青海省民和縣土地利用景觀生態(tài)格局動(dòng)態(tài)分析

冶曉錚，張金旭，候智國

（1青海省水利水電科學(xué)研究院有限公司，西寧 810001；2青海省水資源高效利用工程技術(shù)研究中心，西寧 810001；3青海省流域水循環(huán)與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西寧 810001）

0 引言

景觀生態(tài)學(xué)是一門相對(duì)年輕且應(yīng)用普遍的生態(tài)學(xué)分支學(xué)科，是傳統(tǒng)生態(tài)學(xué)研究向宏觀與空間方向發(fā)展的自然延伸。景觀生態(tài)學(xué)中景觀的異質(zhì)性與生態(tài)過程的相互作用是目前研究的主要問題之一[1]。運(yùn)用3S技術(shù)，在獲取大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，分析景觀格局變化是目前主要的研究手段之一[2]。通過對(duì)區(qū)域景觀空間分布格局的研究，可以揭示研究區(qū)的生態(tài)情況和空間格局特征。為從廣義和狹義2個(gè)不同角度得出研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境情況，可采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)景觀格局的特征指數(shù)進(jìn)行分析[3]。

國外最初提出“景觀生態(tài)學(xué)”一詞的是德國著名區(qū)域地理學(xué)家特羅爾，距今已有80 余年，這標(biāo)志著景觀生態(tài)學(xué)的誕生[4-5]。在研究東非土地利用問題時(shí)，Troll把航空照片鑲嵌圖形的分析系統(tǒng)和地面調(diào)查結(jié)合起來，從而提出了“景觀生態(tài)學(xué)”一詞[6]。在《土地鑲嵌－景觀與區(qū)域的生態(tài)學(xué)》一書中基于斑塊—廊道—基質(zhì)模型，從景觀尺度討論了創(chuàng)造可持續(xù)環(huán)境等具有前沿性的問題[7]。Parker 等[8]利用基于主體的土地利用模型，分析得出邊緣效應(yīng)外部性和距離相關(guān)空間外部性對(duì)土地利用模式的影響。Fahrig 等[9]分析成分異質(zhì)性和結(jié)構(gòu)異質(zhì)性，在農(nóng)業(yè)景觀生物多樣性方面有了突破。Okanga 等[10]使用國家土地覆蓋數(shù)據(jù)集的六級(jí)簡(jiǎn)化來量化景觀格局，在景觀異質(zhì)性對(duì)生物群落的影響方面取得了進(jìn)展。

自20世紀(jì)80年代以來，中國在景觀生態(tài)學(xué)方面的研究才逐步發(fā)展起來。1981 年自然地理學(xué)家黃錫疇首次闡明景觀生態(tài)學(xué)這一概念[11]。1990年肖篤寧等[12]以航片為基礎(chǔ)，通過轉(zhuǎn)移矩陣、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)、多樣性指數(shù)對(duì)沈陽西郊景觀格局變化進(jìn)行了研究，為此后景觀格局研究奠定了基礎(chǔ)。近年來景觀格局變化與氣候、生態(tài)等相結(jié)合[13-14]的研究越來越多。如馮佳等[15]通過轉(zhuǎn)移矩陣和景觀指數(shù)的計(jì)算，分析若爾蓋保護(hù)區(qū)若干年景觀格局的動(dòng)態(tài)變化，對(duì)促進(jìn)濕地資源科學(xué)保護(hù)和利用、規(guī)劃和管理有重要參考意義。張秦英等[16]分析鐵道建設(shè)前后10 年沿線土地利用變化和景觀格局特征，揭示鐵道工程對(duì)沿線景觀格局的干擾尺度以及干擾范圍內(nèi)的景觀生態(tài)影響，為解決黃土高原交通基礎(chǔ)建設(shè)提供科學(xué)參考。方仁建等[17]利用GIS和景觀指數(shù)計(jì)算方法對(duì)鹽城海濱地區(qū)景觀格局進(jìn)行分析，圍墾對(duì)景觀格局產(chǎn)生的具體影響問題得到初步解決，并為今后該地區(qū)或其他類似地區(qū)海岸帶管理和資源開發(fā)提供指導(dǎo)。陳剛等[18]利用累計(jì)耗費(fèi)距離模型和流域水文分析等方法，進(jìn)行城市水生態(tài)韌性空間構(gòu)建的實(shí)踐研究，構(gòu)建生態(tài)水網(wǎng)。劉學(xué)錄[19]基于近年來國內(nèi)景觀尺度效應(yīng)研究的相關(guān)報(bào)道，回顧了景觀尺度效應(yīng)研究的進(jìn)展，展望了今后深入研究景觀尺度效應(yīng)的方向。

