县域土地利用景观格局变化研究——以陇县为例

韩 烨，马俊杰

(西北大学城市与环境学院，陕西 西安 710127)

土地利用/土地覆被变化是全球环境变化的前沿和热点，也是引起区域环境变化的关键要素［1－3］。景观空间格局是大小和形状不一的景观斑块在空间上的排列，是景观异质性的重要表现，又是各种生态过程在不同尺度上作用的结果［4］。土地利用景观格局的形成是一定地域内各种自然因素和社会因素共同作用的结果。因而，分析土地利用景观格局随时间的动态变化过程可以揭示土地利用变化的内在机制和规律，为实现土地资源的合理利用和可持续发展提供理论依据。

本文试图通过对陇县1989年、1999年和2009年三个时期土地景观格局总体变化的对比研究，揭示人类活动对土地利用变化的影响，为该县生态环境与社会、经济的可持续发展，土地资源的可持续利用提供技术支撑。

1 研究区概况

陇县行政隶属于陕西宝鸡市，处关山和渭北高原西部的千山之间，秦岭褶皱北部和鄂尔多斯地台南缘接壤处，属陇山山地和渭北黄土侵蚀地貌。海拔在800.2～2 428m之间，地势西高东低，相对高差1 665.8m。属暖温带大陆性季风气候区，年平均气温10.7℃，年平均降雨量600.1 mm;总体气候特点是光照比较充足，热量垂直差异明显，夏秋两季降水集中。

2 数据源与研究方法

2.1 数据来源及处理

采用2001～2007年陇县统计年鉴，1989年、1999年陇县土地利用数据库数据和陇县第二次土地调查(以下简称“二调”)数据。

由于1989年、1999年土地利用数据库数据及二调数据均为Mapgis处理，根据景观指数计算软件Fragstats3.3对数据格式的要求，将Mapgis中的土地利用现状数据转换到Arcgis中，并由矢量格式转换为Arcgrid格式。考虑到二调数据中图斑最小上图面积，为确保土地利用信息的完整，同时考虑Fragstats软件计算的速度和计算机的性能，确定10×10m的最小栅格单元。

2.2 研究方法

2.2.1 景观类型的划分

计算景观格局指数时要充分考虑到土地利用分类的影响因素，采用的分类体系不同必然导致指数计算的结果不同。参阅相关文献［5－8］，采取在土地利用现状分类标准上，将原来的22个土地类型合并为8大类型，分别为耕地、园地、林地、草地、建设用地(包括城镇工矿用地、交通水利用地和其他建设用地)、农村居民点、水域和未利用地。在此基础上，陇县1989年、1999年和2009年的土地利用景观格局如图2所示。

图1 陇县在陕西省的位置示意图

2.2.2 景观指数的选择

景观格局指数可以比较准确地反映土地利用方式变化的空间量化状态、景观结构组成以及空间配置特征［9－10］。景观格局指数计算采用由美国俄勒冈州立大学森林科学系Dr.Kevin McGarigal和 BarbaraMarks开发的 Fargstats3.3软件。为研究和评价人类开发活动对陇县土地利用造成的影响，突出研究区景观的动态变化，用SPSS软件在类型水平和景观水平上分别对众多景观指数进行相关分析和主成分分析，以选出最具代表性的指标表征陇县土地利用的景观格局。

图2 1989年、1999年和2009年陇县土地利用景观格局

3 结果与分析

3.1 土地利用景观现状及变化

3.1.1 土地利用景观现状

陇县2009年土地利用景观如图2所示，主要的景观类型为林地和耕地，林地为景观基质，主要分布在西部关山土石山区和北部千山黄土梁原沟壑区;耕地主要分布于地形平坦，土壤肥沃的千河谷地区，在千山黄土梁原沟壑区土壤、地形条件较好的区域也有适当分布;草地主要分布在西部的关山和北部千山山区;园地主要为苹果园、杏园、桃园、梨园、桑园等，主要分布于千河谷地区;建设用地和农村居民点主要分布于千河周边和地形较平坦的区域;水域为千河及其支流、水库;未利用地主要分布在北部和西南部山区。

