黃土丘陵溝壑區景觀格局演變特征
——以陜西省延安市為例

鐘莉娜，趙文武,*，呂一河,劉源鑫

(1.北京師范大學資源學院 地表過程與資源生態國家重點實驗室，北京 100875；2.中國科學院生態環境研究中心 城市與區域生態國家重點實驗室，北京 100085)

黃土丘陵溝壑區景觀格局演變特征
——以陜西省延安市為例

鐘莉娜1，趙文武1,*，呂一河2,劉源鑫1

(1.北京師范大學資源學院 地表過程與資源生態國家重點實驗室，北京 100875；2.中國科學院生態環境研究中心 城市與區域生態國家重點實驗室，北京 100085)

以陜西省延安市1985年、2000年和2008年三期1∶25萬景觀單元類型圖，1∶5萬地形圖等生成的數字高程模型(DEM)為數據源，基于ArcGIS 9.3軟件，采用多距離空間聚類、景觀單元類型轉移矩陣、空間數據疊加分析等方法分析了延安市景觀格局的演變特征。結果表明：延安市的景觀是由林地、灌木、草地和農田等基本景觀單元構成的復合景觀；研究期間農地面積急劇減少，流失的農地主要轉變為林地、草地、灌木和聚落，除農地和裸地外,其他景觀單元類型面積均有不同程度的增加；1985—2008年，林地、灌木和草地聚集的最大尺度減小，而農田聚集的最大尺度變大，農田和草地的空間聚集強度明顯小于林地和灌木；延安市主要景觀單元類型演變主要發生在海拔1100—1500 m之間的區域和坡度范圍7—21°之間的區域，但農田向聚落的演變主要發生在海拔較低(900—1300 m)、坡度較緩(<7°)的平川緩丘地帶。1999年之前，經濟的迅速發展是延安市景觀格局演變的主要驅動因素；而1999年之后，國家推行的退耕還林(還草)等一系列生態重建措施成為延安市景觀格局變化的主要驅動因素。

景觀格局；演變；多距離空間分析；空間分異；空間疊加

景觀生態學中的景觀格局一般指空間格局，是指大小和形狀不一的景觀斑塊在空間上的配置[1- 2]。景觀格局變化與氣候變化、土地利用/土地覆被變化及生物多樣性變化密切相關，了解景觀格局的演變特征是進行景觀格局分析的前提與基礎[3- 6]。近年來，景觀格局演變及其對生態過程的影響引起了國際學者的廣泛關注，成為當前景觀生態學研究中的熱點問題[7- 9]。學者們對景觀格局演變的分析多是利用景觀格局指數、景觀單元類型轉移矩陣等方法，從景觀格局的變化特征、驅動機制以及對景觀格局的模型預測等不同角度進行探討[10- 15]，但是景觀指數反映的是景觀格局的幾何特征，往往難以揭示景觀格局變化的深層規律,而模型方法也存在著很大的不確定性。在景觀格局變化的定量評估方面尚需要探索新的適用性方法。

黃土高原是世界上最大的黃土堆積區，人類活動歷史悠久，自然環境脆弱。對黃土高原地區景觀格局變化的研究一直是國內學者研究的熱點問題之一[16- 18]。本文以黃土丘陵溝壑區延安市為例，基于景觀生態學理論，借助GIS技術，利用多距離空間聚類分析、主要景觀演變類型的地形梯度分析等方法定量研究了1985—2008年延安市景觀格局的演變特征和主要演變類型的空間分異規律，以期為研究區土地利用和生態系統管理提供可能參考。

1 研究區概況

延安市位于黃河中游，地處北緯35°21′—37°31′，東經107°41′—110°31′之間，屬黃土丘陵溝壑區，山川塬交錯,溝梁峁縱橫,地形復雜、地貌獨特。地勢西北高東南低，平均海拔約1200 m。延安屬高原大陸性季風氣候，北部屬半干旱地區，南部屬半濕潤地區。延安市北連榆林市，南接關中咸陽、銅川、渭南3市，東隔黃河與山西省臨汾市、呂梁市相望，西依子午嶺與甘肅省慶陽市為鄰(圖1)[19]。

