永登縣景觀格局現(xiàn)狀及其驅動力分析

林長偉 馬學敏

摘 要：以三大高原的交匯地永登縣為研究對象，在RS、GIS技術支持下，對永登縣2009年Landsat TM影像進行解譯得到景觀類型現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，利用FRAGSTATS軟件獲得景觀格局指數(shù)，進而分析永登縣景觀格局現(xiàn)狀，并對景觀格局的形成演化進行了驅動力分析。結果表明：永登縣景觀優(yōu)勢度較高，多樣性低，草地和耕地占主導優(yōu)勢，草地是永登縣的基質景觀。各景觀的分維值均較低，斑塊形狀簡單。建設及工礦用地破碎化最為明顯，分布分散；草地和平原旱地各自斑塊間分布緊密，破碎度和分離度均較低。永登縣景觀格局的形成演化主要受到氣候、地貌、土壤等自然因素及人口增長、政策變動、經(jīng)濟發(fā)展等社會經(jīng)濟因素的影響。

關鍵詞：永登縣；景觀格局；景觀指數(shù)；驅動力

中圖分類號 P901 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2015）19-97-04

Analysis on the Current Condition of Landscape Pattern and its Driving Forces of Yongdeng County

Lin Changwei et al.

（Dingxi Teachers College，Dingxi 743000，China）

Abstract：Based on RS，GIS and FRAGSTATS，the current condition of landscape pattern and its driving forces of Yongdeng County have been analyzed in this paper by using the Landsat TM images in year 2009. The results show that landscape dominance of Yongdeng County is high，and the landscape diversity is low. Grassland and Farmland are the dominant landscape types. The fractal dimension of each landscape type is low，which indicates the patch shape of each type is simple and regular. Landscape fragmentation index of constructed land is high than others，its patches distribute dispersedly. Patches of grassland and plain dry land distribute closely，fragmentized degree of landscape of them are inconspicuous. The evolvement of landscape pattern of Yongdeng County falls under the effect of physical factors such as climate，landform and soil，synchronously both social and economical factors such as population number and fluctuation of policy influence the landscape pattern a lot.

Key words：Yongdeng County；Landscape pattern；Landscape indices；Driving forces

景觀格局是景觀生態(tài)學研究的核心內(nèi)容之一，它的形成與變化是一定地域內(nèi)人類與自然環(huán)境長期相互作用的結果，一切的自然營力及人類活動都將引起其變化[1]。景觀空間格局的分析和研究，不僅有助于探討景觀格局與生態(tài)過程的關系，而且對于建立區(qū)域生態(tài)廊道，提高生物多樣性，控制水土流失，增強景觀的連續(xù)性具有特別重要的意義[2]。我國西北部絕大多數(shù)黃土丘陵區(qū)土地利用開發(fā)過度，脆弱的生態(tài)環(huán)境給人們的生產(chǎn)生活帶來了極大的影響，目前許多學者針對黃土丘陵區(qū)的土地利用、景觀格局及生物多樣性進行了研究[3-7]。永登縣位于我國三大高原的交匯地，近年來由于景觀格局的演變導致一系列生態(tài)環(huán)境問題的出現(xiàn)，而關于該縣域景觀格局的研究還未見報道。為此，本文采用相對成熟的景觀格局指數(shù)分析法對永登縣景觀格局特征及驅動力進行分析，以期對永登縣土地利用的可持續(xù)發(fā)展及生態(tài)環(huán)境的改善提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

永登縣位于甘肅省中部（102°36′～103°45′E，36°12′～37°07′N），是青藏高原、蒙古高原與黃土高原的交匯地，轄區(qū)總面積約6 090km2，山地和丘陵面積占總面積的88.5%。地貌上表現(xiàn)為石質山地與黃土丘陵交錯分布，根據(jù)地形特征可將縣境內(nèi)分為4個區(qū)：西部和北部石質山地、中南部黃土丘陵地、大通河和莊浪河谷地以及東部秦王川盆地（圖1）。縣內(nèi)地勢由西北向東南傾斜，海拔在1 600～3 000m。永登縣地處隴中北部溫帶半干旱區(qū)，屬大陸性季風氣候，年平均氣溫5.9℃，年日照約2 700h，平均無霜期121d，年降水量在300mm以下，年蒸發(fā)量達1 700mm以上。縣域內(nèi)由東南向西北，隨著海拔高度的升高，氣溫隨之降低，降水隨之增多，土壤由南部的灰鈣土向西北逐漸變?yōu)槔踱}土、灰褐土和亞高山草甸土，植被由南部和東南部的荒漠化草原、干草原，向西北逐漸變?yōu)樯植菰尸F(xiàn)明顯的地帶性規(guī)律。

