土地利用及景观格局动态变化分析——以甘肃省党河流域为例

赵方圆, 杨宇翔, 张华堂, 赵万奎, 李珍存, 王琼芳

(甘肃省生态环境监测监督管理局 甘肃省林业调查规划院, 兰州730020)

党河流域地处我国西北内陆肃北县和敦煌市境内。该区域土地类型复杂、水土流失、盐碱化等问题突出，生态环境脆弱，该区域的生态变化与社会持续稳定发展关系密切[1]。在西部开发等大政策背景下，该区域人类活动日益显著，包括20世纪80年代起的“两西移民”、“九甸峡库区移民”、“疏勒河农业开发移民”等[2]。在大规模的土地开发及人类活动下，土地类型趋于丰富但分布渐趋不合理，包括林地面积减少、耕地面积减少等因素是制约生态持续健康稳定发展的“卡脖子”问题[3]。因此，从2010年开始国家相继出台了一系列可持续发展政策，包括国务院批准实施的《敦煌水资源合理利用与生态保护综合规划(2011—2020)》、2014年国家发改委印发的《甘肃省加快转型发展建设国家生态安全屏障综合试验区总体方案》、敦煌市颁布实施的《敦煌市国家级生态文明建设示范区规划》以及2015年颁布的《甘肃省生态保护与建设规划(2014—2020年)》等。上述各项政策的核心思想在于合理规划、改善该地区的生态要素时空格局，从科学发展角度论证该地区生态要素以及土地类型分配。对该地区的相关研究是保障“丝绸之路经济带”建设、构建国家生态安全屏障的有力支撑。党河流域作为上述政策实施的重点地区，其地理位置与环境特征典型、土地类型丰富但分布不均，对该地区开展相关研究是分析上述政策落实性以及下一步规划发展的基础。

土地利用类型的变化是生态要素时空格局分析中的重要一环。目前，土地利用类型的时间、空间变化及景观格局动态变化分析是其中较为关注的三点[4]。如夏成琪[5]中通过土地利用类型的时间变化特征分析了盐城海岸带土地利用变化，耕地面积在15 a间持续增加，说明了该地区对粮食生产重视程度的提高。张萌[6]、徐晓然[7]、杨尊尊[8]等通过采用转移矩阵对土地利用的空间变化进行了分析，得到了土地类型中转入与转出土地面积的大小以及种类。在景观格局分析中，采用景观破碎度、景观多样性指数等参数对景观的多样性以及复杂程度进行了分析[9-11]，由此得到各类土地类型的相应属性。通过上述三点分析，可以有效地对一个区域的土地利用以及景观变化进行定量判断以及对政策落实结果进行趋势分析。然而，目前针对该地区的土地利用类型及景观格局动态变化分析多是从宏观角度分析，并不全面，且缺少定量数据上的比对分析。针对此，本文对2012—2018年党河流域不同土地类型测量数据进行时间、空间以及景观格局变化分析，研究结果旨在为该地区管理部门制定合理的土地利用保护对策提供科学依据。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

党河流域地属疏勒河水系，发源于祁连山山系，流经肃北县盐池湾、党城湾及敦煌，流程288 km，地处我国干旱半干旱区，冬季寒冷、夏季炎热、气候干燥，日照时间长，昼夜温差大。本研究党河流域(甘肃省范围内)总面积17 381.33 km2，地理坐标93°58′—97°3′E，38°25′—40°26′N，参照全国《土地利用现状分类》(GB/T21010—2017)标准，该地区土地类型主要为林地、耕地、牧草地、水域、未利用地、建设用地，由于该地区所处海拔位置、山脉分布以及政策导向等特点，未利用土地占比超50%，建设用地占比小于1%(主要集中在该区域东北部)，牧草地主要集中在该区域中部，耕地主要集中在该区域东北部。党河流域主要区域城镇化率约70%，2019年第一、第二、第三产业产值分别为9.94亿元、18.72亿元、53.12亿元(旅游服务业为主)，三次产业结构为12.16∶22.89∶64.95。该地区土地类型丰富但分布不均、干旱缺水、植被稀疏、风沙危害和水土流失严重，生态环境脆弱等问题突出。

