永登县景观格局现状及其驱动力分析

2015-10-23林长伟马学敏

安徽农学通报 2015年19期

林长伟马学敏

摘要：以三大高原的交汇地永登县为研究对象，在RS、GIS技术支持下，对永登县2009年Landsat TM影像进行解译得到景观类型现状数据，利用FRAGSTATS软件获得景观格局指数，进而分析永登县景观格局现状，并对景观格局的形成演化进行了驱动力分析。结果表明：永登县景观优势度较高，多样性低，草地和耕地占主导优势，草地是永登县的基质景观。各景观的分维值均较低，斑块形状简单。建设及工矿用地破碎化最为明显，分布分散；草地和平原旱地各自斑块间分布紧密，破碎度和分离度均较低。永登县景观格局的形成演化主要受到气候、地貌、土壤等自然因素及人口增长、政策变动、经济发展等社会经济因素的影响。

关键词：永登县；景观格局；景观指数；驱动力

中图分类号 P901 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2015）19-97-04

Analysis on the Current Condition of Landscape Pattern and its Driving Forces of Yongdeng County

Lin Changwei et al.

（Dingxi Teachers College，Dingxi 743000，China）

Abstract：Based on RS，GIS and FRAGSTATS，the current condition of landscape pattern and its driving forces of Yongdeng County have been analyzed in this paper by using the Landsat TM images in year 2009. The results show that landscape dominance of Yongdeng County is high，and the landscape diversity is low. Grassland and Farmland are the dominant landscape types. The fractal dimension of each landscape type is low，which indicates the patch shape of each type is simple and regular. Landscape fragmentation index of constructed land is high than others，its patches distribute dispersedly. Patches of grassland and plain dry land distribute closely，fragmentized degree of landscape of them are inconspicuous. The evolvement of landscape pattern of Yongdeng County falls under the effect of physical factors such as climate，landform and soil，synchronously both social and economical factors such as population number and fluctuation of policy influence the landscape pattern a lot.

Key words：Yongdeng County；Landscape pattern；Landscape indices；Driving forces

景观格局是景观生态学研究的核心内容之一，它的形成与变化是一定地域内人类与自然环境长期相互作用的结果，一切的自然营力及人类活动都将引起其变化[1]。景观空间格局的分析和研究，不仅有助于探讨景观格局与生态过程的关系，而且对于建立区域生态廊道，提高生物多样性，控制水土流失，增强景观的连续性具有特别重要的意义[2]。我国西北部绝大多数黄土丘陵区土地利用开发过度，脆弱的生态环境给人们的生产生活带来了极大的影响，目前许多学者针对黄土丘陵区的土地利用、景观格局及生物多样性进行了研究[3-7]。永登县位于我国三大高原的交汇地，近年来由于景观格局的演变导致一系列生态环境问题的出现，而关于该县域景观格局的研究还未见报道。为此，本文采用相对成熟的景观格局指数分析法对永登县景观格局特征及驱动力进行分析，以期对永登县土地利用的可持续发展及生态环境的改善提供依据。

1 研究区概况

永登县位于甘肃省中部（102°36′～103°45′E，36°12′～37°07′N），是青藏高原、蒙古高原与黄土高原的交汇地，辖区总面积约6 090km2，山地和丘陵面积占总面积的88.5%。地貌上表现为石质山地与黄土丘陵交错分布，根据地形特征可将县境内分为4个区：西部和北部石质山地、中南部黄土丘陵地、大通河和庄浪河谷地以及东部秦王川盆地（图1）。县内地势由西北向东南倾斜，海拔在1 600～3 000m。永登县地处陇中北部温带半干旱区，属大陆性季风气候，年平均气温5.9℃，年日照约2 700h，平均无霜期121d，年降水量在300mm以下，年蒸发量达1 700mm以上。县域内由东南向西北，随着海拔高度的升高，气温随之降低，降水随之增多，土壤由南部的灰钙土向西北逐渐变为栗钙土、灰褐土和亚高山草甸土，植被由南部和东南部的荒漠化草原、干草原，向西北逐渐变为森林草原，呈现明显的地带性规律。

