湟水流域近10年土地利用與景觀格局演變分析

山中雪，趙 霞，曹廣超

(1.青海省自然地理與環(huán)境過程重點實驗室，青海 西寧 810008；2.青海師范大學 生命與地理科學學院，青海 西寧 810008)

湟水流域近10年土地利用與景觀格局演變分析

山中雪1,2，趙 霞1,2，曹廣超1,2

(1.青海省自然地理與環(huán)境過程重點實驗室，青海 西寧 810008；2.青海師范大學 生命與地理科學學院，青海 西寧 810008)

景觀格局指數(shù)；土地利用變化；土地轉移矩陣；湟水流域

以青海省湟水流域為研究區(qū)，采用中分辨率TM影像和HJ-1衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)，利用2000、2005、2010年3個時相的土地利用遙感解譯數(shù)據(jù)，計算了森林、草地、水域、農田、城鎮(zhèn)用地和未利用地6個一級分類的土地利用類型轉移矩陣，提取了景觀格局指數(shù)，在此基礎上分析了土地利用變化與景觀格局的演變特征。結果表明，湟水流域土地利用變化最明顯的是農田、城鎮(zhèn)用地和草地，其中農田呈持續(xù)減少態(tài)勢，城鎮(zhèn)用地和草地呈增加態(tài)勢；從土地轉移矩陣來看，城市擴張帶來的建設用地增加是造成流域農田減少的主要原因，而草地的增加主要受益于退耕還林還草和流域生態(tài)建設等政策的實施。從景觀斑塊類型的變化來看，變化最大的是農田和城鎮(zhèn)，10年期間，農田在面積減少的同時景觀分離度增加，城鎮(zhèn)用地在面積增加的同時景觀聚集度增加，這說明城鎮(zhèn)用地在由中心向外擴張的過程中，空間分布較緊湊且連接性較好；與此同時，草地的斑塊個數(shù)、斑塊密度呈明顯減小趨勢，而農田與城鎮(zhèn)用地的斑塊個數(shù)、斑塊密度總體呈增加趨勢，這說明人類活動的不斷擴張導致了湟水流域景觀破碎度增加。從景觀整體水平來看，景觀水平指數(shù)中邊緣密度、形狀指數(shù)、香農多樣性指數(shù)、香農平均度指數(shù)均呈增加趨勢，這說明湟水流域景觀結構異質性呈增加趨勢。

土地利用是人類改造自然的主要方式，因其對環(huán)境和生態(tài)的作用而在全球環(huán)境變化研究領域受到高度重視。在人為活動占優(yōu)勢的景觀內，不同土地利用方式產生的生態(tài)影響具有區(qū)域性和累積性的特征，并且可以直觀地反映在生態(tài)系統(tǒng)的結構和組成上[1]。景觀格局研究是景觀生態(tài)學研究景觀空間格局、過程及其與人類社會之間相互作用的核心領域，以景觀幾何特征為基礎的景觀格局指數(shù)可以有效地反映這一過程，特別是基于土地利用/覆被變化(LUCC)的景觀格局指數(shù)，在生態(tài)過程與空間格局的相互關聯(lián)上建立了鏈接并使之可度量[2]。流域是一個完整的地理單元，流域內的景觀格局是自然和人類活動疊加作用的結果，以流域為尺度分析流域內景觀格局的動態(tài)變化，是進行流域綜合治理和合理調控景觀格局的有效手段[3]。湟水流域是青海省人口最集中的區(qū)域，也是社會經(jīng)濟發(fā)展的核心區(qū)域，以2010年為例，全省近60%的人口、52%的耕地和70%以上的工礦企業(yè)分布于此，因此分析湟水流域的LUCC和景觀格局，對于定量了解土地利用與景觀格局之間的關系、合理制定流域生態(tài)保護和土地調控政策具有重要意義。基于以上認識，我們利用遙感解譯數(shù)據(jù)，對2000—2010年間的土地利用類型變化和景觀格局指數(shù)進行了分析，探討了造成這種變化的主要原因和驅動力。

1 研究區(qū)域概況

1.1 地理位置

湟水是黃河上游最大的一級支流，位于36°02′—37°28′N、100°42′—103°01′E之間，發(fā)源于青海省海晏縣達坂山南坡，自西向東流經(jīng)青海省的海晏、西寧、平安、民和等縣(市)和甘肅省蘭州市紅古區(qū)、永靖縣，于永靖縣上車村注入黃河，干流全長374 km，青海境內干流長335.4 km，流域總面積16 224.36 km2，約占青海省總面積的2.3%，包括海北藏族自治州的海晏縣，西寧市4區(qū)和所轄的湟源、湟中、大通3縣，海東行署所轄的平安、互助、樂都、民和、化隆5縣。

1.2 氣候概況

湟水流域屬高原干旱半干旱大陸性氣候，高寒、干旱，日照時間長，太陽輻射強，晝夜、冬夏溫差大，氣候地理分布差異大，垂直變化明顯。年均降水量約500 mm，70%的降水量集中在6—9月，年平均氣溫7.9 ℃。

1.3 社會經(jīng)濟概況

2010年，湟水流域總人口320萬人，約占全省總人口的56.7%；其中城鎮(zhèn)人口42萬人，約占全省城鎮(zhèn)人口總數(shù)的53.2%；平均城市化水平約42%，比全省平均水平(45%)低3百分點。

據(jù)統(tǒng)計資料，2010年，湟水流域國民生產總值8 854 635萬元，占全省的58.2%。其中：第一產業(yè)增加值544 642萬元，占全省的40.4%；第二產業(yè)增加值4 858 215萬元，占全省的65%，第二產業(yè)中工業(yè)產值約占67%；第三產業(yè)增加值3 451 778萬元，占全省的73%。與全省10 ∶55 ∶35的產業(yè)結構(三次產業(yè)的產值比)相比，湟水流域的產業(yè)結構(7 ∶54 ∶39)中第一產業(yè)份額相對較低、第三產業(yè)份額相對較高，顯示出這一區(qū)域在全省國民經(jīng)濟中服務業(yè)和工業(yè)高度集中的特點。

2 研究方法與技術

2.1 數(shù)據(jù)來源

此次研究采用中分辨率遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)(2000和2005年以Landsat TM/ETM數(shù)據(jù)為主，2010年以HJ-1衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)為主)的解譯成果，包括2000、2005、2010年3個時相的土地利用分類數(shù)據(jù)和青海省縣級行政區(qū)劃矢量圖，相關社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來源于當年的《青海省統(tǒng)計年鑒》。

2.2 數(shù)據(jù)處理

通過地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS 10.0，利用研究區(qū)范圍對2000、2005、2010年3期遙感解譯青海省土地利用一級分類矢量數(shù)據(jù)，并對青海省縣級行政區(qū)劃矢量圖進行裁剪，得到湟水流域2000、2005、2010年土地利用景觀分類圖，一級分類6個，即森林、草地、水域、農田、城鎮(zhèn)用地和未利用地。

選取合理的景觀指數(shù)是比較全面地描述景觀格局的關鍵，此次研究依據(jù)研究目的和研究區(qū)特征選取了以下景觀格局指數(shù)[4]：斑塊類型面積、斑塊個數(shù)、最大斑塊指數(shù)、斑塊密度、邊緣密度、景觀形狀指數(shù)、平均形狀指數(shù)、平均分維指數(shù)、平均周長面積比、平均鄰近指數(shù)、斑塊分維數(shù)、蔓延度指數(shù)、斑塊凝聚度、景觀分離度、香農多樣性指數(shù)、香農均勻度指數(shù)。使用景觀統(tǒng)計軟件Fragstatis 3.3計算了上述景觀格局指數(shù)。

2.3 分析方法

首先，通過3期土地利用數(shù)據(jù)計算出不同類型間的土地轉移矩陣，分析轉移矩陣的數(shù)量和方向，得出不同土地利用類型之間的變化規(guī)律及其原因；其次，以景觀斑塊類型為單元，分析居優(yōu)勢地位的斑塊類型及其在2000—2010年的變化趨勢；最后，以景觀格局為單元，分析2000—2010年間流域整體的景觀水平指數(shù)變化動態(tài)。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化

根據(jù)湟水流域2000、2005和2010年的土地利用狀況(表1)，可以看出：流域內草地面積分布最廣；其次是農田，約占流域面積的30%左右；再次是森林；未利用地、城鎮(zhèn)用地和水域僅占研究區(qū)不到15%的面積。這與本區(qū)域的環(huán)境本底和人類活動有關，湟水流域的自然環(huán)境致使草地面積遼闊，而作為青海省最重要的種植業(yè)區(qū)域則使其農田面積僅次于草地面積。

表1 湟水流域2000、2005、2010年的土地利用狀況

通過2000—2010年土地利用類型轉移矩陣表(表2)，可以看出：流域中面積變化最大的是農田，呈減少趨勢， 2010年農田占流域面積的比例比2000年減少了4.1百分點，減少面積達到664.46 km2，其中583.92 km2是退耕還林還草的面積；草地面積占流域面積的比例變化僅次于農田，增加面積最多，2010年比2000年增加了577.13 km2；增加面積次多的是城鎮(zhèn)用地，增加了74.98 km2，再次是水域，增加了7 km2； 森林的面積先增后減(2005年比2000年增加了4.12 km2，2010年比2005年減少了0.17 km2)，總體上呈增加趨勢(2010年比2000年增加了3.95 km2)；未利用地的變化較為復雜，但總體面積未發(fā)生較大的變化(2010年比2000年增加了1.4 km2)。從時間特征上看，各類用地之間的轉換主要發(fā)生在前期(2000—2005年)，后期(2006—2010年)轉換規(guī)模較小。

表2 湟水流域2000—2010年期間的土地轉移矩陣

3.2 景觀斑塊尺度的類型變化

從景觀斑塊類型尺度來看(表3)，2000—2010年期間，斑塊類型面積最大的是草地，并呈現(xiàn)增長趨勢，2010年增長到713 048 hm2，由此可以判斷居優(yōu)勢地位的斑塊類型為草地。根據(jù)Forman和Godron[5]的景觀斑塊體-基質-廊道模式與基質判別標準，草地為湟水流域的景觀基質。

通過對斑塊個數(shù)的統(tǒng)計可知，各景觀類型按斑塊個數(shù)排序為：草地>未利用地>森林>城鎮(zhèn)用地>農田>水域。其中：水域和未利用地的斑塊個數(shù)在前5年增加，后5年不變；草地的斑塊個數(shù)逐年遞減；農田的斑塊個數(shù)逐年增加；城鎮(zhèn)用地和森林的斑塊個數(shù)則為先增加后減少。

表3 湟水流域2000—2010年的景觀結構指數(shù)變化

斑塊個數(shù)經(jīng)常被用來描述整個景觀的異質性，其值的大小與景觀的破碎度也有很好的正相關性。最大斑塊指數(shù)的變化可以改變干擾的強度和頻率，反映人類活動的方向和強弱。通過表3可以得知，城鎮(zhèn)用地的最大斑塊指數(shù)穩(wěn)增不減，但斑塊個數(shù)卻先增后減；而農田最大斑塊指數(shù)逐年遞減，斑塊個數(shù)卻逐年增長。因此，可以結合斑塊個數(shù)及最大斑塊指數(shù)判斷，在人類活動的影響下，景觀的破碎化程度加劇。

從景觀類型特征來看(表4)，湟水流域的生態(tài)系統(tǒng)中，變化較大的是農田和城鎮(zhèn)用地，其次是草地和水域，變化較小的是未利用地和森林。就農田和城鎮(zhèn)用地而言，2000—2010年期間變化較大的景觀指數(shù)為景觀分離度(農田增加了100.58%、城鎮(zhèn)用地減少了66.05%)、最大斑塊指數(shù)(農田減少了31.22%、城鎮(zhèn)用地增加了78.42%)和斑塊類型面積、斑塊所占景觀面積的比例(均為農田減少了12.82%、城鎮(zhèn)用地增加了22.47%)。上述指標的變化說明，2000—2010年，農田在面積減少的同時景觀分離度增加(即破碎化趨勢明顯)，而城鎮(zhèn)用地則在面積增加的同時景觀分離度減少。草地和水域的景觀指數(shù)變化較大的為景觀分離度(草地減少了16.19%、水域減少了8.23%)、斑塊個數(shù)(草地減少了10.25%、水域增加了2.99%)、斑塊密度(草地減少了10.33%、水域增加了2.41%)和斑塊類型面積、斑塊所占景觀面積的比例(均為草地增加了8.85%、水域增加了6.25%)，這說明草地和水域都是在面積增加的同時景觀分離度下降。未利用地和森林的變化極小，在此不再贅述。

表4 湟水流域2000—2010年的景觀類型指數(shù)變化

3.3 景觀整體水平的指數(shù)動態(tài)

從景觀總體特征來看，湟水流域生態(tài)系統(tǒng)景觀水平指數(shù)變化不是十分顯著(表5)，在分析的15個指標中，2000—2010年只有2個指標(最大斑塊指數(shù)和景觀分離度)的變化率超過了19%(前者減少了19.455%、后者增加了27.768%)，表明流域一級生態(tài)系統(tǒng)類型的最大斑塊面積有明顯下降、生態(tài)系統(tǒng)類型之間的分離度有明顯增加；在剩余的13個指標中，有5個指標呈明顯的增加趨勢，即平均鄰近指數(shù)、邊緣密度、景觀形狀指數(shù)、香農多樣性指數(shù)和香農平均度指數(shù)(增加率分別為2.213%、0.522%、0.497%、0.140%和0.132%)；有2個指標呈微弱的增加趨勢，即平均形狀指數(shù)和平均分維指數(shù)(分別增加了0.055%和0.020%)；剩余的6個指標(斑塊個數(shù)、斑塊密度、平均周長面積比、斑塊分維數(shù)、蔓延度指數(shù)、斑塊凝聚度)均呈明顯的減小趨勢。

表5 湟水流域2000—2010年的景觀水平指數(shù)變化

注：表中變化率是根據(jù)未四舍五入的原始數(shù)據(jù)計算的。

4 結論與討論

(1)通過3期土地利用類型的轉移矩陣所反映的10年內土地利用類型變化規(guī)律及原因大致分為以下3點：①農田面積大范圍減少，主要由人為的綠地擴張及城市化建設所代替。②從轉換類型上看，城鎮(zhèn)建設用地在前期(2000—2005年)增加的面積主要由2種地類(即農田和草地)轉變而來，而到后期(2005—2010年)城鎮(zhèn)用地增加的面積由4種地類轉變而來，即森林、草地、水域和農田；從數(shù)量上看，城鎮(zhèn)用地后期增加的面積比前期少；轉換類型的增加說明了城鎮(zhèn)建設有加劇的趨勢。③湟水作為黃河上游最大的支流，其生態(tài)保護是青海省的重要生態(tài)建設項目之一，因此2000—2010年期間濕地的小范圍擴張較為明顯；未利用地的變化較為復雜，但總體面積未發(fā)生較大的變化。

(2)以景觀斑塊類型為單元，分析其景觀類型指數(shù)得出以下結論：第一，由斑塊面積及其變化來看，草地為湟水流域的景觀基質；第二，從景觀類型特征來看，變化最大的是農田和城鎮(zhèn)用地。在2000—2010年期間，農田在面積減少的同時景觀分離度增加，說明景觀破碎化趨勢明顯；而城鎮(zhèn)用地則在面積增加的同時景觀分離度減少，說明城鎮(zhèn)用地是由中心向外擴張，且擴張的空間分布緊湊，連接性較好。

(3)從景觀總體尺度上看，湟水流域景觀呈現(xiàn)以下特征：第一，景觀結構異質性增大。從景觀水平指數(shù)分析，邊緣密度、形狀指數(shù)、香農多樣性指數(shù)、香農平均度指數(shù)均呈增加趨勢；從景觀類型上看，城鎮(zhèn)用地的景觀分離度在2000—2010年減少十分明顯，而農田的景觀分離度增加最為明顯，這說明城鎮(zhèn)用地的快速擴張分割了農田的景觀，導致景觀空間異質性增大。第二，景觀破碎化程度增加。從總體上看，湟水流域景觀分離度呈增加趨勢，尤其在2000—2005年期間，增加最為明顯。從景觀類型上看，草地的斑塊個數(shù)、斑塊密度呈明顯減小趨勢，而農田與城鎮(zhèn)用地的斑塊個數(shù)、斑塊密度總體呈增加趨勢，這說明人類活動的不斷擴張導致了湟水流域景觀破碎度增加。

綜上所述，近10年湟水流域農田持續(xù)減少，而人口快速增長，特別是城市人口，導致農田景觀的分離度和破碎化趨勢加??；未來一定時期內，湟水流域作為青海省耕地最為集中和東部城市群建設的核心區(qū)域，流域內城市用地的擴張將不可避免，由此帶來的人地矛盾特別是城市擴張與耕地保護之間的矛盾將持續(xù)激化，因此農地保護和糧食供給工作不能弱化，要嚴格執(zhí)行土地特別是農用地的用途管制制度，控制城市建設占用農用地特別是耕地的數(shù)量，努力提高城市土地容積率，按照緊湊型城市理念合理規(guī)劃城市用地。

此外，從流域生態(tài)環(huán)境來看，湟水流域位于青藏高原向黃土高原的過渡地帶，屬生態(tài)脆弱區(qū)，流域內生態(tài)破壞、水土流失和土地退化等問題嚴重。景觀格局指數(shù)的分析表明，近10年湟水流域的景觀破碎化程度在加劇，但空間結構相對穩(wěn)定，未發(fā)生較大改變。草地作為湟水流域的景觀基質，水域作為流域最為關注的景觀類型，兩者面積在增加的同時，景觀分離度有所下降，表明近10年內流域生態(tài)保護政策實施的效果較為顯著。但從流域景觀的動態(tài)變化來看，未來一定時期內流域的景觀格局和生態(tài)質量仍不容樂觀。因此，為增強湟水流域的可持續(xù)發(fā)展能力，需要進一步加強流域森林、草地等植被的覆蓋率，增強河道連通性建設，改善流域生態(tài)本底；與此同時，加強人工濕地、人工綠地、人工坑塘、人工湖庫等生態(tài)工程的建設，通過增加河、湖、水庫、沼澤、濕地等水域面積，增強對流域水土資源和生態(tài)系統(tǒng)服務功能的調控能力。

[1] 布仁倉,胡遠滿,常禹，等.景觀指數(shù)之間的相關分析[J].生態(tài)學報,2005,25(10):2764-2775.

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[3] 王成,魏朝富,袁敏.不同地貌類型下景觀格局對土地利用方式的響應[J].農業(yè)工程學報,2007,23(9):64-71.

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[5] Forman R T T,Godron M.Landscape Ecology[M].New York:John Wiley and Sons Ltd,1986:320-321.

(責任編輯 徐素霞)

國家自然科學基金項目(41301230)

F301.24

A

1000-0941(2015)06-0049-05

山中雪(1988—)，女，青海湟中縣人，碩士研究生，主要從事地理信息系統(tǒng)方面的研究；通信作者趙霞(1975—)，女，青海貴德縣人，副教授，博士，主要從事土壤地理與農業(yè)土地利用研究。

2014-06-20