杭 佳，石 云，賀達(dá)漢，3，耿 莎

（1．寧夏大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，銀川750021；2．寧夏大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，銀川750021；3．寧夏大學(xué) 西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建國家重點實驗室培育基地，銀川750021）

土地利用／覆蓋變化（land use／cover change，LUCC）是了解人類活動和環(huán)境之間相互關(guān)系最重要的指標(biāo)之一［1］。盡管土地利用／覆蓋變化是自然和人為因素共同作用的結(jié)果，但是人為改變土地利用／覆蓋變化已經(jīng)愈演愈烈，強(qiáng)烈影響著全球生態(tài)系統(tǒng)［2］。在發(fā)展中國家尤為普遍，城市擴(kuò)張、人口遷移、農(nóng)業(yè)機(jī)械化和區(qū)域發(fā)展等社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展問題引起的大范圍的土地利用／覆蓋變化導(dǎo)致了環(huán)境變化，尤其是景觀格局的變化［3－5］。對土地利用／覆蓋變化的監(jiān)測是識別區(qū)域動態(tài)及與人類活動關(guān)系的重要工具，但是作為統(tǒng)計資料對景觀屬性的描述還不夠詳細(xì)，例如景觀組成和景觀配置［6］。由此，在斑塊水平、類型水平或景觀水平上定量描述土地利用變化的景觀特征指數(shù)［7］應(yīng)運而生。

近年來，國內(nèi)外研究開始利用結(jié)合景觀特征指數(shù)的土地利用／覆蓋數(shù)據(jù)來評估景觀結(jié)構(gòu)和格局［8－11］，但以退耕還林工程為背景對黃土丘陵生態(tài)脆弱區(qū)進(jìn)行的研究相對較少。寧南山區(qū)地處中國水土流失劇烈的黃土高原丘陵溝壑區(qū)，水土流失嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境極其脆弱［12］。本文選擇該區(qū)域具有退耕還林代表性的彭陽縣作為研究區(qū)域，探討退耕還林背景下土地利用／覆蓋動態(tài)與景觀格局變化的相互關(guān)系，旨在為實現(xiàn)該區(qū)生態(tài)環(huán)境重建、生態(tài)環(huán)境與社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況和研究方法

1．1 研究區(qū)概況

彭陽縣位于寧夏回族自治區(qū)南部，地處東經(jīng)106°32′—106°58′、北緯35°41′—36°17′，海拔1 248～2 483m。該區(qū)屬半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫7．5℃，年降雨量442mm，≥10℃積溫2 746℃，平均無霜期148d，年蒸發(fā)量1 330mm。土壤以黃綿土為主，主要分布在梁峁?fàn)钋鹆昶碌厣?，土壤肥力中下，生產(chǎn)水平低。地貌由梁峁、殘垣、川地和溝壑組成，以梁峁?fàn)钋鹆隇橹鳎菍幭乃亮魇ё顕?yán)重的縣域之一，也是全國重點水土保持區(qū)。有研究表明，退耕還林還草工程是治理寧南山區(qū)水土流失、重建生態(tài)環(huán)境的重要途徑［13］。

1．2 基礎(chǔ)資料

本研究所用土地利用／覆蓋數(shù)據(jù)主要來源于彭陽縣1991年、2000年、2005年和2010年TM／ETM數(shù)據(jù)，空間分辨率為30m×30m，影像時相為8—10月。在ArcMap GIS環(huán)境下，將遙感影像近紅外波段、近紅外短波段和藍(lán)波段進(jìn)行假彩色合成，通過人機(jī)交互目視解譯先得出2000年土地利用類型圖，再進(jìn)行其他3期的土地利用動態(tài)解譯，并結(jié)合2010年對土地利用類型數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的實地考察驗證，在ArcMap環(huán)境下進(jìn)行編輯和修改，確定最后解譯結(jié)果。參照全國土地利用分類系統(tǒng)，將研究區(qū)土地利用／覆蓋類型分為耕地、林草地、未利用土地、水體和建設(shè)用地5類（表1）。

式中：K——土地利用動態(tài)度；Ua、Ub——研究初期及末期某一土地利用類型的面積（hm2）；T——研究時段，當(dāng)T的時段設(shè)定為年時，K為研究時段內(nèi)某一土地利用類型的年變化率。

表1 彭陽縣土地利用／覆蓋類型分類系統(tǒng)