民和縣作為青藏高原向黃土高原的過渡地帶，近些年經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及人口增長(zhǎng)使得生態(tài)環(huán)境問題日益顯著，但是有關(guān)民和縣景觀格局動(dòng)態(tài)變化及驅(qū)動(dòng)力分析的研究相對(duì)較少。為后續(xù)解決社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境以及景觀格局的優(yōu)化等一系列問題，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行景觀生態(tài)格局研究，以期為民和縣的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

民和縣位于青海省東部，地處甘青兩省交界，同時(shí)地處黃土高原和青藏高原的過渡地帶，被稱為“青海門戶”。全縣南北長(zhǎng)65 km，東西窄約為40 km，總面積1890.82 km2，占全省面積的0.26%，轄8鎮(zhèn)14鄉(xiāng)312村，聚居著漢、回、土、藏等20個(gè)民族[20]?？h內(nèi)有大小河流24條，黃河自南部官亭、中川流經(jīng)，形成了著名的湟水谷地，黃河支流湟水河自縣境北部流經(jīng)，形成了著名的湟水谷地（圖1）。

1.2 數(shù)據(jù)來源及數(shù)據(jù)預(yù)處理

本研究區(qū)主要采用2000、2010、2020 年30 m 全球地表覆蓋數(shù)據(jù)GlobeLand30，利用ArcGIS 10.2 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪、分類，參照GlobeLand30 分類標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合研究區(qū)自然條件以及數(shù)據(jù)的可獲取性，將研究區(qū)進(jìn)行土地利用類型分類，分為耕地、森林、灌木、草地、濕地、水體、人造地表7類，總體精度達(dá)85.72%。

1.3 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用類型轉(zhuǎn)移，是指在對(duì)土地資源進(jìn)行利用的過程中，土地利用結(jié)果發(fā)生改變，將一種土地用途轉(zhuǎn)移或合并為其他土地用途，從而通過土地利用類型之間的變化來分析得出某區(qū)域土地利用類型變化情況[21]。土地利用類型的增加和減少指土地利用類型已經(jīng)不是原來的類型，土地利用類型發(fā)生了改變，土地類型的增加就是生長(zhǎng)，減少就是消亡，這是研究時(shí)空演變的重要形式[22]。

通過矩陣轉(zhuǎn)移一方面可以了解研究區(qū)內(nèi)不同土地利用類型之間的轉(zhuǎn)化情況，另一方面可以得出不同土地利用類型之間的流轉(zhuǎn)速度，其次是利用土地利用的結(jié)構(gòu)、特征以及變化情況。采用該方法用于分析民和縣景觀類型的空間變化過程。轉(zhuǎn)移矩陣如式(1)。

式中，Pij為景觀類型面積由i轉(zhuǎn)化為j的面積[23]。

1.4 景觀指數(shù)選取

景觀格局描述了景觀空間結(jié)構(gòu)的特征和不同尺度的各種干擾下生態(tài)過程的結(jié)果。本研究利用Fragstats4 景觀分析軟件對(duì)研究區(qū)的斑塊指數(shù)和景觀水平2個(gè)方面進(jìn)行分析，選取斑塊類型面積(CA)、斑塊面積比例(PLAND)、斑塊數(shù)(NP)、斑塊密度(PD)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、平均斑塊面積(AREA_MN)、景觀豐富度(PR)、香農(nóng)多樣性(SHDI)、香農(nóng)均勻度(SHEI)等指標(biāo)進(jìn)行分析。所選指標(biāo)的生態(tài)意義見表1。

表1 各景觀指數(shù)生態(tài)意義

1.5 土地利用程度

土地利用程度綜合指數(shù)模型是一個(gè)呈連續(xù)性分布的綜合指數(shù)，其大小反映了研究區(qū)的土地利用程度[24]。計(jì)算如式(2)。

式中，L表示土地利用程度綜合指數(shù)，Pi表示第i級(jí)的土地利用程度分級(jí)指數(shù)，Ai表示第i級(jí)的土地利用類型面積百分比，n為土地利用程度分級(jí)數(shù)[25]。

