近19年西安市土地利用/覆被及景觀格局變化分析

馬瑞芳 員學(xué)鋒

摘要 利用2000、2005、2010、2015和2018年西安市的土地利用數(shù)據(jù)，基于ArcGIS 10.5分析土地利用/覆被的變化特征，并利用Fragstats 4.2計算景觀指數(shù)研究景觀格局的變化特征。結(jié)果表明，西安市土地利用以耕地為主，2000—2018年土地利用變化的主要特征為耕地面積顯著減少、建設(shè)用地明顯擴(kuò)張，其中耕地面積減少497.54 km2，建設(shè)用地增加532.36 km2;各地類相互轉(zhuǎn)化，其中耕地的轉(zhuǎn)出率較高，建設(shè)用地的轉(zhuǎn)入率較高，且新增建設(shè)用地主要來源于耕地。2000—2018年建設(shè)用地破碎化程度最高但有所降低，耕地和林地破碎化程度升高，草地的破碎化程度先升高后降低，景觀類型趨于復(fù)雜化、多樣化、異質(zhì)化。因此，在城市發(fā)展過程中，尤其是西部地區(qū)，必須注重生態(tài)保護(hù)，降低人類活動對景觀格局的干擾強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞 土地利用/覆被;景觀格局;變化特征;西安市

中圖分類號 F301文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 0517-6611（2021）05-0090-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.05.025

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Analysis of Changes in Land Use/Cover and Landscape Pattern in Xian in Recent 19 years

MA Rui-fang1， YUAN Xue-feng1，2，3

（1. School of Land Engineering， Changan University，Xian， Shaanxi 710054;2. Key Laboratory of Land Remediation of Shaanxi Province，Xian，Shaanxi 710054;3. Rural Revitalization Research Institute of Changan University， Xian， Shaanxi 710054）

Abstract Using the land use data of Xian in 2000， 2005， 2010， 2015 and 2018， the characteristics of land use/cover changes were analyzed based on ArcGIS 10.5， and Fragstats 4.2 was used to calculate the landscape index to study the change characteristics of landscape patterns.The results showed that the land use in Xian was dominated by arable land. The main characteristics of land use changes from 2000 to 2018 were the significant decrease in arable land and the obvious expansion of construction land. The area of arable land decreased by 497.54 km2 and the construction land increased by 532.36 km2; all regions were transformed into each other. Among them， the conversion rate of arable land was higher， and the conversion rate of construction land was higher， and the newly added construction land mainly came from cultivated land. From 2000 to 2018， the degree of fragmentation of construction land was the highest but decreased. The degree of fragmentation of arable land and forest land increased， and the degree of fragmentation of grassland increased first and then decreased， and the types of landscapes tended to become more complex， diverse and heterogeneous.Therefore， in the process of urban development， especially in the western region， we must pay attention to ecological protection and reduce the intensity of interference of human activities on the landscape pattern.

Key words Land use/cover; Landscape pattern; Change characteristics;Xian City

土地利用/覆被變化（LUCC）作為全球環(huán)境變化、可持續(xù)發(fā)展研究的重要組成部分和內(nèi)容[1]，不僅刻畫了地球表面的空間格局，還表現(xiàn)了景觀的變化[2]，反映了自然過程與人類社會之間的作用關(guān)系[3]。1995年，“土地利用與土地覆被變化科學(xué)研究計劃”的提出為研究不同尺度的LUCC奠定了基礎(chǔ)[4]。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國的城市化進(jìn)程不斷加快，深刻地影響著土地利用類型和景觀格局的變化[5]。近年來較多學(xué)者利用景觀格局指數(shù)來研究土地利用變化，通過建立格局與景觀過程之間的聯(lián)系[6]，對土地景觀格局的變化特征進(jìn)行定量化研究[7]。

劉紀(jì)遠(yuǎn)等[8]對我國土地利用的時空格局變化進(jìn)行了研究，我國對西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)城市的研究較少，對生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)的研究較多。而西安市作為關(guān)中平原城市群的中心城市，對其景觀格局變化進(jìn)行研究，可為區(qū)域其他城市發(fā)展及景觀格局構(gòu)建提供參考。筆者以西安市2000、2005、2010、2015和2018年土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，運(yùn)用ArcGIS 10.5對土地利用格局進(jìn)行研究，并選取和計算景觀格局指數(shù)分析景觀格局變化。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