1.2 数据来源

本研究使用的原始数据为党河流域2012年、2014年、2016年、2018年林地更新矢量数据。将2012年、2014年、2016年、2018年四期数据进行投影坐标系同一化处理，遥感影像采用的是高分一号及二号卫星拍摄的结果，分辨率在2～2.5 m且影像图制作符合《森林资源调查卫星遥感影像图制作技术规程》。各县市区林业调查人员在外业调查前均已建立完整的判读标志，后期省级和国家林业管理部门均进行了抽样质量检查，确保了判读精度。在各县区数据的基础上，项目组将肃北和敦煌数据合并处理，统一坐标系后，在ArcGIS 10.2软件的支持下，结合GPS验证点，又进行实地验证、校对、修正，解译精度达到90%，满足后续分析需要。

2 研究方法

为了分析党河流域土地利用类型变化情况，参考文献[11-16]中的分析方法，结合本文研究问题，从土地利用类型时间、空间变化特征、景观格局动态变化3个角度进行后续分析。

2.1 土地利用类型时间变化分析参数选择

为了分析各土地利用类型在时间上的变化特征，参考相关文献[11-13]，采用单一土地类型净变化参数Nc，单一土地类型总变化参数Tc，综合土地类型净变化参数Sa、综合土地类型总变化参数Ss进行后续分析。Huang等[13]指出该4个参数可以在一定程度上充分反映不同土地利用类型的时间变化特征。

(1)

(2)

(3)

(4)

其中，单一土地类型净变化参数Nc表征某土地利用类型在一定时期内转入与转出面积之差，可以定量描述在一定时间范围内研究区域某种土地利用类型的变化速度；Ua，Ub分别为某土地利用类型在研究初期和未期的面积；T为研究时长，如式(1)所示；单一土地类型总变化参数Tc某一时期内某种土地利用类型转化面积之和来反映该土地类型与其他土地类型间的转换程度；ΔUin为研究期内其他土地利用类型转变为某一土地类型的面积之和；ΔUout为研究期内某一土地利用类型转变为其他类型的面积和，如式(2)所示；综合土地类型综合净变化Sa和总变化Ss用于反映土地利用类型的整体变化速度和转换程度；Ua-i，Ub-i分别为第i种土地利用类型在研究初期和末期的面积；ΔUin-i为其他类型向第i种类型转变的面积之和；ΔUout-i为由第i种土地利用类型向其他类型转变的面积之和；n为土地类型数，分别如式(3)，(4)所示。

2.2 土地利用类型空间变化分析参数选择

考虑到各种土地类型存在互相转化关系，为了分析2012—2018土地类型的空间转化，基于文献[14-16]提及的面积转移矩阵方法进行土地利用类型空间变化分析，其基本表达式如式(5)所示。

(5)

式中:Sij为研究初期和末期土地利用状态；n为土地类型数。向量为各种土地利用的面积，反映不同景观结构与其来源构成[16]。

2.3 景观格局动态变化分析参数选择

为了分析景观格局动态变化特征，选择景观破碎度Ci、景观形状指数LSI进行后续分析。其中，各参数计算式如式(6)，(7)所示，景观破碎度为斑块个数与面积的比值，景观破碎度表征景观被分割的破碎程度；景观形状指数LSI用以表征斑块的离散化程度，斑块的离散化程度随LSI值的增加而增大，小的LSI值说明形状简单。

(6)

(7)