<＼＼Pc10＼工作盤 （E）＼姜秀紅＼雜志＼安徽農(nóng)學通報雜志＼2015-19農(nóng)學通報內(nèi)文＼8587-1.tif>

圖1 研究區(qū)域示意

近年來，由于人們對生態(tài)環(huán)境的脆弱性、復雜性認識不足，陡坡開墾、毀林毀草開荒現(xiàn)象嚴重，導致永登縣出現(xiàn)許多諸如山體裸露、滑坡、水土流失、牧草退化等生態(tài)環(huán)境問題，嚴重阻礙了當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會經(jīng)濟發(fā)展。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)處理 本文以2009年永登縣TM影像為數(shù)據(jù)源，以植被、土壤、地貌等自然地理要素為指標，在ARCGIS10.0和ARCVIEW3.3軟件的支持下，通過目視解譯與野外調查，得到了永登縣土地利用矢量數(shù)據(jù)，并繪制了研究區(qū)的景觀類型圖。在ARCGIS10.0軟件中將矢量數(shù)據(jù)轉為柵格數(shù)據(jù)，利用Fragstats3.3軟件對柵格數(shù)據(jù)進行計算和分析，獲得相應的屬性數(shù)據(jù)及景觀格局指數(shù)。

2.2 景觀格局指數(shù) 由于永登縣位于三大高原的交匯地帶，綜合考慮到其地形、地貌和社會經(jīng)濟發(fā)展狀況，以及本文研究的需要，選取以下景觀格局指數(shù)來分析永登縣整體景觀結構特征。

2.2.1 多樣性指數(shù)

2.2.1.1 多樣性指數(shù)（H） 反映景觀元素的多少及各景觀元素所占的比例。其計算是基于Shannon-Weaner指數(shù)，計算公式如下：

[H=-（pi）log2（pi）]

2.2.1.2 均勻度指數(shù)（E） 描述景觀中不同景觀類型分配的均勻程度，其值越大，表明景觀各組成成分分配越均勻。計算公式如下：

[H（max）=log2（m）]；

[E=H/H（max）]

2.2.1.3 優(yōu)勢度指數(shù)（D） 景觀優(yōu)勢度指數(shù)用來測定景觀結構中一種或幾種景觀類型支配景觀的程度，其值越大，表明某一種或少數(shù)幾種景觀類型占優(yōu)勢。計算公式如下：

[D=H（max）+（pi）log2（pi）]

2.2.2 形狀指數(shù) 分維數(shù)用來度量景觀斑塊形狀的復雜程度，通常F值的理論范圍為1.0～2.0。F值越接近于1，表明斑塊體形狀越有規(guī)律，人為干擾的程度越大；F值越接近于2，表明斑塊形狀越復雜。計算公式如下：

[F=2log2（Pi4）log2（A）]

2.2.3 破碎度指數(shù)

2.2.3.1 破碎度（C） 破碎度指景觀被分割的破碎化程度，間接反映了人為活動對景觀的干擾程度，其值越大，景觀破碎化程度越大。計算公式如下：

[C=NiAi]

2.2.3.2 分離度（S） 分離度是指某一景觀類型中不同斑塊個體分布的分離程度。計算公式如下：

[Si=PiBi]其中：[Pi=12nA]，[Bi=AiA]

3 結果與分析

3.1 景觀斑塊特征分析 由表1得出，永登縣景觀斑塊總數(shù)為6 242，斑塊總周長為114 254.135km，總面積為5 885.651km2，整個景觀中，建設及工礦用地和荒漠的斑塊數(shù)最多，分別為2 302、1 761；草地和平原旱地的面積最大，分別占總面積的72.99%、12.22%。永登縣平均斑塊面積和平均斑塊周長分別為0.943km2、18.304km，大于全縣平均斑塊面積和平均斑塊周長的景觀類型有1個，為水域（1.349 km2，29.264km）；小于全縣平均斑塊面積與平均斑塊周長的景觀類型有4個，其中以建設及工礦用地（0.038km2，1.042km）為最小，平均斑塊面積與平均斑塊周長的大小表現(xiàn)基本一致。平均斑塊面積反映了各類型景觀的分布特點以及研究區(qū)的大地貌特征，永登縣是一個以牧業(yè)和農(nóng)業(yè)景觀為主的地區(qū)，居住地以農(nóng)村居民地為主，反映為建設及工礦用地平均斑塊面積最小且分布分散；平均斑塊面積較小的類型還有林地和荒漠，這2種類型主要分布于耕作條件較差、坡度較大的地區(qū)，分布面積小而零碎。草地作為永登縣的基質景觀，平均斑塊面積最大；平原旱地多集中分布于地勢平坦的河谷及盆地內(nèi)，人工化程度高，平均斑塊面積也較大。

