張慶印，樊軍，張曉萍

(西北農(nóng)林科技大學水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，712100，陜西楊凌)

黃土高原農(nóng)牧交錯帶生態(tài)環(huán)境脆弱，水土流失嚴重，是黃河泥沙的主要來源地［1］，其根本原因在于不合理的土地利用［2-3］。我國的退耕還林(草)工程建設已經(jīng)完成了試點實施階段(1999—2001年)和工程建設階段(2002—2010年)，目前正處于后期鞏固階段(2011—2020年)。退耕還林(草)工程目前已經(jīng)初見成效，宏觀上既可以改善生態(tài)環(huán)境［4］，又可以提高農(nóng)民的經(jīng)濟效益［5］，微觀上既可改良土壤，又可涵養(yǎng)水源［4］;但由此造成的土地利用模式和種植模式的合理性和可推廣性等多個方面依然面臨后期鞏固階段的新挑戰(zhàn)［6-7］。應用景觀格局指數(shù)研究土地利用/覆被能從另一角度闡述景觀格局的變化，并且很大程度上成了土壤侵蝕評價的導向性因素［8］。目前，國內(nèi)外學者在探討土地利用對景觀格局的影響等方面作了大量研究;但這些研究多集中在森林景觀、濕地景觀等方面，且大多是大尺度的研究［9-11］。宏觀尺度的分析固然可以很好地反映景觀格局的變化趨勢，但受像元精度的限制，卻不能很好地反映資源開發(fā)情況及退耕還林(草)對小流域景觀格局的影響。

目前黃土區(qū)景觀多樣性、覆被變化等方面有一些研究［12-14］，而對于該區(qū)小流域土地利用景觀格局時空變化特征方面的研究還較少。六道溝流域位于毛烏素沙地邊緣和黃土丘陵區(qū)的過渡地帶，屬于典型的蓋沙黃土丘陵地貌，自然景觀被破壞殆盡，并且一直受到國內(nèi)學術界的高度關注。鑒于此，筆者以RS和GIS為技術手段，選用景觀格局指數(shù)，通過對六道溝小流域15年土地利用及景觀格局時空變化特征進行探討，了解人類活動對不同土地利用類型的干擾程度及未來土地利用方式的相互轉(zhuǎn)換，并定量揭示小流域景觀尺度上退耕還林(草)工程對黃土高原地區(qū)農(nóng)牧交錯帶景觀格局演變的影響。

1 研究區(qū)概況

六道溝小流域位于毛烏素沙地邊緣和黃土丘陵區(qū)的交錯地帶，屬于典型的蓋沙黃土丘陵地貌，是晉陜蒙水蝕風蝕交錯帶強烈侵蝕中心。該流域面積7.28 km2，主溝道長4.21 km，自南而北流入窟野河的二級支流三道河。屬于中溫帶半干旱氣候區(qū)，年均氣溫為8.4℃，多年平均降水量為437.4 mm，其中6—9月降水量占全年降水量的77.4%，區(qū)內(nèi)大風、沙塵暴發(fā)生頻繁，吹蝕和風沙堆積均較強烈。天然植被大部分已遭破壞，殘存的天然草場也已嚴重退化、沙化。六道溝流域在中生代時是一個大型的內(nèi)陸盆地，沉積了巨厚的陸相碎屑沉積物，形成了大規(guī)模優(yōu)質(zhì)無煙煤，后因地殼抬升作用，煤層天然出露地表。土壤類型主要為沙黃土、紅黃土、風沙土和淤土。流域轄4個自然村，人口468人，人口密度85人/km2，流域內(nèi)種植業(yè)、林業(yè)、牧業(yè)、工副業(yè)收入分別占總收入的31%、1%、17%、51%。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)預處理

