2001～2010年张掖市甘州区土地利用景观格局演变研究

李润林,董鹏程

(1.农业部 兰州黄土高原生态环境重点野外科学观测实验站，甘肃 兰州 730050；2.中国农业科学院 兰州畜牧与兽药研究所，甘肃 兰州 730050)



2001～2010年张掖市甘州区土地利用景观格局演变研究

李润林1,2,董鹏程1,2

(1.农业部 兰州黄土高原生态环境重点野外科学观测实验站，甘肃 兰州 730050；2.中国农业科学院 兰州畜牧与兽药研究所，甘肃 兰州 730050)

摘要：为了解张掖市甘州区土地利用及景观格局时空变化特征，以3期Landsat TM/ETM+遥感影像为数据源，利用RS、GIS技术和景观生态学方法对研究区2001～2010年土地利用和景观格局时空变化特征进行了分析研究，结果表明：在2001～2007年期间草地和建设用地面积增加，裸地和水体面积减少；在2007～2010年期间建设用地急剧增加，增加7.81 hm2，裸地和耕地面积减少。从整个研究期间来看，草地和建设用地面积增加，耕地和裸地面积减少，但耕地和裸地面积减少比重较小。从景观水平上看，景观破碎化程度加剧，景观异质性和景观多样性增加，景观空间连接性逐渐减弱，人类活动对景观生态格局变化造成的影响愈加显著。从类型水平上看，建设用地面积增加，破碎化加剧；水体的自然景观特征增强，水体空间分布结构趋于均衡，裸地的破碎化进一步加剧。

关键词：土地利用；景观格局；绿洲城市

自20世纪90年代以来，土地利用/土地覆盖变化研究就成为了全球环境变化研究的重要课题。许多学者认为城市化是导致土地利用/土地覆盖加速变化的重要驱动力之一，也是影响生态环境的直接因素。目前，关于城市化对土地利用/土地覆盖变化的研究大部分集中在大中城市以及沿海城市，而对生态环境更为脆弱的绿洲小城市研究较少。近年来，随着西部大开发政策不断深入，西部经济的快速发展以及农民生活水平的不断提高，许多农民涌入中小城市，使得中小城市土地利用变化加剧，给城市的生态环境造成巨大压力。尤其是干旱区的绿洲小城市，它已成为人口最聚集、生态环境最脆弱的区域之一。因此，研究干旱区绿洲小城市的土地利用变化对合理利用土地资源和保护生态环境具有重要的现实意义。

土地利用/土地覆盖变化表现就是土地利用景观格局的演变，其实质是人类为满足自身生产、发展需要而做出的不断调配土地利用方式的过程[1]。景观格局动态变化研究是景观生态学研究的核心内容之一，也是土地利用/土地覆盖变化研究的重要组成部分[2]。研究土地利用的景观格局动态变化可以从无序的景观斑块分布中发现潜在规律，揭示景观格局与生态过程的相互作用机理[3]。景观格局分析是土地景观要素组成及空间配置的重要分析方法[4]。近年来不少学者将土地利用研究方法和景观格局分析方法结合起来，对不同区域土地利用及景观格局变化进行分析[5-8]。

张掖市甘州区属于干旱区绿洲环境，近年来随着城市的发展和人口的增长，土地利用变动频繁。笔者利用景观指数分析方法分析了2001～2010年张掖市甘州区土地利用变化的过程，旨在分析干旱区城市化过程中绿洲城市景观格局的变化，为绿洲城市土地的可持续利用和绿洲城市的可持续发展提供科学依据。

1研究区概况

张掖市甘州区位于甘肃省西北部的河西走廊中段，南连祁连山，北依合黎、龙首二山，是西部重要的历史名城。它位于北纬38°32′～39°24′，东经100°6′～100°52′，平均海拔1474 m，占地面积3698 km2，属于大陆性气候。气候特点是干燥少雨，年平均气温6 ℃，1月份最冷，7月份最热。年平均降水量104～328 mm，年蒸发量1638～2341 mm。每年6～9月是全年最佳旅游季节。

2数据与方法

2.1数据来源及预处理

利用研究区域2001、2007和2010年的TM/ETM+遥感影像数据，结合野外现场调查，运用ENVI 4.7软件对3幅遥感影像进行人工目视解译，参考全国土地利用分类方法，将景观类型划分为建筑用地、耕地、裸地、草地、林地、水体，获得3期景观类型图。应用ARCGIS 10进行数据处理，同时利用景观指标计算软件FRAGSTATS计算土地利用景观格局指标。本研究从类型水平和景观水平两方面选取景观指数，景观水平主要反映其格局指数的变化，而类型水平反映类型的特征及变化。从景观水平上选取斑块数 NP、平均斑块面积 AREA_MN、边界密度 ED、面积加权分维数 FRAC_AM、聚合度AI、斑块结合度指数COHESION、香农多样性指数SHDI和香农均匀度指数SHEI这8个指标，从类型水平上选取斑块数NP、斑块密度PD、最大斑块指数LPI、边界密度 ED、面积加权分维数FRAC_AM、平均斑块面积 AREA-MN、散布与并列指数IJI、聚合度 AI这8个指标。

