榆林市土地利用变化对景观格局脆弱性的影响
2020-07-02封建民李晓华
封建民， 李晓华， 文 琦
(1.咸阳师范学院 资源环境与历史文化学院，陕西 咸阳 712000；2.宁夏大学 资源环境学院，宁夏 银川 750021)
土地利用是人类对土地资源进行整治和改造的活动[1]，以此获取所需的生产生活资料，从生态学的角度就是面积、形状各异的土地利用类型的景观镶嵌体[2]。景观格局指大小和形状各异的景观要素斑块在空间上的分布与配置，它可以体现景观异质性的空间特征[3-4]，很好的反映区域生态环境的质量和脆弱性程度[5-6]。景观系统的脆弱性程度与系统对外界干扰的敏感程度和自身的适应能力有关[7]，同等干扰强度下，敏感程度越高、适应能力越差，景观系统越脆弱，其结构、功能等越容易发生不利于系统自身和人类开发利用的改变[7]，其大小采用景观格局脆弱度指数来衡量。作为全球变化的主要驱动因素，土地利用变化会直接导致生态系统结构和功能的改变，诱导区域生态环境脆弱度发生变化。近年来，在全球生态环境恶化的大背景下，由土地利用格局变化引起的生态环境脆弱性问题成为重要的研究方向[8-12]。
榆林市处于毛乌素沙地向黄土高原过渡地带，地形地貌、水文气候、土壤植被、景观格局呈明显的过渡性特征，是陕西省典型的生态脆弱区。近年来，在区域社会经济发展、城镇化快速推进、退耕还林工程等因素的共同驱动下，土地利用景观格局发生了深刻的变化。本文以综合土地利用动态度、土地利用程度综合指数作为土地利用变化的指标，分析了榆林市近25年来土地利用和景观格局变化特征，并探讨了土地利用分布、利用程度、变化速度和转移类型对景观格局脆弱性的影响，旨在为优化土地利用景观结构空间配置，降低生态风险提供科学依据。
一 研究区概况
榆林市位于陕西省最北端，是陕、甘、宁、蒙、晋5省(自治区)结合部，处于黄土高原与内蒙古高原交界处，属黄河中游地带。北部地势平坦，沙丘广布，风蚀强烈，为风沙草滩区，南部相对高差大，土壤稀薄，水蚀严重，为黄土丘陵沟壑区。境内最高海拔位于定边县南部的魏梁约1 907 m，东南部清涧县无定河入黄河口海拔最低约560 m。全市辖1市2区9县，面积43 578 km2，2017年全市人口340.33万，生产总值3 361.29亿元，处于全省第二，人均生产总值位列全省第一，经济发展在陕西省处于较高水平。研究区属温带-温暖带半干旱大陆性季风气候，冬季寒冷，夏季酷热，昼夜温差大，降水稀少，年均气温10.7℃，年均降水量400mm，蒸发量2 200mm，无霜期150d左右。
二 研究方法
(一)数据来源与处理
榆林市1990—2015年5期土地利用数据由中国科学院资源环境科学数据中心提供，下载地址：http://www.resdc.cn。该数据为30m分辨率的栅格数据，包含22个二级土地利用类型信息，为研究需要，在ArcGIS10.1软件中利用Reclass工具按6个一级土地利用类型进行重分类。考虑到景观的尺度效应和计算效率，按2.5 km×2.5 km的空间尺度将榆林市划分为7 330个网格。利用ArcGIS10.1中的Patch Analysis插件计算每个网格中的景观指数，在Excel软件中计算每个网格的景观格局脆弱度。
(二)土地利用变化
1.综合土地利用动态度
综合土地利用动态度反映某一时段内各种土地利用类型之间相互转化的速度和剧烈程度，是研究区域土地利用变化的重要模型之一，其计算公式为[14]：
(1)
式中：LUi为开始年份第i类土地利用类型的面积；ΔLUi-j为研究期内第i类土地利用类型转化为第j类土地利用类型的面积；T为研究时长，常以年为单位；LC为综合土地利用动态度。
2.土地利用程度综合指数
土地利用程度综合指数(L)反映人类对区域土地开发利用的程度，是衡量区域土地利用深度和广度的重要指标。其计算公式为：
(2)
式中:Ai为土地利用程度分级指数，参考已有的研究成果[15]，未利用地=1、林地、草地和水体=2、耕地=3、建设用地=4；Ci为对应地类的面积比例。
(三)景观格局指数及脆弱度计算
1.景观指数选取与计算
