中国干旱半干旱区2000-2020年土地利用与景观格局演变特征及驱动力分析

陈硕,王卓然,赵庚星

中国干旱半干旱区2000-2020年土地利用与景观格局演变特征及驱动力分析

陈硕,王卓然*,赵庚星

土肥高效利用国家工程研究中心, 山东农业大学资源与环境学院, 山东 泰安 271018

中国干旱半干旱区土地利用及景观格局变化对西北干旱区生态维护与经济发展发挥着重要的作用。本文从土地利用变化和景观格局变化两个角度，利用GIS技术和Fragstats4.2软件，对我国2000-2020年干旱半干旱地区的土地利用和景观格局指数进行分析，对21年间的土地利用和景观格局变化模式进行研究，发现：(1)土地利用变化较为显著，且在全时段处于不平衡状态，草地与未利用地双向转换频繁。未利用地面积减少和建设用地面积增加为主要特点，建设用地面积变化幅度最大、动态度最强。(2)我国干旱半干旱区景观在整个研究期间呈现破碎化程度增加、异质性降低、形态日趋复杂的特点(3)土地利用变化深刻影响景观格局，人类活动是土地利用转变的重要驱动因子。人类对该地区土地利用程度的不断提高所造成的景观破碎程度的增加以及该地区景观优势度的直接改变，也从另一个侧面印证了景观格局改变的重要推动因素是人类活动。

土地利用; 景观格局演变; 驱动力

近年来，土地利用变化是全球可持续发展研究中的重要内容，是全球环境变化方面研究的热点[1]。随着景观生态学理论的不断发展，景观生态学与土地利用的综合研究得到了发展，并且逐渐成为进行土地利用变化分析的重要方法之一[2,3]。人类活动和自然因素都可改变土地利用类型，除自然因素外，土地利用变化可间接反应人类活动的影响强度[4]。我国西北干旱半干旱区的自然条件较为干旱和恶劣，各种土地问题严重威胁到了我国西北地区的发展，因此促进人地关系协调发展研究显得极为迫切。

景观指数能反映景观的丰富度、优势度、破碎度等特性[5]，因此利用景观格局指数来进行定量化研究，可以直观地分析出景观格局变化[6]；相关的景观指标如景观破碎度、聚集度等，在一定程度上能够较好地表现景观生态现状的用地变化情况。如王晓[7]等就规划实施前后土地利用变化对区域景观格局的影响，从地块和景观水平两个层面进行对比分析；袁轶男[8]基于Fragstats软件对上海市景观格局指数进行定量分析,并对上海市景观生态水平的优化提供可行策略。李倩雯等通过景观指数探讨了影响的空间异质性和对不同土地覆被影响的特点，提出了各景观指数的适用性[9]。因此，本文结合土地利用数据、GIS技术和景观指数计算，研究中国干旱半干旱区2000—2020年的土地利用和景观格局演变特征及其驱动力，研究结果可以为调整中国干旱半干旱区土地利用结构、优化景观格局提供了理论支撑。

1 研究区概况

中国干旱半干旱区包括新疆、青海、甘肃、宁夏全境以及陕西秦岭以北、内蒙古西部、山西西部等地，位于我国西北地区(73°33′E-124°30′E，31°58′N-50°1′N)。以温带大陆性气候为主，气候干旱，干旱半干旱区在我国生态、资源等方面占有极其重要的地位。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源及分类

土地利用类型数据来源于年度中国土地覆盖数据集产品，该产品使用Landsat图像构建了中国第一个源自陆地卫星的年度土地覆盖产品CLCD（China Land cover dataset）。选取其中2000年、2005年、2010年、2015年、2020年的数据并进行预处理，使用Arcmap 10.8软件对中国干旱半干旱区进行范围提取和重采样、土地利用类型数据的裁剪和重分类。

本文参照原始资料分类系统，综合考虑我国干旱和半干旱地区土地利用类型的特点，并按照我国第三次全国土地调查分类系统将研究地区分为耕地、园林地、草地、水域、未利用地、建设用地六大类土地利用类型。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用动态变化模型（1）土地利用变化幅度，是对某一时期内各土地利用类型的面积变化进行分析[10]，见公式（1）。

（2）单一土地利用类型动态度，表示某一时期某种土地利用类型面积的变化情况[11]，可以分析过去时间内的功能空间的变化趋势，并对未来进行预测，见公式（2）。

（3）土地利用转移矩阵，可以用以分析土地利用变化的结构和方向并预测其发展[12-13]，便于了解研究期内各土地利用类型变化的去向、来源与构成，见公式（3）。

式中：为某一时期内某一土地利用类型的变化幅度；为某一时期内某一土地利用类型动态度；U，U分别为研究期初、末某一土地利用类型面积；为研究总年份；A为时期的种土地利用类型转变为+1时期的种土地利用类型的面积。