式中:Ni为第i类景观类型的斑块数；Ai为第i类景观类型的总面积；A为景观总面积；E为边界总长度。

3 结果与分析

3.1 土地利用类型时间变化分析

党河流域2012—2018年林地、耕地、牧草地、水域、未利用地、建设用地变化见图1。各类土地面积占比大小分别为未利用地、牧草地、水域、林地、耕地以及建设用地，平均占比分别为52.66%，24.32%，11.36%，9.38%，1.84%，0.44%。未利用土地占比最高，建设用地占比最少。这种土地类型的分配与当地的气候特征有着直接的关系。

从各类土地类型总占比变化情况来看(表1)，2012—2018年中，林地总占比减少量最大，为0.47%(82.13 km2)，建设用地总占比增加量最大，为0.20%(35.10 km2)。牧草地总占比减少量0.02%(0.63 km2)，耕地、水域、未利用地均有所增加，增加量分别为0.12%(20.62 km2)，0.01%(2.16 km2)，0.16%(27.61 km2)。

图1 党河流域土地利用特征变化

表1 党河流域2012-2018年不同土地类型面积变化

从各类土地在6 a间的环比变化来看：(1) 林地面积2012—2014减少了5.61%，2014—2016年减少了0.32%，2016—2018年增加了1.15%。2012—2018年林地面积共减少了4.83%。在林地的下属分类中(表2)，6 a间灌木林地和宜林地面积均占据主导地位，相对于林地总面积的平均占比分别为54.26%与38.03%，此类林地面积较广与当地的气候特征有直接关系。6 a间灌木林地和宜林地分别减少了1.46%(13.17 km2)以及12.55%(86.36 km2)。宜林地的大幅减少是林地面积减少的主要贡献源。林地其他下属分类中，6 a间有林地、疏林地、未成林地、苗圃地、无立木林地占林地总面积比值较小，平均占比分别为3.00%，0.00%，3.42%，0.02%，1.26%。林业辅助用地面积减少量明显，2012—2018年减少了90.91%。(2) 耕地面积2012—2014年增加了5.37%，2014—2016年减少了1.11%，2016—2018年增加了2.41%。2012—2018年耕地面积增加了6.71%。(3) 牧草地6 a间减少了0.08%，水域减少0.11%。(4) 未利用地面积2012—2014年增加了0.82%，2014—2016年增加了0.01%，2016—2018年减少了0.52%。2012—2018年的6 a间增加了0.30%。(5) 建设用地面积2012—2014年增加了18.19%，2014—2016年增加了5.2%，2016—2018年增加了26.92%。2012—2018年的6 a间增加了57.80%。综合以上来看，6 a间，林地减少量最大，导致林地减少的关键因素是宜林地的大幅减少。建设用地增加量最大，增幅最快。

表2 林地下属分类不同土地类型面积变化

为了进一步分析各土地类型变化特性，通过式(1)—(4)中的单一土地类型净变化、总变化以及综合土地类型净变化以及总变化进行后续分析。从综合土地类型净变化与总变化程度来看(图3)，2012—2014年这一时间段的变化程度最为剧烈，净变化率和总变化率分别为0.98%和0.59%；变化程度最小的是2014—2016年，二者分别为0.15%和0.06%。从单一土地类型净变化与总变化程度来看，2016—2018年建设用地增长速度最快，净变化与总变化分别为5.38%与7.84%。除建设用地外，林地在2012—2014年的净变化最快，为-1.12%，耕地2012—2014年总变化最快，为2.62%。

图3 不同土地类型变化情况

3.2 土地利用类型空间变化分析

土地利用类型转移矩阵可以反映不同土地利用类型间的相互转移情况，便于分析土地利用类型的变化过程。基于式5，得到了表3的党河流域2012—2018年期间土地利用类型转移矩阵，具体各类土地转入、转出以及增加情况见图4。

