基于GIS的张掖市山丹县域土地利用及景观格局分析

宁建杨 唐 红

甘肃省张掖地区作为国家退耕还林生态工程实施重点区域，是中国生态问题集中体现区。山丹县作为张掖地区的东大门，林草资源丰富，旅游业处于逐步发展阶段，研究其土地利用变化差异对区域土地可持续发展、差别化国土资源发展政策的制定具有重要意义。分析山丹县土地利用及景观格局时空变化，为河西走廊土地利用和生态保护提供理论参考。基于2000年、2010年、2018年三期LandsatTM遥感影像数据，结合ArcGIS10.5和Fragstats4.2，对山丹县土地利用和景观格局时空演变特征进行分析。结果表明：2000—2018年间，研究区内耕地面积占比最大，优势度最高，分离度最小；草地、林地和未利用土地面积呈减少趋势，建设用地面积先增加后减少，水域面积先减少后增加；研究区内的景观斑块在数量上有所增加，景观的破碎化程度有所增强，整体连接度较稳定。其中2000—2010年间，研究区景观损失程度加深，草地、林地、水体资源都受到了不同程度的破坏，2010—2018年间，研究区景观水平有所提升，破碎化程度减弱。

土地利用；景观指数；景观格局；山丹县

土地利用变化体现在人类对自然的影响，是人类活动与自然生态链接的纽带[1]。景观格局是指因土地利用引起的不同景观类型、数目以及空间分布格局变化产生的结果，能够清晰地体现自然气候、地形条件和社会要素起到的作用[2]。近年来，中国经济的高速发展，城镇化进程以前所未有的规模和速度进行着[3]。随着人口增多、经济水平增长，研究区土地利用类型结构发生了相应变化，景观的破碎度、脆弱性日益加剧，环境破坏程度日益加深，自然资源储量日渐减少，使得城市发展背离了人与自然协同发展的道路。因此，系统研究局部区域土地利用时空演变特征与景观格局各类要素之间的联系及功能的变化特点，对土地利用景观格局进行系统性评价[4]，才能更深入了解研究区生态系统的演变规律[5]，真实直观地反映出土地利用景观类型受人类活动的影响程度，为区域生态环境综合保护与管理提供理论依据，对区域景观保护及可持续性发展具有现实意义。

目前，对于土地利用变化的研究多集中于变化幅度[6]、土地利用动态度[7]、土地利用转移矩阵[8]，对于景观格局变化研究内容较为丰富，李玉洁等[9]研究了海口市热力景观格局和分异特征；王莹等[10]探究了郑州市绿地景观破碎化对人为活动的时空响应。基于国内外先进的研究方法，徐兴华等探究山丹县的林地景观格局变化特征[11]，也利用ER-DAS图像处理软件对遥感影像处理后得到的土地利用类型分布特征与山丹县普查的土地利用现状图进行对比分析，证明使用遥感检索土地利用类型信息的方法是可行的[12]。但仅涉及一类土地利用类型，并未对山丹县其他地类进行系统全面的分析，当前对于山丹县的研究还不够丰富。伴随着山丹县经济水平的不断提升，对自然的人为干预程度也逐步加深。山丹县旅游资源逐渐被开发，原生态的农牧环境质量降低，刺激消费的农家乐、人工景点等顺应而生，也对山丹县生态环境问题提出了新的挑战。因此，对山丹县土地利用变化及景观格局进行分析具有时下的必要性，为经济发展与环境保护寻求平衡点提供参考。

张掖市山丹县地处河西走廊中部，境内的山丹军马场倚靠祁连山，是山丹县的主要水源涵养地及生态屏障，同时也是重要的生产基地。而由于土地利用的不合理，山丹县产生了水土流失、土地荒漠化等一系列环境问题，成为河西地区典型的生态脆弱区之一，严重影响了经济与生态的和谐发展。文章以山丹县作为研究对象，基于2000年、2010年、2018年三期LandsatTM遥感影像数据，依据土地利用程度和土地利用转移矩阵模型分析山丹县2000—2018年土地利用结构的时空变化特征；基于Fragstats4.2计算山丹县斑块级别指数景观和各类景观级别指数，以分析山丹县2000—2018年间景观格局的时空变化特征，开展山丹县的土地利用景观格局评价，为合理利用土地资源、优化土地资源配置、制定生态管控措施提供参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