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图1 研究区域示意

近年来，由于人们对生态环境的脆弱性、复杂性认识不足，陡坡开垦、毁林毁草开荒现象严重，导致永登县出现许多诸如山体裸露、滑坡、水土流失、牧草退化等生态环境问题，严重阻碍了当地农业生产和社会经济发展。

2 研究方法

2.1 数据处理本文以2009年永登县TM影像为数据源，以植被、土壤、地貌等自然地理要素为指标，在ARCGIS10.0和ARCVIEW3.3软件的支持下，通过目视解译与野外调查，得到了永登县土地利用矢量数据，并绘制了研究区的景观类型图。在ARCGIS10.0软件中将矢量数据转为栅格数据，利用Fragstats3.3软件对栅格数据进行计算和分析，获得相应的属性数据及景观格局指数。

2.2 景观格局指数由于永登县位于三大高原的交汇地带，综合考虑到其地形、地貌和社会经济发展状况，以及本文研究的需要，选取以下景观格局指数来分析永登县整体景观结构特征。

2.2.1 多样性指数

2.2.1.1 多样性指数（H）反映景观元素的多少及各景观元素所占的比例。其计算是基于Shannon-Weaner指数，计算公式如下：

[H=-（pi）log2（pi）]

2.2.1.2 均匀度指数（E）描述景观中不同景观类型分配的均匀程度，其值越大，表明景观各组成成分分配越均匀。计算公式如下：

[H（max）=log2（m）]；

[E=H/H（max）]

2.2.1.3 优势度指数（D）景观优势度指数用来测定景观结构中一种或几种景观类型支配景观的程度，其值越大，表明某一种或少数几种景观类型占优势。计算公式如下：

[D=H（max）+（pi）log2（pi）]

2.2.2 形状指数分维数用来度量景观斑块形状的复杂程度，通常F值的理论范围为1.0～2.0。F值越接近于1，表明斑块体形状越有规律，人为干扰的程度越大；F值越接近于2，表明斑块形状越复杂。计算公式如下：

[F=2log2（Pi4）log2（A）]

2.2.3 破碎度指数

2.2.3.1 破碎度（C）破碎度指景观被分割的破碎化程度，间接反映了人为活动对景观的干扰程度，其值越大，景观破碎化程度越大。计算公式如下：

[C=NiAi]

2.2.3.2 分离度（S）分离度是指某一景观类型中不同斑块个体分布的分离程度。计算公式如下：

[Si=PiBi]其中：[Pi=12nA]，[Bi=AiA]

3 结果与分析

3.1 景观斑块特征分析由表1得出，永登县景观斑块总数为6 242，斑块总周长为114 254.135km，总面积为5 885.651km2，整个景观中，建设及工矿用地和荒漠的斑块数最多，分别为2 302、1 761；草地和平原旱地的面积最大，分别占总面积的72.99%、12.22%。永登县平均斑块面积和平均斑块周长分别为0.943km2、18.304km，大于全县平均斑块面积和平均斑块周长的景观类型有1个，为水域（1.349 km2，29.264km）；小于全县平均斑块面积与平均斑块周长的景观类型有4个，其中以建设及工矿用地（0.038km2，1.042km）为最小，平均斑块面积与平均斑块周长的大小表现基本一致。平均斑块面积反映了各类型景观的分布特点以及研究区的大地貌特征，永登县是一个以牧业和农业景观为主的地区，居住地以农村居民地为主，反映为建设及工矿用地平均斑块面积最小且分布分散；平均斑块面积较小的类型还有林地和荒漠，这2种类型主要分布于耕作条件较差、坡度较大的地区，分布面积小而零碎。草地作为永登县的基质景观，平均斑块面积最大；平原旱地多集中分布于地势平坦的河谷及盆地内，人工化程度高，平均斑块面积也较大。

