黃土丘陵溝壑區(qū)土地利用景觀格局變化分析
——以延河流域?yàn)槔?/h1>
2015-04-20 11:51:54花東文溫仲明楊士梭苗連朋
水土保持研究 2015年5期
花東文, 溫仲明, 楊士梭, 苗連朋
(1.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049;3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 4.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌 712100)
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黃土丘陵溝壑區(qū)土地利用景觀格局變化分析
——以延河流域?yàn)槔?/p>
花東文1,2, 溫仲明1,3, 楊士梭3, 苗連朋4
(1.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049;3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 4.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌 712100)
為了給黃土丘陵溝壑區(qū)土地資源的合理利用和生態(tài)環(huán)境的改善提供依據(jù)，以延河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，應(yīng)用GIS技術(shù)和景觀格局指數(shù)分析方法，對(duì)研究區(qū)1978—2010年的土地利用景觀結(jié)構(gòu)特征、斑塊特征和空間格局的變化規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)分析。結(jié)果表明：(1) 延河流域各景觀類(lèi)型的變化幅度表現(xiàn)為：耕地>林地>草地>建設(shè)用地>水域，研究區(qū)1978—1990年變化速率最快的景觀類(lèi)型是草地，1990—2000年是林地，2000—2010年是建設(shè)用地，由以耕地為主導(dǎo)的景觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱值亍莸貜?fù)合的景觀結(jié)構(gòu)；(2) 研究區(qū)破碎度較高的景觀類(lèi)型是耕地和草地，斑塊形狀也較復(fù)雜，主要是受地形地貌因素的影響。林地、建設(shè)用地和水域受人類(lèi)活動(dòng)的干擾強(qiáng)烈，斑塊分布趨于集中化，破碎度較小，形狀較為簡(jiǎn)單；(3) 32年來(lái)，延河流域土地利用景觀格局經(jīng)歷了“耕地主導(dǎo)—相對(duì)平衡—林草主導(dǎo)”的變化過(guò)程，向著集中化和簡(jiǎn)單化的方向發(fā)展，抗干擾能力降低，不利于景觀的穩(wěn)定性，但有利于生態(tài)環(huán)境的改善。
景觀格局; 土地利用; 景觀指數(shù); 延河流域; 黃土丘陵溝壑區(qū)
景觀格局是指在自然或人為因子作用下，一系列大小、形狀各異、排列不同的景觀鑲嵌體在景觀空間的排列。它既是景觀異質(zhì)性在空間上的具體表現(xiàn)，同時(shí)也包括干擾在內(nèi)的各種生態(tài)過(guò)程在不同尺度上作用的結(jié)果[1]。土地利用作為自然界最普遍最重要的景觀類(lèi)型，任何形勢(shì)下的土地利用方式的改變都必然導(dǎo)致景觀格局的改變[2]，其中人類(lèi)活動(dòng)對(duì)景觀演變的主導(dǎo)性最為明顯，其變化過(guò)程就是自然景觀向人文景觀轉(zhuǎn)變的過(guò)程。景觀格局變化的定量分析是景觀生態(tài)學(xué)研究領(lǐng)域中的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題，通過(guò)研究大小、屬性和形狀不一的斑塊在空間上的分布規(guī)律，能夠在無(wú)序的分布中發(fā)現(xiàn)潛在有意義的規(guī)律，對(duì)于揭示景觀演替的機(jī)制與規(guī)律、探尋人類(lèi)活動(dòng)與生態(tài)環(huán)境演變間的關(guān)系具有重要意義[3-7]。
脆弱的生態(tài)環(huán)境，加上強(qiáng)烈的人為活動(dòng)干擾，使黃土高原丘陵溝壑區(qū)成為我國(guó)乃至世界上水土流失最為嚴(yán)重的地區(qū)之一，受到了各級(jí)政府的高度重視，并在20世紀(jì)90年代末開(kāi)展了大規(guī)模的小流域綜合治理和退耕還林(草)等工程，極大地改變了黃土高原地區(qū)的土地利用景觀格局[8]。而水土流失作為一種生態(tài)過(guò)程，與土地利用景觀格局的變化密切相關(guān)[9]，因此，研究該區(qū)土地利用景觀格局特征及其變化趨勢(shì)有利于水土流失的控制和生態(tài)環(huán)境的改善。目前，關(guān)于黃土高原丘陵溝壑區(qū)土地利用變化過(guò)程的研究已經(jīng)取得了不少成果，并在景觀格局演變的定量化研究方面取得了重要進(jìn)展，這對(duì)本研究的開(kāi)展具有一定的借鑒作用[9-13]，然而，基于流域尺度、長(zhǎng)時(shí)間尺度的、全面的土地利用景觀格局變化的研究尚不多見(jiàn)。而且，土地利用數(shù)據(jù)多為2000年以前，不足以顯現(xiàn)1999年以來(lái)退耕還林(草)政策對(duì)土地利用景觀格局的改變。延河流域作為黃土丘陵溝壑區(qū)嚴(yán)重水土流失區(qū)之一，自20世紀(jì)50年代末就開(kāi)展了修建梯田、淤地壩和植樹(shù)種草等水土保持治理措施，20世紀(jì)90年代末又實(shí)施了以退耕還林(草)為主導(dǎo)的大規(guī)模生態(tài)恢復(fù)工程，流域內(nèi)土地利用景觀格局和生態(tài)環(huán)境發(fā)生了巨大變化。因此，本文以黃土丘陵溝壑區(qū)具有典型代表性的延河流域?yàn)槔?，選取退耕還林(草)政策實(shí)施前后共4期影像數(shù)據(jù)，基于遙感和GIS技術(shù)，通過(guò)土地利用景觀動(dòng)態(tài)度和景觀指數(shù)變化分析，揭示延河流域近32年來(lái)的土地利用景觀格局的變化特征，以期為黃土丘陵溝壑區(qū)土地資源的合理利用和生態(tài)環(huán)境的改善提供決策依據(jù)。
1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法
1.1 研究區(qū)概況
延河位于陜北黃土高原中部，全長(zhǎng)286.9 km，流域面積7 687 km2，地理位置為108°41′01″—110°27′48″E，36°27′00″—37°58′39″N。氣候?yàn)榇箨懶园敫珊导撅L(fēng)氣候，地跨暖溫性森林、暖溫性森林草原和暖溫性典型草原3個(gè)地帶，年平均降雨量約472 mm，主要集中在6—9月份，年平均氣溫8.8～10.2℃。土壤類(lèi)型以黃土母質(zhì)上發(fā)育的黃綿土為主，土壤質(zhì)地均一，土質(zhì)疏松，抗侵蝕能力差，大部分地區(qū)坡度在15°以上，土地利用以農(nóng)業(yè)用地為主，約占流域面積的90%，水土流失嚴(yán)重，多年平均徑流量為2.89億m3，徑流模數(shù)為36 425 m3/km2，輸沙模數(shù)為7.8萬(wàn)t/(km2·a)。自20世紀(jì)70年代起，該流域就開(kāi)展了水土保持治理工作，先后開(kāi)展了經(jīng)濟(jì)林、人工林、果園、人工草地等建設(shè)，到20世紀(jì)90年代，隨著退耕還林(草)等重大生態(tài)工程的實(shí)施，生態(tài)環(huán)境得到極大改善。截止2010年底流域總?cè)丝跒?50 750人，農(nóng)業(yè)人口為579 091人，占總?cè)丝诘?1%。
1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理
