鹽池縣土地利用自然生態位變化及其對景觀格局的影響

張曉寧，劉學錄，，王全喜，李曉丹，徐亞男

1.甘肅農業大學資源與環境學院，蘭州 730070

2.甘肅農業大學管理學院，蘭州 730070

0 前言

自1939年德國的Troll提出景觀生態學(Landscape Ecology)[1]一詞以來，已經歷了近80年的研究歷程。在宏觀尺度上，研究景觀要素的空間格局以及生態過程的相互作用和動態變化已成為核心內容。由于景觀指數能夠反映景觀結構組成、空間配置特征以及表達簡單量化等特點[2]，因此廣泛應用于景觀格局分析及動態變化的研究。充分理解景觀格局變化和成因的社會和生態后果，使得人們能夠預測未來景觀動態并制定更加有效的景觀管理策略的能力增強。

生態位理論是生態學重要的基礎理論之一。國外生態位理論的應用領域主要集中于生物與城市兩個方面，在生物領域的研究對象涉及到了動物[3]、植物[4]和微生物[5]等，對城市的研究包括人口生態位的可持續性[6]、城市生態位建設的弊端[7]等。國內關于生態位的研究除了生物[8-9]和城市[10]領域外，越來越多學者結合前人的研究，根據自己的研究方向，在生態農業[11]、森林資源評價[12]、企業發展[13]、醫學預防[14]和區域旅游[15]等領域的研究也較為普遍。隨著生態位理論的發展，該理論應用于土地利用的研究也越來越多[16-18]，倪九派等[19]、張俠等[20]基于生態位的態勢理論構建了土地利用生態位的理論和模型。陳英等對土地利用生態位的概念與內涵給了明確的界定:土地利用生態位主要表示不同土地利用類型占用新生境的能力[21]，并指出土地利用生態位的主要內涵體現在自然生態位、經濟生態位和社會生態位三個方面。鞏中來等認為土地利用自然生態位主要是指土地在改善土地質量、涵養水源、調節空氣質量、減少污染等生態價值方面的作用[22]。此定義反映了各土地利用類型在土地利用系統中占有的空間、所處的地位及其所具有的功能等，是土地利用生態位變化的一個驅動因素，即可以通過分析不同土地利用類型的自然生態位來研究土地利用變化的機理、過程及其未來的趨勢。

由于土地生態位驅動下的土地利用類型變化，對區域物質循環和能量流動產生直接或間接的影響，是區域土地景觀格局改變的重要因素之一[22]，而自然生態位作為土地復合生態位的一個屬性，與景觀格局存在著一定的關聯性，因此可以運用相關性分析的方法探討土地利用自然生態位與景觀動態變化、景觀格局變化的關系。目前，已有文章將景觀指數與土地利用經濟生態位結合起來對區域景觀格局進行分析[23-24]，但從土地利用自然生態位角度研究景觀格局的尚未見相關文章。本文選取處于農牧交錯帶的鹽池縣作為研究區域，將土地利用自然生態位理論引入到對縣域景觀格局的研究當中，研究土地利用自然生態位動態變化，探討景觀格局的動態演變及其與土地利用自然生態位的關系，不僅對該區生態環境建設及土地利用規劃具有重要意義，而且對區域土地資源的可持續利用提供決策支持。

1 研究區概況

鹽池縣位于寧夏回族自治區東部，南北長110 km，東西寬 66 km，地處陜、甘、寧、蒙四省(區)交界地帶，也是歷史上中國農耕民族與游牧民族的交界地帶。鹽池縣北接毛烏素沙漠，南靠黃土高原，是典型的過度地帶，屬典型的大陸性季風氣候，冬冷夏熱，晴天多，降雨少，光能豐富，日照充足溫差大，冬夏兩季氣候迥異，平均溫差28℃左右，秋冬交節之際，晝夜溫差可達20℃。

2 數據源與研究方法

2.1 數據來源與處理

研究區行政區劃數據和1995年、2005年、2015年的土地利用數據均來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn)，借助 ENVI 5.1、ArcGIS 10.2軟件對數據進行處理得到；景觀指數采用 Fragstats 4.2軟件進行獲??；相關系數計算基于SPSS19.0軟件；圖和表用Word和Excel進行制作。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用自然生態位模型

土地利用生態位是隨著區域發展條件和土地利用方式的變化而不斷變化的，土地利用生態位越大，地域空間單元吸引人流、物流的能力越強。土地利用自然生態位可以體現土地利用產生的生態效益(態)和潛在生態效益(勢)，反過來講，土地利用類型的生態效益可以反映土地利用自然生態位的高低，當某種土地利用類型的生態效益低時，其就處于低自然生態位，兩者是同步變化的。因此相應的土地利用自然生態位模型可表達為[20-21，23]:

其中，i為土地利用類型；n為土地利用類型的數量；NEi為第 i種土地利用類型的自然生態位；Bi為第 i種土地利用類型的生態效益(生態效益的計算參考謝高地等[25]對生態系統服務價值的研究)；Ai為量綱轉換系數(量綱轉換系數的計算參考文獻[26]，由于本研究數據源選取年份的時間間隔為10年，因此量綱轉換系數為0.1)；Pi為第i種土地利用類型的潛在生態效益(潛在生態效益Pi通過計算該種土地利用類型生態系統服務價值的年均變化率得到)。

2.2.2 景觀格局指數的選取

景觀格局指數的重要作用在于它能描述景觀格局，進而建立景觀結構與過程或現象的聯系，更好地解釋與理解景觀功能[27]。根據景觀格局指數的內涵及鹽池縣自然環境和區位條件，本文從景觀水平及斑塊類型水平2個層次上選擇了景觀格局指數(表1):景觀水平上選取蔓延度(CONTAG)、香濃多樣性指數(SHDI)、香濃均勻度指數(SHEI)和聚集度(AI)；斑塊類型水平上選取的指標有斑塊數量(NP)、斑塊密度(PD)、形狀指數(LSI)、最大斑塊指數(LPI)、斑塊類型所占景觀面積的比例(PLAND)和斑塊內聚力指數(COHESION)。

在演講語體中，修辭主體為了適應演講領域的交際需要，往往要在特定的時境中，借助于有聲語言和態勢語言的手段，面對廣大聽眾發表意見、抒發感情，由此來說服、感召和教育聽眾。[5]367要說服、感召和教育聽眾，就要做到修辭語義的明朗化、直白化，不能含蓄模糊。另外，正因為是面對聽眾的演講，尤其是即興式演講，幾乎就是日?？陬^交際在鄭重場合的演繹，所以像口頭交際一樣也規約了簡潔明了修辭語義的使用。即使是有準備的演講，當把書面的演講辭轉化為口說的演講辭時，也就等于認同了口頭交際的基本修辭要求，所以對修辭語義的表達也盡量要做到簡潔明了，以使聽眾能夠在快速流動著的時間內抓住修辭語義的關鍵所在。例如：

表1 景觀格局指數及意義Table 1 Landscape pattern index and its significance

3 結果與分析

3.1 土地利用自然生態位變化分析

根據土地利用自然生態位模型計算 1995—2015年鹽池縣的各景觀要素自然生態位。從表2可知，1995—2015年鹽池縣各類景觀要素自然生態位的變化特征為:耕地的自然生態位和水域的自然生態位都是先下降后上升；林地的自然生態位在 1995至2005年的變化較快，由0.1354增加到0.1856；草地的自然生態位是各景觀要素里主導性最強的，但依舊呈不斷下降的趨勢；未利用地的自然生態位較低，由 0.0195下降到 0.0154，呈緩慢下降的趨勢。土地利用自然生態位的總體變化特征為耕地、草地、未利用地的自然生態位呈現下降的趨勢，而林地和水域的自然生態位不斷上升。

3.2 景觀格局時空演變分析

3.2.1 各景觀要素面積分析

對 1995—2015年鹽池縣各景觀要素面積進行統計(表3)可知，草地和耕地是鹽池縣主要的景觀類型。草地的面積先增加后減小，而耕地的面積呈先減小后增大的態勢，但草地所占的面積比例始終最大。在1995、2005和2015年這三個時間節點處，二者的面積和占鹽池縣總面積的 80.65%、80.41%、80.50%。整體來看，面積分布依次為草地＞耕地＞未利用地＞林地＞水域。

3.2.2 景觀類型水平分析

由表4可知，在1995至2015年期間，隨著人類活動的加強，耕地的景觀指數呈先減小后增加的態勢，其中，斑塊密度和斑塊數量增加了2倍，最大斑塊指數由0.99上升到1.07，上升了8.08%，說明耕地景觀斑塊之間的破碎化程度增強、連通性降低。

表2 1995、2005、2015年鹽池縣各景觀要素自然生態位Table 2 The landscape natural ecological niche of Yanchi County in 1995, 2005 and 2015

林地、草地的斑塊數量和斑塊密度在 1995—2015年間不斷增加，其中林地的斑塊數量和斑塊密度分別增加了49.39%和50.00%，2015年草地的斑塊數量是1995年斑塊數量的三倍多。林地的最大斑塊指數和形狀指數總體上呈增加的趨勢，變化量分別為0.20和6.01，而草地最大斑塊指數和形狀指數則呈減小的趨勢，表明草地景觀趨于破碎化、優勢度下降，并且草地景觀的形狀向規則化的方向發展。此外，林地的斑塊內聚力指數在1995—2015年間分別增加了 0.20，表明這種景觀要素類型的分布越來越集中，自然連通度提高。

