慶陽(yáng)市土地利用變化的景觀生態(tài)效應(yīng)研究

付夢(mèng)娣, 妙旭華, 全占軍, 葉 瑤,3, 王 琦, 李俊生, 肖能文

(1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院 環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100012;2.甘肅省環(huán)境科學(xué)設(shè)計(jì)研究院, 蘭州 730000; 3.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 南京 210095);

慶陽(yáng)市土地利用變化的景觀生態(tài)效應(yīng)研究

付夢(mèng)娣1, 妙旭華2, 全占軍1, 葉 瑤1,3, 王 琦1, 李俊生1, 肖能文1

(1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院 環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100012;2.甘肅省環(huán)境科學(xué)設(shè)計(jì)研究院, 蘭州 730000; 3.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 南京 210095);

本文以甘肅省慶陽(yáng)市為研究對(duì)象，選取2005年和2010年Landsat TM影像作為基本信息源，借助GIS技術(shù)和Fragstas 4.0軟件，研究慶陽(yáng)市的土地利用/覆被變化及其景觀生態(tài)效應(yīng)。結(jié)果表明：(1) 研究時(shí)段內(nèi)土地利用/覆蓋變化較大，各土地類型間轉(zhuǎn)換頻繁。落葉闊葉林面積大幅度減少，減少的落葉闊葉林轉(zhuǎn)變?yōu)楣嗄玖郑衣淙~闊葉林減少量大于灌木林增加量。耕地面積逐漸減少，草地、居住地和交通用地明顯增加。(2) 慶陽(yáng)市斑塊數(shù)目較多，平均斑塊面積在增加，但景觀豐富度、邊緣密度和斑塊密度呈減小趨勢(shì)。斑塊破碎化程度在減小，景觀空間異質(zhì)性減小和均質(zhì)化發(fā)展使得景觀穩(wěn)定性降低。林草地邊緣效應(yīng)的降低，使其景觀生態(tài)功能減弱。

慶陽(yáng)市； 土地利用變化； 景觀格局； 景觀空間異質(zhì)性； 生態(tài)效應(yīng)

土地利用/覆被變化可引起許多自然現(xiàn)象和生態(tài)過(guò)程的變化，研究土地利用/覆被變化及其對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，對(duì)于了解區(qū)域生態(tài)環(huán)境乃至全球環(huán)境變化具有重要的意義[1-3]。目前，這方面的研究目前注重于土地利用/覆被的時(shí)空變化過(guò)程、驅(qū)動(dòng)機(jī)制、預(yù)測(cè)模型的研究[4-6]；土地利用/覆被對(duì)氣候，水文水資源，土壤以及生物多樣性和生物地球化學(xué)循環(huán)等單個(gè)環(huán)境要素的影響研究[7]；以及土地利用/覆被變化產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究[8-9]。

慶陽(yáng)市地處甘肅省東部，素有“隴東糧倉(cāng)”之稱，在全國(guó)生態(tài)功能區(qū)劃中屬于黃土高原丘陵溝壑區(qū)土壤保持重要區(qū)，地處半濕潤(rùn)-半干旱季風(fēng)氣候帶，土地利用具有農(nóng)牧交錯(cuò)的特點(diǎn)，是生態(tài)環(huán)境敏感和脆弱的地區(qū)。作為我國(guó)黃土高原典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，特殊的黃土結(jié)構(gòu)，加之年內(nèi)和年際間降水變異大，導(dǎo)致了該地區(qū)水土流失嚴(yán)重[10]。加之慶陽(yáng)市是長(zhǎng)慶油田的主產(chǎn)區(qū)，石油資源儲(chǔ)量28.47億t，2005年原油產(chǎn)量228萬(wàn)t，2010年原油產(chǎn)量為390.09萬(wàn)t[11]；慶陽(yáng)市煤炭藏覆蓋全市，預(yù)測(cè)儲(chǔ)量1 428億t，占全省儲(chǔ)量的94%，開(kāi)采前景廣闊；2008年慶陽(yáng)列入省內(nèi)重要的能源化工基地[12]。隨著慶陽(yáng)市人口對(duì)自然資源的利用壓力逐年增加，目前已超出了自然生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)承載能力范圍，慶陽(yáng)市生態(tài)環(huán)境處于不安全狀態(tài)，與此同時(shí)慶陽(yáng)地區(qū)土地集約利用與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展度處于中度失調(diào)衰退類，當(dāng)前的發(fā)展模式是不可持續(xù)的[13-14]。景觀生態(tài)學(xué)非常注重空間結(jié)構(gòu)與生態(tài)過(guò)程的相互作用，重視大尺度上人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響，強(qiáng)調(diào)時(shí)空的異質(zhì)性，特別是人類活動(dòng)加劇導(dǎo)致景觀破碎化，對(duì)生物多樣性的影響日趨嚴(yán)重，成為景觀格局研究的重要內(nèi)容[15]。景觀生態(tài)學(xué)的理論和方法越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于土地利用、自然資源管理等方面，對(duì)于了解區(qū)域生態(tài)環(huán)境乃至全球環(huán)境變化具有重要的意義。

