青藏高原土地利用景觀格局變化分析

張 興

(長安大學地球科學與資源學院，陜西 西安 710054)

景觀格局是指景觀的空間結構特征，是景觀的異質性的具體表現，空間異質性是景觀的重要屬性之一[1]。土地利用景觀隨著自然環境的制約和人類活動的干預而發生變化，同時是自然界最普遍和最重要的景觀類型[2]，對于土地利用景觀格局的研究也是學術研究的熱點，并逐漸成為全球變化研究的前沿。有關土地利用景觀格局變化特征及時空演變規律的研究，國內外學者均取得了豐富的成果[3-7]。

青藏高原被譽為“世界屋脊”和“地球第三極”，其獨特的自然格局和豐富的生態系統對我國乃至東亞地區的生態安全穩定具有重要的屏障作用[8]。近年來，隨著全球氣候變化以及人類活動的加劇，使得青藏高原的生態環境與生態安全正面臨著巨大壓力[9]，對于青藏高原地區展開土地利用景觀格局變化的研究對青藏高原國家生態安全屏障保護具有重要意義，同時可為該區域的生態環境保護提供科學依據。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

青藏高原地處我國西南部，東西跨度超過31個經度(N26°10′～39°30′，E73°20′～104°20′)，見圖1。平均海拔4000m以上，面積約250萬km2，約占中國國土面積的1/4，是中國最大、世界平均海拔最高的高原[10]。青藏高原內部有1500多個湖泊，同時也是中國和東南亞地區多條河流的發源地，如長江、黃河、瀾滄江、雅魯藏布江等[11]。青藏高原的部分山脈延伸至多個國家，由于國外數據獲取難度大，本文只研究我國境內部分，從行政區劃來看，青藏高原地區地跨青海、西藏、新疆、云南、甘肅、四川等6個省區。

1.2 數據來源

青藏高原地區土地利用數據及行政區劃shp格式文件來源于中國科學院資源環境數據云平臺(http://www.resdc.cn/)。

2 研究方法

2.1 土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣是描述某事物從t時刻狀態轉移到t+1時刻狀態的概率[12]。土地利用轉移矩陣可以直觀全面地反映土地利用變化的來源和去向，以便對土地利用變化進行定性定量分析[13]，其表達式：

(1)

2.2 景觀指數的選擇與計算

在眾多景觀格局的分析方法中，景觀指數的應用最為廣泛。景觀指數可以高度集中景觀格局信息，反映其結構組成，對于景觀空間配置格局等特征進行比較的一種定量指標[14,15]。Fragstats3.3將景觀指數分為斑塊(patch)、類型(class)和景觀(landscape)3種類型。結合本研究目的和青藏高原景觀特征，從類型和景觀2種水平上選取了7種景觀指數進行分析，各指數的縮寫及生態學意義在Fragstats軟件中均有具體說明[16]。

2.3 核密度分析法

核密度分析法通過數據樣本來研究空間數據的分布特征，并通過既定的距離衰減函數來度量研究要素密度的變化情況，以探索熱點在空間區域的分布和變化特征。該方法廣泛應用于聚集類的實證分析研究，核密度值的高低表示研究對象在空間上集聚程度的大小[17,18]，其表達式：

(2)

式中，Fn(x)表示核密度值；(x-xi)表示估計點到的距離；h表示帶寬；n表示帶寬范圍內的點數。

3 研究結果

3.1 土地利用變化分析

3.1.1 土地利用動態變化分析

土地利用結構變化可以充分反映出土地利用動態變化趨勢，各土地類型之間的轉化趨勢主要通過土地利用轉移矩陣來實現。根據1995年、2005年和2015年的土地利用數據，在IDRISI軟件中利用Markov工具生成土地利用轉移面積矩陣，該矩陣反映了1995—2005年以及2005—2015年林地、草地、水域、城鄉、工礦及居民用地、未利用地和耕地這5種景觀類型轉移的面積，見表1、2。

圖1 青藏高原1995—2015年景觀類型分布圖

1995—2015年，青藏高原地區林地和未利用地面積減少，草地、水域、建設用地和耕地面積均增加。由表1可知，1995—2005年，林地和未利用地面積減少，其它類型均增加。林地的主要轉移去向為未利用地和草地，未利用地主要轉移為草地和水域；其它類型方面，草地的增加主要由291348km2的未利用地和95602km2的林地轉化而來；水域的增加主要由35379km2的草地和22909km2的未利用地轉化而來；建設用地和耕地略有增加，但變動幅度較小。

表1 1995—2005年土地利用轉移面積矩陣

由表2可知，2005—2015年，林地、未利用地和耕地面積減少，其它類型均增加。林地主要轉移為草地和水域，面積分別為19420km2和9610km2；未利用地轉入水域面積最大，達75051km2；耕地面積減少幅度不大；其它類型方面，草地的增加主要由19420km2的林地和14914km2的未利用地轉化而來；水域的增加主要由115922km2的草地和75051km2的未利用地轉化而來；建設用地變動幅度仍較小。

表2 2005—2015年土地利用轉移面積矩陣

3.1.2 景觀類型變化的核密度分析

核密度值的高低表示研究對象在空間上集聚程度的大小。本文依據1995和2015年青藏高原土地利用類型圖，利用ArcGIS提取1995—2015年間6類土地利用類型發生變化的地區，進行核密度分析，得出1995—2015年6類景觀變化的空間可視化結果，結果見圖2。

