基于GIS分析的西北地区土地利用与景观格局演变研究——以甘肃省兰州市为例

刘星雨 种培芳

以西北地区重点城市兰州为研究对象，借助ENVI和GIS软件对兰州市1990、2000、2010年及2018年遥感影像图进行解译处理，得到兰州市4期土地利用型图。在此基础上进一步运用Fragstats及SPSS软件，进行类型变化、动态度、转移情况、相关性及景观格局指数分析，探寻其变化情况及影响因素。结果显示：（1）1990—2018年间，研究区土地利用和景观格局发生了明显变化，耕地、草地等自然景观利用类型面积逐年减少，建筑用地等人工景观利用类型面积则逐年增加；（2）驱动因素分析表明人为驱动因素GDP与城镇化率等是驱动土地利用变化的主要因素，总体变化与城市化的加快密切相关；（3）景观指数分析表明，人工景观的无限制扩张，导致整体景观向破碎化发展，景观复杂程度增加，斑块逐渐趋于分散。综上分析认为，兰州市的土地利用与景观格局状况在28年间趋于复杂，城市化发展是造成土地利用和景观格局向人工发生演变的重要因素。兰州市需要贯彻可持续发展理念，结合自身优势进行绿色生态农业及水域建设。

兰州市；土地利用；景观格局；景观指数；驱动因素

土地一直是人们赖以生存的基础和重要资源，而土地利用的变化又将导致景观格局的变化[1]。景观格局是景观异质性的具体体现，同时也是各种生态过程在不同尺度上作用的结果[2-3]，景观格局的改变必将会对区域生态系统功能产生影响。因此，把握研究地土地利用与景观格局变化及成因，并对其格局进行优化调控是维持区域生态系统功能稳定性的重要手段[4]。造成土地利用和景观格局变化的原因有很多。目前，国内外相关学者通过相关软件和数字模型的使用，能够较为准确地分析得出土地利用和景观格局变化的原因及影响因素，进而把握研究地发展规律[5-8]。这些研究结果为解决相关生态、社会等问题提供了解决依据，对于了解研究地生态结构、发展进程、景观演变等具有重要意义。

“两屏三带”（青藏高原生态屏障、黄土高原川滇生态屏障、东北森林带、北方防沙带和南方丘陵土地带）中生态屏障区是国家生态安全战略格局的重要组成部分[9]。兰州作为西北地区的重要城市，位于“两屏三带”（其中涉及青藏高原生态屏障、北方防沙带、黄土高原川滇生态屏障）建设的重要地区（图1），其土地利用及景观格局的变化将会影响战略布局的生态稳定性和安全性。同时，兰州作为甘肃省会，是西北地区的交通枢纽，在工业建设、经济发展以及生态稳定方面占据重要位置[10]。分析其总体景观演变，有助于把握我国西北地区景观生态方向，对所属地区城市发展、土地利用合理性选择、生态建设都有重要作用。目前，国内外对于甘肃地区景观格局演变的相关研究较少。当前兰州城市建设中土地利用是否合理、景观格局如何变化、这种土地利用及景观格局变化对当地生态安全会产生怎样的影响等，都是亟待解决的问题。

1.研究区地理位置

本研究以甘肃省会城市兰州为研究对象，在1990年、2000年、2010年、2018年4个时间节点遥感信息源的基础上，运用遥感（RS）、地理信息系统技术（GIS）、景观指数分析技术（Fragstats）和SPSS软件，对兰州市28年间的土地利用和景观格局演变进行系统分析，探析其土地利用景观格局变化方式及影响因素，以期为甘肃地区土地资源可持续发展和城市化建设提供依据。

1 研究区概况

兰州地处甘肃省东部，黄河之滨，是甘肃省经济、政治、文化中心，同时也是“两屏三带”生态屏障的重要组成部分。兰州市占地面积1.31 万km2，坐标36°03′N，103°40′E，海拔1 500～3 000 m，处于北温带，属于典型的温带大陆性气候，年平均气温10.3℃，年平均降水量为327 mm。由于地处西北，深居内陆，成雨少，气候较干旱，旱地较多、林地较少，水域面积占比较小。地势西南高、东北低，黄河自西向东穿过，两侧多为丘陵群山，形成两山夹一河、峡谷盆地相间的河谷地形。兰州市下辖五区三县，分别为城关区、七里河区、安宁区、西固区、红古区、皋兰县、榆中县、永登县。常见景观类型主要由耕地、草地、林地和城市建设用地构成，草地、耕地为主要用地类型。