圖1 研究區位置示意圖Fig.1 Location of the study area

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本研究以延安市1985年、2000年和2008年3期1∶25萬景觀單元類型圖，1∶5萬地形圖生成的數字高程模型(DEM)為基本圖件，分析延安市景觀格局的演變特征。在ArcGIS 9.3平臺支持下，基于DEM數據獲取研究區高程圖、坡度圖和坡向圖。景觀單元類型圖來源于中國1∶25萬土地覆蓋遙感調查與監測數據庫，該數據庫是在“國家科學數據共享工程——地球系統科學共享網”的支持下，由中國科學院遙感應用研究所等7個單位，在全國1∶10萬土地利用數據和遙感分類數據的基礎上，采用全數字作業方式共同完成，數據精度在80%以上(不同類型有差異)。結合當地土地利用現狀和土地資源特點，參考國內外土地利用分類系統，將延安市景觀單元劃分為七種類型，分別是林地、灌木、草地、農田、聚落、水體和裸地。

2.2 研究方法

本研究采用空間統計和數理統計方法對1985年至2008年延安市不同景觀單元類型的數量變化進行分析。

(1)景觀單元類型變化特征分析

為探討不同景觀組分之間復雜的相互轉化過程，基于ArcGIS 9.3操作平臺，將3期景觀單元類型圖進行了空間疊置運算，由此得到景觀單元類型轉移矩陣，初步分析延安市景觀單元類型的動態變化過程。

(2)空間聚類分析

用Ripley K函數對延安市景觀格局進行多距離空間聚類分析，Ripley K函數的公式如下：

式中，A為研究區面積，n為點的個數，d為期望值(隨機空間模式)，L(d)為觀測值(研究區特定距離的空間模式)，k(i,j)為權重。L(d)>d表明與景觀類型呈聚集分布；L(d)=d表示景觀單元類型呈隨機分布，L(d)

本研究分析了研究區4種主要景觀單元類型(林地、灌木、草地、農田)在1985—2008年的空間聚集情況，分析其在二維空間上的演變特征?；贏rcGIS 9.3 軟件生成2000個隨機點圖層，將該圖層分別與三期景觀單元類型圖疊加以確定隨機點的景觀單元類型，然后利用多距離空間聚類工具對不同時期的不同景觀單元類型進行Ripley K函數分析。

(3)景觀格局變化的地形分布特征分析

1985年和2008年的景觀單元類型圖疊加得到1985—2008年景觀單元演變類型圖。將景觀單元演變類型圖與基于DEM數據獲取的研究區高程數據、坡度數據和坡向數據進行空間疊加分析，并對所獲得的數據進行數理統計，以揭示其景觀格局變化在三維空間上的演變特征。

3 結果與分析

3.1 景觀單元的數量變化特征

由表1、圖2和圖3可知，研究區草地面積最大，三期景觀單元類型圖中草地所占的面積比例均在40%以上；農田面積次之，比例在16.18%—31.50%之間，呈下降趨勢，是研究期間降幅最大的景觀單元類型。與此同時灌木、林地和草地的面積均呈現增加趨勢，灌木從1985年的14.89%增加到了2008年的16.18%，林地從1985年的8.45%增加到了2008年的10.10%，草地面積增幅最大，從1985年的44.68%增加到了2008年的56.16%。聚落和水體面積總體上呈現增加趨勢，裸地面積先增后減。

林地和草地主要分布在延安市的東南和西南方向，農地主要分布在延安市的北部，聚落、水體、裸地面積較小(圖2)。在1985年和2000年，農田和草地是延安市的優勢景觀單元類型，由于當地推行退耕還林(還草)政策，至2008年，延安市農地數量急劇減少，林地、灌木和草地的數量增加。總體來看，林地、灌木、草地和農田四者所占的面積比例達到了研究區面積的99%以上。

