关中－天水经济区土地利用／覆被变化与景观格局

冯雪铭，李 晶，张东海，刘焱序，陈 欢

（陕西师范大学 旅游与环境学院，陕西 西安710062）

景观格局分析是景观生态学的研究任务之一，它定量研究斑块在景观中的分布规律。如何定量分析景观格局是景观生态学一个重要而且具有挑战的研究课题，是生态学家研究最多的课题之一［1］。土地利用／覆被变化（land use and land cover chang，LUCC）是全球环境变化的主要原因和组成部分之一［2］。LUCC客观地记录了人类改变地表特征的空间格局，再现了地表景观的时空动态变化过程［3］。在全球背景下研究土地利用／覆被变化过程和景观格局响应上，LUCC和景观生态学研究的理论、方法的运用显得尤为迫切［4］。

景观格局的变化研究通常通过各种格局指数的设计和分析来实现。在这类研究中，地理信息系统、遥感、数学模型和计算机技术被广泛应用，并且大量的景观格局指数计算软件也不断涌现，尤其是Fragstats软件极大地推动了景观格局研究在国际上的发展［5］。Lutz Tischendorf［6］进行了用景观指数预测生态过程的研究，认为格局指数，特别是缀块类型水平指数能很好地解释特定类型缀块在异质景观中的扩散过程。国内现有的景观格局动态变化研究大多采用遥感、GIS技术结合景观生态学原理，揭示景观格局动态规律［7－9］。丁圣彦等［10］在遥感技术的支持下，结合河南沿黄湿地的区域特点，系统地分析了近20a河南沿黄湿地景观空间格局变化。赵锐锋等［4］基于GIS和遥感技术，结合景观格局数量分析方法，分析了新疆塔里木河干流区土地利用／覆被变化过程。

关中—天水经济区（简称“关天经济区”）作为继环北部湾经济区和成渝经济区后西部的第3个重点发展经济区，政治、经济和文化得到快速发展，其景观格局的变化对区域生态环境会产生重大影响。

本文利用1980年和2005年2个时相的卫星遥感数据，进行图像解译，并定量分析了土地利用变化过程和景观格局，探讨了近25a关天地区土地利用景观格局变化，为土地资源可持续利用和经济社会可持续发展的顺利实施提供决策基础。本研究对于保护和改善区域生态环境、深化人地关系研究具有十分重要的意义。

1 区域概况

关中—天水经济区在行政单元上分为关中地区、陕南商洛部分区县和甘肃省天水市，地理坐标为104°34′47″—110°48′38″E，35°51′17″—33°21′38″N，总面积约8．01×104km2。关中包括西安、铜川、宝鸡、咸阳、渭南5个省辖地级市和杨凌农业高新技术产业示范区；陕南商洛地区，位于陕西省东南部，秦岭南麓，与鄂豫两省交界，包含在关天经济区范围内的有商州、洛南、丹凤、柞水1区3县；天水位于甘肃东南部，辖武山、甘谷、秦安、清水、张家川回族自治县5县和秦州、麦积2区。关天经济区属于内陆地区，降水量偏少，属暖温带半湿润、半干旱气候。土地利用类型以耕地为主，主要分布在关中盆地；其次为草地，主要分布在北山、子午岭和台塬边缘—陡坡地带。林地比例接近于草地，主要分布在关山—秦岭山地以及子午岭。

2 数据来源及分析方法

2．1 数据来源及其处理

本文主要基础数据包括关天经济区1980年和2005年的美国陆地卫星4—9月TM影像、数字高程数据，分辨率均为30m，用 ArcGIS 9．3，Excel以及景观格局分析软件Fragstats作为数据处理分析平台，参照关天土地利用图，在ERDAS环境下，将遥感影像进行拼接、辐射校正、裁剪和监督分类，参考王思远等［11］的研究成果建立了6大类土地利用景观类型，分为耕地、林地、草地、水体、建筑用地和未利用地，如附图3所示。应用ArcGIS 9．3，将2期土地利用矢量数据分别转换成栅格数据（格网单位为90m）以便用Fragstats软件计算景观指数。

2．2 分析方法

2．2．1 土地利用／覆被动态过程分析 运用ArcGIS 9．3对1980和2005年土地利用图进行统计和叠加分析，得到1980—2005年的土地利用类型转移矩阵，并采用土地利用变化率和土地利用空间动态度［12］等模型和土地利用／覆被转移矩阵分析关天经济区土地利用的变化过程。具体模型如下：

