榆林市景觀格局(2000—2020)時(shí)空變化*

艾 敏，范辰乾，景 慧，武 琳，趙志鵬

(自然資源部第一地理信息制圖院，西安 710054)

景觀格局即景觀要素在空間上的排列格局，是研究生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量及功能的重要組成部分，景觀格局的時(shí)空變化尤其影響著區(qū)域的生物多樣性等指標(biāo)，對(duì)區(qū)域整體生態(tài)變化起著關(guān)鍵作用。當(dāng)前關(guān)于景觀格局的研究主要集中在基于土地利用的景觀生態(tài)或景觀格局指標(biāo)構(gòu)建，以及景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等方面。目前土地利用變化的研究景觀格局是較為主要的方法，土地利用作用于地球系統(tǒng)五大圈層的交界處，易于受到干擾[1]，尤其在人類活動(dòng)或經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速的區(qū)域，在土地利用變化劇烈的背景下，其對(duì)景觀格局、生物多樣性及整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)有著重要影響[2-5]，土地利用對(duì)景觀格局的影響、景觀破碎化、景觀指數(shù)的粒度和尺度效應(yīng)及其選取的合理性等方面的研究越來越多[6]。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[7]從“自然-人類社會(huì)-景觀格局”3個(gè)維度對(duì)寧江流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)[8]采用景觀格局指數(shù)法，以山西大同市左云縣等地區(qū)為例，對(duì)資源型城市景觀格局差異進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[9]探討了鹽城濱海濕地景觀格局和人為干擾度的動(dòng)態(tài)變化及響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)的人工景觀不斷向海推進(jìn)，逐漸取代自然景觀成為當(dāng)?shù)氐闹鲗?dǎo)景觀。除此之外，目前較多的景觀格局研究與氣候、碳儲(chǔ)存、景觀風(fēng)險(xiǎn)、災(zāi)害等相關(guān)聯(lián)[10-12]，大多數(shù)景觀生態(tài)研究集中于濱海濕地，或以流域?yàn)閱卧M(jìn)行研究，而采用行政邊界范圍，并以縣域?yàn)閱卧难芯枯^少。近20年來，位于黃土高原的榆林市快速發(fā)展，自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素綜合作用下使得榆林市的土地利用與景觀格局發(fā)生了明顯變化，這也給當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)帶來了顯著壓力[13-15]。目前在榆林以縣域尺度分析區(qū)域土地利用以及景觀格局的變化，并探究其原因的研究尚不充分。

基于此，文中以榆林市的縣域單元為研究區(qū)域，利用Fragstats平臺(tái)構(gòu)建了2000年、2010年以及2020年榆林景觀格局，分析了其2000年、2010年以及2020年的土地利用變化，以期為類似區(qū)域的土地利用與景觀格局結(jié)構(gòu)改善以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能提升提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域、數(shù)據(jù)及方法

1.1 研究區(qū)域概況

榆林市位于陜西省，總土地面積42 920.2平方公里，包含2個(gè)區(qū)、1個(gè)縣級(jí)市、9個(gè)縣，是全國重要的能源基地，包括礦產(chǎn)資源和油氣資源。榆林毗鄰延安市，位于陜西北部屬于黃土高原區(qū)域，不僅與寧夏、甘肅和鄂爾多斯接壤，且地理位置處于五省交界處。此外，榆林以毛烏素沙地為主要土地類型，并與黃土高原交界，同時(shí)也與內(nèi)蒙古高原的交界區(qū)。榆林有世界七大煤田之一的“神府煤田”，長期以來，榆林的部分區(qū)域?qū)儆谵r(nóng)牧交錯(cuò)帶，長期受到水土流失等環(huán)境問題困擾，其生態(tài)環(huán)境脆弱。文中以縣域?yàn)榛狙芯繂卧芰质械目h域分別為：榆陽區(qū)、橫山區(qū)、神木市(縣)、府谷縣、靖邊縣、定邊縣、綏德縣、米脂縣、佳縣、吳堡縣、清澗縣、子洲縣。

