山西省和順縣土地利用景觀格局特征及其破碎化分析

閆洋洋，洪堅平，張 娟

（山西農業大學資源環境學院，山西太谷030801）

景觀格局通常是指空間格局，即大小和形狀不一的景觀要素在一定空間內的配置和組合形式，景觀格局的形成是自然、社會以及生物之間相互作用下造成的，在景觀生態學上具有非常重要的地位。景觀破碎化指的是斑塊面積的變小且數量的增加，斑塊逐漸趨于不規則的形狀，會造成內部生境面積的變小、廊道被割裂以及斑塊相互之間連通較差[1-2]，同時耕地的破碎化也會制約農業的發展[3]。ArcGIS和Fragstats軟件非常適合對土地利用進行景觀格局分析，它們的應用是有理論支撐和現實意義的[4-5]。景觀的屬性和人類活動息息相關，一般人類的生態觀念、土地利用方式等會對景觀產生直接或者間接的影響。同樣，景觀也會對生活在其中的人們有一定的影響[6-10]。所以，通過景觀格局特征和破碎化分析，評價人類對景觀的干擾程度是有必要的[11-15]。

目前，對土地景觀進行景觀格局分析的多以小流域為研究區，側重于對土地數量動態變化和經濟發展的關系進行研究，但是在研究土地的格局特征以及空間組合方面重視度不夠，且對于縣級的土地規劃無法提供有利的考量。

筆者研究了和順縣的土地利用景觀格局特征及其破碎化，從景觀生態學的角度說明每個景觀組分之間的特征差異，并且對景觀破碎化程度作出評價，從而揭示各個組分在和順縣的地位和作用的不同，可在理論上為景觀特征分析提供基礎數據，促進景觀生態系統的優化，為實現該區域的土地可持續利用提供依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

和順縣坐落于山西省中部，太行山的西側，坐標為東經 113°05′～113°56′，北緯 37°03′～37°36′。該地區屬于溫帶大陸性氣候，具有典型的北方氣候特征，春季空氣比較干燥，夏季降雨較頻繁，秋季比較涼爽，冬季漫長而又寒冷。和順縣溫度適宜，年平均氣溫在6.3℃左右，氣溫最低在-10℃左右，年降雨量593 mm，每年的9月到次年的5月屬于該地區的霜凍期。和順縣轄5鎮5鄉294個行政村。和順縣占地面積2 250 km2，其中，耕地面積2.24萬hm2，林地面積6.22萬hm2，宜牧地面積為4.42萬hm2[16-17]。

和順縣山嶺縱橫、溝壑交錯、地形復雜，是典型的山地地區，山地丘陵面積占90%，小塊平川分布在清樟河周邊，平均海拔在1 300 m以上。曲陽山屬于和順縣70多條主要山脈中最高的山脈，海拔達2 058 m。和順縣是國家級貧困縣城，由于地形的原因，土地的利用和農業的發展也受到了限制。

1.2 數據來源

本研究采用的是2015年Landsat TM遙感影像，解譯了土地利用類型圖，根據《土地利用現狀分類》將土地分為草地、旱地、林地、水域及水利用地、采礦用地、園地、裸地、居民地、風景名勝及特殊用地、交通用地、設施農用地11類景觀類型[18]。

1.3 數據處理

1.3.1 利用Arc GIS的處理數據 應用地理信息系統軟件ArcGIS對土地利用現狀圖進行數字化[9]，這樣得出的數據更加直觀，利用ArcGIS的轉換工具，將土地利用矢量數據轉換為柵格大小為150 m×150 m的柵格數據。

1.3.2 基于景觀分析軟件Fragstats 4.2的數據處理

Fragstats是一個由美國俄勒岡州立大學所發明的景觀指標計算軟件[4]，它具有強大的計算功能，大量研究指標之間有著很強的相關性，只是側重的方向不同。本研究選擇的指標有斑塊面積、斑塊面積方差、斑塊周長、斑塊平均面積、邊緣密度、斑塊密度、平均最近鄰距離、分維數[12，19-22]。