3.1.2 土地利用景观类型面积变化

根据陇县1989年、1999年和2009年土地利用景观类型分类结果对斑块面积、所占比例及变化情况进行统计，见表1。

表1 陇县土地利用景观类型年际面积变化

由表1可知，在面积增加的土地利用景观类型中，主要为建设用地和林地，以林地增加得最为明显，20年间林地增长了35 411.73 hm2，所占的比例由 48.46% 增长至 64.26%;建设用地增长了1 238.88hm2，所占比例由0.06%增长至0.60%。土地利用类型面积减少较为明显的为草地、未利用地和耕地，草地所占比例由 9.49%减少至 6.62%，减少了6 644.88 hm2，未利用地所占比例由8.85%减少至0.57%，耕地所占比例由30.25%减少到25.11%，这与陇县1997年 ～2005年的退耕还林产业结构调整有关，减少耕地12 051.53 hm2，使土地生态条件得到改善;此外，水域、农村居民点面积也有一定程度减少。

3.2 景观指数的选择

利用Fragstats软件对陇县1989年、1999年和2009年土地利用现状图进行景观格局分析，共选取19个类型水平和22个景观水平的景观格局指数。首先利用spss软件对类型水平景观指数进行相关性分析，得到19个类型水平指数的相关系数，在此基础上采用主成分分析对数据降维以排除信息中的重叠部分，可用少数几个变量表征原来变量的数据结构特征而不丢失信息。通过将19个景观格局指数降维，得到由5个指数构成的陇县景观类型指数体系，即斑块所占景观面积的比例、景观平均形状指数、斑块密度、散布与并列指标和聚合度指标。同理，采用spss软件对22个景观水平指数进行相关分析和主成分分析，得到边界密度、蔓延度、景观多样性、香农均匀度、面积加权的平均形状指数和面积加权的平均斑块分维度作为景观格局指数体系。

3.3 景观类型水平异质性分析

进行土地利用景观类型水平分析能反映出陇县各类景观类型的结构特征，揭示其变化趋势，根据景观指数相关分析和主成分分析的结果，选择斑块所占景观面积的比例、景观平均形状指数、斑块密度、散布与并列指标和聚合度指标5个指标表征景观类型水平。

3.3.1 斑块所占景观面积的比例

斑块所占景观面积的比例表征某一拼块类型的总面积占整个景观面积的百分比，可以反映优势景观因素。由上图可以看出，1989～2009年陇县的景观基质为林地，林地约占景观面积的一半，并呈逐渐增加趋势，这与陇县推行封山育林、退耕还林、人工造林工程有密切关系，到2009年林地所占比例达到64.26%。耕地所占比例为30.25% ～25.11%，面积略有减少，基本保持稳定。同时草地由48.46%减少至6.62%，未利用地由8.85%减少至0.57%，这与土地后备资源整理工程有一定关系。

图3 不同景观类型所占景观面积的比例

3.3.2 斑块密度

图4 不同景观类型的斑块密度

斑块密度指单位面积上的斑块个数。由图4可以看出不同景观类型的斑块密度变化最明显的是未利用地，由1.70减少到0.36，这与土地后备资源整理有关，对有利用价值的未利用地进行了开发和整理，使其斑块密度有所下降;其次是林地斑块密度有所增加，这与林地面积的增加有一定关系;耕地的斑块密度由2.32下降到1.59，这与耕地面积的减少和斑块的平均面积增大有关;园地斑块密度先增后减，也与园地面积和斑块平均面积的变化有关。总之，说明近20年来人类对这4种景观的影响最为显著，这4种景观的变化对人类具有较高的依赖性。

3.3.3 斑块平均形状指数

斑块形状指数是通过计算某一斑块形状与相同面积的正方形之间的偏离程度来测量其形状复杂程度的，斑块平均形状指数是对某一景观类型进行平均之后的结果。当斑块形状为正方形时值最小，为1，若斑块的形状越复杂或越扁长，值就越大。由表2知，①水域形状最复杂:陇县水域有河流、水库、沟渠等，其形状多种多样，这种状况导致了水域平均形状指数最大，形状最复杂。水域的形状指数下降说明人类沿河而居、傍河繁衍对土地的需求逐渐让景观边缘平滑化，同时由于桥梁的隔断、河堤的连筑打断了景观的连通度，也使景观更为规则。②农村居民点的形状指数较低且保持稳定，农村居民点一般选择在地势较为平坦的地区，且形状为矩形或正方形，较为规则，除土地整理或新农村建设需要，一般不做大规模变动。③耕地、林地的形状指数高且稳定，陇县西部山岭重叠、沟壑长深、水源充足，主要为大面积连片的林地，故形状指数高，耕地主要在地形平坦、灌溉条件好的千河谷地区，不轻易变动，因而耕地形状指数高且稳定。④草地、未利用地的形状指数下降，是由于原先的不规则的荒草地多被植树造林，人工绿化草地形状规则，人类有计划的利用未利用地使得其形状趋于规则。

