近19年西安市土地利用/覆被及景觀格局變化分析

馬瑞芳 員學鋒

摘要 利用2000、2005、2010、2015和2018年西安市的土地利用數據，基于ArcGIS 10.5分析土地利用/覆被的變化特征，并利用Fragstats 4.2計算景觀指數研究景觀格局的變化特征。結果表明，西安市土地利用以耕地為主，2000—2018年土地利用變化的主要特征為耕地面積顯著減少、建設用地明顯擴張，其中耕地面積減少497.54 km2，建設用地增加532.36 km2;各地類相互轉化，其中耕地的轉出率較高，建設用地的轉入率較高，且新增建設用地主要來源于耕地。2000—2018年建設用地破碎化程度最高但有所降低，耕地和林地破碎化程度升高，草地的破碎化程度先升高后降低，景觀類型趨于復雜化、多樣化、異質化。因此，在城市發展過程中，尤其是西部地區，必須注重生態保護，降低人類活動對景觀格局的干擾強度。

關鍵詞 土地利用/覆被;景觀格局;變化特征;西安市

中圖分類號 F301文獻標識碼 A文章編號 0517-6611（2021）05-0090-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.05.025

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Analysis of Changes in Land Use/Cover and Landscape Pattern in Xian in Recent 19 years

MA Rui-fang1， YUAN Xue-feng1，2，3

（1. School of Land Engineering， Changan University，Xian， Shaanxi 710054;2. Key Laboratory of Land Remediation of Shaanxi Province，Xian，Shaanxi 710054;3. Rural Revitalization Research Institute of Changan University， Xian， Shaanxi 710054）

Abstract Using the land use data of Xian in 2000， 2005， 2010， 2015 and 2018， the characteristics of land use/cover changes were analyzed based on ArcGIS 10.5， and Fragstats 4.2 was used to calculate the landscape index to study the change characteristics of landscape patterns.The results showed that the land use in Xian was dominated by arable land. The main characteristics of land use changes from 2000 to 2018 were the significant decrease in arable land and the obvious expansion of construction land. The area of arable land decreased by 497.54 km2 and the construction land increased by 532.36 km2; all regions were transformed into each other. Among them， the conversion rate of arable land was higher， and the conversion rate of construction land was higher， and the newly added construction land mainly came from cultivated land. From 2000 to 2018， the degree of fragmentation of construction land was the highest but decreased. The degree of fragmentation of arable land and forest land increased， and the degree of fragmentation of grassland increased first and then decreased， and the types of landscapes tended to become more complex， diverse and heterogeneous.Therefore， in the process of urban development， especially in the western region， we must pay attention to ecological protection and reduce the intensity of interference of human activities on the landscape pattern.

Key words Land use/cover; Landscape pattern; Change characteristics;Xian City

土地利用/覆被變化（LUCC）作為全球環境變化、可持續發展研究的重要組成部分和內容[1]，不僅刻畫了地球表面的空間格局，還表現了景觀的變化[2]，反映了自然過程與人類社會之間的作用關系[3]。1995年，“土地利用與土地覆被變化科學研究計劃”的提出為研究不同尺度的LUCC奠定了基礎[4]。隨著經濟的發展，我國的城市化進程不斷加快，深刻地影響著土地利用類型和景觀格局的變化[5]。近年來較多學者利用景觀格局指數來研究土地利用變化，通過建立格局與景觀過程之間的聯系[6]，對土地景觀格局的變化特征進行定量化研究[7]。

劉紀遠等[8]對我國土地利用的時空格局變化進行了研究，我國對西部地區經濟較發達城市的研究較少，對生態環境脆弱區的研究較多。而西安市作為關中平原城市群的中心城市，對其景觀格局變化進行研究，可為區域其他城市發展及景觀格局構建提供參考。筆者以西安市2000、2005、2010、2015和2018年土地利用數據為基礎數據，運用ArcGIS 10.5對土地利用格局進行研究，并選取和計算景觀格局指數分析景觀格局變化。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

西安市位于渭河流域中部關中盆地，地處107.40°～109.49°E、33.42°～34.45°N，北部和南部分別與黃土高原、秦嶺相鄰，地勢南高北低。屬溫帶季風氣候，年降水量最少約522.4 mm，最多約719.5 mm，水資源缺乏。總面積10 752 km2，其中建成區面積700.27 km2。經濟的快速發展和城市的不斷擴張導致了西安市土地利用變化，對西安市的經濟生態協調性影響較大。

1.2 數據來源及處理

該研究所采用的西安市行政邊界、土地利用數據從中國科學院資源環境科學數據中心（http：∥www.resdc.cn）獲取，參照《土地利用現狀分類》（GB/T 21010—2007）標準，將土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地6種類型。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用/覆被變化分析。

