林業生態工程建設對磴口縣景觀格局演變及重心遷移的影響

張啟斌，岳德鵬，于 強，呂 奇，尹 波，馬 歡，李 寧

(北京林業大學 林學院，北京 100083)

林業生態工程建設對磴口縣景觀格局演變及重心遷移的影響

張啟斌，岳德鵬*，于 強，呂 奇，尹 波，馬 歡，李 寧

(北京林業大學 林學院，北京 100083)

選取內蒙古巴彥淖爾市磴口縣為研究區，以多種景觀格局分析方法研究了林業生態工程背景下2000—2014年縣域景觀格局演變特征，以“包含林業生態工程景觀轉移數量”與“不包含林業生態工程景觀轉移數量”2種情形下的景觀轉移概率為不同規則，利用CA/Markov模型模擬了2021年縣域景觀格局演化狀況，著重分析了2種情形下景觀重心遷移特征。結果表明：2000—2014年間縣域林地、水體、建筑用地明顯增加，沙地明顯減少；林地、沙地、建筑用地、水體動態度較高，各景觀類型交錯地區有較高的景觀動態度；水體與林地重心遷向縣域西南，沙地向烏蘭布和沙漠腹地回退明顯。當預測規則中包含林業生態工程引起的轉移概率時，預測結果顯示，2021年各景觀類型將呈現出生態較為和諧的演化趨勢，反之景觀格局則會出現一定程度的惡化。研究結果表明，林業生態工程對縣域生態保護與荒漠化防治具有決定性作用，是生態環境改善的主要原因。

林業生態工程；景觀格局演變；重心遷移；磴口縣；CA/Markov模型

景觀生態學的核心問題之一是景觀格局與生態過程間的相互關系[1-2]。景觀格局反映各景觀要素的空間分布特征與演變趨勢，并對生態過程產生重要影響[3]。土地沙化及水土流失作為干旱區典型的2種生態過程，受景觀格局變化的影響較大。以景觀生態學的原理與方法分析景觀格局演變趨勢，對區域水土保持方案的制定與實施具有重要意義。

景觀格局一方面受生態過程控制，另一方面受到人類活動的強烈影響。林業生態工程建設作為人類活動的一種，自實施以來較明顯地改變了我國西部地區的景觀格局，并且在保持水土、改善生態環境、提高植被覆蓋率、維持生態系統結構與功能的穩定等方面發揮了重要作用[4-5]。我國的林業重點工程自二十世紀八九十年代開始陸續啟動，包括天然林保護工程、退耕還林工程、“三北”防護林工程以及京津風沙源治理工程等，生態建設取得整體惡化趨緩、局部治理趨好的良好效果[6]。

烏蘭布和沙漠位于內蒙古自治區西南部，是防沙治沙的前沿地帶。磴口縣處于烏蘭布和沙漠與河套平原交接的要沖地帶，東依黃河，西接狼山，地理位置關鍵，生態環境脆弱，土壤風蝕強烈，土地沙化及水土流失風險較高，同時縣域引黃水量充足，地下水豐富，工程建設潛力較大，是林業生態工程建設的重點地區。先前針對磴口縣的有關研究多從當地生態環境與經濟發展的角度展開，主要包括荒漠綠洲景觀演變與驅動力分析、水資源等環境承載力分析以及生態環境狀況評價等，針對西部林業生態工程對景觀格局影響的研究仍較為缺乏。以內蒙古巴彥淖爾市磴口縣為研究區，從景觀流轉與重心遷移的角度，借助GIS分析方法與CA/Markov模型，對林業生態工程背景下縣域景觀格局演變特征進行分析，并構建“包含林業生態工程景觀轉移數量”與“不包含林業生態工程景觀轉移數量”2種情形下的景觀轉移概率矩陣與景觀轉移概率圖，模擬2種情形下磴口縣2021年景觀格局特征，重點分析不同景觀類型幾何重心的遷移，以研究林業生態工程建設對當地景觀格局演變的影響，為后續生態保護政策的制定與實施提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

