湟水流域近10年土地利用与景观格局演变分析

山中雪，赵 霞，曹广超

(1.青海省自然地理与环境过程重点实验室，青海 西宁 810008；2.青海师范大学 生命与地理科学学院，青海 西宁 810008)

湟水流域近10年土地利用与景观格局演变分析

山中雪1,2，赵 霞1,2，曹广超1,2

(1.青海省自然地理与环境过程重点实验室，青海 西宁 810008；2.青海师范大学 生命与地理科学学院，青海 西宁 810008)

景观格局指数；土地利用变化；土地转移矩阵；湟水流域

以青海省湟水流域为研究区，采用中分辨率TM影像和HJ-1卫星CCD数据，利用2000、2005、2010年3个时相的土地利用遥感解译数据，计算了森林、草地、水域、农田、城镇用地和未利用地6个一级分类的土地利用类型转移矩阵，提取了景观格局指数，在此基础上分析了土地利用变化与景观格局的演变特征。结果表明，湟水流域土地利用变化最明显的是农田、城镇用地和草地，其中农田呈持续减少态势，城镇用地和草地呈增加态势；从土地转移矩阵来看，城市扩张带来的建设用地增加是造成流域农田减少的主要原因，而草地的增加主要受益于退耕还林还草和流域生态建设等政策的实施。从景观斑块类型的变化来看，变化最大的是农田和城镇，10年期间，农田在面积减少的同时景观分离度增加，城镇用地在面积增加的同时景观聚集度增加，这说明城镇用地在由中心向外扩张的过程中，空间分布较紧凑且连接性较好；与此同时，草地的斑块个数、斑块密度呈明显减小趋势，而农田与城镇用地的斑块个数、斑块密度总体呈增加趋势，这说明人类活动的不断扩张导致了湟水流域景观破碎度增加。从景观整体水平来看，景观水平指数中边缘密度、形状指数、香农多样性指数、香农平均度指数均呈增加趋势，这说明湟水流域景观结构异质性呈增加趋势。

土地利用是人类改造自然的主要方式，因其对环境和生态的作用而在全球环境变化研究领域受到高度重视。在人为活动占优势的景观内，不同土地利用方式产生的生态影响具有区域性和累积性的特征，并且可以直观地反映在生态系统的结构和组成上[1]。景观格局研究是景观生态学研究景观空间格局、过程及其与人类社会之间相互作用的核心领域，以景观几何特征为基础的景观格局指数可以有效地反映这一过程，特别是基于土地利用/覆被变化(LUCC)的景观格局指数，在生态过程与空间格局的相互关联上建立了链接并使之可度量[2]。流域是一个完整的地理单元，流域内的景观格局是自然和人类活动叠加作用的结果，以流域为尺度分析流域内景观格局的动态变化，是进行流域综合治理和合理调控景观格局的有效手段[3]。湟水流域是青海省人口最集中的区域，也是社会经济发展的核心区域，以2010年为例，全省近60%的人口、52%的耕地和70%以上的工矿企业分布于此，因此分析湟水流域的LUCC和景观格局，对于定量了解土地利用与景观格局之间的关系、合理制定流域生态保护和土地调控政策具有重要意义。基于以上认识，我们利用遥感解译数据，对2000—2010年间的土地利用类型变化和景观格局指数进行了分析，探讨了造成这种变化的主要原因和驱动力。

1 研究区域概况

1.1 地理位置

湟水是黄河上游最大的一级支流，位于36°02′—37°28′N、100°42′—103°01′E之间，发源于青海省海晏县达坂山南坡，自西向东流经青海省的海晏、西宁、平安、民和等县(市)和甘肃省兰州市红古区、永靖县，于永靖县上车村注入黄河，干流全长374 km，青海境内干流长335.4 km，流域总面积16 224.36 km2，约占青海省总面积的2.3%，包括海北藏族自治州的海晏县，西宁市4区和所辖的湟源、湟中、大通3县，海东行署所辖的平安、互助、乐都、民和、化隆5县。

1.2 气候概况

湟水流域属高原干旱半干旱大陆性气候，高寒、干旱，日照时间长，太阳辐射强，昼夜、冬夏温差大，气候地理分布差异大，垂直变化明显。年均降水量约500 mm，70%的降水量集中在6—9月，年平均气温7.9 ℃。

