慶陽市土地利用變化的景觀生態效應研究

付夢娣, 妙旭華, 全占軍, 葉 瑤,3, 王 琦, 李俊生, 肖能文

(1.中國環境科學研究院 環境基準與風險評估國家重點實驗室, 北京 100012;2.甘肅省環境科學設計研究院, 蘭州 730000; 3.南京農業大學 資源與環境科學學院, 南京 210095);

慶陽市土地利用變化的景觀生態效應研究

付夢娣1, 妙旭華2, 全占軍1, 葉 瑤1,3, 王 琦1, 李俊生1, 肖能文1

(1.中國環境科學研究院 環境基準與風險評估國家重點實驗室, 北京 100012;2.甘肅省環境科學設計研究院, 蘭州 730000; 3.南京農業大學 資源與環境科學學院, 南京 210095);

本文以甘肅省慶陽市為研究對象，選取2005年和2010年Landsat TM影像作為基本信息源，借助GIS技術和Fragstas 4.0軟件，研究慶陽市的土地利用/覆被變化及其景觀生態效應。結果表明：(1) 研究時段內土地利用/覆蓋變化較大，各土地類型間轉換頻繁。落葉闊葉林面積大幅度減少，減少的落葉闊葉林轉變為灌木林，且落葉闊葉林減少量大于灌木林增加量。耕地面積逐漸減少，草地、居住地和交通用地明顯增加。(2) 慶陽市斑塊數目較多，平均斑塊面積在增加，但景觀豐富度、邊緣密度和斑塊密度呈減小趨勢。斑塊破碎化程度在減小，景觀空間異質性減小和均質化發展使得景觀穩定性降低。林草地邊緣效應的降低，使其景觀生態功能減弱。

慶陽市； 土地利用變化； 景觀格局； 景觀空間異質性； 生態效應

土地利用/覆被變化可引起許多自然現象和生態過程的變化，研究土地利用/覆被變化及其對生態環境的影響，對于了解區域生態環境乃至全球環境變化具有重要的意義[1-3]。目前，這方面的研究目前注重于土地利用/覆被的時空變化過程、驅動機制、預測模型的研究[4-6]；土地利用/覆被對氣候，水文水資源，土壤以及生物多樣性和生物地球化學循環等單個環境要素的影響研究[7]；以及土地利用/覆被變化產生的生態環境效應研究[8-9]。

慶陽市地處甘肅省東部，素有“隴東糧倉”之稱，在全國生態功能區劃中屬于黃土高原丘陵溝壑區土壤保持重要區，地處半濕潤-半干旱季風氣候帶，土地利用具有農牧交錯的特點，是生態環境敏感和脆弱的地區。作為我國黃土高原典型的雨養農業區，特殊的黃土結構，加之年內和年際間降水變異大，導致了該地區水土流失嚴重[10]。加之慶陽市是長慶油田的主產區，石油資源儲量28.47億t，2005年原油產量228萬t，2010年原油產量為390.09萬t[11]；慶陽市煤炭藏覆蓋全市，預測儲量1 428億t，占全省儲量的94%，開采前景廣闊；2008年慶陽列入省內重要的能源化工基地[12]。隨著慶陽市人口對自然資源的利用壓力逐年增加，目前已超出了自然生態系統的生態承載能力范圍，慶陽市生態環境處于不安全狀態，與此同時慶陽地區土地集約利用與經濟協調發展度處于中度失調衰退類，當前的發展模式是不可持續的[13-14]。景觀生態學非常注重空間結構與生態過程的相互作用，重視大尺度上人類活動對生態系統的影響，強調時空的異質性，特別是人類活動加劇導致景觀破碎化，對生物多樣性的影響日趨嚴重，成為景觀格局研究的重要內容[15]。景觀生態學的理論和方法越來越廣泛的應用于土地利用、自然資源管理等方面，對于了解區域生態環境乃至全球環境變化具有重要的意義。

為了探討慶陽市近5 a來土地利用變化情況以及對景觀格局的影響情況，本文利用Landsat TM遙感數據，借助GIS和RS的空間分析和地統計分析功能，從景觀生態學角度研究近5 a慶陽市土地利用/覆被變化以及對景觀生態效應的影響，其結果將對該區域生態環境保護和生態安全建設有重要意義。