為了探討慶陽(yáng)市近5 a來(lái)土地利用變化情況以及對(duì)景觀格局的影響情況，本文利用Landsat TM遙感數(shù)據(jù)，借助GIS和RS的空間分析和地統(tǒng)計(jì)分析功能，從景觀生態(tài)學(xué)角度研究近5 a慶陽(yáng)市土地利用/覆被變化以及對(duì)景觀生態(tài)效應(yīng)的影響，其結(jié)果將對(duì)該區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)和生態(tài)安全建設(shè)有重要意義。

1 區(qū)域概況與研究方法

1.1 研究區(qū)域

慶陽(yáng)市轄一區(qū)七縣，土地總面積27 119 km2，總?cè)丝?30.31萬(wàn)。地勢(shì)大致從東、北、西三面呈“箕狀”向南部緩慢傾斜。慶陽(yáng)市屬溫帶半干旱半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫8.9～10.4℃，年均降水量505 mm，從東南向西北遞減。多年平均總流量為26.7 m3/s，總徑流量8.43億m3，侵蝕模數(shù)達(dá)8 000 t/(km2·a)以上。境內(nèi)森林植被主要分布在子午嶺，林地面積5 470.97 km2，占總面積的20.16%；草地是慶陽(yáng)市最主要的土地利用類型，草地面積約13 314.91 km2，占總面積的49.1%；慶陽(yáng)盛產(chǎn)小麥、玉米、蕎麥、小米、燕麥、黃豆等特色小雜糧，境內(nèi)旱地面積約6 895.97 km2，占總面積的25.43%。土壤類型以黃綿土和黑壚土為主。在地質(zhì)構(gòu)造上，慶陽(yáng)市位于鄂爾多斯盆地西南緣沖積扇發(fā)育的三角洲前緣主體上，境內(nèi)含有豐富的石油、煤炭、天然氣、煤層氣等礦產(chǎn)資源。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本研究采用慶陽(yáng)市2期12景Landsat TM影像作為基本信息源，其數(shù)據(jù)獲取時(shí)間為2005年和2010年7—9月，主要考慮該時(shí)間段具有植被發(fā)育好、地表信息豐富等特點(diǎn)，有利于對(duì)各生態(tài)環(huán)境因子的判讀。其中TM 第6波段分辨率為120 m其余波段為30 m，掃描寬度185 km。此外還有慶陽(yáng)市1∶25萬(wàn)土地利用現(xiàn)狀圖、30 m分辨率的數(shù)字高程模型(DEM)，1∶100萬(wàn)的全國(guó)土壤數(shù)據(jù)、野外實(shí)測(cè)的地物光譜數(shù)據(jù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)資料等。

采用先預(yù)處理后信息提取的方法，使用ERDAS 9.1對(duì)兩期影像進(jìn)行432波段的假彩色合成，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行直方圖增強(qiáng)、亮度匹配等空間域增強(qiáng)處理。用計(jì)算機(jī)解譯和人工解譯相結(jié)合的方法對(duì)慶陽(yáng)市的兩期遙感影像進(jìn)行分類，提取出來(lái)的土地利用數(shù)據(jù)以COVERAGE格式存儲(chǔ)。

參照《生態(tài)十年環(huán)境感監(jiān)測(cè)土地覆蓋分類系統(tǒng)》(2013年版)，分別將慶陽(yáng)市2005年和2010年土地利用情況劃分為6個(gè)一級(jí)類型和19個(gè)二級(jí)類型，具體的一級(jí)土地利用類型為：林地、草地、濕地、耕地、人工表面和其它用地。

