黃土丘陵區土地利用變化動態與景觀格局分析——以彭陽縣為例

杭 佳，石 云，賀達漢，3，耿 莎

（1．寧夏大學 農學院，銀川750021；2．寧夏大學 資源與環境學院，銀川750021；3．寧夏大學 西北退化生態系統恢復與重建國家重點實驗室培育基地，銀川750021）

土地利用／覆蓋變化（land use／cover change，LUCC）是了解人類活動和環境之間相互關系最重要的指標之一［1］。盡管土地利用／覆蓋變化是自然和人為因素共同作用的結果，但是人為改變土地利用／覆蓋變化已經愈演愈烈，強烈影響著全球生態系統［2］。在發展中國家尤為普遍，城市擴張、人口遷移、農業機械化和區域發展等社會經濟發展問題引起的大范圍的土地利用／覆蓋變化導致了環境變化，尤其是景觀格局的變化［3－5］。對土地利用／覆蓋變化的監測是識別區域動態及與人類活動關系的重要工具，但是作為統計資料對景觀屬性的描述還不夠詳細，例如景觀組成和景觀配置［6］。由此，在斑塊水平、類型水平或景觀水平上定量描述土地利用變化的景觀特征指數［7］應運而生。

近年來，國內外研究開始利用結合景觀特征指數的土地利用／覆蓋數據來評估景觀結構和格局［8－11］，但以退耕還林工程為背景對黃土丘陵生態脆弱區進行的研究相對較少。寧南山區地處中國水土流失劇烈的黃土高原丘陵溝壑區，水土流失嚴重，生態環境極其脆弱［12］。本文選擇該區域具有退耕還林代表性的彭陽縣作為研究區域，探討退耕還林背景下土地利用／覆蓋動態與景觀格局變化的相互關系，旨在為實現該區生態環境重建、生態環境與社會經濟的可持續發展提供科學依據。

1 研究區概況和研究方法

1．1 研究區概況

彭陽縣位于寧夏回族自治區南部，地處東經106°32′—106°58′、北緯35°41′—36°17′，海拔1 248～2 483m。該區屬半干旱大陸性季風氣候，年平均氣溫7．5℃，年降雨量442mm，≥10℃積溫2 746℃，平均無霜期148d，年蒸發量1 330mm。土壤以黃綿土為主，主要分布在梁峁狀丘陵坡地上，土壤肥力中下，生產水平低。地貌由梁峁、殘垣、川地和溝壑組成，以梁峁狀丘陵為主，是寧夏水土流失最嚴重的縣域之一，也是全國重點水土保持區。有研究表明，退耕還林還草工程是治理寧南山區水土流失、重建生態環境的重要途徑［13］。

1．2 基礎資料

本研究所用土地利用／覆蓋數據主要來源于彭陽縣1991年、2000年、2005年和2010年TM／ETM數據，空間分辨率為30m×30m，影像時相為8—10月。在ArcMap GIS環境下，將遙感影像近紅外波段、近紅外短波段和藍波段進行假彩色合成，通過人機交互目視解譯先得出2000年土地利用類型圖，再進行其他3期的土地利用動態解譯，并結合2010年對土地利用類型數據準確性的實地考察驗證，在ArcMap環境下進行編輯和修改，確定最后解譯結果。參照全國土地利用分類系統，將研究區土地利用／覆蓋類型分為耕地、林草地、未利用土地、水體和建設用地5類（表1）。

式中：K——土地利用動態度；Ua、Ub——研究初期及末期某一土地利用類型的面積（hm2）；T——研究時段，當T的時段設定為年時，K為研究時段內某一土地利用類型的年變化率。

表1 彭陽縣土地利用／覆蓋類型分類系統

1．3 景觀格局分析

景觀特征指數用來定量描述和監測景觀結構特征隨時間的變化，能將復雜景觀分為簡單且易識別的景觀格局［15］。Fragstat 3．3可以計算超過40種景觀特征指數，但許多指數是高度相關的。根據本研究的目的，在斑塊類型水平上分析景觀格局時僅選擇景觀類型百分比（PLAND）、斑塊數量（NP）、斑塊密度（PD）、景觀形狀指數（LSI）、最大斑塊指數（LPI）、平均斑塊面積（MPS）、面積加權平均斑塊分維數（AWMPFD）、散布與并列指數（IJI）8個指數。