1.2 數(shù)據(jù)來源及方法

2000年、2010年、2020年的土地利用數(shù)據(jù)來源于自然資源部的GlobeLand30產(chǎn)品，GlobeLand30數(shù)據(jù)研制所使用的分類影像主要是30米多光譜影像，包括美國陸地資源衛(wèi)星(Landsat)的TM5、ETM+、OLI多光譜影像和中國環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星(HJ-1)多光譜影像；使用16米分辨率高分一號(hào)(GF-1)多光譜影像，其精度為30m，分為耕地、林地、草地、灌木地、濕地、水體、苔原、人造地表、裸地、冰川和永久積雪10個(gè)地類，并經(jīng)過精度驗(yàn)證，滿足研究需求；研究過程為了適應(yīng)榆林的位置，在ArcGIS10.3平臺(tái)中的坐標(biāo)系設(shè)置為Asia North Albers Equal Area Conic。

文中通過Globeland30土地利用數(shù)據(jù)[16]，通過Fragstats4.2軟件計(jì)算不同的景觀格局指數(shù)，得到榆林市2000—2020年的整體的以及不同地類的景觀指數(shù)變化狀況。尺度選擇是景觀格局研究的重要基礎(chǔ)，基于Fragstats4.2的景觀格局指數(shù)計(jì)算分為3個(gè)尺度：景觀水平、類型水平和斑塊水平，文中選擇景觀水平探究榆林整體的景觀格局變化，以及選擇類型水平探究榆林不同地類的景觀格局指數(shù)狀況。

在景觀水平下選取指數(shù)：斑塊數(shù)量(Number of Patches，NP)、斑塊面積(Patch Area，AREA_MN)、斑塊密度(Patch Density，PD)、邊緣面積比(Perimeter-Area Ratio，PARA_MN)、連續(xù)性指數(shù)(Contiguity Index，CONTIG_MN)、蔓延度指數(shù)(Contagion，CONTAG)和聚集度指數(shù)(Aggregation Index，AI)；在類型水平下選取指數(shù)：斑塊密度(Patch Density，PD)、斑塊面積(Patch Area，AREA_MN)、邊緣面積比(Perimeter-Area Ratio，PARA_MN)、連續(xù)性指數(shù)(Contiguity Index，CONTIG_MN)、斑塊數(shù)量(Number of Patches，NP)、聚集度指數(shù)(Aggregation Index，AI)，在類型水平下主要對(duì)易于受人類活動(dòng)干擾并對(duì)生態(tài)系統(tǒng)有較大影響的耕地、建筑以及裸地進(jìn)行計(jì)算。

其中斑塊數(shù)量、面積、密度、邊緣面積比等指數(shù)為Fragstats軟件通過對(duì)各斑塊周長、面積等指標(biāo)自動(dòng)測(cè)算得出。而連續(xù)性指數(shù)、蔓延度指數(shù)、聚集度指數(shù)的計(jì)算公式如下：

文中以連續(xù)性指數(shù)CONTIG_MN(又稱鄰接指數(shù))評(píng)估斑塊中柵格的空間連通性，其式為

(1)

式中：cijr為斑塊ij中柵格r的鄰接值;aij為各斑塊面積;v為Filter矩陣[17]。

以蔓延度指數(shù)CONTAG描述景觀斑塊類型的團(tuán)聚程度或延展趨勢(shì)，包含了空間信息。CONTAG較大，表明景觀中的優(yōu)勢(shì)斑塊類型形成了良好的連接；反之，則表明景觀是具有多種要素的散布格局，景觀的破碎化程度較高，其式為

(2)

式中：Pi為i類型斑塊所占的面積百分比;gik為i類型斑塊和k類型斑塊毗鄰的數(shù)目，m為景觀中的斑塊類型總數(shù)目。

以同類型斑塊像元間公共邊界長度來計(jì)算聚集度指數(shù)AI(又稱斑塊聚合度)。當(dāng)某類型中所有像元間不存在公共邊界時(shí)，該類型的聚合程度最低，而當(dāng)類型中所有像元間存在的公共邊界達(dá)到最大值時(shí)，具有最大的聚合指數(shù)，其式為

(3)

其中g(shù)ii為相應(yīng)景觀類型的相似鄰接斑塊數(shù)量。

2 結(jié)果及分析

2.1 土地利用變化

根據(jù)Globeland 30數(shù)據(jù)，利用Arcgis10.3軟件計(jì)算得到了2000年、2010年和2020年的各土地利用類型面積，見表1。

