2.3 农田生态格局的景观格局分析

土地利用情况、土地利用的动态变化过程，都可通过农田生态景观格局指数来分析。通过景观格局分析，可以得到不同时期土地的利用情况，分析其时空变化规律，进一步探求产生这些变化的原因，预测农田生态景观格局未来的发展方向，是进行格局分析的主要内容。总体上说，景观格局的结构、变化与气候紧密相关，人类的活动也会改变影响农田生态格局的分布，通过人为干预也可实现格局的结构调整，使其朝着满足持续、健康发展的方向发展。同时，结构格局的变化也将对气候产生影响，影响水循环时空的变化，两者互相制约。

对滹沱河流域10年（1999年10月至2009年10月）间的农田生态格局动态变化进行分析，以揭示该流域空间景观格局的变化规律。采用GIS和景观生态学景观指数相结合的方法，首先将土地利用影像图进行解译，基于100m×100m的栅格单元，建立5种景观斑块类型，然后进行指标分析。

由于之前采集到的土地利用/土地覆盖动态数据库是采用ArcGIS软件系统进行处理和存储的，所以在进行景观格局指标计算时，采用了与ArcGIS结合较为紧密的FRAGSTATS景观格局分析软件。FRAGSTATS是由美国俄勒冈州立大学森林科学系开发的一个景观格局分析软件，目前多用的版本为栅格版本FRAGSTATS 3.3。

FRAGSTATS景观格局分析软件功能强大，可以计算出59个景观指标。这些指标被分成3组级别，分别代表3种不同的应用尺度：①斑块水平（patch-level）指标，反映景观中单个斑块的结构特征，是计算其他景观水平指标的基础；②斑块类型水平（class-level）指标，反映景观中不同斑块类型各自的结构特征；③景观水平（landscape-level）指标，反映景观的整体结构特征。由于许多指标之间具有高度的相关性，只是侧重面有所不同，因而使用者在全面了解每个指标所指征的生态意义及其所反映的景观结构侧重面的前提下，可以依据各自研究目标和数据的来源与精度，来选择合适的指标与尺度。本研究进行景观格局分析采用是FRAGSTAT 3.3版本。

应用ArcGIS中的ArcToolbox工具，将农田生态格局图转换成FRAGSTATS所能接受的栅格文件格式（ArcInfo GRID），其格网单元100m×100m。采用FRAGSTATS软件，依据前述公式，计算滹沱河流域农田景观水平景观指数和斑块类型水平景观指标。

2.3.1 景观水平指标分析

景观指数可以度量和监测景观结构特征随时间的变化。对于对滹沱河流域农田生态格局动态变化，选取有代表性的6个指标进行分析，他们是斑块个数（NP）、斑块密度（PD）、最大斑块指数（LPI）、边界密度（ED）、蔓延度指数（CONTAG）、多样性指数（SHDI）。通过计算，得出两个时段（2000年代、1990年代）的农田景观水平景观格局指数，见表2.7。

由表2.7可以看出：1990—2000年代期间滹沱河流域农田生态格局发生了很大的变化。

（1）NP（斑块个数）。1990—2000年代斑块数呈增加趋势，由4186块升高至4420块，表明滹沱河流域农田景观整体呈破碎度趋势，不稳定。

（2）PD（斑块密度）。PD呈增大趋势，由0.173降低到0.183，同样也说明了农田景观破碎化程度在升高。

（3）LPI（最大斑块指数）。LPI从1990—2000年代呈增大的趋势，从17.884增大到18.052，表明滹沱河流域优势农田景观类型呈现出蔓延的趋势。

（4）ED（边界密度）。其值由1990年代的11.247增加到2000年代的13.475，变化趋势为增加，表明流域农田景观格局边界趋于不规则，边界形状总体上趋于复杂。

（5）CONTAG（蔓延度指数）。其值由1990年代的57.527降低到2000年代的13.475，10年来蔓延度指数呈减小的趋势。该变化趋势表明滹沱河流域农田景观斑块之间分散程度减小，同时也说明了农田景观的破碎化程度的升高。

