關中－天水經濟區土地利用／覆被變化與景觀格局

馮雪銘，李 晶，張東海，劉焱序，陳 歡

（陜西師范大學 旅游與環境學院，陜西 西安710062）

景觀格局分析是景觀生態學的研究任務之一，它定量研究斑塊在景觀中的分布規律。如何定量分析景觀格局是景觀生態學一個重要而且具有挑戰的研究課題，是生態學家研究最多的課題之一［1］。土地利用／覆被變化（land use and land cover chang，LUCC）是全球環境變化的主要原因和組成部分之一［2］。LUCC客觀地記錄了人類改變地表特征的空間格局，再現了地表景觀的時空動態變化過程［3］。在全球背景下研究土地利用／覆被變化過程和景觀格局響應上，LUCC和景觀生態學研究的理論、方法的運用顯得尤為迫切［4］。

景觀格局的變化研究通常通過各種格局指數的設計和分析來實現。在這類研究中，地理信息系統、遙感、數學模型和計算機技術被廣泛應用，并且大量的景觀格局指數計算軟件也不斷涌現，尤其是Fragstats軟件極大地推動了景觀格局研究在國際上的發展［5］。Lutz Tischendorf［6］進行了用景觀指數預測生態過程的研究，認為格局指數，特別是綴塊類型水平指數能很好地解釋特定類型綴塊在異質景觀中的擴散過程。國內現有的景觀格局動態變化研究大多采用遙感、GIS技術結合景觀生態學原理，揭示景觀格局動態規律［7－9］。丁圣彥等［10］在遙感技術的支持下，結合河南沿黃濕地的區域特點，系統地分析了近20a河南沿黃濕地景觀空間格局變化。趙銳鋒等［4］基于GIS和遙感技術，結合景觀格局數量分析方法，分析了新疆塔里木河干流區土地利用／覆被變化過程。

關中—天水經濟區（簡稱“關天經濟區”）作為繼環北部灣經濟區和成渝經濟區后西部的第3個重點發展經濟區，政治、經濟和文化得到快速發展，其景觀格局的變化對區域生態環境會產生重大影響。

本文利用1980年和2005年2個時相的衛星遙感數據，進行圖像解譯，并定量分析了土地利用變化過程和景觀格局，探討了近25a關天地區土地利用景觀格局變化，為土地資源可持續利用和經濟社會可持續發展的順利實施提供決策基礎。本研究對于保護和改善區域生態環境、深化人地關系研究具有十分重要的意義。

1 區域概況

關中—天水經濟區在行政單元上分為關中地區、陜南商洛部分區縣和甘肅省天水市，地理坐標為104°34′47″—110°48′38″E，35°51′17″—33°21′38″N，總面積約8．01×104km2。關中包括西安、銅川、寶雞、咸陽、渭南5個省轄地級市和楊凌農業高新技術產業示范區；陜南商洛地區，位于陜西省東南部，秦嶺南麓，與鄂豫兩省交界，包含在關天經濟區范圍內的有商州、洛南、丹鳳、柞水1區3縣；天水位于甘肅東南部，轄武山、甘谷、秦安、清水、張家川回族自治縣5縣和秦州、麥積2區。關天經濟區屬于內陸地區，降水量偏少，屬暖溫帶半濕潤、半干旱氣候。土地利用類型以耕地為主，主要分布在關中盆地；其次為草地，主要分布在北山、子午嶺和臺塬邊緣—陡坡地帶。林地比例接近于草地，主要分布在關山—秦嶺山地以及子午嶺。

2 數據來源及分析方法

2．1 數據來源及其處理

本文主要基礎數據包括關天經濟區1980年和2005年的美國陸地衛星4—9月TM影像、數字高程數據，分辨率均為30m，用 ArcGIS 9．3，Excel以及景觀格局分析軟件Fragstats作為數據處理分析平臺，參照關天土地利用圖，在ERDAS環境下，將遙感影像進行拼接、輻射校正、裁剪和監督分類，參考王思遠等［11］的研究成果建立了6大類土地利用景觀類型，分為耕地、林地、草地、水體、建筑用地和未利用地，如附圖3所示。應用ArcGIS 9．3，將2期土地利用矢量數據分別轉換成柵格數據（格網單位為90m）以便用Fragstats軟件計算景觀指數。