表1 延安市景觀單元類型面積統計

圖2 延安市景觀單元類型圖Fig.2 Landscape type map of Yan′an City

圖3 景觀單元類型面積比較Fig.3 Comparison of landscape type area

3.2 景觀單元的類型變化特征

從1985—2000年景觀單元類型的演變情況(表2)來看，林地主要轉變為草地和農田，總變化率約為1.6%，保留了原有林地面積的97.9%；灌木主要轉變為林地、草地和農田；草地主要向農田、林地和灌木流轉；農田主要轉變為草地和林地，其次是灌木和聚落；此外，聚落主要轉變為草地，水體主要轉變成農田，裸地和農田相互轉換。在不同景觀單元類型演變過程中，草地演變為農田的面積最大，這反映了在20世紀90年代延安市開荒種田、增加耕地面積的現象較為普遍。作為陜北地區政治、經濟和文化中心，1985—2000年延安市社會經濟快速發展，是期間影響延安市景觀格局演變的重要驅動因子[21- 22]。

表2 1985—2000年延安市景觀單元類型轉移矩陣

從2000—2008年景觀單元類型的變化情況(表3)來看，林地主要向草地和農田流轉，灌木主要轉變為草地，草地主要轉變為灌木和農田。同時，大面積的農田主要轉變為草地、灌木和林地，變化面積可達5112.62 km2，這主要是退耕還林還草政策實施的結果[22]。此外，聚落和水體與其他景觀單元類型之間的轉變較少，部分裸地轉變為農田。

表3 2000—2008年延安市景觀單元類型轉移矩陣

1985—2008年間延安市各景觀單元類型的演變較為復雜，但景觀單元類型的演變主要表現為林地、灌木、草地和農田之間的相互轉換以及農田向聚落的流轉(表4)。其中，農田轉變為灌木和林地的面積占總變化面積的49.44%。我國政府在1999年推行的“退耕還林(還草)”等水土保持政策是農田演變為林地和灌木的重要驅動因子[22- 23]。

3.3 景觀單元變化的空間分異規律

3.3.1 景觀單元類型的空間聚集特征

景觀單元類型的演變是一個動態的過程。景觀單元類型的空間聚集特征在一定程度上可以反映人類活動對自然景觀演變的影響。研究景觀單元類型的空間集聚特征可以為調整人類社會經濟活動、優化土地利用格局提供科學依據。

表41985—2008年延安市主要景觀演變類型

Table4ThemaintypesoflandscapetransformationofYan′anCity,from1985to2008

景觀演變類型Landscapeevolutiontype演變面積/km2Evolutionarea占總演變面積的比例/%Theproportionofthetotalarea林地轉為灌木Forestintobush15.510.90林地轉為草地Forestintograssland42.882.49林地轉為農田Forestintofarmland15.110.88灌木轉為林地Bushintoforest64.283.74灌木轉為草地Bushintograssland109.096.35灌木轉為農田Bushintofarmland31.281.82草地轉為灌木Grasslandintobush238.4113.87草地轉為農田Grasslandintofarm-land214.8812.50農田轉為林地Farmlandintoforest409.0023.79農田轉為灌木Farmlandintobush441.0125.65農田轉為聚落Farmlandintosettle-ment89.565.21合計Total1671.0197.20

綜合分析表5和圖4，1985年研究區林地聚集的最大尺度為16 km，隨著觀測距離的增加，林地依然呈聚集分布，未有離散趨勢(L(d)>d)。觀測值明顯高于置信區間的上限值，表明林地在1985年、2000年和2008年的聚集特征具有統計學上的顯著性。2000年和2008年林地聚集的最大尺度均為10 km，與1985年相比有所降低，但觀測距離內未出現離散格局。

表5 各景觀單元類型空間聚集的最大尺度及離散臨界值/km

圖4 不同時期各景觀單元類型多距離空間聚集圖Fig.4 Multi-distance spatial cluster for different landscape types in 1985,2000 and 2008

1985年灌木聚集的最大尺度為12 km。該景觀單元類型在觀測距離內未出現離散格局，且空間聚集特征具有統計學上的顯著性(L(d)>d)。2000年和2008年灌木聚集的最大尺度均為11 km，其他聚集特征與1985年相似。

1985年、2000年和2008年草地聚集的最大尺度分別是25 km、24 km和18 km。總體來看，草地在研究期內呈聚集分布(L(d)>d)，但聚集強度較低。特別是2000年時，當觀測距離增加到55 km時，出現了離散分布(L(d)

農田聚集的最大尺度1985年為10 km，2000年和2008年是12 km。研究期內呈聚集分布(L(d)>d)，但聚集強度較低，有離散的趨勢。2000年和2008年，在觀測距離為55 km時出現了離散分布(L(d)

