馮雪銘，李 晶，張東海，劉焱序，陳 歡

（陜西師范大學(xué) 旅游與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安710062）

景觀格局分析是景觀生態(tài)學(xué)的研究任務(wù)之一，它定量研究斑塊在景觀中的分布規(guī)律。如何定量分析景觀格局是景觀生態(tài)學(xué)一個重要而且具有挑戰(zhàn)的研究課題，是生態(tài)學(xué)家研究最多的課題之一［1］。土地利用／覆被變化（land use and land cover chang，LUCC）是全球環(huán)境變化的主要原因和組成部分之一［2］。LUCC客觀地記錄了人類改變地表特征的空間格局，再現(xiàn)了地表景觀的時空動態(tài)變化過程［3］。在全球背景下研究土地利用／覆被變化過程和景觀格局響應(yīng)上，LUCC和景觀生態(tài)學(xué)研究的理論、方法的運用顯得尤為迫切［4］。

景觀格局的變化研究通常通過各種格局指數(shù)的設(shè)計和分析來實現(xiàn)。在這類研究中，地理信息系統(tǒng)、遙感、數(shù)學(xué)模型和計算機技術(shù)被廣泛應(yīng)用，并且大量的景觀格局指數(shù)計算軟件也不斷涌現(xiàn)，尤其是Fragstats軟件極大地推動了景觀格局研究在國際上的發(fā)展［5］。Lutz Tischendorf［6］進行了用景觀指數(shù)預(yù)測生態(tài)過程的研究，認為格局指數(shù)，特別是綴塊類型水平指數(shù)能很好地解釋特定類型綴塊在異質(zhì)景觀中的擴散過程。國內(nèi)現(xiàn)有的景觀格局動態(tài)變化研究大多采用遙感、GIS技術(shù)結(jié)合景觀生態(tài)學(xué)原理，揭示景觀格局動態(tài)規(guī)律［7－9］。丁圣彥等［10］在遙感技術(shù)的支持下，結(jié)合河南沿黃濕地的區(qū)域特點，系統(tǒng)地分析了近20a河南沿黃濕地景觀空間格局變化。趙銳鋒等［4］基于GIS和遙感技術(shù)，結(jié)合景觀格局數(shù)量分析方法，分析了新疆塔里木河干流區(qū)土地利用／覆被變化過程。

關(guān)中—天水經(jīng)濟區(qū)（簡稱“關(guān)天經(jīng)濟區(qū)”）作為繼環(huán)北部灣經(jīng)濟區(qū)和成渝經(jīng)濟區(qū)后西部的第3個重點發(fā)展經(jīng)濟區(qū)，政治、經(jīng)濟和文化得到快速發(fā)展，其景觀格局的變化對區(qū)域生態(tài)環(huán)境會產(chǎn)生重大影響。

本文利用1980年和2005年2個時相的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，進行圖像解譯，并定量分析了土地利用變化過程和景觀格局，探討了近25a關(guān)天地區(qū)土地利用景觀格局變化，為土地資源可持續(xù)利用和經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的順利實施提供決策基礎(chǔ)。本研究對于保護和改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境、深化人地關(guān)系研究具有十分重要的意義。

1 區(qū)域概況

關(guān)中—天水經(jīng)濟區(qū)在行政單元上分為關(guān)中地區(qū)、陜南商洛部分區(qū)縣和甘肅省天水市，地理坐標為104°34′47″—110°48′38″E，35°51′17″—33°21′38″N，總面積約8．01×104km2。關(guān)中包括西安、銅川、寶雞、咸陽、渭南5個省轄地級市和楊凌農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū)；陜南商洛地區(qū)，位于陜西省東南部，秦嶺南麓，與鄂豫兩省交界，包含在關(guān)天經(jīng)濟區(qū)范圍內(nèi)的有商州、洛南、丹鳳、柞水1區(qū)3縣；天水位于甘肅東南部，轄武山、甘谷、秦安、清水、張家川回族自治縣5縣和秦州、麥積2區(qū)。關(guān)天經(jīng)濟區(qū)屬于內(nèi)陸地區(qū)，降水量偏少，屬暖溫帶半濕潤、半干旱氣候。土地利用類型以耕地為主，主要分布在關(guān)中盆地；其次為草地，主要分布在北山、子午嶺和臺塬邊緣—陡坡地帶。林地比例接近于草地，主要分布在關(guān)山—秦嶺山地以及子午嶺。

