林业生态工程建设对磴口县景观格局演变及重心迁移的影响

张启斌，岳德鹏，于 强，吕 奇，尹 波，马 欢，李 宁

(北京林业大学 林学院，北京 100083)

林业生态工程建设对磴口县景观格局演变及重心迁移的影响

张启斌，岳德鹏*，于 强，吕 奇，尹 波，马 欢，李 宁

(北京林业大学 林学院，北京 100083)

选取内蒙古巴彦淖尔市磴口县为研究区，以多种景观格局分析方法研究了林业生态工程背景下2000—2014年县域景观格局演变特征，以“包含林业生态工程景观转移数量”与“不包含林业生态工程景观转移数量”2种情形下的景观转移概率为不同规则，利用CA/Markov模型模拟了2021年县域景观格局演化状况，着重分析了2种情形下景观重心迁移特征。结果表明：2000—2014年间县域林地、水体、建筑用地明显增加，沙地明显减少；林地、沙地、建筑用地、水体动态度较高，各景观类型交错地区有较高的景观动态度；水体与林地重心迁向县域西南，沙地向乌兰布和沙漠腹地回退明显。当预测规则中包含林业生态工程引起的转移概率时，预测结果显示，2021年各景观类型将呈现出生态较为和谐的演化趋势，反之景观格局则会出现一定程度的恶化。研究结果表明，林业生态工程对县域生态保护与荒漠化防治具有决定性作用，是生态环境改善的主要原因。

林业生态工程；景观格局演变；重心迁移；磴口县；CA/Markov模型

景观生态学的核心问题之一是景观格局与生态过程间的相互关系[1-2]。景观格局反映各景观要素的空间分布特征与演变趋势，并对生态过程产生重要影响[3]。土地沙化及水土流失作为干旱区典型的2种生态过程，受景观格局变化的影响较大。以景观生态学的原理与方法分析景观格局演变趋势，对区域水土保持方案的制定与实施具有重要意义。

景观格局一方面受生态过程控制，另一方面受到人类活动的强烈影响。林业生态工程建设作为人类活动的一种，自实施以来较明显地改变了我国西部地区的景观格局，并且在保持水土、改善生态环境、提高植被覆盖率、维持生态系统结构与功能的稳定等方面发挥了重要作用[4-5]。我国的林业重点工程自二十世纪八九十年代开始陆续启动，包括天然林保护工程、退耕还林工程、“三北”防护林工程以及京津风沙源治理工程等，生态建设取得整体恶化趋缓、局部治理趋好的良好效果[6]。

乌兰布和沙漠位于内蒙古自治区西南部，是防沙治沙的前沿地带。磴口县处于乌兰布和沙漠与河套平原交接的要冲地带，东依黄河，西接狼山，地理位置关键，生态环境脆弱，土壤风蚀强烈，土地沙化及水土流失风险较高，同时县域引黄水量充足，地下水丰富，工程建设潜力较大，是林业生态工程建设的重点地区。先前针对磴口县的有关研究多从当地生态环境与经济发展的角度展开，主要包括荒漠绿洲景观演变与驱动力分析、水资源等环境承载力分析以及生态环境状况评价等，针对西部林业生态工程对景观格局影响的研究仍较为缺乏。以内蒙古巴彦淖尔市磴口县为研究区，从景观流转与重心迁移的角度，借助GIS分析方法与CA/Markov模型，对林业生态工程背景下县域景观格局演变特征进行分析，并构建“包含林业生态工程景观转移数量”与“不包含林业生态工程景观转移数量”2种情形下的景观转移概率矩阵与景观转移概率图，模拟2种情形下磴口县2021年景观格局特征，重点分析不同景观类型几何重心的迁移，以研究林业生态工程建设对当地景观格局演变的影响，为后续生态保护政策的制定与实施提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

内蒙古巴彦淖尔市磴口县地处107°05′E、40°13N′，内蒙古自治区西南部，面积4 166.6 km2。县域西侧背靠狼山山脉，黄河流经县域东缘，域内河套平原与乌兰布和沙漠由东北向西南逐渐过渡。土地沙化风险较高，属典型的荒漠绿洲交错区，生态区位极为关键。年均气温7.6 ℃，年均降雨量144.5 mm，年均蒸发量2 397.6 mm；年均风速3 m·s-1，瞬时最大风速达28 m·s-1，风蚀强烈。黄河流经县域总里程52 km2，径流量310亿m3，地表水体总面积24.1 km2。自二十世纪八九十年代，陆续开展了包括天然林保护、退耕还林(还草)、“三北”防护林等生态保护工程，土地沙化进程得到一定遏制，生态环境得到较大改善。