1 區域概況與研究方法

1.1 研究區域

慶陽市轄一區七縣，土地總面積27 119 km2，總人口230.31萬。地勢大致從東、北、西三面呈“箕狀”向南部緩慢傾斜。慶陽市屬溫帶半干旱半濕潤大陸性季風氣候，年均氣溫8.9～10.4℃，年均降水量505 mm，從東南向西北遞減。多年平均總流量為26.7 m3/s，總徑流量8.43億m3，侵蝕模數達8 000 t/(km2·a)以上。境內森林植被主要分布在子午嶺，林地面積5 470.97 km2，占總面積的20.16%；草地是慶陽市最主要的土地利用類型，草地面積約13 314.91 km2，占總面積的49.1%；慶陽盛產小麥、玉米、蕎麥、小米、燕麥、黃豆等特色小雜糧，境內旱地面積約6 895.97 km2，占總面積的25.43%。土壤類型以黃綿土和黑壚土為主。在地質構造上，慶陽市位于鄂爾多斯盆地西南緣沖積扇發育的三角洲前緣主體上，境內含有豐富的石油、煤炭、天然氣、煤層氣等礦產資源。

1.2 數據來源與處理

本研究采用慶陽市2期12景Landsat TM影像作為基本信息源，其數據獲取時間為2005年和2010年7—9月，主要考慮該時間段具有植被發育好、地表信息豐富等特點，有利于對各生態環境因子的判讀。其中TM 第6波段分辨率為120 m其余波段為30 m，掃描寬度185 km。此外還有慶陽市1∶25萬土地利用現狀圖、30 m分辨率的數字高程模型(DEM)，1∶100萬的全國土壤數據、野外實測的地物光譜數據和社會經濟統計數據資料等。

采用先預處理后信息提取的方法，使用ERDAS 9.1對兩期影像進行432波段的假彩色合成，在此基礎上進行直方圖增強、亮度匹配等空間域增強處理。用計算機解譯和人工解譯相結合的方法對慶陽市的兩期遙感影像進行分類，提取出來的土地利用數據以COVERAGE格式存儲。

參照《生態十年環境感監測土地覆蓋分類系統》(2013年版)，分別將慶陽市2005年和2010年土地利用情況劃分為6個一級類型和19個二級類型，具體的一級土地利用類型為：林地、草地、濕地、耕地、人工表面和其它用地。

1.3 土地利用轉移矩陣計算

根據兩期遙感影像的土地利用分類結果，采用ArcGIS的Tabulate Area工具進行統計分析，并使用Excel最終得到慶陽市2005—2010年土地利用/履蓋變化轉移矩陣。

1.4 景觀格局指數計算

用景觀指數描述景觀格局及變化，建立格局與景觀過程之間的聯系，是景觀生態學最常用的定量化研究方法。景觀斑塊分類的人為性很強，目前大多采用土地利用現狀類型[16-17]，在分析景觀結構和空間異質性變化的基礎上，分析土地利用變化的景觀生態效應。本文選取斑塊數、斑塊平均大小、斑塊密度、邊緣密度、Shannon多樣性指數、均勻度、優勢度和破碎度來研究慶陽市景觀格局變化特征，上述指數的計算方法與生態意義詳見相關文獻[18-20]，采用ArcGIS 10景觀分析模塊和Fragstats 4.0軟件進行景觀指數的運算。

2 結果與分析

2.1 土地利用變化分析

2005—2010年，土地利用/覆蓋變化較大，各土地類型間轉換頻繁(表1，表2)，變化較大的土地利用類型為林地、耕地、草地和人工表面。林地變化為負增長，面積減少0.01%，其面積分別為5 474.71 km2和5 470.97 km2，其中落葉闊葉林面積減少13.13 km2，減少的部分主要轉出落葉闊葉灌木林和草叢；針闊混交林面積減少1.4 km2；落葉闊葉灌木林面積增加10.79 km2，增加部分主要由旱地和落葉闊葉林轉入；耕地面積減少1.68%，其面積分別為7 352.47 km2和6 895.97 km2，減少的部分主要轉入草地、居住地和落葉闊葉灌木林，增加的部分主要由草地與落葉闊葉灌木林轉入，耕地減少面積遠大于增加面積；草地面積增加1.13%，其面積分別為13 007.72 km2和13 314.91 km2，其中草甸增加0.02 km2，增加的部分主要由旱地轉入，草原面積增加268.19 km2，增加的部分主要由旱地和落葉闊葉灌木林轉入，草叢面積增加38.98 km2，增加部分主要由旱地、落葉闊葉林和轉入；人工表面面積增加150.58 km2，其中居住地面積增加120.85 km2，交通用地面積增加29.03 km2，工業用地面積增加0.69 km2，居住地變化主要體現在各區縣駐地面積的擴張上。