在景觀水平上分析景觀格局時，僅選擇斑塊數量（NP）、平均斑塊面積（MPS）、最大斑塊指數（LPI）、散布與并列指數（IJI）、面積加權平均形狀指數（SHAPE－AM）、景觀聚集度指數（CONT）、香農多樣性指數（SHDI）和香農均勻度指數（SHEI）8個指數，分別從數量特征、形狀特征和結構特征3個方面來表征彭陽縣景觀格局特征和變化［7］。

以上數據分析采用 ArcView 3．2，ArcGIS 10．0，Excel 2003和 Fragstat 3．3來計算。

2 結果與分析

2．1 彭陽縣土地利用／覆蓋類型變化

附圖3—4顯示了研究區1991年、2000年、2005年及2010年土地利用／覆蓋變化的空間格局。從附圖3—4中看出，1991—2000年彭陽縣土地利用類型變化不大，以耕地和未利用土地為主。2000年退耕還林（草）工程實施以來，林草地大量增加的同時耕地和未利用土地顯著減少，土地利用類型主體為林草地。

表2顯示了1991—2010年間彭陽縣主要土地利用類型的面積變化。1991年，彭陽縣土地利用類型為耕地（54．79%），未利用土地（29．79%）和林草地（14．87）次之，水體（0．44%）和建設用地（0．12%）最小。2010年，彭陽縣土地利用類型轉變為以林草地（62．97%）為主，耕地（30．46%）和未利用土地（5．85%）次之，水體（0．47%）和建設用地（0．20%）最小。其中，1991—2000年，林草地面積增加了16 198．78hm2，增幅為30%，平均每年增加1 799．86hm2。而2000—2010年，林草地、水體和建設用地呈加速增長趨勢，其中林草地增幅最大（66%），平均每年增加10 533．23 hm2，建設用地次之（40%），平均每年增加 27．46 hm2，水體呈先減少后增加趨勢。未利用土地和耕地呈加速減少趨勢，減幅分別為78%和41%，平均每年分別減少5 295．13hm2和5 280．56hm2。

表2 彭陽縣1991－2010年各土地利用／覆蓋類型面積及比例

根據表2計算得到彭陽縣該期間的土地利用轉移矩陣（表3）。分析表明，1991—2000年，彭陽縣耕地和未利用土地面積的減少同時伴隨著林草地面積的增加，土地利用轉移矩陣顯示12 261．30hm2的耕地和4 945．72hm2的未利用土地都轉化成為林草地，水體和建設用地的面積沒有發生顯著變化。2000—2005年，研究區土地利用／覆蓋格局發生了重大變化。林草地面積顯著增加，達到142 728．31hm2（56．45%），占研究區土地利用類型的主體，而耕地和未利用土地面積分別減少了50 839．11hm2和38 241．98hm2，分 別 占 土 地 面 積 的 31．25% 和11．71%。水體面積減少了38．97hm2，建設用地面積增加了91．63hm2。2005—2010年的土地利用／覆蓋格局變化同2000—2005年相似。

2．2 景觀格局變化

2．2．1 基于斑塊類型水平的景觀格局分析 表4顯示了研究區各土地利用類型在斑塊類型水平上的景觀格局變化。

（1）數量特征。1991—2000年，耕地和未利用土地為該區土地利用類型的主體，其景觀類型百分比（PLAND）呈小幅降低趨勢，分別降低至51．34%和26．82%，林草地小幅增加，水體和建設用地所占比例不足1%；斑塊數量（NP）和斑塊密度（PD）最大的景觀類型是林草地，未利用土地和耕地次之，水體和建設用地最?。蛔畲蟀邏K指數（LPI）和平均斑塊面積（MPS）最大的是耕地，其次為未利用土地和林草地，建設用地和水體最小。2000—2010年，林草地面積迅速增加，其景觀類型百分比從21．28%增至62．97%，耕地和未利用土地比例分別降低至30．46%和5．85%，水體和建設用地比例仍然很??；斑塊數量和斑塊密度最大的景觀類型是耕地；林草地的LPI和MPS最大，其次為耕地和未利用土地，建設用地和水體仍然最小。