根據(jù)地表景觀的季相差異，選取六道溝流域WV-1遙感影像(2010年2月拍攝，0.5 m分辨率)作為遙感數(shù)據(jù)，并已進行輻射校正和幾何校正;非遙感數(shù)據(jù)源主要包括1995和2002年的1∶5萬六道溝流域土地利用現(xiàn)狀圖、地形圖、土壤類型圖等;在ERDAS IMAGINE 9.2中對遙感影像進行幾何精校正，然后對圖像進行裁剪，從而得到研究區(qū)的數(shù)字影像圖。

根據(jù)研究區(qū)的地理特征和影像紋理特征，結合研究目的，將研究區(qū)土地分為如下8種類型:1)耕地，包括坡耕地、梯田、溝壩地及溝谷地;2)荒草地;3)林地，包括果園用地、有林地和疏林地;4)人工草地;5)灌木地;6)建設用地，包括居民地和煤炭開采用地;7)水域;8)未利用地，包括沙地和裸露基巖。采用計算機自動分類和人工分類相結合的方法分類，在ERDAS IMAGINE 9.2環(huán)境下，先對影像進行監(jiān)督分類，再結合土地利用現(xiàn)狀圖及地形圖等輔助資料，人工解譯并修正分類結果，提高解譯精度。經(jīng)過精度評價，2010年六道溝流域分類圖總體分類精度為88.51%，可以滿足研究精度的要求。最后，在ARCGIS 9.3支持下，通過格式轉(zhuǎn)換等處理，進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2.2 分析指標的選取與計算

基于ArcGIS的土地利用數(shù)據(jù)尺度變換方法為:以原始數(shù)據(jù)為基準，按照軟件默認的柵格單元(12.6 m ×12.6 m)對研究區(qū) 1995、2002、2010年 3個時期的數(shù)據(jù)進行重采樣，獲得所需的土地利用柵格數(shù)據(jù)，將轉(zhuǎn)換后的柵格數(shù)據(jù)導入景觀格局分析程序FRAGSTATS 3.3中，分別計算不同時期的景觀格局指數(shù)值。各景觀格局指數(shù)的生態(tài)學意義及計算公式如下。

1)面積比例(A)，計算公式為

式中:Si為斑塊i的面積，m2;S為景觀總面積，m2。A值趨于0時，說明景觀中此斑塊類型變的稀少，A值等于100時，說明整個景觀只有一類斑塊組成。

2)景觀形狀指數(shù)(IS)，計算公式為

式中:E為景觀中斑塊邊緣總長度，m;Emin為景觀中邊緣總長度的最小值，m。IS值越大，表示景觀形狀越不規(guī)則或景觀中的邊緣總長度越長。

3)聚集度指數(shù)(IA)，計算公式為

式中:Pi為第i類斑塊面積占總面積的比例，%;gi為同種斑塊類型i的所有像元之間的鄰接數(shù)，gimax為同種斑塊類型i的所有像元之間最大鄰接數(shù);m為景觀中斑塊類型總數(shù)。IA為0表示斑塊類型聚集度最低(即每類斑塊的像元之間都不鄰接)，IA為100表示景觀有一個斑塊組成。

4)香農(nóng)多樣性指數(shù)(ISHD)，計算公式為

當景觀均質(zhì)時，多樣性指數(shù)為0，其值越大表示景觀多樣性越高。

5)香農(nóng)均勻性指數(shù)(ISHE)，計算公式為

ISHE值越大表示景觀均勻度越高。

6)蔓延度指數(shù)(IC)，計算公式為

式中gik為斑塊類型i與斑塊類型k之間的連接數(shù)。如果一個景觀由許多離散的小斑塊組成，其蔓延度值較小;當景觀中以少數(shù)大斑塊為主或同一類型斑塊高度連接時，其蔓延度值較大。