2 結(jié)果與分析

2.1 景觀類型面積變化特征及相互轉(zhuǎn)化關(guān)系分析

圖2是青海省民和縣20年間土地利用類型的變化情況。由表2 可知，2000—2020 年研究區(qū)耕地和草地面積占比最多，整體呈下降趨勢(shì)，耕地面積從54%下降到52%，草地面積從33%下降到31%。其中耕地、草地和灌木地面積逐漸減少，草地面積先增加后減少，人造地表先減少后增加。

表2 各景觀類型面積變化量

圖2 青海省民和縣2000—2020年3期土地利用類型圖

民和縣耕地、草地、濕地面積呈先增加后減少的趨勢(shì)，森林、人造地表面積呈先減少后增加的趨勢(shì)，灌木地呈減少趨勢(shì)，水體面積呈增加趨勢(shì)。耕地面積減少最多，從104180.6 hm2減少至99824.7 hm2，20年間共減少了4355.9 hm2，主要原因是人口的快速增長(zhǎng)和城市用地、工業(yè)用地的逐步增加使人造地表面積逐漸增加，耕地面積日漸縮減。景觀類型面積增加的有森林、濕地、水體、人造地表，其中面積增加最多的是人造地表，共增加了4476.9 hm2，面積變化較小的是濕地，增加了17.6 hm2，這也體現(xiàn)出民和縣響應(yīng)國家號(hào)召，加大了環(huán)境保護(hù)力度。總體而言，民和縣生態(tài)環(huán)境朝著良好的方向發(fā)展。

通過對(duì)民和縣2000、2010、2020年3期土地利用類型圖進(jìn)行土地利用轉(zhuǎn)移疊加，得到民和縣面積轉(zhuǎn)移矩陣（表3）。2000—2020 年發(fā)生轉(zhuǎn)移的總面積為14545.1 hm2，其中轉(zhuǎn)出面積最多的景觀類型是耕地，轉(zhuǎn)出面積為6722.73 hm2，占總轉(zhuǎn)出面積的46.22%，而這其中，耕地主要轉(zhuǎn)移為人造地表類型，轉(zhuǎn)移面積為4435.92 hm2；其次是草地，轉(zhuǎn)移面積為6080.94 hm2，占總轉(zhuǎn)出面積的41.81%，主要轉(zhuǎn)移為了森林；人造地表共轉(zhuǎn)出面積97.11 hm2，占總轉(zhuǎn)出面積的0.67%，主要轉(zhuǎn)移為了耕地；轉(zhuǎn)出面積最小的景觀類型是濕地，共轉(zhuǎn)出面積11.88 hm2，占總轉(zhuǎn)出面積的0.08%，主要轉(zhuǎn)移為了水體，向水體轉(zhuǎn)移面積為6.21 hm2。

表3 2000—2020年景觀類型面積轉(zhuǎn)移矩陣

轉(zhuǎn)入面積最多的是森林、人造地表，轉(zhuǎn)入面積為4591.8、4573.98 hm2，分別占轉(zhuǎn)入總面積的31.57%和31.45%，森林主要轉(zhuǎn)移為了草地，向草地轉(zhuǎn)入面積為3677.49 hm2，轉(zhuǎn)移為草地的面積占總轉(zhuǎn)入面積的80.09%；人造地表主要轉(zhuǎn)移為了耕地，向耕地轉(zhuǎn)入面積為4435.92 hm2，轉(zhuǎn)移為耕地的面積占轉(zhuǎn)入總面積的96.98%。轉(zhuǎn)入面積最少的是灌木地和濕地，其中灌木地轉(zhuǎn)入面積為0；濕地轉(zhuǎn)入面積為29.52 hm2，占總轉(zhuǎn)入面積的0.20%，主要轉(zhuǎn)移為了耕地，轉(zhuǎn)入面積為23.58 hm2，轉(zhuǎn)移為耕地的面積占轉(zhuǎn)入總面積的79.88%。