2.2.2 景观格局变化指数本文在类型水平上选取平均斑块面积、斑块数量、最大斑块指数和景观形状指数等指数来分析斑块类型水平上的景观格局变化；在景观水平上选取斑块数量、景观形状指数、平均斑块面积、蔓延度指数、香农均匀度指数以及香农多样性指数等指数来分析景观水平上的景观格局变化[6,14,15]，并用Fragstats4.2软件进行计算。

（1）斑块数量(Number of Patches，简称NP)，斑块数量的多少反映了景观被分割破碎的程度，NP越多，景观越破碎。

（2）平均斑块面积(Area)，该指数反映了景观斑块面积的大小，同时反映景观的破碎化程度，该值越小，景观越破碎，见公式（4）。

（3）最大斑块指数(Largest Patch Index，简称LPI)，该指数是测量景观优势度的一种简单方法，LPI越大，景观的优势地位越高，见公式（5）。

（4）景观形状指数(Landscape Shape Index，简称LSI)，该指数反映了景观形状的复杂程度，LSI越大，景观的形状越复杂，见公式（6）。

（5）蔓延度指数(Contagion Index，简称CONTAG)，该指数反映了景观中不同斑块类型的聚集程度或延伸趋势，表征了景观异质性的大小，CONTAG越小，景观分布的越均衡，景观异质性越小。见公式（7）。

（6）香农多样性指数(Shannon's Diversity Index，简称SHDI)，该指数反映景观要素的多少及各类型要素所占比例的变动情况，表征景观异质性，SHDI越大，景观分布越均衡，景观异质性越小。见公式（8）。

（7）香农均匀度指数(Shannon's Evenness Index，简称SHEI)，该指数反映各类型景观占总面积的比例，表征景观的异质性，SHEI越大，景观分布越均衡，景观异质性越小。见公式（9）。

式中，a为某景观类型中第个斑块的面积或景观中第个斑块的面积，为某景观类型的斑块总数或景观中的斑块总数。max为某景观类型中最大斑块的面积或景观中最大斑块的面积，为某景观类型总面积或景观总面积。为某景观类型边界总长度或景观边界总长度。p为景观类型所占面积的百分比，g为类型景观和类型景观毗连斑块的数目，为景观类型的数量。

3 结果分析

3.1 土地利用变化分析

如图2所示，2000-2020年我国干旱半干旱地区的土地利用空间变化并不显著且相对稳定。耕地和建设用地多分布于平原地区，园林地和草地多分布在海拔较高的山地或丘陵地区，水域则零星分布于研究区内，未利用地多分布在干旱半干旱区的盆地和荒漠地区。

图2 中国干旱半干旱区2000、2005、2010、2015、2020年土地利用类型分类

在2000-2005年，未利用地转出、草地转入是主要变化形式。其中草地面积由1787637 km2增加到1805532 km2，净转入17895 km2，变化幅度为1.00%；说明该区域草地面积正在增多；水域、建设用地、园林地的面积也有着一定程度的增加，分别有着6.00%、16.65%和3.81%的变化幅度的提升；未利用地共净转出25905 km2，变化幅度为-1.38%，处于下降趋势，去向多为草地；同样处于下降趋势的是耕地，其面积减少了-13731 km2，有着-3.87%变化幅度的下降。在该时间段内，建设用地的土地利用动态度最大，达到了3.33%。

2005-2010年中国干旱半干旱区土地利用变化有所下降，以未利用地转出以及草地和建设用地转入为主要动态变化。其中草地和建设用地面积分别增大5777 km2和5964 km2，草地和建设用地转入量分别为87359 km2和6165 km2，说明草地伴随着转入和转出变化，而建设用地几乎只进行转入而不进行转出；水域、园林地和耕地面积分别升高6960 km2、4453 km2和4698 km2，说明耕地得到了一定的恢复和开垦，水资源和园林资源也不断增长；未利用地是该时期唯一处于下降趋势的土地利用类型，净减少27852 km2，其中去向多为草地。在此时期内，建设用地的土地利用动态度最大，且有上升趋势，为3.99%。

2010-2015年的中国干旱半干旱区土地利用变化显著提升，主要为频繁的草地和未利用地的双向转换，草地的净转出量为12421 km2，草地的增加被抑制并有下降趋势；耕地、园林地和建设用地有着上升趋势，上升幅度分别为3.08%、3.82%和15.51%，其中耕地延续了增加势头，而建设用地和园林地的增多有放缓趋势；处于下降趋势的还有水域和未利用地，均有小幅度下降。在该时期内，建设用地的土地利用动态度依然最大，但数值有所下降。