本文所用數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心(國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái))和中國(guó)科學(xué)院遙感所(對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)共享平臺(tái))，包括延河流域1978年(MSS)、1990年(TM)、2000年(TM)、2010年(TM)6—9月植物生長(zhǎng)高峰期的4期Landsat系列遙感影像數(shù)據(jù)，以及延河流域1∶50 000的DEM數(shù)據(jù)等。在ENVI軟件平臺(tái)下對(duì)4期遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正和幾何校正、地理配準(zhǔn)等預(yù)處理后，獲得波段組合為4，3，2(RGB)假彩色合成圖像，確立解譯標(biāo)志和解譯的精度。根據(jù)實(shí)際情況和研究目的，采用監(jiān)督分類(lèi)方法，將延河流域土地利用景觀類(lèi)型分為5種，即耕地類(lèi)型(梯田和坡耕地)、林地類(lèi)型、草地類(lèi)型、建設(shè)用地類(lèi)型(居民地和交通用地)和水域類(lèi)型(河流和水庫(kù))，得到各個(gè)時(shí)期的土地利用景觀類(lèi)型圖(附圖1)，同時(shí)結(jié)合2010年、2011年的兩次野外采樣調(diào)查數(shù)據(jù)對(duì)2010年的分類(lèi)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，準(zhǔn)確率達(dá)92.17%，通過(guò)隨機(jī)選取樣本區(qū)，計(jì)算各時(shí)期分類(lèi)混淆矩和Kappa指數(shù)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)Kappa系數(shù)均在80%以上，能夠滿足流域尺度景觀格局分析的要求。
1.3 研究方法
1.3.1 景觀類(lèi)型動(dòng)態(tài)度分析 土地利用類(lèi)型動(dòng)態(tài)度(K)是指研究區(qū)一定時(shí)間范圍內(nèi)某種土地利用類(lèi)型數(shù)量的變化情況[14]，可以來(lái)計(jì)算各景觀類(lèi)型的相對(duì)變化速率，進(jìn)而說(shuō)明研究期間內(nèi)各景觀類(lèi)型的變化(增加或減少)幅度或快慢，其公式為：
(1)
式中：K——研究時(shí)段內(nèi)某類(lèi)土地利用景觀類(lèi)型的年變化率；Ua，Ub——研究期初和研究期末某類(lèi)土地利用景觀類(lèi)型的面積；T——研究時(shí)長(zhǎng)。
1.3.2 景觀指數(shù)分析 在ArcGIS 10.0系統(tǒng)軟件支持下，應(yīng)用Conversion tools模塊將延河流域1978年、1990年、2000年和2010年4期土地利用景觀類(lèi)型矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)，然后采用Fragstats軟件計(jì)算景觀格局指數(shù)，在分析景觀結(jié)構(gòu)特征和斑塊特征變化的基礎(chǔ)上，分析景觀格局的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。Fragstats是由美國(guó)俄勒岡州立大學(xué)森林科學(xué)系開(kāi)發(fā)的一個(gè)景觀指標(biāo)計(jì)算軟件[15]，有矢量版本和柵格版本兩種版本，本文采用Fragstats 3.4柵格版本來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。考慮到運(yùn)算結(jié)果的精度和軟件的運(yùn)算能力，將柵格單元大小設(shè)定為30 m×30 m。
景觀格局指數(shù)是指能夠高度濃縮景觀格局信息的簡(jiǎn)單定量化指標(biāo)，是對(duì)景觀格局定量描述最常用的工具，合適的景觀指數(shù)對(duì)景觀格局分析的合理性十分重要[15]。因?yàn)镕ragstats軟件可以計(jì)算50多種景觀指標(biāo)，且許多指標(biāo)之間具有高度的相關(guān)性，本文在借鑒前人的研究結(jié)果的基礎(chǔ)上[16-20]，結(jié)合各指標(biāo)生態(tài)學(xué)涵義和研究區(qū)特點(diǎn)，在景觀類(lèi)型級(jí)別(Class-level)上選取了斑塊個(gè)數(shù)(NP)、斑塊密度(PD)、周長(zhǎng)—面積分維數(shù)(PAFRAC)、形狀指數(shù)(LSI)4個(gè)景觀指標(biāo)；在景觀級(jí)別(Landscape-level)上選用了斑塊密度(PD)、斑塊個(gè)數(shù)(NP)、平均斑塊面積(AREA-MN)、聚集度指數(shù)(AI)、分離度指數(shù)(SPLIT)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)、Shannon多樣性指數(shù)(SHDI)、Shannon均勻度指數(shù)(SHEI)、景觀優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(LDI)9個(gè)景觀指標(biāo)。
2 結(jié)果與分析
2.1 景觀的結(jié)構(gòu)特征變化分析
通過(guò)對(duì)比延河流域4期遙感影像解譯的數(shù)據(jù)結(jié)果(表1)，可以看出，1978—2010年耕地是變化幅度最大的景觀類(lèi)型，由1978年的512 827.7 hm2減少到2010年的123 211.5 hm2，所占延河流域景觀面積的比例減少了50.766%，而林地和草地則分別增加了31.769%，18.501%，建設(shè)用地和水域變化不大，但其中建設(shè)用地的面積增加了3倍，是增長(zhǎng)速度最快的景觀類(lèi)型。從過(guò)程上看，各景觀類(lèi)型的面積變化呈現(xiàn)出4種不同發(fā)展趨勢(shì)，即林地和建設(shè)用地面積持續(xù)增加，耕地面積持續(xù)減少，水域面積上下輕微波動(dòng)，草地面積先增加后減少再增加。而且在不同階段所表現(xiàn)出的變化速率也大不一樣，如圖1所示，1978—1990年，草地的變化速率最大，年變化率為6.47%；1990—2000年，林地是變化速率最大的景觀類(lèi)型，年變化率為4.08%；2000—2010年，變化最快的景觀類(lèi)型是建設(shè)用地，年變化率達(dá)19.66%。耕地在3個(gè)階段均保持一個(gè)較高的減少速率，而水域的最大變化速率也只有-0.77%。
表1 1978-2010年延河流域不同景觀類(lèi)型的面積和所占比例變化
以上分析表明，在過(guò)去的32年間，由各景觀類(lèi)型組成的延河流域景觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大變化。究其原因?yàn)閺?0世紀(jì)90年代末開(kāi)始，延河流域部分地區(qū)已經(jīng)開(kāi)展退耕還林(草)試點(diǎn)工作，到2000年已經(jīng)取得了初步成果，黃土高原水土保持世行貸款項(xiàng)目也于1994年10月正式啟動(dòng)，其他如天然林保護(hù)工程、三北防護(hù)林工程、德援造林項(xiàng)目等都取得了一定成效[21]，這些政策的實(shí)施使得大量耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值睾筒莸兀氐膬?yōu)勢(shì)地位逐漸喪失。同時(shí)，由于人口的增加、城市化水平的提高以及油田的開(kāi)發(fā)，使得建設(shè)用地面積增加較快。
圖1 延河流域不同時(shí)段景觀類(lèi)型變化速率
2.2 景觀的斑塊特征變化分析