2 研究方法

2.1 数据来源与处理

通过RS技术，在保证清晰度的前提下，选取云层比例适当、时间靠近7～8月的Landsat卫星影像图，年份分别为1990年、2000年、2010年、2018年。经过系统预处理，导入ENVI5.3软件，进行精校正及配准，波段组合，相对辐射归一，去霾等操作；再根据研究需要，按照兰州市地理轮廓对图像进行裁剪，进一步解译得到土地利用型图。根据《土地利用现状分类》（GB/T21010-2007）的分类标准，结合研究需要，在前图的操作上进行监督分类，精度30 m×30 m，得到4期土地利用类型图；在4期遥感影像上选取多处不同地区的地块进行监督检验，得到kappa系数分别均处于80%以上，符合研究需要。将最终得到的文件导入ArcGIS软件，绘制出1990年、2000年、2010年、2018年的土地利用空间分布图（图2）；将4期矢量图按照耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地进行分类，统计各年份兰州市各类型土地占地面积，分别赋值10、20、30、40、50、60，转为栅格形式，作为后期运用Fragstats4.2获取景观指数以及运用SPSS进行相关性分析的基础。

2.1990—2018年兰州市土地利用变化

2.2 土地利用动态度变化

土地数量变化模型是土地利用变化分析中基本模型，土地利用动态度是土地数量变化的最核心的内容[11]。可分为单一土地利用动态度变化和综合土地利用动态度变化。本文选取单一土地动态度变化进行研究，具体计算见公式1。

其中，Ua和Ub，前者代表所选取土地类型以及所选取年份时间段的开始年份面积，后者代表结束年份面积，T为时间段。在此研究中，将T设定为年代，K为所选类型土地利用的年平均动态度。

2.3 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵是研究土地利用变化的常用方法[12]。通过GIS中SHP融合、相交叠加，得出融合SHP文件，将属性表导出，使用Excel数据透视表功能制作出4期兰州市土地利用转移矩阵。表中行列分别为开始和结束年份断点，表中数值则代表在这一时间段内行所代表土地类别转化为列所代表土地利用类别的土地面积数值。将4期数据进行对比分析，能够更加清晰地得出28年间兰州市的土地利用变化情况。

2.4 驱动因素

相关性分析方法包括回归分析、相关系数等。相关系数又分为皮尔逊相关系数、复相关系数、典型相关系数等[13]。利用《兰州年鉴》选取与研究区域时间相同的人工驱动因素和自然驱动因素数据，其中人工驱动因素包括GDP、粮食产量、人均收入、城镇化率，自然驱动因素包括年平均气温、年平均降水。通过SPSS软件将2种驱动因素与研究区6种土地利用类型组合，进行典型相关性分析。

2.5 景观格局指数

通过景观格局变化的研究，可以准确掌握研究地土地利用的演变规律。目前，景观格局变化的直观反映就是景观格局指数。根据研究需要，选择斑块类型尺度水平的指数，包括斑块类型面积（Class area，CA）、斑块类型面积比（Percent of landscape，PLAND）、斑块数目（Number of patches，NP）、斑块密度（Patch density，PD）、最大斑块指数（Largest patch index，LPI）、边缘密度（Edge density，ED）和景观形状指数（Landscape shape index，LSI）7种指数类型；景观尺度水平的指数包括景观形状指数（Landscape shape inde，LSI）、香农多样性指数（Shannon’s diversity index，SHDI）、香农均匀度指数（Shannon’s evenness index，SHEI）和分维数指数（Mean patch fractal dimension，MPFD）4种指数类型，结合Fragstats4.2和相关公式，计算所需指数。