1.3 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣計(jì)算

根據(jù)兩期遙感影像的土地利用分類結(jié)果，采用ArcGIS的Tabulate Area工具進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并使用Excel最終得到慶陽(yáng)市2005—2010年土地利用/履蓋變化轉(zhuǎn)移矩陣。

1.4 景觀格局指數(shù)計(jì)算

用景觀指數(shù)描述景觀格局及變化，建立格局與景觀過(guò)程之間的聯(lián)系，是景觀生態(tài)學(xué)最常用的定量化研究方法。景觀斑塊分類的人為性很強(qiáng)，目前大多采用土地利用現(xiàn)狀類型[16-17]，在分析景觀結(jié)構(gòu)和空間異質(zhì)性變化的基礎(chǔ)上，分析土地利用變化的景觀生態(tài)效應(yīng)。本文選取斑塊數(shù)、斑塊平均大小、斑塊密度、邊緣密度、Shannon多樣性指數(shù)、均勻度、優(yōu)勢(shì)度和破碎度來(lái)研究慶陽(yáng)市景觀格局變化特征，上述指數(shù)的計(jì)算方法與生態(tài)意義詳見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)[18-20]，采用ArcGIS 10景觀分析模塊和Fragstats 4.0軟件進(jìn)行景觀指數(shù)的運(yùn)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用變化分析

2005—2010年，土地利用/覆蓋變化較大，各土地類型間轉(zhuǎn)換頻繁(表1，表2)，變化較大的土地利用類型為林地、耕地、草地和人工表面。林地變化為負(fù)增長(zhǎng)，面積減少0.01%，其面積分別為5 474.71 km2和5 470.97 km2，其中落葉闊葉林面積減少13.13 km2，減少的部分主要轉(zhuǎn)出落葉闊葉灌木林和草叢；針闊混交林面積減少1.4 km2；落葉闊葉灌木林面積增加10.79 km2，增加部分主要由旱地和落葉闊葉林轉(zhuǎn)入；耕地面積減少1.68%，其面積分別為7 352.47 km2和6 895.97 km2，減少的部分主要轉(zhuǎn)入草地、居住地和落葉闊葉灌木林，增加的部分主要由草地與落葉闊葉灌木林轉(zhuǎn)入，耕地減少面積遠(yuǎn)大于增加面積；草地面積增加1.13%，其面積分別為13 007.72 km2和13 314.91 km2，其中草甸增加0.02 km2，增加的部分主要由旱地轉(zhuǎn)入，草原面積增加268.19 km2，增加的部分主要由旱地和落葉闊葉灌木林轉(zhuǎn)入，草叢面積增加38.98 km2，增加部分主要由旱地、落葉闊葉林和轉(zhuǎn)入；人工表面面積增加150.58 km2，其中居住地面積增加120.85 km2，交通用地面積增加29.03 km2，工業(yè)用地面積增加0.69 km2，居住地變化主要體現(xiàn)在各區(qū)縣駐地面積的擴(kuò)張上。

表1 慶陽(yáng)市2005-2010年土地利用統(tǒng)計(jì)表

表2 慶陽(yáng)市2005-2010年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 km2

2.2 景觀結(jié)構(gòu)特征指數(shù)變化分析

2005—2010年，慶陽(yáng)市景觀豐富度在減小，斑塊總數(shù)由73 944個(gè)減少到72 182個(gè)(表3)，主要表現(xiàn)為草原斑塊減少530個(gè)，旱地斑塊減少427個(gè)。平均斑塊面積從36.68 hm2增加到37.58 hm2(表3)，其中草地、落葉闊葉灌木林、旱地、居住地、工業(yè)用地增加較多，常綠針葉林、針闊混交林、采礦場(chǎng)、沙漠/沙地卻在減少，說(shuō)明慶陽(yáng)市城市化進(jìn)程的加快。斑塊密度減少0.036 1個(gè)/100 hm2(表3)，其中工業(yè)用地、交通用地、水庫(kù)/坑塘斑塊密度有所增加，草地、旱地、落葉闊葉灌木林則在減少，說(shuō)明慶陽(yáng)市的景觀異質(zhì)性在降低，工業(yè)用地、交通用地和水體出現(xiàn)的頻率有所增加，草地和林地出現(xiàn)的頻率則呈減少趨勢(shì)。景觀總的邊緣密度減少了3.367 2 m/hm2(表3)，其中旱地、草地、落葉闊葉灌木林減少顯著，工業(yè)用地和交通用地的邊緣密度在增加，說(shuō)明旱地、草地、落葉闊葉灌木林斑塊邊緣在簡(jiǎn)單化，而工業(yè)用地和交通用地斑塊邊緣在復(fù)雜化。

