贵州省山地-坝地系统土地利用与景观格局时空演变

李阳兵, 姚原温, 谢 静, 王发艳, 白晓永

(1.贵州师范大学地理与环境科学学院，贵阳 550001； 2.中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室，贵阳 550002)

贵州省山地-坝地系统土地利用与景观格局时空演变

李阳兵1,*, 姚原温1, 谢 静1, 王发艳1, 白晓永2

(1.贵州师范大学地理与环境科学学院，贵阳 550001； 2.中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室，贵阳 550002)

探讨贵州省山地-坝地系统的景观变迁与优化调控具有重要的意义。以贵州省典型的蒲场、洋川山地-坝地系统为例，从一个地貌单元对以万亩大坝为中心的山地-坝地土地系统1960 年代到2010 年的土地利用变化与格局演变进行系统的研究。把研究区划分成中央坝地、坝中丘陵和坝周山地3个部分，结合遥感技术与实地调查，获得研究区4个时期土地利用的空间分布，基于移动窗口法计算了景观格局指标。坝中丘陵和坝周山地景观多样性高于坝地，土地利用综合程度以坝地最高；平坝耕地从1963 年所占比例90.81%下降到2010年的79.94%，坝中丘陵和坝周山地林地减少，灌木林增加，坡耕地仍保持在较高水平；耕地有向经济效益更高的土地利用方式转变的趋势。坝子在土地利用变化和景观格局演变过程中，原有的土地利用格局逐渐被改变，形成新的斑块-廊道-基质格局。研究区中部坝地、坝中丘陵和坝周山地的土地利用变化表明，坝地的土地利用变化和土地集约利用可对坝中丘陵及坝周山地产生影响，坝子与坝中丘陵和坝周山地土地利用存在耦合变化。进一步应加强研究区土地利用优化调控，使坝地、坝周山地和坝中丘陵的土地利用协同演化。研究结果对贵州省山地-坝地系统土地优化利用有参考价值。

山地-坝地系统；土地利用；演变；贵州省

土地利用/覆盖变化(LUCC)集中体现了自然与人文的交互作用，LUCC研究涵盖LUCC 时空过程探测、驱动机理分析、过程刻画与模拟及宏观生态效应评价等多个方面[1]，研究尺度的综合和模型构建是LUCC研究的两大难点问题[2]。如今，越来越多的专家学者开始从多种角度开展土地利用、覆被变化及其景观生态效应方面的研究工作，如城市[3]、区域[4]、流域[5]、脆弱生态区[6]和农业土地利用[7]，总体上，21 世纪初5 年中国处于土地利用快速变化期[8]。对西南岩溶山地的土地利用变化研究，集中在城市地区[9- 10]、乡村聚落[11]和典型流域土地变化模拟[12]，以及喀斯特山区的土地利用变化[13- 14]和石漠化演变[15- 16]。

贵州省土地资源的特点是山地、丘陵多，坝地(相当于其它地方的平原、盆地)少，坝子是指面积较大且较宽阔，形状比较有规则的连片山间平坝，由盆地(坝子)、洼地等一系列空间尺度不一的坝地及其周边山地构成了贵州省广泛分布的山地-坝地土地利用系统，万亩大坝与周边山地系统就是其中的典型代表。贵州全省176167 km2的土地上，据《贵州农业地貌区划》，万亩以上的大坝不超过20 个；据“贵州省地理学会”不完全统计，万亩(666.7 hm2)以上的典型大坝为19 个；也有人认为贵州万亩以上的大坝有62 个[17]。贵州省国土资源厅现已查明贵州省坡度在6°以下，面积大于6.67 km2，集中连片的万亩耕地大坝共47 个，耕地面积612.8 km2[18]。