2 結果與分析

2.1 和順縣景觀的總體特征分析

從表1可以看出，和順縣共有11個景觀類型，斑塊數為5 282個。林地的斑塊數為1 165個，所占面積最大（1 009.463 km2），在景觀類型中占據著主導地位。其次是草地面積（844.650 km2），斑塊數為1312個，旱地面積（262.598 km2）斑塊數為1 292個。該地區在人類長時間生息以及發展建設等的影響下，林地、草地、旱地成為最主要的3種景觀類型，三者的總面積為2 116.71 km2，占整個和順縣面積的比例為96.86%。三者的周長之和是19 097.7 km，占全縣的93.2%。和順縣的各個景觀類型的面積差異相對比較大，其中，景觀類型之間的面積差異最大達到1 008.5 km2。相比之下，林地的面積方差（1 554.505 2）比其他景觀類型大，這表明林地的斑塊大小分布最不均勻，其異質性也是最大的，與之相似的旱地和草地，異質性也較大。

表1 和順縣景觀組分總體特征

2.2 和順縣景觀的面積特征分析

從表1可以看出，和順縣景觀組分的景觀面積為2 185.335 km2，各景觀組分面積從大到小排序為林地＞草地＞旱地＞水域及水域用地＞居民地＞裸地＞采礦用地＞交通用地＞風景名勝及特殊用地＞設施農用地＞園地。在上述排序中斑塊面積最大的景觀類型是林地，園地的斑塊面積最小。和順縣屬于全國重點產煤縣，煤炭資源比較豐富，所以，采礦用地斑塊面積較大（4.905 km2）。

和順縣林地的斑塊平均面積最大，為0.8665km2，在景觀上看林地是該區域內景觀面積最大的利用類型，基本呈現連片的分布特點；其次是草地（0.643 8 km2）、旱地（0.203 2 km2）。裸地大部分是由于不適合種植未被人類利用，受到人類影響較小，故斑塊平均面積較大（0.108 7 km2）。居民地在平坦的地方修建，面積雖然不大但分布比較聚集。由于大量零散分布的小斑塊的影響，名勝古跡及特殊用地和設施農用地的斑塊平均面積最小。

林地面積在整個景觀面積中所占的比例最高，達46.19%，草地和旱地面積所占比例較高，分別是38.65%和12.02%。而園地面積所占比例最小，為0.044%，它的面積大小為0.968 km2，斑塊數30個，因為和順縣海拔均在1 800 m以上，不適宜種植水果，所以，園地的面積和斑塊數較少。裸地和居民地這2種景觀類型的面積在整個景觀類型中屬于一般大小，其二者面積所占的比例分別為0.65%，0.82%。雖然它們的面積跟其他各個景觀類型相比較小，但是二者的斑塊平均大小在所有景觀類型中屬于較大的類型，這表明裸地和居民地這2種景觀利用類型的破碎化程度較低。從表1可以看出，在整個和順縣的景觀類型中，風景名勝及特殊用地的斑塊數量相較于設施農用地和園地來說，較多且分布較為廣泛，但是它的斑塊平均面積大小卻是所有景觀類型中最小的，說明它的破碎化程度在整個景觀中是最高的。從水域及水利用地的研究結果中可以看出，它們的景觀面積所占比例較大，斑塊平均面積大小卻相對較小（0.036 6 km2），表明其破碎化程度相對較高。

2.3 和順縣景觀的周長特征分析

從表1，2可以看出，和順縣的總斑塊周長為20 491.50km。其中，斑塊周長最大的利用類型是草地，其斑塊周長為8 337.15 km，平均斑塊周長為6.35 km。各景觀組分周長比例為草地∶林地∶旱地∶水域及水域用地∶居民地∶裸地∶交通用地∶采礦用地∶風景名勝及特殊用地∶設施農用地∶園地＝365.66∶313.95∶158.01∶22.27∶15.01∶9.68∶4.63∶4.43∶2.64∶1.43∶1。從這些周長比例中可以看出，林地、草地和旱地這3種景觀類型的周長所占的比例比其他類型都大，可以充分說明這3種利用類型對整個和順縣景觀的影響水平要比其他類型高的多。風景名勝及特殊用地（60.15 km）、設施農用地（33.60 km）和園地（22.80 km）景觀組分有著相對較小的周長比例，并且相對于前面3種利用類型來說，它們的平均周長相對較小，故對于整個和順縣景觀影響的水平比較低。

