盐池县土地利用自然生态位变化及其对景观格局的影响

张晓宁，刘学录，，王全喜，李晓丹，徐亚男

1.甘肃农业大学资源与环境学院，兰州 730070

2.甘肃农业大学管理学院，兰州 730070

0 前言

自1939年德国的Troll提出景观生态学(Landscape Ecology)[1]一词以来，已经历了近80年的研究历程。在宏观尺度上，研究景观要素的空间格局以及生态过程的相互作用和动态变化已成为核心内容。由于景观指数能够反映景观结构组成、空间配置特征以及表达简单量化等特点[2]，因此广泛应用于景观格局分析及动态变化的研究。充分理解景观格局变化和成因的社会和生态后果，使得人们能够预测未来景观动态并制定更加有效的景观管理策略的能力增强。

生态位理论是生态学重要的基础理论之一。国外生态位理论的应用领域主要集中于生物与城市两个方面，在生物领域的研究对象涉及到了动物[3]、植物[4]和微生物[5]等，对城市的研究包括人口生态位的可持续性[6]、城市生态位建设的弊端[7]等。国内关于生态位的研究除了生物[8-9]和城市[10]领域外，越来越多学者结合前人的研究，根据自己的研究方向，在生态农业[11]、森林资源评价[12]、企业发展[13]、医学预防[14]和区域旅游[15]等领域的研究也较为普遍。随着生态位理论的发展，该理论应用于土地利用的研究也越来越多[16-18]，倪九派等[19]、张侠等[20]基于生态位的态势理论构建了土地利用生态位的理论和模型。陈英等对土地利用生态位的概念与内涵给了明确的界定:土地利用生态位主要表示不同土地利用类型占用新生境的能力[21]，并指出土地利用生态位的主要内涵体现在自然生态位、经济生态位和社会生态位三个方面。巩中来等认为土地利用自然生态位主要是指土地在改善土地质量、涵养水源、调节空气质量、减少污染等生态价值方面的作用[22]。此定义反映了各土地利用类型在土地利用系统中占有的空间、所处的地位及其所具有的功能等，是土地利用生态位变化的一个驱动因素，即可以通过分析不同土地利用类型的自然生态位来研究土地利用变化的机理、过程及其未来的趋势。

由于土地生态位驱动下的土地利用类型变化，对区域物质循环和能量流动产生直接或间接的影响，是区域土地景观格局改变的重要因素之一[22]，而自然生态位作为土地复合生态位的一个属性，与景观格局存在着一定的关联性，因此可以运用相关性分析的方法探讨土地利用自然生态位与景观动态变化、景观格局变化的关系。目前，已有文章将景观指数与土地利用经济生态位结合起来对区域景观格局进行分析[23-24]，但从土地利用自然生态位角度研究景观格局的尚未见相关文章。本文选取处于农牧交错带的盐池县作为研究区域，将土地利用自然生态位理论引入到对县域景观格局的研究当中，研究土地利用自然生态位动态变化，探讨景观格局的动态演变及其与土地利用自然生态位的关系，不仅对该区生态环境建设及土地利用规划具有重要意义，而且对区域土地资源的可持续利用提供决策支持。

1 研究区概况

盐池县位于宁夏回族自治区东部，南北长110 km，东西宽 66 km，地处陕、甘、宁、蒙四省(区)交界地带，也是历史上中国农耕民族与游牧民族的交界地带。盐池县北接毛乌素沙漠，南靠黄土高原，是典型的过度地带，属典型的大陆性季风气候，冬冷夏热，晴天多，降雨少，光能丰富，日照充足温差大，冬夏两季气候迥异，平均温差28℃左右，秋冬交节之际，昼夜温差可达20℃。

2 数据源与研究方法

2.1 数据来源与处理

研究区行政区划数据和1995年、2005年、2015年的土地利用数据均来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn)，借助 ENVI 5.1、ArcGIS 10.2软件对数据进行处理得到；景观指数采用 Fragstats 4.2软件进行获取；相关系数计算基于SPSS19.0软件；图和表用Word和Excel进行制作。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用自然生态位模型

土地利用生态位是随着区域发展条件和土地利用方式的变化而不断变化的，土地利用生态位越大，地域空间单元吸引人流、物流的能力越强。土地利用自然生态位可以体现土地利用产生的生态效益(态)和潜在生态效益(势)，反过来讲，土地利用类型的生态效益可以反映土地利用自然生态位的高低，当某种土地利用类型的生态效益低时，其就处于低自然生态位，两者是同步变化的。因此相应的土地利用自然生态位模型可表达为[20-21，23]:

