基于GIS的張掖市山丹縣域土地利用及景觀格局分析

寧建楊 唐 紅

甘肅省張掖地區(qū)作為國家退耕還林生態(tài)工程實施重點區(qū)域，是中國生態(tài)問題集中體現(xiàn)區(qū)。山丹縣作為張掖地區(qū)的東大門，林草資源豐富，旅游業(yè)處于逐步發(fā)展階段，研究其土地利用變化差異對區(qū)域土地可持續(xù)發(fā)展、差別化國土資源發(fā)展政策的制定具有重要意義。分析山丹縣土地利用及景觀格局時空變化，為河西走廊土地利用和生態(tài)保護提供理論參考?；?000年、2010年、2018年三期LandsatTM遙感影像數(shù)據(jù)，結(jié)合ArcGIS10.5和Fragstats4.2，對山丹縣土地利用和景觀格局時空演變特征進行分析。結(jié)果表明：2000—2018年間，研究區(qū)內(nèi)耕地面積占比最大，優(yōu)勢度最高，分離度最小；草地、林地和未利用土地面積呈減少趨勢，建設(shè)用地面積先增加后減少，水域面積先減少后增加；研究區(qū)內(nèi)的景觀斑塊在數(shù)量上有所增加，景觀的破碎化程度有所增強，整體連接度較穩(wěn)定。其中2000—2010年間，研究區(qū)景觀損失程度加深，草地、林地、水體資源都受到了不同程度的破壞，2010—2018年間，研究區(qū)景觀水平有所提升，破碎化程度減弱。

土地利用；景觀指數(shù)；景觀格局；山丹縣

土地利用變化體現(xiàn)在人類對自然的影響，是人類活動與自然生態(tài)鏈接的紐帶[1]。景觀格局是指因土地利用引起的不同景觀類型、數(shù)目以及空間分布格局變化產(chǎn)生的結(jié)果，能夠清晰地體現(xiàn)自然氣候、地形條件和社會要素起到的作用[2]。近年來，中國經(jīng)濟的高速發(fā)展，城鎮(zhèn)化進程以前所未有的規(guī)模和速度進行著[3]。隨著人口增多、經(jīng)濟水平增長，研究區(qū)土地利用類型結(jié)構(gòu)發(fā)生了相應(yīng)變化，景觀的破碎度、脆弱性日益加劇，環(huán)境破壞程度日益加深，自然資源儲量日漸減少，使得城市發(fā)展背離了人與自然協(xié)同發(fā)展的道路。因此，系統(tǒng)研究局部區(qū)域土地利用時空演變特征與景觀格局各類要素之間的聯(lián)系及功能的變化特點，對土地利用景觀格局進行系統(tǒng)性評價[4]，才能更深入了解研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的演變規(guī)律[5]，真實直觀地反映出土地利用景觀類型受人類活動的影響程度，為區(qū)域生態(tài)環(huán)境綜合保護與管理提供理論依據(jù)，對區(qū)域景觀保護及可持續(xù)性發(fā)展具有現(xiàn)實意義。

目前，對于土地利用變化的研究多集中于變化幅度[6]、土地利用動態(tài)度[7]、土地利用轉(zhuǎn)移矩陣[8]，對于景觀格局變化研究內(nèi)容較為豐富，李玉潔等[9]研究了?？谑袩崃坝^格局和分異特征；王瑩等[10]探究了鄭州市綠地景觀破碎化對人為活動的時空響應(yīng)?；趪鴥?nèi)外先進的研究方法，徐興華等探究山丹縣的林地景觀格局變化特征[11]，也利用ER-DAS圖像處理軟件對遙感影像處理后得到的土地利用類型分布特征與山丹縣普查的土地利用現(xiàn)狀圖進行對比分析，證明使用遙感檢索土地利用類型信息的方法是可行的[12]。但僅涉及一類土地利用類型，并未對山丹縣其他地類進行系統(tǒng)全面的分析，當前對于山丹縣的研究還不夠豐富。伴隨著山丹縣經(jīng)濟水平的不斷提升，對自然的人為干預(yù)程度也逐步加深。山丹縣旅游資源逐漸被開發(fā)，原生態(tài)的農(nóng)牧環(huán)境質(zhì)量降低，刺激消費的農(nóng)家樂、人工景點等順應(yīng)而生，也對山丹縣生態(tài)環(huán)境問題提出了新的挑戰(zhàn)。因此，對山丹縣土地利用變化及景觀格局進行分析具有時下的必要性，為經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護尋求平衡點提供參考。

