杜雨瀟，閆佳博，卜元坤，顧 麗,2*

(1.西北農林科技大學，陜西 楊陵 712100；2.陜西秦嶺森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站，陜西 楊陵 712100)

景觀破碎化是景觀格局演變的重要特征參數之一[1]，對景觀格局的結構、功能及生態(tài)過程都有一定的影響[2]，景觀破碎化程度加劇必然會導致生態(tài)環(huán)境進一步惡化，影響正常生態(tài)系統(tǒng)結構、功能及生態(tài)過程，導致區(qū)域生境質量不高，進而影響生態(tài)系統(tǒng)服務價值[3]，不利于生態(tài)系統(tǒng)的保護與修復[4]，難以適應社會日益增長的生態(tài)產品需求，與區(qū)域社會經濟有相當大的因果關系[5]，成為我國生態(tài)文明建設的瓶頸之一。

黃土高原是維系我國生態(tài)平衡不可缺少的重要生態(tài)屏障[6]。退耕還林還草工程實施以來，陜北黃土高原地區(qū)因地制宜，將不良耕地轉變?yōu)榱值鼗虿莸兀脖桓采w率顯著增加，生態(tài)環(huán)境得到改善，創(chuàng)造了世界生態(tài)建設史上的奇跡[7]，政策的實施對區(qū)域景觀格局帶來了深遠的影響。2011年對陜西省吳起縣182戶家庭的調查結果顯示，平均每戶擁有林地面積僅為2.2 hm2，但是卻分布在13個不同的地塊[8]。這與美國自然保護區(qū)計劃(CRP)規(guī)定的每個林場的面積規(guī)模平均為30.4 hm2形成鮮明對比[9]。正是因為大量家庭所擁有退耕地的面積微小且分散，所以研究區(qū)已經呈現出典型退化景觀的空間破碎化和異質性特征。同時，當前黃土高原地區(qū)景觀情況的研究多數以林地為主，然而退耕還林還草工程的實施共使陜北地區(qū)耕地減少了29.71×104hm2，其中28.82×104hm2耕地轉化為了草地；9.96×104hm2耕地轉化為了林地[10]，草地的生態(tài)效益較林地更大。

通過研究土地利用動態(tài)變化特征，定量分析影響土地利用變化的驅動因子，可為景觀破碎化分析奠定基礎[11]。其中，FLUS模型可用于模擬人類活動與自然影響下的土地利用變化以及預測未來土地利用情景[12]。FLUS模型可以在土地變化模擬過程中，利用輪盤賭算法選擇的自適應慣性競爭機制，有效處理多種土地利用類型在自然作用與人類活動共同影響下發(fā)生相互轉化時的不確定性與復雜性，使其具有較高的模擬精度并且能獲得與現實土地利用分布相似的結果[13]。為精細化模擬陜北黃土高原未來林地與草地的景觀破碎化及時空動態(tài)演變情況，本研究集成FLUS模型與景觀破碎化模型，把林地和草地作為一個整體研究景觀破碎化的時空動態(tài)格局，揭示區(qū)域林地與草地的景觀破碎化動態(tài)演變，為改善脆弱區(qū)域生態(tài)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展提供理論依據。

1 研究區(qū)概況

陜北黃土高原(34°49′-39°35′N，107°10′-111°14′E)，總面積達8.03×104km2，轄內榆林市和延安市的25個縣(區(qū))，占全省面積的39.05%。研究區(qū)地勢西北高、東南低，北部為風沙區(qū)，南部是丘陵溝壑區(qū)，海拔高度500～2 000 m(圖1)，屬于暖溫帶大陸性季風半濕潤氣候向溫帶半干旱氣候的過渡區(qū)，年平均氣溫8～12 ℃；降水多集中在7-9月，年平均降水量350～600 mm；土壤以黃綿土和草原風沙土為主。由于其處于農牧交錯地帶，長期過度毀林開荒等不合理土地利用措施，導致生態(tài)環(huán)境脆弱，成為我國水土流失和風沙災害嚴重的地區(qū)之一。陜西省在1999-2018年20 a累計完成國家下達的退耕還林還草計劃任務269.31×104hm2，其中退耕還林還草124.5×104hm2；荒山造林128.85×104hm2；封山育林15.967×104hm2，陜北黃土高原生態(tài)環(huán)境得到了極大的改善[14]。

