韓 燁，馬俊杰

(西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)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(diǎn)，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(huì)因素共同作用的結(jié)果。因而，分析土地利用景觀格局隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化過程可以揭示土地利用變化的內(nèi)在機(jī)制和規(guī)律，為實(shí)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(duì)隴縣1989年、1999年和2009年三個(gè)時(shí)期土地景觀格局總體變化的對(duì)比研究，揭示人類活動(dòng)對(duì)土地利用變化的影響，為該縣生態(tài)環(huán)境與社會(huì)、經(jīng)濟(jì)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(tái)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(shì)西高東低，相對(duì)高差1 665.8m。屬暖溫帶大陸性季風(fēng)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(diǎn)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(lái)源及處理

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

由于1989年、1999年土地利用數(shù)據(jù)庫(kù)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(jì)算軟件Fragstats3.3對(duì)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(shí)考慮Fragstats軟件計(jì)算的速度和計(jì)算機(jī)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(jì)算景觀格局指數(shù)時(shí)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(dǎo)致指數(shù)計(jì)算的結(jié)果不同。參閱相關(guān)文獻(xiàn)［5－8］，采取在土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)上，將原來(lái)的22個(gè)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(diǎn)、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(zhǔn)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(jì)算采用由美國(guó)俄勒岡州立大學(xué)森林科學(xué)系Dr.Kevin McGarigal和 BarbaraMarks開發(fā)的 Fargstats3.3軟件。為研究和評(píng)價(jià)人類開發(fā)活動(dòng)對(duì)隴縣土地利用造成的影響，突出研究區(qū)景觀的動(dòng)態(tài)變化，用SPSS軟件在類型水平和景觀水平上分別對(duì)眾多景觀指數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析和主成分分析，以選出最具代表性的指標(biāo)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(dāng)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(diǎn)主要分布于千河周邊和地形較平坦的區(qū)域;水域?yàn)榍Ш蛹捌渲Я鳌⑺畮?kù);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(duì)斑塊面積、所占比例及變化情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，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(zhǎng)了35 411.73 hm2，所占的比例由 48.46% 增長(zhǎng)至 64.26%;建設(shè)用地增長(zhǎng)了1 238.88hm2，所占比例由0.06%增長(zhǎng)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(diǎn)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(duì)隴縣1989年、1999年和2009年土地利用現(xiàn)狀圖進(jìn)行景觀格局分析，共選取19個(gè)類型水平和22個(gè)景觀水平的景觀格局指數(shù)。首先利用spss軟件對(duì)類型水平景觀指數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，得到19個(gè)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(duì)數(shù)據(jù)降維以排除信息中的重疊部分，可用少數(shù)幾個(gè)變量表征原來(lái)變量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征而不丟失信息。通過將19個(gè)景觀格局指數(shù)降維，得到由5個(gè)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(biāo)和聚合度指標(biāo)。同理，采用spss軟件對(duì)22個(gè)景觀水平指數(shù)進(jìn)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(jìn)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(shì)，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(biāo)和聚合度指標(biāo)5個(gè)指標(biāo)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(gè)景觀面積的百分比，可以反映優(yōu)勢(shì)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(shì)，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(dá)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(shí)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(gè)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(duì)有利用價(jià)值的未利用地進(jìn)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(lái)人類對(duì)這4種景觀的影響最為顯著，這4種景觀的變化對(duì)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(jì)算某一斑塊形狀與相同面積的正方形之間的偏離程度來(lái)測(cè)量其形狀復(fù)雜程度的，斑塊平均形狀指數(shù)是對(duì)某一景觀類型進(jìn)行平均之后的結(jié)果。當(dāng)斑塊形狀為正方形時(shí)值最小，為1，若斑塊的形狀越復(fù)雜或越扁長(zhǎng)，值就越大。由表2知，①水域形狀最復(fù)雜:隴縣水域有河流、水庫(kù)、溝渠等，其形狀多種多樣，這種狀況導(dǎo)致了水域平均形狀指數(shù)最大，形狀最復(fù)雜。水域的形狀指數(shù)下降說明人類沿河而居、傍河繁衍對(duì)土地的需求逐漸讓景觀邊緣平滑化，同時(shí)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(diǎn)的形狀指數(shù)較低且保持穩(wěn)定，農(nóng)村居民點(diǎn)一般選擇在地勢(shì)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(dòng)。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(zhǎng)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(dòng)，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(jì)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(biāo)

圖5 不同景觀類型的散布與并列指標(biāo)

散布與并列指標(biāo)可以表示各個(gè)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(biāo)之一。散布與并列指標(biāo)值小時(shí)表明斑塊類型僅與少數(shù)幾種其它類型相鄰接，值大時(shí)表明各斑塊間比鄰的邊長(zhǎng)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(diǎn)、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(lái)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(shì)，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(dòng)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(qiáng)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(jì)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(zhǎng)度，可以用來(lái)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(shì)，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(fù)雜性的重要指標(biāo)之一，值越大說明景觀斑塊形狀越復(fù)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(fù)雜，人類活動(dòng)對(duì)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(lái)測(cè)定景觀中斑塊形狀的復(fù)雜程度，在一定程度上也反映了自然因素和人類活動(dòng)對(duì)景觀格局的影響。其值越小，斑塊形狀越簡(jiǎn)單，相反，斑塊形狀越復(fù)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(fù)雜程度并未發(fā)生大幅度的變化，人類活動(dòng)對(duì)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(tuán)聚程度或延展趨勢(shì)。不同類型斑塊中相互鄰接的單個(gè)柵格分布越不均勻，值越接近100;當(dāng)所有類型的斑塊均勻地相互鄰接時(shí)，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(shì)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(lái)度量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成復(fù)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(biāo)。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(wú)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(shì)度較高，景觀受到林地優(yōu)勢(shì)斑塊類型的支配。

4 結(jié)語(yǔ)

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(zhǎng)，草地和未利用地呈現(xiàn)逐漸減少趨勢(shì)。

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(shì)，水域、未利用和林地斑塊的形狀隨著人類活動(dòng)的影響加深而變得越來(lái)越破碎，而建設(shè)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)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(dòng)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(shì)度較高，林地作為優(yōu)勢(shì)斑塊類型形成了良好的連接性，斑塊形狀的復(fù)雜程度并未發(fā)生大幅度的變化，人類活動(dòng)對(duì)景觀格局的影響保持在一定范圍內(nèi)。

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