榆林市景观格局(2000—2020)时空变化*

艾 敏，范辰乾，景 慧，武 琳，赵志鹏

(自然资源部第一地理信息制图院，西安 710054)

景观格局即景观要素在空间上的排列格局，是研究生态系统质量及功能的重要组成部分，景观格局的时空变化尤其影响着区域的生物多样性等指标，对区域整体生态变化起着关键作用。当前关于景观格局的研究主要集中在基于土地利用的景观生态或景观格局指标构建，以及景观生态风险等方面。目前土地利用变化的研究景观格局是较为主要的方法，土地利用作用于地球系统五大圈层的交界处，易于受到干扰[1]，尤其在人类活动或经济发展迅速的区域，在土地利用变化剧烈的背景下，其对景观格局、生物多样性及整个生态系统有着重要影响[2-5]，土地利用对景观格局的影响、景观破碎化、景观指数的粒度和尺度效应及其选取的合理性等方面的研究越来越多[6]。在此基础上，文献[7]从“自然-人类社会-景观格局”3个维度对宁江流域景观生态风险进行了综合评价。文献[8]采用景观格局指数法，以山西大同市左云县等地区为例，对资源型城市景观格局差异进行了分析。文献[9]探讨了盐城滨海湿地景观格局和人为干扰度的动态变化及响应，发现研究区的人工景观不断向海推进，逐渐取代自然景观成为当地的主导景观。除此之外，目前较多的景观格局研究与气候、碳储存、景观风险、灾害等相关联[10-12]，大多数景观生态研究集中于滨海湿地，或以流域为单元进行研究，而采用行政边界范围，并以县域为单元的研究较少。近20年来，位于黄土高原的榆林市快速发展，自然和社会经济要素综合作用下使得榆林市的土地利用与景观格局发生了明显变化，这也给当地的生态系统带来了显著压力[13-15]。目前在榆林以县域尺度分析区域土地利用以及景观格局的变化，并探究其原因的研究尚不充分。

基于此，文中以榆林市的县域单元为研究区域，利用Fragstats平台构建了2000年、2010年以及2020年榆林景观格局，分析了其2000年、2010年以及2020年的土地利用变化，以期为类似区域的土地利用与景观格局结构改善以及生态系统服务功能提升提供理论依据。

1 研究区域、数据及方法

1.1 研究区域概况

榆林市位于陕西省，总土地面积42 920.2平方公里，包含2个区、1个县级市、9个县，是全国重要的能源基地，包括矿产资源和油气资源。榆林毗邻延安市，位于陕西北部属于黄土高原区域，不仅与宁夏、甘肃和鄂尔多斯接壤，且地理位置处于五省交界处。此外，榆林以毛乌素沙地为主要土地类型，并与黄土高原交界，同时也与内蒙古高原的交界区。榆林有世界七大煤田之一的“神府煤田”，长期以来，榆林的部分区域属于农牧交错带，长期受到水土流失等环境问题困扰，其生态环境脆弱。文中以县域为基本研究单元，榆林市的县域分别为：榆阳区、横山区、神木市(县)、府谷县、靖边县、定边县、绥德县、米脂县、佳县、吴堡县、清涧县、子洲县。

1.2 数据来源及方法

2000年、2010年、2020年的土地利用数据来源于自然资源部的GlobeLand30产品，GlobeLand30数据研制所使用的分类影像主要是30米多光谱影像，包括美国陆地资源卫星(Landsat)的TM5、ETM+、OLI多光谱影像和中国环境减灾卫星(HJ-1)多光谱影像；使用16米分辨率高分一号(GF-1)多光谱影像，其精度为30m，分为耕地、林地、草地、灌木地、湿地、水体、苔原、人造地表、裸地、冰川和永久积雪10个地类，并经过精度验证，满足研究需求；研究过程为了适应榆林的位置，在ArcGIS10.3平台中的坐标系设置为Asia North Albers Equal Area Conic。

文中通过Globeland30土地利用数据[16]，通过Fragstats4.2软件计算不同的景观格局指数，得到榆林市2000—2020年的整体的以及不同地类的景观指数变化状况。尺度选择是景观格局研究的重要基础，基于Fragstats4.2的景观格局指数计算分为3个尺度：景观水平、类型水平和斑块水平，文中选择景观水平探究榆林整体的景观格局变化，以及选择类型水平探究榆林不同地类的景观格局指数状况。