1.2 数据获取与处理

以研究区2000、2007、2014年夏季少云的遥感影像为基础数据源，其中2014年的影像来自Landsat-8 OLI传感器，2000与2007年的遥感影像来自Landsat-5 TM传感器。影像经预处理后进行监督分类，根据《生态环境状况评价技术规范》中的土地利用一级分类体系，结合研究区特点，建立分类体系(表1)。对分类后的数据进行噪声数据消除和错分地区修改，得到研究区30 m×30 m分辨率最终分类结果(图1)，解译结果经实地验证，分类结果精度良好。

本研究涉及的DEM数据为来自地理空间数据云的ASTER GDEM第一版本(V1)数据，拼接并裁剪后得到研究区DEM。县域坡度、坡向数据均基于该DEM数据在ArcMap 10.2中处理生成。

表1 磴口县景观分类体系

Table 1 Landscape classification system in Dengkou County

景观类型Landscapetype所包含土地利用类型Landusetypeincluded耕地Cultivatedland水浇地、旱地Irrigatedland,dryland水体Water河渠、湖泊、水库、坑塘、滩地Rivers,lakes,reservoirs,pitsorponds,beaches林地Forestryland有林地、灌木林地、疏林地及其他林地Forestedland,shrubland,otherforestland建筑用地Constructionland道路、居民点及其他人工交建筑用地Roads,residentialpoints,otherman-madelandforconstruction沙地Desert沙地、戈壁、盐碱地、裸土地、裸岩石质地Sandylands,gobi,saline-alkaliland,bareland,uncoveredrocks山地Mountain磴口县域西侧狼山山脉分布区域LangMountainareaonthewestsideofDengkouCounty

A、B、C分别代表2000、2007、2014年景观类型分布。图2同Fig. A, B, C represented the distribution of landscape types in 2000, 2007, 2014 in Dengkou County, respectively. The same as in Fig. 2图1 磴口县历年景观类型分布图Fig.1 Historical landscape type distribution of Dengkou County

1.3 研究方法

1.3.1 景观格局转移网络与密度分析

将景观转移矩阵看作一个网络，在分析不同景观类型转移数量的基础上增加对于转移方向的考虑，将各景观类型当作节点，以各景观类型间的转移当作边，转移量的大小当作边的属性，绘制景观类型转移网络[7]。利用ArcMap 10.2的空间分析模块，计算景观格局转移的空间密度[8-9]。

1.3.2 景观格局动态度

单一景观类型动态度[10]的计算公式如下：

(1)

(2)

Aic=Aia+Aib。

(3)

式(1)～(3)中：t1为监测期初；t2为监测期末；Aia为第i种景观类型在t1到t2时间段内的转出速率；Aib为第i种景观类型在t1到t2时间段内的新增速率；Aic为第i种景观类型在t1到t2时间段内的总动态度；Ui为监测时段t1到t2之间，第i种景观类型未变面积，km2；U(i,t1)为第i种景观类型在监测期初的面积，km2；U(i,t2)为第i种景观类型在监测期末的面积，km2。

1.3.3CA/Markov模型

将元胞自动机与马尔科夫链结合可得到CA/Markov模型，既可提高景观模拟精度，又可充分考虑空间因素[11-12]。利用该模型，构建“包含林业生态工程景观转移数量”与“不包含林业生态工程景观转移数量”两种情形下的景观转移概率矩阵，并生成与之相应的空间转移概率图，在上述2种条件下分别预测2021年磴口县景观格局，通过对比预测结果分析林业生态工程对未来县域景观格局的影响，具体实现过程如下：

(1)分别计算“包含林业生态工程景观转移数量”与“不包含林业生态工程景观转移数量”两种情形下的景观转移概率矩阵。

(2)计算景观空间转移概率。在转移概率矩阵与各景观类型空间适宜性图集[13]的基础上，增加对景观空间转移概率的考虑。分别对包含林业生态工程景观转移数量与不包含林业生态工程景观转移数量两种情形下的景观空间转移密度进行归一化处理，作为对应情况的景观空间转移概率。

(3)确定元胞自动机滤波器。采用5×5滤波器定义邻域，即某元胞在下一时刻的演化状态，由以该元胞为中心的5×5个元胞空间内其他元胞的状态决定。

(4)确定元胞演化适宜性图集。根据《水土保持工作条例》，结合磴口县域环境特点，评价各景观类型在县域空间的适宜度，并生成景观转移适宜性图集，具体规则设置如表2所示。