張掖市山丹縣地處河西走廊中部，境內(nèi)的山丹軍馬場倚靠祁連山，是山丹縣的主要水源涵養(yǎng)地及生態(tài)屏障，同時也是重要的生產(chǎn)基地。而由于土地利用的不合理，山丹縣產(chǎn)生了水土流失、土地荒漠化等一系列環(huán)境問題，成為河西地區(qū)典型的生態(tài)脆弱區(qū)之一，嚴重影響了經(jīng)濟與生態(tài)的和諧發(fā)展。文章以山丹縣作為研究對象，基于2000年、2010年、2018年三期LandsatTM遙感影像數(shù)據(jù)，依據(jù)土地利用程度和土地利用轉(zhuǎn)移矩陣模型分析山丹縣2000—2018年土地利用結(jié)構(gòu)的時空變化特征；基于Fragstats4.2計算山丹縣斑塊級別指數(shù)景觀和各類景觀級別指數(shù)，以分析山丹縣2000—2018年間景觀格局的時空變化特征，開展山丹縣的土地利用景觀格局評價，為合理利用土地資源、優(yōu)化土地資源配置、制定生態(tài)管控措施提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

山丹縣位于甘肅省河西走廊中段，地處東經(jīng)100°41′～101°42′，北緯37°50′～39°03′，是張掖市的東大門、“絲綢之路”的必經(jīng)之地。東鄰永昌，南接青海、北靠內(nèi)蒙古阿拉善右旗，總面積5 433 km2。山丹縣海拔1 550～4 441 m，三面環(huán)山，自東南而西北緩斜坡降，全境屬大陸性高原高寒半濕潤氣候，具有寒冷、四季不分明、雨量集中、具明顯垂直分帶性的特點。山丹縣經(jīng)濟主要依靠農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)，近年來開始逐步發(fā)展旅游產(chǎn)業(yè)，總體上是一個半農(nóng)半牧的縣區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

本研究所使用遙感數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn），使用山丹縣2000年、2010年及2018年三期遙感影像數(shù)據(jù)，利用ENVI5.3對遙感影像進行預(yù)處理，參照Google Earth高分辨率影像目視解譯得到土地利用數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m，經(jīng)驗證，數(shù)據(jù)的解譯精度均在85%以上，滿足了廣域尺度土地利用的研究要求。參考《土地利用現(xiàn)狀分類標準》（GB/T21010-2017），將研究區(qū)地類按照土地利用類型一級分類，將土地分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地及未利用土地6大類。

2 研究方法

2.1 土地利用結(jié)構(gòu)及其變化

2.1.1 土地利用程度

土地利用程度綜合指數(shù)可以體現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)土地利用開發(fā)程度，表示人類對各類景觀類型的干擾程度[13]，見公式（1）。

ij表示區(qū)域土地利用程度綜合指數(shù)；Ai表示區(qū)域內(nèi)第i級土地利用程度分級指數(shù)；Ci表示區(qū)域內(nèi)第i級土地的面積百分比[14]。其中分級指數(shù)參照前人研究成果[15]：未利用土地為1，林地、草地和水域為2，耕地為3，城鄉(xiāng)、工礦、居民用地為4。

土地利用程度可綜合表達區(qū)域內(nèi)不同土地利用類型之間轉(zhuǎn)變的水平和趨勢，見公式（2）。

La和Lb分別代表初期和末期的土地利用程度綜合指數(shù)。當ΔLb-a＞0時，說明研究區(qū)在發(fā)展期；當ΔLb-a＜0時，表明利用程度不斷減弱，處于調(diào)整或者衰退期，但僅代表土地的利用程度，不能夠反映生態(tài)環(huán)境的好壞。

2.1.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

利用ENVI5.3將三期的土地利用數(shù)據(jù)進行疊加計算，求得研究期內(nèi)各地類相互轉(zhuǎn)化的數(shù)據(jù)，從而構(gòu)建土地利用轉(zhuǎn)移矩陣[16]，能夠反映出研究時段內(nèi)各類型土地的變化趨勢以及不同土地利用類型的構(gòu)成[17]，見公式（3）。

S表示面積，n表示轉(zhuǎn)移前后的土地利用類型數(shù)，i表示轉(zhuǎn)移前土地利用類型，j表示轉(zhuǎn)移后的土地利用類型，是i地類轉(zhuǎn)換為j地類的面積，矩陣中的每一行元素代表j地類的轉(zhuǎn)移前各地類的轉(zhuǎn)移前各地類源信息。