2．2 分析方法

2．2．1 土地利用／覆被動態過程分析 運用ArcGIS 9．3對1980和2005年土地利用圖進行統計和疊加分析，得到1980—2005年的土地利用類型轉移矩陣，并采用土地利用變化率和土地利用空間動態度［12］等模型和土地利用／覆被轉移矩陣分析關天經濟區土地利用的變化過程。具體模型如下：

式中：Ks——i 類土地利用類型的變化率；Ua，Ub——研究初期及研究末期i類土地利用類型的面積（hm2）；Kss——i類土地利用類型空間變化動態度；Ui＋——研究期內其他地類變為i類土地利用類型的總量（hm2）；Ui－——研究期內i類土地利用類型變為其他地類的總量（hm2）；i——土地利用類型；T——研究時段。土地利用變化率只在時間上反映出土地利用／覆被的變化過程，而土地利用空間動態度則從空間上反映出了土地利用／覆被的變化過程。2．2．2 景觀格局分析 應用景觀格局分析軟件Fragstats計算景觀指數，并對關天經濟區的土地利用景觀空間格局特征進行分析。在景觀生態學中，定量化研究最常用，如利用景觀指數描述景觀格局及其變化，建立格局與景觀過程之間的聯系等［13－14］。景觀格局的空間異質性來維系景觀穩定性，景觀的穩定性越高，景觀抵抗外界干擾的能力越強，越有利于維持一個平衡的景觀格局［15］。反映景觀異質性可以分別從景觀級別和景觀類型級別指標來衡量。本文在景觀級別上選取了蔓延度（CONTAG）、香農均勻度指數（SHEI）、香農多樣性指數（SHDI）、優勢度指數（D）；在景觀類型級別上選取了景觀類型面積（CA）、景觀類型所占景觀面積的比（PLAND）、斑塊個數（NP）、最大斑塊指數（LPI）、邊緣密度（ED）、形狀指數（LSI）、破碎度（F）、平均分維數（FRAC－MN）。景觀格局指數的計算公式及意義見參考文獻［13，16－17］。

3 結果與分析

3．1 關天經濟區土地利用／覆被變化分析

由表1可見，關天經濟區的景觀類型主要是耕地，關天經濟區地處平原，土壤肥沃，有利于發展農業。1980年和2005年耕地面積分別占總面積的45%和44．19%，是各景觀類型中面積比例最大的，屬于關天經濟區的優勢景觀類型；其次是草地和林地，草地景觀所占的比例分別為29．26%和29．29%，林地景觀占總面積的比例分別是23．14%和23．28%；其他景觀類型比例都相對較少，都不到5%。

25a中建設用地和未利用地變化較為明顯，其變化率分別為1．96%和－1．17%，土地利用空間動態度分別為0．79%和0．75%，較其他景觀類型都是最大的；水體次之，變化率和土地利用空間動態度也較大；林地和草地在數量上沒有太大的變化，其變化率和土地利用空間動態度都較小；耕地呈減少趨勢，減少了68 250．38hm2，其變化率和土地利用空間動態度居中，其與建設用地變化趨勢相反，在一定程度也表現出它們之間的相互轉換關系。關天地區建設用地快速增長主要表現在西安市的建筑用地的擴建。整體來看，近25a關天經濟地區的景觀類型特征發生了顯著變化，建設用地顯著增長，但耕地仍然是主要的景觀類型。

由表2可見，1980—2005年耕地面積減少，大量的耕地轉變為林地、草地、建筑用地，少量轉為水域，其中轉為建筑用地的最多，為49 186．08hm2，占總轉出的55．4%，這是由于近年來城中村的擴建導致。同時，其他用地類型也有少量轉化為耕地，其中，草地開墾為耕地的較多，主要分布在渭北的坡地，秦嶺溝谷，陜南秦嶺南麓，黃土旱塬的邊緣，轉化量為15 804．9hm2，占總轉入量的65．7%，但小于耕地向其轉化的量。林地轉化為草地的量最多，為4 817．34hm2，占其轉出量的51%。除未利用地外，也有少量水域向其他類型轉化，其中，轉為耕地的較多。建筑用地屬于轉入型，除水域和未利用地外，其他用地類型均大量向其轉化，而其轉出量幾乎為0。未利用地轉化為林地的較多，為3 677．4hm2，除建筑用地外向其他類型均有少量的轉化。

