鹽池縣土地利用自然生態(tài)位變化及其對景觀格局的影響

張曉寧，劉學(xué)錄，，王全喜，李曉丹，徐亞男

1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，蘭州 730070

2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)管理學(xué)院，蘭州 730070

0 前言

自1939年德國的Troll提出景觀生態(tài)學(xué)(Landscape Ecology)[1]一詞以來，已經(jīng)歷了近80年的研究歷程。在宏觀尺度上，研究景觀要素的空間格局以及生態(tài)過程的相互作用和動態(tài)變化已成為核心內(nèi)容。由于景觀指數(shù)能夠反映景觀結(jié)構(gòu)組成、空間配置特征以及表達簡單量化等特點[2]，因此廣泛應(yīng)用于景觀格局分析及動態(tài)變化的研究。充分理解景觀格局變化和成因的社會和生態(tài)后果，使得人們能夠預(yù)測未來景觀動態(tài)并制定更加有效的景觀管理策略的能力增強。

生態(tài)位理論是生態(tài)學(xué)重要的基礎(chǔ)理論之一。國外生態(tài)位理論的應(yīng)用領(lǐng)域主要集中于生物與城市兩個方面，在生物領(lǐng)域的研究對象涉及到了動物[3]、植物[4]和微生物[5]等，對城市的研究包括人口生態(tài)位的可持續(xù)性[6]、城市生態(tài)位建設(shè)的弊端[7]等。國內(nèi)關(guān)于生態(tài)位的研究除了生物[8-9]和城市[10]領(lǐng)域外，越來越多學(xué)者結(jié)合前人的研究，根據(jù)自己的研究方向，在生態(tài)農(nóng)業(yè)[11]、森林資源評價[12]、企業(yè)發(fā)展[13]、醫(yī)學(xué)預(yù)防[14]和區(qū)域旅游[15]等領(lǐng)域的研究也較為普遍。隨著生態(tài)位理論的發(fā)展，該理論應(yīng)用于土地利用的研究也越來越多[16-18]，倪九派等[19]、張俠等[20]基于生態(tài)位的態(tài)勢理論構(gòu)建了土地利用生態(tài)位的理論和模型。陳英等對土地利用生態(tài)位的概念與內(nèi)涵給了明確的界定:土地利用生態(tài)位主要表示不同土地利用類型占用新生境的能力[21]，并指出土地利用生態(tài)位的主要內(nèi)涵體現(xiàn)在自然生態(tài)位、經(jīng)濟生態(tài)位和社會生態(tài)位三個方面。鞏中來等認為土地利用自然生態(tài)位主要是指土地在改善土地質(zhì)量、涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)空氣質(zhì)量、減少污染等生態(tài)價值方面的作用[22]。此定義反映了各土地利用類型在土地利用系統(tǒng)中占有的空間、所處的地位及其所具有的功能等，是土地利用生態(tài)位變化的一個驅(qū)動因素，即可以通過分析不同土地利用類型的自然生態(tài)位來研究土地利用變化的機理、過程及其未來的趨勢。

由于土地生態(tài)位驅(qū)動下的土地利用類型變化，對區(qū)域物質(zhì)循環(huán)和能量流動產(chǎn)生直接或間接的影響，是區(qū)域土地景觀格局改變的重要因素之一[22]，而自然生態(tài)位作為土地復(fù)合生態(tài)位的一個屬性，與景觀格局存在著一定的關(guān)聯(lián)性，因此可以運用相關(guān)性分析的方法探討土地利用自然生態(tài)位與景觀動態(tài)變化、景觀格局變化的關(guān)系。目前，已有文章將景觀指數(shù)與土地利用經(jīng)濟生態(tài)位結(jié)合起來對區(qū)域景觀格局進行分析[23-24]，但從土地利用自然生態(tài)位角度研究景觀格局的尚未見相關(guān)文章。本文選取處于農(nóng)牧交錯帶的鹽池縣作為研究區(qū)域，將土地利用自然生態(tài)位理論引入到對縣域景觀格局的研究當中，研究土地利用自然生態(tài)位動態(tài)變化，探討景觀格局的動態(tài)演變及其與土地利用自然生態(tài)位的關(guān)系，不僅對該區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)及土地利用規(guī)劃具有重要意義，而且對區(qū)域土地資源的可持續(xù)利用提供決策支持。