2.2.1 景觀斑塊的破碎化特征 從斑塊數(shù)目和斑塊密度來(lái)看(圖2A，2B)，1990年之前，耕地的斑塊數(shù)目和斑塊密度最高，分別達(dá)到1 993個(gè)和0.055個(gè)/km2，表明耕地是該時(shí)期最破碎的景觀類(lèi)型。1990年之后，耕地的斑塊數(shù)目和斑塊密度銳減，草地的斑塊數(shù)目和斑塊密度呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，并在2000年超過(guò)了耕地成為斑塊數(shù)目最多的景觀類(lèi)型，體現(xiàn)了草地趨于破碎化的特點(diǎn)。同時(shí)，林地的斑塊數(shù)目呈緩慢增加的趨勢(shì)，而斑塊密度在減小，說(shuō)明林地大片增加，破碎化程度減弱。這是由于在實(shí)施退耕還林(草)工程后，之前
較為破碎的耕地斑塊大量撂荒后轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸匕邏K，干擾了其自然生長(zhǎng)狀態(tài)，導(dǎo)致草地空間分布不斷分散和破碎化，而林地主要以大面積人工林的形式增加，使一些破碎的斑塊連接在一起形成更大的斑塊，導(dǎo)致破碎度降低。建設(shè)用地斑塊數(shù)目和斑塊密度表現(xiàn)出先大幅度減少后緩慢增加的特點(diǎn)，表明了建設(shè)用地趨于集中化的變化趨勢(shì)，這也符合延河流域沿河兩岸發(fā)展和居住的特點(diǎn)。水域的斑塊數(shù)目和斑塊密度在整個(gè)時(shí)段內(nèi)變化不大。
2.2.2 景觀斑塊的形狀特征 周長(zhǎng)—面積分維數(shù)和形狀指數(shù)可以描述景觀中斑塊形狀的復(fù)雜和自我相似程度，其值越大，斑塊形狀越復(fù)雜，自我相似性越差，受人類(lèi)活動(dòng)干擾越弱。從圖2C，2D可以看出，1978—2010年，PAFRAC和LSI較高的景觀類(lèi)型是草地和耕地，說(shuō)明延河流域草地和耕地的斑塊邊界較復(fù)雜，受人類(lèi)活動(dòng)影響較小，這主要是由于延河流域的耕地多以坡耕地為主，其形狀主要受地形、地貌因素的影響，同時(shí)，由表1可以看出，1990—2000年存在開(kāi)荒與退耕并存的現(xiàn)象，導(dǎo)致了草地斑塊與耕地有著相似的形狀特征。值得注意的是建設(shè)用地的PAFRAC和LSI在32年里增長(zhǎng)了0.055，8.002，其原因是人口增長(zhǎng)導(dǎo)致居民點(diǎn)數(shù)量的增加以及采礦業(yè)發(fā)展所需的廠房數(shù)量增加，使得建設(shè)用地的形狀變得更加多樣化。林地和水域相對(duì)以上3種景觀類(lèi)型，它們的PAFRAC和LSI都較低，表明這兩種景觀要素的斑塊形狀較為簡(jiǎn)單和規(guī)則，這是因?yàn)槿斯ぴ炝趾吞萏?、淤地壩的修建，使得這些景觀類(lèi)型受人類(lèi)活動(dòng)干擾程度較重，形狀比較固定和單一，自我相似程度較高。
圖2 延河流域景觀類(lèi)型級(jí)別指數(shù)變化
2.3 景觀空間格局動(dòng)態(tài)分析
2.3.1 景觀破碎化分析 景觀破碎度指數(shù)是指1 km2內(nèi)的斑塊數(shù)量，描述景觀被分割的破碎程度，是衡量景觀異質(zhì)性的一個(gè)重要指標(biāo)[22]。通過(guò)景觀破碎化分析可以從一定角度反映出景觀的穩(wěn)定性和人類(lèi)的干擾程度。從表2可以看出，1978—2010年，延河流域土地利用景觀斑塊數(shù)目和斑塊密度呈先增加后減少的變化趨勢(shì)，平均斑塊面積呈先減少后增加的變化趨勢(shì)。斑塊總數(shù)從1978年的4 631個(gè)逐漸增加到2000年的4 753個(gè)又減少到2010年的4 671個(gè)；在1978—2000年斑塊密度增加了0.016個(gè)/km2，平均斑塊面積減小了0.038 km2；而在2000—2010年斑塊密度又減少了0.01個(gè)/km2，平均斑塊面積也增加了0.033 km2。以上3個(gè)景觀指數(shù)的變化規(guī)律表明，研究區(qū)景觀破碎度在1978—2000年呈增加趨勢(shì)，說(shuō)明該時(shí)段內(nèi)延河流域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增加使得原來(lái)面積較大的土地利用類(lèi)型被改造成為許多較小的斑塊，尤其是在當(dāng)?shù)匮匾u多年的以糧為主、廣種薄收的傳統(tǒng)耕作方式使得許多林地和草地被開(kāi)墾為耕地，景觀格局破碎化程度加劇，異質(zhì)性增加，此外，道路和居民點(diǎn)的修建、水土保持工程措施的實(shí)施也會(huì)造成景觀破碎度的增加；在2000—2010年，延河流域景觀破碎度呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)，原因是在20世紀(jì)90年代末實(shí)施退耕還林(草)政策后，相對(duì)零散的耕地?cái)?shù)量減少，大片的林地和草地?cái)?shù)量增加，隨著勞動(dòng)力的向外輸出和種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)延河流域土地利用景觀的干擾程度降低。
表2 1978-2010年延河流域景觀水平上的景觀格局指數(shù)
2.3.2 景觀多樣性、優(yōu)勢(shì)度和均勻度分析 景觀多樣性指數(shù)是指景觀要素或生態(tài)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)、功能上隨時(shí)間變化的多樣性，反映景觀類(lèi)型的豐富度和復(fù)雜度[23]。從表2可以看出，4個(gè)時(shí)期的景觀多樣性指數(shù)先增加后減少，在1990年時(shí)，延河流域的香儂多樣性指數(shù)最大，表明1990年的土地利用景觀豐富度和復(fù)雜度要高于其他3個(gè)時(shí)段，主要是由于該時(shí)期存在開(kāi)荒與退耕并存的現(xiàn)象，不同景觀要素之間轉(zhuǎn)換較為頻繁。景觀優(yōu)勢(shì)度指數(shù)表示景觀多樣性對(duì)最大多樣性的偏離程度，或描述景觀由少數(shù)幾個(gè)主要的景觀類(lèi)型控制的程度。其值越大，表明偏離程度越大，即某一種或少數(shù)景觀類(lèi)型占優(yōu)勢(shì)；其值為0時(shí)，表明景觀完全均質(zhì)，即由一種景觀類(lèi)型組成[23]。從圖3A可以看出，在1978—2010年，優(yōu)勢(shì)度指數(shù)發(fā)生了明顯的變化，表現(xiàn)為先減少后增加，而均勻度指數(shù)表現(xiàn)出與之完全相反的趨勢(shì)。這主要是因?yàn)樵?978年耕地類(lèi)型面積占景觀類(lèi)型總面積的66.82%，是該時(shí)期的優(yōu)勢(shì)景觀類(lèi)型，優(yōu)勢(shì)度指數(shù)為1.639，而在1990年以后耕地類(lèi)型的優(yōu)勢(shì)地位逐漸被打破，對(duì)景觀格局的控制作用在減弱，均勻度指數(shù)增加到0.832，景觀格局逐漸趨向均勻分布，這也將導(dǎo)致景觀穩(wěn)定性下降，抗干擾能力降低，但在90年代末期延河流域?qū)嵤┩烁€林(草)政策后，草地和林地在新的景觀格局中逐漸占據(jù)優(yōu)勢(shì)，優(yōu)勢(shì)度指數(shù)又逐漸增大至1.427。
圖3 延河流域景觀級(jí)別指數(shù)變化
2.3.3 景觀聚散性分析 景觀聚集度指數(shù)反映景觀中不同斑塊類(lèi)型的非隨機(jī)性或聚集程度以及景觀組分的空間配置特征。如果一個(gè)景觀由許多分散的小斑塊組成，其聚集度的值則較小，若景觀中以少數(shù)大斑塊為主或同一類(lèi)型斑塊高度連接時(shí)，其聚集度的值則較大[1]。
從圖3B可知，聚集度指數(shù)先減少后增加，說(shuō)明了景觀的空間連接性先減弱后有所增強(qiáng)，先是趨向于由許多不同類(lèi)型的小斑塊相互交錯(cuò)配置組成，而后趨向于相對(duì)較少的大斑塊組成，斑塊間的聚集程度先減弱后加強(qiáng)，這是由于在退耕還林(草)政策實(shí)施后，面積較小的耕地斑塊轉(zhuǎn)變?yōu)檩^大的林地斑塊，草地的自然恢復(fù)也使得一些本身較小的斑塊連接起來(lái)形成更大的斑塊；同時(shí)，蔓延度指數(shù)先減小后增大，說(shuō)明景觀類(lèi)型相對(duì)分散后又稍微相對(duì)集中，這主要體現(xiàn)在建設(shè)用地斑塊上，與經(jīng)濟(jì)發(fā)展和現(xiàn)代化城鎮(zhèn)建設(shè)密不可分；分離度指數(shù)先增加后減少，說(shuō)明景觀類(lèi)型在該區(qū)域的分布由分散到集中，由復(fù)雜到簡(jiǎn)單。