表1 永登縣景觀格局指數(shù)

[景觀

類型＼&斑塊數(shù)＼&面積

（km2）＼&面積比例（%）＼&平均斑塊

面積（km2）＼&周長

（km）＼&平均斑塊

周長（km）＼&分維數(shù)＼&分離度＼&破碎度＼&多樣性＼&最大

多樣性＼&均勻度＼&優(yōu)勢度＼&平原旱地＼&446＼&719.108＼&12.22＼&1.612＼&8114.822＼&18.195＼&1.1476＼&1.1075＼&0.5995＼&0.9619＼&1.9460＼&0.4943＼&0.9841＼&丘陵旱地＼&903＼&387.034＼&6.58＼&0.429＼&9062.489＼&9.713＼&1.1739＼&2.9278＼&2.2546＼&林地＼&220＼&64.033＼&1.09＼&0.291＼&845.927＼&3.694＼&1.1125＼&8.763＼&3.32＼&草地＼&574＼&4296.231＼&72.99＼&7.485＼&87125.852＼&15.126＼&1.1445＼&0.2103＼&0.1291＼&水域＼&36＼&46.917＼&0.80＼&1.303＼&1229.068＼&29.264＼&1.2283＼&4.8224＼&0.7414＼&建設及

工礦用地＼&2302＼&84.427＼&1.44＼&0.037＼&2554.994＼&1.042＼&1.0623＼&21.4025＼&26.3178＼&荒漠＼&1761＼&287.901＼&4.89＼&0.164＼&5320.984＼&2.993＼&1.1308＼&5.4954＼&5.9106＼&]

3.2 景觀多樣性分析 表1顯示，永登縣景觀多樣性指數(shù)為0.961 9，與最大多樣性指數(shù)1.946 0偏差較大，景觀多樣性程度相對不高，景觀類型所占比例相差較大，如草地和水域2種景觀所占比例分別為72.99%、0.80%，相差極大。研究區(qū)景觀優(yōu)勢度指數(shù)和均勻度指數(shù)分別為0.984 1、0.494 3，優(yōu)勢度較高，均勻度較低，景觀類型以草地和平原旱地為主，分別占全縣景觀總面積的72.99%、12.22%。

3.3 景觀形狀特征分析 表1及圖2顯示，永登縣各景觀類型的分維數(shù)值總體比較小，較高的水域和丘陵旱地分維值也僅為1.228 3、1.173 9，表明景觀類型空間形狀較為規(guī)則，這與永登縣的地貌格局及人類活動影響有關。永登縣水域組成主要為莊浪河與大通河，沿河谷分布，受帶狀地帶限制，分維值較高。丘陵旱地多分布在坡度起伏較大的溝坡、溝間地，其形狀同樣受地貌格局的影響，但其大多經(jīng)過人工整修，形狀也相對簡單。林地主要分布于峁坡或溝坡上，其形狀受自然地貌形態(tài)干擾較小，形狀規(guī)則。建設及工礦用地、平原旱地均分布在平坦的谷地和秦王川盆地中，多經(jīng)過人為規(guī)劃，屬人工景觀，受人類活動影響大，形狀也最為簡單，分維值較低。通過分維數(shù)分析，說明景觀類型的斑塊形狀取決于自然地貌的平面形態(tài)和人為經(jīng)濟活動的干擾程度，通常來說，地貌形態(tài)越平坦，人為活動越頻繁，分維數(shù)越小，斑塊形狀越簡單，而地貌形態(tài)越破碎，分維數(shù)越大，斑塊形狀越復雜。

