縣域土地利用景觀格局變化研究——以隴縣為例

韓 燁，馬俊杰

(西北大學城市與環(huán)境學院，陜西 西安 710127)

土地利用/土地覆被變化是全球環(huán)境變化的前沿和熱點，也是引起區(qū)域環(huán)境變化的關(guān)鍵要素［1－3］。景觀空間格局是大小和形狀不一的景觀斑塊在空間上的排列，是景觀異質(zhì)性的重要表現(xiàn)，又是各種生態(tài)過程在不同尺度上作用的結(jié)果［4］。土地利用景觀格局的形成是一定地域內(nèi)各種自然因素和社會因素共同作用的結(jié)果。因而，分析土地利用景觀格局隨時間的動態(tài)變化過程可以揭示土地利用變化的內(nèi)在機制和規(guī)律，為實現(xiàn)土地資源的合理利用和可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

本文試圖通過對隴縣1989年、1999年和2009年三個時期土地景觀格局總體變化的對比研究，揭示人類活動對土地利用變化的影響，為該縣生態(tài)環(huán)境與社會、經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，土地資源的可持續(xù)利用提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

隴縣行政隸屬于陜西寶雞市，處關(guān)山和渭北高原西部的千山之間，秦嶺褶皺北部和鄂爾多斯地臺南緣接壤處，屬隴山山地和渭北黃土侵蝕地貌。海拔在800.2～2 428m之間，地勢西高東低，相對高差1 665.8m。屬暖溫帶大陸性季風氣候區(qū)，年平均氣溫10.7℃，年平均降雨量600.1 mm;總體氣候特點是光照比較充足，熱量垂直差異明顯，夏秋兩季降水集中。

2 數(shù)據(jù)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

采用2001～2007年隴縣統(tǒng)計年鑒，1989年、1999年隴縣土地利用數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)和隴縣第二次土地調(diào)查(以下簡稱“二調(diào)”)數(shù)據(jù)。

由于1989年、1999年土地利用數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)及二調(diào)數(shù)據(jù)均為Mapgis處理，根據(jù)景觀指數(shù)計算軟件Fragstats3.3對數(shù)據(jù)格式的要求，將Mapgis中的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到Arcgis中，并由矢量格式轉(zhuǎn)換為Arcgrid格式。考慮到二調(diào)數(shù)據(jù)中圖斑最小上圖面積，為確保土地利用信息的完整，同時考慮Fragstats軟件計算的速度和計算機的性能，確定10×10m的最小柵格單元。

2.2 研究方法

2.2.1 景觀類型的劃分

計算景觀格局指數(shù)時要充分考慮到土地利用分類的影響因素，采用的分類體系不同必然導致指數(shù)計算的結(jié)果不同。參閱相關(guān)文獻［5－8］，采取在土地利用現(xiàn)狀分類標準上，將原來的22個土地類型合并為8大類型，分別為耕地、園地、林地、草地、建設(shè)用地(包括城鎮(zhèn)工礦用地、交通水利用地和其他建設(shè)用地)、農(nóng)村居民點、水域和未利用地。在此基礎(chǔ)上，隴縣1989年、1999年和2009年的土地利用景觀格局如圖2所示。

圖1 隴縣在陜西省的位置示意圖

2.2.2 景觀指數(shù)的選擇

景觀格局指數(shù)可以比較準確地反映土地利用方式變化的空間量化狀態(tài)、景觀結(jié)構(gòu)組成以及空間配置特征［9－10］。景觀格局指數(shù)計算采用由美國俄勒岡州立大學森林科學系Dr.Kevin McGarigal和 BarbaraMarks開發(fā)的 Fargstats3.3軟件。為研究和評價人類開發(fā)活動對隴縣土地利用造成的影響，突出研究區(qū)景觀的動態(tài)變化，用SPSS軟件在類型水平和景觀水平上分別對眾多景觀指數(shù)進行相關(guān)分析和主成分分析，以選出最具代表性的指標表征隴縣土地利用的景觀格局。

圖2 1989年、1999年和2009年隴縣土地利用景觀格局

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用景觀現(xiàn)狀及變化

3.1.1 土地利用景觀現(xiàn)狀

隴縣2009年土地利用景觀如圖2所示，主要的景觀類型為林地和耕地，林地為景觀基質(zhì)，主要分布在西部關(guān)山土石山區(qū)和北部千山黃土梁原溝壑區(qū);耕地主要分布于地形平坦，土壤肥沃的千河谷地區(qū)，在千山黃土梁原溝壑區(qū)土壤、地形條件較好的區(qū)域也有適當分布;草地主要分布在西部的關(guān)山和北部千山山區(qū);園地主要為蘋果園、杏園、桃園、梨園、桑園等，主要分布于千河谷地區(qū);建設(shè)用地和農(nóng)村居民點主要分布于千河周邊和地形較平坦的區(qū)域;水域為千河及其支流、水庫;未利用地主要分布在北部和西南部山區(qū)。