2 數(shù)據(jù)來源及分析方法

2．1 數(shù)據(jù)來源及其處理

本文主要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括關(guān)天經(jīng)濟區(qū)1980年和2005年的美國陸地衛(wèi)星4—9月TM影像、數(shù)字高程數(shù)據(jù)，分辨率均為30m，用 ArcGIS 9．3，Excel以及景觀格局分析軟件Fragstats作為數(shù)據(jù)處理分析平臺，參照關(guān)天土地利用圖，在ERDAS環(huán)境下，將遙感影像進行拼接、輻射校正、裁剪和監(jiān)督分類，參考王思遠等［11］的研究成果建立了6大類土地利用景觀類型，分為耕地、林地、草地、水體、建筑用地和未利用地，如附圖3所示。應(yīng)用ArcGIS 9．3，將2期土地利用矢量數(shù)據(jù)分別轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)（格網(wǎng)單位為90m）以便用Fragstats軟件計算景觀指數(shù)。

2．2 分析方法

2．2．1 土地利用／覆被動態(tài)過程分析 運用ArcGIS 9．3對1980和2005年土地利用圖進行統(tǒng)計和疊加分析，得到1980—2005年的土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣，并采用土地利用變化率和土地利用空間動態(tài)度［12］等模型和土地利用／覆被轉(zhuǎn)移矩陣分析關(guān)天經(jīng)濟區(qū)土地利用的變化過程。具體模型如下：

式中：Ks——i 類土地利用類型的變化率；Ua，Ub——研究初期及研究末期i類土地利用類型的面積（hm2）；Kss——i類土地利用類型空間變化動態(tài)度；Ui＋——研究期內(nèi)其他地類變?yōu)閕類土地利用類型的總量（hm2）；Ui－——研究期內(nèi)i類土地利用類型變?yōu)槠渌仡惖目偭浚╤m2）；i——土地利用類型；T——研究時段。土地利用變化率只在時間上反映出土地利用／覆被的變化過程，而土地利用空間動態(tài)度則從空間上反映出了土地利用／覆被的變化過程。2．2．2 景觀格局分析 應(yīng)用景觀格局分析軟件Fragstats計算景觀指數(shù)，并對關(guān)天經(jīng)濟區(qū)的土地利用景觀空間格局特征進行分析。在景觀生態(tài)學(xué)中，定量化研究最常用，如利用景觀指數(shù)描述景觀格局及其變化，建立格局與景觀過程之間的聯(lián)系等［13－14］。景觀格局的空間異質(zhì)性來維系景觀穩(wěn)定性，景觀的穩(wěn)定性越高，景觀抵抗外界干擾的能力越強，越有利于維持一個平衡的景觀格局［15］。反映景觀異質(zhì)性可以分別從景觀級別和景觀類型級別指標來衡量。本文在景觀級別上選取了蔓延度（CONTAG）、香農(nóng)均勻度指數(shù)（SHEI）、香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）、優(yōu)勢度指數(shù)（D）；在景觀類型級別上選取了景觀類型面積（CA）、景觀類型所占景觀面積的比（PLAND）、斑塊個數(shù)（NP）、最大斑塊指數(shù)（LPI）、邊緣密度（ED）、形狀指數(shù)（LSI）、破碎度（F）、平均分維數(shù)（FRAC－MN）。景觀格局指數(shù)的計算公式及意義見參考文獻［13，16－17］。