1．3 景觀格局分析

景觀特征指數(shù)用來定量描述和監(jiān)測景觀結(jié)構(gòu)特征隨時間的變化，能將復(fù)雜景觀分為簡單且易識別的景觀格局［15］。Fragstat 3．3可以計算超過40種景觀特征指數(shù)，但許多指數(shù)是高度相關(guān)的。根據(jù)本研究的目的，在斑塊類型水平上分析景觀格局時僅選擇景觀類型百分比（PLAND）、斑塊數(shù)量（NP）、斑塊密度（PD）、景觀形狀指數(shù)（LSI）、最大斑塊指數(shù)（LPI）、平均斑塊面積（MPS）、面積加權(quán)平均斑塊分維數(shù)（AWMPFD）、散布與并列指數(shù)（IJI）8個指數(shù)。

在景觀水平上分析景觀格局時，僅選擇斑塊數(shù)量（NP）、平均斑塊面積（MPS）、最大斑塊指數(shù)（LPI）、散布與并列指數(shù)（IJI）、面積加權(quán)平均形狀指數(shù)（SHAPE－AM）、景觀聚集度指數(shù)（CONT）、香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）和香農(nóng)均勻度指數(shù)（SHEI）8個指數(shù)，分別從數(shù)量特征、形狀特征和結(jié)構(gòu)特征3個方面來表征彭陽縣景觀格局特征和變化［7］。

以上數(shù)據(jù)分析采用 ArcView 3．2，ArcGIS 10．0，Excel 2003和 Fragstat 3．3來計算。

2 結(jié)果與分析

2．1 彭陽縣土地利用／覆蓋類型變化

附圖3—4顯示了研究區(qū)1991年、2000年、2005年及2010年土地利用／覆蓋變化的空間格局。從附圖3—4中看出，1991—2000年彭陽縣土地利用類型變化不大，以耕地和未利用土地為主。2000年退耕還林（草）工程實施以來，林草地大量增加的同時耕地和未利用土地顯著減少，土地利用類型主體為林草地。

表2顯示了1991—2010年間彭陽縣主要土地利用類型的面積變化。1991年，彭陽縣土地利用類型為耕地（54．79%），未利用土地（29．79%）和林草地（14．87）次之，水體（0．44%）和建設(shè)用地（0．12%）最小。2010年，彭陽縣土地利用類型轉(zhuǎn)變?yōu)橐粤植莸兀?2．97%）為主，耕地（30．46%）和未利用土地（5．85%）次之，水體（0．47%）和建設(shè)用地（0．20%）最小。其中，1991—2000年，林草地面積增加了16 198．78hm2，增幅為30%，平均每年增加1 799．86hm2。而2000—2010年，林草地、水體和建設(shè)用地呈加速增長趨勢，其中林草地增幅最大（66%），平均每年增加10 533．23 hm2，建設(shè)用地次之（40%），平均每年增加 27．46 hm2，水體呈先減少后增加趨勢。未利用土地和耕地呈加速減少趨勢，減幅分別為78%和41%，平均每年分別減少5 295．13hm2和5 280．56hm2。

表2 彭陽縣1991－2010年各土地利用／覆蓋類型面積及比例

根據(jù)表2計算得到彭陽縣該期間的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣（表3）。分析表明，1991—2000年，彭陽縣耕地和未利用土地面積的減少同時伴隨著林草地面積的增加，土地利用轉(zhuǎn)移矩陣顯示12 261．30hm2的耕地和4 945．72hm2的未利用土地都轉(zhuǎn)化成為林草地，水體和建設(shè)用地的面積沒有發(fā)生顯著變化。2000—2005年，研究區(qū)土地利用／覆蓋格局發(fā)生了重大變化。林草地面積顯著增加，達(dá)到142 728．31hm2（56．45%），占研究區(qū)土地利用類型的主體，而耕地和未利用土地面積分別減少了50 839．11hm2和38 241．98hm2，分 別 占 土 地 面 積 的 31．25% 和11．71%。水體面積減少了38．97hm2，建設(shè)用地面積增加了91．63hm2。2005—2010年的土地利用／覆蓋格局變化同2000—2005年相似。

2．2 景觀格局變化

2．2．1 基于斑塊類型水平的景觀格局分析 表4顯示了研究區(qū)各土地利用類型在斑塊類型水平上的景觀格局變化。

（1）數(shù)量特征。1991—2000年，耕地和未利用土地為該區(qū)土地利用類型的主體，其景觀類型百分比（PLAND）呈小幅降低趨勢，分別降低至51．34%和26．82%，林草地小幅增加，水體和建設(shè)用地所占比例不足1%；斑塊數(shù)量（NP）和斑塊密度（PD）最大的景觀類型是林草地，未利用土地和耕地次之，水體和建設(shè)用地最??；最大斑塊指數(shù)（LPI）和平均斑塊面積（MPS）最大的是耕地，其次為未利用土地和林草地，建設(shè)用地和水體最小。2000—2010年，林草地面積迅速增加，其景觀類型百分比從21．28%增至62．97%，耕地和未利用土地比例分別降低至30．46%和5．85%，水體和建設(shè)用地比例仍然很小；斑塊數(shù)量和斑塊密度最大的景觀類型是耕地；林草地的LPI和MPS最大，其次為耕地和未利用土地，建設(shè)用地和水體仍然最小。