1.3 社会经济概况

2010年，湟水流域总人口320万人，约占全省总人口的56.7%；其中城镇人口42万人，约占全省城镇人口总数的53.2%；平均城市化水平约42%，比全省平均水平(45%)低3百分点。

据统计资料，2010年，湟水流域国民生产总值8 854 635万元，占全省的58.2%。其中：第一产业增加值544 642万元，占全省的40.4%；第二产业增加值4 858 215万元，占全省的65%，第二产业中工业产值约占67%；第三产业增加值3 451 778万元，占全省的73%。与全省10 ∶55 ∶35的产业结构(三次产业的产值比)相比，湟水流域的产业结构(7 ∶54 ∶39)中第一产业份额相对较低、第三产业份额相对较高，显示出这一区域在全省国民经济中服务业和工业高度集中的特点。

2 研究方法与技术

2.1 数据来源

此次研究采用中分辨率遥感卫星数据(2000和2005年以Landsat TM/ETM数据为主，2010年以HJ-1卫星CCD数据为主)的解译成果，包括2000、2005、2010年3个时相的土地利用分类数据和青海省县级行政区划矢量图，相关社会经济数据来源于当年的《青海省统计年鉴》。

2.2 数据处理

通过地理信息系统软件ArcGIS 10.0，利用研究区范围对2000、2005、2010年3期遥感解译青海省土地利用一级分类矢量数据，并对青海省县级行政区划矢量图进行裁剪，得到湟水流域2000、2005、2010年土地利用景观分类图，一级分类6个，即森林、草地、水域、农田、城镇用地和未利用地。

选取合理的景观指数是比较全面地描述景观格局的关键，此次研究依据研究目的和研究区特征选取了以下景观格局指数[4]：斑块类型面积、斑块个数、最大斑块指数、斑块密度、边缘密度、景观形状指数、平均形状指数、平均分维指数、平均周长面积比、平均邻近指数、斑块分维数、蔓延度指数、斑块凝聚度、景观分离度、香农多样性指数、香农均匀度指数。使用景观统计软件Fragstatis 3.3计算了上述景观格局指数。

2.3 分析方法

首先，通过3期土地利用数据计算出不同类型间的土地转移矩阵，分析转移矩阵的数量和方向，得出不同土地利用类型之间的变化规律及其原因；其次，以景观斑块类型为单元，分析居优势地位的斑块类型及其在2000—2010年的变化趋势；最后，以景观格局为单元，分析2000—2010年间流域整体的景观水平指数变化动态。

3 结果与分析

3.1 土地利用变化

根据湟水流域2000、2005和2010年的土地利用状况(表1)，可以看出：流域内草地面积分布最广；其次是农田，约占流域面积的30%左右；再次是森林；未利用地、城镇用地和水域仅占研究区不到15%的面积。这与本区域的环境本底和人类活动有关，湟水流域的自然环境致使草地面积辽阔，而作为青海省最重要的种植业区域则使其农田面积仅次于草地面积。

表1 湟水流域2000、2005、2010年的土地利用状况

通过2000—2010年土地利用类型转移矩阵表(表2)，可以看出：流域中面积变化最大的是农田，呈减少趋势， 2010年农田占流域面积的比例比2000年减少了4.1百分点，减少面积达到664.46 km2，其中583.92 km2是退耕还林还草的面积；草地面积占流域面积的比例变化仅次于农田，增加面积最多，2010年比2000年增加了577.13 km2；增加面积次多的是城镇用地，增加了74.98 km2，再次是水域，增加了7 km2； 森林的面积先增后减(2005年比2000年增加了4.12 km2，2010年比2005年减少了0.17 km2)，总体上呈增加趋势(2010年比2000年增加了3.95 km2)；未利用地的变化较为复杂，但总体面积未发生较大的变化(2010年比2000年增加了1.4 km2)。从时间特征上看，各类用地之间的转换主要发生在前期(2000—2005年)，后期(2006—2010年)转换规模较小。

