鐘莉娜，趙文武,*，呂一河,劉源鑫

(1.北京師范大學資源學院 地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室，北京 100875；2.中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心 城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室，北京 100085)

黃土丘陵溝壑區(qū)景觀格局演變特征
——以陜西省延安市為例

鐘莉娜1，趙文武1,*，呂一河2,劉源鑫1

(1.北京師范大學資源學院 地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室，北京 100875；2.中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心 城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室，北京 100085)

以陜西省延安市1985年、2000年和2008年三期1∶25萬景觀單元類型圖，1∶5萬地形圖等生成的數(shù)字高程模型(DEM)為數(shù)據(jù)源，基于ArcGIS 9.3軟件，采用多距離空間聚類、景觀單元類型轉移矩陣、空間數(shù)據(jù)疊加分析等方法分析了延安市景觀格局的演變特征。結果表明：延安市的景觀是由林地、灌木、草地和農(nóng)田等基本景觀單元構成的復合景觀；研究期間農(nóng)地面積急劇減少，流失的農(nóng)地主要轉變?yōu)榱值亍⒉莸?、灌木和聚落，除農(nóng)地和裸地外,其他景觀單元類型面積均有不同程度的增加；1985—2008年，林地、灌木和草地聚集的最大尺度減小，而農(nóng)田聚集的最大尺度變大，農(nóng)田和草地的空間聚集強度明顯小于林地和灌木；延安市主要景觀單元類型演變主要發(fā)生在海拔1100—1500 m之間的區(qū)域和坡度范圍7—21°之間的區(qū)域，但農(nóng)田向聚落的演變主要發(fā)生在海拔較低(900—1300 m)、坡度較緩(<7°)的平川緩丘地帶。1999年之前，經(jīng)濟的迅速發(fā)展是延安市景觀格局演變的主要驅動因素；而1999年之后，國家推行的退耕還林(還草)等一系列生態(tài)重建措施成為延安市景觀格局變化的主要驅動因素。

景觀格局；演變；多距離空間分析；空間分異；空間疊加

景觀生態(tài)學中的景觀格局一般指空間格局，是指大小和形狀不一的景觀斑塊在空間上的配置[1- 2]。景觀格局變化與氣候變化、土地利用/土地覆被變化及生物多樣性變化密切相關，了解景觀格局的演變特征是進行景觀格局分析的前提與基礎[3- 6]。近年來，景觀格局演變及其對生態(tài)過程的影響引起了國際學者的廣泛關注，成為當前景觀生態(tài)學研究中的熱點問題[7- 9]。學者們對景觀格局演變的分析多是利用景觀格局指數(shù)、景觀單元類型轉移矩陣等方法，從景觀格局的變化特征、驅動機制以及對景觀格局的模型預測等不同角度進行探討[10- 15]，但是景觀指數(shù)反映的是景觀格局的幾何特征，往往難以揭示景觀格局變化的深層規(guī)律,而模型方法也存在著很大的不確定性。在景觀格局變化的定量評估方面尚需要探索新的適用性方法。

黃土高原是世界上最大的黃土堆積區(qū)，人類活動歷史悠久，自然環(huán)境脆弱。對黃土高原地區(qū)景觀格局變化的研究一直是國內(nèi)學者研究的熱點問題之一[16- 18]。本文以黃土丘陵溝壑區(qū)延安市為例，基于景觀生態(tài)學理論，借助GIS技術，利用多距離空間聚類分析、主要景觀演變類型的地形梯度分析等方法定量研究了1985—2008年延安市景觀格局的演變特征和主要演變類型的空間分異規(guī)律，以期為研究區(qū)土地利用和生態(tài)系統(tǒng)管理提供可能參考。

