2001～2010年張掖市甘州區(qū)土地利用景觀格局演變研究

李潤林,董鵬程

(1.農業(yè)部 蘭州黃土高原生態(tài)環(huán)境重點野外科學觀測實驗站，甘肅 蘭州 730050；2.中國農業(yè)科學院 蘭州畜牧與獸藥研究所，甘肅 蘭州 730050)

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2001～2010年張掖市甘州區(qū)土地利用景觀格局演變研究

李潤林1,2,董鵬程1,2

(1.農業(yè)部 蘭州黃土高原生態(tài)環(huán)境重點野外科學觀測實驗站，甘肅 蘭州 730050；2.中國農業(yè)科學院 蘭州畜牧與獸藥研究所，甘肅 蘭州 730050)

摘要：為了解張掖市甘州區(qū)土地利用及景觀格局時空變化特征，以3期Landsat TM/ETM+遙感影像為數(shù)據(jù)源，利用RS、GIS技術和景觀生態(tài)學方法對研究區(qū)2001～2010年土地利用和景觀格局時空變化特征進行了分析研究，結果表明：在2001～2007年期間草地和建設用地面積增加，裸地和水體面積減少；在2007～2010年期間建設用地急劇增加，增加7.81 hm2，裸地和耕地面積減少。從整個研究期間來看，草地和建設用地面積增加，耕地和裸地面積減少，但耕地和裸地面積減少比重較小。從景觀水平上看，景觀破碎化程度加劇，景觀異質性和景觀多樣性增加，景觀空間連接性逐漸減弱，人類活動對景觀生態(tài)格局變化造成的影響愈加顯著。從類型水平上看，建設用地面積增加，破碎化加?。凰w的自然景觀特征增強，水體空間分布結構趨于均衡，裸地的破碎化進一步加劇。

關鍵詞：土地利用；景觀格局；綠洲城市

自20世紀90年代以來，土地利用/土地覆蓋變化研究就成為了全球環(huán)境變化研究的重要課題。許多學者認為城市化是導致土地利用/土地覆蓋加速變化的重要驅動力之一，也是影響生態(tài)環(huán)境的直接因素。目前，關于城市化對土地利用/土地覆蓋變化的研究大部分集中在大中城市以及沿海城市，而對生態(tài)環(huán)境更為脆弱的綠洲小城市研究較少。近年來，隨著西部大開發(fā)政策不斷深入，西部經(jīng)濟的快速發(fā)展以及農民生活水平的不斷提高，許多農民涌入中小城市，使得中小城市土地利用變化加劇，給城市的生態(tài)環(huán)境造成巨大壓力。尤其是干旱區(qū)的綠洲小城市，它已成為人口最聚集、生態(tài)環(huán)境最脆弱的區(qū)域之一。因此，研究干旱區(qū)綠洲小城市的土地利用變化對合理利用土地資源和保護生態(tài)環(huán)境具有重要的現(xiàn)實意義。

土地利用/土地覆蓋變化表現(xiàn)就是土地利用景觀格局的演變，其實質是人類為滿足自身生產、發(fā)展需要而做出的不斷調配土地利用方式的過程[1]。景觀格局動態(tài)變化研究是景觀生態(tài)學研究的核心內容之一，也是土地利用/土地覆蓋變化研究的重要組成部分[2]。研究土地利用的景觀格局動態(tài)變化可以從無序的景觀斑塊分布中發(fā)現(xiàn)潛在規(guī)律，揭示景觀格局與生態(tài)過程的相互作用機理[3]。景觀格局分析是土地景觀要素組成及空間配置的重要分析方法[4]。近年來不少學者將土地利用研究方法和景觀格局分析方法結合起來，對不同區(qū)域土地利用及景觀格局變化進行分析[5-8]。

張掖市甘州區(qū)屬于干旱區(qū)綠洲環(huán)境，近年來隨著城市的發(fā)展和人口的增長，土地利用變動頻繁。筆者利用景觀指數(shù)分析方法分析了2001～2010年張掖市甘州區(qū)土地利用變化的過程，旨在分析干旱區(qū)城市化過程中綠洲城市景觀格局的變化，為綠洲城市土地的可持續(xù)利用和綠洲城市的可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)。