3 結(jié)論與討論
(1) 在整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)，延河流域各景觀類(lèi)型的變化幅度表現(xiàn)為：耕地>林地>草地>建設(shè)用地>水域。在3個(gè)研究時(shí)段內(nèi)，研究區(qū)變化速率最快的景觀類(lèi)型分別是草地、林地和建設(shè)用地，年變化率分別為6.47%，4.08%，19.66%。大量耕地轉(zhuǎn)化為草地和林地使得過(guò)去以耕地為主導(dǎo)的景觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱值亍莸貜?fù)合的景觀結(jié)構(gòu)，土地利用向多元化和均衡化方向發(fā)展。
(2) 通過(guò)對(duì)景觀類(lèi)型斑塊個(gè)數(shù)、斑塊密度、周長(zhǎng)—面積分維數(shù)和形狀指數(shù)的分析，研究區(qū)破碎度較高的景觀類(lèi)型是耕地和草地，斑塊形狀也較復(fù)雜，主要是受地形地貌因素的影響。由于人類(lèi)活動(dòng)的強(qiáng)烈干擾，林地、建設(shè)用地和水域斑塊分布趨于集中化，破碎度較小，形狀較為簡(jiǎn)單。
(3) 經(jīng)過(guò)多年的生態(tài)建設(shè)和流域綜合治理，尤其是退耕還林(草)政策的實(shí)施，延河流域的景觀本底發(fā)生了明顯變化，某一景觀要素對(duì)景觀格局的控制作用減弱。32年間，研究區(qū)的破碎度先增強(qiáng)后減弱，多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)先增加后減小，聚集度指數(shù)和蔓延度指數(shù)先減小后增大，說(shuō)明研究區(qū)過(guò)去以耕地為主導(dǎo)要素的土地利用景觀格局已不復(fù)存在，而以林地和草地為主導(dǎo)的新的土地利用景觀格局正在形成，景觀格局大致經(jīng)歷了“耕地主導(dǎo)—相對(duì)平衡—林草主導(dǎo)”的變化過(guò)程，向集中化和簡(jiǎn)單化的方向發(fā)展，抗干擾能力降低，不利于景觀的穩(wěn)定性，但有利于生態(tài)環(huán)境的改善。
退耕還林(草)政策在黃土丘陵區(qū)的推行和實(shí)施，使得大面積的耕地轉(zhuǎn)化為林地和草地，不僅改變了流域內(nèi)的景觀格局，而且改善了流域的生態(tài)環(huán)境。因此，在黃土丘陵溝壑區(qū)，應(yīng)用景觀格局定量分析方法，結(jié)合政策的引導(dǎo)，將人類(lèi)活動(dòng)對(duì)景觀演變的影響導(dǎo)向正向的良性循環(huán)，是實(shí)現(xiàn)流域土地資源和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的可行之徑。
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Analysis on the Change of Land-Use Landscape Pattern of the Hill and Gully Region of the Loess Plateau—A Case Study of the Yanhe River Basin
HUA Dongwen1,2, WEN Zhongming1,3, YANG Shisuo3, MIAO Lianpeng4
(1.InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China;3.InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China;4.CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)
In order to provide the basis for the rational utilization of land resources and the improvement of ecological environment of the hill and gully region of the Loess Plateau, Yanhe River Basin was investigated in this paper. Using GIS technology and landscape index analysis method, the dynamic change of land-use landscape structure characteristics, patch characteristics and spatial pattern of study area from 1978 to 2010 were systematically analyzed. Results showed that: (1) the change rate of landscape types of Yanhe River basin followed the sequence of cultivated land>forest land>grass land>construction land>water body. Grass land changed with the fastest rate from 1978 to 1990, and forest land changed with the fastest rate from 1990 to 2000, and construction land changed with the fastest rate from 2000 to 2010. The landscape structure dominated by cultivated land changed into the structure dominated by forest land and grass land; (2) affected by the topographical and geomorphic factor, the fragmentation of grass land and cultivated land was higher than other landscape types and their patch shapes were more complex. The patch distribution of forestland, construction land and water body tended to be concentrated and their patch shapes and fragmentation were relatively simple and low because of the heavy interference of human activities; (3) for the past 32 years, the land-use landscape pattern of Yanhe River basin had experienced a dynamic process, and it turned from the pattern dominated by cultivated land to the relative balance pattern and then to the pattern dominated by forestland and grass land. Landscape pattern developed towards the centralized and simplistic direction and their anti-interference ability became lower. It was harmful for the landscape stability, but was conducive to the improvement of ecological environment.
