毕节市撒拉溪示范区石漠化治理景观格局的时空演变特征

刘盼盼，肖 华，陈 浒

(贵州师范大学 喀斯特研究院/国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心，贵州 贵阳 550001)

1 材料与方法

1.1 研究区概况

撒拉溪示范区(下称“示范区”)地处贵州省毕节市七星关区，地理位置为东经105°09′30″～105°1′00″，北纬27°18′00″～27°39′11″(图1)，总面积为86.27 km2，海拔1500～2180 m，年均降雨量984.40 mm，年均气温约12 ℃，属亚热带季风气候区，地势北高南低。示范区地形破碎，峰丛洼地遍布，石漠化强度以潜在和轻度为主，部分为中强度石漠化，水土流失严重，土壤耕层浅薄且肥力较低。该区原生植被主要有马尾松林、杜鹃林、青冈林、栎林和草地等，多呈片段化分布，次生植被主要有响叶杨林、栓皮栎林和光皮桦林等。此外，示范区北部边缘一带为人工云南松和华山松林，人工种植经济林包括核桃、刺梨和板栗等。

图1 撒拉溪示范区的位置示意图Fig.1 Location sketch of the Salaxi demonstration area

1.2 数据来源

选取2005、2010年ETM和2015年OLI影像，来源于中国科学院计算机网络信息中心地理数据空间云平台(http://www.gscloud.cn/)。

1.3 方法

1.3.1 数据预处理 利用ENVI软件对影像进行辐射定标、大气校正和几何校正等预处理。进行波段融合后的图像空间分辨率为15 m，影像波段组合采用标准假彩色(RBG)的4、3和2波段，分类之前先通过野外调查建立解译标志，通过监督分类，并结合影像进行人机交互解译出研究区的土地利用类型；综合研究目的与野外实地调查情况，采用《全国土地分类》(过渡期间适用)的分类标准，将研究区分耕地、有林地、灌木林地、草地、水域、建设用地和未利用地共7种土地景观类型。其中，耕地包括旱地与水田，有林地指郁闭度大于30 %且以乔木为主的成片天然林或人工林，灌木林地指以灌木为主且高度在2 m以下的矮林地，草地包括天然草地与人工草地，水域主要为湖泊与水库，建设用地包括居民用地、交通用地与工矿用地，未利用地包括裸土和裸岩。对处理得到的景观类型矢量图结合野外调查与历年土地利用资料进行验证，总体分类精度均达87 %以上，可满足景观格局分析的需要。

1.3.2 景观面积变化与转换动态 运用土地利用转移矩阵可定量分析两个时期研究区各地类之间相互转化的面积动态信息，并结合土地利用动态度表述土地景观变化速率的差异，真实地反映土地景观转换与变化的情况[17-19]。

(1) 单一土地利用动态度 指某一时期范围内研究区某种土地利用类型的数量变化情况。

(1)

式中，K为某一研究时段内景观类型变化率，Ua和Ub分别为研究初期和末期某一景观类型的面积，T为研究时段。

(2) 综合土地利用动态度 指某一时期范围内研究区某种土地利用类型的年变化率。

在家政服务由传统服务业向现代服务业的转变过程中，红枫家政公司积极推进自身品牌建设，先后推出“红枫月嫂”“红枫育儿嫂”“红枫家务”“红枫保洁”“红枫培训”等一系列家政服务和家政培训项目，并积极参与“四川省妇联巾帼家政天府妹子”等品牌建活动，于2012年12月创建成为国家商务部认定的绵阳市家政服务行业龙头企业，于2013年2月成功注册“红枫”商标，于2015年12月被发展家庭服务业促进就业部际联席会议办公室评定为“全国千户百强家政服务企业”。

(2)

式中，Si为研究初期第i类景观总面积，△Si-j为从研究初期到末期内第i类景观转换为其他景观类型的面积总和，t为研究时段，S为与t时段对应的研究区景观变化速率[13]。