（2）形狀特征。1991—2000年，耕地和林草地的景觀形狀指數(shù)（LSI）降低，而水體、未利用土地和建設(shè)用地的LSI增大；耕地和未利用土地的面積加權(quán)平均斑塊分維數(shù)（AWMPFD）減小，而林草地和水體的AWMPFD增大，說明耕地和未利用土地是以復(fù)雜斑塊為主的景觀，林草地和未利用土地則是以簡單斑塊為主的景觀。2000—2010年，耕地和建設(shè)用地的LSI呈先增大后減小趨勢，林草地、未利用土地和水體的LSI呈減小趨勢，景觀類型總體趨于簡單；耕地、未利用土地和水體的AWMPFD呈減小趨勢，林草地和建設(shè)用地呈增大趨勢，耕地、未利用土地和水體是以簡單斑塊為主的景觀，而林草地和建設(shè)用地是以復(fù)雜斑塊為主的景觀。

表4 彭陽縣斑塊類型水平上景觀特征指數(shù)的變化

（3）結(jié)構(gòu)特征。1991—2000年，耕地、水體和未利用土地的散布與并列指數(shù)（IJI）呈增大趨勢，而林草地和建設(shè)用地的IJI指數(shù)呈減小趨勢，IJI指數(shù)排序為水體＞耕地＞建設(shè)用地＞林草地＞未利用土地，說明水體和耕地的分布聚集度高，未利用土地的分布較為分散。2000—2010年間，耕地、水體和林草地的IJI指數(shù)呈減小趨勢，而未利用土地和建設(shè)用地呈先增大后減小的趨勢，IJI指數(shù)排序為建設(shè)用地＞水體＞未利用土地＞林草地＞耕地，說明耕地易受人類活動的影響，分布較為分散，建設(shè)用地和水體分布聚集度較高。

2．2．2 基于景觀水平上的格局分析 為了在景觀水平上進(jìn)一步了解景觀格局，選擇了NP、MPS、LPI、IJI、SHAPE－AM、CONT、SHDI和SHEI 8種景觀指數(shù)對其進(jìn)行描述，結(jié)果見圖1。1991—2010年的19a間，彭陽縣景觀斑塊數(shù)量（NP）、散布與并列指數(shù)（IJI）、景觀多樣性指數(shù)（SHDI）和景觀均勻度指數(shù)（SHEI）均呈先增大后減小趨勢，平均斑塊面積（MPS）、最大斑塊指數(shù)（LPI）、面積加權(quán)平均形狀指數(shù)（SHAPE－AM）和景觀聚集度指數(shù)（CONT）呈先減小后增大趨勢，說明1991—2000年，彭陽縣景觀破碎化程度增強(qiáng)，各類斑塊混合分布的程度增強(qiáng)，斑塊形狀趨于簡單，斑塊間連通度減弱，景觀中有多個斑塊類型占據(jù)主導(dǎo)地位，景觀面積在各類型間的分配趨于均勻。2000—2010年，該區(qū)景觀破碎度減弱，各類斑塊混合分布程度減弱，斑塊連通性增強(qiáng)，景觀中僅有一個或少數(shù)幾個斑塊類型占主導(dǎo)地位，景觀面積在各類型間的分配不均勻（圖1）。這些結(jié)果證實了隨著人類活動的增加，自然景觀明顯改變，多樣性指數(shù)呈下降趨勢，而優(yōu)勢度指數(shù)呈增加趨勢。

2．3 土地利用／覆蓋及景觀格局變化驅(qū)動力分析

彭陽縣土地利用／覆蓋及景觀格局變化受多方面因素的影響，主要受社會經(jīng)濟(jì)因素的影響。

（1）1991—2000年間，國家及自治區(qū)地方政府推出一系列優(yōu)惠政策，不僅允許而且鼓勵個人和集體開荒［16］，表現(xiàn)為階段性不合理墾殖和過度放牧，引起地表裸露和水土流失［17－18］，直接導(dǎo)致耕地和未利用土地面積增加林草地面積減少。自實施退耕還林（草）工程以來，表現(xiàn)為耕地和未利用土地面積小幅下降，而林草地面積有所增加。水體面積在這一期間保持穩(wěn)定不變，主要是因為流經(jīng)彭陽縣的紅河、茹河和安家川河此時間段內(nèi)處于相對穩(wěn)定期。