3 結(jié)果與分析

3．1 關(guān)天經(jīng)濟區(qū)土地利用／覆被變化分析

由表1可見，關(guān)天經(jīng)濟區(qū)的景觀類型主要是耕地，關(guān)天經(jīng)濟區(qū)地處平原，土壤肥沃，有利于發(fā)展農(nóng)業(yè)。1980年和2005年耕地面積分別占總面積的45%和44．19%，是各景觀類型中面積比例最大的，屬于關(guān)天經(jīng)濟區(qū)的優(yōu)勢景觀類型；其次是草地和林地，草地景觀所占的比例分別為29．26%和29．29%，林地景觀占總面積的比例分別是23．14%和23．28%；其他景觀類型比例都相對較少，都不到5%。

25a中建設(shè)用地和未利用地變化較為明顯，其變化率分別為1．96%和－1．17%，土地利用空間動態(tài)度分別為0．79%和0．75%，較其他景觀類型都是最大的；水體次之，變化率和土地利用空間動態(tài)度也較大；林地和草地在數(shù)量上沒有太大的變化，其變化率和土地利用空間動態(tài)度都較?。桓爻蕼p少趨勢，減少了68 250．38hm2，其變化率和土地利用空間動態(tài)度居中，其與建設(shè)用地變化趨勢相反，在一定程度也表現(xiàn)出它們之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系。關(guān)天地區(qū)建設(shè)用地快速增長主要表現(xiàn)在西安市的建筑用地的擴建。整體來看，近25a關(guān)天經(jīng)濟地區(qū)的景觀類型特征發(fā)生了顯著變化，建設(shè)用地顯著增長，但耕地仍然是主要的景觀類型。

由表2可見，1980—2005年耕地面積減少，大量的耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?、草地、建筑用地，少量轉(zhuǎn)為水域，其中轉(zhuǎn)為建筑用地的最多，為49 186．08hm2，占總轉(zhuǎn)出的55．4%，這是由于近年來城中村的擴建導(dǎo)致。同時，其他用地類型也有少量轉(zhuǎn)化為耕地，其中，草地開墾為耕地的較多，主要分布在渭北的坡地，秦嶺溝谷，陜南秦嶺南麓，黃土旱塬的邊緣，轉(zhuǎn)化量為15 804．9hm2，占總轉(zhuǎn)入量的65．7%，但小于耕地向其轉(zhuǎn)化的量。林地轉(zhuǎn)化為草地的量最多，為4 817．34hm2，占其轉(zhuǎn)出量的51%。除未利用地外，也有少量水域向其他類型轉(zhuǎn)化，其中，轉(zhuǎn)為耕地的較多。建筑用地屬于轉(zhuǎn)入型，除水域和未利用地外，其他用地類型均大量向其轉(zhuǎn)化，而其轉(zhuǎn)出量幾乎為0。未利用地轉(zhuǎn)化為林地的較多，為3 677．4hm2，除建筑用地外向其他類型均有少量的轉(zhuǎn)化。

表1 關(guān)天經(jīng)濟區(qū)1980－2005年各土地利用類型變化

表2 關(guān)天經(jīng)濟區(qū)1980－2005年土地利用類型轉(zhuǎn)換矩陣 hm2

3．2 關(guān)天經(jīng)濟區(qū)景觀空間格局指數(shù)變化特征

表3—4分別反映了景觀級別和景觀類型的指數(shù)變化。由表3可見，1980—2005年關(guān)天經(jīng)濟區(qū)土地利用景觀的蔓延度（CONTAG）、優(yōu)勢度（D）指數(shù)呈減少趨勢，香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）、香農(nóng)均勻度指數(shù)（SHEI）呈增加的趨勢。整體研究時段內(nèi)多樣性指數(shù)增加、優(yōu)勢度指數(shù)減少，反映出該區(qū)域內(nèi)景觀類型之間復(fù)雜性增加，差異性增大，景觀結(jié)構(gòu)向均衡化趨勢發(fā)展。而均勻度指數(shù)增加，蔓延度指數(shù)則減少，反映了該區(qū)域內(nèi)各斑塊類型之間的均勻性增加，大斑塊減少，穩(wěn)定性增強。