2.2 景觀格局分析方法

景觀水平的景觀指數(shù)是對研究區(qū)的整體景觀格局的變化進行分析，種類繁多且具有不同的意義[18]。本研究選取了斑塊數(shù)量（NP）、斑塊密度（PD）、最大斑塊指數(shù)（LPI）、景觀形狀指數(shù)（LSI）、蔓延度指數(shù)（CONTAG）、分離度指數(shù)（DIVISION）、香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）共7個景觀格局指數(shù)（表1），分析山丹縣各景觀類型格局。

表1 景觀格局指標計算公式與生態(tài)意義

（1）景觀結(jié)構(gòu)指數(shù)

景觀結(jié)構(gòu)指數(shù)（Zi）表示各個景觀結(jié)構(gòu)受到人類活動或自然變化干擾的程度，見公式（4）。

式中：Zi表示結(jié)構(gòu)指數(shù)，F(xiàn)i表示分離度，Di表示優(yōu)勢度，Ii表示破碎度。a、b和c分別代表景觀破碎度、分離度和優(yōu)勢度的權(quán)重，并且a+b+c=1。根據(jù)趙彩霞等人研究成果[22]，結(jié)合研究區(qū)實際，分析研究區(qū)內(nèi)各類景觀指數(shù)對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響大小，將破碎度、分離度和優(yōu)勢度分別賦權(quán)重值為a=0.5、b=0.3、c=0.2[23]。

（2）景觀損失度：

景觀損失度（Ri）表示區(qū)域內(nèi)景觀類型遭受干擾時發(fā)生自然損失的程度，見公式（5）。

式中：Ri表示景觀損失度，Ki表示景觀脆弱度，Zi表示景觀結(jié)構(gòu)指數(shù)。

Ki表示景觀i的脆弱度指數(shù)。景觀脆弱度指數(shù)是將景觀類型按照抵抗外界環(huán)境影響的能力分為6級，根據(jù)山丹縣景觀類型特點，得出在各類土地景觀類型中，建設(shè)用地最為穩(wěn)定，產(chǎn)生土地利用類型的更替變化不大，故賦值為1；結(jié)合各類景觀的脆弱性特點將林地、耕地、水域和草地分別賦值為2、3、4和5[24]；未利用土地受影響較大，其景觀脆弱性最為敏感，故賦值為6。將各景觀的脆弱度歸一化到［0.1，0.9］，見公式（6）。

式中，x和y表示變換前后的值，xmax和ymax表示樣本的最大值和最小值[25]。得到各景觀類型的脆弱度指數(shù)：建設(shè)用地0.0875，林地0.1577，草地為0.1960，耕地為0.2146，水域為0.2573，未利用土地為0.2997。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用結(jié)構(gòu)變化分析

3.1.1 土地利用類型時序變化

山丹縣總面積為5 433 km2，耕地和林地為山丹縣主要地類，整個研究期內(nèi)的平均占比分別約為33.58%、26.04%；其次為草地、建設(shè)用地，約為16.97%、11.51%；水域和未利用土地面積最小（圖1）。研究期內(nèi)，耕地面積呈先增加后減少趨勢，總體增加了100.49 km2，變化量最大；林地持續(xù)減少，減少量為58.86 km2。以2010年為界，草地面積呈先減小后增加趨勢；水域面積先減少后增加，變化量較??；建設(shè)用地呈波動上升趨勢，增加了0.12%，增加面積為6.42 km2。未利用土地總體呈現(xiàn)遞減趨勢，占比由8.21%減少至7.22%，減小面積為53.47 km2（表2）。

1.土地利用現(xiàn)狀圖

表2 2000—2018年山丹縣各類景觀面積

3.1.2 土地利用程度分析

根據(jù)公式（1）可知，土地利用綜合指數(shù)范圍為100～400，山丹縣三期土地利用程度綜合指數(shù)分別為246.89、250.44、249.96，表明研究期內(nèi)山丹縣土地利用程度處于中等水平。

由圖2看出，2000—2010年土地利用程度綜合指數(shù)由246.89增加到250.44，增加了3.55，表明山丹縣在這10年間，土地利用處在發(fā)展階段。結(jié)合山丹縣土地利用結(jié)構(gòu)變化，分析同一時期土地利用變化方向，主要受山丹縣建設(shè)用地和耕地面積增加的影響。2010—2018年土地利用程度綜合指數(shù)減少了0.48，表明該階段山丹縣土地利用程度處于輕微滯后狀態(tài)。研究期內(nèi)山丹縣土地利用程度綜合指數(shù)變化量為3.07，土地利用程度總體向較好方向發(fā)展。