1 研究區(qū)概況

鹽池縣位于寧夏回族自治區(qū)東部，南北長110 km，東西寬 66 km，地處陜、甘、寧、蒙四省(區(qū))交界地帶，也是歷史上中國農(nóng)耕民族與游牧民族的交界地帶。鹽池縣北接毛烏素沙漠，南靠黃土高原，是典型的過度地帶，屬典型的大陸性季風(fēng)氣候，冬冷夏熱，晴天多，降雨少，光能豐富，日照充足溫差大，冬夏兩季氣候迥異，平均溫差28℃左右，秋冬交節(jié)之際，晝夜溫差可達20℃。

2 數(shù)據(jù)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

研究區(qū)行政區(qū)劃數(shù)據(jù)和1995年、2005年、2015年的土地利用數(shù)據(jù)均來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)，借助 ENVI 5.1、ArcGIS 10.2軟件對數(shù)據(jù)進行處理得到；景觀指數(shù)采用 Fragstats 4.2軟件進行獲??；相關(guān)系數(shù)計算基于SPSS19.0軟件；圖和表用Word和Excel進行制作。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用自然生態(tài)位模型

土地利用生態(tài)位是隨著區(qū)域發(fā)展條件和土地利用方式的變化而不斷變化的，土地利用生態(tài)位越大，地域空間單元吸引人流、物流的能力越強。土地利用自然生態(tài)位可以體現(xiàn)土地利用產(chǎn)生的生態(tài)效益(態(tài))和潛在生態(tài)效益(勢)，反過來講，土地利用類型的生態(tài)效益可以反映土地利用自然生態(tài)位的高低，當某種土地利用類型的生態(tài)效益低時，其就處于低自然生態(tài)位，兩者是同步變化的。因此相應(yīng)的土地利用自然生態(tài)位模型可表達為[20-21，23]:

其中，i為土地利用類型；n為土地利用類型的數(shù)量；NEi為第 i種土地利用類型的自然生態(tài)位；Bi為第 i種土地利用類型的生態(tài)效益(生態(tài)效益的計算參考謝高地等[25]對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的研究)；Ai為量綱轉(zhuǎn)換系數(shù)(量綱轉(zhuǎn)換系數(shù)的計算參考文獻[26]，由于本研究數(shù)據(jù)源選取年份的時間間隔為10年，因此量綱轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.1)；Pi為第i種土地利用類型的潛在生態(tài)效益(潛在生態(tài)效益Pi通過計算該種土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的年均變化率得到)。

2.2.2 景觀格局指數(shù)的選取

景觀格局指數(shù)的重要作用在于它能描述景觀格局，進而建立景觀結(jié)構(gòu)與過程或現(xiàn)象的聯(lián)系，更好地解釋與理解景觀功能[27]。根據(jù)景觀格局指數(shù)的內(nèi)涵及鹽池縣自然環(huán)境和區(qū)位條件，本文從景觀水平及斑塊類型水平2個層次上選擇了景觀格局指數(shù)(表1):景觀水平上選取蔓延度(CONTAG)、香濃多樣性指數(shù)(SHDI)、香濃均勻度指數(shù)(SHEI)和聚集度(AI)；斑塊類型水平上選取的指標有斑塊數(shù)量(NP)、斑塊密度(PD)、形狀指數(shù)(LSI)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、斑塊類型所占景觀面積的比例(PLAND)和斑塊內(nèi)聚力指數(shù)(COHESION)。

在演講語體中，修辭主體為了適應(yīng)演講領(lǐng)域的交際需要，往往要在特定的時境中，借助于有聲語言和態(tài)勢語言的手段，面對廣大聽眾發(fā)表意見、抒發(fā)感情，由此來說服、感召和教育聽眾。[5]367要說服、感召和教育聽眾，就要做到修辭語義的明朗化、直白化，不能含蓄模糊。另外，正因為是面對聽眾的演講，尤其是即興式演講，幾乎就是日?？陬^交際在鄭重場合的演繹，所以像口頭交際一樣也規(guī)約了簡潔明了修辭語義的使用。即使是有準備的演講，當把書面的演講辭轉(zhuǎn)化為口說的演講辭時，也就等于認同了口頭交際的基本修辭要求，所以對修辭語義的表達也盡量要做到簡潔明了，以使聽眾能夠在快速流動著的時間內(nèi)抓住修辭語義的關(guān)鍵所在。例如：