表2 和順縣斑塊組分的周長特征

邊緣密度1最高的是設施農用地（24.888 9 km/km2），最低的是林地（7.090 9 km/km2）。各個景觀組分的邊緣密度1的排序是設施農用地＞風景名勝＞園地＞交通用地＞水域及水利用地＞采礦用地＞居民地＞裸地＞旱地＞草地＞林地。上述各個景觀組分的邊緣密度的順序與斑塊總周長的分布順序恰恰相反，就斑塊面積和周長來說，草地和林地這2種景觀利用類型相對于其他景觀組分來說較大，但它們的邊緣密度相對于其他景觀類型較小，說明二者的破碎化程度低。而設施農用地、風景名勝及特殊用地這2種景觀類型的斑塊面積、周長與邊緣密度的大小分布和草地、林地利用類型相反，表明它們的破碎化程度嚴重。對居民地這一景觀進行分析可以看出，面積和周長都小，密度也較低，說明它的破碎化程度介于這2種景觀之間，其完整度相對較高。湯萃文等[23]使用邊緣密度1來反映景觀類型的破碎化程度。

鄒月等[24]通過各個景觀類型在整個景觀中的邊緣密度2來研究某個利用類型的斑塊邊緣對整個景觀的影響程度。從表2可以看出，和順縣草地的邊緣密度2（3.815 0 km/km2）是最高的，其次是林地（3.275 5 km/km2）和旱地（1.648 5 km/km2）。最小的是園地（0.010 4 km/km2），園地斑塊面積和斑塊數最小，對景觀的影響程度也最小。

2.4 和順縣景觀的斑塊數特征分析

和順縣斑塊總數為5 282個，景觀組分之間的斑塊個數極不均勻（表1）。草地的斑塊個數最多（1 312個），園地斑塊數最少（30個）。風景名勝及特殊用地、水域及水利用地2種景觀組分的面積較小，但二者斑塊個數卻較大，表明這2種利用類型的破碎化較為明顯。旱地的斑塊數為1 292個，和草地、林地斑塊數相差不大，斑塊面積卻遠小于草地和林地，大概是草地的1/4。旱地的斑塊面積雖然小，但其斑塊個數多，這說明旱地的破碎化程度高于草地、林地2種景觀利用類型。這主要是因為人類和自然因素的影響，和順縣山地丘陵面積高達90%，地形復雜且地勢起伏不平，旱地多為坡梁地，給人類利用土地造成了阻礙，由于人類活動的干預，人為開墾，使得旱地切割破碎。

表3 和順縣景觀組分的斑塊數、分維數、平均最近鄰距離特征

從表3可以看出，斑塊密度1最高的是草地，為0.600 4個/km2，說明該利用類型對整個景觀的影響最大，最低者是園地，為0.013 7個/km2。王永軍等[25]就是利用斑塊密度1來研究某種利用類型在整個景觀中的影響程度。

王斌等[26]、雒峰等[27]通過各個景觀組分的斑塊密度2直接地體現破碎化水平，當斑塊密度2越大，破碎化水平也就越高。和順縣風景名勝及特殊用地斑塊密度2最大（38.2716個/km2），最小的是林地，為1.154 1個/km2。可以看出，林地的破碎度是最低的（表 3）。

2.5 和順縣平均最近鄰距離的指標分析

從表3可以看出，各景觀的平均最近鄰距離為園地＞設施農用地＞風景名勝及特殊用地＞裸地＞居民地＞采礦用地＞交通用地＞水域及水利用地＞旱地＞林地＞草地。平均最近鄰距離是通過計算同種景觀類型斑塊之間的間距水平來反映景觀格局的聚集與分隔程度。居民地、交通用地的平均最近鄰距離較大。因為山區的地勢起伏大，造成了居民地間隔較遠和農村交通用地分布的分散。平均最近鄰距離最大的是園地（35.368 6 km）。園地斑塊數、面積最小，說明多以小面積零散分布。草地的平均最近鄰距離是最小的，說明其連接性最好，成片連續分布。