圖1 彭陽縣景觀水平上景觀特征指數(shù)的變化

（2）2000—2005年是彭陽縣土地利用／覆蓋及景觀格局變化的關(guān)鍵時期，退耕還林（草）、封山禁牧和荒山造林工程的實施，使坡耕地和未利用土地面積明顯減少，林草地面積驟增。為了進(jìn)一步在全縣開展生態(tài)恢復(fù)與重建工作，彭陽縣經(jīng)過多年實踐與探索，利用攔截壩、“88542”整地技術(shù)和“魚鱗坑”等水保措施［17］合理利用僅有的天然降水，使這一期間的水體面積增加。此外，彭陽縣對南山流域、草廟流域等的綜合治理也是土地利用／覆蓋變化的另一因素，以南山流域為例，通過建立山頂耕地保障區(qū)、山腰林草培育區(qū)和山底居民開發(fā)區(qū)來改變土地利用模式，建設(shè)用地的變化主要體現(xiàn)在地方政府將山上零散農(nóng)戶統(tǒng)一移至山下，導(dǎo)致建設(shè)用地斑塊數(shù)量減少，后續(xù)又增加。2005—2010年，土地利用／覆蓋變及景觀格局的變化相對穩(wěn)定。

3 結(jié) 論

（1）1991—2010年，彭陽縣土地利用／覆蓋變化的總體趨勢是林草地面積持續(xù)增加的同時耕地和未利用土地面積驟減。水保措施、小流域綜合治理和攔截壩的修建是水體面積增加的主要原因。建筑用地面積的增加主要是由縣域發(fā)展和農(nóng)村產(chǎn)業(yè)發(fā)展所引起。從研究時段來看，2000—2005年這一中間研究階段的變化速率較前后期更快，是彭陽縣土地利用／覆蓋變化的主導(dǎo)時期。

（2）景觀格局在各個研究時段也發(fā)生了較大的變化。數(shù)量特征變化表明，該區(qū)景觀破碎化程度在1991—2000年增強(qiáng)，在2000—2010年減弱；形狀特征變化表明，景觀形狀呈現(xiàn)規(guī)則到不規(guī)則的變化；結(jié)構(gòu)特征變化表明，1991—2000年間景觀中各類斑塊混合分布的程度增大，斑塊連通性減弱，景觀中有多個斑塊類型占主導(dǎo)地位，景觀面積在各類型間趨于均勻；2000—2010年，各類斑塊混合分布程度減弱，斑塊連通性增強(qiáng)，景觀中僅有一個或少數(shù)幾個斑塊類型占主導(dǎo)地位，景觀面積在各類型間的分配不均勻。

（3）驅(qū)動力分析表明，1991—2000年間，人類不合理開發(fā)和過度墾殖導(dǎo)致的地表裸露和水土流失是該時段內(nèi)土地利用／覆蓋變化的主要原因，2000年以后，區(qū)域發(fā)展規(guī)劃（退耕還林、荒山造林、封山禁牧）是研究區(qū)土地利用及景觀格局變化的主要因素，并結(jié)合區(qū)域基本農(nóng)田建設(shè)、農(nóng)村能源建設(shè)、生態(tài)移民及后續(xù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展等措施，使彭陽縣土地利用／覆蓋及景觀格局始終保持良性發(fā)展趨勢。

4 討 論

黃土丘陵溝壑區(qū)是中國土壤侵蝕最為嚴(yán)重的區(qū)域之一。區(qū)域可持續(xù)發(fā)展中面臨的最大障礙就是水土流失問題，有效治理水土流失，恢復(fù)流域生態(tài)環(huán)境一直是黃土丘陵溝壑區(qū)土地資源可持續(xù)發(fā)展的重要問題。在進(jìn)行傳統(tǒng)土地利用與景觀格局變化研究時，學(xué)者們多數(shù)強(qiáng)調(diào)整個景觀水平上的土地利用格局變化，忽略了個別土地利用類型或該類型下某些類型格局特征對生態(tài)進(jìn)程的影響，本研究中土地利用類型變化引起的景觀格局特征變化對黃土丘陵溝壑區(qū)水土流失過程的影響，已由2000年前的耕地和未利用土地轉(zhuǎn)換為2000年后林草地的景觀格局特征。因此，在進(jìn)行區(qū)域土地利用變化及景觀格局變化的相關(guān)研究時，應(yīng)著重考慮個別土地利用類型對土地利用格局優(yōu)化及整個區(qū)域生態(tài)進(jìn)程的影響。