西安市位于渭河流域中部關(guān)中盆地，地處107.40°～109.49°E、33.42°～34.45°N，北部和南部分別與黃土高原、秦嶺相鄰，地勢南高北低。屬溫帶季風(fēng)氣候，年降水量最少約522.4 mm，最多約719.5 mm，水資源缺乏?？偯娣e10 752 km2，其中建成區(qū)面積700.27 km2。經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市的不斷擴(kuò)張導(dǎo)致了西安市土地利用變化，對西安市的經(jīng)濟(jì)生態(tài)協(xié)調(diào)性影響較大。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

該研究所采用的西安市行政邊界、土地利用數(shù)據(jù)從中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：∥www.resdc.cn）獲取，參照《土地利用現(xiàn)狀分類》（GB/T 21010—2007）標(biāo)準(zhǔn)，將土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地6種類型。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用/覆被變化分析。

通過土地利用轉(zhuǎn)出/轉(zhuǎn)入率、轉(zhuǎn)移矩陣等表現(xiàn)研究區(qū)的土地利用變化特征。

土地利用轉(zhuǎn)出/轉(zhuǎn)入率表示在研究期內(nèi)某一地類轉(zhuǎn)為其他地類或由其他地類轉(zhuǎn)為該地類的幅度[9]，公式如下：

T i=n-1 j=1T ijL t0×100%（1）

M i=n-1 j=1M jiL ik×100%（2）

式中，T i為轉(zhuǎn)出率;T ij為地類i在一定時間內(nèi)轉(zhuǎn)為地類j的面積;L t0為t 0時地類i的面積;n為土地利用類型的數(shù)量;M i為轉(zhuǎn)入率;M ji為地類j在一定時間內(nèi)轉(zhuǎn)為地類i的面積;L ik為t k時地類i的面積。

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，描述不同土地利用類型的變化方向[10]，公式為：

S ij=S 11…S 1n

S n1…S nn（3）

式中，S ij為研究期i到j(luò)的土地面積;n為地類數(shù)量。

1.3.2 景觀格局分析。

景觀格局變化研究對于了解土地利用/覆被變化具有重要意義[11]。景觀格局指數(shù)反映了土地利用類型的結(jié)構(gòu)特征[12]，可用來描述區(qū)域景觀格局特征及其變化，將格局與景觀過程聯(lián)系起來，在研究土地利用變化這一方面得到廣泛應(yīng)用[13]。景觀格局變化的研究以地類變化為前提，因此景觀指數(shù)主要從斑塊類型水平、景觀水平2個尺度選取。斑塊類型水平上，選取斑塊數(shù)量（NP）、斑塊密度（PD）、景觀形狀指數(shù)（LSI）、最大斑塊面積指數(shù)（LPI）4個指標(biāo)反映不同斑塊類型的破碎度等特征。景觀水平上，選取NP、LPI、LSI、蔓延度指數(shù)（CONTAG）、香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）、香農(nóng)均勻度指數(shù)（SHEI）6個指標(biāo)反映景觀的連片度、多樣性等。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用/覆被動態(tài)變化分析

從圖1可以看出，2000—2018年西安市土地利用/覆被類型主要為耕地，其次為林地、草地、建設(shè)用地，水域和未利用土地較少。2000—2018年耕地和建設(shè)用地的變化較為顯著，耕地、林地、草地和

水域的面積減少，建設(shè)用地和未利用地增加。19年間耕地面

積減少了497.54 km2，主要是由于人口增長和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城市發(fā)展演化占用耕地;林地減少了1.45 km2，是因?yàn)閬y砍濫伐、毀林開荒及城鄉(xiāng)建設(shè)占用等原因，而2010年林地面積增加主要是由于退耕還林等生態(tài)保護(hù)政策實(shí)施較好;草地面積減少了47.57 km2，主要是由于開墾、植樹造林、建設(shè)用地占用等，2005年草地面積增加主要與退耕還草等生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策有關(guān);建設(shè)用地增加了532.36 km2，主要是由于城市發(fā)展中城市建設(shè)強(qiáng)度的增大。