万亩大坝土地利用结构可分为耕地主导型、建设用地耕地主导型、耕地林地主导型3类，以耕地主导型为主[19]，往往也是一些县城、乡镇、聚落、工矿和交通线发展的主要场所。万亩大坝土地利用格局更多的是受坝子自身条件以外的社会经济因素的影响，如城镇、交通条件和区位因素的影响，反过来，随着贵州省城镇化发展、道路条件改善，各坝子的区位条件也会发生变化，必将引起万亩大坝土地利用格局的变化。在坝区空间局限性的限制作用下，耕地减少和建设占地增加将是万亩大坝土地利用变化的基本方面，坝地面临以有限的适宜土地既要保证“吃饭”又要保证“建设”和“生态”的三难局面，在这种情形下，亟需回答万亩大坝的土地利用变化过程及其与周边山地土地利用的协同演进过程，如万亩大坝的建设用地扩张与耕地流失过程？万亩大坝土地利用变化是否引起周边山地土地利用变化？万亩大坝建设用地增加与土地利用程度提高是否增加了山地-坝地系统的生态安全？如何对山地-坝地系统进行土地利用优化调控？但目前还没有从一个地貌单元对以万亩大坝为中心的山地-坝地土地系统进行系统的研究。因此，研究万亩大坝及其与周边山地的土地利用与景观格局演变过程、土地利用耦合变化情景，在当前就显得十分迫切。本文以贵州省绥阳县的蒲场、洋川山地-坝地系统为例，结合遥感技术与实地调查，研究从1960 年代到2010 年坝子与坝周山地土地利用与景观格局演变耦合过程，研究结果试图了解万亩大坝土地利用变迁过程中的耕地流失，探索山地-坝地系统土地利用耦合变化和协同演进关系。

1 研究区概况

研究区位于贵州省绥阳县的中部，面积202.04 km2，其中，坡度小于6°的坝子面积82.26 km2，为娄山关组白云岩形成的溶丘盆地地貌，坝地为第四系覆盖，构成了贵州省典型的万亩大坝。研究区包括蒲场镇、风华镇和洋川镇各一部分，其中县城洋川镇距离省会贵阳市194 km、距离遵义市所在地38 km，属长江经济带重庆经济辐射区。平均气温15.0 ℃左右，年平均降雨量在900—1250 mm之间，主要种植粮食和豆类，经济作物、蔬菜等。研究区有1 个县城、3 个镇，属耕地-建设用地主导型，中部坝地目前分布有绥阳循环经济园区的轻工产品加工工业区，占地2 km2；风华工业园区，总规划面积15.95 km2，首期建设7.56 km2；绥阳现代农业观光示范园，规划面积为0.715 km2；县域公路一纵线S207绥阳段自西南至东北横贯研究区中部坝地，是绥阳县的现代农业区、工业聚集区、城市经济区。从研究区的坝地面积、城镇分布和可达性来看，构成研究区的山地-坝地系统在贵州省的一定的代表性。

2 研究方法

2.1 研究区划分

本文把坝子、坝周山地看成是1个山地-坝地土地系统，在坝子中又根据坡度是否大于6度划分出坝中丘陵，这样就把研究区划分成3个部分：中央坝地、坝中丘陵和坝周山地(图1)。(1)中央坝子，坡度小于6° 面积82.26 km2，占研究区面积比例的40.71%；(2)坝中丘陵，坡度大于6°，14.44 km2，占研究区面积比例的7.15%；(3)坝周山地，坡度一般在20°以上，面积105.34 km2，占研究区面积比例的52.14%。这样划分研究区的目的，在于探讨3个研究分区间的土地利用耦合变化和协同演进。

图1 研究区示意图Fig.1 Sketch map of the study area

2.2 数据来源

1963年和1979年的土地利用数据来源于对2个时期1∶50000地形图数字化和航片、MSS影像。2006年和2010年的土地利用数据分别来源于2.5 m分辨率SPOT 和10 m分辨率ALOS影像。根据1∶50000万地形图对2006年SPOT影像进行精校正，再以校正后的2006年SPOT影像对ALOS影像进行配准以确保控制误差。采用人机交互解译，用Arcmap软件建立4个时期相应的土地利用矢量数据层并进行图斑修正，成图时最小图斑面积以ALOS影像为准，对结果进行野外抽样检查和调查访问后，抽样图斑的解译正确率均达到90%左右。研究区土地利用类型划分为坡耕地、平坝耕地、有林地、灌木林地、疏林地，草坡(高、中、低覆盖)、水体、城镇、农村居民点和交通工矿用地。

2.2 指标计算

采用Fragstats3.3软件，用边长为200 m的移动窗口计算整个研究区4个时期局部水平的多样性、最大斑块指数和景观形状指数等3个指标，以探求研究区40多年来景观格局空间分布与演变特征。