3.1.2 土地利用景觀類型面積變化

根據(jù)隴縣1989年、1999年和2009年土地利用景觀類型分類結(jié)果對斑塊面積、所占比例及變化情況進行統(tǒng)計，見表1。

表1 隴縣土地利用景觀類型年際面積變化

由表1可知，在面積增加的土地利用景觀類型中，主要為建設(shè)用地和林地，以林地增加得最為明顯，20年間林地增長了35 411.73 hm2，所占的比例由 48.46% 增長至 64.26%;建設(shè)用地增長了1 238.88hm2，所占比例由0.06%增長至0.60%。土地利用類型面積減少較為明顯的為草地、未利用地和耕地，草地所占比例由 9.49%減少至 6.62%，減少了6 644.88 hm2，未利用地所占比例由8.85%減少至0.57%，耕地所占比例由30.25%減少到25.11%，這與隴縣1997年 ～2005年的退耕還林產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整有關(guān)，減少耕地12 051.53 hm2，使土地生態(tài)條件得到改善;此外，水域、農(nóng)村居民點面積也有一定程度減少。

3.2 景觀指數(shù)的選擇

利用Fragstats軟件對隴縣1989年、1999年和2009年土地利用現(xiàn)狀圖進行景觀格局分析，共選取19個類型水平和22個景觀水平的景觀格局指數(shù)。首先利用spss軟件對類型水平景觀指數(shù)進行相關(guān)性分析，得到19個類型水平指數(shù)的相關(guān)系數(shù)，在此基礎(chǔ)上采用主成分分析對數(shù)據(jù)降維以排除信息中的重疊部分，可用少數(shù)幾個變量表征原來變量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征而不丟失信息。通過將19個景觀格局指數(shù)降維，得到由5個指數(shù)構(gòu)成的隴縣景觀類型指數(shù)體系，即斑塊所占景觀面積的比例、景觀平均形狀指數(shù)、斑塊密度、散布與并列指標和聚合度指標。同理，采用spss軟件對22個景觀水平指數(shù)進行相關(guān)分析和主成分分析，得到邊界密度、蔓延度、景觀多樣性、香農(nóng)均勻度、面積加權(quán)的平均形狀指數(shù)和面積加權(quán)的平均斑塊分維度作為景觀格局指數(shù)體系。

3.3 景觀類型水平異質(zhì)性分析

進行土地利用景觀類型水平分析能反映出隴縣各類景觀類型的結(jié)構(gòu)特征，揭示其變化趨勢，根據(jù)景觀指數(shù)相關(guān)分析和主成分分析的結(jié)果，選擇斑塊所占景觀面積的比例、景觀平均形狀指數(shù)、斑塊密度、散布與并列指標和聚合度指標5個指標表征景觀類型水平。

3.3.1 斑塊所占景觀面積的比例

斑塊所占景觀面積的比例表征某一拼塊類型的總面積占整個景觀面積的百分比，可以反映優(yōu)勢景觀因素。由上圖可以看出，1989～2009年隴縣的景觀基質(zhì)為林地，林地約占景觀面積的一半，并呈逐漸增加趨勢，這與隴縣推行封山育林、退耕還林、人工造林工程有密切關(guān)系，到2009年林地所占比例達到64.26%。耕地所占比例為30.25% ～25.11%，面積略有減少，基本保持穩(wěn)定。同時草地由48.46%減少至6.62%，未利用地由8.85%減少至0.57%，這與土地后備資源整理工程有一定關(guān)系。

圖3 不同景觀類型所占景觀面積的比例

3.3.2 斑塊密度

圖4 不同景觀類型的斑塊密度

斑塊密度指單位面積上的斑塊個數(shù)。由圖4可以看出不同景觀類型的斑塊密度變化最明顯的是未利用地，由1.70減少到0.36，這與土地后備資源整理有關(guān)，對有利用價值的未利用地進行了開發(fā)和整理，使其斑塊密度有所下降;其次是林地斑塊密度有所增加，這與林地面積的增加有一定關(guān)系;耕地的斑塊密度由2.32下降到1.59，這與耕地面積的減少和斑塊的平均面積增大有關(guān);園地斑塊密度先增后減，也與園地面積和斑塊平均面積的變化有關(guān)。總之，說明近20年來人類對這4種景觀的影響最為顯著，這4種景觀的變化對人類具有較高的依賴性。