該研究采用單一轉(zhuǎn)出率和轉(zhuǎn)入率對2000—2018年西安市土地利用/覆被變化特征進(jìn)行分析（表1），利用轉(zhuǎn)移矩陣對土地利用類型之間的轉(zhuǎn)移情況進(jìn)行分析，各期土地類型轉(zhuǎn)移情況如表2～5所示。

從表1和表2可以看出，2000—2005年耕地變化以轉(zhuǎn)為其他地類為主要特征，耕地的轉(zhuǎn)出率為3.59%，有87.80 km2轉(zhuǎn)出為建設(shè)用地，其次轉(zhuǎn)出為水域、草地和林地，耕地面積明顯減少;林地的轉(zhuǎn)出率為0.36%，略大于轉(zhuǎn)入率，林地面積減少，主要有9.35 km2轉(zhuǎn)出為建設(shè)用地;草地的轉(zhuǎn)入率為0.99%，大于轉(zhuǎn)出率，草地面積增加，主要有20.82 km2耕地轉(zhuǎn)入;水域的轉(zhuǎn)入率為21.30%，遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)出率，水域面積增加，主要有24.21 km2耕地和7.07 km2草地轉(zhuǎn)入;建設(shè)用地轉(zhuǎn)入率為10.86%，遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)出率，建設(shè)用地面積增加，主要由87.80 km2耕地轉(zhuǎn)入，其次是林地和草地。

從表1和表3可以看出，2005—2010年耕地的轉(zhuǎn)出率為4.88%，大于轉(zhuǎn)入率，主要是有140.98 km2轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，其次是草地、林地和水域;林地的轉(zhuǎn)入率為1.05%，林地面積增加，主要由18.53 km2草地和10.38 km2耕地轉(zhuǎn)入;草地的轉(zhuǎn)出率為4.08%，大于轉(zhuǎn)入率，草地面積減少，主要是有61.08 km2草地轉(zhuǎn)為耕地;水域的轉(zhuǎn)入率為8.74%，大于轉(zhuǎn)出率，水域面積增加，主要是由9.25 km2耕地轉(zhuǎn)入;建設(shè)用地的轉(zhuǎn)入率為14.56%，遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)出率，建設(shè)用地面積明顯增加，主要有140.98 km2的耕地轉(zhuǎn)入。

從表1和表4可以看出，2010—2015年耕地的轉(zhuǎn)出率為13.39%，大于轉(zhuǎn)入率，耕地面積減少，主要是有325.56 km2轉(zhuǎn)為建設(shè)用地、104.06 km2轉(zhuǎn)為草地、50.42 km2轉(zhuǎn)為林地、21.09 km2轉(zhuǎn)為水域;林地的轉(zhuǎn)出率為5.64%，轉(zhuǎn)入率為5.36%，林地面積變化不大;草地的轉(zhuǎn)出率為10.43%，略大于轉(zhuǎn)入率，草地面積減少;水域的轉(zhuǎn)出率為27.21%，大于轉(zhuǎn)入率，水域面積減少，主要有26.01 km2轉(zhuǎn)為耕地;建設(shè)用地轉(zhuǎn)入率為27.46%，遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)出率，面積大幅增加，主要有325.56 km2耕地轉(zhuǎn)入;未利用地的轉(zhuǎn)入率為37.20%，大于轉(zhuǎn)出率，未利用地面積增加，主要有0.61 km2耕地和0.68 km2林地轉(zhuǎn)入。

從表1和表5可以看出，2015—2018年耕地的轉(zhuǎn)出率為9.94%，轉(zhuǎn)入率為8.41%，耕地面積減少但變化不大，新增耕地主要來源于102.79 km2草地和126.44 km2建設(shè)用地;林地的轉(zhuǎn)出率為5.70%，轉(zhuǎn)入率為5.36%，與2010—2015年相比，林地面積進(jìn)一步減少，主要有100.15 km2轉(zhuǎn)為草地;水域的轉(zhuǎn)出率為23.34%，遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)入率，水域面積持續(xù)減少，主要轉(zhuǎn)為耕地和建設(shè)用地;建設(shè)用地的轉(zhuǎn)入率仍然大于轉(zhuǎn)出率，其面積在不斷擴(kuò)張，主要由耕地轉(zhuǎn)入，說明建設(shè)用地擴(kuò)張過程中不斷占用耕地;未利用地轉(zhuǎn)入率大于轉(zhuǎn)出率，其新增面積主要來源于耕地撂荒。