表1 景觀格局指數(shù)及意義Table 1 Landscape pattern index and its significance

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用自然生態(tài)位變化分析

根據(jù)土地利用自然生態(tài)位模型計算 1995—2015年鹽池縣的各景觀要素自然生態(tài)位。從表2可知，1995—2015年鹽池縣各類景觀要素自然生態(tài)位的變化特征為:耕地的自然生態(tài)位和水域的自然生態(tài)位都是先下降后上升；林地的自然生態(tài)位在 1995至2005年的變化較快，由0.1354增加到0.1856；草地的自然生態(tài)位是各景觀要素里主導(dǎo)性最強的，但依舊呈不斷下降的趨勢；未利用地的自然生態(tài)位較低，由 0.0195下降到 0.0154，呈緩慢下降的趨勢。土地利用自然生態(tài)位的總體變化特征為耕地、草地、未利用地的自然生態(tài)位呈現(xiàn)下降的趨勢，而林地和水域的自然生態(tài)位不斷上升。

3.2 景觀格局時空演變分析

3.2.1 各景觀要素面積分析

對 1995—2015年鹽池縣各景觀要素面積進行統(tǒng)計(表3)可知，草地和耕地是鹽池縣主要的景觀類型。草地的面積先增加后減小，而耕地的面積呈先減小后增大的態(tài)勢，但草地所占的面積比例始終最大。在1995、2005和2015年這三個時間節(jié)點處，二者的面積和占鹽池縣總面積的 80.65%、80.41%、80.50%。整體來看，面積分布依次為草地＞耕地＞未利用地＞林地＞水域。

3.2.2 景觀類型水平分析

由表4可知，在1995至2015年期間，隨著人類活動的加強，耕地的景觀指數(shù)呈先減小后增加的態(tài)勢，其中，斑塊密度和斑塊數(shù)量增加了2倍，最大斑塊指數(shù)由0.99上升到1.07，上升了8.08%，說明耕地景觀斑塊之間的破碎化程度增強、連通性降低。

表2 1995、2005、2015年鹽池縣各景觀要素自然生態(tài)位Table 2 The landscape natural ecological niche of Yanchi County in 1995, 2005 and 2015

林地、草地的斑塊數(shù)量和斑塊密度在 1995—2015年間不斷增加，其中林地的斑塊數(shù)量和斑塊密度分別增加了49.39%和50.00%，2015年草地的斑塊數(shù)量是1995年斑塊數(shù)量的三倍多。林地的最大斑塊指數(shù)和形狀指數(shù)總體上呈增加的趨勢，變化量分別為0.20和6.01，而草地最大斑塊指數(shù)和形狀指數(shù)則呈減小的趨勢，表明草地景觀趨于破碎化、優(yōu)勢度下降，并且草地景觀的形狀向規(guī)則化的方向發(fā)展。此外，林地的斑塊內(nèi)聚力指數(shù)在1995—2015年間分別增加了 0.20，表明這種景觀要素類型的分布越來越集中，自然連通度提高。

水域的景觀指數(shù)是所有景觀要素里最小的，這與鹽池縣處于荒漠地區(qū)的地理位置有關(guān)。未利用地的斑塊數(shù)量、斑塊密度和形狀指數(shù)一直在增加，而最大斑塊指數(shù)和斑塊類型占景觀面積的比例減小，表明該景觀趨于破碎化且優(yōu)勢度下降，這說明隨著研究區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展與政策的變化，人類對未利用地的利用程度加強。

3.2.3 景觀水平分析

從表5中的景觀水平的指標來看，研究區(qū)蔓延度、聚集度、多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)這四個景觀指數(shù)都是先下降后上升的變化趨勢，但蔓延度和聚集度總體上表現(xiàn)為下降，而多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)總體上表現(xiàn)為上升。其中，蔓延度的下降幅度較大，表明景觀要素間的通達性和連續(xù)性下降。此外，2015年的多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)比1995年分別略微增加了0.04和0.01，多樣性指數(shù)增加表明研究區(qū)整體景觀的破碎現(xiàn)象和復(fù)雜程度增加，景觀優(yōu)勢類別對景觀的整體控制作用在減小。據(jù)此，可知研究區(qū)的整體景觀愈加多樣化、破碎化、離散化和不規(guī)則化。

表3 1995、2005和2015年鹽池縣各景觀要素面積及比例統(tǒng)計Table 3 Area statistics of landscape elements of Yanchi County in 1995, 2005 and 2015

表4 1995、2005和 2015 年鹽池縣景觀要素水平指數(shù)Table 4 Indexes on landscape class level of Yanchi County in 1995, 2005 and 2015