表2 不同景观类型的斑块平均形状指数和聚合度指数

3.3.4 散布与并列指标

图5 不同景观类型的散布与并列指标

散布与并列指标可以表示各个斑块类型间的总体散布与并列状况，是描述景观空间格局的重要指标之一。散布与并列指标值小时表明斑块类型仅与少数几种其它类型相邻接，值大时表明各斑块间比邻的边长是均等的，即各斑块间的比邻概率是均等的。由图7可知，1989年到2009年，耕地、园地、林地、草地景观指数减小，表明这几种景观类型与其它类别斑块相邻程度降低，建设用地、农村居民点、水域、未利用地景观指数增大，表明这几种景观类型与其它类别斑块相邻程度升高。

3.3.5 聚合度

聚合度指数用来描述景观中某一类型斑块的聚合程度。由表2可知:①林地具有最大的聚合度且呈上升趋势，由于陇县的林地主要分布西部山区，面积逐渐增大，总体趋于稳定。②水域、未利用地的聚合度略有下降，说明在人类活动影响下，这2种地类趋于分散、破碎。③建设用地、园地的聚合度上升，表示这2种地类具有较强的人为规划性，而且经常成片出现。

3.4 景观水平异质性分析

景观水平指数可以定量反映区域总体景观空间格局及变化特征，通过Fragstas3.3软件计算出陇县景观水平指数如表4所示。

边界密度指单位面积内景观边界的长度，可以用来度量景观破碎化的程度。从表可见，1989～1999年，边界密度较为稳定，略有上升，1999～2009年，边界密度呈下降趋势，反映了该景观区域向保存完好连通性的方向发展，说明景观破碎化程度减缓。

面积加权的平均形状指数是度量景观空间格局复杂性的重要指标之一，值越大说明景观斑块形状越复杂，越不规则。1989～1999年，面积加权的平均形状指数有所降低，说明斑块形状逐渐规整，1999～2009年，景观指数又升高，说明斑块形状略有复杂，人类活动对景观格局的影响有所增加。

表4 1989、1999、2009年陇县景观水平指数变化

面积加权的平均斑块分维度常用来测定景观中斑块形状的复杂程度，在一定程度上也反映了自然因素和人类活动对景观格局的影响。其值越小，斑块形状越简单，相反，斑块形状越复杂。从1989～2009年，陇县面积加权的平均斑块分维度比较稳定，保持在1.3左右，说明20年间，陇县景观中斑块形状的复杂程度并未发生大幅度的变化，人类活动对景观格局的影响保持在一定范围内。

蔓延度指数反映景观中不同斑块类型的团聚程度或延展趋势。不同类型斑块中相互邻接的单个栅格分布越不均匀，值越接近100;当所有类型的斑块均匀地相互邻接时，值为0。陇县的蔓延度指数从1989年的64.92增加至2009年的72.97，反映了景观中的优势斑块类型形成了良好的连接性，景观斑块的破碎化程度有所降低。

景观多样性指数能反映景观异质性，是用来度量系统结构组成复杂程度的指数，与景观类型斑块数量及其所占比例成正相关，是景观过程影响景观生态系统的稳定性及其生产性的重要指标。陇县的景观多样性指数从1989年的1.28降低到2009年的1.00，反映了景观的破碎化程度降低，但是斑块类型在景观中呈非均衡分布，景观的多样性降低，这与林地剧烈增加和草地、未利用地大量减少存在一定关系。

香农均匀度反映了景观中各斑块在面积上分布的不均匀程度。值为0，表明景观仅由一种拼块组成，无多样性;值为1，表明各拼块类型均匀分布，有最大多样性。1989年香农均匀度为0.62，2009年降低为0.48，说明1989～1999年各斑块类型在景观中均匀分布，到2009年景观的优势度较高，景观受到林地优势斑块类型的支配。

4 结语

陇县主要景观斑块类型为林地、耕地和草地，景观基质为林地，林地和建设用地保持稳定而迅速的增长，草地和未利用地呈现逐渐减少趋势。

类型水平的格局指数显示，1989～2009年陇县的景观基质为林地，并呈逐渐增加趋势，水域、未利用和林地斑块的形状随着人类活动的影响加深而变得越来越破碎，而建设用地、农村居民点和草地由于人类规划的作用，使得其斑块形状趋于规则，人类活动使水域、未利用地更为分散、破碎，建设用地、园地更为集中。

景观水平的格局指数显示，1989～2009年，景观多样性降低，破碎化程度减缓，优势度较高，林地作为优势斑块类型形成了良好的连接性，斑块形状的复杂程度并未发生大幅度的变化，人类活动对景观格局的影响保持在一定范围内。

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