2.2 景觀格局變化分析

2.2.1 類型水平。

從斑塊數(shù)量（NP）和斑塊密度（PD）上看，各類用地的NP與PD的變化相似。各期斑塊類型水平景觀指數(shù)變化情況如圖2所示。2000—2018年西安市建設(shè)用地的斑塊數(shù)量最多、斑塊密度最大，表明相對于其他景觀類型，建設(shè)用地破碎化程度較高，且斑塊密度下降，表明破碎化程度明顯降低，主要是由于土地利用規(guī)劃的實(shí)施及建設(shè)用地集約利用水平提高。耕地的斑塊數(shù)量和密度均先減少后增加，表明耕地面積減少且破碎化程度升高，主要是由于耕地被道路等基礎(chǔ)設(shè)施用地分割。其他景觀類型破碎化程度較低且變化幅度較小，未利用地的破碎化程度最低。

就最大斑塊面積指數(shù)（LPI）來說，耕地的最大斑塊指數(shù)不斷減小，表明在空間上耕地被分割，面積逐漸減小;林地與建設(shè)用地最大斑塊指數(shù)呈增加趨勢，表明這2種景觀分布趨于集中、連片性增強(qiáng);草地、水域和未利用土地最大斑塊面積指數(shù)較小且變化不大。

景觀形狀指數(shù)（LSI）越高，表明景觀規(guī)則性越差、形狀越復(fù)雜。變化較為明顯的是耕地與建設(shè)用地，其中耕地的景觀形狀指數(shù)不斷增加，表明耕地形狀復(fù)雜，向不規(guī)則方向發(fā)展，在一定程度上阻礙了農(nóng)業(yè)向規(guī)?；较虬l(fā)展;建設(shè)用地的景觀形狀指數(shù)不斷減小，表明該類用地規(guī)則性越來越好。草地、林地、水域和未利用土地的景觀形狀指數(shù)變化不大。

2.2.2 景觀水平。

從2000—2018年西安市各期景觀水平指數(shù)的變化情況（圖3）可以看出，斑塊數(shù)量（NP）呈逐年減小趨勢，而斑塊數(shù)量最多的是建設(shè)用地，表明西安市景觀破碎化程度降低與建設(shè)用地集約利用程度提高有關(guān)。最大斑塊面積指數(shù)（LPI）和蔓延度指數(shù)（CONTAG）均呈減小趨勢，表明隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，景觀類型分布混雜，連片化程度和蔓延度降低，造成生境破碎化。景觀形狀指數(shù)（LSI）先增后減，2015年達(dá)到最高值，這是由于城市化發(fā)展導(dǎo)致用地復(fù)雜、不規(guī)則，受城市規(guī)劃等影響后不規(guī)則性得到控制，景觀斑塊受人為干擾較大。香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）、香農(nóng)均勻度指數(shù)（SHEI）均呈增大趨勢，表明城市化進(jìn)程中，人類活動強(qiáng)度加大，建設(shè)用地占用耕地、林地、水域等景觀用地且不斷擴(kuò)張，景觀類型越來越復(fù)雜化、多樣化、異質(zhì)化。

3 結(jié)論與討論

2000—2018年西安市土地利用/覆被發(fā)生顯著變化，耕地不斷減少，建設(shè)用地不斷增加，林地、草地和水域波動減少，未利用地增加較少。其中，耕地面積減少497.54 km2，建設(shè)用地增加532.36 km2，主要是由于城市發(fā)展中城市建設(shè)強(qiáng)度的增大及耕地被占用。林地和草地面積波動減少主要原因是退耕還林還草及建設(shè)用地占用。未利用地增加主要與耕地撂荒、林草退化等有關(guān)。2000—2018年各地類相互轉(zhuǎn)化，其中耕地的轉(zhuǎn)出率和建設(shè)用地的轉(zhuǎn)入率較大?？梢姡ㄔO(shè)用地占用耕地等地類是城市化發(fā)展的必然結(jié)果，城市化發(fā)展是土地利用類型相互轉(zhuǎn)化的驅(qū)動因素。