1 研究區(qū)概況

延安市位于黃河中游，地處北緯35°21′—37°31′，東經(jīng)107°41′—110°31′之間，屬黃土丘陵溝壑區(qū)，山川塬交錯,溝梁峁縱橫,地形復雜、地貌獨特。地勢西北高東南低，平均海拔約1200 m。延安屬高原大陸性季風氣候，北部屬半干旱地區(qū)，南部屬半濕潤地區(qū)。延安市北連榆林市，南接關中咸陽、銅川、渭南3市，東隔黃河與山西省臨汾市、呂梁市相望，西依子午嶺與甘肅省慶陽市為鄰(圖1)[19]。

圖1 研究區(qū)位置示意圖Fig.1 Location of the study area

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究以延安市1985年、2000年和2008年3期1∶25萬景觀單元類型圖，1∶5萬地形圖生成的數(shù)字高程模型(DEM)為基本圖件，分析延安市景觀格局的演變特征。在ArcGIS 9.3平臺支持下，基于DEM數(shù)據(jù)獲取研究區(qū)高程圖、坡度圖和坡向圖。景觀單元類型圖來源于中國1∶25萬土地覆蓋遙感調(diào)查與監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫是在“國家科學數(shù)據(jù)共享工程——地球系統(tǒng)科學共享網(wǎng)”的支持下，由中國科學院遙感應用研究所等7個單位，在全國1∶10萬土地利用數(shù)據(jù)和遙感分類數(shù)據(jù)的基礎上，采用全數(shù)字作業(yè)方式共同完成，數(shù)據(jù)精度在80%以上(不同類型有差異)。結合當?shù)赝恋乩矛F(xiàn)狀和土地資源特點，參考國內(nèi)外土地利用分類系統(tǒng)，將延安市景觀單元劃分為七種類型，分別是林地、灌木、草地、農(nóng)田、聚落、水體和裸地。

2.2 研究方法

本研究采用空間統(tǒng)計和數(shù)理統(tǒng)計方法對1985年至2008年延安市不同景觀單元類型的數(shù)量變化進行分析。

(1)景觀單元類型變化特征分析

為探討不同景觀組分之間復雜的相互轉化過程，基于ArcGIS 9.3操作平臺，將3期景觀單元類型圖進行了空間疊置運算，由此得到景觀單元類型轉移矩陣，初步分析延安市景觀單元類型的動態(tài)變化過程。

(2)空間聚類分析

用Ripley K函數(shù)對延安市景觀格局進行多距離空間聚類分析，Ripley K函數(shù)的公式如下：

式中，A為研究區(qū)面積，n為點的個數(shù)，d為期望值(隨機空間模式)，L(d)為觀測值(研究區(qū)特定距離的空間模式)，k(i,j)為權重。L(d)>d表明與景觀類型呈聚集分布；L(d)=d表示景觀單元類型呈隨機分布，L(d)

本研究分析了研究區(qū)4種主要景觀單元類型(林地、灌木、草地、農(nóng)田)在1985—2008年的空間聚集情況，分析其在二維空間上的演變特征。基于ArcGIS 9.3 軟件生成2000個隨機點圖層，將該圖層分別與三期景觀單元類型圖疊加以確定隨機點的景觀單元類型，然后利用多距離空間聚類工具對不同時期的不同景觀單元類型進行Ripley K函數(shù)分析。

(3)景觀格局變化的地形分布特征分析

1985年和2008年的景觀單元類型圖疊加得到1985—2008年景觀單元演變類型圖。將景觀單元演變類型圖與基于DEM數(shù)據(jù)獲取的研究區(qū)高程數(shù)據(jù)、坡度數(shù)據(jù)和坡向數(shù)據(jù)進行空間疊加分析，并對所獲得的數(shù)據(jù)進行數(shù)理統(tǒng)計，以揭示其景觀格局變化在三維空間上的演變特征。