1.3.3 景观格局空间变化特征分析 景观指标一般分为斑块水平、类型水平和景观水平，斑块水平反映景观中单个斑块的结构特征，是计算其他景观级别指标的基础，斑块类型水平反映景观中不同斑块类型各自的结构特征；景观水平反映景观的整体结构特征[20]。根据景观指标表达的生态学含义及研究尺度综合考虑，从斑块类型水平上选择斑块数量(NP)、斑块密度(PD)、平均斑块面积(MPS)、边缘密度(ED)、最大斑块指数(LPI)和形状指数(LSI) 6个指标，景观水平上选取斑块数量(NP)、最大斑块指数(LPI)、形状指数(LSI)、散布与并列指数(IJI)、蔓延度指数(CONTAG)、聚合度(AI)、香浓多样性指数(SHDI)和香浓均匀度指数(SHEI)8个指标进行定量化描述(表1)[21]，通过选取指标分析研究区景观格局的空间变化特征。

表1 撒拉溪示范区景观指标的选择

续表1 Continued table 1

1.4 数据处理与分析

利用ArcGIS 10.2和Fragstat 4.2对数据进行统计与分析。

2 结果与分析

2.1 不同景观类型的面积变化

从图2和表2看出，示范区主要景观类型为林地(有林地、灌木林地)和耕地，有林地、灌木林地和耕地在2005、2010和2015年的总面积占比分别为14.40 %/35.29 %/46.48 %、14.51 %/35.15 %/45.37 %和20.15 %/33.68 %/35.09 %；其余类型占比均较低，以水域最低，2005、2010和2015年的总面积占比均为0.01 %。其中，南部以耕地为主，中部及北部以林地为主。

表2 2005-2015年撒拉溪示范区不同景观类型的结构变化

图2 2005-2015年撒拉溪示范区不同景观类型的空间分布Fig.2 Spatial distribution of landscape in 2005-2015 in Salaxi demonstration area

2005-2010年不同景观总面积的增加或减少总体变化均较小。其中，耕地占比从2005年的46.48 %降至2010年的45.37 %，有林地占比从2005年的14.40 %升至2010年的14.51 %，灌木林地占比从2005年的35.92 %降至2010年的35.15 %，草地占比从2005年的1.59 %降至2010年的2.32 %。2010-2015年不同景观面积的变化与前一时段相对较大，但变化趋势基本一致。其中，耕地占比从2010年的45.37 %降至2015年的35.09 %，有林地占比从2010年的14.51 %升至2015年的20.15 %，灌木林地占比从2010年的35.15 %降至2015年的33.68 %，草地占比从2010年的2.32 %升至2015年的6.76 %，建设用地占比从2010年的1.87 %升至2015年的3.76 %。未利用地占比呈持续下降趋势，水域占比呈上升趋势，但二者的总面积变化很小。

2.2 地利用景观的动态度

从表3可知，不同时期单一土地利用和综合土地利用景观动态度的变化。单一土地利用：2005-2010和2010-2015年耕地、灌木林地和未利用地在的动态度均为负，其变化率分别为-0.48 %/-4.53 %、-0.07 %/-0.84 %和-0.48 %/-6.19 %；整个时期(2005-2015年)的动态度为负，变化率分别为-2.45 %、-0.45 %和-3.26 %。2005-2010和2010-2015年的有林地、草地、水域和建设用地的动态度均为正，以草地的动态度最大，其变化率分别为9.04 %和38.35 %；建设用地其次，分别为5.872 %和20.25 %；整个时期(2005-2015年)草地和建设用地的动态度为正，变化率分别为32.36 %和16.03 %。其余类型变化均较小。综合土地利用：2005-2010年的景观动态度最小，其其变化率为4.27 %，表明该时期土地利用景观变化速度较慢；2010-2015年的景观动态度较大，其变化率为25.48 %，表明该时期土地利用景观的变化速度较快；2005-2015年整个时期的变化率为46.79 %。