內蒙古巴彥淖爾市磴口縣地處107°05′E、40°13N′，內蒙古自治區西南部，面積4 166.6 km2。縣域西側背靠狼山山脈，黃河流經縣域東緣，域內河套平原與烏蘭布和沙漠由東北向西南逐漸過渡。土地沙化風險較高，屬典型的荒漠綠洲交錯區，生態區位極為關鍵。年均氣溫7.6 ℃，年均降雨量144.5 mm，年均蒸發量2 397.6 mm；年均風速3 m·s-1，瞬時最大風速達28 m·s-1，風蝕強烈。黃河流經縣域總里程52 km2，徑流量310億m3，地表水體總面積24.1 km2。自二十世紀八九十年代，陸續開展了包括天然林保護、退耕還林(還草)、“三北”防護林等生態保護工程，土地沙化進程得到一定遏制，生態環境得到較大改善。

1.2 數據獲取與處理

以研究區2000、2007、2014年夏季少云的遙感影像為基礎數據源，其中2014年的影像來自Landsat-8 OLI傳感器，2000與2007年的遙感影像來自Landsat-5 TM傳感器。影像經預處理后進行監督分類，根據《生態環境狀況評價技術規范》中的土地利用一級分類體系，結合研究區特點，建立分類體系(表1)。對分類后的數據進行噪聲數據消除和錯分地區修改，得到研究區30 m×30 m分辨率最終分類結果(圖1)，解譯結果經實地驗證，分類結果精度良好。

本研究涉及的DEM數據為來自地理空間數據云的ASTER GDEM第一版本(V1)數據，拼接并裁剪后得到研究區DEM。縣域坡度、坡向數據均基于該DEM數據在ArcMap 10.2中處理生成。

表1 磴口縣景觀分類體系

Table 1 Landscape classification system in Dengkou County

景觀類型Landscapetype所包含土地利用類型Landusetypeincluded耕地Cultivatedland水澆地、旱地Irrigatedland,dryland水體Water河渠、湖泊、水庫、坑塘、灘地Rivers,lakes,reservoirs,pitsorponds,beaches林地Forestryland有林地、灌木林地、疏林地及其他林地Forestedland,shrubland,otherforestland建筑用地Constructionland道路、居民點及其他人工交建筑用地Roads,residentialpoints,otherman-madelandforconstruction沙地Desert沙地、戈壁、鹽堿地、裸土地、裸巖石質地Sandylands,gobi,saline-alkaliland,bareland,uncoveredrocks山地Mountain磴口縣域西側狼山山脈分布區域LangMountainareaonthewestsideofDengkouCounty

A、B、C分別代表2000、2007、2014年景觀類型分布。圖2同Fig. A, B, C represented the distribution of landscape types in 2000, 2007, 2014 in Dengkou County, respectively. The same as in Fig. 2圖1 磴口縣歷年景觀類型分布圖Fig.1 Historical landscape type distribution of Dengkou County

1.3 研究方法

1.3.1 景觀格局轉移網絡與密度分析

將景觀轉移矩陣看作一個網絡，在分析不同景觀類型轉移數量的基礎上增加對于轉移方向的考慮，將各景觀類型當作節點，以各景觀類型間的轉移當作邊，轉移量的大小當作邊的屬性，繪制景觀類型轉移網絡[7]。利用ArcMap 10.2的空間分析模塊，計算景觀格局轉移的空間密度[8-9]。

1.3.2 景觀格局動態度

單一景觀類型動態度[10]的計算公式如下：

(1)

(2)

Aic=Aia+Aib。

(3)

式(1)～(3)中：t1為監測期初；t2為監測期末；Aia為第i種景觀類型在t1到t2時間段內的轉出速率；Aib為第i種景觀類型在t1到t2時間段內的新增速率；Aic為第i種景觀類型在t1到t2時間段內的總動態度；Ui為監測時段t1到t2之間，第i種景觀類型未變面積，km2；U(i,t1)為第i種景觀類型在監測期初的面積，km2；U(i,t2)為第i種景觀類型在監測期末的面積，km2。

