西寧市土地利用景觀格局演變分析

鄔燕廷李強峰劉寶堯

(1.青海大學農牧學院，青海 西寧 810016；2.西寧市林業科學研究所，青海 西寧 810003)

土地利用/覆被變化(Land use and cover change，LUCC)是地球表層科學研究的重要內容，是目前全球變化的主要原因之一[1]。土地利用是指人類有目的地開發利用土地資源的一切活動；而土地覆被則是指地表自然形成的或者人為引起的覆蓋狀況[2]。LUCC研究的主要目的是揭示土地變化的相關過程和運行機制[3]。隨著景觀生態學的發展，景觀生態學分析方法是當前土地利用變化研究的一個重要手段[4]，在LUCC研究中利用景觀指數和景觀格局動態演變模型可以定量描述不同土地利用類型在空間和數量上的結構變化[5]。景觀生態學在較大的空間和時間尺度上注重土地利用景觀格局變化與生態過程之間的聯系，對于了解土地利用/覆被變化具有重要意義[6]。

西寧市作為西部發展的重要城市，近30年來其經濟發展、城市建設取得了顯著進步，但西寧市土地利用方式依然廣泛存在著犧牲長期的生態效益而獲取短期經濟效益的情況[3，7，8]，西寧市土地利用變化及景觀格局演變的研究有助于了解經濟快速發展背景下西寧市土地利用空間格局的變化及規律，對于指導西寧市城鄉規劃、土地資源可持續利用和生態環境保護等方面有著重要的意義。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

西寧市位于青海省東北部，是青海省省會、青藏高原第一大城市。截至2019年12月，西寧市下轄城東區、城中區、城西區、城北區(統稱為主城區/市區)、湟中區共5個區，湟源縣、大通回族土族自治縣共2個縣，總面積7660km2[9]。西寧市地處湟水及3條支流的交匯處。呈東西向條帶狀，地勢西南高、東北低。四周群山懷抱，南有南山、北有北山。地理坐標E100°52′～101°54′，N36°13′～37°28′，海拔2261～4898m。西寧市屬半干旱高原大陸性氣候，其突出特點是干旱少雨，蒸發量大，年降水量少而集中，日照時間長，春季干旱多風，夏季溫和短暫，冬季寒冷持久。

1.2 數據來源

本文所用到的數據包括地球大數據科學工程數據共享服務系統(http：//data.casearth.cn/)獲取的中國科學院航天信息創新研究院的“全球30m地表覆蓋精細分類產品”[10-14]；資源環境科學與數據中心(http：//www.resdc.cn/)下載的西寧市行政區劃及邊界數據；Google Earth上下載的研究區衛星影像。

圖1 研究區地理位置示意圖

1.3 研究方法

在現有地表覆蓋數據的基礎上，依據GB/T 21010-2017《土地利用現狀分類》[15]和《中華人民共和國土地管理法》“三大類”及相關文獻資料將西寧市土地利用/城市景觀劃分為以下6類：耕地、林地、草地、建設用地、水域、其他土地；運用GIS分析方法分析研究區土地利用類型變化情況；利用景觀指數法進行研究區景觀格局演變分析。

表1 土地利用/城市景觀類型表

1.3.1 土地利用類型變化分析——轉移矩陣

土地利用轉移矩陣可以定量描述各種地類的相互變化情況，體現為任意區域范圍內某一時段各土地利用類型數量間相互轉移的動態模型，因此大多數土地利用變化研究均采用土地利用轉移矩陣分析[5，16]。主要計算公式：

式中，S表示面積；i，j(i，j=1，2，3，…，n)分別表示研究初期和研究末期的土地利用類型；n表示土地利用類型數。

1.3.2 景觀格局分析——景觀指數法

景觀格局是景觀中斑塊、廊道和基質的空間組合，景觀格局指數是分析景觀格局的重要手段，可從斑塊水平、斑塊類型水平、景觀水平等3個水平來定義[6，17]。本文選取了斑塊類型水平上的7個指標：最大斑塊指數(LPI)、斑塊數量(NP)、斑塊密度(PD)、景觀形狀指數(LSI)、周長面積分維數(PAFRAC)、斑塊凝聚度(COHESION)、聚合度(AI)；景觀水平上的5個指標：景觀尺度斑塊密度(PD)、周長面積分維數(PAFRAC)、蔓延度指數(CONTAG)、Shannon多樣性指數(SHDI)、景觀凝聚度(COHESION)作為景觀格局分析指數。在Fragstats 4.2軟件中計算景觀指數。各指數的公式及詳細說明可參考Fragstats 4.2軟件的幫助文件。