1研究區(qū)概況

張掖市甘州區(qū)位于甘肅省西北部的河西走廊中段，南連祁連山，北依合黎、龍首二山，是西部重要的歷史名城。它位于北緯38°32′～39°24′，東經(jīng)100°6′～100°52′，平均海拔1474 m，占地面積3698 km2，屬于大陸性氣候。氣候特點是干燥少雨，年平均氣溫6 ℃，1月份最冷，7月份最熱。年平均降水量104～328 mm，年蒸發(fā)量1638～2341 mm。每年6～9月是全年最佳旅游季節(jié)。

2數(shù)據(jù)與方法

2.1數(shù)據(jù)來源及預處理

利用研究區(qū)域2001、2007和2010年的TM/ETM+遙感影像數(shù)據(jù)，結合野外現(xiàn)場調查，運用ENVI 4.7軟件對3幅遙感影像進行人工目視解譯，參考全國土地利用分類方法，將景觀類型劃分為建筑用地、耕地、裸地、草地、林地、水體，獲得3期景觀類型圖。應用ARCGIS 10進行數(shù)據(jù)處理，同時利用景觀指標計算軟件FRAGSTATS計算土地利用景觀格局指標。本研究從類型水平和景觀水平兩方面選取景觀指數(shù)，景觀水平主要反映其格局指數(shù)的變化，而類型水平反映類型的特征及變化。從景觀水平上選取斑塊數(shù) NP、平均斑塊面積 AREA_MN、邊界密度 ED、面積加權分維數(shù) FRAC_AM、聚合度AI、斑塊結合度指數(shù)COHESION、香農多樣性指數(shù)SHDI和香農均勻度指數(shù)SHEI這8個指標，從類型水平上選取斑塊數(shù)NP、斑塊密度PD、最大斑塊指數(shù)LPI、邊界密度 ED、面積加權分維數(shù)FRAC_AM、平均斑塊面積 AREA-MN、散布與并列指數(shù)IJI、聚合度 AI這8個指標。

2.2土地利用變化率

土地利用類型面積變化反映了不同土地利用類型在總量上的變化。通過分析土地利用類型的總量變化，不但可以了解土地利用變化總的態(tài)勢和土地利用結構的變化，還可以了解到該段時間內人類活動對土地資源利用變化的強弱程度[9]。土地利用變化率[10]是指某一特定區(qū)域內某一種土地利用類型面積在某一時間段內發(fā)生改變的速率，其表達式如下：

式中：K為研究時段內某土地利用類型的變化率；Ua和Ub分別為研究初期和研究末期某種土地利用類型的面積；T為研究時段間隔年數(shù)。

土地利用景觀空間轉移矩陣是各景觀類型間相互轉化數(shù)量及方向定量研究的主要方法，它能夠反映土地覆蓋類型間相互轉移的時間過程特征[11-12]。它包括轉出面積，即研究時段內由一種土地覆蓋類型轉變?yōu)槠渌恋馗采w類型的面積和轉入面積，研究時段內由其他土地覆蓋類型轉變?yōu)榇送恋馗采w類型的面積。

3結果與分析

3.1景觀總體變化特征

在2001～2007年期間，張掖市甘州區(qū)建筑用地、耕地和草地面積分別增加0.50、78.72、268.23 hm2，裸地、林地和水域面積分別減少344.28、0.39和3.05 hm2，草地和耕地面積增加顯著，主要來自裸地開荒和林地的砍伐退化。2007～2010年期間建筑用地、草地、林地和水域面積增加量分別為7.81、128.97、3.86和5.09 hm2，耕地和裸地面積減少量分別為143.96和8.84 hm2。耕地面積縮小主要因為建筑用地擴增；林地和草地面積增加主要是因為退耕還林還草工程的不斷推進；水域面積增加是濕地保護取得的成效。在2001～2010年期間，建筑用地、草地、林地、水域分別增加了8.31、397.20、3.47和2.04 hm2，耕地和裸地分別減少了65.24和353.11 hm2，表明研究區(qū)土地利用變化加劇。

從單一景觀類型動態(tài)度來看，在2001～2007年期間草地面積增加顯著，動態(tài)度達到31.12%；裸地和水體面積處于減少趨勢。在2007～2010年建筑用地急劇增加，動態(tài)度達到15.28%；耕地和裸地面積減少，其中耕地減少動態(tài)度為4.89%。2001～2010年期間草地和建設用地面積增加，動態(tài)度分別為29.82%和5.59%(表1)；耕地和裸地面積減少，動態(tài)變化量不大?？傮w來看，張掖甘州區(qū)草地和建設用地面積增加，草地面積增加顯著，其次是建設用地，耕地和裸地面積處于減少趨勢，減少面積比重較小。