3 結果與分析

3.1 土地利用景觀要素分布及空間變化特征

六道溝小流域的西坡有流沙分布，而東坡僅在背風處有流沙，其余大部分是沙黃土。由表1和圖1可知，小流域形成了以農(nóng)林牧類型為主的土地利用格局，面積為678.6 hm2，占全流域面積的90%以上。其中:耕地主要分布在小流域的東南部，即溝道東坡，因為東坡地勢緩，人類活動頻繁，耕地比較集中;林地和草地分別分布在小流域的西部和東部，林地分布在西部主要用于防風固沙，但由于西北風的吹蝕，流域的西坡的風蝕風積現(xiàn)象嚴重，草地面積在全流域的比例最大，2010年草地面積占研究區(qū)面積的50%以上;水域和建設用地的景觀類型面積相對較小，均在4%以下;未利用地面積也較小，不足研究區(qū)總面積的5%。以上這些因素決定了該區(qū)以農(nóng)林牧生產(chǎn)為主的特點。

從時間變化特征來看，研究區(qū)1995—2010年景觀類型面積有較大幅度的變化。其中:耕地減少幅度最大，15年間共減少76.3%，退耕還林(草)前(1995—2002年)研究區(qū)耕地減少僅為退耕還林(草)后(2002—2010年)的50.7%;林地面積15年來有增加的趨勢，但增加幅度較小;草地面積顯著增加，從1995年的297.6 hm2增加到2010年的425.9 hm2，增加43.1%。主要原因是隨著天然林保護工程和退耕還林(草)政策的實施，研究區(qū)大量的坡耕地退耕還林，同時研究區(qū)水土流失嚴重，發(fā)展林業(yè)也是導致林地景觀增加而耕地面積減少的重要原因。由于近年來當?shù)孛禾康拇罅块_采，建設用地從2002之后有增加趨勢，增加78.2%，未利用土地15年間共增加38.4%。

區(qū)域景觀變化不僅包括景觀類型數(shù)量上發(fā)生的變化，還包括其空間分布的變化。在ArcGIS 9.3中通過柵格數(shù)據(jù)的運算得到景觀要素變化圖(圖2)。結果表明，景觀要素變化最明顯的區(qū)域主要集中在流域南部和東南部，而且主要是耕地的變化。隨著當?shù)匾悦禾块_采為主的經(jīng)濟發(fā)展，退耕還林(草)政策的實施，大量農(nóng)村勞動力轉(zhuǎn)移到煤炭產(chǎn)業(yè)，大大減輕了對土地的依賴性，大部分農(nóng)民放棄了種植作物，流域北部建設用地的增加主要是近年來煤炭的大量開采。煤炭開采增加了當?shù)剞r(nóng)民的收入，從而有效地保證了退耕還林(草)的成果［15］。研究區(qū)西部和東部人煙稀少，景觀類型多為荒草地和灌木地，受人類活動的影響相對較小，景觀類型的變化不明顯。

表1 1995—2010年景觀要素類型面積變化Tab．1 Area changes of landscape elements from 1995 to 2010

圖1 不同年份景觀分類圖Fig．1 Landscape classification maps in different years

3.2 景觀要素間面積轉(zhuǎn)移特征

單純土地利用景觀要素面積的增減并不能很好的反映各要素的轉(zhuǎn)化情況，因此，在ArcGIS 9.3中，通過矩陣運算，得到1995—2002年(表2)和2002—2010年(表3)景觀要素轉(zhuǎn)移矩陣?？芍?，退耕還林(草)前，耕地是下降幅度最大的景觀類型，其去向主要是轉(zhuǎn)化為人工草地和灌木地，面積分別為30.9和19.4 hm2，占耕地轉(zhuǎn)出量的96.9%。其他景觀要素的轉(zhuǎn)移較少，但退耕還林(草)后各景觀要素的轉(zhuǎn)化較為頻繁，其中更以耕地的轉(zhuǎn)移最為劇烈，有57.7%的耕地在退耕后的8年間轉(zhuǎn)化成人工草地，耕地的去向還包括林地、建設用地。人工草地的去向和來源均主要為耕地和灌木地，但轉(zhuǎn)入大于轉(zhuǎn)出。由于煤炭產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，研究區(qū)建設用地的增加也較為明顯，其來源主要是耕地、人工草地、荒草地和灌木地。退耕還林(草)期間未利用地較穩(wěn)定，但面積仍有增加的趨勢。主要原因是流域的南部人煙稀少，部分荒草地和灌木地得不到有效的開發(fā)利用，逐漸撂荒。水域的穩(wěn)定性也較高，只有少量因長時間缺水而轉(zhuǎn)化為草地。