<＼＼Pc10＼工作盤 （E）＼姜秀紅＼雜志＼安徽農(nóng)學通報雜志＼2015-19農(nóng)學通報內(nèi)文＼8587-2.tif>[1.25

1.2

1.15

1.1

1.05

1

0.95][分維數(shù)][分維數(shù)

分離度][分離度][25

20

15

10

5

0][平原旱地][丘陵旱地][林地][草地][水域][建設及工礦用地][荒漠]

圖2 分維數(shù)與分離度

3.4 景觀破碎化分析

3.4.1 分離度 表1及圖2顯示，在永登縣各景觀類型中，分離度最大的景觀類型是建設及工礦用地，為21.402 5，表明建設及工礦用地斑塊間分布最為分散，主要是因為農(nóng)村居民點斑塊較多、面積較小，在整個地域空間上呈散點狀分布。林地和荒漠景觀的分離度也較大，分別為8.763 0、5.495 4，林地組成中的天然林分布于縣城的西北部，而人工林和經(jīng)濟林多分布于中南部丘陵地區(qū)，斑塊間聯(lián)系不夠緊密；荒漠景觀也是呈現(xiàn)零星分布。草地的分離度最小，為0.210 3，這與草地是基質景觀、分布廣泛相關。

3.4.2 破碎度 某一類型斑塊密度揭示了景觀基質被類型斑塊分割的程度，對生物保護、物質和能量分布具有重要影響；而各景觀組分的斑塊密度更直接地反映了景觀組分的破碎化程度。表1顯示，研究區(qū)中建設及工礦用地的破碎度最大，為26.317 8，表明建設及工礦用地受人類活動影響較大，分布分散。荒漠的破碎度較大，為5.910 6；草地、水域受人為干擾較小，破碎度較低。平原旱地主要成片集中分布于地勢平坦處，破碎度也比較小。

4 驅動力分析

景觀格局的形成和演化主要有以下2個方面的驅動因素：自然因素和人為因素。自然因素通常是在長時間尺度上起作用，可以引起較大范圍的景觀變化，主要包括氣候、水文、土壤等；而人為因素在短時間內(nèi)即可影響景觀格局，隨著社會經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，人為因素對景觀格局的影響愈發(fā)關鍵，主要包括人口、政治、經(jīng)濟等。通過對永登縣景觀格局的分析可看出，永登縣位于三大黃土高原的交匯地，地形地貌較為復雜，對景觀格局的形成具有很大影響，氣溫和降水的分布不均也是影響景觀格局的重要因素，同時人口增長、經(jīng)濟發(fā)展等社會經(jīng)濟因素對永登縣景觀格局的分布起到了至關重要的推動作用。

4.1 自然因素 永登縣具有明顯的環(huán)境梯度變化特征，海拔高度由東南向西北，從最低處1 440m逐漸過渡到最高處3 670m，氣溫隨著緯度的增加和地勢的抬升而降低，多年平均降水量也隨之增多，由東南部的200mm左右向西北增加到400mm左右，植被的覆蓋度隨著氣候因子的漸變由東南部向西北部逐漸增大，西北部連城一帶景觀基質為森林草原，天然林地均分布于此，而東南部為荒漠草原，植被覆蓋度低。從地貌和土壤上來看，永登縣中南部為黃土丘陵溝壑區(qū)，土壤類型以灰鈣土和黃綿土為主，該區(qū)由于氣候干燥、多風少雨，植被稀少，人工墾殖的丘陵旱地多分布于此，且由于地形復雜，景觀較為破碎。黃綿土分布地區(qū)適宜一些灌木生長，在永登縣東南部的苦水等地分布有大型的玫瑰種植園；莊浪河、大通河谷地由于地勢平坦，地表水量充足，土壤類型為肥沃的灌瘀土，耕種性好，是發(fā)展農(nóng)業(yè)的主要基地，平原旱地多分布于此，城鎮(zhèn)用地和農(nóng)村居民點也分布廣泛；秦王川盆地位于永登縣的東部，大面積分布著平原旱地和居民點用地，秦王川盆地南部至樹屏一帶地下水位過高，排水不良導致這一帶土壤為鹽堿土，鹽堿地有較大面積分布。