山丹县位于甘肃省河西走廊中段，地处东经100°41′～101°42′，北纬37°50′～39°03′，是张掖市的东大门、“丝绸之路”的必经之地。东邻永昌，南接青海、北靠内蒙古阿拉善右旗，总面积5 433 km2。山丹县海拔1 550～4 441 m，三面环山，自东南而西北缓斜坡降，全境属大陆性高原高寒半湿润气候，具有寒冷、四季不分明、雨量集中、具明显垂直分带性的特点。山丹县经济主要依靠农业和畜牧业，近年来开始逐步发展旅游产业，总体上是一个半农半牧的县区。

1.2 数据来源与预处理

本研究所使用遥感数据来源于中国科学院地理空间数据云（http://www.gscloud.cn），使用山丹县2000年、2010年及2018年三期遥感影像数据，利用ENVI5.3对遥感影像进行预处理，参照Google Earth高分辨率影像目视解译得到土地利用数据，空间分辨率为30 m，经验证，数据的解译精度均在85%以上，满足了广域尺度土地利用的研究要求。参考《土地利用现状分类标准》（GB/T21010-2017），将研究区地类按照土地利用类型一级分类，将土地分为耕地、林地、草地、水域、建设用地及未利用土地6大类。

2 研究方法

2.1 土地利用结构及其变化

2.1.1 土地利用程度

土地利用程度综合指数可以体现研究区内土地利用开发程度，表示人类对各类景观类型的干扰程度[13]，见公式（1）。

ij表示区域土地利用程度综合指数；Ai表示区域内第i级土地利用程度分级指数；Ci表示区域内第i级土地的面积百分比[14]。其中分级指数参照前人研究成果[15]：未利用土地为1，林地、草地和水域为2，耕地为3，城乡、工矿、居民用地为4。

土地利用程度可综合表达区域内不同土地利用类型之间转变的水平和趋势，见公式（2）。

La和Lb分别代表初期和末期的土地利用程度综合指数。当ΔLb-a＞0时，说明研究区在发展期；当ΔLb-a＜0时，表明利用程度不断减弱，处于调整或者衰退期，但仅代表土地的利用程度，不能够反映生态环境的好坏。

2.1.2 土地利用转移矩阵

利用ENVI5.3将三期的土地利用数据进行叠加计算，求得研究期内各地类相互转化的数据，从而构建土地利用转移矩阵[16]，能够反映出研究时段内各类型土地的变化趋势以及不同土地利用类型的构成[17]，见公式（3）。

S表示面积，n表示转移前后的土地利用类型数，i表示转移前土地利用类型，j表示转移后的土地利用类型，是i地类转换为j地类的面积，矩阵中的每一行元素代表j地类的转移前各地类的转移前各地类源信息。

2.2 景观格局分析方法

景观水平的景观指数是对研究区的整体景观格局的变化进行分析，种类繁多且具有不同的意义[18]。本研究选取了斑块数量（NP）、斑块密度（PD）、最大斑块指数（LPI）、景观形状指数（LSI）、蔓延度指数（CONTAG）、分离度指数（DIVISION）、香农多样性指数（SHDI）共7个景观格局指数（表1），分析山丹县各景观类型格局。

表1 景观格局指标计算公式与生态意义

（1）景观结构指数

景观结构指数（Zi）表示各个景观结构受到人类活动或自然变化干扰的程度，见公式（4）。

式中：Zi表示结构指数，Fi表示分离度，Di表示优势度，Ii表示破碎度。a、b和c分别代表景观破碎度、分离度和优势度的权重，并且a+b+c=1。根据赵彩霞等人研究成果[22]，结合研究区实际，分析研究区内各类景观指数对区域生态环境的影响大小，将破碎度、分离度和优势度分别赋权重值为a=0.5、b=0.3、c=0.2[23]。

（2）景观损失度：

景观损失度（Ri）表示区域内景观类型遭受干扰时发生自然损失的程度，见公式（5）。

式中：Ri表示景观损失度，Ki表示景观脆弱度，Zi表示景观结构指数。

Ki表示景观i的脆弱度指数。景观脆弱度指数是将景观类型按照抵抗外界环境影响的能力分为6级，根据山丹县景观类型特点，得出在各类土地景观类型中，建设用地最为稳定，产生土地利用类型的更替变化不大，故赋值为1；结合各类景观的脆弱性特点将林地、耕地、水域和草地分别赋值为2、3、4和5[24]；未利用土地受影响较大，其景观脆弱性最为敏感，故赋值为6。将各景观的脆弱度归一化到［0.1，0.9］，见公式（6）。