3 結果與分析

3.1 景觀單元的數(shù)量變化特征

由表1、圖2和圖3可知，研究區(qū)草地面積最大，三期景觀單元類型圖中草地所占的面積比例均在40%以上；農(nóng)田面積次之，比例在16.18%—31.50%之間，呈下降趨勢，是研究期間降幅最大的景觀單元類型。與此同時灌木、林地和草地的面積均呈現(xiàn)增加趨勢，灌木從1985年的14.89%增加到了2008年的16.18%，林地從1985年的8.45%增加到了2008年的10.10%，草地面積增幅最大，從1985年的44.68%增加到了2008年的56.16%。聚落和水體面積總體上呈現(xiàn)增加趨勢，裸地面積先增后減。

林地和草地主要分布在延安市的東南和西南方向，農(nóng)地主要分布在延安市的北部，聚落、水體、裸地面積較小(圖2)。在1985年和2000年，農(nóng)田和草地是延安市的優(yōu)勢景觀單元類型，由于當?shù)赝菩型烁€林(還草)政策，至2008年，延安市農(nóng)地數(shù)量急劇減少，林地、灌木和草地的數(shù)量增加?？傮w來看，林地、灌木、草地和農(nóng)田四者所占的面積比例達到了研究區(qū)面積的99%以上。

表1 延安市景觀單元類型面積統(tǒng)計

圖2 延安市景觀單元類型圖Fig.2 Landscape type map of Yan′an City

圖3 景觀單元類型面積比較Fig.3 Comparison of landscape type area

3.2 景觀單元的類型變化特征

從1985—2000年景觀單元類型的演變情況(表2)來看，林地主要轉變?yōu)椴莸睾娃r(nóng)田，總變化率約為1.6%，保留了原有林地面積的97.9%；灌木主要轉變?yōu)榱值?、草地和農(nóng)田；草地主要向農(nóng)田、林地和灌木流轉；農(nóng)田主要轉變?yōu)椴莸睾土值?，其次是灌木和聚落；此外，聚落主要轉變?yōu)椴莸?，水體主要轉變成農(nóng)田，裸地和農(nóng)田相互轉換。在不同景觀單元類型演變過程中，草地演變?yōu)檗r(nóng)田的面積最大，這反映了在20世紀90年代延安市開荒種田、增加耕地面積的現(xiàn)象較為普遍。作為陜北地區(qū)政治、經(jīng)濟和文化中心，1985—2000年延安市社會經(jīng)濟快速發(fā)展，是期間影響延安市景觀格局演變的重要驅動因子[21- 22]。

表2 1985—2000年延安市景觀單元類型轉移矩陣

從2000—2008年景觀單元類型的變化情況(表3)來看，林地主要向草地和農(nóng)田流轉，灌木主要轉變?yōu)椴莸?，草地主要轉變?yōu)楣嗄竞娃r(nóng)田。同時，大面積的農(nóng)田主要轉變?yōu)椴莸亍⒐嗄竞土值?，變化面積可達5112.62 km2，這主要是退耕還林還草政策實施的結果[22]。此外，聚落和水體與其他景觀單元類型之間的轉變較少，部分裸地轉變?yōu)檗r(nóng)田。

表3 2000—2008年延安市景觀單元類型轉移矩陣

1985—2008年間延安市各景觀單元類型的演變較為復雜，但景觀單元類型的演變主要表現(xiàn)為林地、灌木、草地和農(nóng)田之間的相互轉換以及農(nóng)田向聚落的流轉(表4)。其中，農(nóng)田轉變?yōu)楣嗄竞土值氐拿娣e占總變化面積的49.44%。我國政府在1999年推行的“退耕還林(還草)”等水土保持政策是農(nóng)田演變?yōu)榱值睾凸嗄镜闹匾寗右蜃覽22- 23]。

3.3 景觀單元變化的空間分異規(guī)律

3.3.1 景觀單元類型的空間聚集特征

景觀單元類型的演變是一個動態(tài)的過程。景觀單元類型的空間聚集特征在一定程度上可以反映人類活動對自然景觀演變的影響。研究景觀單元類型的空間集聚特征可以為調(diào)整人類社會經(jīng)濟活動、優(yōu)化土地利用格局提供科學依據(jù)。

