青海省民和縣土地利用景觀生態格局動態分析

冶曉錚，張金旭，候智國

（1青海省水利水電科學研究院有限公司，西寧 810001；2青海省水資源高效利用工程技術研究中心，西寧 810001；3青海省流域水循環與生態重點實驗室，西寧 810001）

0 引言

景觀生態學是一門相對年輕且應用普遍的生態學分支學科，是傳統生態學研究向宏觀與空間方向發展的自然延伸。景觀生態學中景觀的異質性與生態過程的相互作用是目前研究的主要問題之一[1]。運用3S技術，在獲取大量數據的基礎上，分析景觀格局變化是目前主要的研究手段之一[2]。通過對區域景觀空間分布格局的研究，可以揭示研究區的生態情況和空間格局特征。為從廣義和狹義2個不同角度得出研究區的生態環境情況，可采用數理統計方法對景觀格局的特征指數進行分析[3]。

國外最初提出“景觀生態學”一詞的是德國著名區域地理學家特羅爾，距今已有80 余年，這標志著景觀生態學的誕生[4-5]。在研究東非土地利用問題時，Troll把航空照片鑲嵌圖形的分析系統和地面調查結合起來，從而提出了“景觀生態學”一詞[6]。在《土地鑲嵌－景觀與區域的生態學》一書中基于斑塊—廊道—基質模型，從景觀尺度討論了創造可持續環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，分析得出邊緣效應外部性和距離相關空間外部性對土地利用模式的影響。Fahrig 等[9]分析成分異質性和結構異質性，在農業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據集的六級簡化來量化景觀格局，在景觀異質性對生物群落的影響方面取得了進展。

自20世紀80年代以來，中國在景觀生態學方面的研究才逐步發展起來。1981 年自然地理學家黃錫疇首次闡明景觀生態學這一概念[11]。1990年肖篤寧等[12]以航片為基礎，通過轉移矩陣、優勢度指數、多樣性指數對沈陽西郊景觀格局變化進行了研究，為此后景觀格局研究奠定了基礎。近年來景觀格局變化與氣候、生態等相結合[13-14]的研究越來越多。如馮佳等[15]通過轉移矩陣和景觀指數的計算，分析若爾蓋保護區若干年景觀格局的動態變化，對促進濕地資源科學保護和利用、規劃和管理有重要參考意義。張秦英等[16]分析鐵道建設前后10 年沿線土地利用變化和景觀格局特征，揭示鐵道工程對沿線景觀格局的干擾尺度以及干擾范圍內的景觀生態影響，為解決黃土高原交通基礎建設提供科學參考。方仁建等[17]利用GIS和景觀指數計算方法對鹽城海濱地區景觀格局進行分析，圍墾對景觀格局產生的具體影響問題得到初步解決，并為今后該地區或其他類似地區海岸帶管理和資源開發提供指導。陳剛等[18]利用累計耗費距離模型和流域水文分析等方法，進行城市水生態韌性空間構建的實踐研究，構建生態水網。劉學錄[19]基于近年來國內景觀尺度效應研究的相關報道，回顧了景觀尺度效應研究的進展，展望了今后深入研究景觀尺度效應的方向。

民和縣作為青藏高原向黃土高原的過渡地帶，近些年經濟的快速發展以及人口增長使得生態環境問題日益顯著，但是有關民和縣景觀格局動態變化及驅動力分析的研究相對較少。為后續解決社會經濟和生態環境以及景觀格局的優化等一系列問題，對該區域進行景觀生態格局研究，以期為民和縣的經濟發展和生態環境保護提供參考。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況

民和縣位于青海省東部，地處甘青兩省交界，同時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14鄉312村，聚居著漢、回、土、藏等20個民族[20]。縣內有大小河流24條，黃河自南部官亭、中川流經，形成了著名的湟水谷地，黃河支流湟水河自縣境北部流經，形成了著名的湟水谷地（圖1）。

1.2 數據來源及數據預處理

本研究區主要采用2000、2010、2020 年30 m 全球地表覆蓋數據GlobeLand30，利用ArcGIS 10.2 軟件對數據進行裁剪、分類，參照GlobeLand30 分類標準，結合研究區自然條件以及數據的可獲取性，將研究區進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85.72%。

1.3 土地利用轉移矩陣

土地利用類型轉移，是指在對土地資源進行利用的過程中，土地利用結果發生改變，將一種土地用途轉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不是原來的類型，土地利用類型發生了改變，土地類型的增加就是生長，減少就是消亡，這是研究時空演變的重要形式[22]。

通過矩陣轉移一方面可以了解研究區內不同土地利用類型之間的轉化情況，另一方面可以得出不同土地利用類型之間的流轉速度，其次是利用土地利用的結構、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。轉移矩陣如式(1)。