從表1中可知，過去20年間，草地和耕地地類一直是榆林市最主要的土地利用類型。其中耕地地類在2000—2020年間整體呈現(xiàn)增多的趨勢(shì)，而草地地類在2000—2020年間整體呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)。在各地類中，濕地占比最少，同時(shí)在2000—2020年間呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。濕地具有重要的生態(tài)水源涵養(yǎng)功能，濕地面積占比低并且持續(xù)減少的狀況應(yīng)引起重視。

表1 榆林市土地利用類型面積

2.2 景觀格局構(gòu)建

根據(jù)已有研究，景觀格局均通過多種景觀指數(shù)進(jìn)行構(gòu)建[1]，榆林市景觀水平景觀格局指數(shù)如圖1所示，榆林市類型水平景觀格局指數(shù)如圖2所示。

圖1 榆林市景觀水平景觀格局指數(shù)Fig.1 Landscape pattern index in landscape metrics in Yulin city

圖2 榆林市類型水平景觀格局指數(shù)

從圖2可看出,① 榆林市縣域的斑塊數(shù)量指數(shù)分布相對(duì)不均勻，其中榆陽區(qū)和神木市(縣)斑塊數(shù)量處于較高的水平，神木市(縣)斑塊數(shù)量呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，但是其斑塊密度相對(duì)較小，而榆陽區(qū)斑塊數(shù)量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其密度也處于較高水平，整體反映出榆林市的景觀整體較為破碎化。此類現(xiàn)象在榆林市的榆陽區(qū)和神木市(縣)較為嚴(yán)重，并且斑塊面積指數(shù)和周長面積比的狀況也印證這一現(xiàn)象；② 榆林各縣域連續(xù)性指數(shù)基本呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但蔓延度指數(shù)基本呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，聚集度指數(shù)方面，變化不大，整體反應(yīng)出榆林景觀連續(xù)性上升，但其延展趨勢(shì)減弱，其景觀更加分散；③ 榆林市整體的斑塊破碎化程度和分散化趨勢(shì)顯著，結(jié)合類型水平(圖3)，可以確定2000—2020年間破碎化和分散化主要發(fā)生在耕地地類和裸地地類，表明耕作等人類活動(dòng)要素對(duì)景觀格局產(chǎn)生了較為深刻的影響，而建筑用地等在一定程度上通過其面積的擴(kuò)張，造成了耕地等地類的不連片分布，對(duì)其破碎化和分散化趨勢(shì)的加強(qiáng)具有助推作用。榆林市2000—2020年間持續(xù)破碎和分散的景觀格局對(duì)榆林整體的生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了較大的壓力。

從圖3可看出，榆林各縣域耕地、建筑、裸地的平均斑塊面積指數(shù)總和分別為13 932.123,1 896.140,33.038，其中耕地遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于建筑和裸地，說明在3類對(duì)生態(tài)系統(tǒng)有較大影響的地類中，耕地是主要優(yōu)勢(shì)景觀，其斑塊數(shù)量和密度呈現(xiàn)增長趨勢(shì)，但聚集度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，其破碎化程度增強(qiáng)，反映出人類擾動(dòng)下的耕地景觀破碎嚴(yán)重，給生態(tài)系統(tǒng)帶來壓力。

同時(shí)，耕地的連續(xù)性指數(shù)大多呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，但聚集性指數(shù)除部分縣域有明顯的下降趨勢(shì)外，其余縣域變化規(guī)律不明顯。在建筑方面，榆林建筑類型斑塊數(shù)量、面積、密度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，其中榆林市的榆陽區(qū)、神木市(縣)尤為顯著，其在人類活動(dòng)、城鎮(zhèn)擴(kuò)張等方面給生態(tài)系統(tǒng)帶來更大的壓力，建筑類型的聚集性指數(shù)和連續(xù)性指數(shù)變化規(guī)律不明顯。在裸地方面，榆林市榆陽區(qū)的裸地斑塊數(shù)量和密度較高，其中榆陽區(qū)的裸地斑塊數(shù)量2000年、2010年、2020年分別為41 594,41 659,39 317，雖呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但其指數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他縣區(qū)，其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生較大壓力，除此之外，榆林市府谷縣的聚集性指數(shù)和連續(xù)性指數(shù)表現(xiàn)出增長迅速趨勢(shì)。在邊緣面積比指數(shù)方面，除榆林市部分縣域裸地類型外，其余類型各縣域基本呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，其斑塊緊湊程度下降。