3.3 景觀格局動態(tài)變化分析

3.3.1 景觀類型水平上的指數(shù)分析 表4示出流域1995—2010年景觀格局指數(shù)變化情況。可知:人工草地、灌木地、耕地、荒草地面積占全流域的90%以上，占據(jù)著流域的絕對優(yōu)勢;然而，退耕還林(草)前耕地的面積比例從1995年的26.17下降到2002年的19.43，退耕還林(草)后則更是減小到6.20，可見退耕還林(草)顯著影響了該流域耕地的面積。

圖2 不同時期景觀變化圖Fig．2 Change maps of landscape in different

表2 1995—2002年景觀要素轉(zhuǎn)移矩陣Tab．2 Transfer matrix of landscape elements from 1995 to 2002 hm2

表3 2002—2010年景觀要素轉(zhuǎn)移矩陣Tab．3 Transfer matrix of landscape elements from 2002 to 2010 hm2

從各景觀類型的形狀指數(shù)來看，在整個研究時段內(nèi)，荒草地的形狀指數(shù)最大(表4)，表明荒草地在所有景觀中具有最復雜的形狀和邊界;而林地和人工草地的形狀指數(shù)隨著時間的變化較為明顯，分別從退耕還林(草)前的4.60和11.98提高到退耕還林后的5.60和14.21，表明林地和人工草地在人類活動(退耕還林(草))干擾下邊界形狀的復雜程度逐步增大;耕地的景觀形狀指數(shù)在15年間呈下降趨勢，下降5.46，表明耕地在人類土地整治和退耕還林(草)工程的干預下，形狀趨于簡單化，邊界更加規(guī)則，面積有效性進一步提高;未利用地的形狀指數(shù)最小，呈現(xiàn)上升趨勢，說明未利用地板塊形狀和邊界有所變化，但幅度不大。

從各景觀類型的聚集度指數(shù)看，六道溝流域未利用地聚集度指數(shù)最大，平均98.21，其次是林地和灌木地。從土地利用圖可以看出，未利用地主要分布在研究區(qū)最南部，相對集中，而水域的聚集度最低，表明小流域內(nèi)水域的分布情況較為分散。

由于近年來煤炭開采帶來的巨大效益，建設用地的面積比例從退耕還林(草)前的2.00上升到退耕還林(草)后的3.32;并且從建設用地景觀形狀指數(shù)的減小可以看出，居民用地的增加是在有序規(guī)劃的基礎上進行的，但煤炭開采過程中，人們還應該注重煤炭開采的規(guī)劃，切不可濫采［13］。

表4 1995—2010年景觀格局指數(shù)變化Tab．4 Changes of landscape pattern indices from 1995 to 2010

3.3.2 景觀異質(zhì)性分析 六道溝小流域不同時期景觀多樣性指數(shù)變化情況見表5?？梢?，不同時期景觀多樣性指數(shù)變化差異較明顯，退耕還林(草)前的香農(nóng)多樣性指數(shù)較高，實施退耕還林(草)政策后，2010年香農(nóng)多樣性指數(shù)比1995年下降0.03。表明該區(qū)的景觀復雜性有所下降，而均勻性指數(shù)的降低表明該區(qū)景觀由幾個少數(shù)主要的景觀類型控制的程度有所提高，組成景觀各類型所占比例差異增大，景觀異質(zhì)性降低。這主要是因為研究區(qū)以低山地貌為主，近年來的植樹造林及退耕還林(草)等使占優(yōu)勢的景觀類型林地所占比例進一步提高，對景觀的控制作用增強所致。

