土地利用及景觀格局動態變化分析
——以甘肅省黨河流域為例

趙方圓, 楊宇翔, 張華堂, 趙萬奎, 李珍存, 王瓊芳

(甘肅省生態環境監測監督管理局 甘肅省林業調查規劃院, 蘭州730020)

黨河流域地處我國西北內陸肅北縣和敦煌市境內。該區域土地類型復雜、水土流失、鹽堿化等問題突出，生態環境脆弱，該區域的生態變化與社會持續穩定發展關系密切[1]。在西部開發等大政策背景下，該區域人類活動日益顯著，包括20世紀80年代起的“兩西移民”、“九甸峽庫區移民”、“疏勒河農業開發移民”等[2]。在大規模的土地開發及人類活動下，土地類型趨于豐富但分布漸趨不合理，包括林地面積減少、耕地面積減少等因素是制約生態持續健康穩定發展的“卡脖子”問題[3]。因此，從2010年開始國家相繼出臺了一系列可持續發展政策，包括國務院批準實施的《敦煌水資源合理利用與生態保護綜合規劃(2011—2020)》、2014年國家發改委印發的《甘肅省加快轉型發展建設國家生態安全屏障綜合試驗區總體方案》、敦煌市頒布實施的《敦煌市國家級生態文明建設示范區規劃》以及2015年頒布的《甘肅省生態保護與建設規劃(2014—2020年)》等。上述各項政策的核心思想在于合理規劃、改善該地區的生態要素時空格局，從科學發展角度論證該地區生態要素以及土地類型分配。對該地區的相關研究是保障“絲綢之路經濟帶”建設、構建國家生態安全屏障的有力支撐。黨河流域作為上述政策實施的重點地區，其地理位置與環境特征典型、土地類型豐富但分布不均，對該地區開展相關研究是分析上述政策落實性以及下一步規劃發展的基礎。

土地利用類型的變化是生態要素時空格局分析中的重要一環。目前，土地利用類型的時間、空間變化及景觀格局動態變化分析是其中較為關注的三點[4]。如夏成琪[5]中通過土地利用類型的時間變化特征分析了鹽城海岸帶土地利用變化，耕地面積在15 a間持續增加，說明了該地區對糧食生產重視程度的提高。張萌[6]、徐曉然[7]、楊尊尊[8]等通過采用轉移矩陣對土地利用的空間變化進行了分析，得到了土地類型中轉入與轉出土地面積的大小以及種類。在景觀格局分析中，采用景觀破碎度、景觀多樣性指數等參數對景觀的多樣性以及復雜程度進行了分析[9-11]，由此得到各類土地類型的相應屬性。通過上述三點分析，可以有效地對一個區域的土地利用以及景觀變化進行定量判斷以及對政策落實結果進行趨勢分析。然而，目前針對該地區的土地利用類型及景觀格局動態變化分析多是從宏觀角度分析，并不全面，且缺少定量數據上的比對分析。針對此，本文對2012—2018年黨河流域不同土地類型測量數據進行時間、空間以及景觀格局變化分析，研究結果旨在為該地區管理部門制定合理的土地利用保護對策提供科學依據。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

黨河流域地屬疏勒河水系，發源于祁連山山系，流經肅北縣鹽池灣、黨城灣及敦煌，流程288 km，地處我國干旱半干旱區，冬季寒冷、夏季炎熱、氣候干燥，日照時間長，晝夜溫差大。本研究黨河流域(甘肅省范圍內)總面積17 381.33 km2，地理坐標93°58′—97°3′E，38°25′—40°26′N，參照全國《土地利用現狀分類》(GB/T21010—2017)標準，該地區土地類型主要為林地、耕地、牧草地、水域、未利用地、建設用地，由于該地區所處海拔位置、山脈分布以及政策導向等特點，未利用土地占比超50%，建設用地占比小于1%(主要集中在該區域東北部)，牧草地主要集中在該區域中部，耕地主要集中在該區域東北部。黨河流域主要區域城鎮化率約70%，2019年第一、第二、第三產業產值分別為9.94億元、18.72億元、53.12億元(旅游服務業為主)，三次產業結構為12.16∶22.89∶64.95。該地區土地類型豐富但分布不均、干旱缺水、植被稀疏、風沙危害和水土流失嚴重，生態環境脆弱等問題突出。