1985—2008年，林地、灌木和草地聚集的最大尺度減小，農田聚集的最大尺度增大，說明研究期內林地、灌木和草地在二維空間上逐漸聚集，而農田在二維空間上逐漸分散。研究期內林地、灌木和草地面積增加，而農田面積減少的驅動因素——退耕還林(還草)政策，同時也是林地、灌木和草地在二維空間上逐漸聚集，農田趨于分散的驅動因素。

3.3.2 景觀單元類型轉換的地形梯度特征

基于1∶5萬數字高程模型(DEM)，利用ArcGIS 9.3軟件獲取高程圖、坡度圖和坡向圖，將高程圖、坡度圖和坡向圖分級，并分別與主要景觀單元演變類型數據進行空間疊加分析，經統計得到主要景觀單元演變類型在不同高程、坡度、坡向的分布情況(表6—表8)。

景觀單元演變類型的主要分布坡向如表8所示，在西坡和西南坡上林地轉變為灌木的面積較大、東坡和東北坡上林地轉變為草地的面積較大。表8中的陰影部分為不同景觀單元演變類型所占面積比例較大的坡向。一般情況下，坡向通過影響土壤水分和日照時數對地表景觀格局產生影響。不同坡向有各自適宜生長的植被類型。若不加人類活動的干擾，不同坡向上景觀單元類型的演變是相當緩慢的。但是,退耕還林以來，延安市實行了一系列土地利用結構調整措施，包括將原有坡耕地退耕，坡耕地改為水平梯田，擴大人工喬灌木面積等。這些措施是延安市景觀單元演變坡向分異的主要原因[24]。

分析主要景觀單元演變類型在各高程梯度、坡度梯度、坡向梯度分布的數據發現這種景觀格局變化具有較為明顯的空間分布規律，尤其與高程和坡度因子密切相關。其中，農田向聚落的轉變主要發生在海拔介于900—1300 m的區域和坡度小于7°的區域，可見農田向聚落的轉變主要發生在海拔偏低、坡度較緩的平川緩丘地帶。林地向灌木、草地和農田的轉變主要發生在海拔高于1100 m的區域和坡度介于7°—21°之間的區域。灌木和草地向其他主要景觀單元類型的轉變主要發生在海拔介于1100—1500 m的區域和坡度介于7°—21°之間的區域。

表6 主要景觀單元演變類型高程分級統計/%

表7 主要景觀單元演變類型坡度分級統計/%

表8 主要景觀單元演變類型坡向分級統計/%

陰影部分為不同景觀單元演變類型所占面積比例較大的坡向

4 結論與討論

林地、灌木、草地和農田構成了延安市的復合景觀，其他景觀單元類型以斑塊或廊道形式鑲嵌其中。1985—2008年林地、灌木和草地的面積均有明顯增加，農地面積明顯減少。通過分析景觀轉移矩陣發現流失的農田主要轉變為林地、灌木、草地和聚落。

本研究從空間聚集特征和地形梯度特征兩個方面分析了延安市景觀格局在二維空間和三維空間上演變的空間分異規律。研究區林地、灌木和農田聚集的最大尺度差別不大，但草地空間聚集的最大尺度較大，可達到25 km。1985—2008年，林地、灌木和草地聚集的最大尺度減小，而農田聚集的最大尺度增大。林地和灌木呈現顯著的聚集格局，農田和草地的空間聚集強度明顯小于林地和灌木。2000年，觀測距離為55 km處草地和農田出現了離散分布格局，2008年農田在觀測距離為55 km處也出現了離散分布格局。延安市主要景觀單元類型的演變大都發生在海拔介于1100—1500 m的區域和坡度介于7—21°之間的區域，這個區域也是耕地比較集中的區域。農田向聚落的演變主要發生在海拔較低(900—1300 m)、坡度較緩(<7°)的平川緩丘地帶。主要景觀單元演變類型在坡向上沒有明顯的分布規律。