1.3.3CA/Markov模型

將元胞自動機與馬爾科夫鏈結合可得到CA/Markov模型，既可提高景觀模擬精度，又可充分考慮空間因素[11-12]。利用該模型，構建“包含林業生態工程景觀轉移數量”與“不包含林業生態工程景觀轉移數量”兩種情形下的景觀轉移概率矩陣，并生成與之相應的空間轉移概率圖，在上述2種條件下分別預測2021年磴口縣景觀格局，通過對比預測結果分析林業生態工程對未來縣域景觀格局的影響，具體實現過程如下：

(1)分別計算“包含林業生態工程景觀轉移數量”與“不包含林業生態工程景觀轉移數量”兩種情形下的景觀轉移概率矩陣。

(2)計算景觀空間轉移概率。在轉移概率矩陣與各景觀類型空間適宜性圖集[13]的基礎上，增加對景觀空間轉移概率的考慮。分別對包含林業生態工程景觀轉移數量與不包含林業生態工程景觀轉移數量兩種情形下的景觀空間轉移密度進行歸一化處理，作為對應情況的景觀空間轉移概率。

(3)確定元胞自動機濾波器。采用5×5濾波器定義鄰域，即某元胞在下一時刻的演化狀態，由以該元胞為中心的5×5個元胞空間內其他元胞的狀態決定。

(4)確定元胞演化適宜性圖集。根據《水土保持工作條例》，結合磴口縣域環境特點，評價各景觀類型在縣域空間的適宜度，并生成景觀轉移適宜性圖集，具體規則設置如表2所示。

(5)以C#為編程語言，在.NetFrameWork4.0框架下編寫模擬程序，完成2種情形下的模擬，程序的具體算法如下。①確定縣域首個像元當前景觀類型Ci，基于元胞自動機鄰域規則以及景觀演變適宜性圖集確定當前像元將要演化成的景觀類型Cj；②確定該像元處縣域景觀空間轉移概率R1，并生成一隨機數R2，通過R1與R2的大小比較確定演變是否發生；③根據景觀格局轉移概率矩陣確定演化期初與演化期末由Ci演變為Cj的景觀面積T，將T與迭代次數作比，得到此次迭代中Ci到Cj的演化面積Tij，若此次迭代中Ci到Cj的總演化面積小于Tij，則演化發生，否則不發生；④以同樣的運算步驟遍歷所有像元，之后進入下一迭代過程，直至迭代次數完成。

1.3.4 景觀格局重心遷移分析

景觀格局重心遷移分為平面重心遷移、坡度重心遷移以及垂直重心遷移，分別用以研究土地利用在平面位置、坡度及高程上的變化[14]。本研究只針對區域內景觀格局的平面重心進行研究，分析地理二維時空內不同景觀類型的演化過程。景觀平面重心的計算模型為：

表2 各景觀類型空間適宜度評價因子

Table 2 Spatial suitability evaluation factors of each landscape type

景觀類型Landscapetype因子Factors適宜性條件Suitabilitycondition耕地Cultivatedland坡度Slope越小越適宜,適宜度上限為25°Thesmallerthemoreappropriate,andupperlimitofsuitabilityis25°與當前景觀距離Distancefromthecurrentlandscape越小越適宜Thesmallerthemoreappropriate建筑用地Constructionland與主要道路距離Distancefromthemainroad越小越適宜Thesmallerthemoreappropriate坡度Slope越小越適宜,適宜度上限為15°Thesmallerthemoreappropriate,andupperlimitofsuitabilityis15°與當前景觀距離Distancefromthecurrentlandscape越小越適宜Thesmallerthemoreappropriate林地Forestryland坡度Slope越小越適宜,適宜度上限為30°Thesmallerthemoreappropriate,andupperlimitofsuitabilityis30°坡向Aspect南向、東北、西北設置為0.5,東南西南為1,東西兩向設置為0.75,北向設置為0.25Setsouthaspect,north-eastandnorth-westaspectto0.5,south-eastandsouth-westto1,eastandwestto0.75,andnorthaspectto0.25與當前景觀距離Distancefromthecurrentlandscape越小越適宜Thesmallerthemoreappropriate水體Water與當前景觀距離Distancefromthecurrentlandscape越小越適宜Thesmallerthemoreappropriate山地Mountain當前景觀分布區域為1,其他區域為0Setthecurrentlandscapeareato1,andtheotherareato0沙地景觀Desert不設置適宜度Didnotsettheappropriatedegree