其中，i为土地利用类型；n为土地利用类型的数量；NEi为第 i种土地利用类型的自然生态位；Bi为第 i种土地利用类型的生态效益(生态效益的计算参考谢高地等[25]对生态系统服务价值的研究)；Ai为量纲转换系数(量纲转换系数的计算参考文献[26]，由于本研究数据源选取年份的时间间隔为10年，因此量纲转换系数为0.1)；Pi为第i种土地利用类型的潜在生态效益(潜在生态效益Pi通过计算该种土地利用类型生态系统服务价值的年均变化率得到)。

2.2.2 景观格局指数的选取

景观格局指数的重要作用在于它能描述景观格局，进而建立景观结构与过程或现象的联系，更好地解释与理解景观功能[27]。根据景观格局指数的内涵及盐池县自然环境和区位条件，本文从景观水平及斑块类型水平2个层次上选择了景观格局指数(表1):景观水平上选取蔓延度(CONTAG)、香浓多样性指数(SHDI)、香浓均匀度指数(SHEI)和聚集度(AI)；斑块类型水平上选取的指标有斑块数量(NP)、斑块密度(PD)、形状指数(LSI)、最大斑块指数(LPI)、斑块类型所占景观面积的比例(PLAND)和斑块内聚力指数(COHESION)。

在演讲语体中，修辞主体为了适应演讲领域的交际需要，往往要在特定的时境中，借助于有声语言和态势语言的手段，面对广大听众发表意见、抒发感情，由此来说服、感召和教育听众。[5]367要说服、感召和教育听众，就要做到修辞语义的明朗化、直白化，不能含蓄模糊。另外，正因为是面对听众的演讲，尤其是即兴式演讲，几乎就是日常口头交际在郑重场合的演绎，所以像口头交际一样也规约了简洁明了修辞语义的使用。即使是有准备的演讲，当把书面的演讲辞转化为口说的演讲辞时，也就等于认同了口头交际的基本修辞要求，所以对修辞语义的表达也尽量要做到简洁明了，以使听众能够在快速流动着的时间内抓住修辞语义的关键所在。例如：

表1 景观格局指数及意义Table 1 Landscape pattern index and its significance

3 结果与分析

3.1 土地利用自然生态位变化分析

根据土地利用自然生态位模型计算 1995—2015年盐池县的各景观要素自然生态位。从表2可知，1995—2015年盐池县各类景观要素自然生态位的变化特征为:耕地的自然生态位和水域的自然生态位都是先下降后上升；林地的自然生态位在 1995至2005年的变化较快，由0.1354增加到0.1856；草地的自然生态位是各景观要素里主导性最强的，但依旧呈不断下降的趋势；未利用地的自然生态位较低，由 0.0195下降到 0.0154，呈缓慢下降的趋势。土地利用自然生态位的总体变化特征为耕地、草地、未利用地的自然生态位呈现下降的趋势，而林地和水域的自然生态位不断上升。

3.2 景观格局时空演变分析

3.2.1 各景观要素面积分析

对 1995—2015年盐池县各景观要素面积进行统计(表3)可知，草地和耕地是盐池县主要的景观类型。草地的面积先增加后减小，而耕地的面积呈先减小后增大的态势，但草地所占的面积比例始终最大。在1995、2005和2015年这三个时间节点处，二者的面积和占盐池县总面积的 80.65%、80.41%、80.50%。整体来看，面积分布依次为草地＞耕地＞未利用地＞林地＞水域。

3.2.2 景观类型水平分析

由表4可知，在1995至2015年期间，随着人类活动的加强，耕地的景观指数呈先减小后增加的态势，其中，斑块密度和斑块数量增加了2倍，最大斑块指数由0.99上升到1.07，上升了8.08%，说明耕地景观斑块之间的破碎化程度增强、连通性降低。

表2 1995、2005、2015年盐池县各景观要素自然生态位Table 2 The landscape natural ecological niche of Yanchi County in 1995, 2005 and 2015

林地、草地的斑块数量和斑块密度在 1995—2015年间不断增加，其中林地的斑块数量和斑块密度分别增加了49.39%和50.00%，2015年草地的斑块数量是1995年斑块数量的三倍多。林地的最大斑块指数和形状指数总体上呈增加的趋势，变化量分别为0.20和6.01，而草地最大斑块指数和形状指数则呈减小的趋势，表明草地景观趋于破碎化、优势度下降，并且草地景观的形状向规则化的方向发展。此外，林地的斑块内聚力指数在1995—2015年间分别增加了 0.20，表明这种景观要素类型的分布越来越集中，自然连通度提高。

