元上都遗址土地利用及景观格局变化

白力军，宝音陶格涛，苏金华，布仁图雅，万志强

（1. 内蒙古自治区环境监测中心站，内蒙古 呼和浩特 010011；2. 内蒙古大学生态与环境学院，内蒙古 呼和浩特 010021；3. 内蒙古师范大学地理科学学院，内蒙古 呼和浩特 010021）

作为陆地上重要的生态系统类型之一，草地生态系统在防风固沙、水源涵养、水土保持和生物多样性保护等多方面具有重要的生态功能[1]。内蒙古草原不但是欧亚草原的主体，同时也是中国温带草原的主要分布区[2]，具有丰富的草原类型和动植物资源，是我国北部边疆重要的生态屏障[3]。

草原文化遗址是草原民族文化的灵魂之一，刻画和折射了草原游牧民族的发展历程，是生态文明的烙印和载体。2012年6月29日，元上都遗址正式成为世界文化遗产，成为了内蒙古第1个、全国第30个世界文化遗产[4]。近年来，由于农耕开垦、过度放牧及其他工矿建设等的影响，造成了元上都遗址地区生物多样性降低，草原退化严重，不断恶化的生态环境对元上都遗址的保护造成了严重威胁[5]。

遥感技术在时空分析方面具有独特的优势，尤其是利用时间序列来研究草地的空间分布[6]，可以对草原实施长期有效的监管[7]，如对草地退化、土地利用及景观格局变化的时空特征进行分析[8-9]；Batunacun等[10]通过对锡林郭勒市土地利用/土地覆盖变化的研究，来评估土地退化的生态和社会后果；Zhang等[11]从多时间多尺度定量分析了呼伦贝尔草原的景观格局以及土地的生态变化过程。目前，有关元上都遗址区土地利用及景观格局方面的研究并不多。甄江红等[12]从生态风险评估的角度分析了元上都遗址的景观格局变化，认为元上都遗址景观格局向破碎化、复杂化方向发展，生态风险加大；刘冠志等[13]研究表明，不同因子的综合作用是土地利用发生变化的驱动因素。但目前研究仍有所不足，或缺少土地利用类型之间的转化情况描述，对土地利用动态分析不足；或研究空间尺度过大，针对性不足。为此，本研究以元上都遗址保护区为对象，分析其土地利用的动态和景观格局的变化趋势，研究其驱动因素，这对于元上都遗址区域保护措施的优化，及当地资源环境和社会经济的可持续发展具有十分重要的意义。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

元上都遗址坐落在内蒙古自治区锡林郭勒盟正蓝旗上都高勒镇东北约20 km五一牧场境内，地处金莲川草原的腹地[14]，地势南高北低，有着独特的林地、沙地、河流、草地和湿地组成的复合自然景观。地理位置116°9′50″-116°11′40″ E，42°20′40″-42°22′13″ N，海拔在 1 262-1 281 m，属于中温带半干旱大陆性气候，水热分布不均匀，年均温度2 ℃，年降水量 370 mm 左右，年蒸发量 1 920.5 mm，全年无霜期 90～117 d，平均风速 4.7 m·s-1[15-16]。

本研究区域为《元上都遗址申报世界文化遗产报告书》中划定的一类遗址保护区范围和二类遗址保护区范围。南北长20.6 km，东西宽18.7 km，总面积约 251.16 km2(图 1)。

1.2 研究内容与研究方法

1.2.1 数据来源与预处理

本研究所使用的遥感影像信息源为美国陆地资源卫星 Landsat TM 影像及 Landsat8 OLI影像，一景影像即可覆盖整个元上都遗址区域。研究时间为1984-2013年，为了使研究更为细化，将研究时间段分为 6个，即 1984、1995、2000、2005、2010、2013年，前5期所用的影像为Landsat TM，空间分辨率为30 m；2013年所用的影像为Landsat8 OLI遥感影像，全色波段空间分辨率15 m，轨道号为p124/r31。采用最大似然法进行影像监督分类，判读提取目标地物的最小单元应大于4 × 4个像元(120 m×120 m)；判读精度要求所解译图斑要素的判读精度为90%以上，根据现场核查的结果来看，元上都遗址区域的遥感解译精度较好，分类解译精度达95%。

