山西省和顺县土地利用景观格局特征及其破碎化分析

闫洋洋，洪坚平，张 娟

（山西农业大学资源环境学院，山西太谷030801）

景观格局通常是指空间格局，即大小和形状不一的景观要素在一定空间内的配置和组合形式，景观格局的形成是自然、社会以及生物之间相互作用下造成的，在景观生态学上具有非常重要的地位。景观破碎化指的是斑块面积的变小且数量的增加，斑块逐渐趋于不规则的形状，会造成内部生境面积的变小、廊道被割裂以及斑块相互之间连通较差[1-2]，同时耕地的破碎化也会制约农业的发展[3]。ArcGIS和Fragstats软件非常适合对土地利用进行景观格局分析，它们的应用是有理论支撑和现实意义的[4-5]。景观的属性和人类活动息息相关，一般人类的生态观念、土地利用方式等会对景观产生直接或者间接的影响。同样，景观也会对生活在其中的人们有一定的影响[6-10]。所以，通过景观格局特征和破碎化分析，评价人类对景观的干扰程度是有必要的[11-15]。

目前，对土地景观进行景观格局分析的多以小流域为研究区，侧重于对土地数量动态变化和经济发展的关系进行研究，但是在研究土地的格局特征以及空间组合方面重视度不够，且对于县级的土地规划无法提供有利的考量。

笔者研究了和顺县的土地利用景观格局特征及其破碎化，从景观生态学的角度说明每个景观组分之间的特征差异，并且对景观破碎化程度作出评价，从而揭示各个组分在和顺县的地位和作用的不同，可在理论上为景观特征分析提供基础数据，促进景观生态系统的优化，为实现该区域的土地可持续利用提供依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

和顺县坐落于山西省中部，太行山的西侧，坐标为东经 113°05′～113°56′，北纬 37°03′～37°36′。该地区属于温带大陆性气候，具有典型的北方气候特征，春季空气比较干燥，夏季降雨较频繁，秋季比较凉爽，冬季漫长而又寒冷。和顺县温度适宜，年平均气温在6.3℃左右，气温最低在-10℃左右，年降雨量593 mm，每年的9月到次年的5月属于该地区的霜冻期。和顺县辖5镇5乡294个行政村。和顺县占地面积2 250 km2，其中，耕地面积2.24万hm2，林地面积6.22万hm2，宜牧地面积为4.42万hm2[16-17]。

和顺县山岭纵横、沟壑交错、地形复杂，是典型的山地地区，山地丘陵面积占90%，小块平川分布在清樟河周边，平均海拔在1 300 m以上。曲阳山属于和顺县70多条主要山脉中最高的山脉，海拔达2 058 m。和顺县是国家级贫困县城，由于地形的原因，土地的利用和农业的发展也受到了限制。

1.2 数据来源

本研究采用的是2015年Landsat TM遥感影像，解译了土地利用类型图，根据《土地利用现状分类》将土地分为草地、旱地、林地、水域及水利用地、采矿用地、园地、裸地、居民地、风景名胜及特殊用地、交通用地、设施农用地11类景观类型[18]。

1.3 数据处理

1.3.1 利用Arc GIS的处理数据 应用地理信息系统软件ArcGIS对土地利用现状图进行数字化[9]，这样得出的数据更加直观，利用ArcGIS的转换工具，将土地利用矢量数据转换为栅格大小为150 m×150 m的栅格数据。

1.3.2 基于景观分析软件Fragstats 4.2的数据处理

Fragstats是一个由美国俄勒冈州立大学所发明的景观指标计算软件[4]，它具有强大的计算功能，大量研究指标之间有着很强的相关性，只是侧重的方向不同。本研究选择的指标有斑块面积、斑块面积方差、斑块周长、斑块平均面积、边缘密度、斑块密度、平均最近邻距离、分维数[12，19-22]。

2 结果与分析

2.1 和顺县景观的总体特征分析

从表1可以看出，和顺县共有11个景观类型，斑块数为5 282个。林地的斑块数为1 165个，所占面积最大（1 009.463 km2），在景观类型中占据着主导地位。其次是草地面积（844.650 km2），斑块数为1312个，旱地面积（262.598 km2）斑块数为1 292个。该地区在人类长时间生息以及发展建设等的影响下，林地、草地、旱地成为最主要的3种景观类型，三者的总面积为2 116.71 km2，占整个和顺县面积的比例为96.86%。三者的周长之和是19 097.7 km，占全县的93.2%。和顺县的各个景观类型的面积差异相对比较大，其中，景观类型之间的面积差异最大达到1 008.5 km2。相比之下，林地的面积方差（1 554.505 2）比其他景观类型大，这表明林地的斑块大小分布最不均匀，其异质性也是最大的，与之相似的旱地和草地，异质性也较大。

表1 和顺县景观组分总体特征

2.2 和顺县景观的面积特征分析

从表1可以看出，和顺县景观组分的景观面积为2 185.335 km2，各景观组分面积从大到小排序为林地＞草地＞旱地＞水域及水域用地＞居民地＞裸地＞采矿用地＞交通用地＞风景名胜及特殊用地＞设施农用地＞园地。在上述排序中斑块面积最大的景观类型是林地，园地的斑块面积最小。和顺县属于全国重点产煤县，煤炭资源比较丰富，所以，采矿用地斑块面积较大（4.905 km2）。