在類型水平下，可以判斷不同景觀類型的景觀生態(tài)狀況，從而對(duì)整體的景觀格局變化的原因進(jìn)行判斷。優(yōu)勢(shì)景觀耕地的破碎化表現(xiàn)出人類對(duì)耕地的干擾較大，而建筑地類景觀格局指數(shù)的變化表現(xiàn)出當(dāng)?shù)爻擎?zhèn)化趨勢(shì)明顯，對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生更強(qiáng)烈的影響。從整體來講，景觀格局指數(shù)一定程度上能夠反映出了榆林市的生態(tài)系統(tǒng)的健康程度，人為等因素對(duì)耕地、建筑等景觀的干擾或推進(jìn)，使得榆林市的景觀發(fā)生了深刻的變化，這種變化對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)來講，無疑是強(qiáng)烈的干擾因素，并將成為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能發(fā)生變化的重要驅(qū)動(dòng)力之一。

總體而言，景觀格局狀況反映出人口較為密集、經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的地區(qū)，例如神木市(縣)、榆陽區(qū)面臨較大的生態(tài)壓力，榆林市整體的景觀生態(tài)狀況改善仍存在明顯的提升空間，例如限制城鎮(zhèn)擴(kuò)張，發(fā)展不依賴面積擴(kuò)張的新型城鎮(zhèn)化模式。

3 結(jié) 論

1) 文中基于Globeland30土地利用數(shù)據(jù)，分析了榆林土地利用轉(zhuǎn)移情況，并根據(jù)土地利用狀況，通過ragstats4.2平臺(tái)在景觀水平和類型水平下計(jì)算了其景觀格局指數(shù)。2000—2020年間，榆林景觀水平下的景觀格局指數(shù)顯示其景觀破碎化趨勢(shì)加強(qiáng)，并且景觀更加分散，類型水平下的榆林各縣域耕地、建筑、裸地的斑塊面積指數(shù)總和分別為18 740.871,3 093.980,40.324。其中耕地遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于建筑和裸地，說明耕地是榆林生態(tài)系統(tǒng)威脅因子中的主要優(yōu)勢(shì)景觀，其斑塊數(shù)量和密度呈現(xiàn)增長趨勢(shì)。但聚集度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，其破碎化程度增強(qiáng)，通過分析景觀破碎下的主要景觀類型，反映出人類干擾是景觀破碎的主要原因。例如人類擾動(dòng)下的耕地景觀破碎嚴(yán)重，同時(shí)當(dāng)?shù)亟ㄖ仡惖木坝^格局變化趨勢(shì)表明榆林城鎮(zhèn)化進(jìn)程迅速，其中榆林市的耕地景觀破碎化、分散化趨勢(shì)以及城鎮(zhèn)化趨勢(shì)更加顯著，給生態(tài)系統(tǒng)帶來更加強(qiáng)烈的壓力。

2) 生態(tài)系統(tǒng)外部因素例如人類活動(dòng)對(duì)景觀格局的干擾更為顯著，從整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)的角度來看，提出建議：加強(qiáng)土地整治力度，對(duì)破碎化嚴(yán)重的地類進(jìn)行合并，尤其是耕地景觀；控制建筑用地的增長規(guī)模，加強(qiáng)新型城鎮(zhèn)化的發(fā)展力度，摒棄“攤大餅”式的建筑用地快速增長的傳統(tǒng)城鎮(zhèn)化發(fā)展模式；促進(jìn)整體生態(tài)系統(tǒng)健康程度及功能的提升。其中，榆林市的榆陽區(qū)和神木市(縣)在景觀水平和類型水平的多個(gè)指數(shù)下均相對(duì)于其他區(qū)縣較高，尤其是裸地斑塊密度方面，由于這類景觀類型與人類活動(dòng)保持較大關(guān)聯(lián)，所以存在較大的優(yōu)化空間，提高景觀或土地利用率，改善當(dāng)?shù)鼐坝^格局。