所选遥感为每年植物生长季节(5-9月)，影像色调均匀，层次清晰，影像平均云量小于5%。利

图 1 元上都遗址地理位置Figure 1 The geographical location of Xanadu site

用 Erdas Imagine 2013软件对遥感影像数据进行波段合并，影像合成，随后进行影像校色、锐化、几何校正，并进行投影转换，投影定义为Albers110_Krasovski_1940，再利用ArcGIS 9.3，对遥感影像的解译标志进行分析和判断、归纳，得到各年度的遥感解译数据。所得到的遥感解译数据经过拓扑处理，提取各年度的土地利用类型数据和年度间动态变化数据，利用 Microsoft Excel 2007 对数据进行统计处理。最后利用ArcGIS 9.3中的Spatial Analyst工具将矢量数据转化为Grid格式的数据，导入Fragststs 3.3中，选取景观层面的相关指数，得出各个年度的数据结果。

1.2.2 研究方法

土地利用分类体系采用环保部制定的《生态环境状况评价技术规范》(HJ192-2015)中的土地利用/覆盖分类体系[17]，包括耕地、草地、林地、工矿建设用地、水域湿地、未利用地6个一级类型。对研究区内的所有土地利用类型分类，按年度分析一级类型的变化情况，并对土地利用转移矩阵进行分析。同时引入单一土地利用动态度以及综合土地利用动态度两个指标来对元上都遗址区域土地利用发生动态变化的速度进行描述[18-20]。

为了定量描述和监测研究区景观结构特征随着时间的变化情况，将较为复杂的景观分为简单并且易于识别的景观格局，选用了景观特征指数[21-22]，利用 ArcGIS 9.3及 Fragstats 3.3等软件，进行相关数据的处理，得到景观格局特征数据，着重从景观水平指数(landscape-level index)层面进行分析，选取总面积(TA)、斑块数(NP)、斑块密度(PD)、Shannon多样性指数(SHDI)等8项指标进行分析。

2 结果与分析

2.1 土地利用变化幅度分析

2013年，在6个一级土地利用类型中，所占面积比例从大到小依次是草地、水域湿地、农田、林地、未利用地、建设用地(图2)，面积分别为153.63、27.92、25.05、22.98、12.46 和9.13 km2(图3)。1984-2013年，农田面积变化最大，共减少了23.48 km2，其次为林地，共增加了 21.37 km2。水域湿地面积、建设用地、草地面积均有所增加(图3)，分别增加了3.45、2.45和0.51 km2，未利用地面积减少了1.38 km2。如图4所示，可以清晰的看到元上都遗址区域6期土地利用类型的变化。

图 2 元上都遗址2013年一级土地利用类型面积比例Figure 2 Area ratio diagram of first-level land-use types of Xanadu sites in 2013

图 3 元上都遗址一级土地利用类型变化Figure 3 Changes in first-level land-use types in Xanadu site

2.2 土地利用动态分析

元上都遗址区域1984-2013年之间的土地利用动态率表1)表明，单一土地利用动态度方面，林地、水域湿地、建设用地变化速率呈递增趋势，其中林地递增速率最高，为14.00%，尤其是2000-2005年期间，递增速率极快；建设用地变化呈递增趋势，并在2010-2013年达到最大值；水域湿地年动态率为0.49%，年度间动态幅度变化较为剧烈；草地整体上的动态变化不大，但是年度间呈现明显的波浪形波动变化趋势；农田年递减速率为1.67%，2000-2005年递减速率最高，为-8.95%；未利用地年动态也呈现递减的趋势。综合土地利用动态度在1984-2013年间递增，在2000-2005年达到最大值。

2.3 土地利用转移矩阵分析

1984-2013年元上都遗址区域土地利用类型变化转移矩阵(表2)分析表明，1984-2013年，农田转出较为明显，分别有18.04 和12.97 km2转化为林地和草地，而2.33和5.14 km2的林地、草地转化为农田；林地总体上以转入为主，主要为农田、草地转化为林地，分别为18.04和5.67 km2；草地转入和转出面积大致相当，转入主要为农田、未利用地转化为草地，转出主要转化为农田、林地以及未利用地；水域湿地以转入为主，主要为草地、林地转化而来；建设用地以转入为主，以草地、林地、农田为主；未利用地转化与草地之间也相互转化，由于未利用地主要为沙地类型，因此转移过程主要为草地沙化及固沙治理等原因，同时也有少量林地转化为未利用地。

表2 元上都遗址区域一级土地利用类型转移矩阵Table 2 Transfer matrix of first-level land-use types in Xanadu site