根据研究需要，结合榆林市特点，本研究从较为宏观的类型级别和景观级别选取了一组的相关性小、应用广泛的景观格局度量指标。类型级别上选取了斑块密度(PD)、平均斑块面积(MPS) 、最大斑块指数(LPI) 、边缘密度(ED)等4个指数；景观级别上选择了斑块数(NP)、景观破碎化指数(FN)、平均形状指数(SHAPE_AM)、Shannon多样性指数、Shannon均匀度指数[16-17]。景观指数在ArcGis的Patch Analysis插件中计算。
2.景观格局脆弱度计算
景观格局脆弱度(LVI)与景观系统对外界干扰的敏感程度和自身的适应能力有关，因而，景观格局脆弱度可由景观敏感度指数(LSI)和景观适应度指数(LAI)来构建公式(3)[18]，LVI值越大，表示景观系统越脆弱。
景观敏感度指数常用景观干扰度指数(U)和景观易损度指数(V)来计算公式(4)。景观干扰度指数(U)由优势度(DO)、分维数倒数(FD)、景观破碎度(FN)分别赋以权重0.2、0.3、0.5加权求和而得公式(5)[18]。景观易损度(V)反映景观类型的抗干扰能力，根据前人研究和榆林市未利用地主要为沙地和裸地，草地主要为干旱草原，未利用地和草地对外界干扰较敏感，容易被破坏而改变，耕地次之，林地由于退耕还林政策易受到保护、而水体和建设用地分布集中，一般不易改变的特点，将V划分为6级权重分值，分别为未利用地= 6、草地= 5、耕地= 4、林地= 3、水体= 2、建设用地= 1。
景观适应度指数(LAI)与景观多样性有关，景观结构越复杂、分布越均匀，则其适应外界干扰的能力越强，其大小用斑块丰度密度(PRD)、多样性指数(SHDI)和均匀度指数(SHEI)相乘来计算公式(6)[19]。
LVI=LSI×(1-LAI)
(3)
(4)
Ui=aFNi×bFDi×cDOi
(5)
LAI=PRD×SHDI×SHEI
(6)
三 结果与分析
(一)土地利用及景观格局变化特征
1.土地利用变化
1990—2015年榆林市土地利用结构变化明显(表1)。草地面积始终占总面积的41%以上，是榆林市的优势景观类型，研究期间草地比例经历了增—减—增—减的波动变化，1990—2015年，草地是面积增加最多的一类景观，增加了1 138.69km2，增幅6.4%。耕地是第二优势景观类型，面积占比36.66%～40.19%，1995年前小幅增加，其后持续减少，2015年较1990年减少了905.9km2，减幅5.4%。未利用地是第三优势景观，面积占比在10%左右，近25年来面积减少最多，达1 552.5 km2，减幅26.3%，主要转化为草地和林地。林地和建设用地大幅增加，研究期间分别增加了28.8%和567.6%。受矿产资源开发等因素的影响，水体面积减少了46.3km2，减幅8.7%。总体来看，榆林市土地利用变化过程可分为两个阶段: 1990—2000年，在农业人口增加和农牧业发展等因素的驱动下，适宜耕作的草地、滩地被开垦为农田，未利用地被作为牧场，从而使耕地和草地面积快速增加，未利用地急剧减少；2000—2015年，由于退耕还林政策实施和城镇化速度加快，建设用地快速扩张，耕地不断向林地和草地转化，面积急剧减少。
表1 1990—2015年各种土地利用类型面积占比
2.斑块类型级别格局变化
耕地、草地面积比例最大，在榆林市的景观结构中占有重要地位，是基质景观类型，反映了农牧业在社会经济结构中具有重要的地位。 图1显示了各景观要素斑块类型级别的景观指数。可以看出，耕地和草地的边缘密度和最大斑块指数远大于其他景观类型，且其斑块密度和面积也较大，说明其对其他景观的影响较大，对整个景观系统的控制和支配作用强。耕地、草地、未利用地的平均斑块面积和最大斑块指数明显下降，而斑块密度大幅增加，表明其分布更为分散。
建设用地MPS增加了74.7%，LPI增加了21倍，PD和ED分别增加了1.6倍和4倍，比较而言，LPI增加的最为明显，表明建设用地急剧扩张且有集中连片分布的趋势。林地和水体变化趋势相似，斑块密度和边缘密度明显上升，而最大斑块指数和平均斑块面积略有下降，说明大斑块的优势地位下降，有逐渐被小斑块所取代的趋势。研究时段内，6类景观的斑块密度均有所增加，表明景观更为破碎。
3.景观级别格局变化