2 材料與方法

2.1 數據來源與處理

使用的土地利用數據來源于中國科學院資源環(huán)境數據中心(www.resdc.cn)，包括1980、2000年和2015年3期，空間分辨率為30 m。該數據集的產生是以對應年份遙感影像為數據源，通過人工目視解譯生成。并經過實地驗證，誤差修正后的土地利用以及類型綜合評價精度>94.3%[15]。土地利用類型基于中國土地資源分類系統(tǒng)標準中的一級分類標準[16]，將3期數據分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地6類(圖2)。研究區(qū)矢量邊界數據來源于國家地球系統(tǒng)科學數據共享服務平臺黃土高原科學數據中心(loess.data.ac.cn)。使用的SRTM SLOPE 坡度數據集，下載于地理空間數據云平臺(www.gscloud.cn)，數據分辨率為90 m。

2.2 研究方法

2.2.1 FLUS模型 FLUS模型不僅可以模擬各土地利用類型在自然條件和人類活動影響下的土地利用情景，而且其模擬結果具有較高的顯示精度，可以獲得與現實土地利用分布相似的結果[17]。本研究采取表1的參數值，在2000年土地利用空間分布情況的基礎上模擬了2015年的土地利用情景，對比2015年實際土地利用狀況，模擬結果在10%隨機采樣時Kappa系數0.753 2，總體精度達到0.825 3；20%隨機采樣時的Kappa系數0.752 4，總體精度達到0.824 7。2次不同采樣率的Kappa系數均>0.75。通常當0.75

表1 鄰域權重參數Table 1 Neighborhood weight parameter table

2.2.2 景觀破碎化模型 為了更清楚地分析研究區(qū)林草景觀破碎化時空動態(tài)演變特征，利用ArcGIS空間分析工具中的重分類將土地利用數據重新聚合為森林和非森林2類：林地和草地重新聚合成森林；耕地、水域、建設用地和未利用地重新聚合成非森林。

景觀破碎化模型可以從柵格土地覆蓋圖中量化森林碎片[23]。非森林類型在森林區(qū)出現是造成森林破碎化的原因，該模型將土地利用類型分為4個主要類別：塊、邊緣、穿孔和核心，根據核心區(qū)域進一步分為小核心、中核心和大核心。主要類別基于邊寬度參數定義：小核心補丁面積<101.17 hm2，中等核心補丁的面積在101.17～202.34 hm2，大型核心補丁面積>202.34 hm2?！斑吘壭钡膶挾入S所研究的物種或問題而變化，范圍從25 m到幾百米不等，100 m的邊緣寬度常用于通用分析[24]。

3 結果與分析

3.1 景觀特征和類型轉化

近35 a陜北黃土高原各土地利用類型面積均發(fā)生顯著變化。1980-2000年耕地、草地、林地和建設用地的面積均有不同程度的增加，其中耕地面積的增加主要集中在農灌區(qū)(黃土高原南部)、土石山區(qū)，水域和未利用地面積明顯減少。2000年后耕地面積減少，林草的總體面積明顯增長，水域面積減少幅度較小，趨于穩(wěn)定，建設用地面積增幅巨大，而未利用地減少。

退耕還林還草政策實施之前，耕地有45.355 8×104hm2轉為其他用地類型，轉化率為16.12%，主要流向林地、草地和建設用地(表2)；草地的轉化面積為49.765 9×104hm2，轉化率為15.50%。水域、建設用地和未利用地的轉化更為明顯，轉化率分別為19.87%、23.73%和27.75%，主要轉化為耕地和草地，水域轉化成耕地的面積為0.508 1×104hm2、草地的面積為0.526 8×104hm2，建設用地轉化為耕地和草地的面積分別為0.419×104hm2和0.137 2×104hm2，未利用地轉化成耕地和草地的面積分別為1.141×104hm2和15.084 7×104hm2。此外，各土地利用類型之間也有不同程度的相互轉化。