1.2 數據來源

本研究使用的原始數據為黨河流域2012年、2014年、2016年、2018年林地更新矢量數據。將2012年、2014年、2016年、2018年四期數據進行投影坐標系同一化處理，遙感影像采用的是高分一號及二號衛星拍攝的結果，分辨率在2～2.5 m且影像圖制作符合《森林資源調查衛星遙感影像圖制作技術規程》。各縣市區林業調查人員在外業調查前均已建立完整的判讀標志，后期省級和國家林業管理部門均進行了抽樣質量檢查，確保了判讀精度。在各縣區數據的基礎上，項目組將肅北和敦煌數據合并處理，統一坐標系后，在ArcGIS 10.2軟件的支持下，結合GPS驗證點，又進行實地驗證、校對、修正，解譯精度達到90%，滿足后續分析需要。

2 研究方法

為了分析黨河流域土地利用類型變化情況，參考文獻[11-16]中的分析方法，結合本文研究問題，從土地利用類型時間、空間變化特征、景觀格局動態變化3個角度進行后續分析。

2.1 土地利用類型時間變化分析參數選擇

為了分析各土地利用類型在時間上的變化特征，參考相關文獻[11-13]，采用單一土地類型凈變化參數Nc，單一土地類型總變化參數Tc，綜合土地類型凈變化參數Sa、綜合土地類型總變化參數Ss進行后續分析。Huang等[13]指出該4個參數可以在一定程度上充分反映不同土地利用類型的時間變化特征。

(1)

(2)

(3)

(4)

其中，單一土地類型凈變化參數Nc表征某土地利用類型在一定時期內轉入與轉出面積之差，可以定量描述在一定時間范圍內研究區域某種土地利用類型的變化速度；Ua，Ub分別為某土地利用類型在研究初期和未期的面積；T為研究時長，如式(1)所示；單一土地類型總變化參數Tc某一時期內某種土地利用類型轉化面積之和來反映該土地類型與其他土地類型間的轉換程度；ΔUin為研究期內其他土地利用類型轉變為某一土地類型的面積之和；ΔUout為研究期內某一土地利用類型轉變為其他類型的面積和，如式(2)所示；綜合土地類型綜合凈變化Sa和總變化Ss用于反映土地利用類型的整體變化速度和轉換程度；Ua-i，Ub-i分別為第i種土地利用類型在研究初期和末期的面積；ΔUin-i為其他類型向第i種類型轉變的面積之和；ΔUout-i為由第i種土地利用類型向其他類型轉變的面積之和；n為土地類型數，分別如式(3)，(4)所示。

2.2 土地利用類型空間變化分析參數選擇

考慮到各種土地類型存在互相轉化關系，為了分析2012—2018土地類型的空間轉化，基于文獻[14-16]提及的面積轉移矩陣方法進行土地利用類型空間變化分析，其基本表達式如式(5)所示。

(5)

式中:Sij為研究初期和末期土地利用狀態；n為土地類型數。向量為各種土地利用的面積，反映不同景觀結構與其來源構成[16]。

2.3 景觀格局動態變化分析參數選擇

為了分析景觀格局動態變化特征，選擇景觀破碎度Ci、景觀形狀指數LSI進行后續分析。其中，各參數計算式如式(6)，(7)所示，景觀破碎度為斑塊個數與面積的比值，景觀破碎度表征景觀被分割的破碎程度；景觀形狀指數LSI用以表征斑塊的離散化程度，斑塊的離散化程度隨LSI值的增加而增大，小的LSI值說明形狀簡單。

(6)

(7)