(5)以C#为编程语言，在.NetFrameWork4.0框架下编写模拟程序，完成2种情形下的模拟，程序的具体算法如下。①确定县域首个像元当前景观类型Ci，基于元胞自动机邻域规则以及景观演变适宜性图集确定当前像元将要演化成的景观类型Cj；②确定该像元处县域景观空间转移概率R1，并生成一随机数R2，通过R1与R2的大小比较确定演变是否发生；③根据景观格局转移概率矩阵确定演化期初与演化期末由Ci演变为Cj的景观面积T，将T与迭代次数作比，得到此次迭代中Ci到Cj的演化面积Tij，若此次迭代中Ci到Cj的总演化面积小于Tij，则演化发生，否则不发生；④以同样的运算步骤遍历所有像元，之后进入下一迭代过程，直至迭代次数完成。

1.3.4 景观格局重心迁移分析

景观格局重心迁移分为平面重心迁移、坡度重心迁移以及垂直重心迁移，分别用以研究土地利用在平面位置、坡度及高程上的变化[14]。本研究只针对区域内景观格局的平面重心进行研究，分析地理二维时空内不同景观类型的演化过程。景观平面重心的计算模型为：

表2 各景观类型空间适宜度评价因子

Table 2 Spatial suitability evaluation factors of each landscape type

景观类型Landscapetype因子Factors适宜性条件Suitabilitycondition耕地Cultivatedland坡度Slope越小越适宜,适宜度上限为25°Thesmallerthemoreappropriate,andupperlimitofsuitabilityis25°与当前景观距离Distancefromthecurrentlandscape越小越适宜Thesmallerthemoreappropriate建筑用地Constructionland与主要道路距离Distancefromthemainroad越小越适宜Thesmallerthemoreappropriate坡度Slope越小越适宜,适宜度上限为15°Thesmallerthemoreappropriate,andupperlimitofsuitabilityis15°与当前景观距离Distancefromthecurrentlandscape越小越适宜Thesmallerthemoreappropriate林地Forestryland坡度Slope越小越适宜,适宜度上限为30°Thesmallerthemoreappropriate,andupperlimitofsuitabilityis30°坡向Aspect南向、东北、西北设置为0.5,东南西南为1,东西两向设置为0.75,北向设置为0.25Setsouthaspect,north-eastandnorth-westaspectto0.5,south-eastandsouth-westto1,eastandwestto0.75,andnorthaspectto0.25与当前景观距离Distancefromthecurrentlandscape越小越适宜Thesmallerthemoreappropriate水体Water与当前景观距离Distancefromthecurrentlandscape越小越适宜Thesmallerthemoreappropriate山地Mountain当前景观分布区域为1,其他区域为0Setthecurrentlandscapeareato1,andtheotherareato0沙地景观Desert不设置适宜度Didnotsettheappropriatedegree

(4)

(5)

式(4)～(5)中，Xt、Yt分别为第t年某种景观类型分布重心的横纵坐标；Cti为第t年该景观类型第i个斑块的面积，km2；Xi、Yi分别为第i个斑块的几何重心坐标。

2 结果与分析

2.1 磴口县景观格局流转过程与空间转移密度分析

由景观格局转移网络可知，2000—2014年间各景观类型间的转移关系共有24种(图2-C)，其中，林地、耕地、沙地与建筑用地间的互相转移累计贡献率占整个转移网络的78.06%，决定了该时段内县域景观格局的整体变化特征。14 a间：耕地向林地转移184.77 km2，占整个转移网络的12.39%；沙地向林地转移320.37 km2，占整个转移网络的21.49%，在所有沙地向林地的转移面积中，林业生态工程建设起到了决定性作用，建设面积几乎包含了所有沙地向林地的转移；林地向耕地景观转移196.31 km2，占整个转移网络的13.17%；耕地向建筑用地转移124.86 km2，占整个转移网络的8.37%。不同时段内，研究区景观格局表现出了不同的转移情况：2000—2007年，上述4种景观类型累计转移贡献率为69.26%，其中沙地向林地转移占30%，是该时段内磴口县景观格局变化最鲜明的特点(图2-A)；2007—2014年上述4种景观类型的累计贡献率为79.91%，呈上升趋势，其中沙地向林地的转移仍

有最高的贡献率(图2-B)。综上，在林业生态工程的持续实施下，十几年来磴口县域尺度上景观格局发生了较为明显的演变，大量沙地与部分耕地被治理为林地，同时水体面积逐年增加，林业生态工程效果显著。