表1 永登县景观格局指数

[景观

类型＼&斑块数＼&面积

（km2）＼&面积比例（%）＼&平均斑块

面积（km2）＼&周长

（km）＼&平均斑块

周长（km）＼&分维数＼&分离度＼&破碎度＼&多样性＼&最大

多样性＼&均匀度＼&优势度＼&平原旱地＼&446＼&719.108＼&12.22＼&1.612＼&8114.822＼&18.195＼&1.1476＼&1.1075＼&0.5995＼&0.9619＼&1.9460＼&0.4943＼&0.9841＼&丘陵旱地＼&903＼&387.034＼&6.58＼&0.429＼&9062.489＼&9.713＼&1.1739＼&2.9278＼&2.2546＼&林地＼&220＼&64.033＼&1.09＼&0.291＼&845.927＼&3.694＼&1.1125＼&8.763＼&3.32＼&草地＼&574＼&4296.231＼&72.99＼&7.485＼&87125.852＼&15.126＼&1.1445＼&0.2103＼&0.1291＼&水域＼&36＼&46.917＼&0.80＼&1.303＼&1229.068＼&29.264＼&1.2283＼&4.8224＼&0.7414＼&建设及

工矿用地＼&2302＼&84.427＼&1.44＼&0.037＼&2554.994＼&1.042＼&1.0623＼&21.4025＼&26.3178＼&荒漠＼&1761＼&287.901＼&4.89＼&0.164＼&5320.984＼&2.993＼&1.1308＼&5.4954＼&5.9106＼&]

3.2 景观多样性分析表1显示，永登县景观多样性指数为0.961 9，与最大多样性指数1.946 0偏差较大，景观多样性程度相对不高，景观类型所占比例相差较大，如草地和水域2种景观所占比例分别为72.99%、0.80%，相差极大。研究区景观优势度指数和均匀度指数分别为0.984 1、0.494 3，优势度较高，均匀度较低，景观类型以草地和平原旱地为主，分别占全县景观总面积的72.99%、12.22%。

3.3 景观形状特征分析表1及图2显示，永登县各景观类型的分维数值总体比较小，较高的水域和丘陵旱地分维值也仅为1.228 3、1.173 9，表明景观类型空间形状较为规则，这与永登县的地貌格局及人类活动影响有关。永登县水域组成主要为庄浪河与大通河，沿河谷分布，受带状地带限制，分维值较高。丘陵旱地多分布在坡度起伏较大的沟坡、沟间地，其形状同样受地貌格局的影响，但其大多经过人工整修，形状也相对简单。林地主要分布于峁坡或沟坡上，其形状受自然地貌形态干扰较小，形状规则。建设及工矿用地、平原旱地均分布在平坦的谷地和秦王川盆地中，多经过人为规划，属人工景观，受人类活动影响大，形状也最为简单，分维值较低。通过分维数分析，说明景观类型的斑块形状取决于自然地貌的平面形态和人为经济活动的干扰程度，通常来说，地貌形态越平坦，人为活动越频繁，分维数越小，斑块形状越简单，而地貌形态越破碎，分维数越大，斑块形状越复杂。

<＼＼Pc10＼工作盘（E）＼姜秀红＼杂志＼安徽农学通报杂志＼2015-19农学通报内文＼8587-2.tif>[1.25

1.2

1.15

1.1

1.05

0.95][分维数][分维数

分离度][分离度][25

0][平原旱地][丘陵旱地][林地][草地][水域][建设及工矿用地][荒漠]

图2 分维数与分离度

3.4 景观破碎化分析

3.4.1 分离度表1及图2显示，在永登县各景观类型中，分离度最大的景观类型是建设及工矿用地，为21.402 5，表明建设及工矿用地斑块间分布最为分散，主要是因为农村居民点斑块较多、面积较小，在整个地域空间上呈散点状分布。林地和荒漠景观的分离度也较大，分别为8.763 0、5.495 4，林地组成中的天然林分布于县城的西北部，而人工林和经济林多分布于中南部丘陵地区，斑块间联系不够紧密；荒漠景观也是呈现零星分布。草地的分离度最小，为0.210 3，这与草地是基质景观、分布广泛相关。

3.4.2 破碎度某一类型斑块密度揭示了景观基质被类型斑块分割的程度，对生物保护、物质和能量分布具有重要影响；而各景观组分的斑块密度更直接地反映了景观组分的破碎化程度。表1显示，研究区中建设及工矿用地的破碎度最大，为26.317 8，表明建设及工矿用地受人类活动影响较大，分布分散。荒漠的破碎度较大，为5.910 6；草地、水域受人为干扰较小，破碎度较低。平原旱地主要成片集中分布于地势平坦处，破碎度也比较小。