2.2 景觀類型水平變化特征分析

由表4 可知，2000 年民和縣各景觀類型面積從大到小依次為耕地、草地、森林、人造地表、水體、灌木地、濕地；斑塊數(shù)量從多到少依次為草地、灌木地、耕地、森林、水體、人造地表、濕地；斑塊密度大小依次為草地、灌木地、耕地、森林、水體、人造地表、濕地；平均斑塊面積從大到小依次為耕地、森林、草地、人造地表、水體、濕地、灌木地。可以看出，耕地和草地所占比例最大，分別占總面積的54.995%和33.12%，并且耕地和草地的斑塊密度較高，表明耕地和草地的破碎化程度較大。

表4 2000—2020年民和縣景觀類型水平指數(shù)

2010 年民和縣各景觀類型面積從大到小依次為耕地、草地、森林、人造地表、水體、灌木地、濕地；斑塊數(shù)量從多到少依次為草地、灌木地、耕地、森林、水體、人造地表、濕地；斑塊密度從大到小依次為草地、灌木地、耕地、森林、人造地表、水體、濕地；平均斑塊面積從大到小依次為耕地、森林、草地、人造地表、水體、濕地、灌木地?？梢钥闯?，2010 年耕地所占面積比例最大，占總面積的55.06%；濕地所占面積比例最小，占總面積的0.03%。草地和灌木地的斑塊數(shù)量最多，濕地斑塊數(shù)量最少，表明2010年草地和耕地的破碎化程度較大，濕地破碎化程度較小。

2020 年民和縣各景觀類型面積從大到小依次為耕地、草地、森林、人造地表、水體、灌木地、濕地；斑塊數(shù)量從多到少依次為草地、灌木地、耕地、人造地表、森林、水體、濕地；斑塊密度從大到小依次為草地、灌木地、耕地、人造地表、森林、水體、濕地；平均斑塊面積從大到小依次為耕地、森林、人造地表、水體、草地、濕地、灌木地。可以看出，2020 年耕地占比面積最多，占總面積的52.70%。其中草地斑塊數(shù)量最多，濕地斑塊數(shù)量最少，說明2020 年草地的破碎化程度較大，濕地破碎化程度較小。

2000—2020 年灌木地和人造地表斑塊數(shù)量變化較大，其中灌木地整體呈下降趨勢(shì)，人造地表整體呈上升趨勢(shì)。灌木地和草地斑塊密度變化較大，其中草地斑塊密度整體呈上升趨勢(shì)，表明草地的破碎化程度較高，濕地和水體的斑塊密度變化不大。森林和人造地表的景觀形狀指數(shù)整體呈上升趨勢(shì)，說明民和縣景觀斑塊形狀不規(guī)則，邊界擴(kuò)散幅度加大。灌木地和水體的景觀形狀指數(shù)整體呈下降趨勢(shì)，表明民和縣景觀要素的形狀趨于簡(jiǎn)單，景觀優(yōu)勢(shì)度降低。森林和人造地表整體呈上升趨勢(shì)，表明在人類活動(dòng)的影響下破碎化程度加深，耕地和草地整體呈下降趨勢(shì)，灌木地變化不大。

2.3 景觀級(jí)別水平變化特征分析

從表5 看出，2000—2020 年斑塊數(shù)和斑塊密度整體趨于上漲，表明研究區(qū)總體的破碎化程度增加。如圖3所示，LPI和LSI的變化情況中最大斑塊指數(shù)趨于下降，表明在人類活動(dòng)的影響下景觀優(yōu)勢(shì)度降低。景觀形狀指數(shù)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，可能是由于人類活動(dòng)的影響景觀形狀趨于不規(guī)則，到2020年開始呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，表明景觀形狀開始趨于集中，景觀優(yōu)勢(shì)度趨于降低。蔓延度一直持續(xù)降低，到2020年降低速度最快，表明該研究區(qū)景觀是具有多種要素的密集格局，景觀的破碎化程度較高。

表5 2000—2020年民和縣景觀級(jí)別水平指標(biāo)

圖3 2000—2020年民和縣LPI、LSI變化情況

如圖4 所示，2000—2020 年民和縣香農(nóng)多樣性指數(shù)總體呈小幅上升趨勢(shì)，在2020 年上升較為明顯，表明2020 年民和縣土地利用較為豐富，破碎化程度較高。香農(nóng)均勻度指數(shù)先下降后上升，總體上變化幅度不大，表明研究區(qū)內(nèi)各景觀斑塊類型分布趨于均勻，景觀的優(yōu)勢(shì)度逐漸降低，多樣性提高。