土地利用／覆蓋類型的變化與景觀格局的變化密切相關(guān)，退耕還林工程作為土地利用／覆蓋變化的一個政策驅(qū)動因子，加強(qiáng)由退耕還林工程引起的土地利用變化對景觀格局的影響研究，對評估區(qū)域土地資源可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境重建具有重要指導(dǎo)意義。本文結(jié)合GIS和景觀生態(tài)學(xué)方法處理和分析相關(guān)數(shù)據(jù)，初步分析了關(guān)于生態(tài)脆弱的黃土丘陵溝壑區(qū)彭陽縣近20a景觀格局變化特征及驅(qū)動力，未來將在繼續(xù)深入研究黃土丘陵區(qū)景觀分析方法基礎(chǔ)上，開展土地利用／覆蓋和景觀格局變化對彭陽縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值、生物多樣性保護(hù)、小流域綜合治理、水土保持及對土壤侵蝕等一系列影響的研究。

［1］ Ashraf M D，Yasushi Y，Md Z R．Dynamics of land use／cover changes and the analysis of landscape fragmentation in Dhaka Metropolitan，Bangladesh［J］．Geology Journal，2012，77（3）：315－330．

［2］ Lambin E F，Turner B L，Geist H J，et al．The causes of land－use and land cover change moving beyond the myths［J］．Global Environmental Change，2001，11（4）：261－269．

［3］ Jongman R H G．Homogenisation and fragmentation of the European landscape：Ecological consequences and solutions［J］．Landscape and Urban Planning，2002，58（2／4）：211－221．

［4］ Eetvelde Van V，Antrop M．Analyzing structural and functional changes of traditional landscapes：two examples from southern France［J］．Landscape and Urban Planning，2004，67（1／4）：79－95．

［5］ Grimm N B，F(xiàn)aeth S H，Golubiewski N E，et al．Global change and the ecology of cities［J］．Science，2008，319（5864）：756－760．

［6］ Narumalani S，Mishra D R M，Rothwell R G．Change detection and landscape metrics for inferring anthropo－genic processes in the greater EFMO area［J］．Remote Sensing of Environment，2004，91（3／4）：478－489．

［7］ McGarigal K，Cushman S A，Neel M C，et al．FRAGSTATS：Spatial pattern analysis program for categorical maps，2002［DB／OL］．http∥www．umass．edu／landeco／research／fragstats／fragstats．html．

［8］ Kamusoko C，Aniya M．Land use／cover change and landscape fragmentation analysis in the Bindura District，Zimbabwe［J］．Land Degradation and Development，2007，18（2）：221－233．

［9］ Tzanopoulos J，Vogiatzakis I N．Processes and patterns of landscape change on a small Aegean island：The case of Sifnos，Grecce［J］．Landscape ＆ Urban Planning，2010，99（1）：58－64．

［10］ 伍星，沈珍遙．長江上游地區(qū)土地利用／覆被和景觀格局變化分析［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2007，23（10）：86－93．

［11］ 阿如旱，楊持．內(nèi)蒙古多倫縣土地沙漠化景觀格局變化特征［J］．應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2007，18（11）：2520－2525．

［12］ 石云，米文寶．寧南山區(qū)退耕還林還草管理系統(tǒng)的建設(shè)［J］．水土保持研究，2007，14（2）：155－157．

［13］ 石云，焦超衛(wèi)，米文寶，等．基于GIS的彭陽縣退耕還林（草）決策分析［J］．中國水土保持，2009（9）：26－28．

［14］ 賴元長，李賢偉，馮帥，等．退耕還林工程對四川盆周低山丘陵區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響：以洪雅縣為例［J］．自然資源學(xué)報，2011，26（5）：755－768．

［15］ Yeh C T，Huang S L．Investigating spatiotemporal patterns of landscape diversity in response to urbanization［J］．Landscape and Urban Planning，2009，93（3／4）：151－162．

［16］ 張飛，塔西弗拉提·特依拜，丁建麗，等．干旱區(qū)綠洲土地利用／覆被及景觀格局變化特征：以新疆精河縣為例［J］．生態(tài)學(xué)報，2009，29（3）：1251－1263．

［17］ 劉庫，謝應(yīng)忠，李應(yīng)科，等．寧夏南部黃土丘陵區(qū)生態(tài)退化與恢復(fù)：以彭陽縣為例［J］．水土保持通報，2006，26（2）：54－56．

［18］ 謝應(yīng)忠．寧夏南部黃土丘陵溝壑區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)實踐與研究［J］．生態(tài)學(xué)雜志，2000，19（1）：12－18．