2.4 景观格局变化分析

通过6期遥感解译数据计算获得一级土地利用类型的各个景观格局指数。一级土地利用类型景观水平特征变化(表3)显示，1984-2013年，元上都遗址区域斑块密度变化无明显的规律性，2005年时斑块密度达到最大，说明2005年景观最为破碎化，随后斑块数量有所降低；最大斑块所占景观面积的比例均保持着较高比例，说明景观中一直保持着一个优势斑块；景观在2000年具有最高的聚集度，而2005年景观分割指数达到最高，但变化幅度均不大。6个时期的Shannon多样性指数值介于1.18～1.30，说明整个景观存在一定的异质性，景观破碎化；2005年景观多样性最高，破碎化程度最高，1984年景观多样性最低，破碎化程度也最低；Shannon均匀度指数位于0.66～0.73，说明景观整体上均匀度较高，2005年达到最大值，景观最为均匀，1984年和1995年景观均匀度最低。

表3 1984-2013年一级土地利用类型景观水平特征变化Table 3 Changes in landscape characteristics of first-level land-use types from 1984 to 2013

3 讨论

元上都遗址区的本底景观是草原景观，这与许多其他的文化遗址所处环境形成了鲜明的对比，具有草原游牧文化遗址独特的风格[23]。草地是整个研究区域中最主要的土地利用类型，草地在研究时间段内呈现出面积先减少后增加的趋势。研究区综合土地利用动态度最高的时间段是2000-2005年，这与刘冠志等[13]认为草地和耕地是主要的土地利用类型并且土地利用动态主要发生在1990-2000年的结论不同，这可能是研究的空间尺度和时间尺度不同所导致。2000年之前，研究区各土地利用类型面积变化不大；2000年之后，研究区陆续开始开展了京津风沙源治理工程、退耕还林还草工程等生态建设工程[24]，使得土地利用类型间发生了较大变化。同时元上都遗址区景观格局向多样化和破碎化方向发展，这与甄江红等[12]的研究结果一致，但是本研究结果也表明，斑块在向某些主要的景观类型聚集，局部地区并没有持续破碎化。

人为影响和自然条件变化是引起土地利用和景观发生变化的主要原因[25]，本研究也体现在这两个方面。首先，人为的开垦、退耕还林、放牧等活动直接影响了土地利用类型的转移和变化。Ranjeet等[26]的研究表明，土地覆盖/利用的大规模变化会使草原的结构和功能发生退化；而土地利用的变化会直接影响景观的斑块数、破碎化指数、聚集指数等指标，与景观格局的变化密切相关[27]。元上都遗址区各个土地利用类型面积的不断变化伴随着景观格局中斑块密度、多样性指数、均匀度指数和聚集指数等指标的变化，生态建设工程的开展和农牧民对草地、耕地之间的选择是引起这些变化的主要驱动因素。其次，气候、降水等自然条件的变化，也是引起变化的驱动力之一。武录义等[16]研究得出，气温升高、降水减少是元上都遗址区气候的变化趋势，但从小尺度上来说，闪电河下游人工水坝对河流的拦截作用更为明显，使研究区水域湿地面积增加，反过来又对其他土地利用类型产生了影响。本研究未对气候因素产生的影响进行更多的讨论，这也是下一步的研究方向之一。

草地景观作为元上都遗址区域的本底景观类型，要保持和加大草地景观的面积，严格限制人类对草地资源的开发和利用，同时要加强已有生态建设工程的监管工作。2010-2013年，农田面积略有增加，主要是元上都遗址东部退耕还林区所种植灌木大量死亡，又人为开垦为农田，不但破坏了原有景观，还导致了开垦区的沙化。今后还需进一步采取有效的措施，提高草原区整体的景观功能[28]，结合日趋成熟的草原生态补偿机制[29]，加强对元上都遗址的保护。

4 结论

本研究运用 6 期 Landsat TM/OLI 遥感影像，选取单一土地利用动态度、综合土地利用动态度、土地利用转移矩阵及景观格局指数等指标，分析了元上都遗址区域 1984-2013 年土地利用、景观格局变化，结果表明：1) 草地是元上都遗址区域的主要一级土地利用类型，面积占到研究区域的一半以上，其次为水域湿地、农田；草地景观是研究区域的本底景观，但在研究时间段内草地面积呈现出明显的波动变化趋势，与林地、农田、未利用地之间频繁的进行着转移。2)1984-2013年，林地、草地、水域湿地、建设用地变化速率呈递增趋势，其中林地递增速率最高；综合土地利用动态 2000-2005 年综合土地利用动态度最高，年变化率为 2.09%，是土地利用变化最为剧烈的时间段，与这个时间段内所开展的生态建设工程密切相关。3)2000 年景观完整性最高，2005 年景观构成最为复杂，景观变化主要发生在2000-2005 年之间，多样性指数和均匀度指数最高，景观越来越多样化、破碎化，至 2013 年，景观已逐渐趋于稳定。