表3 撒拉溪示范区不同时期单一与综合土地利用景观的动态度

2.3 景观类型转移动态变化

从表4看出，2005-2010和2010-2015年土地利用景观的变化，近10年来示范区的景观主要林草地和耕地之间转化。2005-2010年，耕地主要向林地、草地和建设用地转移，分别转出29.94、45.84和25.58 hm2，与转出量相比，仅4.3 hm2灌木林地转入耕地，转入量很少。其余类型之间转移量较小。2010-2015年，耕地向草地、林地和建设用地的转移量很大，转出面积达884.52 hm2，三者占耕地转出总面积的99.79 %；耕地的转入量很少。有林地主要从耕地转入，部分从灌木林地转入；有林地转出量很少，主要转化成灌木林地和草地。灌木林地、草地与建设用地主要由耕地转入，其中，灌木林地主要转化成有林地，草地主要转化成灌木林地，建设用地主要转化成草地。2005-2010年未利用地主要与建设用地相互转化，2010-2015年未利用地主要转化成草地。10年间水域景观的转出与转入无明显变化。

表4 撒拉溪示范区不同时期景观类型的转移矩阵

2.4 不同斑块类型的变化

2.4.1 破碎度 一般来说，斑块数量越多，斑块密度越大，平均斑块面积越小，景观破碎化程度越高。从图3-a～c看出，2005、2010和2015年示范区斑块数量(NP)、斑块密度(PD)和平均斑块面积(MPS)的变化。耕地、有林地和灌木林地斑块数量与密度呈逐年增多(大)趋势，平均斑块面积呈逐年减小趋势,说明3种景观破碎度呈加剧趋势，空间分布不集中。草地及建设用地的斑块数量及斑块密度呈逐年增增多(大)趋势，但平均斑块面积均呈先减后增趋势,说明，后期段草地与建设用地面积增幅大于斑块数量增幅，导致各时期虽然斑块数量增多，但其面积也大幅增加，破碎度呈先增大后减小趋势。未利用地的斑块数量与斑块密度呈逐年减少(小)趋势，平均斑块面积呈逐年增大趋势，说明未利用地景观的破碎度减小。水域景观3个指标基本无变化。耕地斑块被有林地和草地分割得越来越多，面积却越来越小。

2.4.2 边缘密度 从图3-d看出，2005、2010和2015年示范区边缘密度(ED)的变化状况。耕地与灌木林地边缘密度明显高于其余类型，且斑块密度与平均斑块面积较大，说明耕地与灌木林地对其他周围景观类型影响最大。有林地与草地边缘密度与斑块面积的大幅增加，说明2种景观类型的优势度呈上升趋势，对周围景观的干扰程度加大。

2.4.3 最大斑块指数 最大斑块面积指数(LPI)越大，说明该景观类型的大面积斑块越多，优势度越大。从图3-e看出，2005、2010和2015年示范区的耕地、灌木林地、未利用地LPI值呈逐年降低趋势；有林地、草地、水域和建设用地的LPI呈逐年增大趋势；耕地LPI值虽有所降低，但耕地却是优势景观类型，其次是灌木林地和有林地，其余景观类型的优势度很小。

2.4.4 形状指数 形状指数(LSI)越大，说明景观斑块形状越复杂，当LSI为1时，景观斑块为正方形，形状最简单。从图3-f看出，2005、2010和2015年，除未利用地外，其余景观类型的LSI值均呈增大趋势，说明未利用地景观形状趋于简单化，其余景观类型形状均趋于复杂化及离散化。2005年灌木林地的LSI值最大，形状最复杂，至2015年草地景观的形状最复杂。

图3 撒拉溪示范区不同年份各斑块类型的变化Fig.3 Changes of patch types in different years in the Salaxi demonstration area