表2 1980-2000年研究區(qū)土地利用類型轉移矩陣Table 2 The transfer matrix of land use types in the study area from 1980 to 2000 (×104 hm2)

由于國家大面積實施退耕還林政策，2000年和2015年耕地空間變化明顯，分別占35.28%、31.63%(表3)，林地面積呈逐步增加的態(tài)勢，主要是由耕地和草地轉化而來；草地仍處優(yōu)勢地類，占區(qū)域總面積約40.0%以上，同期建設用地呈明顯增長，而未利用地面積逐步減少。建設用地動態(tài)度較大，反映了區(qū)域內城市化進程的加快；發(fā)生轉移的未利用地主要流向草地，其中還有部分轉為耕地和建設用地。

表3 2000-2015年研究區(qū)土地利用類型轉移矩陣Table 3 The transfer matrix of land use types in the study area from 2000 to 2015 (×104 hm2)

3.2 林草消失與恢復面積

表4展示了陜北黃土高原各個時間段的森林損失狀況，1980-2000年，研究區(qū)林草總面積減少量約為面積凈增長量的4.61倍，年增長率為-18.06%，林草消失嚴重；而1999年開始實施退耕還林還草工程后，2000-2015年的林草面積總共增加了8.278 5×104hm2，面積凈增長量約是面積減少量的1.51倍，年增長率為2.25%，林草得到恢復。以上對比說明2000-2015林草呈現恢復態(tài)勢，同時其恢復速度也相對較快。

表4 林草恢復和消失面積Table 4 Forest and grass restoration and disappearance area

3.3 基于FLUS模型土地利用變化的模擬結果與精度驗證

3.3.1 2030年各土地利用類型適應性概率分布特征 基于FLUS模型模擬出2030年陜北黃土高原各土地利用類型的適應性概率分布，再利用ArcMap數據處理平臺將多波段的影像分布圖按所對應的土地利用類型在單一波段下顯示發(fā)現(圖3)，高適應性區(qū)域大多分布在該用地類型原有分布范圍的周邊區(qū)域，并隨著分布的減少其適應性也隨之下降[25]。耕地和草地的高適應性分布區(qū)域在地域上有高度的重合性，主要分布在中部和東西部平坦的地區(qū)；林地的高適應性分布區(qū)域則集中在南部丘陵溝壑區(qū)；水域的高適應性分布區(qū)域則主要在地勢較低的山谷地帶；建設用地的高適應性區(qū)域主要分布在水域兩側，北部的建設用地相對較多且集中，但整體仍呈零星分布；未利用地的適應性分布區(qū)域自西北向東南逐步遞減，在研究區(qū)西北部分布有較大面積的未利用地。

3.3.2 2030年各土地利用類型像元總量 根據2000-2015年土地利用轉移概率，假設相同間隔年間的各用地類型需求為平穩(wěn)增長，利用Markov鏈確定未來像元總量的參數。在上述鄰域權重參數和適應性概率分布的基礎上，通過FLUS模型運行得到自然演化狀態(tài)下2015年和2030年土地利用模擬分布圖(圖4)，統(tǒng)計各用地類型的像元總量見表5。從表5可見，2015年預測像元數與實際像元數相差不大，證明其轉移概率能較準確預測2030年土地利用數量。

表5 2015年及2030年各用地類型圖像像元總量Table 5 The total number of image pixels of each land use type in 2015 and 2030