计算了各土地利用类型的单一动态度[20]和研究区的土地利用综合程度指数[21]。并根据耕地和建设用地来反映坝地土地利用综合变化程度，其指数为：

LCCI = (LACI ×LBCI)1/2

式中, LCCI 为土地利用综合变化程度指数、LACI 为耕地变化综合程度指数、LBCI 为建设用地变化综合程度指数，该指数越大,说明综合变化程度越剧烈[22]。利用这些指标来反映研究区坝地、坝中丘陵和坝周山地土地利用综合程度和变化程度。

3 结果分析

3.1 研究区土地利用演变

坝区地形对土地利用格局具有基础作用[23]。坝地、坝中丘陵和坝周山地的土地利用类型明显不同(图2)。研究区土地利用大致有环状分布的特点，平坝耕地分布在中间，四周坡麓为坡耕地，随坡度增大过渡为草坡、林地等；城镇、交通干线分布在坝子的中央；在坝子中，有一些起伏的溶丘，多为林、灌地；村落分布在坝子的四周，或沿坝子道路分布，或围绕坝子内的溶丘分布，尽量不占用农田。坝地以耕地为主导土地利用类型；坝中丘陵分布在研究区的中部，形成斑块状格局，土地利用以林地为主，其次是坡耕地；坝周山地土地利用以林地、草地和坡耕地为主。从1963 年到2010 年，土地利用变化总的趋势是有林地减少，灌木林增加，中覆盖草坡增加，城镇用地、农村居民点和工矿交通用地增加(图2)。

图2 研究区土地利用构成与演变Fig.2 Percentage of different land use types and its evolve in the study area

研究区坝地、坝中丘陵和坝周山地的土地利用分布明显不同，土地利用程度与变化过程也存在较大的差异。土地利用综合程度指数以坝地最高，从1963年的298.79增加2010年的308.4，以坝周山地最低，坝中丘陵的土地利用综合程度指数高于坝周山地，2005年最高，因退耕2010年有所降低(图3)。

进一步比较了坝地、坝中丘陵和坝周山地的土地利用综合变化指数(表1)，从坝地、坝中丘陵和坝周山地耕地和建设用地变化综合指数看，耕地减少的地区往往是建设用地增加的地区，耕地减少缓慢的地区则一般是建设用地平缓增加的地区。而从土地利用综合变化程度指数看，坝地土地利用综合变化情况相对剧烈，而坝中丘陵、坝周山地土地利用综合变化缓慢，相对稳定。

图3 研究区土地利用综合程度Fig.3 The comprehensive land-use index in the study area

地貌类型Landformtype综合变化指数Comprehensivechangeindex坝地Flatland1963—19791979—20062006—2010坝中丘陵Hillsinthebasin1963—19791979—20062006—2010坝周山地Mountainsaroundthebasin1963—19791979—20062006—2010LACI6.35525.00270.58440.1330.26470.12430.03550.01140.0182LBCI17.822218.93674.44190.35850.01450.04150.11140.02130.0127LCCI10.642690.73311.61110.21840.0620.07190.06280.01560.0152

LACI：耕地变化综合程度指数The comprehensive change index of arable land; LBCI: 建设用地变化综合程度指数The comprehensive change index of build land; LCCI： 土地利用综合变化程度指数The comprehensive change index of land use

3.2 研究区景观格局演变

研究区坝区地形决定了土地利用格局，从而也影响着景观格局及其演变。由图4可以看出，在1963年，坝子中的景观多样性是低值带，坝中丘陵和坝周山地的景观多样性较高；到2010年，坝子中由于道路建设、居民点扩展等，集中连片的耕地被分割，景观多样性明显增加；而坝周山地因生态恢复，或因植被退化成连片的草坡，景观类型逐渐变单一，其景观多样性下降，成为低值带。景观形状指数、最大斑块化指数也具有和景观多样性类似的分布和变化规律。坝周山地景观多样性高的区域往往是林地，景观形状复杂，最大斑块化指数低，景观多样性高的区域一般是草坡，景观形状简单，最大斑块化指数高。