表1　2001～2010年張掖市甘州區(qū)景觀類型面積特征

3.2景觀水平的格局變化特征

由表2可知：2001～2010年張掖市甘州區(qū)景觀水平的格局指標都發(fā)生了明顯的變化，斑塊數(shù)先減后增，從2001年的7527個增加到2010年的26709個；平均斑塊面積先增后減，從2001年的49.21 hm2減少到2010年的13.87 hm2，表明景觀破碎化程度不斷加劇，開始向細粒景觀轉化。邊界密度和景觀異質性密切相關，邊界密度增加，表明景觀異質性增強。面積加權分維數(shù)增加，說明人為活動對景觀生態(tài)格局變化造成的影響愈來愈顯著。面積加權平均分維度主要用于反映人類活動對景觀格局的影響，受人類活動干擾小的自然景觀的分維度高，反之較小。聚合度和斑塊結合度指數(shù)逐漸降低，以及香農多樣性指數(shù)和香農均勻度指數(shù)持續(xù)增加，反映出研究區(qū)景觀空間連接性逐漸減弱，但景觀多樣性逐漸增強。

表2　2001～2010年張掖市甘州區(qū)土地類型景觀水平的景觀格局指數(shù)

3.3景觀類型的格局變化特征

研究期內各景觀類型格局指標的變化具有明顯差異。從表3可以看出，建筑用地的斑塊數(shù)、斑塊密度、最大斑塊指數(shù)和邊界密度呈現(xiàn)不斷增加的趨勢，分別從2001年的125個、0.03個/hm2、0.30%和0.50 m/hm2增加到2010年的1598個、0.43個/hm2、0.52%和1.83 m/hm2，張掖市甘州區(qū)的城區(qū)面積在不斷擴張，破碎化程度逐漸加劇，面積加權分維數(shù)波動性增加，城市化活動在不斷加強。耕地作為張掖市甘州區(qū)的第二大景觀，斑塊數(shù)、斑塊密度和邊界密度波動上升，從2001年的640個、0.17個/hm2和10.16 m/hm2到2010年的3908個、1.06個/hm2和26.83 m/hm2，最大斑塊指數(shù)、平均斑塊面積、散布與并列指數(shù)和聚合度呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，說明耕地景觀破碎化嚴重，人類活動對農田耕地景觀的干擾作用持續(xù)增加，土地分散經(jīng)營的趨勢使聚合度不斷下降。裸地作為張掖市甘州區(qū)最大的景觀類型，斑塊數(shù)、斑塊密度和邊界密度呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢，從2001年的1763個、0.48個/hm2、10.9 m/hm2到2010的4097個、1.11個/hm2、16.26 m/hm2，最大斑塊指數(shù)、平均斑塊面積、散布與并列指數(shù)和聚合度不斷減少，裸地景觀由過去的大面積和集中的景觀格局變?yōu)樾∶娣e、零散的格局，說明人類活動對裸地的開發(fā)利用在加強，形成裸地不斷破碎化的趨勢。草地景觀作為張掖市甘州區(qū)變化最劇烈的一類景觀，斑塊數(shù)、斑塊密度、最大斑塊指數(shù)、邊界密度和平均斑塊指數(shù)都處于不斷增加的趨勢，散布與并列指數(shù)和聚合度處于減少趨勢，說明草地景觀面積和數(shù)量處于增加趨勢，但分布較為零散，這與草地用于城市綠化密切相關。林地的斑塊數(shù)、斑塊密度、邊界密度和散布與并列指數(shù)在2001～2010期間處于波動增加趨勢，但最大斑塊指數(shù)、平均斑塊指數(shù)和聚合度不斷減少的趨勢。水體的斑塊數(shù)、斑塊密度和邊界密度不斷減少，表明水體破碎化程度減低；其最大斑塊指數(shù)、平均斑塊指數(shù)、散布與并列指數(shù)和聚合度逐漸增強，說明水體的自然景觀特征增強，水體空間分布結構趨于均衡。