水域的景观指数是所有景观要素里最小的，这与盐池县处于荒漠地区的地理位置有关。未利用地的斑块数量、斑块密度和形状指数一直在增加，而最大斑块指数和斑块类型占景观面积的比例减小，表明该景观趋于破碎化且优势度下降，这说明随着研究区经济的发展与政策的变化，人类对未利用地的利用程度加强。

3.2.3 景观水平分析

从表5中的景观水平的指标来看，研究区蔓延度、聚集度、多样性指数和均匀度指数这四个景观指数都是先下降后上升的变化趋势，但蔓延度和聚集度总体上表现为下降，而多样性指数和均匀度指数总体上表现为上升。其中，蔓延度的下降幅度较大，表明景观要素间的通达性和连续性下降。此外，2015年的多样性指数和均匀度指数比1995年分别略微增加了0.04和0.01，多样性指数增加表明研究区整体景观的破碎现象和复杂程度增加，景观优势类别对景观的整体控制作用在减小。据此，可知研究区的整体景观愈加多样化、破碎化、离散化和不规则化。

表3 1995、2005和2015年盐池县各景观要素面积及比例统计Table 3 Area statistics of landscape elements of Yanchi County in 1995, 2005 and 2015

表4 1995、2005和 2015 年盐池县景观要素水平指数Table 4 Indexes on landscape class level of Yanchi County in 1995, 2005 and 2015

3.3 土地利用自然生态位变化及其对景观格局的影响分析

3.3.1 土地利用自然生态位与景观要素面积及其变化率的相关性分析

对研究区各景观要素的面积与相应的自然生态位进行相关性分析可知二者呈正相关，相关系数为0.934，在 0.01 水平(双侧)上达到显著，表明土地利用自然生态位与景观要素的面积存在一定的相关性。此外，由于不同景观要素类型的面积存在差异，运用变化率研究景观动态变化则可以减少不同面积大小和时期的差异，因此为了研究各景观要素类型的时空演变过程是否与自然生态位存在联系，对研究区1995—2005年和2005—2015年的各景观要素变化率与自然生态位变化率进行相关性分析可知二者呈强正相关性，相关系数为0.988，在0.01水平(双侧)上达到显著。该值略高于自然生态位与各景观要素面积的相关性，表明土地利用自然生态位的时间效应对景观要素类型时空演变的影响程度较大。

表5 1995、2005和 2015 年盐池县景观水平指数Table 5 Indexes on landscape level of Yanchi County in 1995, 2005 and 2015

3.3.2 土地利用自然生态位与景观格局指数的相关性分析

为进一步探讨盐池县土地利用自然生态位对景观格局变化的影响，运用 SPSS软件计算研究区1995—2015年各景观要素的自然生态位与相应景观格局指数的相关系数，得到二者之间的Pearson相关性(表6)。由表6可知，土地利用自然生态位与 NP和PD都呈较弱正相关关系，原因在于NP和PD的值越大，景观异质性越强、破碎化程度越大，对于土地利用自然生态位的响应程度很弱；土地利用自然生态位与LSI和COHESION的相关系数在0.05水平上达到显著，相关系数分别为 0.588和 0.632，说明某种景观要素的自然生态位越大，所表现出各景观要素在分布上越聚集，使得自然连通度提高；PLAND和 LPI与土地利用自然生态位的相关系数在0.01水平上表现为显著的相关性，相关系数分别为0.933和0.943，表明某种景观要素的自然生态位越大，使得该景观要素所占面积比例越大、景观优势度越强，对景观格局的影响也就越显著。

为进一步明确土地利用自然生态位与景观格局指数的关系，对相关程度高的指数与自然生态位进行分析(图1)。由图1可以看出，土地利用自然生态位与耕地、林地和水域的形状指数同步变化，而与草地和未利用地的形状指数呈无规律的变化；从最大斑块指数来看，耕地、林地、水域和未利用地的指数与土地利用自然生态位是呈规律性变化的；研究区内各景观要素所占景观面积的比例与土地利用自然生态位呈同步增大与同步减小的变化规律；对于斑块内聚力指数来讲，耕地和林地与土地利用自然生态位的变化一致，而草地、水域和未利用地具有不规律性。