2.2土地利用变化率

土地利用类型面积变化反映了不同土地利用类型在总量上的变化。通过分析土地利用类型的总量变化，不但可以了解土地利用变化总的态势和土地利用结构的变化，还可以了解到该段时间内人类活动对土地资源利用变化的强弱程度[9]。土地利用变化率[10]是指某一特定区域内某一种土地利用类型面积在某一时间段内发生改变的速率，其表达式如下：

式中：K为研究时段内某土地利用类型的变化率；Ua和Ub分别为研究初期和研究末期某种土地利用类型的面积；T为研究时段间隔年数。

土地利用景观空间转移矩阵是各景观类型间相互转化数量及方向定量研究的主要方法，它能够反映土地覆盖类型间相互转移的时间过程特征[11-12]。它包括转出面积，即研究时段内由一种土地覆盖类型转变为其他土地覆盖类型的面积和转入面积，研究时段内由其他土地覆盖类型转变为此土地覆盖类型的面积。

3结果与分析

3.1景观总体变化特征

在2001～2007年期间，张掖市甘州区建筑用地、耕地和草地面积分别增加0.50、78.72、268.23 hm2，裸地、林地和水域面积分别减少344.28、0.39和3.05 hm2，草地和耕地面积增加显著，主要来自裸地开荒和林地的砍伐退化。2007～2010年期间建筑用地、草地、林地和水域面积增加量分别为7.81、128.97、3.86和5.09 hm2，耕地和裸地面积减少量分别为143.96和8.84 hm2。耕地面积缩小主要因为建筑用地扩增；林地和草地面积增加主要是因为退耕还林还草工程的不断推进；水域面积增加是湿地保护取得的成效。在2001～2010年期间，建筑用地、草地、林地、水域分别增加了8.31、397.20、3.47和2.04 hm2，耕地和裸地分别减少了65.24和353.11 hm2，表明研究区土地利用变化加剧。

从单一景观类型动态度来看，在2001～2007年期间草地面积增加显著，动态度达到31.12%；裸地和水体面积处于减少趋势。在2007～2010年建筑用地急剧增加，动态度达到15.28%；耕地和裸地面积减少，其中耕地减少动态度为4.89%。2001～2010年期间草地和建设用地面积增加，动态度分别为29.82%和5.59%(表1)；耕地和裸地面积减少，动态变化量不大。总体来看，张掖甘州区草地和建设用地面积增加，草地面积增加显著，其次是建设用地，耕地和裸地面积处于减少趋势，减少面积比重较小。

表1　2001～2010年张掖市甘州区景观类型面积特征

3.2景观水平的格局变化特征

由表2可知：2001～2010年张掖市甘州区景观水平的格局指标都发生了明显的变化，斑块数先减后增，从2001年的7527个增加到2010年的26709个；平均斑块面积先增后减，从2001年的49.21 hm2减少到2010年的13.87 hm2，表明景观破碎化程度不断加剧，开始向细粒景观转化。边界密度和景观异质性密切相关，边界密度增加，表明景观异质性增强。面积加权分维数增加，说明人为活动对景观生态格局变化造成的影响愈来愈显著。面积加权平均分维度主要用于反映人类活动对景观格局的影响，受人类活动干扰小的自然景观的分维度高，反之较小。聚合度和斑块结合度指数逐渐降低，以及香农多样性指数和香农均匀度指数持续增加，反映出研究区景观空间连接性逐渐减弱，但景观多样性逐渐增强。