研究区中部坝地是耕地、城镇、工矿交通用地、农村居民点集中分布的地方，在山地-坝地土地系统中的变化也最为明显。平坝耕地从1963 年所占比例90.81%下降到2010年的79.94%，城镇用地从0.37%增加到2.25%，平坝耕地在总面积减少的同时，斑块平均面积从41.90、29.97 hm2下降到2010年的15.60 hm2，最大斑块占景观面积比例从31.7920%下降到5.5442%，平坝耕地逐渐斑块化，形状也变复杂。中部坝地的农村居民点在1963年、1979年、2006 年和2010 年分别占研究区居民点总面积的78.59%、72.59%、77.33%和76.79%，农村居民点在总面积增加的同时，斑块平均面积在1963—1979 年变化不明显，到2006 年下降为0.65 hm2，到2010 年增加0.68 hm2，说明从1979到2006 年新生的村落数增加，到2010 年新生居民点逐渐扩大，同时空间形状也变得更复杂；但居民点在斑块平均面积减少的过程中，最大斑块占景观面积的比例不断增加，形成了一些大的居民点，聚集程度提高。城镇在总面积增加的同时，因斑块的增加，斑块平均面积略有下降，但最大斑块占景观面积比例在2006 年后增加明显，有形成大斑块的趋势，分布形状也明显变复杂，斑块彼此邻近程度增加。

坝子在土地利用变化和景观格局演变过程中，原有的土地利用格局逐渐被改变，形成新的斑块-廊道-基质格局(图5)：(1)由县城所在地洋川镇、蒲场镇和金承村逐渐构成一个主中心、2个副中心的3大建设用地斑块；(2)环绕坝中丘陵，农村居民点和工业用地等不断向洋川镇、蒲场镇和金承村相互间的道路聚集，3大建设用地斑块之间道路的廊道效应正不断显现出来；(3)坝子中农村居民点由分散向聚集转变；(4)耕地不断被切割、细碎化，研究区正由农业耕地坝子逐渐向城镇-耕地坝子转变。基于这样的景观格局转变，研究区成为全县环境污染主要控制地区。

图4 研究区景观格局指数空间分布Fig.4 The spatial distribution of landscape pattern indices in the study area

图5 研究区建设用地演变Fig.5 The evolving of construction land in the study area

研究区坝地和坝周、坝中丘陵土地利用变化的差异在于驱动机制不同。经济发展、人们生活水平提高导致的非农用地增加以及农业用地内部结构的调整，导致耕地不断流失，是坝地土地利用变化格局形成的主要驱动因素。在坝周、坝中丘陵，土地利用变化以生存型经济福利驱动和环境安全驱动为主，维持生存、扩大开垦的动力与保护生态、退耕还林还牧的压力并存，表现为林地有增有减，坡耕地仍保持在较高的比例。

在坝子中，1963—1979年，农村居民用地增加的相对速度较快，1979—2006年，城镇用地增加最快，2006—2010年，工矿交通用地动态度最大，增加明显；在坝中丘陵，1963—1979年，农村居民用地和工矿交通用地增加的相对速度较快，1979—2006年，灌木林和坡耕地增加较快，2006—2010年，城镇用地、工矿交通用地和草灌增加较快，坡耕地减少；在坝周山地，1963—1979年，农村居民用地和工矿交通用地增加较快，1979—2006年，灌木林、疏林地增加，2006—2010年，农村居民用地和工矿交通用地增加较快，林地减少。

1963年坝地以耕地为基质，到2010年，多样性指数、均匀度指数上升，聚集度指数下降，其实质就是平坝耕地不断转变为建设用地，作为优势景观的耕地处于数量不断减少、不断破碎化的过程中(图6)；从耕地流失的空间分布看，城镇、居民点周边，公路两侧的耕地流失快，国道两侧建设用地增加，且耕地向园地等转变。坝中丘陵景观多样性高于坝地，从1963年到2010年，其多样性指数、均匀度指数存在升—降—升3个变化过程，实质就是其反复受到干扰，林、灌、草和坡耕地之间相互转换的过程，同时伴随农村居民点减少，工矿交通用地增加。坝周山地景观多样性同样高于坝地，但其景观格局变化与坝中丘陵相反，从1963年到2010年，其多样性指数、均匀度指数存在降—升—降3个变化过程，其景观的被扰动过程与坝中丘陵相反，总体上林地减、灌草增。3个分区的聚集度其值较大，说明景观则表现出缀块聚集而形成少数大缀块的趋势。坝地中的耕地和城镇形成大斑块，坝中丘陵以林、灌构成大斑块，坝周山地的大斑块则由草、林向草、灌转变。总体来说，研究区坝地在建设用地不断增加、耕地不断流失的同时；总体而言，坝中丘陵和坝周山地的灌草植被在增加，成为防止水土流失强有力的生态屏障。