表5 不同時期景觀多樣性指數(shù)變化Tab．5 Changes of landscape diversity indices in different years

從表5可以看出，研究區(qū)的景觀蔓延度指數(shù)有所提高，從退耕還林(草)前的46.26升高到退耕還林(草)后的47.54，表明研究區(qū)小斑塊數(shù)量減少，大斑塊數(shù)量增加，具有高優(yōu)勢度的草地斑塊形成了良好的連接性，景觀類型的破碎化程度降低，總體景觀格局趨于簡單化。這種格局使整個景觀內(nèi)部的相互作用增強，并且增強了生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有利于保土保肥，減少水土流失，特別是耕地轉(zhuǎn)化為草地、林地之后，其作用更加顯著［15］。

4 討論

土地利用影響景觀格局的變化，進而導致景觀功能的動態(tài)變化。景觀格局指標是定量分析景觀格局與生態(tài)過程的主要方法，已廣泛應用于反映景觀格局與生態(tài)響應的關系［16-17］。郝仕龍等［10］的研究表明，1995—2004年，黃土丘陵小流域上黃試區(qū)景觀類型多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)略有下降，上黃試區(qū)從耕地和草地為主的景觀類型轉(zhuǎn)變?yōu)橐粤值睾筒莸貫橹鞯木坝^類型。王曉燕等［12］對紙坊溝的同類研究結果表明，1958—1998年，在以人類活動干預和植被內(nèi)援演替為主要驅(qū)動力的共同作用下，該流域的耕地逐漸被林地、草地所取代。本研究中，六道溝小流域15年間景觀類型多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)同樣略有下降，并且從耕地、草地和林地為主的景觀生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐圆莸睾土值鼐坝^為主的景觀生態(tài)系統(tǒng)?？芍?，退耕還林(草)工程的實施對農(nóng)牧交錯區(qū)景觀類型變化的影響很大，促使景觀類型的異質(zhì)性降低。

選擇退耕還林(草)工程實施較早的典型研究區(qū)——農(nóng)牧交錯區(qū)六道溝小流域作為案例區(qū)進行分析，其研究結果可為其他尚在進行退耕還林(草)后期鞏固階段的地區(qū)提供及時的參考。將2002年(工程建設階段的第1年)作為階段劃分點，將研究區(qū)退耕還林(草)工程實行之前8 a和退耕后8 a作為2個階段進行對比分析，相對于類似研究［10］僅對2期土地利用現(xiàn)狀圖進行對比的通常做法更具科學性，使退耕還林(草)工程在驅(qū)動景觀格局演變方面的作用得到了充分的體現(xiàn)。

5 結論

1)土地利用影響景觀格局的變化，進而導致景觀功能的動態(tài)變化。1995—2010年，研究區(qū)從耕地、草地和林地為主的景觀生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐圆莸睾土值鼐坝^為主的景觀異質(zhì)程度較低的景觀生態(tài)系統(tǒng)。

2)退耕還林(草)前到退耕還林(草)后，研究區(qū)景觀要素之間的轉(zhuǎn)化主要表現(xiàn)為耕地轉(zhuǎn)化為草地和林地，草地轉(zhuǎn)化為林地和建設用地。耕地的減少是引起林草地變化的主要原因，其驅(qū)動機制主要表現(xiàn)為國家退耕還林(草)宏觀政策的實施，使部分耕地轉(zhuǎn)化為林地及草地;部分草地轉(zhuǎn)化為建設用地是受煤礦開采經(jīng)濟利益驅(qū)動機制影響。因此，政策的引導及經(jīng)濟利益的驅(qū)動是該流域土地利用變化的主要驅(qū)動力。

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