通過與2015年實際土地利用數據的對比發(fā)現，Markov鏈對2015年各土地類型像元總量的平均預測精度為99.53%，其中建設用地預測誤差最大(-5.66%)，且面積呈明顯增長趨勢，分析發(fā)現該增長主要由以下的因素造成：城市化進程的推進、人工灘涂濕地建設、坑塘水庫開發(fā)等活動一定程度增加了建設用地的面積。

3.4 林草景觀破碎化動態(tài)分析

利用1980、2000年和2015年3期森林—非森林的重分類數據，景觀破碎化模型準確地捕捉1980-2015年景觀破碎化的動態(tài)過程見圖5。分別統(tǒng)計3期的斑塊類型、邊界類型、孔洞類型、小核心類型、中核心類型和大核心類型6個破碎化成分的面積比例，由圖5和圖6可知，研究區(qū)由大核心類型和邊界類型占絕對優(yōu)勢(大核心類型所占比例均超過45%，邊界類型面積約為35%)，其中大核心類型主要分布在西北部和南部，而邊界森林集中分布在中部；中核心類型和小核心類型所占比例相對較少；斑塊類型和孔洞類型所占比例均<2%。1980-2015年核心類型面積所占比例逐年增加，特別是大核心類型面積；而斑塊類型、邊界類型和孔洞類型面積逐漸減少。由圖4可以推測出2030年研究區(qū)核心類型面積將進一步增加，其他景觀類型面積將大幅減小。且隨著斑塊類型、邊界類型和孔洞類型面積的減小，陜北黃土高原景觀異質性降低，空間格局的連通性增強，破碎化程度明顯下降?？傮w表明，研究區(qū)自1999年實施退耕還林還草工程，經過數十年的植被恢復，植被覆蓋率呈明顯增長趨勢，景觀破碎化程度逐年降低，生態(tài)環(huán)境得到明顯改善。

4 結論與討論

4.1 結論

景觀格局的動態(tài)變化與人類活動密切相關[26]。自1999年陜北黃土高原實施退耕還林還草工程以后，在自然因素和社會經濟因素的共同驅動下，耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地6類主要景觀格局均發(fā)生較大的變化。1999年退耕還林還草工程實施之后，林草呈現恢復態(tài)勢，同時其恢復速度也相對較快，林草呈現凈增長，以草地面積增加為主，表明退耕還林還草政策有效地實施并取得了良好的成效。

基于FLUS模型預測，2030年研究區(qū)耕地將明顯減少，建設用地顯著增加，林草面積也有大幅增加，水域和未利用地面積有所減少。從精度驗證的指標觀察可知，Kappa指數與FOM系數數值均表明FLUS模型精度較高，可適用于對陜北黃土高原未來土地利用情景模擬。

景觀空間格局上，陜北黃土高原的景觀破碎化呈現以“大核心類型為主導，邊界類型集中分布”的特點。1980-2015年的35 a間研究區(qū)整個核心類型面積均一直處在增加的趨勢，且大核心類型所占比例逐年增加，破碎化程度也逐漸減緩，區(qū)域生態(tài)環(huán)境得到改善。

4.2 討論

基于FLUS模型與景觀破碎化模型的“交互耦合”模型，明確了陜北黃土高原林草景觀破碎化在空間和時間上的動態(tài)過程，與傳統(tǒng)破碎化分析方法相比更直觀，符合景觀變化包含不同空間過程的觀點[27-29]。本研究采用的空間分辨率為90 m，得出內部類型林草面積占研究區(qū)總面積的比例全都在60%左右，斑塊景觀比例<5%，林草破碎化程度較低，此破碎化程度與孫飛等[30]、李瑤等[31]的研究相比明顯偏小，這可能與本研究的過程中把林地與草地作為一個整體進行分析有關。本研究的結果對改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論意義。在指導實踐中，需要考慮研究區(qū)半干旱的氣候條件下，難以形成大規(guī)模的天然喬木林，人工林由于受到環(huán)境的限制，只適宜在水分條件較好的地方發(fā)展，應按照“因地制宜，宜林則林，宜灌則灌，宜草則草”的原則，實施退耕還林還草工程[32]。