水域的景觀指數是所有景觀要素里最小的，這與鹽池縣處于荒漠地區的地理位置有關。未利用地的斑塊數量、斑塊密度和形狀指數一直在增加，而最大斑塊指數和斑塊類型占景觀面積的比例減小，表明該景觀趨于破碎化且優勢度下降，這說明隨著研究區經濟的發展與政策的變化，人類對未利用地的利用程度加強。

3.2.3 景觀水平分析

從表5中的景觀水平的指標來看，研究區蔓延度、聚集度、多樣性指數和均勻度指數這四個景觀指數都是先下降后上升的變化趨勢，但蔓延度和聚集度總體上表現為下降，而多樣性指數和均勻度指數總體上表現為上升。其中，蔓延度的下降幅度較大，表明景觀要素間的通達性和連續性下降。此外，2015年的多樣性指數和均勻度指數比1995年分別略微增加了0.04和0.01，多樣性指數增加表明研究區整體景觀的破碎現象和復雜程度增加，景觀優勢類別對景觀的整體控制作用在減小。據此，可知研究區的整體景觀愈加多樣化、破碎化、離散化和不規則化。

表3 1995、2005和2015年鹽池縣各景觀要素面積及比例統計Table 3 Area statistics of landscape elements of Yanchi County in 1995, 2005 and 2015

表4 1995、2005和 2015 年鹽池縣景觀要素水平指數Table 4 Indexes on landscape class level of Yanchi County in 1995, 2005 and 2015

3.3 土地利用自然生態位變化及其對景觀格局的影響分析

3.3.1 土地利用自然生態位與景觀要素面積及其變化率的相關性分析

對研究區各景觀要素的面積與相應的自然生態位進行相關性分析可知二者呈正相關，相關系數為0.934，在 0.01 水平(雙側)上達到顯著，表明土地利用自然生態位與景觀要素的面積存在一定的相關性。此外，由于不同景觀要素類型的面積存在差異，運用變化率研究景觀動態變化則可以減少不同面積大小和時期的差異，因此為了研究各景觀要素類型的時空演變過程是否與自然生態位存在聯系，對研究區1995—2005年和2005—2015年的各景觀要素變化率與自然生態位變化率進行相關性分析可知二者呈強正相關性，相關系數為0.988，在0.01水平(雙側)上達到顯著。該值略高于自然生態位與各景觀要素面積的相關性，表明土地利用自然生態位的時間效應對景觀要素類型時空演變的影響程度較大。

表5 1995、2005和 2015 年鹽池縣景觀水平指數Table 5 Indexes on landscape level of Yanchi County in 1995, 2005 and 2015

3.3.2 土地利用自然生態位與景觀格局指數的相關性分析

為進一步探討鹽池縣土地利用自然生態位對景觀格局變化的影響，運用 SPSS軟件計算研究區1995—2015年各景觀要素的自然生態位與相應景觀格局指數的相關系數，得到二者之間的Pearson相關性(表6)。由表6可知，土地利用自然生態位與 NP和PD都呈較弱正相關關系，原因在于NP和PD的值越大，景觀異質性越強、破碎化程度越大，對于土地利用自然生態位的響應程度很弱；土地利用自然生態位與LSI和COHESION的相關系數在0.05水平上達到顯著，相關系數分別為 0.588和 0.632，說明某種景觀要素的自然生態位越大，所表現出各景觀要素在分布上越聚集，使得自然連通度提高；PLAND和 LPI與土地利用自然生態位的相關系數在0.01水平上表現為顯著的相關性，相關系數分別為0.933和0.943，表明某種景觀要素的自然生態位越大，使得該景觀要素所占面積比例越大、景觀優勢度越強，對景觀格局的影響也就越顯著。

為進一步明確土地利用自然生態位與景觀格局指數的關系，對相關程度高的指數與自然生態位進行分析(圖1)。由圖1可以看出，土地利用自然生態位與耕地、林地和水域的形狀指數同步變化，而與草地和未利用地的形狀指數呈無規律的變化；從最大斑塊指數來看，耕地、林地、水域和未利用地的指數與土地利用自然生態位是呈規律性變化的；研究區內各景觀要素所占景觀面積的比例與土地利用自然生態位呈同步增大與同步減小的變化規律；對于斑塊內聚力指數來講，耕地和林地與土地利用自然生態位的變化一致，而草地、水域和未利用地具有不規律性。