3.3 土地利用自然生態(tài)位變化及其對景觀格局的影響分析

3.3.1 土地利用自然生態(tài)位與景觀要素面積及其變化率的相關(guān)性分析

對研究區(qū)各景觀要素的面積與相應(yīng)的自然生態(tài)位進行相關(guān)性分析可知二者呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.934，在 0.01 水平(雙側(cè))上達到顯著，表明土地利用自然生態(tài)位與景觀要素的面積存在一定的相關(guān)性。此外，由于不同景觀要素類型的面積存在差異，運用變化率研究景觀動態(tài)變化則可以減少不同面積大小和時期的差異，因此為了研究各景觀要素類型的時空演變過程是否與自然生態(tài)位存在聯(lián)系，對研究區(qū)1995—2005年和2005—2015年的各景觀要素變化率與自然生態(tài)位變化率進行相關(guān)性分析可知二者呈強正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.988，在0.01水平(雙側(cè))上達到顯著。該值略高于自然生態(tài)位與各景觀要素面積的相關(guān)性，表明土地利用自然生態(tài)位的時間效應(yīng)對景觀要素類型時空演變的影響程度較大。

表5 1995、2005和 2015 年鹽池縣景觀水平指數(shù)Table 5 Indexes on landscape level of Yanchi County in 1995, 2005 and 2015

3.3.2 土地利用自然生態(tài)位與景觀格局指數(shù)的相關(guān)性分析

為進一步探討鹽池縣土地利用自然生態(tài)位對景觀格局變化的影響，運用 SPSS軟件計算研究區(qū)1995—2015年各景觀要素的自然生態(tài)位與相應(yīng)景觀格局指數(shù)的相關(guān)系數(shù)，得到二者之間的Pearson相關(guān)性(表6)。由表6可知，土地利用自然生態(tài)位與 NP和PD都呈較弱正相關(guān)關(guān)系，原因在于NP和PD的值越大，景觀異質(zhì)性越強、破碎化程度越大，對于土地利用自然生態(tài)位的響應(yīng)程度很弱；土地利用自然生態(tài)位與LSI和COHESION的相關(guān)系數(shù)在0.05水平上達到顯著，相關(guān)系數(shù)分別為 0.588和 0.632，說明某種景觀要素的自然生態(tài)位越大，所表現(xiàn)出各景觀要素在分布上越聚集，使得自然連通度提高；PLAND和 LPI與土地利用自然生態(tài)位的相關(guān)系數(shù)在0.01水平上表現(xiàn)為顯著的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.933和0.943，表明某種景觀要素的自然生態(tài)位越大，使得該景觀要素所占面積比例越大、景觀優(yōu)勢度越強，對景觀格局的影響也就越顯著。

為進一步明確土地利用自然生態(tài)位與景觀格局指數(shù)的關(guān)系，對相關(guān)程度高的指數(shù)與自然生態(tài)位進行分析(圖1)。由圖1可以看出，土地利用自然生態(tài)位與耕地、林地和水域的形狀指數(shù)同步變化，而與草地和未利用地的形狀指數(shù)呈無規(guī)律的變化；從最大斑塊指數(shù)來看，耕地、林地、水域和未利用地的指數(shù)與土地利用自然生態(tài)位是呈規(guī)律性變化的；研究區(qū)內(nèi)各景觀要素所占景觀面積的比例與土地利用自然生態(tài)位呈同步增大與同步減小的變化規(guī)律；對于斑塊內(nèi)聚力指數(shù)來講，耕地和林地與土地利用自然生態(tài)位的變化一致，而草地、水域和未利用地具有不規(guī)律性。

表6 土地利用自然生態(tài)位與景觀指數(shù)的相關(guān)系數(shù)Table 6 Correlation coefficients between land natural ecological niche and landscape indices

4 討論

圖1 1995、2005和 2015 年鹽池縣景觀指數(shù)與土地利用自然生態(tài)位的關(guān)系Figure 1 The relationship between land natural ecological niche and landscape index of Yanchi county in 1995, 2005 and 2015

景觀格局的變化會導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、過程和功能的變化，通過相關(guān)分析可知，部分景觀指數(shù)與土地自然生態(tài)位之間存在著高的相關(guān)性，其中，土地自然生態(tài)位與最大斑塊指數(shù)和斑塊類型占景觀面積的比例呈顯著地相關(guān)性，與形狀指數(shù)和斑塊內(nèi)聚力指數(shù)存在著相關(guān)性。這表明當土地自然生態(tài)位理論側(cè)重于用土地生態(tài)效益來描述不同土地利用類型的貢獻程度時，土地利用自然生態(tài)位的變化使得景觀指數(shù)所引起的景觀異質(zhì)性發(fā)生變化，從而影響景觀格局的變化。此結(jié)論與前人關(guān)于土地利用類型效益的差異體現(xiàn)為土地利用生態(tài)位的差異，這種差異促使土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生調(diào)整[28]的研究結(jié)果基本一致，亦與于海洋等[23]、吳箐等[15]人將土地經(jīng)濟生態(tài)位與景觀格局結(jié)合進行研究得出的結(jié)論有相似性，可知土地利用自然生態(tài)位的變化也是景觀格局變化的重要影響因素且對景觀格局具有驅(qū)動作用，可表征研究區(qū)自然環(huán)境的發(fā)展方向。