和顺县林地的斑块平均面积最大，为0.8665km2，在景观上看林地是该区域内景观面积最大的利用类型，基本呈现连片的分布特点；其次是草地（0.643 8 km2）、旱地（0.203 2 km2）。裸地大部分是由于不适合种植未被人类利用，受到人类影响较小，故斑块平均面积较大（0.108 7 km2）。居民地在平坦的地方修建，面积虽然不大但分布比较聚集。由于大量零散分布的小斑块的影响，名胜古迹及特殊用地和设施农用地的斑块平均面积最小。

林地面积在整个景观面积中所占的比例最高，达46.19%，草地和旱地面积所占比例较高，分别是38.65%和12.02%。而园地面积所占比例最小，为0.044%，它的面积大小为0.968 km2，斑块数30个，因为和顺县海拔均在1 800 m以上，不适宜种植水果，所以，园地的面积和斑块数较少。裸地和居民地这2种景观类型的面积在整个景观类型中属于一般大小，其二者面积所占的比例分别为0.65%，0.82%。虽然它们的面积跟其他各个景观类型相比较小，但是二者的斑块平均大小在所有景观类型中属于较大的类型，这表明裸地和居民地这2种景观利用类型的破碎化程度较低。从表1可以看出，在整个和顺县的景观类型中，风景名胜及特殊用地的斑块数量相较于设施农用地和园地来说，较多且分布较为广泛，但是它的斑块平均面积大小却是所有景观类型中最小的，说明它的破碎化程度在整个景观中是最高的。从水域及水利用地的研究结果中可以看出，它们的景观面积所占比例较大，斑块平均面积大小却相对较小（0.036 6 km2），表明其破碎化程度相对较高。

2.3 和顺县景观的周长特征分析

从表1，2可以看出，和顺县的总斑块周长为20 491.50km。其中，斑块周长最大的利用类型是草地，其斑块周长为8 337.15 km，平均斑块周长为6.35 km。各景观组分周长比例为草地∶林地∶旱地∶水域及水域用地∶居民地∶裸地∶交通用地∶采矿用地∶风景名胜及特殊用地∶设施农用地∶园地＝365.66∶313.95∶158.01∶22.27∶15.01∶9.68∶4.63∶4.43∶2.64∶1.43∶1。从这些周长比例中可以看出，林地、草地和旱地这3种景观类型的周长所占的比例比其他类型都大，可以充分说明这3种利用类型对整个和顺县景观的影响水平要比其他类型高的多。风景名胜及特殊用地（60.15 km）、设施农用地（33.60 km）和园地（22.80 km）景观组分有着相对较小的周长比例，并且相对于前面3种利用类型来说，它们的平均周长相对较小，故对于整个和顺县景观影响的水平比较低。

表2 和顺县斑块组分的周长特征

边缘密度1最高的是设施农用地（24.888 9 km/km2），最低的是林地（7.090 9 km/km2）。各个景观组分的边缘密度1的排序是设施农用地＞风景名胜＞园地＞交通用地＞水域及水利用地＞采矿用地＞居民地＞裸地＞旱地＞草地＞林地。上述各个景观组分的边缘密度的顺序与斑块总周长的分布顺序恰恰相反，就斑块面积和周长来说，草地和林地这2种景观利用类型相对于其他景观组分来说较大，但它们的边缘密度相对于其他景观类型较小，说明二者的破碎化程度低。而设施农用地、风景名胜及特殊用地这2种景观类型的斑块面积、周长与边缘密度的大小分布和草地、林地利用类型相反，表明它们的破碎化程度严重。对居民地这一景观进行分析可以看出，面积和周长都小，密度也较低，说明它的破碎化程度介于这2种景观之间，其完整度相对较高。汤萃文等[23]使用边缘密度1来反映景观类型的破碎化程度。

邹月等[24]通过各个景观类型在整个景观中的边缘密度2来研究某个利用类型的斑块边缘对整个景观的影响程度。从表2可以看出，和顺县草地的边缘密度2（3.815 0 km/km2）是最高的，其次是林地（3.275 5 km/km2）和旱地（1.648 5 km/km2）。最小的是园地（0.010 4 km/km2），园地斑块面积和斑块数最小，对景观的影响程度也最小。

2.4 和顺县景观的斑块数特征分析

和顺县斑块总数为5 282个，景观组分之间的斑块个数极不均匀（表1）。草地的斑块个数最多（1 312个），园地斑块数最少（30个）。风景名胜及特殊用地、水域及水利用地2种景观组分的面积较小，但二者斑块个数却较大，表明这2种利用类型的破碎化较为明显。旱地的斑块数为1 292个，和草地、林地斑块数相差不大，斑块面积却远小于草地和林地，大概是草地的1/4。旱地的斑块面积虽然小，但其斑块个数多，这说明旱地的破碎化程度高于草地、林地2种景观利用类型。这主要是因为人类和自然因素的影响，和顺县山地丘陵面积高达90%，地形复杂且地势起伏不平，旱地多为坡梁地，给人类利用土地造成了阻碍，由于人类活动的干预，人为开垦，使得旱地切割破碎。