表41985—2008年延安市主要景觀演變類型

Table4ThemaintypesoflandscapetransformationofYan′anCity,from1985to2008

景觀演變類型Landscapeevolutiontype演變面積/km2Evolutionarea占總演變面積的比例/%Theproportionofthetotalarea林地轉為灌木Forestintobush15.510.90林地轉為草地Forestintograssland42.882.49林地轉為農(nóng)田Forestintofarmland15.110.88灌木轉為林地Bushintoforest64.283.74灌木轉為草地Bushintograssland109.096.35灌木轉為農(nóng)田Bushintofarmland31.281.82草地轉為灌木Grasslandintobush238.4113.87草地轉為農(nóng)田Grasslandintofarm-land214.8812.50農(nóng)田轉為林地Farmlandintoforest409.0023.79農(nóng)田轉為灌木Farmlandintobush441.0125.65農(nóng)田轉為聚落Farmlandintosettle-ment89.565.21合計Total1671.0197.20

綜合分析表5和圖4，1985年研究區(qū)林地聚集的最大尺度為16 km，隨著觀測距離的增加，林地依然呈聚集分布，未有離散趨勢(L(d)>d)。觀測值明顯高于置信區(qū)間的上限值，表明林地在1985年、2000年和2008年的聚集特征具有統(tǒng)計學上的顯著性。2000年和2008年林地聚集的最大尺度均為10 km，與1985年相比有所降低，但觀測距離內(nèi)未出現(xiàn)離散格局。

表5 各景觀單元類型空間聚集的最大尺度及離散臨界值/km

圖4 不同時期各景觀單元類型多距離空間聚集圖Fig.4 Multi-distance spatial cluster for different landscape types in 1985,2000 and 2008

1985年灌木聚集的最大尺度為12 km。該景觀單元類型在觀測距離內(nèi)未出現(xiàn)離散格局，且空間聚集特征具有統(tǒng)計學上的顯著性(L(d)>d)。2000年和2008年灌木聚集的最大尺度均為11 km，其他聚集特征與1985年相似。

1985年、2000年和2008年草地聚集的最大尺度分別是25 km、24 km和18 km?？傮w來看，草地在研究期內(nèi)呈聚集分布(L(d)>d)，但聚集強度較低。特別是2000年時，當觀測距離增加到55 km時，出現(xiàn)了離散分布(L(d)

農(nóng)田聚集的最大尺度1985年為10 km，2000年和2008年是12 km。研究期內(nèi)呈聚集分布(L(d)>d)，但聚集強度較低，有離散的趨勢。2000年和2008年，在觀測距離為55 km時出現(xiàn)了離散分布(L(d)

1985—2008年，林地、灌木和草地聚集的最大尺度減小，農(nóng)田聚集的最大尺度增大，說明研究期內(nèi)林地、灌木和草地在二維空間上逐漸聚集，而農(nóng)田在二維空間上逐漸分散。研究期內(nèi)林地、灌木和草地面積增加，而農(nóng)田面積減少的驅動因素——退耕還林(還草)政策，同時也是林地、灌木和草地在二維空間上逐漸聚集，農(nóng)田趨于分散的驅動因素。

3.3.2 景觀單元類型轉換的地形梯度特征

基于1∶5萬數(shù)字高程模型(DEM)，利用ArcGIS 9.3軟件獲取高程圖、坡度圖和坡向圖，將高程圖、坡度圖和坡向圖分級，并分別與主要景觀單元演變類型數(shù)據(jù)進行空間疊加分析，經(jīng)統(tǒng)計得到主要景觀單元演變類型在不同高程、坡度、坡向的分布情況(表6—表8)。