(4)

(5)

式(4)～(5)中，Xt、Yt分別為第t年某種景觀類型分布重心的橫縱坐標；Cti為第t年該景觀類型第i個斑塊的面積，km2；Xi、Yi分別為第i個斑塊的幾何重心坐標。

2 結果與分析

2.1 磴口縣景觀格局流轉過程與空間轉移密度分析

由景觀格局轉移網絡可知，2000—2014年間各景觀類型間的轉移關系共有24種(圖2-C)，其中，林地、耕地、沙地與建筑用地間的互相轉移累計貢獻率占整個轉移網絡的78.06%，決定了該時段內縣域景觀格局的整體變化特征。14 a間：耕地向林地轉移184.77 km2，占整個轉移網絡的12.39%；沙地向林地轉移320.37 km2，占整個轉移網絡的21.49%，在所有沙地向林地的轉移面積中，林業生態工程建設起到了決定性作用，建設面積幾乎包含了所有沙地向林地的轉移；林地向耕地景觀轉移196.31 km2，占整個轉移網絡的13.17%；耕地向建筑用地轉移124.86 km2，占整個轉移網絡的8.37%。不同時段內，研究區景觀格局表現出了不同的轉移情況：2000—2007年，上述4種景觀類型累計轉移貢獻率為69.26%，其中沙地向林地轉移占30%，是該時段內磴口縣景觀格局變化最鮮明的特點(圖2-A)；2007—2014年上述4種景觀類型的累計貢獻率為79.91%，呈上升趨勢，其中沙地向林地的轉移仍

有最高的貢獻率(圖2-B)。綜上，在林業生態工程的持續實施下，十幾年來磴口縣域尺度上景觀格局發生了較為明顯的演變，大量沙地與部分耕地被治理為林地，同時水體面積逐年增加，林業生態工程效果顯著。

由景觀格局空間轉移密度分析可知，2000—2014年間，景觀變化熱點區域總體呈斑點狀分布，密度較高地區與耕地、林地、沙地景觀的邊緣分布大致相同(圖3)，這表明沙地與林地景觀交錯處仍面臨較高的沙化風險。不同時段景觀類型演變的空間集聚特征又有不同特點：2000—2007年，轉移密度最大值為24.5364，且演變多發生于縣域中部(圖3-A)；2007—2014年，景觀轉移密度最大值為24.4566，其空間分布向東略有遷移(圖3-B)，這主要由退耕還林等政策以及東部水體面積增加引起，去除該時段內由林業生態工程造成的轉移發現，縣域轉移密度最大值下降了0.2，沙漠邊緣地區轉移密度明顯減少(圖3-C)，表明生態工程建設對縣域沙地向生態用地的轉化發揮了關鍵作用；2000—2014年，景觀格局轉移空間集聚度最高(圖3-D)，這主要是由于2000與2014年相隔年限較長導致，密度較高部分主要集中于奈倫湖、狼山山前、沙漠邊緣以及縣域東部耕地與林地交錯處，綜合反映了十幾年間縣域景觀格局轉移特點。各時段內景觀格局演變的集聚特征表現出與水體景觀演變的正相關性，這主要是由于磴口縣處于干旱區，其他景觀的分布受水體的影響很大，因此在磴口縣進行的各項生態保護與景觀優化措施，應著重考慮水體景觀的影響。