由景观格局空间转移密度分析可知，2000—2014年间，景观变化热点区域总体呈斑点状分布，密度较高地区与耕地、林地、沙地景观的边缘分布大致相同(图3)，这表明沙地与林地景观交错处仍面临较高的沙化风险。不同时段景观类型演变的空间集聚特征又有不同特点：2000—2007年，转移密度最大值为24.5364，且演变多发生于县域中部(图3-A)；2007—2014年，景观转移密度最大值为24.4566，其空间分布向东略有迁移(图3-B)，这主要由退耕还林等政策以及东部水体面积增加引起，去除该时段内由林业生态工程造成的转移发现，县域转移密度最大值下降了0.2，沙漠边缘地区转移密度明显减少(图3-C)，表明生态工程建设对县域沙地向生态用地的转化发挥了关键作用；2000—2014年，景观格局转移空间集聚度最高(图3-D)，这主要是由于2000与2014年相隔年限较长导致，密度较高部分主要集中于奈伦湖、狼山山前、沙漠边缘以及县域东部耕地与林地交错处，综合反映了十几年间县域景观格局转移特点。各时段内景观格局演变的集聚特征表现出与水体景观演变的正相关性，这主要是由于磴口县处于干旱区，其他景观的分布受水体的影响很大，因此在磴口县进行的各项生态保护与景观优化措施，应着重考虑水体景观的影响。

2.2 磴口县景观格局动态度分析

经景观格局动态度分析可知， 2000—2007年，水体与建筑用地动态度为同期最大(图4)，均超过20%，且新增速率明显高于转移速率。水体较高的新增速率主要是因为时段内当地大力开展植被恢复与水土保持工程，建筑用地较高的转移速率反映出磴口县城市化进程对土地的需求，同时两种景观基础面积较小，较小的绝对面积变化即会引起动态度的较大变化(图5)。林地与沙地的动态度较上述两种景观类型明显较小，但沙地的转出速率为同期最大(图4)，且由于这两种景观类型面积基数大，其实际转移面积远大于其他景观类型(图5)。林地的新增速率则明显高于转移速率，反映出该景观类型的增加趋势。

图2 磴口县景观格局转移网络Fig.2 Landscape pattern transfer network in Dengkou County

A表示2000—2007年，B表示2007—2014年，C表示2007—2014年去除林业生态工程建设面积后的转移密度，D表示2000—2014年Fig. A represented the period from 2000 to 2007. Fig. B represented the period from 2007 to 2014. Fig. C represented the transfer density from 2007 to 2014 when the transfer area caused by forestry ecological project was not considered. D represented the period from 2000 to 2014图3 磴口县景观类型转移密度分布图Fig.3 Landscape transfer density in Dengkou County

图4 磴口县各景观类型转移速率变化Fig.4 Landscape transfer rate in Dengkou County

2007—2014年，各景观类型的动态度与上一时段较为相似，水体与建筑用地的动态度依然为同期最大，但耕地的转移速率上升较明显，新增速率明显下降，总的动态度超过了沙地与林地，该结果表明有大面积的耕地转移为其他景观类型，反映出该时段内研究区城镇化速率的加快对于耕地的占用以及退耕还林等工程的效果。

综上，2000—2014年，县域景观格局的演变包含生态工程建设与城镇化2个主题：一方面县域生态环境改善较为明显，水体与林地景观大幅增加，沙地大量转出；另一方面城镇化进程的加快使得建筑用地扩张占用部分耕地。因此，在县域生态建设过程中，应注意协调与经济发展的关系。

图5 磴口县各景观类型转移面积变化Fig.5 Landscape transfer area in Dengkou County

2.3 CA/Markov预测下的景观格局重心转移分析

对研究区2000、2007、2014年以及2021年2种预测结果下的各景观类型进行重心迁移分析，结果如图6所示。2000—2014年，林地与水体景观的重心迁移最为明显。林地景观在2000—2007年间重心向东南迁移，距离达到8.58 km，这主要由呼仁陶勒盖、红房子、补隆乌苏等地的造林工程造成；在2007—2014年间又低速向东北方向迁移，这主要是由黄河及其周边水域的退耕还林工程引起。水体在2000—2007年向西南快速转移(1.2 km·a-1)，之后又以相当的速度向东南漂移，这与研究时段内磴口县西南部水土保持工作力度的加大以及县域东南奈伦湖的建设关系密切。2000—2014年，耕地与沙地重心迁移速率与迁移方向均较为相似，然而其驱动力却不尽相同：耕地的重心迁移主要受水体影响，县域西南干旱区大量的水土保持与调水工程改造了部分不宜林耕的土地，如敖伦布拉格镇、巴嘎包尔陶勒盖等；而沙地的重心迁移则表现出向乌兰布和沙漠回缩的趋势，反映出林业生态工程建设的成效。建筑用地首先向西稍有偏移，之后向东南移动(0.3 km·a-1)，主要受磴口县城镇化进程影响。十几年来，山地景观的重心位置基本未有变化。