3 结果与分析

3.1 土地利用类型变化分析

通过Fragstats计算的斑块类型面积和斑块面积占比2个指数，可以得出土地利用类型变化数据。由表1可知，兰州市的主要土地利用类型为草地，平均占比为60.40%；其次为耕地，平均占比28.30%；排名第三的是林地，平均占比6.91%；水域、建设用地、未利用地3种利用类型面积占比加起来不超过7%。

表1 1990—2018年兰州市土地利用数量结构

在1990—2018年28年间，兰州市的6种土地利用类型都有着不同大小的变化。其中，耕地类型28年间平均每年减少11.73 km2；林地面积在2000—2010年的10年间明显增加，2010年达到峰值944.30 km2，1990—2000年变化少，2010—2018年面积有所减少。草地面积与跟耕地面积相似，在28年间逐渐减少。建设用地面积增加最为明显，面积占比扩大2倍；水域面积增加幅度很小，基本没有变化；未利用地类型主要以沙地，裸土为主，近年来也有所增加。

3.2 土地利用变化速率分析

由表2可见，在1990—2018年的28年间，兰州市各土地利用类型的变化速率差别较大。其中，建设用地的总动态度为4.713%，变化速率最快；未利用地的变化仅次于建设用地，但由于其总体面积较小，变化程度不明显；其他4类用地类型的变化速率绝对值均小于0.5%，变化幅度很小。

表2 1990—2018年兰州市土地利用动态度（%）

从时间断点来看，动态度绝对值在1990—2000年、2000—2010年、2010—2018年3个时间段内有显著变化的用地类型为耕地、水域、建设用地；水域、建设用地面积为增加速率，耕地面积为减少速率。林地类型的动态度在1990—2010年间呈增长趋势，且后10年的增长速率是前10年的10倍，但在2010—2018年的8年间有所减少。草地类型动态度1990—2010年间由负变正，变化不大，2010—2018年面积降低且速率变快。未利用地的动态度波动幅度很大，总体面积有所增加。

3.3 土地利用转化情况分析

1990—2000年间（表3），转化面积最大的是草地，其次为耕地，两者占总转化面积的89.44%；净增长面积最大为建设用地，其他用地类型的变化绝对值很小，且被转化的36.38 km2建设用地中，有31.11 km2是由耕地转化而来，占到建设用地被转化总面积的85.51%，可见在1990—2000年间，市政规划很大程度上是将耕地逐步作为建设用地使用的。

表3 兰州市1990—2000年土地利用转移矩阵（km2）

2000—2010年间（表4），草地、耕地的转化面积占比仍然很高，占到总转化面积的84.79%。净转化面积上，耕地在2000—2010年占据首位，减少了163.66 km2，且主要转化为了草地和建设用地。可以看出，在这10年间，耕地持续减少，且幅度大于前10年，有大部分的耕地废弃变为草地，小部分的耕地继续作为城市建设用地使用。

表4 兰州市2000—2010年土地利用转移矩阵（km2）

2010—2018年间（表5），土地转化幅度突然大幅提升，8年间的土地利用转化面积远超前20年，总转化面积高达2 346.19 km2，转化面积中，草地和耕地依然占据总转化面积的绝大部分，占比85.27%。净转化面积上，建设用地净增长最高，为320.82 km2，剩余5种土地利用类型的净转化面积总和为336.56 km2，和建设用地基本持平，耕地、草地都有超过100 km2的面积转化为了建设用地，可见建设用地面积在这8年间的增加异常明显，这可能与兰州市的城市化速度大幅加快有关。

表5 兰州市2010—2018年土地利用转移矩阵（km2）

由表6可知，28年间，耕地和草地转化为其他土地利用类型的面积最大，两者占总转化面积的87.94%。从单一类型的转化和被转化情况看，建设用地转化成其他土地利用类型面积的净增长为417.2 km2，其中，耕地转化为建设用地的面积最多，其次是草地。净增长面积第二的土地利用类型为未利用地，达到23.19 km2，主要被转化对象是草地和耕地，可见28年间有一定数量的草地和耕地转化为沙地、裸土，暂时失去了利用价值。