2.2 磴口縣景觀格局動態度分析

經景觀格局動態度分析可知， 2000—2007年，水體與建筑用地動態度為同期最大(圖4)，均超過20%，且新增速率明顯高于轉移速率。水體較高的新增速率主要是因為時段內當地大力開展植被恢復與水土保持工程，建筑用地較高的轉移速率反映出磴口縣城市化進程對土地的需求，同時兩種景觀基礎面積較小，較小的絕對面積變化即會引起動態度的較大變化(圖5)。林地與沙地的動態度較上述兩種景觀類型明顯較小，但沙地的轉出速率為同期最大(圖4)，且由于這兩種景觀類型面積基數大，其實際轉移面積遠大于其他景觀類型(圖5)。林地的新增速率則明顯高于轉移速率，反映出該景觀類型的增加趨勢。

圖2 磴口縣景觀格局轉移網絡Fig.2 Landscape pattern transfer network in Dengkou County

A表示2000—2007年，B表示2007—2014年，C表示2007—2014年去除林業生態工程建設面積后的轉移密度，D表示2000—2014年Fig. A represented the period from 2000 to 2007. Fig. B represented the period from 2007 to 2014. Fig. C represented the transfer density from 2007 to 2014 when the transfer area caused by forestry ecological project was not considered. D represented the period from 2000 to 2014圖3 磴口縣景觀類型轉移密度分布圖Fig.3 Landscape transfer density in Dengkou County

圖4 磴口縣各景觀類型轉移速率變化Fig.4 Landscape transfer rate in Dengkou County

2007—2014年，各景觀類型的動態度與上一時段較為相似，水體與建筑用地的動態度依然為同期最大，但耕地的轉移速率上升較明顯，新增速率明顯下降，總的動態度超過了沙地與林地，該結果表明有大面積的耕地轉移為其他景觀類型，反映出該時段內研究區城鎮化速率的加快對于耕地的占用以及退耕還林等工程的效果。

綜上，2000—2014年，縣域景觀格局的演變包含生態工程建設與城鎮化2個主題：一方面縣域生態環境改善較為明顯，水體與林地景觀大幅增加，沙地大量轉出；另一方面城鎮化進程的加快使得建筑用地擴張占用部分耕地。因此，在縣域生態建設過程中，應注意協調與經濟發展的關系。

圖5 磴口縣各景觀類型轉移面積變化Fig.5 Landscape transfer area in Dengkou County

2.3 CA/Markov預測下的景觀格局重心轉移分析

對研究區2000、2007、2014年以及2021年2種預測結果下的各景觀類型進行重心遷移分析，結果如圖6所示。2000—2014年，林地與水體景觀的重心遷移最為明顯。林地景觀在2000—2007年間重心向東南遷移，距離達到8.58 km，這主要由呼仁陶勒蓋、紅房子、補隆烏蘇等地的造林工程造成；在2007—2014年間又低速向東北方向遷移，這主要是由黃河及其周邊水域的退耕還林工程引起。水體在2000—2007年向西南快速轉移(1.2 km·a-1)，之后又以相當的速度向東南漂移，這與研究時段內磴口縣西南部水土保持工作力度的加大以及縣域東南奈倫湖的建設關系密切。2000—2014年，耕地與沙地重心遷移速率與遷移方向均較為相似，然而其驅動力卻不盡相同：耕地的重心遷移主要受水體影響，縣域西南干旱區大量的水土保持與調水工程改造了部分不宜林耕的土地，如敖倫布拉格鎮、巴嘎包爾陶勒蓋等；而沙地的重心遷移則表現出向烏蘭布和沙漠回縮的趨勢，反映出林業生態工程建設的成效。建筑用地首先向西稍有偏移，之后向東南移動(0.3 km·a-1)，主要受磴口縣城鎮化進程影響。十幾年來，山地景觀的重心位置基本未有變化。

利用CA/Markov模型在2種情境下對2021年縣域景觀格局進行模擬，所得結果如圖7所示。

對于2014—2021年，圖中實心圓點與黑色箭頭表示轉移概率中包含林業生態工程因素時的模擬結果，空心原點與灰色箭頭表示轉移概率中去除林業生態工程因素時的模擬結果From 2014 to 2021, the solid dotes and the black arrow represented the predicted results when the effects of the forestry ecological project were taken into consideration, while the hollow dotes and the gray arrow represented the predicted results when the effects of the forestry ecological project were not taken into consideration圖6 各景觀類型轉移重心示意Fig.6 Landscape barycenter migration diagram