式中:Ni為第i類景觀類型的斑塊數；Ai為第i類景觀類型的總面積；A為景觀總面積；E為邊界總長度。

3 結果與分析

3.1 土地利用類型時間變化分析

黨河流域2012—2018年林地、耕地、牧草地、水域、未利用地、建設用地變化見圖1。各類土地面積占比大小分別為未利用地、牧草地、水域、林地、耕地以及建設用地，平均占比分別為52.66%，24.32%，11.36%，9.38%，1.84%，0.44%。未利用土地占比最高，建設用地占比最少。這種土地類型的分配與當地的氣候特征有著直接的關系。

從各類土地類型總占比變化情況來看(表1)，2012—2018年中，林地總占比減少量最大，為0.47%(82.13 km2)，建設用地總占比增加量最大，為0.20%(35.10 km2)。牧草地總占比減少量0.02%(0.63 km2)，耕地、水域、未利用地均有所增加，增加量分別為0.12%(20.62 km2)，0.01%(2.16 km2)，0.16%(27.61 km2)。

圖1 黨河流域土地利用特征變化

表1 黨河流域2012-2018年不同土地類型面積變化

從各類土地在6 a間的環比變化來看：(1) 林地面積2012—2014減少了5.61%，2014—2016年減少了0.32%，2016—2018年增加了1.15%。2012—2018年林地面積共減少了4.83%。在林地的下屬分類中(表2)，6 a間灌木林地和宜林地面積均占據主導地位，相對于林地總面積的平均占比分別為54.26%與38.03%，此類林地面積較廣與當地的氣候特征有直接關系。6 a間灌木林地和宜林地分別減少了1.46%(13.17 km2)以及12.55%(86.36 km2)。宜林地的大幅減少是林地面積減少的主要貢獻源。林地其他下屬分類中，6 a間有林地、疏林地、未成林地、苗圃地、無立木林地占林地總面積比值較小，平均占比分別為3.00%，0.00%，3.42%，0.02%，1.26%。林業輔助用地面積減少量明顯，2012—2018年減少了90.91%。(2) 耕地面積2012—2014年增加了5.37%，2014—2016年減少了1.11%，2016—2018年增加了2.41%。2012—2018年耕地面積增加了6.71%。(3) 牧草地6 a間減少了0.08%，水域減少0.11%。(4) 未利用地面積2012—2014年增加了0.82%，2014—2016年增加了0.01%，2016—2018年減少了0.52%。2012—2018年的6 a間增加了0.30%。(5) 建設用地面積2012—2014年增加了18.19%，2014—2016年增加了5.2%，2016—2018年增加了26.92%。2012—2018年的6 a間增加了57.80%。綜合以上來看，6 a間，林地減少量最大，導致林地減少的關鍵因素是宜林地的大幅減少。建設用地增加量最大，增幅最快。

表2 林地下屬分類不同土地類型面積變化

為了進一步分析各土地類型變化特性，通過式(1)—(4)中的單一土地類型凈變化、總變化以及綜合土地類型凈變化以及總變化進行后續分析。從綜合土地類型凈變化與總變化程度來看(圖3)，2012—2014年這一時間段的變化程度最為劇烈，凈變化率和總變化率分別為0.98%和0.59%；變化程度最小的是2014—2016年，二者分別為0.15%和0.06%。從單一土地類型凈變化與總變化程度來看，2016—2018年建設用地增長速度最快，凈變化與總變化分別為5.38%與7.84%。除建設用地外，林地在2012—2014年的凈變化最快，為-1.12%，耕地2012—2014年總變化最快，為2.62%。

圖3 不同土地類型變化情況

3.2 土地利用類型空間變化分析

土地利用類型轉移矩陣可以反映不同土地利用類型間的相互轉移情況，便于分析土地利用類型的變化過程。基于式5，得到了表3的黨河流域2012—2018年期間土地利用類型轉移矩陣，具體各類土地轉入、轉出以及增加情況見圖4。