表3 和顺县景观组分的斑块数、分维数、平均最近邻距离特征

从表3可以看出，斑块密度1最高的是草地，为0.600 4个/km2，说明该利用类型对整个景观的影响最大，最低者是园地，为0.013 7个/km2。王永军等[25]就是利用斑块密度1来研究某种利用类型在整个景观中的影响程度。

王斌等[26]、雒峰等[27]通过各个景观组分的斑块密度2直接地体现破碎化水平，当斑块密度2越大，破碎化水平也就越高。和顺县风景名胜及特殊用地斑块密度2最大（38.2716个/km2），最小的是林地，为1.154 1个/km2。可以看出，林地的破碎度是最低的（表 3）。

2.5 和顺县平均最近邻距离的指标分析

从表3可以看出，各景观的平均最近邻距离为园地＞设施农用地＞风景名胜及特殊用地＞裸地＞居民地＞采矿用地＞交通用地＞水域及水利用地＞旱地＞林地＞草地。平均最近邻距离是通过计算同种景观类型斑块之间的间距水平来反映景观格局的聚集与分隔程度。居民地、交通用地的平均最近邻距离较大。因为山区的地势起伏大，造成了居民地间隔较远和农村交通用地分布的分散。平均最近邻距离最大的是园地（35.368 6 km）。园地斑块数、面积最小，说明多以小面积零散分布。草地的平均最近邻距离是最小的，说明其连接性最好，成片连续分布。

2.6 和顺县景观面积和周长的分形维数指标分析

邱海军等[28-29]利用分形维数这个指标来表示各个景观组分的边缘褶皱水平，在分形维数＞1时，表示边缘形状偏离欧几里得几何图形（如正方形），当分形维数接近于2时，说明斑块边缘比较复杂。由表3可知，居民地的分维数最小，为1.368 9，说明居民地的边缘最为规则，交通用地的分形维数最高，为1.678 1。其次是水域及水利用地（1.673 6）和草地（1.641 7）。交通用地、水域及水利用地和草地的斑块边界褶皱水平相对复杂曲折。和顺县的分形维数是1.613 3，趋向于2，说明边界褶皱水平较为复杂。

3 结论

在整个景观之中，各组分之间拥有的面积不均衡，面积最大的是林地，占整个研究区的46.19%，草地和旱地次之，三者面积之和是2 116.71 km2，占该区域总面积的96.86%。这三者的周长之和是19 097.7 km，占全县的93.2%。这3种利用类型基本上控制了整个景观。其中，林地的异质性最为强烈。

从该研究区的面积特征来看，在景观上看林地是该区域内景观面积最大的利用类型，基本呈现集中连片的分布特点。风景名胜及特殊用地斑块平均面积最小（0.026 5 km2），说明多以小面积零散分布，遍布在整个景观里，表明破碎化最高。裸地和居民地在景观中占有较小面积，所占比例分别为0.65%，0.82%，但其斑块平均大小相对较大，破碎程度较低。水域及水利用地的景观面积较大（22.275 km2），斑块平均面积却较小（0.036 6 km2），表明其破碎化水平相对较高。

从该研究区的周长特征来看，草地（8337.15km）、林地（7 158.00 km）和旱地（3 602.55 km）的周长远比其他利用类型要高，表明三者对整个景观影响的水平高于其他利用类型。从边缘密度1可以看出，面积和周长都大，而边缘密度1较小时，破碎化程度低，例如草地、林地。面积和周长都小，而边缘密度1较大时，破碎化严重，例如设施农用地、风景名胜及特殊用地。

从该研究区的斑块个数特征来看，与林地和草地相比，旱地斑块面积小（262.598 km2），但斑块数多（1 292个），这表明旱地的破碎化水平比草地和林地高。斑块密度2指标显示林地的破碎度是最低的。从该研究区的平均最近邻距离来看，最大的是园地（35.368 6 km）。园地斑块数、面积最小，说明多以小面积零散分布。草地是最小的（3.356 5 km），说明其成片连续分布。居民地的分维数最小，为1.368 9，说明居民地的边缘最为规则。其次是草地（1.641 7）和旱地（1.630 5）。水域和水利用地、草地和旱地的斑块边界褶皱水平相对复杂曲折。和顺县的分形维数是1.613 3，说明整个和顺县的边界褶皱水平较为复杂。

和顺县是典型的山地地区，林地和草地资源丰富，破碎化程度低。旱地破碎化较高，影响土地的高效利用，需要在坡度大的地区采取以坡改梯和退耕还林还草的方式来优化土地利用结构。在和顺县的紫罗地区已经大面积实施了退耕还林还草，积极响应国家退耕还林还草政策。由于人类长期生活的影响，整个和顺县边缘褶皱水平较为复杂，设施农用地、风景名胜及特殊用地破碎化严重。本研究认为，应该严格控制城乡居民点建设用地，科学规划，在合理利用每一寸土地的基础上，最大限度地发挥现有土地的价值。