3.3.3 斑塊平均形狀指數(shù)

斑塊形狀指數(shù)是通過計算某一斑塊形狀與相同面積的正方形之間的偏離程度來測量其形狀復雜程度的，斑塊平均形狀指數(shù)是對某一景觀類型進行平均之后的結(jié)果。當斑塊形狀為正方形時值最小，為1，若斑塊的形狀越復雜或越扁長，值就越大。由表2知，①水域形狀最復雜:隴縣水域有河流、水庫、溝渠等，其形狀多種多樣，這種狀況導致了水域平均形狀指數(shù)最大，形狀最復雜。水域的形狀指數(shù)下降說明人類沿河而居、傍河繁衍對土地的需求逐漸讓景觀邊緣平滑化，同時由于橋梁的隔斷、河堤的連筑打斷了景觀的連通度，也使景觀更為規(guī)則。②農(nóng)村居民點的形狀指數(shù)較低且保持穩(wěn)定，農(nóng)村居民點一般選擇在地勢較為平坦的地區(qū)，且形狀為矩形或正方形，較為規(guī)則，除土地整理或新農(nóng)村建設(shè)需要，一般不做大規(guī)模變動。③耕地、林地的形狀指數(shù)高且穩(wěn)定，隴縣西部山嶺重疊、溝壑長深、水源充足，主要為大面積連片的林地，故形狀指數(shù)高，耕地主要在地形平坦、灌溉條件好的千河谷地區(qū)，不輕易變動，因而耕地形狀指數(shù)高且穩(wěn)定。④草地、未利用地的形狀指數(shù)下降，是由于原先的不規(guī)則的荒草地多被植樹造林，人工綠化草地形狀規(guī)則，人類有計劃的利用未利用地使得其形狀趨于規(guī)則。

表2 不同景觀類型的斑塊平均形狀指數(shù)和聚合度指數(shù)

3.3.4 散布與并列指標

圖5 不同景觀類型的散布與并列指標

散布與并列指標可以表示各個斑塊類型間的總體散布與并列狀況，是描述景觀空間格局的重要指標之一。散布與并列指標值小時表明斑塊類型僅與少數(shù)幾種其它類型相鄰接，值大時表明各斑塊間比鄰的邊長是均等的，即各斑塊間的比鄰概率是均等的。由圖7可知，1989年到2009年，耕地、園地、林地、草地景觀指數(shù)減小，表明這幾種景觀類型與其它類別斑塊相鄰程度降低，建設(shè)用地、農(nóng)村居民點、水域、未利用地景觀指數(shù)增大，表明這幾種景觀類型與其它類別斑塊相鄰程度升高。

3.3.5 聚合度

聚合度指數(shù)用來描述景觀中某一類型斑塊的聚合程度。由表2可知:①林地具有最大的聚合度且呈上升趨勢，由于隴縣的林地主要分布西部山區(qū)，面積逐漸增大，總體趨于穩(wěn)定。②水域、未利用地的聚合度略有下降，說明在人類活動影響下，這2種地類趨于分散、破碎。③建設(shè)用地、園地的聚合度上升，表示這2種地類具有較強的人為規(guī)劃性，而且經(jīng)常成片出現(xiàn)。

3.4 景觀水平異質(zhì)性分析

景觀水平指數(shù)可以定量反映區(qū)域總體景觀空間格局及變化特征，通過Fragstas3.3軟件計算出隴縣景觀水平指數(shù)如表4所示。

邊界密度指單位面積內(nèi)景觀邊界的長度，可以用來度量景觀破碎化的程度。從表可見，1989～1999年，邊界密度較為穩(wěn)定，略有上升，1999～2009年，邊界密度呈下降趨勢，反映了該景觀區(qū)域向保存完好連通性的方向發(fā)展，說明景觀破碎化程度減緩。

面積加權(quán)的平均形狀指數(shù)是度量景觀空間格局復雜性的重要指標之一，值越大說明景觀斑塊形狀越復雜，越不規(guī)則。1989～1999年，面積加權(quán)的平均形狀指數(shù)有所降低，說明斑塊形狀逐漸規(guī)整，1999～2009年，景觀指數(shù)又升高，說明斑塊形狀略有復雜，人類活動對景觀格局的影響有所增加。

表4 1989、1999、2009年隴縣景觀水平指數(shù)變化

面積加權(quán)的平均斑塊分維度常用來測定景觀中斑塊形狀的復雜程度，在一定程度上也反映了自然因素和人類活動對景觀格局的影響。其值越小，斑塊形狀越簡單，相反，斑塊形狀越復雜。從1989～2009年，隴縣面積加權(quán)的平均斑塊分維度比較穩(wěn)定，保持在1.3左右，說明20年間，隴縣景觀中斑塊形狀的復雜程度并未發(fā)生大幅度的變化，人類活動對景觀格局的影響保持在一定范圍內(nèi)。