表1 關天經濟區1980－2005年各土地利用類型變化

表2 關天經濟區1980－2005年土地利用類型轉換矩陣 hm2

3．2 關天經濟區景觀空間格局指數變化特征

表3—4分別反映了景觀級別和景觀類型的指數變化。由表3可見，1980—2005年關天經濟區土地利用景觀的蔓延度（CONTAG）、優勢度（D）指數呈減少趨勢，香農多樣性指數（SHDI）、香農均勻度指數（SHEI）呈增加的趨勢。整體研究時段內多樣性指數增加、優勢度指數減少，反映出該區域內景觀類型之間復雜性增加，差異性增大，景觀結構向均衡化趨勢發展。而均勻度指數增加，蔓延度指數則減少，反映了該區域內各斑塊類型之間的均勻性增加，大斑塊減少，穩定性增強。

表3 1980，2005年關天經濟區土地利用景觀指數變化

由表4可見，1980年和2005年，耕地景觀2a的最大斑塊指數都是最大，且大于1，表明耕地是關天經濟區的優勢景觀類型，且連通性較好，抗干擾能力較強；2a間最大斑塊指數與斑塊數、破碎度，平均分維數均略呈減少趨勢，說明人為干擾強度有所增加，但是由于人為對其進行整合，使其破碎度減少；邊緣密度增大0．11，形狀指數增加2．98，說明其在人為干擾下，景觀形狀趨于復雜。林地景觀的比例、斑塊數、邊緣密度、形狀指數、破碎度均呈增加趨勢，最大斑塊指數和分維數均略微減少，這些趨勢表明其大斑塊呈減少趨勢，景觀形狀更加復雜，更加破碎，能與其他景觀更好的連接。草地景觀的斑塊數、邊緣密度、形狀指數、破碎度、分維數與其他景觀類型相比均是最高的，并且除分維數外均呈降低趨勢；分維數略微增大。表明草地景觀的團聚斑塊在減少，形狀趨于簡單，穩定性增加，分布更分散，但是較其他景觀類型復雜，轉移較其他類型頻繁。水域景觀的斑塊數、形狀指數、破碎度、分維數均呈略微減少趨勢，其中分維數較其他景觀類型最為接近1；破碎度較其他景觀類型最小，說明水域景觀的形狀更為簡單，相互連接性較其他類型好，而且有變好的趨勢，人對其影響增加；比例增加反映了水域面積的擴張趨勢。建筑用地景觀的斑塊數、最大斑塊指數、邊緣密度、形狀指數、破碎度較其他景觀類型均有較大程度的增加，表明建筑用地景觀邊界被割裂的程度較高，形狀更加復雜；破碎度的增加表明對其的干擾增加，使其分布更集中；分維數略微降低，除水域外，比其他景觀類型低，表明其穩定性較高，很少向其他類型轉移。未利用地景觀所占比例最小、斑塊數最少、最大斑塊指數、邊緣密度、形狀指數、破碎度均最低；平均分維數最大，且呈減少趨勢，表明人類活動對其影響較大，斑塊更分散，不穩定性增強。

表4 1980，2005年關天經濟區不同景觀類型的景觀指數變化

4 結 論

（1）1980—2005年耕地和未利用地面積減少，林地、草地、水體和建筑用地面積增加，其中建設用地增長強度最大，空間動態度達0．791 4。耕地，草地，建筑用地之間的轉化較多。大量的耕地轉變為林地、草地、建筑用地，少量轉為水域，其中轉為建筑用地的最多。

（2）1980—2005年關天經濟區土地利用景觀多樣性、均勻度指數增加，優勢度、蔓延度指數減少，反映出該區域內各斑塊類型之間更加均勻、穩定。景觀類型之間更加復雜，景觀結構向均衡化趨勢發展。

（3）1980年和2005年，耕地均是關天經濟區的優勢景觀類型。建筑用地變化最為明顯，斑塊數、最大斑塊指數、邊緣密度、形狀指數、破碎度較其他景觀類型均有較大程度的增加，表明人為對其的干擾增加，景觀邊界被割裂的程度較高，形狀更加復雜，分布更集中，穩定性較高，很少向其他類型和轉移。

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