通過土地利用轉出/轉入率、轉移矩陣等表現研究區的土地利用變化特征。

土地利用轉出/轉入率表示在研究期內某一地類轉為其他地類或由其他地類轉為該地類的幅度[9]，公式如下：

T i=n-1 j=1T ijL t0×100%（1）

M i=n-1 j=1M jiL ik×100%（2）

式中，T i為轉出率;T ij為地類i在一定時間內轉為地類j的面積;L t0為t 0時地類i的面積;n為土地利用類型的數量;M i為轉入率;M ji為地類j在一定時間內轉為地類i的面積;L ik為t k時地類i的面積。

土地利用轉移矩陣，描述不同土地利用類型的變化方向[10]，公式為：

S ij=S 11…S 1n

S n1…S nn（3）

式中，S ij為研究期i到j的土地面積;n為地類數量。

1.3.2 景觀格局分析。

景觀格局變化研究對于了解土地利用/覆被變化具有重要意義[11]。景觀格局指數反映了土地利用類型的結構特征[12]，可用來描述區域景觀格局特征及其變化，將格局與景觀過程聯系起來，在研究土地利用變化這一方面得到廣泛應用[13]。景觀格局變化的研究以地類變化為前提，因此景觀指數主要從斑塊類型水平、景觀水平2個尺度選取。斑塊類型水平上，選取斑塊數量（NP）、斑塊密度（PD）、景觀形狀指數（LSI）、最大斑塊面積指數（LPI）4個指標反映不同斑塊類型的破碎度等特征。景觀水平上，選取NP、LPI、LSI、蔓延度指數（CONTAG）、香農多樣性指數（SHDI）、香農均勻度指數（SHEI）6個指標反映景觀的連片度、多樣性等。

2 結果與分析

2.1 土地利用/覆被動態變化分析

從圖1可以看出，2000—2018年西安市土地利用/覆被類型主要為耕地，其次為林地、草地、建設用地，水域和未利用土地較少。2000—2018年耕地和建設用地的變化較為顯著，耕地、林地、草地和

水域的面積減少，建設用地和未利用地增加。19年間耕地面

積減少了497.54 km2，主要是由于人口增長和經濟發展，城市發展演化占用耕地;林地減少了1.45 km2，是因為亂砍濫伐、毀林開荒及城鄉建設占用等原因，而2010年林地面積增加主要是由于退耕還林等生態保護政策實施較好;草地面積減少了47.57 km2，主要是由于開墾、植樹造林、建設用地占用等，2005年草地面積增加主要與退耕還草等生態環境保護政策有關;建設用地增加了532.36 km2，主要是由于城市發展中城市建設強度的增大。

該研究采用單一轉出率和轉入率對2000—2018年西安市土地利用/覆被變化特征進行分析（表1），利用轉移矩陣對土地利用類型之間的轉移情況進行分析，各期土地類型轉移情況如表2～5所示。

從表1和表2可以看出，2000—2005年耕地變化以轉為其他地類為主要特征，耕地的轉出率為3.59%，有87.80 km2轉出為建設用地，其次轉出為水域、草地和林地，耕地面積明顯減少;林地的轉出率為0.36%，略大于轉入率，林地面積減少，主要有9.35 km2轉出為建設用地;草地的轉入率為0.99%，大于轉出率，草地面積增加，主要有20.82 km2耕地轉入;水域的轉入率為21.30%，遠大于轉出率，水域面積增加，主要有24.21 km2耕地和7.07 km2草地轉入;建設用地轉入率為10.86%，遠大于轉出率，建設用地面積增加，主要由87.80 km2耕地轉入，其次是林地和草地。

從表1和表3可以看出，2005—2010年耕地的轉出率為4.88%，大于轉入率，主要是有140.98 km2轉為建設用地，其次是草地、林地和水域;林地的轉入率為1.05%，林地面積增加，主要由18.53 km2草地和10.38 km2耕地轉入;草地的轉出率為4.08%，大于轉入率，草地面積減少，主要是有61.08 km2草地轉為耕地;水域的轉入率為8.74%，大于轉出率，水域面積增加，主要是由9.25 km2耕地轉入;建設用地的轉入率為14.56%，遠大于轉出率，建設用地面積明顯增加，主要有140.98 km2的耕地轉入。

從表1和表4可以看出，2010—2015年耕地的轉出率為13.39%，大于轉入率，耕地面積減少，主要是有325.56 km2轉為建設用地、104.06 km2轉為草地、50.42 km2轉為林地、21.09 km2轉為水域;林地的轉出率為5.64%，轉入率為5.36%，林地面積變化不大;草地的轉出率為10.43%，略大于轉入率，草地面積減少;水域的轉出率為27.21%，大于轉入率，水域面積減少，主要有26.01 km2轉為耕地;建設用地轉入率為27.46%，遠大于轉出率，面積大幅增加，主要有325.56 km2耕地轉入;未利用地的轉入率為37.20%，大于轉出率，未利用地面積增加，主要有0.61 km2耕地和0.68 km2林地轉入。