式中：Ks——i 类土地利用类型的变化率；Ua，Ub——研究初期及研究末期i类土地利用类型的面积（hm2）；Kss——i类土地利用类型空间变化动态度；Ui＋——研究期内其他地类变为i类土地利用类型的总量（hm2）；Ui－——研究期内i类土地利用类型变为其他地类的总量（hm2）；i——土地利用类型；T——研究时段。土地利用变化率只在时间上反映出土地利用／覆被的变化过程，而土地利用空间动态度则从空间上反映出了土地利用／覆被的变化过程。2．2．2 景观格局分析 应用景观格局分析软件Fragstats计算景观指数，并对关天经济区的土地利用景观空间格局特征进行分析。在景观生态学中，定量化研究最常用，如利用景观指数描述景观格局及其变化，建立格局与景观过程之间的联系等［13－14］。景观格局的空间异质性来维系景观稳定性，景观的稳定性越高，景观抵抗外界干扰的能力越强，越有利于维持一个平衡的景观格局［15］。反映景观异质性可以分别从景观级别和景观类型级别指标来衡量。本文在景观级别上选取了蔓延度（CONTAG）、香农均匀度指数（SHEI）、香农多样性指数（SHDI）、优势度指数（D）；在景观类型级别上选取了景观类型面积（CA）、景观类型所占景观面积的比（PLAND）、斑块个数（NP）、最大斑块指数（LPI）、边缘密度（ED）、形状指数（LSI）、破碎度（F）、平均分维数（FRAC－MN）。景观格局指数的计算公式及意义见参考文献［13，16－17］。

3 结果与分析

3．1 关天经济区土地利用／覆被变化分析

由表1可见，关天经济区的景观类型主要是耕地，关天经济区地处平原，土壤肥沃，有利于发展农业。1980年和2005年耕地面积分别占总面积的45%和44．19%，是各景观类型中面积比例最大的，属于关天经济区的优势景观类型；其次是草地和林地，草地景观所占的比例分别为29．26%和29．29%，林地景观占总面积的比例分别是23．14%和23．28%；其他景观类型比例都相对较少，都不到5%。

25a中建设用地和未利用地变化较为明显，其变化率分别为1．96%和－1．17%，土地利用空间动态度分别为0．79%和0．75%，较其他景观类型都是最大的；水体次之，变化率和土地利用空间动态度也较大；林地和草地在数量上没有太大的变化，其变化率和土地利用空间动态度都较小；耕地呈减少趋势，减少了68 250．38hm2，其变化率和土地利用空间动态度居中，其与建设用地变化趋势相反，在一定程度也表现出它们之间的相互转换关系。关天地区建设用地快速增长主要表现在西安市的建筑用地的扩建。整体来看，近25a关天经济地区的景观类型特征发生了显著变化，建设用地显著增长，但耕地仍然是主要的景观类型。

由表2可见，1980—2005年耕地面积减少，大量的耕地转变为林地、草地、建筑用地，少量转为水域，其中转为建筑用地的最多，为49 186．08hm2，占总转出的55．4%，这是由于近年来城中村的扩建导致。同时，其他用地类型也有少量转化为耕地，其中，草地开垦为耕地的较多，主要分布在渭北的坡地，秦岭沟谷，陕南秦岭南麓，黄土旱塬的边缘，转化量为15 804．9hm2，占总转入量的65．7%，但小于耕地向其转化的量。林地转化为草地的量最多，为4 817．34hm2，占其转出量的51%。除未利用地外，也有少量水域向其他类型转化，其中，转为耕地的较多。建筑用地属于转入型，除水域和未利用地外，其他用地类型均大量向其转化，而其转出量几乎为0。未利用地转化为林地的较多，为3 677．4hm2，除建筑用地外向其他类型均有少量的转化。

表1 关天经济区1980－2005年各土地利用类型变化

表2 关天经济区1980－2005年土地利用类型转换矩阵 hm2

3．2 关天经济区景观空间格局指数变化特征

表3—4分别反映了景观级别和景观类型的指数变化。由表3可见，1980—2005年关天经济区土地利用景观的蔓延度（CONTAG）、优势度（D）指数呈减少趋势，香农多样性指数（SHDI）、香农均匀度指数（SHEI）呈增加的趋势。整体研究时段内多样性指数增加、优势度指数减少，反映出该区域内景观类型之间复杂性增加，差异性增大，景观结构向均衡化趋势发展。而均匀度指数增加，蔓延度指数则减少，反映了该区域内各斑块类型之间的均匀性增加，大斑块减少，稳定性增强。