landscape pattern; land use; landscape index; Yanhe River basin; hill and gully region of the Loess Plateau
2014-11-10
2014-11-24
國(guó)家科技支撐計(jì)劃子課題“黃河中游主要來(lái)沙區(qū)林草減沙作用分析”[2012BAB02B05-(3)];中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目子課題“不同區(qū)域典型支流水沙變化對(duì)退耕還林等坡面工程的響應(yīng)”(KZZD-EW-04-03-03)
花東文(1989—),男,河南信陽(yáng)人,碩士研究生,研究方向?yàn)镚IS在水土保持中的應(yīng)用。E-mail:huadongwen@126.com
溫仲明(1969—),男,陜西定邊人,副研究員,博士,主要從事植被恢復(fù)生態(tài)重建研究。E-mail:zmwen@ms.iswc.ac.cn
F301
1005-3409(2015)05-0086-06
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花東文, 溫仲明, 楊士梭, 苗連朋
(1.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049;3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 4.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌 712100)
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黃土丘陵溝壑區(qū)土地利用景觀格局變化分析
——以延河流域?yàn)槔?/p>
花東文1,2, 溫仲明1,3, 楊士梭3, 苗連朋4
(1.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049;3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 4.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌 712100)
為了給黃土丘陵溝壑區(qū)土地資源的合理利用和生態(tài)環(huán)境的改善提供依據(jù)，以延河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，應(yīng)用GIS技術(shù)和景觀格局指數(shù)分析方法，對(duì)研究區(qū)1978—2010年的土地利用景觀結(jié)構(gòu)特征、斑塊特征和空間格局的變化規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)分析。結(jié)果表明：(1) 延河流域各景觀類(lèi)型的變化幅度表現(xiàn)為：耕地>林地>草地>建設(shè)用地>水域，研究區(qū)1978—1990年變化速率最快的景觀類(lèi)型是草地，1990—2000年是林地，2000—2010年是建設(shè)用地，由以耕地為主導(dǎo)的景觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱值亍莸貜?fù)合的景觀結(jié)構(gòu)；(2) 研究區(qū)破碎度較高的景觀類(lèi)型是耕地和草地，斑塊形狀也較復(fù)雜，主要是受地形地貌因素的影響。林地、建設(shè)用地和水域受人類(lèi)活動(dòng)的干擾強(qiáng)烈，斑塊分布趨于集中化，破碎度較小，形狀較為簡(jiǎn)單；(3) 32年來(lái)，延河流域土地利用景觀格局經(jīng)歷了“耕地主導(dǎo)—相對(duì)平衡—林草主導(dǎo)”的變化過(guò)程，向著集中化和簡(jiǎn)單化的方向發(fā)展，抗干擾能力降低，不利于景觀的穩(wěn)定性，但有利于生態(tài)環(huán)境的改善。
景觀格局; 土地利用; 景觀指數(shù); 延河流域; 黃土丘陵溝壑區(qū)
景觀格局是指在自然或人為因子作用下，一系列大小、形狀各異、排列不同的景觀鑲嵌體在景觀空間的排列。它既是景觀異質(zhì)性在空間上的具體表現(xiàn)，同時(shí)也包括干擾在內(nèi)的各種生態(tài)過(guò)程在不同尺度上作用的結(jié)果[1]。土地利用作為自然界最普遍最重要的景觀類(lèi)型，任何形勢(shì)下的土地利用方式的改變都必然導(dǎo)致景觀格局的改變[2]，其中人類(lèi)活動(dòng)對(duì)景觀演變的主導(dǎo)性最為明顯，其變化過(guò)程就是自然景觀向人文景觀轉(zhuǎn)變的過(guò)程。景觀格局變化的定量分析是景觀生態(tài)學(xué)研究領(lǐng)域中的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題，通過(guò)研究大小、屬性和形狀不一的斑塊在空間上的分布規(guī)律，能夠在無(wú)序的分布中發(fā)現(xiàn)潛在有意義的規(guī)律，對(duì)于揭示景觀演替的機(jī)制與規(guī)律、探尋人類(lèi)活動(dòng)與生態(tài)環(huán)境演變間的關(guān)系具有重要意義[3-7]。
脆弱的生態(tài)環(huán)境，加上強(qiáng)烈的人為活動(dòng)干擾，使黃土高原丘陵溝壑區(qū)成為我國(guó)乃至世界上水土流失最為嚴(yán)重的地區(qū)之一，受到了各級(jí)政府的高度重視，并在20世紀(jì)90年代末開(kāi)展了大規(guī)模的小流域綜合治理和退耕還林(草)等工程，極大地改變了黃土高原地區(qū)的土地利用景觀格局[8]。而水土流失作為一種生態(tài)過(guò)程，與土地利用景觀格局的變化密切相關(guān)[9]，因此，研究該區(qū)土地利用景觀格局特征及其變化趨勢(shì)有利于水土流失的控制和生態(tài)環(huán)境的改善。目前，關(guān)于黃土高原丘陵溝壑區(qū)土地利用變化過(guò)程的研究已經(jīng)取得了不少成果，并在景觀格局演變的定量化研究方面取得了重要進(jìn)展，這對(duì)本研究的開(kāi)展具有一定的借鑒作用[9-13]，然而，基于流域尺度、長(zhǎng)時(shí)間尺度的、全面的土地利用景觀格局變化的研究尚不多見(jiàn)。而且，土地利用數(shù)據(jù)多為2000年以前，不足以顯現(xiàn)1999年以來(lái)退耕還林(草)政策對(duì)土地利用景觀格局的改變。延河流域作為黃土丘陵溝壑區(qū)嚴(yán)重水土流失區(qū)之一，自20世紀(jì)50年代末就開(kāi)展了修建梯田、淤地壩和植樹(shù)種草等水土保持治理措施，20世紀(jì)90年代末又實(shí)施了以退耕還林(草)為主導(dǎo)的大規(guī)模生態(tài)恢復(fù)工程，流域內(nèi)土地利用景觀格局和生態(tài)環(huán)境發(fā)生了巨大變化。因此，本文以黃土丘陵溝壑區(qū)具有典型代表性的延河流域?yàn)槔?，選取退耕還林(草)政策實(shí)施前后共4期影像數(shù)據(jù)，基于遙感和GIS技術(shù)，通過(guò)土地利用景觀動(dòng)態(tài)度和景觀指數(shù)變化分析，揭示延河流域近32年來(lái)的土地利用景觀格局的變化特征，以期為黃土丘陵溝壑區(qū)土地資源的合理利用和生態(tài)環(huán)境的改善提供決策依據(jù)。
1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法
1.1 研究區(qū)概況
延河位于陜北黃土高原中部，全長(zhǎng)286.9 km，流域面積7 687 km2，地理位置為108°41′01″—110°27′48″E，36°27′00″—37°58′39″N。氣候?yàn)榇箨懶园敫珊导撅L(fēng)氣候，地跨暖溫性森林、暖溫性森林草原和暖溫性典型草原3個(gè)地帶，年平均降雨量約472 mm，主要集中在6—9月份，年平均氣溫8.8～10.2℃。土壤類(lèi)型以黃土母質(zhì)上發(fā)育的黃綿土為主，土壤質(zhì)地均一，土質(zhì)疏松，抗侵蝕能力差，大部分地區(qū)坡度在15°以上，土地利用以農(nóng)業(yè)用地為主，約占流域面積的90%，水土流失嚴(yán)重，多年平均徑流量為2.89億m3，徑流模數(shù)為36 425 m3/km2，輸沙模數(shù)為7.8萬(wàn)t/(km2·a)。自20世紀(jì)70年代起，該流域就開(kāi)展了水土保持治理工作，先后開(kāi)展了經(jīng)濟(jì)林、人工林、果園、人工草地等建設(shè)，到20世紀(jì)90年代，隨著退耕還林(草)等重大生態(tài)工程的實(shí)施，生態(tài)環(huán)境得到極大改善。截止2010年底流域總?cè)丝跒?50 750人，農(nóng)業(yè)人口為579 091人，占總?cè)丝诘?1%。