2 結果與分析

2.1 土地利用類型變化及轉移矩陣

從1990年、2000年、2010年及2020年西寧市土地利用變化分類圖可以看出，西寧市主要土地利用類型為草地、耕地、林地和建設用地，占西寧市近99%的面積；6類景觀中草地面積占比最大，其次是耕地、林地、建設用地、水域和其他土地。

由表2可知，西寧市1990—2020年耕地、林地總量增加，其中耕地呈先增后減的趨勢，草地總量減少，三者均在1990—2000年大幅變化。建設用地面積逐年增加，水域和其他土地類型面積有少量增加。各行政區土地利用類型面積占比情況：大通縣、湟源縣和湟中區均為草地>耕地>林地>建設用地>水域和其他土地；主城區除1990年為草地>耕地，其他時期均為耕地>草地>建設用地>林地>水域和其他土地。各行政區土地利用類型面積變化情況與西寧市整體變化情況基本一致，值得注意的是，主城區耕地先增后減的變化趨勢比較明顯，建設用地的增量明顯高于其他兩縣一區，這與西寧市土地利用總體規劃[7]的城市發展路線及我國的耕地政策密切相關。

表2 1990—2020年西寧市及各行政區土地利用類型面積

為分析西寧市1990—2020年各類景觀類型之間的相互轉化情況，依據景觀類型動態轉移矩陣計算公式，在ArcGIS 10.5軟件中對1990年、2000年、2010年、2020年的4期土地利用分類圖進行疊加分析處理，分別得到1990—2000年、2000—2010、2000—2020年土地利用類型轉移矩陣分析結果，見表3。

表3 1990—2020年西寧市土地利用轉移矩陣

表4 西寧市斑塊類型尺度上景觀格局指數

表5 西寧市景觀尺度上景觀格局指數

1990—2000年，耕地、林地、建設用地、水域及其他土地類型面積均有增加，主要由草地轉出，其面積共減少了844.61km2。2000—2010年，耕地面積減少了31.83km2，草地面積減少了38.23km2，主要向建設用地轉出，建設用地面積增加了67.32km2。2010—2020年，耕地與草地面積繼續減少，主要轉出方向還是建設用地，增加了73.15km2。

整體上看，西寧市土地利用類型轉移變化情況可分為2個時期：1990—2000年草地主要轉出為耕地、林地、建設用地；2000—2020年耕地、草地向建設用地大量轉出。結合西寧市城市規劃[3，7]與林業發展[21，22]的進程，分析原因可知，前期城市緩慢擴展，重點恢復生態，而后期城市加速建設和發展，所以建設用地持續增加。

2.2 斑塊類型尺度上的指數分析

分析斑塊類型尺度上選取的7個景觀指標，得到如下結果。

最大斑塊指數(LPI)可對景觀優勢度進行度量[18]，西寧市各景觀類型中耕地、草地的LPI值遠高于其他景觀類型，且二者面積占比較高，表明耕地、草地在西寧市各景觀斑塊類型中占主導位置，對整體景觀的影響較高，其中草地減少幅度較大，說明其對整體景觀的影響在減少。通過衡量景觀破碎度和異質化的基礎指標斑塊數量(NP)和斑塊密度(PD)[19]可知，近30年西寧市草地、耕地的破碎化程度相對較高，耕地表現為減少趨勢，建設用地持續增加，林地、草地先增后減；景觀形狀指數(LSI)和周長面積分維數(PAFRAC)能反映出在一定的觀測尺度上，景觀類型形狀的復雜程度和穩定性[20]，由二者可知，林地景觀和建設用地形狀趨于復雜化，這與西寧市近30年發展城市建設及生態綠化的各項工程有關，也側面反映了一定的城市建設與綠化的成效[21，22]；耕地、草地景觀形狀趨向簡單化，比較穩定，契合西寧市在城市規劃中避免侵占耕地[7，8]，保護草地的政策意向，但生態恢復是一個長期的過程，所以現有變化并不顯著。

從度量相關斑塊類型的自然連通度和聚集程度[3]的指標斑塊凝聚度(COHESION)和聚合度(AI)分析可知，西寧市草地、耕地、林地、建設用地的斑塊凝聚度指數較高，都出現了很高的聚合度，表明這幾類景觀斑塊的自然連通度較高，在空間上呈現大塊狀集中分布的特點，水體和其他土地聚合度較低，主要是因為其分布相對零散且面積少。草地、林地聚合度趨勢先減后增，耕地、建設用地在增加，表明林草景觀在城市開發利用的初期受到一定的蠶食，破碎程度加大，后期受到保護逐漸聚合，破碎度降低。