蔓延度指數(shù)反映景觀中不同斑塊類型的團聚程度或延展趨勢。不同類型斑塊中相互鄰接的單個柵格分布越不均勻，值越接近100;當所有類型的斑塊均勻地相互鄰接時，值為0。隴縣的蔓延度指數(shù)從1989年的64.92增加至2009年的72.97，反映了景觀中的優(yōu)勢斑塊類型形成了良好的連接性，景觀斑塊的破碎化程度有所降低。

景觀多樣性指數(shù)能反映景觀異質(zhì)性，是用來度量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成復雜程度的指數(shù)，與景觀類型斑塊數(shù)量及其所占比例成正相關(guān)，是景觀過程影響景觀生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及其生產(chǎn)性的重要指標。隴縣的景觀多樣性指數(shù)從1989年的1.28降低到2009年的1.00，反映了景觀的破碎化程度降低，但是斑塊類型在景觀中呈非均衡分布，景觀的多樣性降低，這與林地劇烈增加和草地、未利用地大量減少存在一定關(guān)系。

香農(nóng)均勻度反映了景觀中各斑塊在面積上分布的不均勻程度。值為0，表明景觀僅由一種拼塊組成，無多樣性;值為1，表明各拼塊類型均勻分布，有最大多樣性。1989年香農(nóng)均勻度為0.62，2009年降低為0.48，說明1989～1999年各斑塊類型在景觀中均勻分布，到2009年景觀的優(yōu)勢度較高，景觀受到林地優(yōu)勢斑塊類型的支配。

4 結(jié)語

隴縣主要景觀斑塊類型為林地、耕地和草地，景觀基質(zhì)為林地，林地和建設(shè)用地保持穩(wěn)定而迅速的增長，草地和未利用地呈現(xiàn)逐漸減少趨勢。

類型水平的格局指數(shù)顯示，1989～2009年隴縣的景觀基質(zhì)為林地，并呈逐漸增加趨勢，水域、未利用和林地斑塊的形狀隨著人類活動的影響加深而變得越來越破碎，而建設(shè)用地、農(nóng)村居民點和草地由于人類規(guī)劃的作用，使得其斑塊形狀趨于規(guī)則，人類活動使水域、未利用地更為分散、破碎，建設(shè)用地、園地更為集中。

景觀水平的格局指數(shù)顯示，1989～2009年，景觀多樣性降低，破碎化程度減緩，優(yōu)勢度較高，林地作為優(yōu)勢斑塊類型形成了良好的連接性，斑塊形狀的復雜程度并未發(fā)生大幅度的變化，人類活動對景觀格局的影響保持在一定范圍內(nèi)。

［1］陳百明，劉新衛(wèi)，楊紅.LUCC研究的最新進展評述［J］.地理科學進展，2003，22(1):22 －29.

［2］劉軍會，高吉喜，耿斌，等.北方農(nóng)牧交錯帶土地利用及景觀格局變化特征［J］.環(huán)境科學研究，2007，20(5):148－154.

［3］馬文明，李剛，黃倩.基于遙感的平頂山市土地利用及其景觀格局變化研究［J］.水土保持通報，2007，27(3):102－106.

［4］張飛，塔西甫拉提·特依拜，丁建麗，等.干旱區(qū)綠洲土地利用/覆被及景觀格局變化特征——以新疆精河縣為例［J］.生態(tài)學報，2009，29(3):1251 －1263.

［5］郭娜，彭培好，許輝熙.米易縣土地利用景觀格局動態(tài)變化分析［J］.地理空間信息，2010，8(1):90 －92.

［6］戴金華，趙筱青.基于 GIS的土地利用景觀格局空間分析研究——以云南省瀘西縣白水鎮(zhèn)為例［J］.云南地理環(huán)境研究，2010，22(4):59 －65.

［7］段崢，宋現(xiàn)鋒，石敏俊.密云縣土地利用景觀格局時空變化及驅(qū)動力分析［J］.水土保持研究，2009，16(5):55 －59.

［8］汪煜，吳國平，何林艷.蘇州市吳中區(qū)土地利用景觀格局變化分析與模擬［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學，2010，38(10):5215 －5218.

［9］潘竟虎，劉普幸.黑河下游土地利用與景觀格局時空特征分析［J］.國土資源遙感，2008(2):84 －87.

［10］何蔓，張軍巖.全球土地利用與覆蓋變化(LUCC)研究及其進展［J］.國土資源，2005(9):22－25.