表6 兰州市1990—2018年土地利用转移矩阵（km2）

3.4 驱动因素相关性分析

如表7所示，年平均气温与年平均降水量均未与5种土地利用类型构成显著相关关系，可以看出，驱动兰州市土地利用变化的主要因素为人为因素。其中，耕地类型与GDP和人均收入呈显著负相关，且与各项相关系数均成负相关且绝对值均高于0.8；林地类型与5种指标未出现显著相关且相关系数较低；草地类型与粮食产量之外的人为因素及平均降雨量相关系数绝对值均大于0.8，有较高负相关性；水域类型与GDP呈显著正相关，且与粮食产量之外的人为因素有较高正相关性；建设用地与粮食产量之外的人为因素呈显著正相关，与城镇化率呈极显著正相关；未利用地与各驱动因素无明显相关性。

表7 兰州市1990—2018年土地利用变化驱动因素相关性分析

3.5 景观指数分析

3.5.1 斑块水平上的景观指数分析

兰州市的各项景观指数在1990—2018年期间都有明显的变化（表8）。从每种指数类型来看，斑块数目（NP）最高为耕地类型，但是耕地类型的斑块面积占比只有不到30%，说明耕地类型的斑块破碎度较高，分布较分散。建设用地的NP值排名第二，分布也较为分散。草地的最大斑块指数（LPI）最大，且斑块类型面积比（PLAND）最大，说明草地是研究区域的土地利用基质类型，优势度高，分布较集中。边缘密度（ED）排名第一同样是草地，其次是耕地，且两种土地利用类型在ED指数数值上差别不大，说明耕地和草地对于兰州市的土地利用斑块总体影响最大，对其余的景观有强大的干扰作用，边缘效应明显。而景观形状指数（LSI）则反映了景观类型的复杂程度，耕地的LSI最高，形状和分布情况最为复杂。

表8 兰州市1990—2018年斑块水平指数

从每种土地利用景观类型来看，耕地的LPI值28年间明显减少，但NP值、PD值、ED值均有所增加，可见耕地类型在28年间逐渐分散，破碎度提升；建筑用地的各项景观指数除LSI外均有所增加，说明建筑用地的优势度有所增加，且大的组团变得集中，有小组团的生成，整体城市建设更加成熟；林地、草地、水域的各项指标在28年间变化不大；未利用地的NP值和ED值增加明显，说明未利用地的分布逐渐分散，对相邻景观类型的影响变大。

3.5.2 景观水平上的景观指数分析

由表9可知，兰州市的总体景观水平指数在28年间也有所变化。景观形状指数（LSI）在3年内增加明显，兰州市的总体景观形状复杂度提升；SHDI（香农多样性指数）的增加说明兰州市景观斑块数目和异质性的增加，景观类型更加丰富；SHEI（景观均匀度指数）逐渐接近1，可见兰州市的景观呈逐渐均匀分布的状态。MPFD的取值范围为1～2，其值越大，斑块情况越复杂，可见兰州市的斑块破碎化程度在28年间有所提升。

表9 兰州市1990—2018年景观水平指数

4 讨论

4.1 土地利用转型对兰州市总体景观的影响

农业、工业和人口城市化引起的快速土地利用转型对生态环境有巨大的影响[14]。研究分析结果显示，截止2018年，兰州市的土地利用类型中，草地面积平均占比60.4%，依旧为兰州市的优势景观类型；研究区自然景观面积逐年减少，人为景观面积逐年增加，耕地、草地等自然景观呈现向建设用地等人为景观转化的趋势：28年间，耕地、草地占比分别降低2.45%、1.16%，并呈现向建设用地转化的趋势；建设用地增加速率最快，28年间变化数值为4.713%，可见兰州市城市建设活动活跃，工业化和城市化速度加快，大量耕地向人为用地转化。变化面积的急剧增加说明转化幅度的增加，进而表明了人为干预的增加。