式中，x和y表示变换前后的值，xmax和ymax表示样本的最大值和最小值[25]。得到各景观类型的脆弱度指数：建设用地0.0875，林地0.1577，草地为0.1960，耕地为0.2146，水域为0.2573，未利用土地为0.2997。

3 结果与分析

3.1 土地利用结构变化分析

3.1.1 土地利用类型时序变化

山丹县总面积为5 433 km2，耕地和林地为山丹县主要地类，整个研究期内的平均占比分别约为33.58%、26.04%；其次为草地、建设用地，约为16.97%、11.51%；水域和未利用土地面积最小（图1）。研究期内，耕地面积呈先增加后减少趋势，总体增加了100.49 km2，变化量最大；林地持续减少，减少量为58.86 km2。以2010年为界，草地面积呈先减小后增加趋势；水域面积先减少后增加，变化量较小；建设用地呈波动上升趋势，增加了0.12%，增加面积为6.42 km2。未利用土地总体呈现递减趋势，占比由8.21%减少至7.22%，减小面积为53.47 km2（表2）。

1.土地利用现状图

表2 2000—2018年山丹县各类景观面积

3.1.2 土地利用程度分析

根据公式（1）可知，土地利用综合指数范围为100～400，山丹县三期土地利用程度综合指数分别为246.89、250.44、249.96，表明研究期内山丹县土地利用程度处于中等水平。

由图2看出，2000—2010年土地利用程度综合指数由246.89增加到250.44，增加了3.55，表明山丹县在这10年间，土地利用处在发展阶段。结合山丹县土地利用结构变化，分析同一时期土地利用变化方向，主要受山丹县建设用地和耕地面积增加的影响。2010—2018年土地利用程度综合指数减少了0.48，表明该阶段山丹县土地利用程度处于轻微滞后状态。研究期内山丹县土地利用程度综合指数变化量为3.07，土地利用程度总体向较好方向发展。

2.土地利用程度综合指数变化折线图

3.1.3 土地利用转移矩阵

2000—2010年间（表3），山丹县耕地面积总体增加，转入面积为176.5 km2，主要来源于林地和未利用土地，其中林地面积72.82 km2，未利用土地面积55.7 km2，占总转入面积的72.82%；林地总体面积减少，转出面积为83.74 km2，主要转化为耕地，占总转出面积的86.96%；草地和水域面积均呈现减少趋势，大部分都转化为耕地，转化耕地面积分别为32.15 km2、9.00 km2；建设用地面积总体呈现增长趋势，转入面积21.3 km2，主要来源于未利用土地；未利用土地面积减少，主要转化为耕地，转出面积76.15 km2，占2010年未利用土地总面积的19.86%。

表3 2000—2010年土地利用转移矩阵（单位：km2）

2010—2018年间（表4），山丹县耕地转入面积为221.21 km2，其中48.88%的转化量来源于林地，转化为其他土地利用类型的面积总和为229.94 km2，耕地面积总体减少8.73 km2，相较于前10年有了较大幅度的变化；林地面积总体减少，转出和转入的面积分别为244.08 km2、226.84 km2，净转化面积为17.24 km2；草地的转出面积为171.42 km2，其中71.37%转化为耕地和林地，而转入面积为174.35 km2，总体面积增加；水域总体面积增加，转入和转出面积分别为83.90 km2、66.73 km2；建设用地总体减少趋势不明显，转入面积63.94 km2，转出面积68.18 km2，净转化面积4.24 km2；未利用土地转入和转出面积分别为70.08 km2、59.97 km2，呈上升趋势。

表4 2010—2018年土地利用转移矩阵（单位：km2）

3.2 景观格局变化分析

3.2.1 破碎度分析

研究期内，山丹县斑块数量和斑块密度的变化趋势不明显（表5）。2000—2010年间，斑块数量和斑块密度都有增加的趋势，说明这个时期景观破碎化程度在逐渐升高。2010—2018年间，开始出现下降的趋势。这其中，未利用土地的斑块数量和斑块密度变化最为显著，在2000—2018年间的整个时期，呈现先增加后减少的趋势，斑块数从117个骤增到156个，增加了39，后面减少为111个（表6）。综合图表数据分析可知，2000—2018年间，山丹县内草地、林地、耕地和建设用地的破碎化程度变化不明显，水域和未利用土地的破碎化程度均变化显著，且水域景观类型的破碎化程度逐步加深。