2015-2020年中国干旱半干旱区土地利用变化有所放缓，主要变化同样是草地与未利用地的双向转换。其中草地除去往未利用地外，主要转化为耕地28596 km2，而在此时段内水域、耕地面积总体上处于小幅度下降趋势，耕地多转换为草地，水域则多转换为未利用地；呈现上升趋势的土地利用类型为园林地、未利用地和建设用地，分别增加了4472 km2、14219 km2和4762 km2。在此期间，动态度最大的仍然是建设用地，但持续着下降趋势。

总体上，在2000-2020年中国干旱半干旱区有大量的草地和未利用地的双向转换，同时伴随着其他地类的不稳定变化。其中耕地呈现减-增-减趋势，并总体上处于减少趋势；园林地呈现稳定的增长趋势，且草地是主要的贡献地类；水域面积呈增-减的趋势，总体上为增多趋势，未利用地是主要贡献地类；草地呈现先增后减的趋势，并且随时间推移，草地面积越来越少。另外，发现“两极”：未利用地减少最多，共计46906 km2，同时是下降幅度最大的和动态度最小的地类；相反，建设用地增加了20554 km2，变化幅度高达80.21%，并且是各阶段动态度均为最大的地类。

表1 不同时段土地利用变化幅度及单一土地利用类型动态度

表2 2000-2020年中国干旱半干旱区土地利用转移矩阵

3.2 景观格局变化分析

在斑块数量指标上草地占主导地位，其次分别为未利用地、耕地、建设用地、园林地、水域，如图3所示。耕地、建设用地、园林地的斑块数量呈稳定上升趋势，草地、未利用地、水域的斑块数量均呈波动减少趋势；耕地、草地、未利用地的平均斑块面积减少，而园林地、水域、建设用地平均斑块面积增加；未利用地最大斑块指数最大，为优势景观地位；景观形状指数大小指标显示，建设用地呈现上升趋势，其他地类总体上比较稳定，为耕地>草地>园林地>未利用地>水域，说明建设用地正在不规则地。多方向地、快速地发展。

图3 2000—2020年中国干旱半干旱区斑块类型水平景观格局指数变化

表3 2000-2020年中国干旱半干旱区景观水平景观格局指数表

表3表明，2000—2020年间中国干旱半干旱区的景观格局总体上呈现出景观破碎化程度增大，景观异质性减小，景观形状复杂程度提高的特征。

（1）景观破碎化程度增大。在2000-2020年间，中国干旱半干旱区总体景观斑块数量逐渐增加，由2000年的119923个增加到了2020年的127262个，而平均斑块面积呈波动减小趋势，由2000年的2568.03 km2减少到2020年的2561.68 km2，这说明中国干旱半干旱区的景观分布趋于破碎，交错程度不断加深和不断复杂化。

（2）景观异质性减小。研究区内蔓延度指数和最大斑块指数呈减小趋势，香农均匀度指数和香农多样性指数呈增大趋势，其中蔓延度指数由2000年的52.85减小到2020年的51.41，最大斑块指数由2000年的40.61%减小到2020年的39.56%，香农均匀度指数由2000年的0.63增加到2020年的0.65，香农多样性指数由2000年的1.13增加到2020年的1.17，这说明中国干旱半干旱区中的优势景观类型有所削弱，各景观类型之间的面积比例差距缩小，景观向均衡趋势发展。

（3）景观形状日趋复杂。在2000—2020年间，中国干旱半干旱区整体景观的景观形状指数呈波动增大趋势，由2000年的169.33增加到2020年的171.75，这说明中国干旱半干旱区中各类型斑块的分布趋于分散，形状趋于复杂化。

3.3 土地利用和景观格局的变化驱动力分析

自然因素和人文因素是导致干旱半干旱区土地利用变化的重要原因，土地利用情况会影响斑块的格局，从而反映出人为与自然因素干扰的影响[16]。中国干旱半干旱区主要地处中国西北地区，干燥少雨，日照强、云量少，多风而且风力强；近年来国家出台的生态政策如退耕还林[17]、植树造林等，也深刻影响着西北干旱区的土地利用和景观格局。

（1）耕地面积总体上处于减少趋势，耕地景观的斑块数增多且平均斑块面积减少，导致耕地景观破碎度增加。赵爱栋[18]认为干旱区受不利自然条件因素影响，耕地稳定性和可持续性弱，导致部分耕地荒废；王海鸿[19]等认为干旱半干旱区的耕地面积与人口呈相反趋势，随着西北干旱区城市化进程加速和人口的增加，耕地面积会随之减少。

（2）园林地呈现稳定的增长趋势，草地是主要的贡献地类，所以考虑可能由于水源使局部生态环境改善，也可能是人类植树造林使大量草地单向转换为园林地，使其面积增加，从而使斑块数量增加、平均斑块面积增大。