（6）SHDI（多样性指数）。其值由1990年代的1.120升高到2000年代的1.147，呈略微升高的趋势。10年来流域的景观丰度没有发生变化，农田景观类型均为5类。SHDI数值的增加说明，不同农田景观斑块面积的分布趋于均匀发展。分析增加的原因，主要是草地、林地和城镇居民及工矿用地这些优势地类景观斑块占地面积比例增加，而其他非优势地类所占面积比例降低所致。

2.3.2 斑块类型水平指标分析

我们选择5项斑块类型水平景观指标，用以分析滹沱河流域各景观类型的景观格局动态的变化趋势。它们是斑块个数（NP）、平均斑块面积（MPS）、最大斑块指数（LPI）、边界密度（ED）和散布与并列指数（IJI）。通过计算分析，得出两个时段的斑块类型水平景观格局指数，见表2.8、表2.9和图2.10～图2.14。

各斑块类型水平指数分析如下：

（1）NP（斑块个数）。从表2.8和图2.10可以看出：滹沱河流域农田的斑块低于100块，数量较小；而草地和林地的斑块数均大于300块，数量较大。说明草地和林地分布比较分散，而农田景观格局分布比较集中。从变化趋势上看，农田斑块数变化稍有减少；林地、城镇用地的斑块数均呈增加趋势；草地、水域的斑块数减小，而总面积增加，说明草地、水域连片分布。

图2.10 滹沱河流域1990年代和2000年代各类景观斑块个数

图2.11 滹沱河流域1990年代和2000年代各类景观平均斑块面积

图2.12 滹沱河流域1990年代和2000年代各类景观最大斑块指数

图2.13 滹沱河流域1990年代和2000年代各类景观边界密度

图2.14 滹沱河流域1990年代和2000年代各类景观聚散性指数

（2）MPS（平均斑块面积）。表2.8和图2.11显示出：1990年代和2000年代，草地的平均斑块面积均大于2000，且在各类景观中始终为最大。这说明草地一直是滹沱河流域的主要景观类型。从图2.11中可以看出，草地的平均斑块面积由大于2000增加到大于3500，呈增加的趋势，而斑块数呈减少的趋势，草地总面积增加，表明草地出现连片分布的现象，斑块趋于完整化，破碎化程度降低；农田和水域的平均斑块面积呈增加的趋势，斑块数呈减少的趋势，总面积减少，表明农田和水域的破碎化程度降低。

（3）LPI（最大斑块指数）。从表2.9和图2.12可以看出，1990—2000年代10年间农田的最大斑块面积始终最大，而且呈增加的趋势，表明农田呈现连片分布现象，破碎化程度降低；城镇用地的最大斑块指数呈增加趋势，说明城镇用地呈现连片分布的情况，这可能是城镇范围扩大并将周围小城镇合并的结果；水域的LPI值呈减小的趋势，表明水域逐年萎缩。

（4）ED（边界密度）。从表2.9和图2.13可以看出，边界密度ED值最一致。草地和林地始终为前两位，说明草地和林地在景观中所占的比重大，为优势地类。由于受到人类活动的干扰，农田及水域的ED值均呈现减小趋势，形状逐渐趋于规则、简单。

（5）IJI（聚散性指数）。由表2.9并和图2.14可以看出，在滹沱河流域草地和水域的IJI值均在80以上，数值较大，表明草地、水域斑块与其他类别斑块相邻的概率比较均等；从景观图（图2.1、图2.2）上可以看到，城镇用地仅散布于农田、林地等这些类型基质的斑块之中，与其他斑块相邻的概率不均等，故其IJI值较小。农田和林地的IJI值增加，说明10年间农田和林地的开发方式有所改变，与其他斑块的相邻概率增加；草地、水域、城镇用地的IJI值减小，说明其与其他斑块相邻的概率在降低。