表5 2000—2018年景观水平类型指数

表6 2000—2018年土地利用类型的景观格局指数

3.2.2 优势度分析

根据分析可知，在山丹县各个时期的土地景观类型中，耕地的优势度指数最高，即优势度最大。因地处河西走廊半干旱地区，山丹县的水域优势度指数相对较低，加之耕地斑块数量的大量占比，短期内山丹县水域优势度无法得到提升。综合数据分析，在2000—2010年间，山丹县城乡居民建设用地的最大斑块指数呈现增长趋势，说明随着城市化水平的提高，土地利用景观类型受人类活动的影响日益增大，其增长速度稳步上升。但在2000—2018整个时间段内，山丹县总体上各类型景观优势度变化较小。

3.2.3 分离度分析

未利用土地斑块类型分离度在2000—2010年间骤增，从627.1903到893.0841，增加265.8938，同时期草地斑块类型分离度由343.7284增加到453.1677，未利用土地和草地斑块类型分离度的增加，说明随着人们对土地的利用程度的提升，各类土地景观类型相互交错，分布更加分散，部分未利用土地转化为草地及其他土地景观类型。水域斑块类型分离度由2000年的20 332.7970增加到了2010年的20 950.4757，后10年又骤减到18 594.2611，说明居民对于水的利用程度不够，水资源逐渐减少，后期随着人们社会意识和环保意识的转变，并且政府出台了一系列相应的政策和措施，水域斑块类型分离度增加，水域面积增大，水资源储量回升。

3.2.4 多样性分析

2000—2018年间，山丹县景观形状指数总体呈现不断上升的趋势，由此说明，景观斑块形状趋于复杂化。同时，蔓延度指数呈现小幅的增减变化，说明在2000—2010年间，山丹县各个斑块类型延展趋势有所增加，斑块间的连通性提升；2010—2018年间，景观的破碎化程度增加，蔓延度指数不断减小，表征景观中不同斑块类型的团聚程度降低。香农多样性指数变化不大，说明山丹县的景观类型在组分构成的多样性上变化不明显，但均数值达到1.50以上，景观异质性较大，景观系统结构构成复杂程度较高。整体上，山丹县各个斑块类型变化多样性较丰富，呈现相互延展、相互转化的状态。

4 结论与讨论

本研究以山丹县为研究区，分别从土地利用程度和土地利用转移矩阵分析其土地利用特征，运用Fragstats4.2计算斑块级别指数和景观级别指数，对山丹县土地利用景观格局进行深入探讨。

研究期内，耕地和林地为山丹县主要地类，占比分别约为33.58%和26.04%；山丹县土地利用程度处于中等水平。2000—2010年土地利用程度综合指数增加量为3.55，表明山丹县在这10年间，土地利用处在发展阶段。2010—2018年土地利用程度综合指数减少了0.48，表明该阶段山丹县土地利用程度处于轻微滞后状态。研究期内山丹县总体土地利用程度综合指数变化量为3.07，土地利用程度总体向较好方向发展。

研究期内，山丹县三期耕地面积最大，草地斑块数量均是三年内最多，依次是林地，三者在景观土地类型格局中占据了主导地位；同时草地和林地的破碎化程度较高，未利用土地的破碎化程度最低；水域的景观变化受人为活动的影响最大，耕地受人为活动的干扰相对较小。整体景观破碎度增大，景观优势度下降。

山丹县域土地整体呈现半干旱状态，草地、林地面积蔓延程度缓慢，植被生长状况不佳。研究期内，整体水域破碎化程度相对较高，表明受人类活动影响较大，是造成破碎化程度加深的重要原因。

研究表明，山丹县近20年土地利用程度较低，变化较小，与和政县小南岔河区[26]研究结果类似，主要是由于西北地区土地利用程度较低，人为干扰程度较小。相比于西安市[27]变化较大的景观格局指数，山丹县景观格局指数变化幅度较小，存在耕地优势度过大、景观破碎化程度加剧等问题。针对山丹县目前存在的问题，提出优化建议：

（1）构建核心保育区。目前应该围绕山丹军马场和焉之山森林公园构建核心保护区域，加强优质林草资源的保护工作，建立禁区，减少人为干预。

（2）构建生态健康水系。从水资源的源头处理，对地下水和祁连山冰雪融水进行保护，监督工业废水的合理排放，减少农作物药品的使用以及水系沿途的合理灌溉。

（3）积极实施退耕还林政策。山丹县耕地面积过大，加速耕地向林地、灌草丛的转移。

（4）加强沙地环境治理工作。对研究区中北部地区的大量戈壁、沙地进行治理，采取植树造林、牵引水渠、改良土壤等措施，使生态环境恶劣地区环境质量得到改善。