1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理
本文所用數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心(國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái))和中國(guó)科學(xué)院遙感所(對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)共享平臺(tái))，包括延河流域1978年(MSS)、1990年(TM)、2000年(TM)、2010年(TM)6—9月植物生長(zhǎng)高峰期的4期Landsat系列遙感影像數(shù)據(jù)，以及延河流域1∶50 000的DEM數(shù)據(jù)等。在ENVI軟件平臺(tái)下對(duì)4期遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正和幾何校正、地理配準(zhǔn)等預(yù)處理后，獲得波段組合為4，3，2(RGB)假彩色合成圖像，確立解譯標(biāo)志和解譯的精度。根據(jù)實(shí)際情況和研究目的，采用監(jiān)督分類(lèi)方法，將延河流域土地利用景觀類(lèi)型分為5種，即耕地類(lèi)型(梯田和坡耕地)、林地類(lèi)型、草地類(lèi)型、建設(shè)用地類(lèi)型(居民地和交通用地)和水域類(lèi)型(河流和水庫(kù))，得到各個(gè)時(shí)期的土地利用景觀類(lèi)型圖(附圖1)，同時(shí)結(jié)合2010年、2011年的兩次野外采樣調(diào)查數(shù)據(jù)對(duì)2010年的分類(lèi)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，準(zhǔn)確率達(dá)92.17%，通過(guò)隨機(jī)選取樣本區(qū)，計(jì)算各時(shí)期分類(lèi)混淆矩和Kappa指數(shù)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)Kappa系數(shù)均在80%以上，能夠滿足流域尺度景觀格局分析的要求。
1.3 研究方法
1.3.1 景觀類(lèi)型動(dòng)態(tài)度分析 土地利用類(lèi)型動(dòng)態(tài)度(K)是指研究區(qū)一定時(shí)間范圍內(nèi)某種土地利用類(lèi)型數(shù)量的變化情況[14]，可以來(lái)計(jì)算各景觀類(lèi)型的相對(duì)變化速率，進(jìn)而說(shuō)明研究期間內(nèi)各景觀類(lèi)型的變化(增加或減少)幅度或快慢，其公式為：
(1)
式中：K——研究時(shí)段內(nèi)某類(lèi)土地利用景觀類(lèi)型的年變化率；Ua，Ub——研究期初和研究期末某類(lèi)土地利用景觀類(lèi)型的面積；T——研究時(shí)長(zhǎng)。
1.3.2 景觀指數(shù)分析 在ArcGIS 10.0系統(tǒng)軟件支持下，應(yīng)用Conversion tools模塊將延河流域1978年、1990年、2000年和2010年4期土地利用景觀類(lèi)型矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)，然后采用Fragstats軟件計(jì)算景觀格局指數(shù)，在分析景觀結(jié)構(gòu)特征和斑塊特征變化的基礎(chǔ)上，分析景觀格局的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。Fragstats是由美國(guó)俄勒岡州立大學(xué)森林科學(xué)系開(kāi)發(fā)的一個(gè)景觀指標(biāo)計(jì)算軟件[15]，有矢量版本和柵格版本兩種版本，本文采用Fragstats 3.4柵格版本來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。考慮到運(yùn)算結(jié)果的精度和軟件的運(yùn)算能力，將柵格單元大小設(shè)定為30 m×30 m。
景觀格局指數(shù)是指能夠高度濃縮景觀格局信息的簡(jiǎn)單定量化指標(biāo)，是對(duì)景觀格局定量描述最常用的工具，合適的景觀指數(shù)對(duì)景觀格局分析的合理性十分重要[15]。因?yàn)镕ragstats軟件可以計(jì)算50多種景觀指標(biāo)，且許多指標(biāo)之間具有高度的相關(guān)性，本文在借鑒前人的研究結(jié)果的基礎(chǔ)上[16-20]，結(jié)合各指標(biāo)生態(tài)學(xué)涵義和研究區(qū)特點(diǎn)，在景觀類(lèi)型級(jí)別(Class-level)上選取了斑塊個(gè)數(shù)(NP)、斑塊密度(PD)、周長(zhǎng)—面積分維數(shù)(PAFRAC)、形狀指數(shù)(LSI)4個(gè)景觀指標(biāo)；在景觀級(jí)別(Landscape-level)上選用了斑塊密度(PD)、斑塊個(gè)數(shù)(NP)、平均斑塊面積(AREA-MN)、聚集度指數(shù)(AI)、分離度指數(shù)(SPLIT)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)、Shannon多樣性指數(shù)(SHDI)、Shannon均勻度指數(shù)(SHEI)、景觀優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(LDI)9個(gè)景觀指標(biāo)。
2 結(jié)果與分析
2.1 景觀的結(jié)構(gòu)特征變化分析
通過(guò)對(duì)比延河流域4期遙感影像解譯的數(shù)據(jù)結(jié)果(表1)，可以看出，1978—2010年耕地是變化幅度最大的景觀類(lèi)型，由1978年的512 827.7 hm2減少到2010年的123 211.5 hm2，所占延河流域景觀面積的比例減少了50.766%，而林地和草地則分別增加了31.769%，18.501%，建設(shè)用地和水域變化不大，但其中建設(shè)用地的面積增加了3倍，是增長(zhǎng)速度最快的景觀類(lèi)型。從過(guò)程上看，各景觀類(lèi)型的面積變化呈現(xiàn)出4種不同發(fā)展趨勢(shì)，即林地和建設(shè)用地面積持續(xù)增加，耕地面積持續(xù)減少，水域面積上下輕微波動(dòng)，草地面積先增加后減少再增加。而且在不同階段所表現(xiàn)出的變化速率也大不一樣，如圖1所示，1978—1990年，草地的變化速率最大，年變化率為6.47%；1990—2000年，林地是變化速率最大的景觀類(lèi)型，年變化率為4.08%；2000—2010年，變化最快的景觀類(lèi)型是建設(shè)用地，年變化率達(dá)19.66%。耕地在3個(gè)階段均保持一個(gè)較高的減少速率，而水域的最大變化速率也只有-0.77%。
表1 1978-2010年延河流域不同景觀類(lèi)型的面積和所占比例變化
以上分析表明，在過(guò)去的32年間，由各景觀類(lèi)型組成的延河流域景觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大變化。究其原因?yàn)閺?0世紀(jì)90年代末開(kāi)始，延河流域部分地區(qū)已經(jīng)開(kāi)展退耕還林(草)試點(diǎn)工作，到2000年已經(jīng)取得了初步成果，黃土高原水土保持世行貸款項(xiàng)目也于1994年10月正式啟動(dòng)，其他如天然林保護(hù)工程、三北防護(hù)林工程、德援造林項(xiàng)目等都取得了一定成效[21]，這些政策的實(shí)施使得大量耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值睾筒莸兀氐膬?yōu)勢(shì)地位逐漸喪失。同時(shí)，由于人口的增加、城市化水平的提高以及油田的開(kāi)發(fā)，使得建設(shè)用地面積增加較快。
圖1 延河流域不同時(shí)段景觀類(lèi)型變化速率
2.2 景觀的斑塊特征變化分析
2.2.1 景觀斑塊的破碎化特征 從斑塊數(shù)目和斑塊密度來(lái)看(圖2A，2B)，1990年之前，耕地的斑塊數(shù)目和斑塊密度最高，分別達(dá)到1 993個(gè)和0.055個(gè)/km2，表明耕地是該時(shí)期最破碎的景觀類(lèi)型。1990年之后，耕地的斑塊數(shù)目和斑塊密度銳減，草地的斑塊數(shù)目和斑塊密度呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，并在2000年超過(guò)了耕地成為斑塊數(shù)目最多的景觀類(lèi)型，體現(xiàn)了草地趨于破碎化的特點(diǎn)。同時(shí)，林地的斑塊數(shù)目呈緩慢增加的趨勢(shì)，而斑塊密度在減小，說(shuō)明林地大片增加，破碎化程度減弱。這是由于在實(shí)施退耕還林(草)工程后，之前