3.4不同景觀類型的轉移特征

從2001～2010年張掖市甘州區(qū)的各類景觀來看，各景觀類型都發(fā)生了一定程度的轉移，其中草地變化最為劇烈，37.46%的草地轉變?yōu)榱值兀矘湓炝趾头雷o林帶的建立是導致草地面積轉化的主要原因。15.51%和11.44%的草地面積分別轉變?yōu)檗r田和建設用地，說明農業(yè)開發(fā)活動和城市擴張對草地轉變具有較大的驅動作用；另外有11.32%的草地轉化為裸地，10.44%的草地轉變?yōu)樗w。裸地景觀也發(fā)生了明顯變化，主要流向建設用地、草地和水體，轉化率分別為3.70%、8.54%和13.50%，城市建設、植被恢復和濕地保護是裸地轉移的主要因素。耕地景觀主要轉移為草地、水體和建設用地，其中轉移為草地的最多，達到20.61%；轉移為水體的為10.42%；轉移為建設用地的為4.12%；退耕還林還草政策執(zhí)行的不斷深入和畜牧業(yè)的發(fā)展是耕地轉移為草地的主要原因。濕地面積得到恢復表明填水造田專項治理開展順利。城區(qū)的擴張造成4.12%的耕地轉化為建設用地。林地景觀類型轉移面積較小，主要轉移為耕地和草地。水體景觀大部分流向建設用地、草地和裸地，其轉化率分別達4.50%、0.78%、0.54%，其中城市擴張是水體損失的最直接因素(表4)。

表3　2001～2010年張掖市甘州區(qū)土地類型水平的景觀格局指數(shù)

表4　從2001至2010年張掖市甘州區(qū)土地類型轉移矩陣

4結論和討論

2001～2010年間張掖市甘州區(qū)各景觀類型面積比例都發(fā)生了變化，在2001～2007年期間，草地和建設用地面積增加，草地面積增加顯著，增加面積達268.23 hm2，動態(tài)度達到31.12%；裸地和水體面積處于減少趨勢。在2007～2010年期間，建設用地急劇增加，增加面積為7.81 hm2，動態(tài)度達到15.28%；裸地和耕地面積一直處于減少趨勢，但面積減少比重較小。從整個研究期間來看，草地和建設用地面積增加，動態(tài)度分別為29.82%和5.59%；耕地和裸地面積減少，但耕地和裸地面積減少比重較小。

從景觀水平來看，研究區(qū)景觀破碎化程度加劇，景觀異質性和景觀多樣性增加，景觀空間連接性逐漸減弱，人類活動對景觀生態(tài)格局變化造成的影響愈來愈顯著。

從類型水平來看，研究區(qū)建設用地面積增加，破碎化加?。徊莸刈兓瘎×?；水體的自然景觀特征增強，水體空間分布結構趨于均衡；裸地的破碎化進一步加劇。

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(責任編輯：許晶晶)

Study on Land Use and Landscape Pattern Changes in Ganzhou District of Zhangye City from 2001 to 2010

LI Run-lin1,2, DONG Peng-cheng1,2

(1. Lanzhou Municipal Key Field Scientific Observation and Experimental Station for Ecological Environment in Loess Plateau Area, Ministry of Agriculture, Lanzhou 730050, China; 2. Lanzhou Institute of Animal Husbandry and Veterinary, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Lanzhou 730050, China)

Abstract：In order to understand the temporal and spatial patterns characteristics of land use and landscape change in Ganzhou district of Zhangye city, using three Landsat TM/ETM images as the data source, analyzed the temporal and spatial variation features of land use and landscape by RS, GIS technology and landscape ecology methods from 2001 to 2010, the results showed that the grassland area and construction land significantly increased, the bare land and water area decreased during 2001～2007. construction land increased dramatically during 2007～2010, increasing the area of 7.81 hm2, the bare land and the arable land area decreased. In the entire study period, the grass and construction land area increased, the arable land and the bare land area decreased, but the reducing proportion of arable land and bare land area was small. At the level of landscape, landscape fragmentation degree, landscape heterogeneity and landscape diversity increased, the impact of human activities on the ecological landscape pattern change significantly increased. At the class level of landscape, construction land area increased and fragmentation intensified. Water enhanced natural landscape feature and the spatial distribution structure of water more balanced, fragmentation of bare land further exacerbated.

Key words：Land use; Landscape pattern; Oasis town

收稿日期：2015-12-11

基金項目：中國農業(yè)科學院科技創(chuàng)新工程項目“寒生、旱生灌草新品種選育” (CAAS-ASTIP-2014-LIHPS-08)；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費專項“基于地面觀測站的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與利用”(1610322015016)。

作者簡介：李潤林(1982─)，男，甘肅武威人，助理研究員，碩士，主要從事農業(yè)資源遙感研究。

中圖分類號：P901

文獻標志碼：A

文章編號：1001-8581(2016)06-0109-05