1999年之前延安市經濟迅速發展、城鎮化速度加快、人口增加，對糧食的需求量增加，導致耕地和聚落面積增加，其他景觀單元類型面積減少。1999年之后，我國政府在黃土高原地區推行退耕還林(還草)、將坡耕地改為水平梯田、修建水平梯田等一系列水土流失治理措施，導致了林地、草地、灌木面積的增加和聚集尺度的減小，以及耕地面積的減少和聚集尺度的增大。退耕還林(還草)等一系列水土流失治理措施的推行是1999年之后推動延安市景觀格局演變的主要因素。

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AnalysisoflandscapepatternevolutioncharacteristicinthehillyandgullyareaofloessplateauacasestudyinYan′anCity,ShaanxiProvince

ZHONG Lina1, ZHAO Wenwu1,*, LV Yihe2, LIU Yuanxin1

1StateKeyLaboratoryofEarthSurfaceProcessesandResourceEcology,CollegeofResourcesScienceandTechnology,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China2StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China

Landscape pattern is the arrangement of landscape embedded blocks of different sizes and shapes.Landscape pattern changes result from complex interactions of physical, biological and social forces.Human land use has influenced most landscapes, resulting in a landscape mosaic of natural and human-managed patches that vary in size, shape and arrangement.The quantitative analysis of landscape pattern is the fundamental of researching the mutual relations of landscape patterns and ecological processes.Loess Plateau is one of the world′s largest loess areas with a long history of human activities, and the natural environment is fragile.Research on Landscape pattern evolution in the hilly and gully area of Loess Plateau has long been a research hotspot.The analysis of landscape pattern changes in Loess Plateau has a crucial role in understanding the structure and changes of the ecosystem.This study analyzed the evolution characteristic of landscape pattern and the spatial differentiation of main evolution types in Yan′an City based on landscape ecology theory, using GIS technology.1∶250000 landscape type maps in 1985, 2000 and 2008 and digital elevation model (DEM) of Yan′an City are used in this research.Considering the local characteristics and referring to domestic and foreign land use classification system, Yan′an City landscape types are divided into seven categories, namely woodland, bush, grassland, farmland, settlements, water and bare ground.Different methods such as Multi-Distance Spatial Cluster, landscape transition matrix, spatial data overlay analysis, were used in this research.The primary conclusions were as follows: the landscape background of Yan′an City is a composite landscape matrix consisting of woodland, bush, grassland and farmland.The area of farmland decreased sharply during the study period.The reduced farmland mainly transformed into forest land, grassland, bush and settlements.Other landscape types except farmland and bare land are increased at different degrees.The maximum aggregation scale of woodland, bush and grassland decreased from 1985 to 2008, while that of farmland became larger.The spatial aggregation intensity of farmland and grassland was significantly less than that of woodland and bush.The evolution of main landscape types mostly occurred at altitudes between 1100 m and 1500 m, and the gradient of slope was varied in the range from 7° to 21°.The evolution of farmland to settlement occurred mainly at altitudes between 900 m and 1300 m, and the slope was less than 7°.Yan′an City is located in Loess Plateau which is the most serious area of soil erosion in China.Therefore, the government has adopted a series of comprehensive measures to achieve the aim of effective control of soil erosion.Returning farmland to forest, re-building sloping land into level terrace and strengthening the construction of "Three North" shelterbelt are all in their implementation.Yan′an City is the political, economic and cultural center in Northern Shaanxi.The rapid socio-economic development was the main reason for the landscape patterns′ evolution before 1999; while after 1999, these measures of controlling soil erosion exceed the rapid socio-economic development, which became the main factors affecting landscape pattern evolution in Yan′an City.

landscape; evolution; Multi-Distance Spatial analysis; spatial differentiation; GIS Spatial Overlay

國家自然科學基金( 41171069，41171156)

2013- 10- 20;

2014- 04- 01

10.5846/stxb201310202531

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhaoww@bnu.edu.cn

鐘莉娜，趙文武，呂一河,劉源鑫.黃土丘陵溝壑區景觀格局演變特征——以陜西省延安市為例.生態學報,2014,34(12):3368- 3377.

Zhong L N, Zhao W W, Lü Y H, Liu Y X.Analysis of landscape pattern evolution characteristic in the hilly and gully area of loess plateau: a case study in Yan′an City, Shaanxi Province.Acta Ecologica Sinica,2014,34(12):3368- 3377.