2.土地利用程度綜合指數(shù)變化折線圖

3.1.3 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

2000—2010年間（表3），山丹縣耕地面積總體增加，轉(zhuǎn)入面積為176.5 km2，主要來源于林地和未利用土地，其中林地面積72.82 km2，未利用土地面積55.7 km2，占總轉(zhuǎn)入面積的72.82%；林地總體面積減少，轉(zhuǎn)出面積為83.74 km2，主要轉(zhuǎn)化為耕地，占總轉(zhuǎn)出面積的86.96%；草地和水域面積均呈現(xiàn)減少趨勢，大部分都轉(zhuǎn)化為耕地，轉(zhuǎn)化耕地面積分別為32.15 km2、9.00 km2；建設(shè)用地面積總體呈現(xiàn)增長趨勢，轉(zhuǎn)入面積21.3 km2，主要來源于未利用土地；未利用土地面積減少，主要轉(zhuǎn)化為耕地，轉(zhuǎn)出面積76.15 km2，占2010年未利用土地總面積的19.86%。

表3 2000—2010年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣（單位：km2）

2010—2018年間（表4），山丹縣耕地轉(zhuǎn)入面積為221.21 km2，其中48.88%的轉(zhuǎn)化量來源于林地，轉(zhuǎn)化為其他土地利用類型的面積總和為229.94 km2，耕地面積總體減少8.73 km2，相較于前10年有了較大幅度的變化；林地面積總體減少，轉(zhuǎn)出和轉(zhuǎn)入的面積分別為244.08 km2、226.84 km2，凈轉(zhuǎn)化面積為17.24 km2；草地的轉(zhuǎn)出面積為171.42 km2，其中71.37%轉(zhuǎn)化為耕地和林地，而轉(zhuǎn)入面積為174.35 km2，總體面積增加；水域總體面積增加，轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出面積分別為83.90 km2、66.73 km2；建設(shè)用地總體減少趨勢不明顯，轉(zhuǎn)入面積63.94 km2，轉(zhuǎn)出面積68.18 km2，凈轉(zhuǎn)化面積4.24 km2；未利用土地轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出面積分別為70.08 km2、59.97 km2，呈上升趨勢。

表4 2010—2018年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣（單位：km2）

3.2 景觀格局變化分析

3.2.1 破碎度分析

研究期內(nèi)，山丹縣斑塊數(shù)量和斑塊密度的變化趨勢不明顯（表5）。2000—2010年間，斑塊數(shù)量和斑塊密度都有增加的趨勢，說明這個時期景觀破碎化程度在逐漸升高。2010—2018年間，開始出現(xiàn)下降的趨勢。這其中，未利用土地的斑塊數(shù)量和斑塊密度變化最為顯著，在2000—2018年間的整個時期，呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，斑塊數(shù)從117個驟增到156個，增加了39，后面減少為111個（表6）。綜合圖表數(shù)據(jù)分析可知，2000—2018年間，山丹縣內(nèi)草地、林地、耕地和建設(shè)用地的破碎化程度變化不明顯，水域和未利用土地的破碎化程度均變化顯著，且水域景觀類型的破碎化程度逐步加深。

表5 2000—2018年景觀水平類型指數(shù)

表6 2000—2018年土地利用類型的景觀格局指數(shù)

3.2.2 優(yōu)勢度分析

根據(jù)分析可知，在山丹縣各個時期的土地景觀類型中，耕地的優(yōu)勢度指數(shù)最高，即優(yōu)勢度最大。因地處河西走廊半干旱地區(qū)，山丹縣的水域優(yōu)勢度指數(shù)相對較低，加之耕地斑塊數(shù)量的大量占比，短期內(nèi)山丹縣水域優(yōu)勢度無法得到提升。綜合數(shù)據(jù)分析，在2000—2010年間，山丹縣城鄉(xiāng)居民建設(shè)用地的最大斑塊指數(shù)呈現(xiàn)增長趨勢，說明隨著城市化水平的提高，土地利用景觀類型受人類活動的影響日益增大，其增長速度穩(wěn)步上升。但在2000—2018整個時間段內(nèi)，山丹縣總體上各類型景觀優(yōu)勢度變化較小。