在景观水平下选取指数：斑块数量(Number of Patches，NP)、斑块面积(Patch Area，AREA_MN)、斑块密度(Patch Density，PD)、边缘面积比(Perimeter-Area Ratio，PARA_MN)、连续性指数(Contiguity Index，CONTIG_MN)、蔓延度指数(Contagion，CONTAG)和聚集度指数(Aggregation Index，AI)；在类型水平下选取指数：斑块密度(Patch Density，PD)、斑块面积(Patch Area，AREA_MN)、边缘面积比(Perimeter-Area Ratio，PARA_MN)、连续性指数(Contiguity Index，CONTIG_MN)、斑块数量(Number of Patches，NP)、聚集度指数(Aggregation Index，AI)，在类型水平下主要对易于受人类活动干扰并对生态系统有较大影响的耕地、建筑以及裸地进行计算。

其中斑块数量、面积、密度、边缘面积比等指数为Fragstats软件通过对各斑块周长、面积等指标自动测算得出。而连续性指数、蔓延度指数、聚集度指数的计算公式如下：

文中以连续性指数CONTIG_MN(又称邻接指数)评估斑块中栅格的空间连通性，其式为

(1)

式中：cijr为斑块ij中栅格r的邻接值;aij为各斑块面积;v为Filter矩阵[17]。

以蔓延度指数CONTAG描述景观斑块类型的团聚程度或延展趋势，包含了空间信息。CONTAG较大，表明景观中的优势斑块类型形成了良好的连接；反之，则表明景观是具有多种要素的散布格局，景观的破碎化程度较高，其式为

(2)

式中：Pi为i类型斑块所占的面积百分比;gik为i类型斑块和k类型斑块毗邻的数目，m为景观中的斑块类型总数目。

以同类型斑块像元间公共边界长度来计算聚集度指数AI(又称斑块聚合度)。当某类型中所有像元间不存在公共边界时，该类型的聚合程度最低，而当类型中所有像元间存在的公共边界达到最大值时，具有最大的聚合指数，其式为

(3)

其中gii为相应景观类型的相似邻接斑块数量。

2 结果及分析

2.1 土地利用变化

根据Globeland 30数据，利用Arcgis10.3软件计算得到了2000年、2010年和2020年的各土地利用类型面积，见表1。

从表1中可知，过去20年间，草地和耕地地类一直是榆林市最主要的土地利用类型。其中耕地地类在2000—2020年间整体呈现增多的趋势，而草地地类在2000—2020年间整体呈现减少的趋势。在各地类中，湿地占比最少，同时在2000—2020年间呈现减少趋势。湿地具有重要的生态水源涵养功能，湿地面积占比低并且持续减少的状况应引起重视。

表1 榆林市土地利用类型面积

2.2 景观格局构建

根据已有研究，景观格局均通过多种景观指数进行构建[1]，榆林市景观水平景观格局指数如图1所示，榆林市类型水平景观格局指数如图2所示。

图1 榆林市景观水平景观格局指数Fig.1 Landscape pattern index in landscape metrics in Yulin city

图2 榆林市类型水平景观格局指数

从图2可看出,① 榆林市县域的斑块数量指数分布相对不均匀，其中榆阳区和神木市(县)斑块数量处于较高的水平，神木市(县)斑块数量呈现上升的趋势，但是其斑块密度相对较小，而榆阳区斑块数量呈现下降趋势，其密度也处于较高水平，整体反映出榆林市的景观整体较为破碎化。此类现象在榆林市的榆阳区和神木市(县)较为严重，并且斑块面积指数和周长面积比的状况也印证这一现象；② 榆林各县域连续性指数基本呈现上升趋势，但蔓延度指数基本呈现下降趋势，聚集度指数方面，变化不大，整体反应出榆林景观连续性上升，但其延展趋势减弱，其景观更加分散；③ 榆林市整体的斑块破碎化程度和分散化趋势显著，结合类型水平(图3)，可以确定2000—2020年间破碎化和分散化主要发生在耕地地类和裸地地类，表明耕作等人类活动要素对景观格局产生了较为深刻的影响，而建筑用地等在一定程度上通过其面积的扩张，造成了耕地等地类的不连片分布，对其破碎化和分散化趋势的加强具有助推作用。榆林市2000—2020年间持续破碎和分散的景观格局对榆林整体的生态系统产生了较大的压力。