圖2 1995—2015年青藏高原地區景觀類型變化的核密度分析圖

結合表1、2可知，林地面積變化的高密度區主要集中分布于青藏高原的東部及東南部地區的高山峽谷區，如藏東南、川西和滇西北地區等。由于建設用地的擴張、樹木的砍伐等原因，林地面積在1995—2005年迅速減少[19]，但在2005—2015年間，生態安全屏障建設工程實施的成效顯著，使得林地面積趨于穩定，變化幅度較小；青藏高原草地是我國生態安全屏障的重要組成部分，草地面積變化的高密度區域分布廣泛，氣候變暖變濕和生態恢復工程是青藏高原變綠的主要動因[20]；水體面積的變化集中于青藏高原幾大湖區，如青海湖、納木錯、班公錯、色林錯等。在全球變暖導致以青藏高原為核心的“第三極”地區成為全球變暖最強烈的背景下，青藏高原地區的水體正在發生劇烈變化，冰川加速退縮、冰川徑流增加、湖泊顯著擴張導致了較大幅度的水域面積增加[21,22]；建設用地的變化集中于青海及西藏的主要城市，如西寧和拉薩，人口增長和社會經濟的發展是建設用地擴張的主要動因；未利用地變化的高值區主要分布在青藏高原地區的西北部及南部的裸巖礫石地和東北部的裸土地區域，未利用地面積主要呈減少趨勢，這也是氣候的暖濕化和生態保護共同作用下的結果[23]；耕地變化集中于河湟谷地、雅魯藏布江中游及其2個支流流域區域，耕地面積整體呈上升趨勢，耕地擴張的主要原因是人口增長、經濟發展以及農業機械化的大規模發展，如機耕、機收的推廣[24]。

3.2 景觀格局分析

3.2.1 類型水平上景觀格局指數分析

在類型水平上分析景觀格局，能夠明確不同景觀類型的動態特征及其對整個景觀類型的影響程度。圖3a和3b中，6種景觀類型的斑塊數(NP)和景觀形狀指數(LSI)在1995—2015年均呈上升趨勢，表明其景觀破碎度加深，形狀趨于復雜化，離散度增加。由圖3c可知，草地的最大斑塊指數(LPI)遠高于其它類型景觀，加之草地的總面積最大，表明草地在6種景觀類型中占主導地位；其次為未利用地和林地，草地的最大斑塊指數(LPI)在1995—2015年總體呈上升趨勢，未利用地和林地的最大斑塊指數(LPI)呈下降趨勢，可見草地對于整體景觀的影響仍在逐漸增加；水域、建設用地和耕地的最大斑塊指數(LPI)數值遠低于其余景觀，表明其對整體的景觀影響較低。由圖3d可知，林地、草地、水域和未利用地都呈現出了很高的聚合度，說明這幾種景觀類型在空間上的分布態勢呈現集中的特點；建設用地和耕地聚合度較低，主要是因為其分布相對零散，但建設用地的聚集度指數(AI)有所上升，林地、水域、未利用地和耕地的聚集度指數(AI)有所降低，是因為在開發利用過程中受到一定的蠶食，使得這些景觀的破碎程度加大。

圖3 青藏高原地區1995—2015年景觀類型指數

3.2.2 景觀水平上景觀格局指數分析

從景觀水平上對景觀格局進行分析，能夠明確景觀格局整體演變規律。由表3可知，1995—2015年，青藏高原地區的蔓延度指數(CONTAG)呈逐漸降低趨勢，表明各類景觀類型的中小型斑塊數量逐漸增多，景觀連通性變差；聚集度指數(AI)逐漸減少，表明不同斑塊間的聚集程度減弱，破碎程度加大；香農均勻度指數(SHDI)以2005年為界，先減少后增加，表明2005年之后，景觀趨于復雜化，異質性增加，景觀格局向著均衡化發展；香農多樣性指數(SHEI)以2005年為界，先減少后增加，表明2005年之后，研究區景觀格局的均勻度增加，各類型景觀逐步分化為更小的斑塊。

表3 青藏高原地區1995—2015年景觀水平指數

4 結論與討論

本文基于青藏高原地區土地利用數據，對該地區土地利用及景觀變化格局進行分析，結果如下。

1995—2015年，青藏高原地區土地利用結構發生了劇烈變化，林地和未利用地面積減少，草地、水域、建設用地和耕地面積均增加。氣候暖濕化和生態保護工程的實施使得青藏高原的林地面積迅速減少轉變為趨于穩定，未利用地面積持續縮小，其轉移去向主要為草地及水域，草地和水域面積顯著增加；同時人口增長和經濟的發展所帶來的建設用地和耕地的擴張也較為顯著。

研究時段內青藏高原地區的景觀格局變化顯著。類型水平上，6類景觀的斑塊數(NP)和景觀形狀指數(LSI)上升，表明其景觀破碎度加深；草地的最大斑塊指數(LPI)最大，表明其占據主導地位；林地、草地、水域和未利用地在空間上的分布都很集中，而建設用地和耕地的聚合度較低，主要是因為其分布面積小，且相對零散。景觀水平上，整體的蔓延度指數(CONTAG)和聚集度指數(AI)下降，香農均勻度指數(SHDI)和香農多樣性指數(SHEI)先減少后增加，表明研究區內部景觀破碎程度加大，各類型景觀逐步分化為更小的斑塊。

青藏高原在1995—2015年間，土地利用景觀格局發生了重要變化，景觀碎片化程度明顯加深，一系列的變化體現出青藏高原地區的生態環境正在遭受著巨大挑戰，需要增強對于青藏高原地區生態環境保護的意識。