表6 土地利用自然生态位与景观指数的相关系数Table 6 Correlation coefficients between land natural ecological niche and landscape indices

4 讨论

图1 1995、2005和 2015 年盐池县景观指数与土地利用自然生态位的关系Figure 1 The relationship between land natural ecological niche and landscape index of Yanchi county in 1995, 2005 and 2015

景观格局的变化会导致生态系统结构、过程和功能的变化，通过相关分析可知，部分景观指数与土地自然生态位之间存在着高的相关性，其中，土地自然生态位与最大斑块指数和斑块类型占景观面积的比例呈显著地相关性，与形状指数和斑块内聚力指数存在着相关性。这表明当土地自然生态位理论侧重于用土地生态效益来描述不同土地利用类型的贡献程度时，土地利用自然生态位的变化使得景观指数所引起的景观异质性发生变化，从而影响景观格局的变化。此结论与前人关于土地利用类型效益的差异体现为土地利用生态位的差异，这种差异促使土地利用结构发生调整[28]的研究结果基本一致，亦与于海洋等[23]、吴箐等[15]人将土地经济生态位与景观格局结合进行研究得出的结论有相似性，可知土地利用自然生态位的变化也是景观格局变化的重要影响因素且对景观格局具有驱动作用，可表征研究区自然环境的发展方向。

本文成为探究土地利用自然生态位变化下景观格局响应特征研究的一种有效尝试。但是由于本文仅以县域景观作为研究对象，选择的景观格局指数较少且仅在土地利用自然生态位方面对区域景观格局进行研究，而土地利用自然生态位对景观格局演变的影响是一个非常复杂的过程，还需选用更为科学的评价指标来进行价值测评，并需大量案例研究来探讨其影响关系与机制。因此，除了应当选择大范围的研究区域和更多具有代表性的景观指数外，将土地利用自然生态位和土地利用经济生态位结合起来与景观格局进行研究成为未来研究方向的重点。此外，在今后的发展过程中，盐池县要统筹好经济与生态效益，加强实施退耕还林(草)还草工程，采取人工恢复措施使整体景观保持稳定状态。

5 结论

笔者通过构建土地利用自然生态位模型，将其与景观格局相结合探讨了土地利用自然生态位与景观格局的关系，得出的主要结论如下:

(1)不同景观要素自然生态位的动态变化不同，林地和水域的自然生态位不断上升，耕地、草地和未利用地的自然生态位下降。对土地利用自然生态位的分析可知草地的自然生态位为 0.6以上，说明草地始终处于优势地位；而林地和水域的自然生态位不断上升，这表明林地和水域这两种景观要素越来越具有竞争优势。随着经济的发展以及城市化进程的加快，人类对景观的干扰程度加强使得生态效益也发生了改变，由于景观要素类型生态效益的差异体现为自然生态位的差异，因此各景观要素的自然生态位动态变化不同。

(2)从景观类型水平来看，在1995至2005年期间，研究区景观格局的演变特点是草地和耕地呈规则化、单一化的方向发展，林地的优势度增强且人类对未利用地的利用程度加强，这表明自盐池县于2001年起实施退耕还林工程以来，环境恶化趋势得到遏制，生态建设逐步走向良性发展的轨道。但从景观水平来看，研究区整体景观愈加多样化、破碎化、离散化和不规则化，环境恶化又愈加严重，说明该措施并没有持续性。

(3)土地利用自然生态位是景观要素类型演变的重要影响因子。土地利用自然生态位与景观要素面积和景观要素面积的变化率都具有强正相关性，其中，自然生态位变化率与景观要素面积变化率的相关性系数值略高于自然生态位与景观要素面积的相关性，这说明土地利用自然生态位的时间效应对景观要素类型演变的影响程度较大。原因在于土地利用自然生态位的改变使得土地利用结构发生变化，从而导致土地利用的变化，表现为景观要素类型的变化。

(4)土地利用自然生态位是景观要素空间配置的重要影响因子。从土地利用自然生态位与景观指数的相关性来看，斑块数量与斑块密度与自然生态位无相关性；形状指数和斑块内聚力指数与自然生态位具有正相关性；最大斑块指数和斑块类型占景观面积的比例与自然生态位具有强正相关性。此外，由具有相关性的4个景观指数与自然生态位之间的关系图可知，耕地和林地的形状指数、最大斑块指数、斑块类型占景观面积的比例和斑块内聚力指数与土地利用自然生态位是同步变化的，而草地、水域和未利用地的指数与土地利用自然生态位无规律性。