4 驱动力分析

景观格局的形成和演化主要有以下2个方面的驱动因素：自然因素和人为因素。自然因素通常是在长时间尺度上起作用，可以引起较大范围的景观变化，主要包括气候、水文、土壤等；而人为因素在短时间内即可影响景观格局，随着社会经济的迅猛发展，人为因素对景观格局的影响愈发关键，主要包括人口、政治、经济等。通过对永登县景观格局的分析可看出，永登县位于三大黄土高原的交汇地，地形地貌较为复杂，对景观格局的形成具有很大影响，气温和降水的分布不均也是影响景观格局的重要因素，同时人口增长、经济发展等社会经济因素对永登县景观格局的分布起到了至关重要的推动作用。

4.1 自然因素永登县具有明显的环境梯度变化特征，海拔高度由东南向西北，从最低处1 440m逐渐过渡到最高处3 670m，气温随着纬度的增加和地势的抬升而降低，多年平均降水量也随之增多，由东南部的200mm左右向西北增加到400mm左右，植被的覆盖度随着气候因子的渐变由东南部向西北部逐渐增大，西北部连城一带景观基质为森林草原，天然林地均分布于此，而东南部为荒漠草原，植被覆盖度低。从地貌和土壤上来看，永登县中南部为黄土丘陵沟壑区，土壤类型以灰钙土和黄绵土为主，该区由于气候干燥、多风少雨，植被稀少，人工垦殖的丘陵旱地多分布于此，且由于地形复杂，景观较为破碎。黄绵土分布地区适宜一些灌木生长，在永登县东南部的苦水等地分布有大型的玫瑰种植园；庄浪河、大通河谷地由于地势平坦，地表水量充足，土壤类型为肥沃的灌瘀土，耕种性好，是发展农业的主要基地，平原旱地多分布于此，城镇用地和农村居民点也分布广泛；秦王川盆地位于永登县的东部，大面积分布着平原旱地和居民点用地，秦王川盆地南部至树屏一带地下水位过高，排水不良导致这一带土壤为盐碱土，盐碱地有较大面积分布。

4.2 社会经济因素自然因素在较大尺度上影响了景观格局的分布，除自然因素外，人口增长、社会经济活动、落后的生产力水平等也加剧了景观格局分布的不合理。1993年永登县总人口为47万，2009年总人口增长到近52万，人口的增加导致人们对耕地需求的增大，黄土丘陵区的陡坡开垦速度和强度加大，全县坡度大于15°的耕地面积达1.27万hm2，不合理的耕作制度和生产方式造成耕地小块分割草地景观的分布格局，同时农村居民点也呈增加趋势，零散镶嵌于草地基质景观中，破碎度和分离度均较大。耕地的增长必然导致对其它类型景观的掠夺，形成景观多样性低、优势度高的格局。盐碱地、沙地、裸地等荒漠景观也由于人类垦荒、筑路、不合理的灌溉方式等无序的社会经济行为导致景观格局分布破碎度大、分维值小的特点。此外，政府的相关政策对景观格局分布演变也有一定的影响，近年来，永登县实行退耕还林政策对林地的分布格局影响较大，2002年永登县退耕还林面积达到400hm2，一些陡坡耕地被林地取代。禁止过度放牧、加强牧草地管理政策的推出使草地布局的分离度、破碎度等都有所降低。为追求经济的发展，人们对各类型景观的干扰强度均加大，致使各景观分维数较小，形状规则。

5 结论与讨论

本研究基于RS与GIS技术，利用FRAGSTATS软件，对位于三大高原交接处的永登县景观格局现状及驱动力进行了分析。研究结果表明，永登县景观优势度高、多样性低，由少数几种景观控制，各景观类型所占比例差异较大，草地和平原旱地面积最大，草地是该县的基质景观。永登县各景观受人为干扰程度较为严重，景观分维数低、分离度和破碎度高。自然因素和人为因素对永登县景观格局的形成发展均有贡献，永登县自然地貌形态清晰多样，并具有明显的环境梯度特征，对各景观的空间分布产生主导作用，而人口增长、经济发展、政策变更等社会经济因素又导致人们对景观的直接改变。永登县的景观格局存在很多不合理之处，建议该县应积极退耕还林还草、禁止陡坡开垦放牧、发展天然草地和经济林，以达到社会经济可持续发展的同时改善生态环境的目的。

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