較為破碎的耕地斑塊大量撂荒后轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸匕邏K，干擾了其自然生長(zhǎng)狀態(tài)，導(dǎo)致草地空間分布不斷分散和破碎化，而林地主要以大面積人工林的形式增加，使一些破碎的斑塊連接在一起形成更大的斑塊，導(dǎo)致破碎度降低。建設(shè)用地斑塊數(shù)目和斑塊密度表現(xiàn)出先大幅度減少后緩慢增加的特點(diǎn)，表明了建設(shè)用地趨于集中化的變化趨勢(shì)，這也符合延河流域沿河兩岸發(fā)展和居住的特點(diǎn)。水域的斑塊數(shù)目和斑塊密度在整個(gè)時(shí)段內(nèi)變化不大。
2.2.2 景觀斑塊的形狀特征 周長(zhǎng)—面積分維數(shù)和形狀指數(shù)可以描述景觀中斑塊形狀的復(fù)雜和自我相似程度，其值越大，斑塊形狀越復(fù)雜，自我相似性越差，受人類(lèi)活動(dòng)干擾越弱。從圖2C，2D可以看出，1978—2010年，PAFRAC和LSI較高的景觀類(lèi)型是草地和耕地，說(shuō)明延河流域草地和耕地的斑塊邊界較復(fù)雜，受人類(lèi)活動(dòng)影響較小，這主要是由于延河流域的耕地多以坡耕地為主，其形狀主要受地形、地貌因素的影響，同時(shí)，由表1可以看出，1990—2000年存在開(kāi)荒與退耕并存的現(xiàn)象，導(dǎo)致了草地斑塊與耕地有著相似的形狀特征。值得注意的是建設(shè)用地的PAFRAC和LSI在32年里增長(zhǎng)了0.055，8.002，其原因是人口增長(zhǎng)導(dǎo)致居民點(diǎn)數(shù)量的增加以及采礦業(yè)發(fā)展所需的廠房數(shù)量增加，使得建設(shè)用地的形狀變得更加多樣化。林地和水域相對(duì)以上3種景觀類(lèi)型，它們的PAFRAC和LSI都較低，表明這兩種景觀要素的斑塊形狀較為簡(jiǎn)單和規(guī)則，這是因?yàn)槿斯ぴ炝趾吞萏?、淤地壩的修建，使得這些景觀類(lèi)型受人類(lèi)活動(dòng)干擾程度較重，形狀比較固定和單一，自我相似程度較高。
圖2 延河流域景觀類(lèi)型級(jí)別指數(shù)變化
2.3 景觀空間格局動(dòng)態(tài)分析
2.3.1 景觀破碎化分析 景觀破碎度指數(shù)是指1 km2內(nèi)的斑塊數(shù)量，描述景觀被分割的破碎程度，是衡量景觀異質(zhì)性的一個(gè)重要指標(biāo)[22]。通過(guò)景觀破碎化分析可以從一定角度反映出景觀的穩(wěn)定性和人類(lèi)的干擾程度。從表2可以看出，1978—2010年，延河流域土地利用景觀斑塊數(shù)目和斑塊密度呈先增加后減少的變化趨勢(shì)，平均斑塊面積呈先減少后增加的變化趨勢(shì)。斑塊總數(shù)從1978年的4 631個(gè)逐漸增加到2000年的4 753個(gè)又減少到2010年的4 671個(gè)；在1978—2000年斑塊密度增加了0.016個(gè)/km2，平均斑塊面積減小了0.038 km2；而在2000—2010年斑塊密度又減少了0.01個(gè)/km2，平均斑塊面積也增加了0.033 km2。以上3個(gè)景觀指數(shù)的變化規(guī)律表明，研究區(qū)景觀破碎度在1978—2000年呈增加趨勢(shì)，說(shuō)明該時(shí)段內(nèi)延河流域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增加使得原來(lái)面積較大的土地利用類(lèi)型被改造成為許多較小的斑塊，尤其是在當(dāng)?shù)匮匾u多年的以糧為主、廣種薄收的傳統(tǒng)耕作方式使得許多林地和草地被開(kāi)墾為耕地，景觀格局破碎化程度加劇，異質(zhì)性增加，此外，道路和居民點(diǎn)的修建、水土保持工程措施的實(shí)施也會(huì)造成景觀破碎度的增加；在2000—2010年，延河流域景觀破碎度呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)，原因是在20世紀(jì)90年代末實(shí)施退耕還林(草)政策后，相對(duì)零散的耕地?cái)?shù)量減少，大片的林地和草地?cái)?shù)量增加，隨著勞動(dòng)力的向外輸出和種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)延河流域土地利用景觀的干擾程度降低。
表2 1978-2010年延河流域景觀水平上的景觀格局指數(shù)
2.3.2 景觀多樣性、優(yōu)勢(shì)度和均勻度分析 景觀多樣性指數(shù)是指景觀要素或生態(tài)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)、功能上隨時(shí)間變化的多樣性，反映景觀類(lèi)型的豐富度和復(fù)雜度[23]。從表2可以看出，4個(gè)時(shí)期的景觀多樣性指數(shù)先增加后減少，在1990年時(shí)，延河流域的香儂多樣性指數(shù)最大，表明1990年的土地利用景觀豐富度和復(fù)雜度要高于其他3個(gè)時(shí)段，主要是由于該時(shí)期存在開(kāi)荒與退耕并存的現(xiàn)象，不同景觀要素之間轉(zhuǎn)換較為頻繁。景觀優(yōu)勢(shì)度指數(shù)表示景觀多樣性對(duì)最大多樣性的偏離程度，或描述景觀由少數(shù)幾個(gè)主要的景觀類(lèi)型控制的程度。其值越大，表明偏離程度越大，即某一種或少數(shù)景觀類(lèi)型占優(yōu)勢(shì)；其值為0時(shí)，表明景觀完全均質(zhì)，即由一種景觀類(lèi)型組成[23]。從圖3A可以看出，在1978—2010年，優(yōu)勢(shì)度指數(shù)發(fā)生了明顯的變化，表現(xiàn)為先減少后增加，而均勻度指數(shù)表現(xiàn)出與之完全相反的趨勢(shì)。這主要是因?yàn)樵?978年耕地類(lèi)型面積占景觀類(lèi)型總面積的66.82%，是該時(shí)期的優(yōu)勢(shì)景觀類(lèi)型，優(yōu)勢(shì)度指數(shù)為1.639，而在1990年以后耕地類(lèi)型的優(yōu)勢(shì)地位逐漸被打破，對(duì)景觀格局的控制作用在減弱，均勻度指數(shù)增加到0.832，景觀格局逐漸趨向均勻分布，這也將導(dǎo)致景觀穩(wěn)定性下降，抗干擾能力降低，但在90年代末期延河流域?qū)嵤┩烁€林(草)政策后，草地和林地在新的景觀格局中逐漸占據(jù)優(yōu)勢(shì)，優(yōu)勢(shì)度指數(shù)又逐漸增大至1.427。
圖3 延河流域景觀級(jí)別指數(shù)變化
2.3.3 景觀聚散性分析 景觀聚集度指數(shù)反映景觀中不同斑塊類(lèi)型的非隨機(jī)性或聚集程度以及景觀組分的空間配置特征。如果一個(gè)景觀由許多分散的小斑塊組成，其聚集度的值則較小，若景觀中以少數(shù)大斑塊為主或同一類(lèi)型斑塊高度連接時(shí)，其聚集度的值則較大[1]。
從圖3B可知，聚集度指數(shù)先減少后增加，說(shuō)明了景觀的空間連接性先減弱后有所增強(qiáng)，先是趨向于由許多不同類(lèi)型的小斑塊相互交錯(cuò)配置組成，而后趨向于相對(duì)較少的大斑塊組成，斑塊間的聚集程度先減弱后加強(qiáng)，這是由于在退耕還林(草)政策實(shí)施后，面積較小的耕地斑塊轉(zhuǎn)變?yōu)檩^大的林地斑塊，草地的自然恢復(fù)也使得一些本身較小的斑塊連接起來(lái)形成更大的斑塊；同時(shí)，蔓延度指數(shù)先減小后增大，說(shuō)明景觀類(lèi)型相對(duì)分散后又稍微相對(duì)集中，這主要體現(xiàn)在建設(shè)用地斑塊上，與經(jīng)濟(jì)發(fā)展和現(xiàn)代化城鎮(zhèn)建設(shè)密不可分；分離度指數(shù)先增加后減少，說(shuō)明景觀類(lèi)型在該區(qū)域的分布由分散到集中，由復(fù)雜到簡(jiǎn)單。
3 結(jié)論與討論
(1) 在整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)，延河流域各景觀類(lèi)型的變化幅度表現(xiàn)為：耕地>林地>草地>建設(shè)用地>水域。在3個(gè)研究時(shí)段內(nèi)，研究區(qū)變化速率最快的景觀類(lèi)型分別是草地、林地和建設(shè)用地，年變化率分別為6.47%，4.08%，19.66%。大量耕地轉(zhuǎn)化為草地和林地使得過(guò)去以耕地為主導(dǎo)的景觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱值亍莸貜?fù)合的景觀結(jié)構(gòu)，土地利用向多元化和均衡化方向發(fā)展。