從表1和表5可以看出，2015—2018年耕地的轉出率為9.94%，轉入率為8.41%，耕地面積減少但變化不大，新增耕地主要來源于102.79 km2草地和126.44 km2建設用地;林地的轉出率為5.70%，轉入率為5.36%，與2010—2015年相比，林地面積進一步減少，主要有100.15 km2轉為草地;水域的轉出率為23.34%，遠大于轉入率，水域面積持續減少，主要轉為耕地和建設用地;建設用地的轉入率仍然大于轉出率，其面積在不斷擴張，主要由耕地轉入，說明建設用地擴張過程中不斷占用耕地;未利用地轉入率大于轉出率，其新增面積主要來源于耕地撂荒。

2.2 景觀格局變化分析

2.2.1 類型水平。

從斑塊數量（NP）和斑塊密度（PD）上看，各類用地的NP與PD的變化相似。各期斑塊類型水平景觀指數變化情況如圖2所示。2000—2018年西安市建設用地的斑塊數量最多、斑塊密度最大，表明相對于其他景觀類型，建設用地破碎化程度較高，且斑塊密度下降，表明破碎化程度明顯降低，主要是由于土地利用規劃的實施及建設用地集約利用水平提高。耕地的斑塊數量和密度均先減少后增加，表明耕地面積減少且破碎化程度升高，主要是由于耕地被道路等基礎設施用地分割。其他景觀類型破碎化程度較低且變化幅度較小，未利用地的破碎化程度最低。

就最大斑塊面積指數（LPI）來說，耕地的最大斑塊指數不斷減小，表明在空間上耕地被分割，面積逐漸減小;林地與建設用地最大斑塊指數呈增加趨勢，表明這2種景觀分布趨于集中、連片性增強;草地、水域和未利用土地最大斑塊面積指數較小且變化不大。

景觀形狀指數（LSI）越高，表明景觀規則性越差、形狀越復雜。變化較為明顯的是耕地與建設用地，其中耕地的景觀形狀指數不斷增加，表明耕地形狀復雜，向不規則方向發展，在一定程度上阻礙了農業向規模化方向發展;建設用地的景觀形狀指數不斷減小，表明該類用地規則性越來越好。草地、林地、水域和未利用土地的景觀形狀指數變化不大。

2.2.2 景觀水平。

從2000—2018年西安市各期景觀水平指數的變化情況（圖3）可以看出，斑塊數量（NP）呈逐年減小趨勢，而斑塊數量最多的是建設用地，表明西安市景觀破碎化程度降低與建設用地集約利用程度提高有關。最大斑塊面積指數（LPI）和蔓延度指數（CONTAG）均呈減小趨勢，表明隨著經濟的發展，景觀類型分布混雜，連片化程度和蔓延度降低，造成生境破碎化。景觀形狀指數（LSI）先增后減，2015年達到最高值，這是由于城市化發展導致用地復雜、不規則，受城市規劃等影響后不規則性得到控制，景觀斑塊受人為干擾較大。香農多樣性指數（SHDI）、香農均勻度指數（SHEI）均呈增大趨勢，表明城市化進程中，人類活動強度加大，建設用地占用耕地、林地、水域等景觀用地且不斷擴張，景觀類型越來越復雜化、多樣化、異質化。

3 結論與討論

2000—2018年西安市土地利用/覆被發生顯著變化，耕地不斷減少，建設用地不斷增加，林地、草地和水域波動減少，未利用地增加較少。其中，耕地面積減少497.54 km2，建設用地增加532.36 km2，主要是由于城市發展中城市建設強度的增大及耕地被占用。林地和草地面積波動減少主要原因是退耕還林還草及建設用地占用。未利用地增加主要與耕地撂荒、林草退化等有關。2000—2018年各地類相互轉化，其中耕地的轉出率和建設用地的轉入率較大。可見，建設用地占用耕地等地類是城市化發展的必然結果，城市化發展是土地利用類型相互轉化的驅動因素。

2000—2018年西安市景觀格局變化較大。類型水平上，耕地和林地破碎化程度升高，建設用地破碎化程度最高但有所降低。景觀水平上，研究區土地利用的斑塊數量和斑塊密度呈減小趨勢，景觀破碎化程度降低，表明政府部門通過加大規劃力度使土地利用布局得到優化。但由于城市化發展及用地形狀不規則，景觀的類型復雜多樣、景觀形狀不規則，景觀的連片化程度和蔓延度依然較低。

我國西部地區城市的景觀格局與當地的經濟社會發展有緊密聯系。那么，西安市在經濟建設過程中對于生態的保護具有借鑒意義。此外，景觀格局的時空特征是對人類活動干擾強度的響應[14]。研究城市土地利用景觀格局的變化有利于更清楚地了解土地利用情況及其變化趨勢，對于國土空間規劃中主體功能區的劃分具有重要意義，可根據不同景觀將城市劃分為不同的功能區。在生態環境建設的大背景下，土地利用景觀格局的動態變化研究能較為清晰地確定生態環境脆弱區域，根據地域差異制定生態環境保護政策，根據區域發展情況實施生態環境建設，從而有效地構建生態安全格局。從鄉村振興戰略視角來看，景觀生態格局研究對于貧困地區的生態扶貧具有重要意義，可以較為直觀地看出扶貧工作中生態扶貧措施的有效性。

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