式中，Pij為景觀類型面積由i轉化為j的面積[23]。

1.4 景觀指數選取

景觀格局描述了景觀空間結構的特征和不同尺度的各種干擾下生態過程的結果。本研究利用Fragstats4 景觀分析軟件對研究區的斑塊指數和景觀水平2個方面進行分析，選取斑塊類型面積(CA)、斑塊面積比例(PLAND)、斑塊數(NP)、斑塊密度(PD)、景觀形狀指數(LSI)、平均斑塊面積(AREA_MN)、景觀豐富度(PR)、香農多樣性(SHDI)、香農均勻度(SHEI)等指標進行分析。所選指標的生態意義見表1。

表1 各景觀指數生態意義

1.5 土地利用程度

土地利用程度綜合指數模型是一個呈連續性分布的綜合指數，其大小反映了研究區的土地利用程度[24]。計算如式(2)。

式中，L表示土地利用程度綜合指數，Pi表示第i級的土地利用程度分級指數，Ai表示第i級的土地利用類型面積百分比，n為土地利用程度分級數[25]。

2 結果與分析

2.1 景觀類型面積變化特征及相互轉化關系分析

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 年研究區耕地和草地面積占比最多，整體呈下降趨勢，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，森林、人造地表面積呈先減少后增加的趨勢，灌木地呈減少趨勢，水體面積呈增加趨勢。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和城市用地、工業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，這也體現出民和縣響應國家號召，加大了環境保護力度。總體而言，民和縣生態環境朝著良好的方向發展。

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

表3 2000—2020年景觀類型面積轉移矩陣

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

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。可以看出，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量最多，濕地斑塊數量最少，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%。其中草地斑塊數量最多，濕地斑塊數量最少，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量變化較大，其中灌木地整體呈下降趨勢，人造地表整體呈上升趨勢。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，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整體呈上升趨勢，說明民和縣景觀斑塊形狀不規則，邊界擴散幅度加大。灌木地和水體的景觀形狀指數整體呈下降趨勢，表明民和縣景觀要素的形狀趨于簡單，景觀優勢度降低。森林和人造地表整體呈上升趨勢，表明在人類活動的影響下破碎化程度加深，耕地和草地整體呈下降趨勢，灌木地變化不大。

2.3 景觀級別水平變化特征分析

從表5 看出，2000—2020 年斑塊數和斑塊密度整體趨于上漲，表明研究區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趨于下降，表明在人類活動的影響下景觀優勢度降低。景觀形狀指數呈現先上升后下降的趨勢，可能是由于人類活動的影響景觀形狀趨于不規則，到2020年開始呈現下降趨勢，表明景觀形狀開始趨于集中，景觀優勢度趨于降低。蔓延度一直持續降低，到2020年降低速度最快，表明該研究區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年民和縣景觀級別水平指標

圖3 2000—2020年民和縣LPI、LSI變化情況

如圖4 所示，2000—2020 年民和縣香農多樣性指數總體呈小幅上升趨勢，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。香農均勻度指數先下降后上升，總體上變化幅度不大，表明研究區內各景觀斑塊類型分布趨于均勻，景觀的優勢度逐漸降低，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通過衡量人類活動對土地系統的影響程度來衡量土地利用水平，定量描述該地區土地利用變化的綜合水平和趨勢，是衡量指定區域內土地利用情況的重要指標[26]。由研究區土地利用程度指數（表6）可以看出，2000—2020 年研究區土地利用程度指數整體呈上升趨勢，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，研究區的土地利用情況逐漸良好，土地利用的多樣性不斷增強，景觀功能性也不斷改善。

表6 2000—2020年土地利用程度指數

圖5 民和縣2000—2020年3期土地利用程度圖

3 結論

（1）從研究區景觀類型面積變化特征及相互轉化關系分析來看，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）從研究區景觀指數變化特征分析來看，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小；斑塊數和斑塊密度整體呈上升趨勢，最大斑塊指數呈下降趨勢，景觀形狀指數先增加后減少，蔓延度降低，香農多樣性總體呈小幅上升趨勢，香農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，該區域各景觀斑塊類型分布趨于均勻，景觀的優勢度逐漸下降。

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

（4）研究區景觀格局變化是自然因素和人為因素協同作用的結果。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，水土流失嚴重，過度開墾等導致生態環境脆弱。在人為因素上，人口增長因素是土地利用/土地覆被變化的主要原因之一，人類活動對研究區的景觀類型和生態環境起著至關重要的影響。

4 討論

（1）研究區遙感影像景觀類型一般利用ENVI、ArcGIS等軟件進行監督分類等方法提取，但由于遙感影像會受到氣溫、降水等影響以及由于選取的3 期遙感影像不在同一時間段內，因此它的分類結果會受到一定程度的干擾，在解譯和分析研究區景觀類型變化的時候會存在一些誤差，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據GlobeLand30多種科學的分類方法，對影像中出現的較為粗略的部分手工校對，使得景觀分類結果更加準確。

（2）在研究區選擇上，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象，可以更好地與黃土高原景觀類型變化有明顯的分析對比，對于研究兩地域景觀類型變化有一定的積極作用。

（3）在景觀格局變化的驅動因素上，除了本研究分析到的因素，影響研究區景觀格局變化的因素還有退耕還林、土壤質地變化、水土流失、自然災害、政策、經濟等，這也是今后需要研究和探索的重點。