图6 坝地、坝中丘陵和坝周山地景观格局特征Fig.6 The landscape pattern characteristics of flatlands, hills and the mountain around the flatland

4 讨论

4.1研究区山地-坝地系统土地利用变迁启示意义

近年来，在包括“西部大开发”、“工业园区建设”、“县县通高速” 等政策，以及农业结构调整的影响下，贵州省坝地耕地有向经济效益更高的土地利用方式转变的趋势。研究区作为贵州坝地的一个缩影，其土地利用变迁反映了贵州省万亩大坝土地利用变化的总体情况。研究区坝地耕地流失严重，不断转变成建设用地，坝地土地利用强度提高的同时，一定程度上带动坝周山地生态安全得到好转，但目前并没带动坝周山地、坝中丘陵土地利用综合程度的整体下降，其土地利用强度在一定程度上反而有所增加。

研究区中部坝地、坝中丘陵和坝周山地的土地利用变化表明，坝地的土地利用变化和土地集约利用可对坝中丘陵及坝周山地产生影响，坝子与坝中丘陵和坝周山地土地利用存在耦合变化，这启示我们，在对坝子进行土地利用管理时，应把坝子、坝中丘陵和坝周山地视作为一个土地利用系统而存在，考虑它们之间的耦合土地利用变化，且不能忽视这种土地利用耦合变化对区域生态安全的影响。

坝地作为研究区土地资源的精华，它不仅是城镇生活生产服务区与生活区，也是拥有大量优质农田的农业生产供养区，应充分发挥其生产型、生活型服务功能，集约利用土地，防止城镇、农村居民点的无序扩张；在城市规划和城市扩展时应尽可能利用坝子周边的荒草地及裸地，少占耕地。通过提高坝地人口承载力来缓解坝周山地的土地压力，以实现坝子内土地利用变化与坝子四周坡地土地利用变化耦合、协调。

研究区坝地、坝中丘陵和坝周山地在水土等生态过程上存在密切的联系。坝中丘陵和坝周山地，尤其是后者往往是研究区小流域的上游，应对这些地段的土地利用进行优化，提高其土地利用的合理度，以充分发挥其生态防护和调节功能，土地利用类型优化方向为水保防护林(包括水源涵养林和经济林)及自然植被，加强水土保持，尽可能减少水土流失和人类活动的影响，有效缓解耕地生态服务功能损失带来的生态效应[24]。

4.2 讨论

丁勇，桂林电子科技大学计算机与信息安全学院教授、副院长，广西密码学与信息安全重点实验室主任；主要研究方向为公钥密码理论、同态加密、密码安全协议、区块链等；主持国家自然科学基金、中国密码发展基金、国防预研基金、广西区自然科学基金等项目10余项；发表论文60余篇，其中SCI/EI检索30余篇，出版学术专著1部、工信部规划教材1部。

据第5次和第6次人口普查资料，绥阳县常住人口由2000 年的441084 人下降到339783人；根据绥阳县“十二五”规划，研究区的人口规模将增加，占全县城镇人口65%以上、规模15万以上的城镇人口将聚集到研究区坝子。但因研究区包括3个镇，但研究范围与3个镇的行政边界并不一致，所以对研究区的经济数据和人口数据的收集没有进一步收集，将在后续研究中加以完善。

贵州省存在由盆地、坝子、洼地等一系列空间规模不一的坝地及其周边山地构成的山地-坝地土地利用系统，本文只讨论了由万亩大坝和其周边山地组成的山地-坝地系统土地利用与景观格局时空演变,至于其它空间尺度的山地-坝地系统，其土地利用与景观格局变迁规律，需要进一步研究，但本文提出的方法是可以借鉴的。