表3 2012-2018年土地类型转移矩阵

图4 不同土地类型面积转移情况

从不同土地类型面积变化量来看，林地6 a间面积减少量最大，为82.13 km2。建设用地转入面积始终大于转出面积，其土地面积持续增加。从转入转出角度来看，未利用土地6 a间的转入量最大，为107.76 km2，转入面积中林地为主要贡献源，转入总面积88.72 km2，林地砍伐后成为了未利用土地。其中，林地转出量最大的时间段为2012—2014年的72.68 km2，后续2016—2018年未利用土地转出为林地50.45 km2。转入为建设用地最多的土地类型为未利用土地，6 a间总转入面积13.15 km2，在一定程度上说明加快了未利用土地向建设用地的开发利用转变以及开始重视林地保护。

从总体上来看，2012—2018年土地利用类型呈现林地退化转变为未利用土地，生态建设加强后未利用土地回转为林地和向建设用地转变的大趋势。这在一定程度反映了研究区在沙漠治理、天然林保护、国家公益林保护建设等林业生态工程建设上的效果良好。

3.3 景观格局动态变化分析

为了分析在上述土地类型变化过程中对应的景观动态变化趋势，从景观破碎度Ci、景观形状指数LSI等角度研究了党河流域6 a内变化情况并分析变化原因。从景观破碎度来看(图5)，建设用地破碎程度高，景观连续性差，人为干扰程度大。6 a间的平均景观破碎度从大到小分别为建设用地(58.33)、耕地(19.05)、林地(6.42)、水域(1.13)、未利用地(1.11)、牧草地(0.77)。2012—2016年各地类景观破碎度均呈增长趋势，2016—2018年林地和建设用地减少，其他地类继续增长。

图5 不同年份景观格局变化情况

从景观形状指数来看，景观形状指数表征景观形状的异质性，景观形状指数越大，斑块越离散。6 a间，未利用地与建设用地的景观形状指数均呈现上升趋势。各土地类型的平均景观形状指数由大到小分别为林地(125.31)、建设用地(119.69)、未利用地(114.17)、耕地(109.68)、牧草地(66.49)以及水域(66.03)。

4 讨论与结论

4.1 讨 论

党河流域作为《甘肃省生态保护与建设规划(2014—2020年)》、《甘肃省加快转型发展建设国家生态安全屏障综合试验区总体方案》等可持续发展政策下的重点区域，对其土地利用类型的变化特征的分析关系到上述政策落实性以及下一步的规划发展。针对现有研究对该地区的土地利用类型分析主要从宏观角度并不全面，且缺少定量数据上的比对，基于此，本文给出了定量数据的对比分析，得到了关键性的结论：生态建设加强后呈现未利用土地向林地和建设用地转变的大趋势。但本文仍存在后续需要继续深入研究的问题，包括在更长年份中(增大样本容量)该地区土地利用类型变化以及土地利用类型的转变与经济发展、人均收入等方面的关系。

4.2 结 论

(1) 从土地利用类型时间变化角度，2012—2018年，林地总占比减少量最大，为0.47%(82.13 km2)，建设用地总占比增加量最大，为0.20%(35.10 km2)。6 a间林地下属分类中的宜林地减少量最大，为12.55%(86.36 km2)。宜林地的大幅减少是林地面积减少的主要贡献源。

(2) 从空间变化角度，未利用土地6 a间的转入量最大，为107.76 km2，转入面积中林地为主要贡献源，转入总面积88.72 km2，林地转出量最大的时间段为2012—2014年的72.68 km2，后续2016—2018年未利用土地转出为林地50.45 km2。建设用地面积持续增加，贡献量最大的为未利用土地的转入量13.15 km2。2012—2018年土地利用类型呈现林地退化转变为未利用土地，生态建设加强后未利用土地回转为林地和向建设用地转变的大趋势。这在一定程度上反映了研究区在沙漠治理、天然林保护、国家公益林保护建设等林业生态工程建设上的改善。

(3) 从景观格局动态变化角度，6 a间各地类的景观破碎度总体上呈现上升趋势，建设用地景观破碎度最大，建设用地景观形状指数较大且呈现快速上升趋势，说明人类活动较多的建设用地区域破碎度高且形状更复杂。