表3 1980，2005年关天经济区土地利用景观指数变化

由表4可见，1980年和2005年，耕地景观2a的最大斑块指数都是最大，且大于1，表明耕地是关天经济区的优势景观类型，且连通性较好，抗干扰能力较强；2a间最大斑块指数与斑块数、破碎度，平均分维数均略呈减少趋势，说明人为干扰强度有所增加，但是由于人为对其进行整合，使其破碎度减少；边缘密度增大0．11，形状指数增加2．98，说明其在人为干扰下，景观形状趋于复杂。林地景观的比例、斑块数、边缘密度、形状指数、破碎度均呈增加趋势，最大斑块指数和分维数均略微减少，这些趋势表明其大斑块呈减少趋势，景观形状更加复杂，更加破碎，能与其他景观更好的连接。草地景观的斑块数、边缘密度、形状指数、破碎度、分维数与其他景观类型相比均是最高的，并且除分维数外均呈降低趋势；分维数略微增大。表明草地景观的团聚斑块在减少，形状趋于简单，稳定性增加，分布更分散，但是较其他景观类型复杂，转移较其他类型频繁。水域景观的斑块数、形状指数、破碎度、分维数均呈略微减少趋势，其中分维数较其他景观类型最为接近1；破碎度较其他景观类型最小，说明水域景观的形状更为简单，相互连接性较其他类型好，而且有变好的趋势，人对其影响增加；比例增加反映了水域面积的扩张趋势。建筑用地景观的斑块数、最大斑块指数、边缘密度、形状指数、破碎度较其他景观类型均有较大程度的增加，表明建筑用地景观边界被割裂的程度较高，形状更加复杂；破碎度的增加表明对其的干扰增加，使其分布更集中；分维数略微降低，除水域外，比其他景观类型低，表明其稳定性较高，很少向其他类型转移。未利用地景观所占比例最小、斑块数最少、最大斑块指数、边缘密度、形状指数、破碎度均最低；平均分维数最大，且呈减少趋势，表明人类活动对其影响较大，斑块更分散，不稳定性增强。

表4 1980，2005年关天经济区不同景观类型的景观指数变化

4 结 论

（1）1980—2005年耕地和未利用地面积减少，林地、草地、水体和建筑用地面积增加，其中建设用地增长强度最大，空间动态度达0．791 4。耕地，草地，建筑用地之间的转化较多。大量的耕地转变为林地、草地、建筑用地，少量转为水域，其中转为建筑用地的最多。

（2）1980—2005年关天经济区土地利用景观多样性、均匀度指数增加，优势度、蔓延度指数减少，反映出该区域内各斑块类型之间更加均匀、稳定。景观类型之间更加复杂，景观结构向均衡化趋势发展。

（3）1980年和2005年，耕地均是关天经济区的优势景观类型。建筑用地变化最为明显，斑块数、最大斑块指数、边缘密度、形状指数、破碎度较其他景观类型均有较大程度的增加，表明人为对其的干扰增加，景观边界被割裂的程度较高，形状更加复杂，分布更集中，稳定性较高，很少向其他类型和转移。

［1］ 黄广生，吴方．基于GIS的陕北景观结构［J］．地球科学与环境学报，2006，28（3）：107．

［2］ 于兴修．中国土地利用／覆被变化研究的现状与问题［J］．地理科学进展，2002，21（1）：51－57．

［3］ 任志远，李晶，王晓峰．城郊土地利用变化与区域生态安全动态［M］．北京：科学出版社，2006：10－11．

［4］ 赵锐锋，陈亚宁．新疆塔里木河干流区土地利用／覆被变化过程［J］．地理学报，2009，64（1）：95－106．

［5］ 胡巍巍，王根绪，邓伟．景观格局与生态过程相互关系研究进展［J］．地理科学进展，2008，27（1）：19－24．

［6］ Lutz T．Can landscape indices predict ecological processes consistently［J］．Landscape Ecology，2001，16（3）：235－254．

［7］ 吕辉红，王文杰，谢炳庚．晋陕蒙接壤区典型生态过渡带景观变化遥感研究［J］．环境科学研究，2001，14（6）：50－53．

［8］ 孔宁宁，曾辉，李书娟．四川省卧龙自然保护区景观人为影响的空间分布特征研究［J］．北京大学学报：自然科学版，2002，38（3）：393－399．

［9］ Rapport D J，Gaude T C，Karr J R，et al．Evaluating landscape health：Integrating societal goals and biophysical process［J］．Journal of Environmental Management，1998，53（1）：1－15．

［10］ 丁圣彦，梁国付．近20年河南沿黄湿地景观空间格局变化［J］．地理学报，2004，59（5）：653－661．

［11］ 王思远，刘纪远．中国土地利用时空特征分析［J］．地理学报，2001，56（6）：631－639．

［12］ 藏淑英，冯仲科．资源型城市土地利用／土地覆被变化与景观动态：大庆市案例分析［M］．北京：科学出版社，2008：41－43．

［13］ 周连义，江南，吕恒，等．长江南京段湿地景观格局变化特征［J］．资源科学，2006，28（5）：24－29．

［14］ 王景伟，王海泽．景观指数在景观格局描述中的应用［J］．水土保持研究，2006，13（2）：230－233．

［15］ 郭丽英，王道龙，邱建军．环渤海区域土地利用景观格局变化分析［J］．资源科学，2009，31（12）：2144－2149．

［16］ 孙贵艳，王传胜，肖磊．近20年来北京延庆县土地利用及景观格局变化研究［J］．安徽农业科学，2011，39（5）：3024－3027．

［17］ 李加林，赵寒冰．辽河三角洲湿地景观空间格局变化分析［J］．城市环境与城市生态．2006，19（2）：5－7．