由表2可以看出，榆林市景观斑块数在1995年前略有减少，1995年后快速增加，前期景观破碎化程度减小，2000年后快速增加，主要原因在于前期林地和草地过度利用后退化严重，小斑块不断被破坏且消失，与原来的沙地形成连片分布的未利用地，导致斑块数量减少；后期退耕还林政策实施后原连片分布的耕地被林地和草地斑块所分割，同时，随着经济发展和城市化进程加快对工矿、交通、居住等需求的增加，建设用地面积扩张、斑块增多，致使景观更为破碎。1990—2000年，平均形状指数增大，多样性指数和均匀度指数减小，而2000—2015年则向相反的方向变化，表明前期景观中大斑块的优势程度高，破碎化程度低，景观结构更为复杂，2000年以来，小斑块数量增加较快，景观由少数类型控制的程度有所改善，朝着均匀化和多样化方向发展。
图1 1990—2015年类型水平景观指数变化
表2 不同年份景观格局指数
年份斑块数平均形状指数破碎化指数多样性指数均匀度指数19902104632.130.000441.210.6819952095235.260.000441.140.6420002129033.260.000451.190.6620102525827.080.000531.220.6820153178623.360.000671.260.70
(二) 土地利用变化对景观格局脆弱度的影响
1.景观格局脆弱度时空变化特征
利用公式(3)计算了各网格的景观脆弱度，为便于统计分析和突显景观脆弱度空间分布特征，将各网格景观格局脆弱度由低到高按LVI≤3.5、3.5
榆林市景观脆弱度较高，以中和较高等级为主，占全市总面积的65%以上，其次为高和较低等级，分别占总面积的13.14%～17.31%和10.02%～16.25%，低脆弱区面积极少，仅占总面积的1.15%～2.26%(图2)。景观格局脆弱度与地形和景观类型的空间分布有密切的关系，北部风沙草滩区地形起伏较小，草地、耕地和未利用地为优势景观类型，景观破碎，易损度高，人类活动对景观干扰强烈，始终是景观脆弱度最高的地区，属于全市应该重点保护的区域；南部黄土丘陵沟壑区连片分布的草地和耕地为优势景观，景观连通性好，破碎度低，因而脆弱度也相对较低(图3)。
图2 不同年份景观格局脆弱度的面积比例
图3 不同年份景观格局脆弱度分布
在ArcGIS10.1中将研究时段每个网格前后LVI等级相减，获取景观格局脆弱度的变化情况，并按等级变化值 ≤-2、-1、0、1、≥2分为5级，分别代表下降快、下降、不变、上升和上升快。(表3，图4)。可以看出，1990—1995年，全市景观格局脆弱度略有下降，而1995年以后景观格局脆弱度上升明显，脆弱度等级上升的区域远远大于等级下降的区域。1990—1995年，脆弱度等级上升的区域集中主要分布在北部，中部地区脆弱度下降的比例略多于上升的比例，东部和东南部基本保持稳定，脆弱度等级变化的栅格极少。1995年以后，随着退耕还林政策的实施，南部丘陵沟壑区耕地向草地、林地和未利用地不断转化，原有的耕地景观被分割严重，景观变得更为破碎，脆弱度等级上升的区域由北向南扩展。
表3 不同时期景观脆弱度等级变化
图4 不同时期景观格局脆弱度等级变化
2.土地利用程度对景观脆弱度的影响
景观格局脆弱度(LVI)与土地利用程度关系密切，1990年、1995年、2000年、2010年、2015年两者的相关系数分别为-0.42、-0.46、-0.45、-0.43、-0.43，呈较强的负相关，即L值越高，区域LVI越低。为直观显示两者的关系，根据L值的大小，按0～150、150～200、200～250、250～300、300～400划分为低、较低、一般、较高和高5个等级，并获取不同等级LVI的分布情况(图5)。可以看出，L值低的区域中， LVI值以高和较高等级为主，L值高的区域中， LVI值以低和较低等级为主，而L值一般的区域以中等脆弱度等级为主。随着L的增加，LVI低等级面积所占的比例增加，中等等级先增后减，较高等级快速减少，高等级先增后快速减少。L由低到高变化时，LVI的变化趋势有明显的时间差异，1990—1995年，LVI处于高等级的比例有所下降，而2000年以后则大幅上升，原因在于引起综合指数增加的方式不同，1990—1995年以耕地、草地增加，未利用地减少为主，而2000年以后则以林地和建设用地增加为主。网格中耕地、草地等优势景观的增加，改善了景观破碎化程度，脆弱度也随之降低，而林地、建设用地等次要景观的增加造成优势景观被分割，使景观格局更为破碎，脆弱度也随之上升。