表2　2001～2010年张掖市甘州区土地类型景观水平的景观格局指数

3.3景观类型的格局变化特征

研究期内各景观类型格局指标的变化具有明显差异。从表3可以看出，建筑用地的斑块数、斑块密度、最大斑块指数和边界密度呈现不断增加的趋势，分别从2001年的125个、0.03个/hm2、0.30%和0.50 m/hm2增加到2010年的1598个、0.43个/hm2、0.52%和1.83 m/hm2，张掖市甘州区的城区面积在不断扩张，破碎化程度逐渐加剧，面积加权分维数波动性增加，城市化活动在不断加强。耕地作为张掖市甘州区的第二大景观，斑块数、斑块密度和边界密度波动上升，从2001年的640个、0.17个/hm2和10.16 m/hm2到2010年的3908个、1.06个/hm2和26.83 m/hm2，最大斑块指数、平均斑块面积、散布与并列指数和聚合度呈现先增加后减少的趋势，说明耕地景观破碎化严重，人类活动对农田耕地景观的干扰作用持续增加，土地分散经营的趋势使聚合度不断下降。裸地作为张掖市甘州区最大的景观类型，斑块数、斑块密度和边界密度呈现先减少后增加的趋势，从2001年的1763个、0.48个/hm2、10.9 m/hm2到2010的4097个、1.11个/hm2、16.26 m/hm2，最大斑块指数、平均斑块面积、散布与并列指数和聚合度不断减少，裸地景观由过去的大面积和集中的景观格局变为小面积、零散的格局，说明人类活动对裸地的开发利用在加强，形成裸地不断破碎化的趋势。草地景观作为张掖市甘州区变化最剧烈的一类景观，斑块数、斑块密度、最大斑块指数、边界密度和平均斑块指数都处于不断增加的趋势，散布与并列指数和聚合度处于减少趋势，说明草地景观面积和数量处于增加趋势，但分布较为零散，这与草地用于城市绿化密切相关。林地的斑块数、斑块密度、边界密度和散布与并列指数在2001～2010期间处于波动增加趋势，但最大斑块指数、平均斑块指数和聚合度不断减少的趋势。水体的斑块数、斑块密度和边界密度不断减少，表明水体破碎化程度减低；其最大斑块指数、平均斑块指数、散布与并列指数和聚合度逐渐增强，说明水体的自然景观特征增强，水体空间分布结构趋于均衡。

3.4不同景观类型的转移特征

从2001～2010年张掖市甘州区的各类景观来看，各景观类型都发生了一定程度的转移，其中草地变化最为剧烈，37.46%的草地转变为林地，植树造林和防护林带的建立是导致草地面积转化的主要原因。15.51%和11.44%的草地面积分别转变为农田和建设用地，说明农业开发活动和城市扩张对草地转变具有较大的驱动作用；另外有11.32%的草地转化为裸地，10.44%的草地转变为水体。裸地景观也发生了明显变化，主要流向建设用地、草地和水体，转化率分别为3.70%、8.54%和13.50%，城市建设、植被恢复和湿地保护是裸地转移的主要因素。耕地景观主要转移为草地、水体和建设用地，其中转移为草地的最多，达到20.61%；转移为水体的为10.42%；转移为建设用地的为4.12%；退耕还林还草政策执行的不断深入和畜牧业的发展是耕地转移为草地的主要原因。湿地面积得到恢复表明填水造田专项治理开展顺利。城区的扩张造成4.12%的耕地转化为建设用地。林地景观类型转移面积较小，主要转移为耕地和草地。水体景观大部分流向建设用地、草地和裸地，其转化率分别达4.50%、0.78%、0.54%，其中城市扩张是水体损失的最直接因素(表4)。

表3　2001～2010年张掖市甘州区土地类型水平的景观格局指数

表4　从2001至2010年张掖市甘州区土地类型转移矩阵

4结论和讨论

2001～2010年间张掖市甘州区各景观类型面积比例都发生了变化，在2001～2007年期间，草地和建设用地面积增加，草地面积增加显著，增加面积达268.23 hm2，动态度达到31.12%；裸地和水体面积处于减少趋势。在2007～2010年期间，建设用地急剧增加，增加面积为7.81 hm2，动态度达到15.28%；裸地和耕地面积一直处于减少趋势，但面积减少比重较小。从整个研究期间来看，草地和建设用地面积增加，动态度分别为29.82%和5.59%；耕地和裸地面积减少，但耕地和裸地面积减少比重较小。

从景观水平来看，研究区景观破碎化程度加剧，景观异质性和景观多样性增加，景观空间连接性逐渐减弱，人类活动对景观生态格局变化造成的影响愈来愈显著。

从类型水平来看，研究区建设用地面积增加，破碎化加剧；草地变化剧烈；水体的自然景观特征增强，水体空间分布结构趋于均衡；裸地的破碎化进一步加剧。

参考文献：

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(责任编辑：许晶晶)

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

基金项目：中国农业科学院科技创新工程项目“寒生、旱生灌草新品种选育” (CAAS-ASTIP-2014-LIHPS-08)；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项“基于地面观测站的生态环境监测与利用”(1610322015016)。

作者简介：李润林(1982─)，男，甘肃武威人，助理研究员，硕士，主要从事农业资源遥感研究。

中图分类号：P901

文献标志码：A

文章编号：1001-8581(2016)06-0109-05