2.5 景观尺度的空间变化

从表5看出，2005、2010和2015年撒拉溪示范区景观的斑块数(NP)、最大斑块指数(LPI)、形状指数(LSI)、散布与并列指数(IJI)、蔓延度(CONTAG)、聚合度(AI)、香浓多样性指数(SHDI)和香浓均匀度指数(SHEI)的变化。斑块数：2005、2010和2015年呈逐年增多趋势，从2005年的1410个增至2010年的1571个，再增至2015年2589个；说明近10年来示范区景观的破碎化程度加剧。景观斑块数：2005、2010和2015年分别为33.13、33.58和19.77，2015年较2005年下降40.33 %，表明景观中的大面积斑块减少，以耕地和灌木林地占主要地位的景观类型优势度减小，整个景观的优势度降低。形状指数：2005、2010和2015年呈逐年增多趋势，从2005年的25.6增至2010年的28.73，再增至2015年40.59，表明整个景观的形状趋于复杂化。散布与并列指数：2005、2010和2015年呈逐年降低趋势，从2005年的68.02降至2010年的49.19，再增至2015年38.20，表明景观斑块的分布趋于不均衡状态。蔓延度和聚合度：2005、2010和2015年呈逐年降低趋势，从2005年的65.67和72.65 %降至2010年的49.39和72.56 %，再降至2015年33.54和60.50 %，表明，景观中的大斑块被逐渐分割为小斑块，斑块之间连通性较差，景观斑块的空间分布趋于间断及离散化。香浓多样性指数和香浓均匀度指数：二者均为景观的多样性指标，其值越大，表明各景观所占比例差异变小，与最大斑块指数呈负相关。2005、2010和2015年呈逐年小幅升高趋势，景观类型丰富度有所提高。2010-2015年，有林地、草地与建设用地在景观中占比增加较大，缩小了景观类型之间占比的差异，并对其余景观类型的影响增大，景观类型的组成更为均匀，示范区内景观格局正向均匀化及高异质性发展。

表5 撒拉溪示范区不同年份景观尺度的变化

2.6 景观格局变化的驱动因素

2.6.1 自然因素 撒拉溪示范区的地形主要为喀斯特高原山地类型，流域切割较深，海拔相对高差较悬殊，地势北高南低，岩石出露主要有石灰岩、灰岩和砂页岩。地表水漏蚀严重，造成地表水源稀缺及地下水丰富的现象，这也是示范区耕地类型主要为旱地的原因。示范区大部分区域分布峰丛洼地，分割了地形，致使景观破碎，喀斯特地貌极其发育。由于自然条件尤其是地形条件的限制，景观格局整体呈现比较破碎、斑块数量多、大面积斑块较少和聚集程度不高等特点。

2.6.2 人文因素 (1) 政策因素。2005-2010年，为响应国家退耕还林政策，示范区禁止毁林开荒，退耕还林还草，林地与草地面积有所增加，耕地面积减少，其余类型的景观面积变化较小。期间示范区景观格局主要受退耕还林政策影响。

(2) 石漠化综合治理。2010-2015年，示范区耕地面积大幅减少，除退耕还林政策外，通过实施石漠化综合治理工程及小型水利水保工程，封山育林、人工造林和人工种草面积增加。“十二五”期间，示范区石漠化治理中新增封山育林育草、人工造林和人工种草面积分别为740.38、839.07和27.14 hm2，完成石漠化治理面积44.72 hm2。示范区的有林地大部分为人工林，如示范区的北部边缘一带分布的大片人工云南松和华山松林，人工种植的核桃、刺梨和板栗等经济林，还有小部分由灌木林地自然封育发展起来。导致有林地和草地景观类型面积增加以及耕地面积的减少，进而致使耕地优势度减小、破碎化加剧，各景观比例更趋均匀。

(3) 城镇化发展。由于西部大开发的深入开展，人口与经济增长导致城镇化加速，示范区GDP从2011年的18 144万元增至2015年的22 739万元。随着经济的发展，示范区农村基础设施建设进一步完善，毕威高速公路的修建及农村道路硬化使示范区交通状况得到改善，道路总长从2011年的55.65 km增至2015年的137.25 km，是示范区建设用地面积增加并呈集中连片发展的主要原因。

(4) 土地撂荒。在示范区离人聚集区较远的土地存在大量撂荒现象，主要成因：一是退耕还林还草形成的荒草地；二是因许多年轻人外出务工，缺乏主要劳动力，致使路途偏远、离人居住聚集地较远的耕地难以耕种，耕地被撂荒形成荒草地。以后者占主要因素，草地面积的增加最主要原因是土地撂荒形成的荒草地。

3 讨 论

斑块数量(NP)、斑块密度(PD)与平均斑块面积(MPS)指数能够较好地反映出研究区景观空间结构的复杂程度与异质性特征，指示景观的破碎化程度[22-23]。景观格局驱动因素分析可以揭示景观变化的原因及其与人类活动的关系[24-25]，一般分为自然因素与人文因素，在较小的时空尺度下，比较稳定的自然因子对景观格局变化起到约束作用，而经常变化的人文驱动因素则是景观格局变化的直接驱动[26]。