表2 湟水流域2000—2010年期间的土地转移矩阵

3.2 景观斑块尺度的类型变化

从景观斑块类型尺度来看(表3)，2000—2010年期间，斑块类型面积最大的是草地，并呈现增长趋势，2010年增长到713 048 hm2，由此可以判断居优势地位的斑块类型为草地。根据Forman和Godron[5]的景观斑块体-基质-廊道模式与基质判别标准，草地为湟水流域的景观基质。

通过对斑块个数的统计可知，各景观类型按斑块个数排序为：草地>未利用地>森林>城镇用地>农田>水域。其中：水域和未利用地的斑块个数在前5年增加，后5年不变；草地的斑块个数逐年递减；农田的斑块个数逐年增加；城镇用地和森林的斑块个数则为先增加后减少。

表3 湟水流域2000—2010年的景观结构指数变化

斑块个数经常被用来描述整个景观的异质性，其值的大小与景观的破碎度也有很好的正相关性。最大斑块指数的变化可以改变干扰的强度和频率，反映人类活动的方向和强弱。通过表3可以得知，城镇用地的最大斑块指数稳增不减，但斑块个数却先增后减；而农田最大斑块指数逐年递减，斑块个数却逐年增长。因此，可以结合斑块个数及最大斑块指数判断，在人类活动的影响下，景观的破碎化程度加剧。

从景观类型特征来看(表4)，湟水流域的生态系统中，变化较大的是农田和城镇用地，其次是草地和水域，变化较小的是未利用地和森林。就农田和城镇用地而言，2000—2010年期间变化较大的景观指数为景观分离度(农田增加了100.58%、城镇用地减少了66.05%)、最大斑块指数(农田减少了31.22%、城镇用地增加了78.42%)和斑块类型面积、斑块所占景观面积的比例(均为农田减少了12.82%、城镇用地增加了22.47%)。上述指标的变化说明，2000—2010年，农田在面积减少的同时景观分离度增加(即破碎化趋势明显)，而城镇用地则在面积增加的同时景观分离度减少。草地和水域的景观指数变化较大的为景观分离度(草地减少了16.19%、水域减少了8.23%)、斑块个数(草地减少了10.25%、水域增加了2.99%)、斑块密度(草地减少了10.33%、水域增加了2.41%)和斑块类型面积、斑块所占景观面积的比例(均为草地增加了8.85%、水域增加了6.25%)，这说明草地和水域都是在面积增加的同时景观分离度下降。未利用地和森林的变化极小，在此不再赘述。

表4 湟水流域2000—2010年的景观类型指数变化

3.3 景观整体水平的指数动态

从景观总体特征来看，湟水流域生态系统景观水平指数变化不是十分显著(表5)，在分析的15个指标中，2000—2010年只有2个指标(最大斑块指数和景观分离度)的变化率超过了19%(前者减少了19.455%、后者增加了27.768%)，表明流域一级生态系统类型的最大斑块面积有明显下降、生态系统类型之间的分离度有明显增加；在剩余的13个指标中，有5个指标呈明显的增加趋势，即平均邻近指数、边缘密度、景观形状指数、香农多样性指数和香农平均度指数(增加率分别为2.213%、0.522%、0.497%、0.140%和0.132%)；有2个指标呈微弱的增加趋势，即平均形状指数和平均分维指数(分别增加了0.055%和0.020%)；剩余的6个指标(斑块个数、斑块密度、平均周长面积比、斑块分维数、蔓延度指数、斑块凝聚度)均呈明显的减小趋势。

表5 湟水流域2000—2010年的景观水平指数变化

注：表中变化率是根据未四舍五入的原始数据计算的。

4 结论与讨论

(1)通过3期土地利用类型的转移矩阵所反映的10年内土地利用类型变化规律及原因大致分为以下3点：①农田面积大范围减少，主要由人为的绿地扩张及城市化建设所代替。②从转换类型上看，城镇建设用地在前期(2000—2005年)增加的面积主要由2种地类(即农田和草地)转变而来，而到后期(2005—2010年)城镇用地增加的面积由4种地类转变而来，即森林、草地、水域和农田；从数量上看，城镇用地后期增加的面积比前期少；转换类型的增加说明了城镇建设有加剧的趋势。③湟水作为黄河上游最大的支流，其生态保护是青海省的重要生态建设项目之一，因此2000—2010年期间湿地的小范围扩张较为明显；未利用地的变化较为复杂，但总体面积未发生较大的变化。