表3 1980，2005年關(guān)天經(jīng)濟區(qū)土地利用景觀指數(shù)變化

由表4可見，1980年和2005年，耕地景觀2a的最大斑塊指數(shù)都是最大，且大于1，表明耕地是關(guān)天經(jīng)濟區(qū)的優(yōu)勢景觀類型，且連通性較好，抗干擾能力較強；2a間最大斑塊指數(shù)與斑塊數(shù)、破碎度，平均分維數(shù)均略呈減少趨勢，說明人為干擾強度有所增加，但是由于人為對其進行整合，使其破碎度減少；邊緣密度增大0．11，形狀指數(shù)增加2．98，說明其在人為干擾下，景觀形狀趨于復(fù)雜。林地景觀的比例、斑塊數(shù)、邊緣密度、形狀指數(shù)、破碎度均呈增加趨勢，最大斑塊指數(shù)和分維數(shù)均略微減少，這些趨勢表明其大斑塊呈減少趨勢，景觀形狀更加復(fù)雜，更加破碎，能與其他景觀更好的連接。草地景觀的斑塊數(shù)、邊緣密度、形狀指數(shù)、破碎度、分維數(shù)與其他景觀類型相比均是最高的，并且除分維數(shù)外均呈降低趨勢；分維數(shù)略微增大。表明草地景觀的團聚斑塊在減少，形狀趨于簡單，穩(wěn)定性增加，分布更分散，但是較其他景觀類型復(fù)雜，轉(zhuǎn)移較其他類型頻繁。水域景觀的斑塊數(shù)、形狀指數(shù)、破碎度、分維數(shù)均呈略微減少趨勢，其中分維數(shù)較其他景觀類型最為接近1；破碎度較其他景觀類型最小，說明水域景觀的形狀更為簡單，相互連接性較其他類型好，而且有變好的趨勢，人對其影響增加；比例增加反映了水域面積的擴張趨勢。建筑用地景觀的斑塊數(shù)、最大斑塊指數(shù)、邊緣密度、形狀指數(shù)、破碎度較其他景觀類型均有較大程度的增加，表明建筑用地景觀邊界被割裂的程度較高，形狀更加復(fù)雜；破碎度的增加表明對其的干擾增加，使其分布更集中；分維數(shù)略微降低，除水域外，比其他景觀類型低，表明其穩(wěn)定性較高，很少向其他類型轉(zhuǎn)移。未利用地景觀所占比例最小、斑塊數(shù)最少、最大斑塊指數(shù)、邊緣密度、形狀指數(shù)、破碎度均最低；平均分維數(shù)最大，且呈減少趨勢，表明人類活動對其影響較大，斑塊更分散，不穩(wěn)定性增強。

表4 1980，2005年關(guān)天經(jīng)濟區(qū)不同景觀類型的景觀指數(shù)變化

4 結(jié) 論

（1）1980—2005年耕地和未利用地面積減少，林地、草地、水體和建筑用地面積增加，其中建設(shè)用地增長強度最大，空間動態(tài)度達0．791 4。耕地，草地，建筑用地之間的轉(zhuǎn)化較多。大量的耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?、草地、建筑用地，少量轉(zhuǎn)為水域，其中轉(zhuǎn)為建筑用地的最多。

（2）1980—2005年關(guān)天經(jīng)濟區(qū)土地利用景觀多樣性、均勻度指數(shù)增加，優(yōu)勢度、蔓延度指數(shù)減少，反映出該區(qū)域內(nèi)各斑塊類型之間更加均勻、穩(wěn)定。景觀類型之間更加復(fù)雜，景觀結(jié)構(gòu)向均衡化趨勢發(fā)展。

（3）1980年和2005年，耕地均是關(guān)天經(jīng)濟區(qū)的優(yōu)勢景觀類型。建筑用地變化最為明顯，斑塊數(shù)、最大斑塊指數(shù)、邊緣密度、形狀指數(shù)、破碎度較其他景觀類型均有較大程度的增加，表明人為對其的干擾增加，景觀邊界被割裂的程度較高，形狀更加復(fù)雜，分布更集中，穩(wěn)定性較高，很少向其他類型和轉(zhuǎn)移。

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