本文成為探究土地利用自然生態(tài)位變化下景觀格局響應(yīng)特征研究的一種有效嘗試。但是由于本文僅以縣域景觀作為研究對象，選擇的景觀格局指數(shù)較少且僅在土地利用自然生態(tài)位方面對區(qū)域景觀格局進行研究，而土地利用自然生態(tài)位對景觀格局演變的影響是一個非常復(fù)雜的過程，還需選用更為科學(xué)的評價指標來進行價值測評，并需大量案例研究來探討其影響關(guān)系與機制。因此，除了應(yīng)當選擇大范圍的研究區(qū)域和更多具有代表性的景觀指數(shù)外，將土地利用自然生態(tài)位和土地利用經(jīng)濟生態(tài)位結(jié)合起來與景觀格局進行研究成為未來研究方向的重點。此外，在今后的發(fā)展過程中，鹽池縣要統(tǒng)籌好經(jīng)濟與生態(tài)效益，加強實施退耕還林(草)還草工程，采取人工恢復(fù)措施使整體景觀保持穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)論

筆者通過構(gòu)建土地利用自然生態(tài)位模型，將其與景觀格局相結(jié)合探討了土地利用自然生態(tài)位與景觀格局的關(guān)系，得出的主要結(jié)論如下:

(1)不同景觀要素自然生態(tài)位的動態(tài)變化不同，林地和水域的自然生態(tài)位不斷上升，耕地、草地和未利用地的自然生態(tài)位下降。對土地利用自然生態(tài)位的分析可知草地的自然生態(tài)位為 0.6以上，說明草地始終處于優(yōu)勢地位；而林地和水域的自然生態(tài)位不斷上升，這表明林地和水域這兩種景觀要素越來越具有競爭優(yōu)勢。隨著經(jīng)濟的發(fā)展以及城市化進程的加快，人類對景觀的干擾程度加強使得生態(tài)效益也發(fā)生了改變，由于景觀要素類型生態(tài)效益的差異體現(xiàn)為自然生態(tài)位的差異，因此各景觀要素的自然生態(tài)位動態(tài)變化不同。

(2)從景觀類型水平來看，在1995至2005年期間，研究區(qū)景觀格局的演變特點是草地和耕地呈規(guī)則化、單一化的方向發(fā)展，林地的優(yōu)勢度增強且人類對未利用地的利用程度加強，這表明自鹽池縣于2001年起實施退耕還林工程以來，環(huán)境惡化趨勢得到遏制，生態(tài)建設(shè)逐步走向良性發(fā)展的軌道。但從景觀水平來看，研究區(qū)整體景觀愈加多樣化、破碎化、離散化和不規(guī)則化，環(huán)境惡化又愈加嚴重，說明該措施并沒有持續(xù)性。

(3)土地利用自然生態(tài)位是景觀要素類型演變的重要影響因子。土地利用自然生態(tài)位與景觀要素面積和景觀要素面積的變化率都具有強正相關(guān)性，其中，自然生態(tài)位變化率與景觀要素面積變化率的相關(guān)性系數(shù)值略高于自然生態(tài)位與景觀要素面積的相關(guān)性，這說明土地利用自然生態(tài)位的時間效應(yīng)對景觀要素類型演變的影響程度較大。原因在于土地利用自然生態(tài)位的改變使得土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致土地利用的變化，表現(xiàn)為景觀要素類型的變化。

(4)土地利用自然生態(tài)位是景觀要素空間配置的重要影響因子。從土地利用自然生態(tài)位與景觀指數(shù)的相關(guān)性來看，斑塊數(shù)量與斑塊密度與自然生態(tài)位無相關(guān)性；形狀指數(shù)和斑塊內(nèi)聚力指數(shù)與自然生態(tài)位具有正相關(guān)性；最大斑塊指數(shù)和斑塊類型占景觀面積的比例與自然生態(tài)位具有強正相關(guān)性。此外，由具有相關(guān)性的4個景觀指數(shù)與自然生態(tài)位之間的關(guān)系圖可知，耕地和林地的形狀指數(shù)、最大斑塊指數(shù)、斑塊類型占景觀面積的比例和斑塊內(nèi)聚力指數(shù)與土地利用自然生態(tài)位是同步變化的，而草地、水域和未利用地的指數(shù)與土地利用自然生態(tài)位無規(guī)律性。