2000—2018年西安市景觀格局變化較大。類型水平上，耕地和林地破碎化程度升高，建設(shè)用地破碎化程度最高但有所降低。景觀水平上，研究區(qū)土地利用的斑塊數(shù)量和斑塊密度呈減小趨勢，景觀破碎化程度降低，表明政府部門通過加大規(guī)劃力度使土地利用布局得到優(yōu)化。但由于城市化發(fā)展及用地形狀不規(guī)則，景觀的類型復(fù)雜多樣、景觀形狀不規(guī)則，景觀的連片化程度和蔓延度依然較低。

我國西部地區(qū)城市的景觀格局與當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)社會發(fā)展有緊密聯(lián)系。那么，西安市在經(jīng)濟(jì)建設(shè)過程中對于生態(tài)的保護(hù)具有借鑒意義。此外，景觀格局的時空特征是對人類活動干擾強(qiáng)度的響應(yīng)[14]。研究城市土地利用景觀格局的變化有利于更清楚地了解土地利用情況及其變化趨勢，對于國土空間規(guī)劃中主體功能區(qū)的劃分具有重要意義，可根據(jù)不同景觀將城市劃分為不同的功能區(qū)。在生態(tài)環(huán)境建設(shè)的大背景下，土地利用景觀格局的動態(tài)變化研究能較為清晰地確定生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)域，根據(jù)地域差異制定生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策，根據(jù)區(qū)域發(fā)展情況實(shí)施生態(tài)環(huán)境建設(shè)，從而有效地構(gòu)建生態(tài)安全格局。從鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略視角來看，景觀生態(tài)格局研究對于貧困地區(qū)的生態(tài)扶貧具有重要意義，可以較為直觀地看出扶貧工作中生態(tài)扶貧措施的有效性。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄖文聚，楊紅.農(nóng)村土地整治新思考[J].中國土地，2010（Z1）：69-71.

[2] 張健，陳鳳，濮勵杰，等.近20年蘇錫常地區(qū)土地利用格局變化及其驅(qū)動因素分析[J].資源科學(xué)，2007，29（4）：61-69.

[3] 史洪超.土地利用/覆被變化（LUCC）研究進(jìn)展綜述[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（26）：13107-13110，13125.

[4] 鄧祥征，劉紀(jì)遠(yuǎn)，戰(zhàn)金艷，等.區(qū)域土地利用變化的多情景分析：以內(nèi)蒙古自治區(qū)太仆寺旗為例[J].地球信息科學(xué)，2004，6（1）：81-88.

[5] 胡昕利，易揚(yáng)，康宏樟，等.近25年長江中游地區(qū)土地利用時空變化格局與驅(qū)動因素[J].生態(tài)學(xué)報，2019，39（6）：1877-1886.

[6] 陳文波，肖篤寧，李秀珍.景觀指數(shù)分類、應(yīng)用及構(gòu)建研究[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2002，13（1）：121-125.

[7] 張戈麗，王立本，董金緯.低山丘陵區(qū)景觀格局及其優(yōu)化研究：以濟(jì)南市平陰縣為例[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007，35（6）：1772-1774.

[8] 劉紀(jì)遠(yuǎn)，寧佳，匡文慧，等.2010—2015年中國土地利用變化的時空格局與新特征[J].地理學(xué)報，2018，73（5）：789-802.

[9] 陳學(xué)淵，唐華俊，吳永常，等.耕地格局時空動態(tài)變化過程和差異分析：以浙江安吉為例[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，48（21）：4302-4313.

[10] 傅家儀，臧傳富，吳銘婉.1990—2015年海河流域土地利用時空變化特征及驅(qū)動機(jī)制研究[J].中國農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃，2020，41（5）：131-139.

[11] FAN Q D，DING S Y.Landscape pattern changes at a county scale：A case study in Fengqiu，Henan Province，China from 1990 to 2013[J].Catena，2016，137：152-160.

[12] 祖拜代·木依布拉，夏建新，普拉提·莫合塔爾，等.克里雅河中游土地利用/覆被與景觀格局變化研究[J].生態(tài)學(xué)報，2019，39（7）：2322-2330.

[13] 阿依努·吐遜，張青青，徐海量，等.近57a瑪納斯河流域土地利用/覆被變化[J].干旱區(qū)研究，2019，36（3）：599-605.

[14] 劉佳琦，栗云召，宗敏，等.黃河三角洲人類干擾活動強(qiáng)度變化及其景觀格局響應(yīng)[J].地球信息科學(xué)學(xué)報，2018，20（8）：1102-1110.