图5 景观格局脆弱度组成随土地利用程度的变化
3.土地利用动态度对景观格局脆弱度的影响
1990—1995年、1995—2000年、2000—2010年、2010—2015年4个时段研究区综合土地利用动态度(LC)分别为0.92、0.63、0.41和0.57，表明各地类之间相互转化的频率降低，土地利用趋于稳定。根据LC值的大小，按1%、2%、3%设置3个分割点将动态度划分为4个等级，由小到大依次代表低、一般、较高和高，并获取脆弱度变化情况在各等级上的分布(图6)。可以看出，随着土地利用速率加快， LVI上升和下降等级的比例明显增加，上升快和下降快等级的比例基本稳定，不变等级的比例明显减少。1990—1995年，LVI下降快和下降等级面积之和略大于上升和上升快等级的面积，土地利用变化在一定程度上改善了景观脆弱性；1995年以后，LVI上升和上升快等级面积之和均大于同期下降快和下降等级的面积，地类转化的结果加大了生态脆弱性，特别是2010—2015年，生态脆弱性增加最为明显。原因在于四个时期土地利用类型转移的方式不同，1990—1995年主要的转化类型是未利用地→草地(47.5%)、草地→耕地(20.6%)和耕地→草地(10.2%)；1995—2000年是耕地→草地(29.6%)、草地→未利用地(25.5%)、草地→耕地(14.5%)和草地→林地(14%)；2000—2010是耕地→草地(42%)、草地→耕地(23.2%)和耕地→林地(10.1%)；2010—2015年为草地→耕地(25.3%)、耕地→草地(20.2%)、草地、未利用地→建设用地(19.6%)。地类转移类型对景观格局脆弱性变化有重要的影响，当网格中主要转移类型为主要地类之间的相互转化时，对景观破碎度的影响较小，LVI变化不大，未利用地向林地和草地的转化有利于景观脆弱性的改善，林地和草地向未利用地的转化则会提高脆弱性，林地和草地之间的相互转化对脆弱度的影响较小。主要土地利用类型向次要地类林地和建设用地的转化，造成景观的分割，导致景观破碎度增加，景观格局脆弱度也随之显著提高。
图6 景观格局脆弱度变化类型在不同土地利用动态度上的分布
四 结论
本研究以1990—2015年土地利用数据为基础，利用GIS技术和景观生态学方法，分析了榆林市土地利用变化特征及其对景观格局脆弱性的影响。得出如下结论：
(1)近25年，榆林市土地利用结构发生了明显变化。受地理位置的限制和过度开发利用的影响，水域面积不断减少；退耕还林、生态修复等工程的实施，使大面积的耕地、未利用地转化为林地和草地；而随着经济发展，工矿、交通、居住等对土地需求增加，建设用地快速扩张，占用了草地和耕地。这种变化，导致斑块数增加，破碎化程度加深，景观由少数类型控制的程度有所改善，朝着均匀化和多样化方向发展。
(2)景观格局脆弱度的时空分布表明，在研究期间，整个榆林市的景观脆弱度有所上升，高脆弱度和较高脆弱度区面积增加，较低脆弱度和低脆弱度区面积减少。北部风沙草滩区始终是高脆弱度聚集分布的地区，且其脆弱度上升最为明显，因此是应该重点保护的区域。中部和西部以草地和耕地景观为主的地区是低脆弱度聚体分布的区域，其脆弱度下降的比例略多于上升的比例。东部和东南部以中等脆弱区为主，脆弱度变化不大。
(3)景观格局脆弱度与土地利用程度综合指数的相关系数在各时期分别为-0.42、-0.46、-0.45、-0.43、-0.43，两者存在较强的负相关。随着土地利用动态度增加，景观格局脆弱性有上升的趋势。未利用地向林地和草地的转化有利于景观脆弱性的改善，反之林地和草地向未利用地的转化则会提高脆弱性，林地和草地的相互转化对脆弱度的影响较小；主要地类耕地、草地、未利用地转化为次要地类林地和建设用地，会提高景观格局脆弱度，反之会降低景观格局脆弱度。
土地利用类型数量和结构的变化对景观格局脆弱度有重要的影响，控制建设用地过度扩张，加大草地面积可以有效降低景观格局脆弱度。另外，在退耕还林时，还应科学制定规划，避免耕地被过度分割和林地斑块过多，从而造成景观破碎化加剧，脆弱度上升。