表3 2005-2010年慶陽(yáng)市區(qū)景觀結(jié)構(gòu)特征指數(shù)變化

2.3 景觀空間異質(zhì)性指數(shù)變化分析

慶陽(yáng)市2005—2010年景觀空間異質(zhì)性指數(shù)變化如表4，2005—2010年，景觀的香農(nóng)多樣性和均勻度指數(shù)均有所提高，表明景觀類型向均衡性方向發(fā)展的趨勢(shì)，這也是慶陽(yáng)市建設(shè)用地增加，耕地和林地面積減少的直接反映。優(yōu)勢(shì)度指數(shù)反映了一種或幾種景觀斑塊支配景觀格局的程度，表示景觀多樣性對(duì)最大多樣性之間的偏差。慶陽(yáng)市優(yōu)勢(shì)度指數(shù)由2005年的1.423 2減小為2010年的1.403 0，表明景觀類型比例差別在縮小。破碎度在一定程度上反映了人類對(duì)景觀的干擾程度。破碎度指數(shù)由2005年的2.651 9減小為2010年的2.596 9，表明景觀類型總體上呈現(xiàn)更為簡(jiǎn)單并集中連片的分布趨勢(shì)。

表4 2005-2010年慶陽(yáng)市區(qū)景觀空間異質(zhì)性指數(shù)變化

3 討論與結(jié)論

基于以上分析可以看出，慶陽(yáng)地區(qū)土地利用類型的景觀結(jié)構(gòu)和景觀空間異質(zhì)性指數(shù)均發(fā)生了明顯變化。各景觀組分表現(xiàn)出同化的趨勢(shì)，這些變化必將對(duì)地區(qū)的生態(tài)穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響。

2005—2010年，慶陽(yáng)市土地利用/覆蓋變化較大，研究時(shí)段內(nèi)落葉闊葉林面積大幅度減少，減少的落葉闊葉林大部分轉(zhuǎn)變?yōu)楣嗄玖郑衣淙~闊葉林減少量大于灌木林增加量，耕地面積逐漸減少，草地、居住地和交通用地明顯增加。耕地主要分布在慶陽(yáng)南部黃土高原的塬面及溝谷地帶，其面積減少主要是由于實(shí)施多年的“退耕還林(草)、封山綠化、個(gè)體承包、以糧代賑”生態(tài)退耕政策[21]。生態(tài)退耕不僅影響著土地利用與植被空間格局，還影響植被演替、群落多樣性、土壤質(zhì)量和水土流失等生態(tài)功能[22]。耕地面積減少的同時(shí)導(dǎo)致草地面積的大幅度增加。同時(shí)慶陽(yáng)市現(xiàn)有森林植被的空間分布具有明顯的地帶性差異特征，總的特征是：西北部貧乏，中南部較少，東部相對(duì)豐富。森林植被主要分布在東部的子午嶺，全部為自然更新的次生林。研究時(shí)段內(nèi)，落葉闊葉林面積減少13.13 km2，減少的落葉闊葉林大部分轉(zhuǎn)變?yōu)楣嗄玖郑覝p少量大于增加量。人工表面面積有明顯增加，主要表現(xiàn)為城鎮(zhèn)用地和農(nóng)村居民點(diǎn)面積的擴(kuò)張，工業(yè)用地的增加，境內(nèi)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)度的加快，反映出區(qū)域城市化進(jìn)程加快的特點(diǎn)。

受自然地理要素的影響，慶陽(yáng)市景觀總體構(gòu)成表現(xiàn)為景觀破碎度較高，斑塊數(shù)目較多，斑塊平均大小和斑塊密度都很小。研究時(shí)段內(nèi)土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣的分析表明，耕地與草地和灌木林地之間的相互轉(zhuǎn)化較多，穩(wěn)定不變的耕地所占比例不大，總體上耕地面積的大量減少向其他各種景觀組分都有不同程度的轉(zhuǎn)移。

景觀斑塊破碎化程度在減小，景觀穩(wěn)定性降低。慶陽(yáng)市2005—2010年，斑塊數(shù)量減少1 762塊，斑塊平均面積增加0.9 hm2，表明了斑塊破碎化程度降低的趨勢(shì)，這主要是由于退耕還林還草政策的實(shí)施使得草地連接度升高，以及河流和交通用地連接度升高所致。與此同時(shí)，景觀多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、優(yōu)勢(shì)度、破碎度均呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，表明景觀異質(zhì)性在減小，景觀中斑塊優(yōu)勢(shì)度在減小，斑塊類型在景觀中趨于均勻分布，景觀類型比例差別在縮小。景觀空間異質(zhì)性的減小和均質(zhì)化發(fā)展必然導(dǎo)致景觀穩(wěn)定性的降低。板塊邊緣效應(yīng)降低。斑塊同化將引起相鄰生態(tài)系統(tǒng)被邊緣隔離、暴露在其他生態(tài)系統(tǒng)中的邊緣比例減小。2005—2010年間，邊緣密度減少3.367 2 m/hm2，林地和草地邊緣效應(yīng)的降低，使其對(duì)周圍斑塊類型的影響相應(yīng)減小，景觀生態(tài)功能減弱。在1978—2005年期間，慶陽(yáng)市一直處在經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境水平下降的趨勢(shì)之中，環(huán)境—經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)度下降[23]。近5 a來(lái)景觀生態(tài)效應(yīng)受經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)影響依然明顯。

總的來(lái)看，人類活動(dòng)是慶陽(yáng)市土地利用變化的主要驅(qū)動(dòng)力，退耕還林還草、植樹(shù)造林、天然林保護(hù)，導(dǎo)致耕地的減少和草地、灌木林地的增加。溝谷縱橫、地形破碎，決定了慶陽(yáng)市小面積斑塊的主導(dǎo)地位與較高的景觀破碎度。景觀總體上表現(xiàn)出破碎化降低，異質(zhì)性在減小，斑塊類型趨于均質(zhì)化發(fā)展，景觀穩(wěn)定性在降低。建設(shè)與恢復(fù)慶陽(yáng)市景觀生態(tài)系統(tǒng)需要對(duì)景觀尺度上的土地利用方式做出必要的調(diào)整。

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LandUseChangeandItsEcologicalEffectinQingyangCityofGansuProvince

FU Meng-di1, MIAO Xu-hua2, QUAN Zhan-jun1, YE Yao1,3, WANG Qi1, LI Jun-sheng1, XIAO Neng-wen1

(1.StateKeyLaboratoryofEnvironmentalCriteriaandRiskAssessment,ChineseResearchAcademyofEnvironmentalSciences,Beijing100012,China; 2.InstituteofEnvironmentalScienceResearchandDesignofGansuProvince,Lanzhou730000,China; 3.CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing210095,China)

In this paper, with the aid of the GIS technology and the software of Fragstas 4.0, Landsat/TM images of Qingyang city in 2005 and 2010 were selected to study the land use/cover change and its landscape ecological effects. The results showed that land use/cover of Qingyang had changed greatly within these periods. Land covers between various types were frequently transformed. The area of deciduous broad-leaved forest decreased greatly and was converted into shrubbery. The decrement area of deciduous broad-leaved forest is greater than increment area of shrubbery. The area of cropland decreased, while the area of grassland, residence and traffic land increased evidently. The number and mean size of patches were added in Qingyang. However, landscape richness, edge density and patch density reduced. The patch fragmentation and landscape spatial heterogeneity decreased and the tendency of homogenize of landscape Led to the decline of landscape stability. The decrease of edge effect of woodland and grassland Led to the function declined of landscape.

Qingyang; land use changes; landscape pattern; landscape spatial heterogeneity; ecological effects

2014-01-10

：2014-01-25

中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)(2013-YSKY-16)；國(guó)家科技支撐項(xiàng)目(2008BAC43B01)

付夢(mèng)娣(1987—),女,黑龍江饒河縣人,學(xué)士,助理研究員,主要從事遙感與GIS應(yīng)用研究。E-mail:mengdi_fu@163.com

肖能文(1973—),男,湖南桃江人,博士,副研究員,主要從事生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、土壤動(dòng)物生態(tài)學(xué)和生態(tài)毒理學(xué)研究。E-mail:xiaonw@163.com

F301.2；X171.1

：A

：1005-3409(2014)06-0240-05