表6 土地利用自然生態位與景觀指數的相關系數Table 6 Correlation coefficients between land natural ecological niche and landscape indices

4 討論

圖1 1995、2005和 2015 年鹽池縣景觀指數與土地利用自然生態位的關系Figure 1 The relationship between land natural ecological niche and landscape index of Yanchi county in 1995, 2005 and 2015

景觀格局的變化會導致生態系統結構、過程和功能的變化，通過相關分析可知，部分景觀指數與土地自然生態位之間存在著高的相關性，其中，土地自然生態位與最大斑塊指數和斑塊類型占景觀面積的比例呈顯著地相關性，與形狀指數和斑塊內聚力指數存在著相關性。這表明當土地自然生態位理論側重于用土地生態效益來描述不同土地利用類型的貢獻程度時，土地利用自然生態位的變化使得景觀指數所引起的景觀異質性發生變化，從而影響景觀格局的變化。此結論與前人關于土地利用類型效益的差異體現為土地利用生態位的差異，這種差異促使土地利用結構發生調整[28]的研究結果基本一致，亦與于海洋等[23]、吳箐等[15]人將土地經濟生態位與景觀格局結合進行研究得出的結論有相似性，可知土地利用自然生態位的變化也是景觀格局變化的重要影響因素且對景觀格局具有驅動作用，可表征研究區自然環境的發展方向。

本文成為探究土地利用自然生態位變化下景觀格局響應特征研究的一種有效嘗試。但是由于本文僅以縣域景觀作為研究對象，選擇的景觀格局指數較少且僅在土地利用自然生態位方面對區域景觀格局進行研究，而土地利用自然生態位對景觀格局演變的影響是一個非常復雜的過程，還需選用更為科學的評價指標來進行價值測評，并需大量案例研究來探討其影響關系與機制。因此，除了應當選擇大范圍的研究區域和更多具有代表性的景觀指數外，將土地利用自然生態位和土地利用經濟生態位結合起來與景觀格局進行研究成為未來研究方向的重點。此外，在今后的發展過程中，鹽池縣要統籌好經濟與生態效益，加強實施退耕還林(草)還草工程，采取人工恢復措施使整體景觀保持穩定狀態。

5 結論

筆者通過構建土地利用自然生態位模型，將其與景觀格局相結合探討了土地利用自然生態位與景觀格局的關系，得出的主要結論如下:

(1)不同景觀要素自然生態位的動態變化不同，林地和水域的自然生態位不斷上升，耕地、草地和未利用地的自然生態位下降。對土地利用自然生態位的分析可知草地的自然生態位為 0.6以上，說明草地始終處于優勢地位；而林地和水域的自然生態位不斷上升，這表明林地和水域這兩種景觀要素越來越具有競爭優勢。隨著經濟的發展以及城市化進程的加快，人類對景觀的干擾程度加強使得生態效益也發生了改變，由于景觀要素類型生態效益的差異體現為自然生態位的差異，因此各景觀要素的自然生態位動態變化不同。

(2)從景觀類型水平來看，在1995至2005年期間，研究區景觀格局的演變特點是草地和耕地呈規則化、單一化的方向發展，林地的優勢度增強且人類對未利用地的利用程度加強，這表明自鹽池縣于2001年起實施退耕還林工程以來，環境惡化趨勢得到遏制，生態建設逐步走向良性發展的軌道。但從景觀水平來看，研究區整體景觀愈加多樣化、破碎化、離散化和不規則化，環境惡化又愈加嚴重，說明該措施并沒有持續性。

(3)土地利用自然生態位是景觀要素類型演變的重要影響因子。土地利用自然生態位與景觀要素面積和景觀要素面積的變化率都具有強正相關性，其中，自然生態位變化率與景觀要素面積變化率的相關性系數值略高于自然生態位與景觀要素面積的相關性，這說明土地利用自然生態位的時間效應對景觀要素類型演變的影響程度較大。原因在于土地利用自然生態位的改變使得土地利用結構發生變化，從而導致土地利用的變化，表現為景觀要素類型的變化。

(4)土地利用自然生態位是景觀要素空間配置的重要影響因子。從土地利用自然生態位與景觀指數的相關性來看，斑塊數量與斑塊密度與自然生態位無相關性；形狀指數和斑塊內聚力指數與自然生態位具有正相關性；最大斑塊指數和斑塊類型占景觀面積的比例與自然生態位具有強正相關性。此外，由具有相關性的4個景觀指數與自然生態位之間的關系圖可知，耕地和林地的形狀指數、最大斑塊指數、斑塊類型占景觀面積的比例和斑塊內聚力指數與土地利用自然生態位是同步變化的，而草地、水域和未利用地的指數與土地利用自然生態位無規律性。