地占比稳定在75%以上
  • 不透水面占比从3.71%上升到8.75%
  • 森林占比稳定在9%以上

土地覆被动态度:

  • 耕地和森林均为负向动态度
  • 草地、湿地和不透水面均为正向动态度
  • 不透水面动态度最大,各阶段均在3%以上

4.2 土地覆被整体结构变化特征

4.2.1 土地覆被整体等级-多度变化特征

2000-2020年江苏镇江句容市乡村地区土地覆被等级-多度变化

2000-2020年研究区土地覆被等级-多度曲线维持幂曲线趋势,土地覆被基本呈现稳定演化趋势:

4.2.2 土地覆被整体优势度和优势类变化特征

表5 2000-2020年江苏镇江句容市乡村地区不同土地覆被类型优势度和分类变化
土地覆被类型 2000年 2005年 2010年 2015年 2020年
耕地 81.65% (优势类) 80.50% (优势类) 79.84% (优势类) 77.99% (优势类) 76.93% (优势类)
森林 10.72% (亚优势类) 10.48% (亚优势类) 10.00% (亚优势类) 9.79% (伴生类) 9.39% (伴生类)
不透水面 3.71% (伴生类) 4.64% (伴生类) 5.65% (伴生类) 7.51% (伴生类) 8.76% (伴生类)

2000-2020年研究区土地覆被中,耕地均为优势类,森林在2000、2005、2010年维持为亚优势类。耕地优势度保持下降趋势,2010年及以后其优势度已经低于80%。

4.2.3 土地覆被整体香农-维纳指数变化特征

表6 2000-2020年江苏镇江句容市乡村地区整体土地覆被香农-维纳指数
年份 香农-维纳指数 阶段变化 变化值
2000年 0.69 2000-2005年 +0.04
2005年 0.73 2005-2010年 +0.02
2010年 0.76 2010-2015年 +0.05
2015年 0.81 2015-2020年 +0.03
2020年 0.84 2000-2020年 +0.14

2000-2020年研究区整体土地覆被香农-维纳指数均表现为上升趋势,但阶段变化并不完全一致。整体香农-维纳指数上升0.14,表明期间整体土地覆被多样性和复杂性有所上升。

群落生态学方法在土地覆被研究中的用途总结

方法 整体(2000-2020年)关键特征 1km×1km(2000-2020年)关键特征 建议用途
土地覆被等级-多度 土地覆被多度等级未发生变化,等级-多度拟合曲线呈现幂曲线趋势 - 多度等级反映土地覆被/土地利用内部结构的相对稳定性。等级-多度曲线反映土地覆被/土地利用主导类型
土地覆被丰富度 - 东南部乡村和西南部乡村交界区土地覆被丰富度高-高类型分布较多 反映土地覆被/土地利用种类数量多少,采用小单元观测可以发现种类数量空间差异
土地覆被优势度 初年到末年,耕地和森林优势度下降,其他土地覆被类型优势度总体有所上升 多数观测单元最大优势度均处于下降趋势 反映某种土地覆被/土地利用类型地位和作用,小单元分析中建议采用该单元内某土地覆被类型最大优势度观测
土地覆被香农-维纳指数 初年到末年,香农-维纳指数上升 多数观测单元土地覆被-香农维纳指数上升 可以反映综合多样性,说明土地覆被变化复杂性

5. 结论与思考

5.1 结论

  1. 土地覆被整体认识:

    土地覆被整体由具体的土地覆被类型组成,可以从边界性、集合性、交互性3个角度认识和理解土地覆被,不同土地覆被类型相互作用可以通过生态位、生态位分化、竞争等角度认识和理解。

  2. 研究区土地覆被变化特征:

    2000-2020年等级-多度表现为相似的趋势,期间土地覆被香农-维纳指数上升。1km×1km土地覆被空间自相关结果显示:研究区土地覆被丰富度高-高类型分布有减少趋势,北部乡村最大优势度低-低类型分布相对较多。

  3. 群落生态学方法的应用价值:

    等级-多度可以反映土地覆被/土地利用主导类型,丰富度采用小单元观测可以反映土地覆被/土地利用种类数量空间差异,优势度可以反映某种土地覆被/土地利用类型的地位和作用,香农-维纳指数可以反映土地覆被/土地利用综合多样性和复杂性。

5.2 思考

本文认为群落生态学的研究视角/方法引入到未来土地覆被/土地利用的研究中具有重要价值和意义:

需要进一步思考和完善的内容: