寶雞市渭北旱塬區(qū)土地利用及景觀格局動(dòng)態(tài)變化分析

郭力宇，李 怡，郭 昭

土地是人類(lèi)賴(lài)以生存和發(fā)展的載體［1］，土地利用是社會(huì)狀態(tài)和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)地表進(jìn)行有目的經(jīng)營(yíng)和改造的一項(xiàng)長(zhǎng)期且復(fù)雜的過(guò)程［2］。土地利用類(lèi)型變化不僅對(duì)生物多樣性減少、生態(tài)環(huán)境演變及全球氣候變化產(chǎn)生重要影響，且影響著景觀格局的變化［3-4］。景觀格局可反映不同景觀類(lèi)型和數(shù)量在空間分布上的變化特征［5］。目前，關(guān)于土地利用及景觀格局動(dòng)態(tài)演變的研究已在國(guó)內(nèi)外大量展開(kāi)，其研究方向趨于從大尺度綜合研究逐漸轉(zhuǎn)向小范圍深化研究［6-9］。因此，開(kāi)展區(qū)域土地利用及景觀格局變化研究對(duì)于提高土地利用效率、制定科學(xué)土地利用政策、加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)、引導(dǎo)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有一定現(xiàn)實(shí)意義。

寶雞渭北旱塬區(qū)川塬交錯(cuò)，地形地貌復(fù)雜，生物類(lèi)型多樣，旅游資源豐富，是陜西省重要的農(nóng)作物基地。與此同時(shí)，該區(qū)域地形破碎，生態(tài)環(huán)境脆弱，水資源貧乏。自1999年全國(guó)實(shí)施退耕還林還草工程以及進(jìn)入21世紀(jì)西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略向縱深推進(jìn)，該區(qū)域城鎮(zhèn)化速率加快，土地利用格局變化顯著。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于寶雞渭北旱塬區(qū)的土壤、農(nóng)業(yè)、氣候變化等相關(guān)問(wèn)題已有較多研究，但對(duì)該地區(qū)的土地利用變化及景觀格局時(shí)空演變特征的研究尚為薄弱［10-12］。本研究針對(duì)研究區(qū)現(xiàn)存生態(tài)問(wèn)題及研究現(xiàn)狀，結(jié)合GIS技術(shù)和景觀格局分析方法對(duì)研究區(qū)土地利用類(lèi)型及景觀格局動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行系統(tǒng)分析，以期為合理制定生態(tài)保護(hù)策略和土地調(diào)控政策提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

寶雞渭北旱塬區(qū)地處寶雞市西北部，陜西省中西部地區(qū)，位于 106°19'10.71″－108°00'51.20″E，34°21'49.98″－35°05'28.32″N，土地總面積 82.78 萬(wàn)hm2，主要涵蓋寶雞市的隴縣、千陽(yáng)縣、陳倉(cāng)區(qū)西北、鳳翔縣、岐山縣、扶風(fēng)縣北部。該區(qū)域?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)區(qū)半濕潤(rùn)氣候，光熱資源豐富，雨熱同期，年均溫度10.3℃，年降水量400～600 mm，主要集中于夏季。地貌類(lèi)型可分為3部分(圖1)，北部為海拔800 m以上的麟游黃土臺(tái)塬地區(qū)，干旱是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要限制因素;中部為千川河道地區(qū)，主要水系為黃河的二級(jí)支流千河;南部是隴山石質(zhì)山地區(qū)域。

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理 本研究所用遙感影像資料為研究區(qū)域2000、2005年和2010年Landsat TM遙感影像以及2014年Landsat OLI遙感影像數(shù)據(jù)，利用ENVI5.1軟件對(duì)遙感影像進(jìn)行預(yù)處理，輻射糾正、幾何糾正和圖像配準(zhǔn)，進(jìn)一步在人機(jī)交互方式下目視解譯。并通過(guò)實(shí)際調(diào)查，結(jié)合土地利用更新調(diào)查數(shù)據(jù)對(duì)遙感影像解譯數(shù)據(jù)進(jìn)行核查和糾正，參照我國(guó)《土地利用現(xiàn)狀分類(lèi)》方法，根據(jù)具體研究目標(biāo)將土地利用類(lèi)型劃分為林地、草地、耕地、建設(shè)用地、水體和裸地，結(jié)合陜西行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪得到寶雞渭北旱塬區(qū)2000、2005、2010年和2014年土地利用現(xiàn)狀分類(lèi)圖，經(jīng)野外取點(diǎn)驗(yàn)證，準(zhǔn)確率達(dá)到85%以上。

1.2.2 土地利用時(shí)空變化分析 借助Arcgis10.3的空間疊置分析和統(tǒng)計(jì)分析功能對(duì)各期土地利用圖進(jìn)行空間疊置分析，獲得研究期間土地利用轉(zhuǎn)移矩陣和土地利用類(lèi)型空間變化圖，以此對(duì)各個(gè)地類(lèi)的時(shí)空變化進(jìn)行分析。

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是研究各種土地利用類(lèi)型之間轉(zhuǎn)換的主要研究方法［13］，包含豐富的地類(lèi)變化方向信息及研究期末各種地類(lèi)的來(lái)源與構(gòu)成信息，具有重要統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣數(shù)學(xué)形式為:

式中，A表示面積;n表示轉(zhuǎn)移前后的土地利用類(lèi)型數(shù);i、j(i，j=1，2…，n)分別表示轉(zhuǎn)移前與轉(zhuǎn)移后的土地利用類(lèi)型;Aij表示轉(zhuǎn)移前的i地類(lèi)轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)換后的j地類(lèi)的面積。

1.2.3 土地利用類(lèi)型變化速度分析 通過(guò)計(jì)算出各地類(lèi)的單一土地利用動(dòng)態(tài)度、土地利用開(kāi)發(fā)度和耗減度，進(jìn)一步分析各種土地利用類(lèi)型的動(dòng)態(tài)變化速度。

單一土地利用類(lèi)型動(dòng)態(tài)度可定量描述各種土地利用類(lèi)型變化速率［14］，其計(jì)算公式為:

式中，Ua、Ub為研究初期及研究末期某種地類(lèi)的面積;T為研究時(shí)段。

土地利用開(kāi)發(fā)度可表達(dá)某一時(shí)間段內(nèi)某種地類(lèi)實(shí)際新開(kāi)發(fā)的程度(由于此指數(shù)不適用于未利用地，所以對(duì)未利用地不進(jìn)行此項(xiàng)計(jì)算)，計(jì)算公式為:

式中，Dab表示a時(shí)刻到b時(shí)刻某種地類(lèi)新開(kāi)發(fā)面積，即由其他地類(lèi)轉(zhuǎn)為該地類(lèi)的總面積，Ua表示a時(shí)刻該地類(lèi)面積。

土地利用耗減度可表達(dá)某一時(shí)間段內(nèi)某種土地利用類(lèi)型實(shí)際被消耗程度，計(jì)算公式為:

式中，Cab表示從a時(shí)刻到b時(shí)刻某種土地利用類(lèi)型被轉(zhuǎn)移面積，即研究期間該土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)化為其他土地利用類(lèi)型的總面積。

1.2.4 景觀格局分析 景觀指數(shù)高度濃縮了景觀格局信息，能反映其結(jié)構(gòu)組成和空間配置特征，更好解釋和體現(xiàn)景觀功能［15］。根據(jù)研究目的及研究區(qū)域景觀尺度的特點(diǎn)，本研究在景觀尺度上選取了斑塊數(shù)量、平均斑塊面積、邊緣密度指數(shù)、斑塊密度指數(shù)、周長(zhǎng)面積分維數(shù)、香農(nóng)多樣性指數(shù)和香農(nóng)均勻度指數(shù)進(jìn)行分析，通過(guò)Fragstatis 4.1完成景觀指數(shù)計(jì) 算。

圖1 研究區(qū)范圍Fig.1 Location of study area

圖2 2000－2014年土地利用分布Fig.2 Spatial distribution of land use during 2000－2014

圖3 2000－2014年土地利用類(lèi)型變化Fig.3 Spatial variations of land use change during 2000－2014

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用結(jié)構(gòu)變化分析

土地利用結(jié)構(gòu)是指在某區(qū)域內(nèi)各種土地利用類(lèi)型的數(shù)量比列關(guān)系以及空間分布特征［16］。由表1和圖2分析，研究區(qū)域內(nèi)，林地主要分布于麟游黃土臺(tái)塬和隴山石質(zhì)山地區(qū)域，面積居于絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，面積比重為50%～57%，且處于增加趨勢(shì)，故研究區(qū)景觀基質(zhì)為林地。其次是耕地，約占研究區(qū)面積30%左右，但處于減少趨勢(shì)，由于千川河道地形平坦，土地肥沃，利于灌溉，所以此區(qū)域耕地分布最廣。再次是草地，面積比重約10%，較多分布于麟游黃土臺(tái)塬區(qū)，這與此區(qū)域地勢(shì)較高，溫度偏低，降水量少有利于草本植物生長(zhǎng)的自然條件密切相關(guān)，關(guān)山牧場(chǎng)即位于此區(qū)域。前10 a，草地面積處于增加趨勢(shì)，后期草地面積有所減少，但減少比例不大。城鎮(zhèn)用地占土地總面積2%以上，且處于增加趨勢(shì)，以千川河道城鎮(zhèn)分布最廣。未利用地和水域僅占研究區(qū)面積均不到1%。

2.2 土地利用時(shí)空變化分析

單純土地利用類(lèi)型面積增減對(duì)于探究區(qū)域土地利用總體情況變化有一定的參考價(jià)值，但是無(wú)法很好反映各地類(lèi)間轉(zhuǎn)化情況，研究土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)換有助于即時(shí)掌握土地利用類(lèi)型時(shí)空分布變化過(guò)程［17-19］。通過(guò)分析2000－2014年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(表2)，結(jié)合2000－2014年土地利用類(lèi)型變化圖(圖3)可以看出，耕地轉(zhuǎn)出幅度最大，主要發(fā)生在千川河道和麟游黃土臺(tái)塬區(qū)，轉(zhuǎn)出面積達(dá)20 878.23 hm2，主要轉(zhuǎn)換為草地和林地，占耕地轉(zhuǎn)出量的46.61%和 45.34%，其次轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，面積為1 580.8 hm2，占 7.57%。草地 92.15%由耕地轉(zhuǎn)入，7.72%由林地轉(zhuǎn)入。林地同樣主要由耕地轉(zhuǎn)入，占林地轉(zhuǎn)入量的93.02%。草地和林地面積增加最明顯區(qū)域集中在麟游黃土臺(tái)塬西部地區(qū)，在研究時(shí)段內(nèi)，建設(shè)用地轉(zhuǎn)出量最少，面積擴(kuò)張明顯，轉(zhuǎn)入面積1 287.03 hm2，88.11%由耕地轉(zhuǎn)入，由于千川河道地勢(shì)平坦，城鎮(zhèn)化速度較快，建設(shè)用地?cái)U(kuò)張占用耕地?cái)?shù)量最多。林地、耕地、草地之間轉(zhuǎn)化頻繁，主要原因是人為砍伐和破壞導(dǎo)致部分林地退化為草地，人口增長(zhǎng)的壓力又使部分荒草地和林地被開(kāi)墾為耕地，隨著生態(tài)恢復(fù)和退耕還林還草政策的實(shí)施，耕地又轉(zhuǎn)化為草地和林地。

表1 2000－2014年土地利用結(jié)構(gòu)Table 1 Land use structure during 2000－2014

表2 2000－2014年各類(lèi)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Table 2 Land use transfer martix during 2000－2014 hm2

2.3 土地利用變化速度分析

不同時(shí)期各土地利用類(lèi)型動(dòng)態(tài)變化速率差異顯著，由表3分析可知，研究時(shí)間段內(nèi)，未利用地耗減度和動(dòng)態(tài)變化度均最高，耗減度從2000－2005年的9.70%上升至 2005－2010 年的10.30%，2010－2014年耗減度降低，但相比其他地類(lèi)仍較高，表明14 a間，未利用地受到重視并得到充分利用。耕地2000－2005年動(dòng)態(tài)變化幅度最大，主要是耕地耗減，耗減度為1.17%，2005－2014年耗減度逐漸降低，耕地的開(kāi)發(fā)度一直處于弱勢(shì)，不足0.1%。草地和水體的開(kāi)發(fā)度在2000－2005年均較高，草地的開(kāi)發(fā)度一直處于減少趨勢(shì)，其動(dòng)態(tài)變化幅度也相對(duì)減小，2010－2014年，草地的耗減度＞開(kāi)發(fā)度。水體的開(kāi)發(fā)度呈先減少后增加模式。建設(shè)用地耗減度最小，并且2000－2010年，耗減度為0，動(dòng)態(tài)度和開(kāi)發(fā)度先增加后減少，表明研究區(qū)在2010－2014年，城鎮(zhèn)化速率有所減緩。林地的動(dòng)態(tài)度和開(kāi)發(fā)度均處于減小趨勢(shì)，其耗減度也較小。綜合分析，各地類(lèi)在研究后期動(dòng)態(tài)變化幅度均有所降低，表明研究時(shí)間段后期區(qū)域土地利用變化相對(duì)趨于穩(wěn)定。

表3 2000－2014年各類(lèi)土地利用變化指數(shù)Table 3 Indexes of dynamic changes of the land use during 2000－2014 %

2.4 景觀格局變化分析

土地景觀類(lèi)型之間的相互作用，共同影響著景觀水平格局特征?？傮w上看，該區(qū)域景觀水平格局指數(shù)在研究時(shí)段內(nèi)發(fā)生了不同變化(表4)。