表1 慶陽市2005-2010年土地利用統計表

表2 慶陽市2005-2010年土地利用轉移矩陣 km2

2.2 景觀結構特征指數變化分析

2005—2010年，慶陽市景觀豐富度在減小，斑塊總數由73 944個減少到72 182個(表3)，主要表現為草原斑塊減少530個，旱地斑塊減少427個。平均斑塊面積從36.68 hm2增加到37.58 hm2(表3)，其中草地、落葉闊葉灌木林、旱地、居住地、工業用地增加較多，常綠針葉林、針闊混交林、采礦場、沙漠/沙地卻在減少，說明慶陽市城市化進程的加快。斑塊密度減少0.036 1個/100 hm2(表3)，其中工業用地、交通用地、水庫/坑塘斑塊密度有所增加，草地、旱地、落葉闊葉灌木林則在減少，說明慶陽市的景觀異質性在降低，工業用地、交通用地和水體出現的頻率有所增加，草地和林地出現的頻率則呈減少趨勢。景觀總的邊緣密度減少了3.367 2 m/hm2(表3)，其中旱地、草地、落葉闊葉灌木林減少顯著，工業用地和交通用地的邊緣密度在增加，說明旱地、草地、落葉闊葉灌木林斑塊邊緣在簡單化，而工業用地和交通用地斑塊邊緣在復雜化。

表3 2005-2010年慶陽市區景觀結構特征指數變化

2.3 景觀空間異質性指數變化分析

慶陽市2005—2010年景觀空間異質性指數變化如表4，2005—2010年，景觀的香農多樣性和均勻度指數均有所提高，表明景觀類型向均衡性方向發展的趨勢，這也是慶陽市建設用地增加，耕地和林地面積減少的直接反映。優勢度指數反映了一種或幾種景觀斑塊支配景觀格局的程度，表示景觀多樣性對最大多樣性之間的偏差。慶陽市優勢度指數由2005年的1.423 2減小為2010年的1.403 0，表明景觀類型比例差別在縮小。破碎度在一定程度上反映了人類對景觀的干擾程度。破碎度指數由2005年的2.651 9減小為2010年的2.596 9，表明景觀類型總體上呈現更為簡單并集中連片的分布趨勢。

表4 2005-2010年慶陽市區景觀空間異質性指數變化

3 討論與結論

基于以上分析可以看出，慶陽地區土地利用類型的景觀結構和景觀空間異質性指數均發生了明顯變化。各景觀組分表現出同化的趨勢，這些變化必將對地區的生態穩定性產生顯著影響。

2005—2010年，慶陽市土地利用/覆蓋變化較大，研究時段內落葉闊葉林面積大幅度減少，減少的落葉闊葉林大部分轉變為灌木林，且落葉闊葉林減少量大于灌木林增加量，耕地面積逐漸減少，草地、居住地和交通用地明顯增加。耕地主要分布在慶陽南部黃土高原的塬面及溝谷地帶，其面積減少主要是由于實施多年的“退耕還林(草)、封山綠化、個體承包、以糧代賑”生態退耕政策[21]。生態退耕不僅影響著土地利用與植被空間格局，還影響植被演替、群落多樣性、土壤質量和水土流失等生態功能[22]。耕地面積減少的同時導致草地面積的大幅度增加。同時慶陽市現有森林植被的空間分布具有明顯的地帶性差異特征，總的特征是：西北部貧乏，中南部較少，東部相對豐富。森林植被主要分布在東部的子午嶺，全部為自然更新的次生林。研究時段內，落葉闊葉林面積減少13.13 km2，減少的落葉闊葉林大部分轉變為灌木林，且減少量大于增加量。人工表面面積有明顯增加，主要表現為城鎮用地和農村居民點面積的擴張，工業用地的增加，境內交通基礎設施建設進度的加快，反映出區域城市化進程加快的特點。