景觀單元演變類型的主要分布坡向如表8所示，在西坡和西南坡上林地轉變?yōu)楣嗄镜拿娣e較大、東坡和東北坡上林地轉變?yōu)椴莸氐拿娣e較大。表8中的陰影部分為不同景觀單元演變類型所占面積比例較大的坡向。一般情況下，坡向通過影響土壤水分和日照時數(shù)對地表景觀格局產(chǎn)生影響。不同坡向有各自適宜生長的植被類型。若不加人類活動的干擾，不同坡向上景觀單元類型的演變是相當緩慢的。但是,退耕還林以來，延安市實行了一系列土地利用結構調(diào)整措施，包括將原有坡耕地退耕，坡耕地改為水平梯田，擴大人工喬灌木面積等。這些措施是延安市景觀單元演變坡向分異的主要原因[24]。

分析主要景觀單元演變類型在各高程梯度、坡度梯度、坡向梯度分布的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)這種景觀格局變化具有較為明顯的空間分布規(guī)律，尤其與高程和坡度因子密切相關。其中，農(nóng)田向聚落的轉變主要發(fā)生在海拔介于900—1300 m的區(qū)域和坡度小于7°的區(qū)域，可見農(nóng)田向聚落的轉變主要發(fā)生在海拔偏低、坡度較緩的平川緩丘地帶。林地向灌木、草地和農(nóng)田的轉變主要發(fā)生在海拔高于1100 m的區(qū)域和坡度介于7°—21°之間的區(qū)域。灌木和草地向其他主要景觀單元類型的轉變主要發(fā)生在海拔介于1100—1500 m的區(qū)域和坡度介于7°—21°之間的區(qū)域。

表6 主要景觀單元演變類型高程分級統(tǒng)計/%

表7 主要景觀單元演變類型坡度分級統(tǒng)計/%

表8 主要景觀單元演變類型坡向分級統(tǒng)計/%

陰影部分為不同景觀單元演變類型所占面積比例較大的坡向

4 結論與討論

林地、灌木、草地和農(nóng)田構成了延安市的復合景觀，其他景觀單元類型以斑塊或廊道形式鑲嵌其中。1985—2008年林地、灌木和草地的面積均有明顯增加，農(nóng)地面積明顯減少。通過分析景觀轉移矩陣發(fā)現(xiàn)流失的農(nóng)田主要轉變?yōu)榱值?、灌木、草地和聚落?/p>

本研究從空間聚集特征和地形梯度特征兩個方面分析了延安市景觀格局在二維空間和三維空間上演變的空間分異規(guī)律。研究區(qū)林地、灌木和農(nóng)田聚集的最大尺度差別不大，但草地空間聚集的最大尺度較大，可達到25 km。1985—2008年，林地、灌木和草地聚集的最大尺度減小，而農(nóng)田聚集的最大尺度增大。林地和灌木呈現(xiàn)顯著的聚集格局，農(nóng)田和草地的空間聚集強度明顯小于林地和灌木。2000年，觀測距離為55 km處草地和農(nóng)田出現(xiàn)了離散分布格局，2008年農(nóng)田在觀測距離為55 km處也出現(xiàn)了離散分布格局。延安市主要景觀單元類型的演變大都發(fā)生在海拔介于1100—1500 m的區(qū)域和坡度介于7—21°之間的區(qū)域，這個區(qū)域也是耕地比較集中的區(qū)域。農(nóng)田向聚落的演變主要發(fā)生在海拔較低(900—1300 m)、坡度較緩(<7°)的平川緩丘地帶。主要景觀單元演變類型在坡向上沒有明顯的分布規(guī)律。

1999年之前延安市經(jīng)濟迅速發(fā)展、城鎮(zhèn)化速度加快、人口增加，對糧食的需求量增加，導致耕地和聚落面積增加，其他景觀單元類型面積減少。1999年之后，我國政府在黃土高原地區(qū)推行退耕還林(還草)、將坡耕地改為水平梯田、修建水平梯田等一系列水土流失治理措施，導致了林地、草地、灌木面積的增加和聚集尺度的減小，以及耕地面積的減少和聚集尺度的增大。退耕還林(還草)等一系列水土流失治理措施的推行是1999年之后推動延安市景觀格局演變的主要因素。