A為包含林業生態工程轉移概率的預測結果，B為不包含林業生態工程轉移概率的預測結果Fig. A represented the predicted results when the effects of the forestry ecological project were taken into consideration. Fig. B represented the predicted results when the effects of the forestry ecological project were not taken into consideration圖7 不同轉移概率下磴口縣2021年景觀格局預測Fig.7 Simulation results of landscape pattern under different transfer probabilities in Dengkou County in 2021

對比2種模擬結果中的景觀重心遷移特點可知，林地與水體的重心變化在2種預測結果中差別最為明顯，其次為沙地與耕地(圖6)。當景觀轉移概率中包含林業生態工程引起的景觀轉移時，林地重心偏向西北，表明該情形下縣域西北處的生態環境將有所改善，沙地與耕地重心則繼續向西南偏移，表明該情形下沙地依然呈回退趨勢；當景觀轉移概率中去除林業生態工程引起的景觀轉移時，林地重心遷向北偏東，表明此情形下縣域東北的生態環境相較其他地區將有更明顯的改善，沙地與耕地遷向東北，表明該情形下沙地有可能發生回侵。

3 小結

本研究利用多種景觀格局分析方法，研究了林業生態工程建設背景下磴口縣景觀格局變化特征，并構建“包含林業生態工程景觀轉移數量”與“不包含林業生態工程景觀轉移數量”2種情形下的景觀轉移概率矩陣與景觀轉移概率圖，基于CA/Markov模型模擬2種情形下磴口縣2021年景觀格局特征，著重分析了各景觀類型重心變化。結果表明，林業生態工程實施14 a來(2000—2014)，縣域景觀格局發生了較明顯的改善，林地、水體增加明顯，沙地呈回退趨勢，且工程對于未來縣域生態環境的持續改善將發生重要作用。

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(責任編輯 高 峻)

Effects of forestry ecological projects on landscape pattern evolution and migration of barycenter in Dengkou County

ZHANG Qibin, YUE Depeng*, YU Qiang, LYU Qi, YIN Bo, MA Huan, LI Ning

(CollegeofForestry,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China)

To explore the influence of forestry ecological project on the local environment, the landscape evolution characteristics of Dengkou County during 2000 and 2014 were studied using multifarious landscape analysis methods. On the basis, the landscape pattern of Dengkou County in 2021 was simulated using CA/Markov model under the following conditions: either with or without the landscape transfer probabilities caused by forestry ecological project. Then, the transfer characteristics of the barycenter of landscape types under each simulation condition were analyzed. It was shown that during the 14 years studied, the area of water, forestry land and construction land increased obviously, while the area of desert decreased apparently. Forestry land, desert, construction land and water had higher dynamic degrees. The landscape dynamic degrees in the border area of different landscape types were relatively high. The barycenter of water and forestry migrated to the south-west of the county and the barycenter of desert migrated back to the hinterland of the Ulanbuh Desert markedly. The simulation results with the landscape transfer probabilities caused by forestry ecological project indicated that the landscape pattern of Dengkou County would show an ecofriendly trend of evolution, while the landscape would deteriorate without the landscape transfer probabilities caused by forestry ecological project. The study results indicated that the forestry ecological project played key role in environment improvement in Dengkou County.

forestry ecological project; landscape pattern evolution; barycenter migration; Dengkou County; CA/Markov model

10.3969/j.issn.1004-1524.2017.02.12

2016-05-30

國家自然科學基金(41371189)；“十二五”國家科技支撐計劃(2012BAD16B00)

張啟斌(1990—)，男，山東泰安人，博士研究生，主要研究方向為水土保持與荒漠化防治。E-mail：bin0538@outlook.com

*通信作者，岳德鵬，E-mail：yuedepeng@126.com

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1004-1524(2017)02-0261-09