受自然地理要素的影響，慶陽市景觀總體構成表現為景觀破碎度較高，斑塊數目較多，斑塊平均大小和斑塊密度都很小。研究時段內土地利用類型轉移矩陣的分析表明，耕地與草地和灌木林地之間的相互轉化較多，穩定不變的耕地所占比例不大，總體上耕地面積的大量減少向其他各種景觀組分都有不同程度的轉移。

景觀斑塊破碎化程度在減小，景觀穩定性降低。慶陽市2005—2010年，斑塊數量減少1 762塊，斑塊平均面積增加0.9 hm2，表明了斑塊破碎化程度降低的趨勢，這主要是由于退耕還林還草政策的實施使得草地連接度升高，以及河流和交通用地連接度升高所致。與此同時，景觀多樣性指數、均勻度指數、優勢度、破碎度均呈現減小趨勢，表明景觀異質性在減小，景觀中斑塊優勢度在減小，斑塊類型在景觀中趨于均勻分布，景觀類型比例差別在縮小。景觀空間異質性的減小和均質化發展必然導致景觀穩定性的降低。板塊邊緣效應降低。斑塊同化將引起相鄰生態系統被邊緣隔離、暴露在其他生態系統中的邊緣比例減小。2005—2010年間，邊緣密度減少3.367 2 m/hm2，林地和草地邊緣效應的降低，使其對周圍斑塊類型的影響相應減小，景觀生態功能減弱。在1978—2005年期間，慶陽市一直處在經濟發展、環境水平下降的趨勢之中，環境—經濟協調度下降[23]。近5 a來景觀生態效應受經濟開發影響依然明顯。

總的來看，人類活動是慶陽市土地利用變化的主要驅動力，退耕還林還草、植樹造林、天然林保護，導致耕地的減少和草地、灌木林地的增加。溝谷縱橫、地形破碎，決定了慶陽市小面積斑塊的主導地位與較高的景觀破碎度。景觀總體上表現出破碎化降低，異質性在減小，斑塊類型趨于均質化發展，景觀穩定性在降低。建設與恢復慶陽市景觀生態系統需要對景觀尺度上的土地利用方式做出必要的調整。

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LandUseChangeandItsEcologicalEffectinQingyangCityofGansuProvince

FU Meng-di1, MIAO Xu-hua2, QUAN Zhan-jun1, YE Yao1,3, WANG Qi1, LI Jun-sheng1, XIAO Neng-wen1

(1.StateKeyLaboratoryofEnvironmentalCriteriaandRiskAssessment,ChineseResearchAcademyofEnvironmentalSciences,Beijing100012,China; 2.InstituteofEnvironmentalScienceResearchandDesignofGansuProvince,Lanzhou730000,China; 3.CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing210095,China)

In this paper, with the aid of the GIS technology and the software of Fragstas 4.0, Landsat/TM images of Qingyang city in 2005 and 2010 were selected to study the land use/cover change and its landscape ecological effects. The results showed that land use/cover of Qingyang had changed greatly within these periods. Land covers between various types were frequently transformed. The area of deciduous broad-leaved forest decreased greatly and was converted into shrubbery. The decrement area of deciduous broad-leaved forest is greater than increment area of shrubbery. The area of cropland decreased, while the area of grassland, residence and traffic land increased evidently. The number and mean size of patches were added in Qingyang. However, landscape richness, edge density and patch density reduced. The patch fragmentation and landscape spatial heterogeneity decreased and the tendency of homogenize of landscape Led to the decline of landscape stability. The decrease of edge effect of woodland and grassland Led to the function declined of landscape.

Qingyang; land use changes; landscape pattern; landscape spatial heterogeneity; ecological effects

2014-01-10

：2014-01-25

中央級公益性科研院所基本科研業務專項(2013-YSKY-16)；國家科技支撐項目(2008BAC43B01)

付夢娣(1987—),女,黑龍江饒河縣人,學士,助理研究員,主要從事遙感與GIS應用研究。E-mail:mengdi_fu@163.com

肖能文(1973—),男,湖南桃江人,博士,副研究員,主要從事生態風險評價、土壤動物生態學和生態毒理學研究。E-mail:xiaonw@163.com

F301.2；X171.1

：A

：1005-3409(2014)06-0240-05