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AnalysisoflandscapepatternevolutioncharacteristicinthehillyandgullyareaofloessplateauacasestudyinYan′anCity,ShaanxiProvince

ZHONG Lina1, ZHAO Wenwu1,*, LV Yihe2, LIU Yuanxin1

1StateKeyLaboratoryofEarthSurfaceProcessesandResourceEcology,CollegeofResourcesScienceandTechnology,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China2StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China

Landscape pattern is the arrangement of landscape embedded blocks of different sizes and shapes.Landscape pattern changes result from complex interactions of physical, biological and social forces.Human land use has influenced most landscapes, resulting in a landscape mosaic of natural and human-managed patches that vary in size, shape and arrangement.The quantitative analysis of landscape pattern is the fundamental of researching the mutual relations of landscape patterns and ecological processes.Loess Plateau is one of the world′s largest loess areas with a long history of human activities, and the natural environment is fragile.Research on Landscape pattern evolution in the hilly and gully area of Loess Plateau has long been a research hotspot.The analysis of landscape pattern changes in Loess Plateau has a crucial role in understanding the structure and changes of the ecosystem.This study analyzed the evolution characteristic of landscape pattern and the spatial differentiation of main evolution types in Yan′an City based on landscape ecology theory, using GIS technology.1∶250000 landscape type maps in 1985, 2000 and 2008 and digital elevation model (DEM) of Yan′an City are used in this research.Considering the local characteristics and referring to domestic and foreign land use classification system, Yan′an City landscape types are divided into seven categories, namely woodland, bush, grassland, farmland, settlements, water and bare ground.Different methods such as Multi-Distance Spatial Cluster, landscape transition matrix, spatial data overlay analysis, were used in this research.The primary conclusions were as follows: the landscape background of Yan′an City is a composite landscape matrix consisting of woodland, bush, grassland and farmland.The area of farmland decreased sharply during the study period.The reduced farmland mainly transformed into forest land, grassland, bush and settlements.Other landscape types except farmland and bare land are increased at different degrees.The maximum aggregation scale of woodland, bush and grassland decreased from 1985 to 2008, while that of farmland became larger.The spatial aggregation intensity of farmland and grassland was significantly less than that of woodland and bush.The evolution of main landscape types mostly occurred at altitudes between 1100 m and 1500 m, and the gradient of slope was varied in the range from 7° to 21°.The evolution of farmland to settlement occurred mainly at altitudes between 900 m and 1300 m, and the slope was less than 7°.Yan′an City is located in Loess Plateau which is the most serious area of soil erosion in China.Therefore, the government has adopted a series of comprehensive measures to achieve the aim of effective control of soil erosion.Returning farmland to forest, re-building sloping land into level terrace and strengthening the construction of "Three North" shelterbelt are all in their implementation.Yan′an City is the political, economic and cultural center in Northern Shaanxi.The rapid socio-economic development was the main reason for the landscape patterns′ evolution before 1999; while after 1999, these measures of controlling soil erosion exceed the rapid socio-economic development, which became the main factors affecting landscape pattern evolution in Yan′an City.

landscape; evolution; Multi-Distance Spatial analysis; spatial differentiation; GIS Spatial Overlay

國家自然科學基金( 41171069，41171156)

2013- 10- 20;

2014- 04- 01

10.5846/stxb201310202531

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhaoww@bnu.edu.cn

鐘莉娜，趙文武，呂一河,劉源鑫.黃土丘陵溝壑區(qū)景觀格局演變特征——以陜西省延安市為例.生態(tài)學報,2014,34(12):3368- 3377.

Zhong L N, Zhao W W, Lü Y H, Liu Y X.Analysis of landscape pattern evolution characteristic in the hilly and gully area of loess plateau: a case study in Yan′an City, Shaanxi Province.Acta Ecologica Sinica,2014,34(12):3368- 3377.