（2）形狀特征。1991—2000年，耕地和林草地的景觀形狀指數（LSI）降低，而水體、未利用土地和建設用地的LSI增大；耕地和未利用土地的面積加權平均斑塊分維數（AWMPFD）減小，而林草地和水體的AWMPFD增大，說明耕地和未利用土地是以復雜斑塊為主的景觀，林草地和未利用土地則是以簡單斑塊為主的景觀。2000—2010年，耕地和建設用地的LSI呈先增大后減小趨勢，林草地、未利用土地和水體的LSI呈減小趨勢，景觀類型總體趨于簡單；耕地、未利用土地和水體的AWMPFD呈減小趨勢，林草地和建設用地呈增大趨勢，耕地、未利用土地和水體是以簡單斑塊為主的景觀，而林草地和建設用地是以復雜斑塊為主的景觀。

表4 彭陽縣斑塊類型水平上景觀特征指數的變化

（3）結構特征。1991—2000年，耕地、水體和未利用土地的散布與并列指數（IJI）呈增大趨勢，而林草地和建設用地的IJI指數呈減小趨勢，IJI指數排序為水體＞耕地＞建設用地＞林草地＞未利用土地，說明水體和耕地的分布聚集度高，未利用土地的分布較為分散。2000—2010年間，耕地、水體和林草地的IJI指數呈減小趨勢，而未利用土地和建設用地呈先增大后減小的趨勢，IJI指數排序為建設用地＞水體＞未利用土地＞林草地＞耕地，說明耕地易受人類活動的影響，分布較為分散，建設用地和水體分布聚集度較高。

2．2．2 基于景觀水平上的格局分析 為了在景觀水平上進一步了解景觀格局，選擇了NP、MPS、LPI、IJI、SHAPE－AM、CONT、SHDI和SHEI 8種景觀指數對其進行描述，結果見圖1。1991—2010年的19a間，彭陽縣景觀斑塊數量（NP）、散布與并列指數（IJI）、景觀多樣性指數（SHDI）和景觀均勻度指數（SHEI）均呈先增大后減小趨勢，平均斑塊面積（MPS）、最大斑塊指數（LPI）、面積加權平均形狀指數（SHAPE－AM）和景觀聚集度指數（CONT）呈先減小后增大趨勢，說明1991—2000年，彭陽縣景觀破碎化程度增強，各類斑塊混合分布的程度增強，斑塊形狀趨于簡單，斑塊間連通度減弱，景觀中有多個斑塊類型占據主導地位，景觀面積在各類型間的分配趨于均勻。2000—2010年，該區景觀破碎度減弱，各類斑塊混合分布程度減弱，斑塊連通性增強，景觀中僅有一個或少數幾個斑塊類型占主導地位，景觀面積在各類型間的分配不均勻（圖1）。這些結果證實了隨著人類活動的增加，自然景觀明顯改變，多樣性指數呈下降趨勢，而優勢度指數呈增加趨勢。

2．3 土地利用／覆蓋及景觀格局變化驅動力分析

彭陽縣土地利用／覆蓋及景觀格局變化受多方面因素的影響，主要受社會經濟因素的影響。

（1）1991—2000年間，國家及自治區地方政府推出一系列優惠政策，不僅允許而且鼓勵個人和集體開荒［16］，表現為階段性不合理墾殖和過度放牧，引起地表裸露和水土流失［17－18］，直接導致耕地和未利用土地面積增加林草地面積減少。自實施退耕還林（草）工程以來，表現為耕地和未利用土地面積小幅下降，而林草地面積有所增加。水體面積在這一期間保持穩定不變，主要是因為流經彭陽縣的紅河、茹河和安家川河此時間段內處于相對穩定期。