表3 2012-2018年土地類型轉移矩陣

圖4 不同土地類型面積轉移情況

從不同土地類型面積變化量來看，林地6 a間面積減少量最大，為82.13 km2。建設用地轉入面積始終大于轉出面積，其土地面積持續增加。從轉入轉出角度來看，未利用土地6 a間的轉入量最大，為107.76 km2，轉入面積中林地為主要貢獻源，轉入總面積88.72 km2，林地砍伐后成為了未利用土地。其中，林地轉出量最大的時間段為2012—2014年的72.68 km2，后續2016—2018年未利用土地轉出為林地50.45 km2。轉入為建設用地最多的土地類型為未利用土地，6 a間總轉入面積13.15 km2，在一定程度上說明加快了未利用土地向建設用地的開發利用轉變以及開始重視林地保護。

從總體上來看，2012—2018年土地利用類型呈現林地退化轉變為未利用土地，生態建設加強后未利用土地回轉為林地和向建設用地轉變的大趨勢。這在一定程度反映了研究區在沙漠治理、天然林保護、國家公益林保護建設等林業生態工程建設上的效果良好。

3.3 景觀格局動態變化分析

為了分析在上述土地類型變化過程中對應的景觀動態變化趨勢，從景觀破碎度Ci、景觀形狀指數LSI等角度研究了黨河流域6 a內變化情況并分析變化原因。從景觀破碎度來看(圖5)，建設用地破碎程度高，景觀連續性差，人為干擾程度大。6 a間的平均景觀破碎度從大到小分別為建設用地(58.33)、耕地(19.05)、林地(6.42)、水域(1.13)、未利用地(1.11)、牧草地(0.77)。2012—2016年各地類景觀破碎度均呈增長趨勢，2016—2018年林地和建設用地減少，其他地類繼續增長。

圖5 不同年份景觀格局變化情況

從景觀形狀指數來看，景觀形狀指數表征景觀形狀的異質性，景觀形狀指數越大，斑塊越離散。6 a間，未利用地與建設用地的景觀形狀指數均呈現上升趨勢。各土地類型的平均景觀形狀指數由大到小分別為林地(125.31)、建設用地(119.69)、未利用地(114.17)、耕地(109.68)、牧草地(66.49)以及水域(66.03)。

4 討論與結論

4.1 討 論

黨河流域作為《甘肅省生態保護與建設規劃(2014—2020年)》、《甘肅省加快轉型發展建設國家生態安全屏障綜合試驗區總體方案》等可持續發展政策下的重點區域，對其土地利用類型的變化特征的分析關系到上述政策落實性以及下一步的規劃發展。針對現有研究對該地區的土地利用類型分析主要從宏觀角度并不全面，且缺少定量數據上的比對，基于此，本文給出了定量數據的對比分析，得到了關鍵性的結論：生態建設加強后呈現未利用土地向林地和建設用地轉變的大趨勢。但本文仍存在后續需要繼續深入研究的問題，包括在更長年份中(增大樣本容量)該地區土地利用類型變化以及土地利用類型的轉變與經濟發展、人均收入等方面的關系。

4.2 結 論

(1) 從土地利用類型時間變化角度，2012—2018年，林地總占比減少量最大，為0.47%(82.13 km2)，建設用地總占比增加量最大，為0.20%(35.10 km2)。6 a間林地下屬分類中的宜林地減少量最大，為12.55%(86.36 km2)。宜林地的大幅減少是林地面積減少的主要貢獻源。

(2) 從空間變化角度，未利用土地6 a間的轉入量最大，為107.76 km2，轉入面積中林地為主要貢獻源，轉入總面積88.72 km2，林地轉出量最大的時間段為2012—2014年的72.68 km2，后續2016—2018年未利用土地轉出為林地50.45 km2。建設用地面積持續增加，貢獻量最大的為未利用土地的轉入量13.15 km2。2012—2018年土地利用類型呈現林地退化轉變為未利用土地，生態建設加強后未利用土地回轉為林地和向建設用地轉變的大趨勢。這在一定程度上反映了研究區在沙漠治理、天然林保護、國家公益林保護建設等林業生態工程建設上的改善。

(3) 從景觀格局動態變化角度，6 a間各地類的景觀破碎度總體上呈現上升趨勢，建設用地景觀破碎度最大，建設用地景觀形狀指數較大且呈現快速上升趨勢，說明人類活動較多的建設用地區域破碎度高且形狀更復雜。