5 结论

本文选择贵州省蒲场-洋川大坝作为山地-坝地系统的典型代表，研究其从1963年到2010 年的土地利用变化，得到以下几点结论：

(1)从1963 年到2010 年，土地利用变化总的趋势是有林地减少，灌木林增加，中覆盖草坡增加，城镇用地、农村居民点和工矿交通用地增加，平坝耕地逐年减少。

(2)中央坝地耕地逐渐斑块化，形状也变复杂，形成了一些大的居民点，聚集程度提高。

(3)坝中丘陵和坝周山地林地减少，灌木林增加，坡耕地仍保持在较高水平。研究区坝子与坝中丘陵和坝周山地土地利用存在耦合变化。

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Spatial-temporalevolutionoflanduseandlandscapepatternofthemountain-basinsysteminGuizhouProvince

LI Yangbing1,*，YAO Yuanwen1，XIE Jing1， WANG Fayan1，BAI Xiaoyong2

1SchoolofGeographyandEnvironmentalSciences,GuizhouNormalUniversity,Guiyang550001,China2NationalKeyLaboratoryofEnvironmentalGeochemistry,GeochemistryIinstitute,ChineseAcademyofSciences,Guiyang550002,China)

Guizhou Province of China is more mountain and less plain, especially basins with a certain size are limited too.The basin and mountains around it constitute of mountain-basin land system, which distribute widely in Guizhou Province.It should be pointed out that, the limited suitable land of basin is confronted with variety of land use requirements to ensure agricultural land, construction land and ecological land use, therefore, it is of great importance to explore the landscape change and optimization of the mountain-basin land system.The purpose of this study is to demonstrate the land use landscape pattern changes from the 1963 to 2010，discuss the optimal regulation of mountain-basin land system centered around the basins which are more than 667 hm2from a geomorphic unit.A typical mountain-basin land system, namely, Puchang and Yangchuan area, located in Suiyang County, Guizhou province, is chose as a typical example.This mountain-basin land system was divided into three parts such as flatlands and hills in the basin and the mountain around the basin.The remote sensing method and field surveys were used to obtain the land use spatial distribution of four periods in 1963, 1979, 2006 and 2010 of the study area, and the landscape pattern indexes of the study area were calculated based on the moving window by use of Fragstats 3.3.The results showed that the landscape diversities of hilly in basin and mountain surrounding the basin are higher than flatlands, at the same time, the comprehensive degree of land use in flatlands are the highest.The woodland of the hills in basin and the mountains around the basin were reduced when the cultivated proportion of flatlands decreased from 90.81% in 1963 to 79.94% in 2010, but shrub forest increased and the slope cultivated land was still maintained at a higher level.What′s more, there is a trend that the cultivated distributed in the flatlands would convert into others land use types with the higher economic benefits.In the process of land use change and landscape pattern evolution, the original land use pattern of flatlands changed gradually, a new structure constituted by the construction land patch, road corridor and the cultivated matrix, was formed.The land use change of the flatlands, hills in the middle of study area and the mountain around the basin showed that the land use change and the intensive utilization of the flatlands could impact other two areas, namely, could influence the land use of hills and mountains.There exist a coupling land use changes among the three subareas in the mountain-basin land system.This paper concludes that the land use optimization and regulation of the study area should be strengthened in order to make land use of flatlands, hills in the middle basin and mountains around it evolve in a coordinating mode.The research results of this paper may provide some reference to the land use optimization and management of mountain-basin land system in Guizhou Province.

mountain and basin land system; land use; evolving; Guizhou Province

2010年度教育部人文社会科学研究一般项目(10XJAZH002); 国家科技支撑课题(2014BAB03B02); 国家自然科学基金项目(41261045); 贵州省科技专项重大课题(黔科合重大专项字﹝2012﹞6015号)

2013- 07- 02;

2014- 02- 27

10.5846/stxb201307021824

*通讯作者Corresponding author.E-mail: li-yapin@sohu.com

李阳兵, 姚原温, 谢静, 王发艳, 白晓永.贵州省山地-坝地系统土地利用与景观格局时空演变.生态学报,2014,34(12):3257- 3265.

Li Y B，Yao Y W，Xie J， Wang F Y，Bai X Y.Spatial-temporal evolution of land use and landscape pattern of the mountain-basin system in Guizhou Province.Acta Ecologica Sinica,2014,34(12):3257- 3265.