2.6 和順縣景觀面積和周長的分形維數指標分析

邱海軍等[28-29]利用分形維數這個指標來表示各個景觀組分的邊緣褶皺水平，在分形維數＞1時，表示邊緣形狀偏離歐幾里得幾何圖形（如正方形），當分形維數接近于2時，說明斑塊邊緣比較復雜。由表3可知，居民地的分維數最小，為1.368 9，說明居民地的邊緣最為規則，交通用地的分形維數最高，為1.678 1。其次是水域及水利用地（1.673 6）和草地（1.641 7）。交通用地、水域及水利用地和草地的斑塊邊界褶皺水平相對復雜曲折。和順縣的分形維數是1.613 3，趨向于2，說明邊界褶皺水平較為復雜。

3 結論

在整個景觀之中，各組分之間擁有的面積不均衡，面積最大的是林地，占整個研究區的46.19%，草地和旱地次之，三者面積之和是2 116.71 km2，占該區域總面積的96.86%。這三者的周長之和是19 097.7 km，占全縣的93.2%。這3種利用類型基本上控制了整個景觀。其中，林地的異質性最為強烈。

從該研究區的面積特征來看，在景觀上看林地是該區域內景觀面積最大的利用類型，基本呈現集中連片的分布特點。風景名勝及特殊用地斑塊平均面積最?。?.026 5 km2），說明多以小面積零散分布，遍布在整個景觀里，表明破碎化最高。裸地和居民地在景觀中占有較小面積，所占比例分別為0.65%，0.82%，但其斑塊平均大小相對較大，破碎程度較低。水域及水利用地的景觀面積較大（22.275 km2），斑塊平均面積卻較?。?.036 6 km2），表明其破碎化水平相對較高。

從該研究區的周長特征來看，草地（8337.15km）、林地（7 158.00 km）和旱地（3 602.55 km）的周長遠比其他利用類型要高，表明三者對整個景觀影響的水平高于其他利用類型。從邊緣密度1可以看出，面積和周長都大，而邊緣密度1較小時，破碎化程度低，例如草地、林地。面積和周長都小，而邊緣密度1較大時，破碎化嚴重，例如設施農用地、風景名勝及特殊用地。

從該研究區的斑塊個數特征來看，與林地和草地相比，旱地斑塊面積?。?62.598 km2），但斑塊數多（1 292個），這表明旱地的破碎化水平比草地和林地高。斑塊密度2指標顯示林地的破碎度是最低的。從該研究區的平均最近鄰距離來看，最大的是園地（35.368 6 km）。園地斑塊數、面積最小，說明多以小面積零散分布。草地是最小的（3.356 5 km），說明其成片連續分布。居民地的分維數最小，為1.368 9，說明居民地的邊緣最為規則。其次是草地（1.641 7）和旱地（1.630 5）。水域和水利用地、草地和旱地的斑塊邊界褶皺水平相對復雜曲折。和順縣的分形維數是1.613 3，說明整個和順縣的邊界褶皺水平較為復雜。

和順縣是典型的山地地區，林地和草地資源豐富，破碎化程度低。旱地破碎化較高，影響土地的高效利用，需要在坡度大的地區采取以坡改梯和退耕還林還草的方式來優化土地利用結構。在和順縣的紫羅地區已經大面積實施了退耕還林還草，積極響應國家退耕還林還草政策。由于人類長期生活的影響，整個和順縣邊緣褶皺水平較為復雜，設施農用地、風景名勝及特殊用地破碎化嚴重。本研究認為，應該嚴格控制城鄉居民點建設用地，科學規劃，在合理利用每一寸土地的基礎上，最大限度地發揮現有土地的價值。