驱动因素分析中，人为驱动因素是兰州市总体景观变化的主导因素。其中，GDP和人均收入的提升是导致耕地变化的主要因素，表明耕地对于人类的利用价值逐渐降低，更多的耕地在28年间转化为可以为人类谋利的土地类型；降雨量及人为因素共同导致了草地类型变化；水域的变化与GDP显著相关，主要是因为部分原有水域，例如黄河沿岸进行改造后可以带来经济收益[15]，新增水域面积中大多数为人工水域类型，其中包括石门沟水库[16]等水域建设设施；GDP、人均收入和城镇化率等人工因素共同导致了建设用地的显著变化，其中城镇化率是极为显著的主导因素，越来越多农村人口的涌入、城市建设以及经济的快速发展使越来越多的土地利用类型转化为建设用地。同样表明，兰州市的土地利用与景观格局变化主要是由人为因素导致。秦艳丽[17]对西安市土地利用研究发现，耕地面积大部分转化为建设用地对生态系统构成影响；韩海辉[18]对青海贵南县土地利用变化进行分析发现，人为活动才是导致研究区景观变化的主要原因；阴柯欣[19]通过对宁夏泾源县土地利用驱动力研究发现，社会经济发展是影响土地利用变化的主要因素；因此同为西北地区城市，土地利用演变的大致规律相同，对研究区总体景观和生态环境都构成了一定程度的影响。

4.2 景观格局与兰州城市化发展的关系

史芳宁[20]等认为，城市化的发展必然会对整体的景观格局和生态环境产生直接或间接的影响，城市与周边环境无论在物质交换还是空间的关系都较为复杂。李睿等[21]认为对于不同土地空间利用类型，城市化所造成的景观破碎的影响强度有明显差别，与城市活动交互密切的区域通常更易受到破坏。自然土地利用类型向人工土地利用类型的转变，导致兰州市总体景观破碎化程度增加，总体区域趋于复杂化，进而导致整个研究区域景观水平格局指数的变化加剧。景观格局指数的变化是由各个土地利用转变所造成的，更是各种驱动因素造成[22]。MPFD（分维度指数）是用来测定斑块形状影响内部斑块过程的指数，如物质交流、信息传递等。不同于SHDI和SHEI，其可以区分在各类型面积比例一定时，不同分布格局所造成的异质性[23]。结合SHDI、SHEI2种指数来看，其数值均有所提升，表明兰州市总体景观异质性增加，斑块数目、复杂程度增加，分布也较为均匀。在异质性程度和复杂程度增加的情况下，总体景观指数还能分布逐渐均衡，这很可能与近年来人为驱动因素有关。人类城市化进程加快，介入景观演变程度加深，使得原本各景观类型之间的制约影响被打破，不再单纯受一种或几种景观类型的支配，而是越来越受到人为因素的支配和制约。长此以往，景观格局的变化会愈加明显，而总体景观格局的变化必然会对生态环境造成不可磨灭的影响，其与人类活动的平衡将更加不好控制。

5 结论与展望

（1）1990—2018年间，兰州市各土地利用面积发生显著变化。28年间耕地、草地面积逐渐减少，大量转化为建设用地，导致建设用地面积显著增加，变化速率逐年提升，人类活动的大量干预造成了土地景观类型由自然向人工转变的大趋势。

（2）总体景观异质性增加，人为景观优势度提升，同时破碎化程度加剧，但各斑块却趋于均匀分布，表明人为驱动因素已经占据主要位置，打破了原有的景观平衡和相互制约，并且引导了土地利用和景观格局的变化。

过去28年间，随着我国西部发展战略和“两屏三带”生态安全战略等重要规划的提出，兰州市的发展愈加迅速，城市化愈演愈烈，景观格局演变是必然趋势。在此趋势下，协调城市社会发展与生态环境变化的关系，在发展和生态中做好权衡，坚持“绿水青山就是金山银山”的思想，结合兰州地区自身优势发展绿色产业[24]，如皋兰县什川镇休闲农业[25]、永登县生态产业建设[26]等，将城市发展同绿色产业相结合，注重生态，和谐发展；发挥黄河流域的地理优势，进行水体修复及水域建设[27]，进一步改善兰州生态；做好植树造林等生态环境保护工作，努力通过技术改良，尽最大可能开发未利用地类型的沙地裸土，减少未利用地类型面积，在生态中谋发展，在发展中求生态，将可持续发展进行到底。