研究结果表明，2005、2010和2015年示范区耕地、有林地和灌木林地斑块数量与密度呈逐年增多(大)趋势，平均斑块面积呈逐年减小趋势；草地及建设用地的斑块数量及斑块密度呈逐年增增多(大)趋势，但平均斑块面积均呈先减后增趋势；未利用地的斑块数量与斑块密度呈逐年减少(小)趋势，平均斑块面积呈逐年增大趋势；耕地斑块被有林地和草地分割得越来越多，面积却越来越小。耕地与灌木林地边缘密度明显高于其余类型，且斑块密度与平均斑块面积较大；有林地与草地边缘密度与斑块面积的大幅增加，对周围景观的干扰程度加大。2005、2010和2015年示范区的耕地、灌木林地和未利用地最大斑块面积指数(LPI)呈逐年降低趋势，有林地、草地、水域和建设用地的LPI呈逐年增大趋势，耕地LPI值虽有所降低，但耕地却是优势景观类型，其次是灌木林地和有林地，其余景观类型的优势度很小。除未利用地外，其余景观类型形状指数(LSI)均呈增大趋势，且景观类型形状均趋于复杂化及离散化。2005、2010和2015年示范区景观的破碎化程度加剧，景观中的大面积斑块减少，以耕地和灌木林地占主要地位的景观类型优势度减小，整个景观的优势度降低。2010-2015年，有林地、草地与建设用地在景观中占比增加较大，缩小了景观类型之间占比的差异，并对其余景观类型的影响增大，景观类型的组成更为均匀，示范区内景观格局正向均匀化及高异质性发展。

总体看，2005-2010年各景观面积转换量比较小，该时期景观面积变化主要受退耕还林政策影响；2010-2015年石漠化治理后各景观转换量增多，林地景观面积的增加，除受退耕还林的政策导向影响，主要与石漠化治理相关工程的实施有关。建设用地面积大幅增加，建设用地的大幅增加表明示范区经济得到了一定提升，分散的村落正呈聚集趋势。草地面积增加原因是土地撂荒与人工种草形成。这几种景观类型的面积比例增加，使示范区的各景观差异变小，景观多样性与均匀度升高。耕地作为示范区面积比重较大的景观类型，说明农业对示范区社会经济具有重要的支撑作用；但耕地景观的面积逐年减少，耕地大量被转化为林地、草地和建设用地，导致优势度减小、斑块数增多，破碎化加剧。示范区景观格局变化主要受人为因素影响，不合理的人类活动会破坏自然生态环境，但自从2010年撒拉溪石漠化综合治理示范区建立以来，各项生态治理工程与保护措施的实施，对优化区域景观格局布局、石漠化治理与改善当地生态环境具有深远的影响。

4 结 论

2005-2015年，耕地景观一直是示范区的主体景观，但其优势度逐渐降低，林草地、建设用地、水域面积所占比例不断增加，草地面积增加最多；耕地、未利用地面积持续减少，其中耕地面积减少最多，从2005年3908.27 hm2降至2015年的3027.58 hm2，主要转化成林草地与建设用地。10年来示范区各景观之间转化频繁，尤其以耕地与林草地和建设用地之间转化较为突出。

10年间耕地斑块水平的比例持续下降，使得耕地的优势度减少，草地、有林地、建设用地面积增加，优势度增加，这种变化与最大斑块指数变化趋势一致。原本连片的耕地斑块被草地、有林地和建设用地等分割成间断、碎小的斑块，耕地、有林地与灌木林地斑块数量、密度均呈增加趋势，破碎度增大，草地和建设用地斑块数量减少，呈现集中连片发展，破碎化减小。耕地与灌木林地对周围其他景观类型影响最大，除未利用地景观形状趋于简单化外，其他景观类型形状均趋于复杂化。景观水平上，整个景观趋于破碎化、形状不规则、分布离散、比例均匀化发展。

示范区景观格局变化是自然因素与人文因素共同作用的结果，自然因素是景观格局变化的限制因素，人文因素则是直接驱动因素。在人文因素中石漠化治理工程是主要因素，政策导向是强制性因素，城镇化建设与土地撂荒是其他推动因素。