3.2.3 分離度分析

未利用土地斑塊類型分離度在2000—2010年間驟增，從627.1903到893.0841，增加265.8938，同時期草地斑塊類型分離度由343.7284增加到453.1677，未利用土地和草地斑塊類型分離度的增加，說明隨著人們對土地的利用程度的提升，各類土地景觀類型相互交錯，分布更加分散，部分未利用土地轉(zhuǎn)化為草地及其他土地景觀類型。水域斑塊類型分離度由2000年的20 332.7970增加到了2010年的20 950.4757，后10年又驟減到18 594.2611，說明居民對于水的利用程度不夠，水資源逐漸減少，后期隨著人們社會意識和環(huán)保意識的轉(zhuǎn)變，并且政府出臺了一系列相應(yīng)的政策和措施，水域斑塊類型分離度增加，水域面積增大，水資源儲量回升。

3.2.4 多樣性分析

2000—2018年間，山丹縣景觀形狀指數(shù)總體呈現(xiàn)不斷上升的趨勢，由此說明，景觀斑塊形狀趨于復(fù)雜化。同時，蔓延度指數(shù)呈現(xiàn)小幅的增減變化，說明在2000—2010年間，山丹縣各個斑塊類型延展趨勢有所增加，斑塊間的連通性提升；2010—2018年間，景觀的破碎化程度增加，蔓延度指數(shù)不斷減小，表征景觀中不同斑塊類型的團聚程度降低。香農(nóng)多樣性指數(shù)變化不大，說明山丹縣的景觀類型在組分構(gòu)成的多樣性上變化不明顯，但均數(shù)值達到1.50以上，景觀異質(zhì)性較大，景觀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)成復(fù)雜程度較高。整體上，山丹縣各個斑塊類型變化多樣性較豐富，呈現(xiàn)相互延展、相互轉(zhuǎn)化的狀態(tài)。

4 結(jié)論與討論

本研究以山丹縣為研究區(qū)，分別從土地利用程度和土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析其土地利用特征，運用Fragstats4.2計算斑塊級別指數(shù)和景觀級別指數(shù)，對山丹縣土地利用景觀格局進行深入探討。

研究期內(nèi)，耕地和林地為山丹縣主要地類，占比分別約為33.58%和26.04%；山丹縣土地利用程度處于中等水平。2000—2010年土地利用程度綜合指數(shù)增加量為3.55，表明山丹縣在這10年間，土地利用處在發(fā)展階段。2010—2018年土地利用程度綜合指數(shù)減少了0.48，表明該階段山丹縣土地利用程度處于輕微滯后狀態(tài)。研究期內(nèi)山丹縣總體土地利用程度綜合指數(shù)變化量為3.07，土地利用程度總體向較好方向發(fā)展。

研究期內(nèi)，山丹縣三期耕地面積最大，草地斑塊數(shù)量均是三年內(nèi)最多，依次是林地，三者在景觀土地類型格局中占據(jù)了主導(dǎo)地位；同時草地和林地的破碎化程度較高，未利用土地的破碎化程度最低；水域的景觀變化受人為活動的影響最大，耕地受人為活動的干擾相對較小。整體景觀破碎度增大，景觀優(yōu)勢度下降。

山丹縣域土地整體呈現(xiàn)半干旱狀態(tài)，草地、林地面積蔓延程度緩慢，植被生長狀況不佳。研究期內(nèi)，整體水域破碎化程度相對較高，表明受人類活動影響較大，是造成破碎化程度加深的重要原因。

研究表明，山丹縣近20年土地利用程度較低，變化較小，與和政縣小南岔河區(qū)[26]研究結(jié)果類似，主要是由于西北地區(qū)土地利用程度較低，人為干擾程度較小。相比于西安市[27]變化較大的景觀格局指數(shù)，山丹縣景觀格局指數(shù)變化幅度較小，存在耕地優(yōu)勢度過大、景觀破碎化程度加劇等問題。針對山丹縣目前存在的問題，提出優(yōu)化建議：

（1）構(gòu)建核心保育區(qū)。目前應(yīng)該圍繞山丹軍馬場和焉之山森林公園構(gòu)建核心保護區(qū)域，加強優(yōu)質(zhì)林草資源的保護工作，建立禁區(qū)，減少人為干預(yù)。

（2）構(gòu)建生態(tài)健康水系。從水資源的源頭處理，對地下水和祁連山冰雪融水進行保護，監(jiān)督工業(yè)廢水的合理排放，減少農(nóng)作物藥品的使用以及水系沿途的合理灌溉。

（3）積極實施退耕還林政策。山丹縣耕地面積過大，加速耕地向林地、灌草叢的轉(zhuǎn)移。

（4）加強沙地環(huán)境治理工作。對研究區(qū)中北部地區(qū)的大量戈壁、沙地進行治理，采取植樹造林、牽引水渠、改良土壤等措施，使生態(tài)環(huán)境惡劣地區(qū)環(huán)境質(zhì)量得到改善。