表4 景觀尺度上景觀格局指數(shù)Table 4 Landscape indices on landscape level

景觀破碎化程度可以用斑塊數(shù)量、平均斑塊面積、邊緣密度指數(shù)和斑塊密度指數(shù)4個(gè)指標(biāo)來(lái)反映［20］。研究期間，景觀斑塊數(shù)量、邊緣密度、斑塊密度指數(shù)均呈降低趨勢(shì)，減幅分別為4.31%、7.57%和2.87%。平均斑塊面積呈增加趨勢(shì)，增幅為4.51%。這些指標(biāo)變化說(shuō)明景觀破碎化程度降低。

香農(nóng)多樣性指數(shù)是對(duì)景觀元素或生態(tài)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)、功能及隨時(shí)間變化方面多樣性的反映，它體現(xiàn)了景觀異質(zhì)性［21］。研究表明，香農(nóng)多樣性指數(shù)一直處于上升趨勢(shì)，增幅為0.84%，說(shuō)明這期間的景觀異質(zhì)性增加。香農(nóng)多樣性指數(shù)和香農(nóng)均勻度指數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系，香農(nóng)均勻度指數(shù)增幅同樣為0.84%，表明各景觀類(lèi)型均勻度增強(qiáng)。綜上說(shuō)明，研究區(qū)土地利用景觀類(lèi)型趨于均衡化和多樣化發(fā)展。景觀抗干擾能力和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性得到提高。

周長(zhǎng)面積分維數(shù)在2000－2005年呈增加趨勢(shì)，增幅為0.25%，說(shuō)明前期經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中未注重土地利用的合理化，使研究區(qū)景觀整體形狀趨于復(fù)雜。2005－2010年，周長(zhǎng)面積分維數(shù)有所下降，減幅為0.07%，說(shuō)明后期經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市發(fā)展更加有序，實(shí)施的生態(tài)恢復(fù)工程使研究區(qū)土地利用景觀斑塊在形狀上趨于規(guī)則化、簡(jiǎn)單化。但總體來(lái)看，2014年周長(zhǎng)面積分維數(shù)與2000年相比較高，表明還有待于進(jìn)一步加強(qiáng)生態(tài)恢復(fù)，合理進(jìn)行生產(chǎn)建設(shè)，使土地利用趨于合理化。

3 結(jié)論與討論

寶雞市渭北旱塬區(qū)地處關(guān)中平原與隴山山脈的過(guò)渡地帶，其景觀變化有著自身的特征。通過(guò)2000、2005、2010、2014 年4 期近 14 a的遙感影像數(shù)據(jù)研究分析獲得以下結(jié)論。

研究區(qū)土地利用類(lèi)型主要為林地，所占面積＞50%;其次為耕地，所占比例約30%。研究期間，草地、林地、建設(shè)用地面積整體呈增加趨勢(shì)，主要由耕地轉(zhuǎn)入，分別占耕地轉(zhuǎn)出量的46.61%、45.34%和7.57%，耕地面積減少最多，變化的主要?jiǎng)恿κ怯捎谕烁€林還草政策實(shí)施與城鎮(zhèn)化快速發(fā)展所導(dǎo)致。

研究區(qū)土地利用類(lèi)型處于動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)，2000－2005年期間變化度較大，2005－2014年期間變化度相對(duì)降低。其中，未利用地和耕地耗減度較高，分別是10.3%和1.17%;相應(yīng)地，草地和水體開(kāi)發(fā)度較高，分別是1.62%和2.03%;林地的動(dòng)態(tài)度和開(kāi)發(fā)度處于降低的趨勢(shì)，建設(shè)用地動(dòng)態(tài)度2000－2010年處于緩增加的趨勢(shì)，從0.53%增長(zhǎng)至 0.95%，后期有所減緩降低至0.69%。

研究區(qū)2000－2014年域景觀格局變化是，整體景觀格局破碎化程度降低，景觀抗干擾能力和生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到提高，但其周長(zhǎng)面積分維數(shù)14 a間有所下降，說(shuō)明景觀整體形狀在人為和自然因素的干擾下趨于復(fù)雜化。

寶雞渭北旱塬區(qū)在后期的土地利用規(guī)劃與發(fā)展中，需要合理管控建設(shè)用地?cái)U(kuò)張，保障耕地和其他用地類(lèi)型規(guī)模，以保證糧食安全，促進(jìn)生態(tài)建設(shè)，引導(dǎo)區(qū)域和諧可持續(xù)發(fā)展。