(2) 通過(guò)對(duì)景觀類(lèi)型斑塊個(gè)數(shù)、斑塊密度、周長(zhǎng)—面積分維數(shù)和形狀指數(shù)的分析，研究區(qū)破碎度較高的景觀類(lèi)型是耕地和草地，斑塊形狀也較復(fù)雜，主要是受地形地貌因素的影響。由于人類(lèi)活動(dòng)的強(qiáng)烈干擾，林地、建設(shè)用地和水域斑塊分布趨于集中化，破碎度較小，形狀較為簡(jiǎn)單。
(3) 經(jīng)過(guò)多年的生態(tài)建設(shè)和流域綜合治理，尤其是退耕還林(草)政策的實(shí)施，延河流域的景觀本底發(fā)生了明顯變化，某一景觀要素對(duì)景觀格局的控制作用減弱。32年間，研究區(qū)的破碎度先增強(qiáng)后減弱，多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)先增加后減小，聚集度指數(shù)和蔓延度指數(shù)先減小后增大，說(shuō)明研究區(qū)過(guò)去以耕地為主導(dǎo)要素的土地利用景觀格局已不復(fù)存在，而以林地和草地為主導(dǎo)的新的土地利用景觀格局正在形成，景觀格局大致經(jīng)歷了“耕地主導(dǎo)—相對(duì)平衡—林草主導(dǎo)”的變化過(guò)程，向集中化和簡(jiǎn)單化的方向發(fā)展，抗干擾能力降低，不利于景觀的穩(wěn)定性，但有利于生態(tài)環(huán)境的改善。
退耕還林(草)政策在黃土丘陵區(qū)的推行和實(shí)施，使得大面積的耕地轉(zhuǎn)化為林地和草地，不僅改變了流域內(nèi)的景觀格局，而且改善了流域的生態(tài)環(huán)境。因此，在黃土丘陵溝壑區(qū)，應(yīng)用景觀格局定量分析方法，結(jié)合政策的引導(dǎo)，將人類(lèi)活動(dòng)對(duì)景觀演變的影響導(dǎo)向正向的良性循環(huán)，是實(shí)現(xiàn)流域土地資源和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的可行之徑。
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Analysis on the Change of Land-Use Landscape Pattern of the Hill and Gully Region of the Loess Plateau—A Case Study of the Yanhe River Basin
HUA Dongwen1,2, WEN Zhongming1,3, YANG Shisuo3, MIAO Lianpeng4
(1.InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China;3.InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China;4.CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)
In order to provide the basis for the rational utilization of land resources and the improvement of ecological environment of the hill and gully region of the Loess Plateau, Yanhe River Basin was investigated in this paper. Using GIS technology and landscape index analysis method, the dynamic change of land-use landscape structure characteristics, patch characteristics and spatial pattern of study area from 1978 to 2010 were systematically analyzed. Results showed that: (1) the change rate of landscape types of Yanhe River basin followed the sequence of cultivated land>forest land>grass land>construction land>water body. Grass land changed with the fastest rate from 1978 to 1990, and forest land changed with the fastest rate from 1990 to 2000, and construction land changed with the fastest rate from 2000 to 2010. The landscape structure dominated by cultivated land changed into the structure dominated by forest land and grass land; (2) affected by the topographical and geomorphic factor, the fragmentation of grass land and cultivated land was higher than other landscape types and their patch shapes were more complex. The patch distribution of forestland, construction land and water body tended to be concentrated and their patch shapes and fragmentation were relatively simple and low because of the heavy interference of human activities; (3) for the past 32 years, the land-use landscape pattern of Yanhe River basin had experienced a dynamic process, and it turned from the pattern dominated by cultivated land to the relative balance pattern and then to the pattern dominated by forestland and grass land. Landscape pattern developed towards the centralized and simplistic direction and their anti-interference ability became lower. It was harmful for the landscape stability, but was conducive to the improvement of ecological environment.
landscape pattern; land use; landscape index; Yanhe River basin; hill and gully region of the Loess Plateau
2014-11-10
2014-11-24
國(guó)家科技支撐計(jì)劃子課題“黃河中游主要來(lái)沙區(qū)林草減沙作用分析”[2012BAB02B05-(3)];中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目子課題“不同區(qū)域典型支流水沙變化對(duì)退耕還林等坡面工程的響應(yīng)”(KZZD-EW-04-03-03)
花東文(1989—),男,河南信陽(yáng)人,碩士研究生,研究方向?yàn)镚IS在水土保持中的應(yīng)用。E-mail:huadongwen@126.com
溫仲明(1969—),男,陜西定邊人,副研究員,博士,主要從事植被恢復(fù)生態(tài)重建研究。E-mail:zmwen@ms.iswc.ac.cn
F301
1005-3409(2015)05-0086-06
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