圖1 彭陽縣景觀水平上景觀特征指數的變化

（2）2000—2005年是彭陽縣土地利用／覆蓋及景觀格局變化的關鍵時期，退耕還林（草）、封山禁牧和荒山造林工程的實施，使坡耕地和未利用土地面積明顯減少，林草地面積驟增。為了進一步在全縣開展生態恢復與重建工作，彭陽縣經過多年實踐與探索，利用攔截壩、“88542”整地技術和“魚鱗坑”等水保措施［17］合理利用僅有的天然降水，使這一期間的水體面積增加。此外，彭陽縣對南山流域、草廟流域等的綜合治理也是土地利用／覆蓋變化的另一因素，以南山流域為例，通過建立山頂耕地保障區、山腰林草培育區和山底居民開發區來改變土地利用模式，建設用地的變化主要體現在地方政府將山上零散農戶統一移至山下，導致建設用地斑塊數量減少，后續又增加。2005—2010年，土地利用／覆蓋變及景觀格局的變化相對穩定。

3 結 論

（1）1991—2010年，彭陽縣土地利用／覆蓋變化的總體趨勢是林草地面積持續增加的同時耕地和未利用土地面積驟減。水保措施、小流域綜合治理和攔截壩的修建是水體面積增加的主要原因。建筑用地面積的增加主要是由縣域發展和農村產業發展所引起。從研究時段來看，2000—2005年這一中間研究階段的變化速率較前后期更快，是彭陽縣土地利用／覆蓋變化的主導時期。

（2）景觀格局在各個研究時段也發生了較大的變化。數量特征變化表明，該區景觀破碎化程度在1991—2000年增強，在2000—2010年減弱；形狀特征變化表明，景觀形狀呈現規則到不規則的變化；結構特征變化表明，1991—2000年間景觀中各類斑塊混合分布的程度增大，斑塊連通性減弱，景觀中有多個斑塊類型占主導地位，景觀面積在各類型間趨于均勻；2000—2010年，各類斑塊混合分布程度減弱，斑塊連通性增強，景觀中僅有一個或少數幾個斑塊類型占主導地位，景觀面積在各類型間的分配不均勻。

（3）驅動力分析表明，1991—2000年間，人類不合理開發和過度墾殖導致的地表裸露和水土流失是該時段內土地利用／覆蓋變化的主要原因，2000年以后，區域發展規劃（退耕還林、荒山造林、封山禁牧）是研究區土地利用及景觀格局變化的主要因素，并結合區域基本農田建設、農村能源建設、生態移民及后續產業發展等措施，使彭陽縣土地利用／覆蓋及景觀格局始終保持良性發展趨勢。

4 討 論

黃土丘陵溝壑區是中國土壤侵蝕最為嚴重的區域之一。區域可持續發展中面臨的最大障礙就是水土流失問題，有效治理水土流失，恢復流域生態環境一直是黃土丘陵溝壑區土地資源可持續發展的重要問題。在進行傳統土地利用與景觀格局變化研究時，學者們多數強調整個景觀水平上的土地利用格局變化，忽略了個別土地利用類型或該類型下某些類型格局特征對生態進程的影響，本研究中土地利用類型變化引起的景觀格局特征變化對黃土丘陵溝壑區水土流失過程的影響，已由2000年前的耕地和未利用土地轉換為2000年后林草地的景觀格局特征。因此，在進行區域土地利用變化及景觀格局變化的相關研究時，應著重考慮個別土地利用類型對土地利用格局優化及整個區域生態進程的影響。

土地利用／覆蓋類型的變化與景觀格局的變化密切相關，退耕還林工程作為土地利用／覆蓋變化的一個政策驅動因子，加強由退耕還林工程引起的土地利用變化對景觀格局的影響研究，對評估區域土地資源可持續利用和生態環境重建具有重要指導意義。本文結合GIS和景觀生態學方法處理和分析相關數據，初步分析了關于生態脆弱的黃土丘陵溝壑區彭陽縣近20a景觀格局變化特征及驅動力，未來將在繼續深入研究黃土丘陵區景觀分析方法基礎上，開展土地利用／覆蓋和景觀格局變化對彭陽縣生態系統服務價值、生物多樣性保護、小流域綜合治理、水土保持及對土壤侵蝕等一系列影響的研究。

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