从图3可看出，榆林各县域耕地、建筑、裸地的平均斑块面积指数总和分别为13 932.123,1 896.140,33.038，其中耕地远远多于建筑和裸地，说明在3类对生态系统有较大影响的地类中，耕地是主要优势景观，其斑块数量和密度呈现增长趋势，但聚集度呈现下降的趋势，其破碎化程度增强，反映出人类扰动下的耕地景观破碎严重，给生态系统带来压力。

同时，耕地的连续性指数大多呈现下降的趋势，但聚集性指数除部分县域有明显的下降趋势外，其余县域变化规律不明显。在建筑方面，榆林建筑类型斑块数量、面积、密度呈现上升趋势，其中榆林市的榆阳区、神木市(县)尤为显著，其在人类活动、城镇扩张等方面给生态系统带来更大的压力，建筑类型的聚集性指数和连续性指数变化规律不明显。在裸地方面，榆林市榆阳区的裸地斑块数量和密度较高，其中榆阳区的裸地斑块数量2000年、2010年、2020年分别为41 594,41 659,39 317，虽呈现下降趋势，但其指数远远大于其他县区，其对生态系统产生较大压力，除此之外，榆林市府谷县的聚集性指数和连续性指数表现出增长迅速趋势。在边缘面积比指数方面，除榆林市部分县域裸地类型外，其余类型各县域基本呈现上升趋势，其斑块紧凑程度下降。

在类型水平下，可以判断不同景观类型的景观生态状况，从而对整体的景观格局变化的原因进行判断。优势景观耕地的破碎化表现出人类对耕地的干扰较大，而建筑地类景观格局指数的变化表现出当地城镇化趋势明显，对当地的生态系统产生更强烈的影响。从整体来讲，景观格局指数一定程度上能够反映出了榆林市的生态系统的健康程度，人为等因素对耕地、建筑等景观的干扰或推进，使得榆林市的景观发生了深刻的变化，这种变化对整个生态系统来讲，无疑是强烈的干扰因素，并将成为生态系统服务功能发生变化的重要驱动力之一。

总体而言，景观格局状况反映出人口较为密集、经济较为发达的地区，例如神木市(县)、榆阳区面临较大的生态压力，榆林市整体的景观生态状况改善仍存在明显的提升空间，例如限制城镇扩张，发展不依赖面积扩张的新型城镇化模式。

3 结 论

1) 文中基于Globeland30土地利用数据，分析了榆林土地利用转移情况，并根据土地利用状况，通过ragstats4.2平台在景观水平和类型水平下计算了其景观格局指数。2000—2020年间，榆林景观水平下的景观格局指数显示其景观破碎化趋势加强，并且景观更加分散，类型水平下的榆林各县域耕地、建筑、裸地的斑块面积指数总和分别为18 740.871,3 093.980,40.324。其中耕地远远多于建筑和裸地，说明耕地是榆林生态系统威胁因子中的主要优势景观，其斑块数量和密度呈现增长趋势。但聚集度呈现下降的趋势，其破碎化程度增强，通过分析景观破碎下的主要景观类型，反映出人类干扰是景观破碎的主要原因。例如人类扰动下的耕地景观破碎严重，同时当地建筑地类的景观格局变化趋势表明榆林城镇化进程迅速，其中榆林市的耕地景观破碎化、分散化趋势以及城镇化趋势更加显著，给生态系统带来更加强烈的压力。

2) 生态系统外部因素例如人类活动对景观格局的干扰更为显著，从整个生态系统保护的角度来看，提出建议：加强土地整治力度，对破碎化严重的地类进行合并，尤其是耕地景观；控制建筑用地的增长规模，加强新型城镇化的发展力度，摒弃“摊大饼”式的建筑用地快速增长的传统城镇化发展模式；促进整体生态系统健康程度及功能的提升。其中，榆林市的榆阳区和神木市(县)在景观水平和类型水平的多个指数下均相对于其他区县较高，尤其是裸地斑块密度方面，由于这类景观类型与人类活动保持较大关联，所以存在较大的优化空间，提高景观或土地利用率，改善当地景观格局。