（3）草地与未利用地的频繁的双向转换中较为稳定。大量未利用地转换为草地，说明近期国家对于干旱半干旱区的荒漠化治理起了一定效果，但人类建设用地的复杂扩张趋势和扩张过程中的不规则的开垦农田会占用部分草地，从而使其面积减少和被分离，进而使斑块数量减少和平均斑块面积变小，景观复杂程度提高。

（4）建设用地的面积不断增多，其动态度和变化幅度较大，说明人类的城市建设过程中剧烈影响了干旱半干旱区的土地利用变化和景观格局，建设用地大量占用了草地、未利用地，斑块数量和平均斑块面积也不断增大，其复杂程度也越来越大，这符合近些年来城市化进程的加速趋势，也说明了土地利用类型的演化方向深刻影响着景观格局的变化趋势。

（5）水域总体上面积增加，景观形状指数一直较小，说明人类保护水资源较好，当今全球变暖的大环境下，气温升高、冰川融化对干旱半干旱区水域和自然环境影响广泛，曹国亮等[20]认为干旱区气温变化导致冰川萎缩影响的河流径流量是影响干旱区湖泊面积变化的决定性因素，王玉洁[21]等发现近年来西北干旱区存在暖湿化趋势，所以水域面积增大、景观形状指数减小可能更多的受自然因素的影响。

（6）未利用地面积在20年间减少较多，斑块数量减少和平均斑块面积变小，大部分转化为草地，但干旱半干旱区同时也存在着土地沙化等问题，王云霞[22]认为在草原区气候暖干化的作用下，人为活动推动和促进了草地退化，造成局部地区的土地沙化趋势难以控制、持续沙化，从而导致了草地大量转化为未利用地，使两者存在着双向转化。

总体来看，中国干旱半干旱区复杂的自然因素和人类活动的干预对土地利用类型有着巨大影响，从而在很大程度上影响了景观格局和景观特征。

4 结论

本研究利用GIS技术和Fragstats4.2软件计算中国干旱半干旱区2000—2020年的部分景观格局指数、土地利用变化幅度、土地利用动态度和土地利用转移矩阵，并分析其主要变化的驱动因子，结果显示：

（1）土地利用变化较为显著，以未利用地面积大量减少和建设用地面积显著增加为主要特点，其中建设用地土地利用变化幅度和土地利用动态度最大。全时段土地利用变化处于不平衡状态，草地和未利用地具有频繁的的双向转换；

（2）整个研究时段内，中国干旱半干旱区景观的整体变化呈现出破碎化程度增大，形状复杂性增加，异质性减小的特征，表明处优势地位的景观类型与其它景观类型间的差异在减小；

（3）中国干旱半干旱区的土地利用变化深刻影响区域内景观格局，特别是未利用地面积减少和建设用地面积的增加直接改变了景观优势度，而在人类对区域内土地利用程度的不断提高导致的景观破碎程度增大也说明了人类活动是景观格局转变的重要驱动因子。

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Analysis of the Evolution Characteristics and Driving Force of Land Use and Landscape Pattern in 2000-2020 in Arid and Semi-arid Areas in China

CHEN Shuo, WANG Zhuo-ran*, ZHAO Geng-xing

271018,

Land use and landscape pattern change in arid and semi-arid areas in China plays an important role in ecological maintenance and economic development in the arid and semi-arid areas of China. This paper has two perspectives: land use change and landscape pattern change, i.e. using the GIS and the Fragstats4.2 software to analyze land use and landscape pattern index in arid and semi-arid areas of China in 2000-2020 and study the change mode of land use and landscape pattern in 21 years. The results indicate that: (1) Land use types change significantly in the area,,and the change of land use in the whole period is unbalanced, such as the bidirectional conversion between grassland and unused land is frequent.The decrease of unused land area and the increase of construction land area are the main characteristics, and the change range of construction land use and land use attitude are the largest among the land use types in this research. (2) During the whole study period, the landscape in the arid and semi-arid areas of China showed the characteristics of increasing fragmentation degree, decreasing heterogeneity and increasingly complex shape. (3) Land use change profoundly affects the landscape pattern and human activities are an important driver of land use change.The continuous improvement of human land use degree in the region leads to the increase of landscape fragmentation degree, which directly changes the landscape dominance in the region also confirms that human activity is an important driver of landscape pattern transformation.

Land use; landscape pattern evolution; driving force

S155.4+3

A

1000-2324(2023)04-0620-08

10.3969/j.issn.1000-2324.2023.04.019

2023-01-14

2023-02-09

国家自然科学基金(41877003)

陈硕(2002-),男,本科生,研究方向:地理信息科学. E-mail:2487852101@qq.com

通讯作者:Author for correspondence.E-mail:wzr543@126.com