(2)以景观斑块类型为单元，分析其景观类型指数得出以下结论：第一，由斑块面积及其变化来看，草地为湟水流域的景观基质；第二，从景观类型特征来看，变化最大的是农田和城镇用地。在2000—2010年期间，农田在面积减少的同时景观分离度增加，说明景观破碎化趋势明显；而城镇用地则在面积增加的同时景观分离度减少，说明城镇用地是由中心向外扩张，且扩张的空间分布紧凑，连接性较好。

(3)从景观总体尺度上看，湟水流域景观呈现以下特征：第一，景观结构异质性增大。从景观水平指数分析，边缘密度、形状指数、香农多样性指数、香农平均度指数均呈增加趋势；从景观类型上看，城镇用地的景观分离度在2000—2010年减少十分明显，而农田的景观分离度增加最为明显，这说明城镇用地的快速扩张分割了农田的景观，导致景观空间异质性增大。第二，景观破碎化程度增加。从总体上看，湟水流域景观分离度呈增加趋势，尤其在2000—2005年期间，增加最为明显。从景观类型上看，草地的斑块个数、斑块密度呈明显减小趋势，而农田与城镇用地的斑块个数、斑块密度总体呈增加趋势，这说明人类活动的不断扩张导致了湟水流域景观破碎度增加。

综上所述，近10年湟水流域农田持续减少，而人口快速增长，特别是城市人口，导致农田景观的分离度和破碎化趋势加剧；未来一定时期内，湟水流域作为青海省耕地最为集中和东部城市群建设的核心区域，流域内城市用地的扩张将不可避免，由此带来的人地矛盾特别是城市扩张与耕地保护之间的矛盾将持续激化，因此农地保护和粮食供给工作不能弱化，要严格执行土地特别是农用地的用途管制制度，控制城市建设占用农用地特别是耕地的数量，努力提高城市土地容积率，按照紧凑型城市理念合理规划城市用地。

此外，从流域生态环境来看，湟水流域位于青藏高原向黄土高原的过渡地带，属生态脆弱区，流域内生态破坏、水土流失和土地退化等问题严重。景观格局指数的分析表明，近10年湟水流域的景观破碎化程度在加剧，但空间结构相对稳定，未发生较大改变。草地作为湟水流域的景观基质，水域作为流域最为关注的景观类型，两者面积在增加的同时，景观分离度有所下降，表明近10年内流域生态保护政策实施的效果较为显著。但从流域景观的动态变化来看，未来一定时期内流域的景观格局和生态质量仍不容乐观。因此，为增强湟水流域的可持续发展能力，需要进一步加强流域森林、草地等植被的覆盖率，增强河道连通性建设，改善流域生态本底；与此同时，加强人工湿地、人工绿地、人工坑塘、人工湖库等生态工程的建设，通过增加河、湖、水库、沼泽、湿地等水域面积，增强对流域水土资源和生态系统服务功能的调控能力。

[1] 布仁仓,胡远满,常禹，等.景观指数之间的相关分析[J].生态学报,2005,25(10):2764-2775.

[2] 万荣荣,杨桂山.太湖流域土地利用与景观格局演变研究[J].应用生态学报,2005,16(3):475-480.

[3] 王成,魏朝富,袁敏.不同地貌类型下景观格局对土地利用方式的响应[J].农业工程学报,2007,23(9):64-71.

[4] 曹广超,李玲琴,曹生奎.青海省祁连山三河源地区景观空间格局定量分析[J].青海师范大学学报:自然科学版,2012,28(1):1-5.

[5] Forman R T T,Godron M.Landscape Ecology[M].New York:John Wiley and Sons Ltd,1986:320-321.

(责任编辑 徐素霞)

国家自然科学基金项目(41301230)

F301.24

A

1000-0941(2015)06-0049-05

山中雪(1988—)，女，青海湟中县人，硕士研究生，主要从事地理信息系统方面的研究；通信作者赵霞(1975—)，女，青海贵德县人，副教授，博士，主要从事土壤地理与农业土地利用研究。

2014-06-20