圖4 2000—2020年民和縣SHDI、SHEI變化情況

2.4 土地利用程度分析

土地利用程度綜合指數(shù)通過衡量人類活動(dòng)對(duì)土地系統(tǒng)的影響程度來衡量土地利用水平，定量描述該地區(qū)土地利用變化的綜合水平和趨勢(shì)，是衡量指定區(qū)域內(nèi)土地利用情況的重要指標(biāo)[26]。由研究區(qū)土地利用程度指數(shù)（表6）可以看出，2000—2020 年研究區(qū)土地利用程度指數(shù)整體呈上升趨勢(shì)，在2010 年有稍微下降。從3期土地利用程度圖（圖5）可以看出民和縣20年間土地利用總體變化情況，表明通過合理利用土地資源和在有效的治理下，研究區(qū)的土地利用情況逐漸良好，土地利用的多樣性不斷增強(qiáng)，景觀功能性也不斷改善。

表6 2000—2020年土地利用程度指數(shù)

圖5 民和縣2000—2020年3期土地利用程度圖

3 結(jié)論

（1）從研究區(qū)景觀類型面積變化特征及相互轉(zhuǎn)化關(guān)系分析來看，2000—2020 年人造地表面積增加最多，增加了4476.9 hm2；耕地面積減少最多，減少了4355.9 hm2，耕地主要轉(zhuǎn)化為了人造地表；面積變化最慢的是濕地，增加了17.6 hm2。

（2）從研究區(qū)景觀指數(shù)變化特征分析來看，在20年來草地和耕地的破碎化程度最高，濕地的破碎化程度較?。话邏K數(shù)和斑塊密度整體呈上升趨勢(shì)，最大斑塊指數(shù)呈下降趨勢(shì)，景觀形狀指數(shù)先增加后減少，蔓延度降低，香農(nóng)多樣性總體呈小幅上升趨勢(shì)，香農(nóng)均勻度先下降后上升。表明民和縣土地利用較為豐富，破碎化程度較高，在整體景觀水平上，該區(qū)域各景觀斑塊類型分布趨于均勻，景觀的優(yōu)勢(shì)度逐漸下降。

（3）從研究區(qū)的土地利用程度分析來看，土地利用程度指數(shù)由188上升至196，說明在合理的治理和可持續(xù)發(fā)展的共同作用下，土地得到了有效的利用。

（4）研究區(qū)景觀格局變化是自然因素和人為因素協(xié)同作用的結(jié)果。在自然因素上，民和縣年平均氣溫為8.6℃，年降水量500 mm，雨季集中，水土流失嚴(yán)重，過度開墾等導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境脆弱。在人為因素上，人口增長(zhǎng)因素是土地利用/土地覆被變化的主要原因之一，人類活動(dòng)對(duì)研究區(qū)的景觀類型和生態(tài)環(huán)境起著至關(guān)重要的影響。

4 討論

（1）研究區(qū)遙感影像景觀類型一般利用ENVI、ArcGIS等軟件進(jìn)行監(jiān)督分類等方法提取，但由于遙感影像會(huì)受到氣溫、降水等影響以及由于選取的3 期遙感影像不在同一時(shí)間段內(nèi)，因此它的分類結(jié)果會(huì)受到一定程度的干擾，在解譯和分析研究區(qū)景觀類型變化的時(shí)候會(huì)存在一些誤差，為了避免遙感影像上各種特征信息和不同地物間的差異性，筆者在制圖過程中使用全球地表覆蓋數(shù)據(jù)GlobeLand30多種科學(xué)的分類方法，對(duì)影像中出現(xiàn)的較為粗略的部分手工校對(duì)，使得景觀分類結(jié)果更加準(zhǔn)確。

（2）在研究區(qū)選擇上，首次選擇湟水谷地、黃土高原和青藏高原的過渡地帶民和縣作為研究對(duì)象，可以更好地與黃土高原景觀類型變化有明顯的分析對(duì)比，對(duì)于研究?jī)傻赜蚓坝^類型變化有一定的積極作用。

（3）在景觀格局變化的驅(qū)動(dòng)因素上，除了本研究分析到的因素，影響研究區(qū)景觀格局變化的因素還有退耕還林、土壤質(zhì)地變化、水土流失、自然災(zāi)害、政策、經(jīng)濟(jì)等，這也是今后需要研究和探索的重點(diǎn)。