利用CA/Markov模型在2种情境下对2021年县域景观格局进行模拟，所得结果如图7所示。

对于2014—2021年，图中实心圆点与黑色箭头表示转移概率中包含林业生态工程因素时的模拟结果，空心原点与灰色箭头表示转移概率中去除林业生态工程因素时的模拟结果From 2014 to 2021, the solid dotes and the black arrow represented the predicted results when the effects of the forestry ecological project were taken into consideration, while the hollow dotes and the gray arrow represented the predicted results when the effects of the forestry ecological project were not taken into consideration图6 各景观类型转移重心示意Fig.6 Landscape barycenter migration diagram

A为包含林业生态工程转移概率的预测结果，B为不包含林业生态工程转移概率的预测结果Fig. A represented the predicted results when the effects of the forestry ecological project were taken into consideration. Fig. B represented the predicted results when the effects of the forestry ecological project were not taken into consideration图7 不同转移概率下磴口县2021年景观格局预测Fig.7 Simulation results of landscape pattern under different transfer probabilities in Dengkou County in 2021

对比2种模拟结果中的景观重心迁移特点可知，林地与水体的重心变化在2种预测结果中差别最为明显，其次为沙地与耕地(图6)。当景观转移概率中包含林业生态工程引起的景观转移时，林地重心偏向西北，表明该情形下县域西北处的生态环境将有所改善，沙地与耕地重心则继续向西南偏移，表明该情形下沙地依然呈回退趋势；当景观转移概率中去除林业生态工程引起的景观转移时，林地重心迁向北偏东，表明此情形下县域东北的生态环境相较其他地区将有更明显的改善，沙地与耕地迁向东北，表明该情形下沙地有可能发生回侵。

3 小结

本研究利用多种景观格局分析方法，研究了林业生态工程建设背景下磴口县景观格局变化特征，并构建“包含林业生态工程景观转移数量”与“不包含林业生态工程景观转移数量”2种情形下的景观转移概率矩阵与景观转移概率图，基于CA/Markov模型模拟2种情形下磴口县2021年景观格局特征，着重分析了各景观类型重心变化。结果表明，林业生态工程实施14 a来(2000—2014)，县域景观格局发生了较明显的改善，林地、水体增加明显，沙地呈回退趋势，且工程对于未来县域生态环境的持续改善将发生重要作用。

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(责任编辑 高 峻)

Effects of forestry ecological projects on landscape pattern evolution and migration of barycenter in Dengkou County

ZHANG Qibin, YUE Depeng*, YU Qiang, LYU Qi, YIN Bo, MA Huan, LI Ning

(CollegeofForestry,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China)

To explore the influence of forestry ecological project on the local environment, the landscape evolution characteristics of Dengkou County during 2000 and 2014 were studied using multifarious landscape analysis methods. On the basis, the landscape pattern of Dengkou County in 2021 was simulated using CA/Markov model under the following conditions: either with or without the landscape transfer probabilities caused by forestry ecological project. Then, the transfer characteristics of the barycenter of landscape types under each simulation condition were analyzed. It was shown that during the 14 years studied, the area of water, forestry land and construction land increased obviously, while the area of desert decreased apparently. Forestry land, desert, construction land and water had higher dynamic degrees. The landscape dynamic degrees in the border area of different landscape types were relatively high. The barycenter of water and forestry migrated to the south-west of the county and the barycenter of desert migrated back to the hinterland of the Ulanbuh Desert markedly. The simulation results with the landscape transfer probabilities caused by forestry ecological project indicated that the landscape pattern of Dengkou County would show an ecofriendly trend of evolution, while the landscape would deteriorate without the landscape transfer probabilities caused by forestry ecological project. The study results indicated that the forestry ecological project played key role in environment improvement in Dengkou County.

forestry ecological project; landscape pattern evolution; barycenter migration; Dengkou County; CA/Markov model

10.3969/j.issn.1004-1524.2017.02.12

2016-05-30

国家自然科学基金(41371189)；“十二五”国家科技支撑计划(2012BAD16B00)

张启斌(1990—)，男，山东泰安人，博士研究生，主要研究方向为水土保持与荒漠化防治。E-mail：bin0538@outlook.com

*通信作者，岳德鹏，E-mail：yuedepeng@126.com

P901

A

1004-1524(2017)02-0261-09