2.3 景觀尺度上的指數分析

分析景觀尺度上選取的5個景觀指標，得到如下結果。

從斑塊密度(PD)可以看出，西寧市及各行政區PD變化趨勢均為先增后減，說明西寧市整體景觀格局受人類活動的干擾在近20年有所改善。此外，主城區各年份PD值均最大，變化態勢最明顯，表示主城區斑塊破碎程度更高，各景觀類別離散分布，受人類活動的擾動程度最大，城市化水平最高。

從周長面積分維數(PAFRAC)可以看出，除主城區外，各行政區周長面積分維度指數偏低，表明各區縣景觀幾何形狀復雜度不高，人類活動干擾相對較小，城市化水平略低。

從蔓延度指數(CONTAG)可以看出，主城區蔓延度明顯低于周圍區縣，說明主城區各類別斑塊連通性較差，破碎化程度高，城市化水平較高。周圍區縣蔓延度較高，破碎化程度較低，這與主城區、周圍區縣發展的先后順序以及周圍區縣草地、林地占比較大有關。

從香農多樣性指數(SHDI)可以看出，總體上西寧市各行政區SHDI值逐年增加，說明各時段的景觀異質性增加，西寧市土地利用景觀類型趨向于均衡化和多樣化的方向發展，景觀抗干擾能力和生態系統的穩定性都有了一定程度的提高。但湟源縣SHDI指數明顯低于其他區縣，表明湟源縣各景觀類別均衡性相對較低，原因是湟源縣耕地、草地比例較大，存在個別景觀類型主導整個區域景觀格局的現象，導致各類地物分布不均，城市建設較不完善。

從凝聚度指數(COHESION)可以看出，西寧市及各行政區的凝聚度指數值都在99以上，表明西寧市及各行政區的自然連通度很高，在空間上呈現大塊狀分布。但各區縣COHESION基本呈遞減趨勢，說明西寧市景觀斑塊的物理連接性一直在減少，反映景觀的整體性、集合性有減弱的趨勢。

3 討論與結論

研究結果顯示，在土地利用類型上，研究區主要土地利用類型為草地、耕地、林地和建設用地；西寧市整體及各行政區土地利用類型變化情況基本一致，30年間耕地、林地、建設用地總量增加，草地總量減少，水域和其他土地類型面積有少量增加。各景觀類型在1990—2000年變化較大，表現為草地向其他類型的轉出，耕地、林地、建設用地增加較多；2000—2020年建設用地持續增長，主要由耕地、草地轉入。在斑塊類型水平上，西寧市耕地和草地在各景觀斑塊類型中占主導位置，主要景觀類型耕地、草地、林地、建設用地，在空間上分布較為集中；耕地和草地景觀形狀簡單，當前破碎化程度也在減少，趨于穩定；林地景觀形狀復雜程度較高，破碎化程度在減少，但時空變化上并不顯著；建設用地景觀形狀趨向復雜化，且破碎化程度持續增加。在景觀水平上，西寧市土地利用景觀類型趨向于均衡化和多樣化的方向發展；各區縣的自然連通度較高，但景觀斑塊的物理連接性一直在減少；各區縣景觀的幾何形狀復雜度不高，前期受人類活動干擾較大，但近20年有所改善，總體上受人類活動的擾動程度較低。西寧市景觀抗干擾能力和生態系統的穩定性較高，但城市化水平略低，西寧市各行政區城市化水平表現為主城區>湟中區>大通縣>湟源縣。

該結果同相關研究結果、成果數據[21-30]顯示，西寧市土地利用類型變化的大體情況為林地、建設用地的增加，耕地、草地的減少，且建設用地由其他類型持續轉入，增長量顯著[28]。西寧市景觀格局在總體景觀連通度增加、破碎化程度降低、抗干擾能力提高、發展趨向多樣化和均衡化上達成共識，對于單一類別景觀斑塊的重要變化，即破碎化程度的分析中，基本認同建設用地破碎化增強，而林地、草地、耕地破碎化減弱的結論，前者因為城市不斷擴張發展加劇了破碎化現象，后者由于退耕還林、綠化造林等生態措施得見成效減弱了破碎化現象，但西寧市人工綠化造林現存的樹種單一、結構不良、穩定性差等問題[30]，如不加以改善和解決，生態景觀將面臨被割裂的風險。此外，西寧城市發展以主城區為中心，沿著河谷平原呈十字擴張，東部、西部和北部是西寧市城市建設用地的主要擴展方向[28，31]，由此可見西寧市各行政區城市化水平，主城區>湟中區>大通縣>湟源縣。