4.2 社會經(jīng)濟因素 自然因素在較大尺度上影響了景觀格局的分布，除自然因素外，人口增長、社會經(jīng)濟活動、落后的生產(chǎn)力水平等也加劇了景觀格局分布的不合理。1993年永登縣總人口為47萬，2009年總人口增長到近52萬，人口的增加導致人們對耕地需求的增大，黃土丘陵區(qū)的陡坡開墾速度和強度加大，全縣坡度大于15°的耕地面積達1.27萬hm2，不合理的耕作制度和生產(chǎn)方式造成耕地小塊分割草地景觀的分布格局，同時農(nóng)村居民點也呈增加趨勢，零散鑲嵌于草地基質景觀中，破碎度和分離度均較大。耕地的增長必然導致對其它類型景觀的掠奪，形成景觀多樣性低、優(yōu)勢度高的格局。鹽堿地、沙地、裸地等荒漠景觀也由于人類墾荒、筑路、不合理的灌溉方式等無序的社會經(jīng)濟行為導致景觀格局分布破碎度大、分維值小的特點。此外，政府的相關政策對景觀格局分布演變也有一定的影響，近年來，永登縣實行退耕還林政策對林地的分布格局影響較大，2002年永登縣退耕還林面積達到400hm2，一些陡坡耕地被林地取代。禁止過度放牧、加強牧草地管理政策的推出使草地布局的分離度、破碎度等都有所降低。為追求經(jīng)濟的發(fā)展，人們對各類型景觀的干擾強度均加大，致使各景觀分維數(shù)較小，形狀規(guī)則。

5 結論與討論

本研究基于RS與GIS技術，利用FRAGSTATS軟件，對位于三大高原交接處的永登縣景觀格局現(xiàn)狀及驅動力進行了分析。研究結果表明，永登縣景觀優(yōu)勢度高、多樣性低，由少數(shù)幾種景觀控制，各景觀類型所占比例差異較大，草地和平原旱地面積最大，草地是該縣的基質景觀。永登縣各景觀受人為干擾程度較為嚴重，景觀分維數(shù)低、分離度和破碎度高。自然因素和人為因素對永登縣景觀格局的形成發(fā)展均有貢獻，永登縣自然地貌形態(tài)清晰多樣，并具有明顯的環(huán)境梯度特征，對各景觀的空間分布產(chǎn)生主導作用，而人口增長、經(jīng)濟發(fā)展、政策變更等社會經(jīng)濟因素又導致人們對景觀的直接改變。永登縣的景觀格局存在很多不合理之處，建議該縣應積極退耕還林還草、禁止陡坡開墾放牧、發(fā)展天然草地和經(jīng)濟林，以達到社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的同時改善生態(tài)環(huán)境的目的。

參考文獻

[1]Turner M G，Ruscher C L. Changes in landscape patterns in Georgia[J].USA：Landscape Ecology，1988，1：241-252.

[2]傅伯杰.景觀多樣性分析及其制圖研究[J].生態(tài)學報，1995，15（4）：345-350.

[3]王曉燕，徐志高，楊明義.黃土高原小流域景觀多樣性動態(tài)分析[J].應用生態(tài)學報，2004，15（2）：273-277.

[4]王根緒，郭曉寅，程國棟.黃河源區(qū)景觀格局與生態(tài)功能的動態(tài)變化[J].生態(tài)學報，2002，22（10）：1587-1598.

[5]馬安青，陳東景，王建華，等.基于RS與GIS的隴東黃土高原土地景觀格局變化研究[J].水土保持學報，2002，16（3）：56-59.

[6]傅伯杰.黃土區(qū)農(nóng)業(yè)景觀空間格局分析[J].生態(tài)學報，1995，15（2）：113-120.

[7]焦峰，溫仲明，王飛，等.黃土丘陵縣域尺度整體景觀格局分析[J].水土保持學報，2005，19（2）：167-170.

[8]甄霖，謝高地，楊麗，等.涇河流域分縣景觀格局特征及相關性[J].生態(tài)學報，2005，25（12）：3343-3353.

[9]王教育，王成吉，全志杰，等.黃土高原溝壑區(qū)土地景觀空間格局遙感分析[J].干旱環(huán)境監(jiān)測，1997，11（4）：203-252.

[10]王禮憲，肖篤寧，布仁倉，等.遼河三角洲濕地的景觀格局分析[J]生態(tài)學報，1997，17（3）：317-323.

[11]鄔建國.景觀生態(tài)學[M].北京：高等教育出版社，2000.

[12]寧龍梅，王學雷，吳后建.武漢市濕地景觀格局變化研究[J].長江流域資源與境，2005，14（1）：44-49.

（責編：張宏民）