青海省民和县土地利用景观生态格局动态分析

冶晓铮，张金旭，候智国

（1青海省水利水电科学研究院有限公司，西宁 810001；2青海省水资源高效利用工程技术研究中心，西宁 810001；3青海省流域水循环与生态重点实验室，西宁 810001）

0 引言

景观生态学是一门相对年轻且应用普遍的生态学分支学科，是传统生态学研究向宏观与空间方向发展的自然延伸。景观生态学中景观的异质性与生态过程的相互作用是目前研究的主要问题之一[1]。运用3S技术，在获取大量数据的基础上，分析景观格局变化是目前主要的研究手段之一[2]。通过对区域景观空间分布格局的研究，可以揭示研究区的生态情况和空间格局特征。为从广义和狭义2个不同角度得出研究区的生态环境情况，可采用数理统计方法对景观格局的特征指数进行分析[3]。

国外最初提出“景观生态学”一词的是德国著名区域地理学家特罗尔，距今已有80 余年，这标志着景观生态学的诞生[4-5]。在研究东非土地利用问题时，Troll把航空照片镶嵌图形的分析系统和地面调查结合起来，从而提出了“景观生态学”一词[6]。在《土地镶嵌－景观与区域的生态学》一书中基于斑块—廊道—基质模型，从景观尺度讨论了创造可持续环境等具有前沿性的问题[7]。Parker 等[8]利用基于主体的土地利用模型，分析得出边缘效应外部性和距离相关空间外部性对土地利用模式的影响。Fahrig 等[9]分析成分异质性和结构异质性，在农业景观生物多样性方面有了突破。Okanga 等[10]使用国家土地覆盖数据集的六级简化来量化景观格局，在景观异质性对生物群落的影响方面取得了进展。

自20世纪80年代以来，中国在景观生态学方面的研究才逐步发展起来。1981 年自然地理学家黄锡畴首次阐明景观生态学这一概念[11]。1990年肖笃宁等[12]以航片为基础，通过转移矩阵、优势度指数、多样性指数对沈阳西郊景观格局变化进行了研究，为此后景观格局研究奠定了基础。近年来景观格局变化与气候、生态等相结合[13-14]的研究越来越多。如冯佳等[15]通过转移矩阵和景观指数的计算，分析若尔盖保护区若干年景观格局的动态变化，对促进湿地资源科学保护和利用、规划和管理有重要参考意义。张秦英等[16]分析铁道建设前后10 年沿线土地利用变化和景观格局特征，揭示铁道工程对沿线景观格局的干扰尺度以及干扰范围内的景观生态影响，为解决黄土高原交通基础建设提供科学参考。方仁建等[17]利用GIS和景观指数计算方法对盐城海滨地区景观格局进行分析，围垦对景观格局产生的具体影响问题得到初步解决，并为今后该地区或其他类似地区海岸带管理和资源开发提供指导。陈刚等[18]利用累计耗费距离模型和流域水文分析等方法，进行城市水生态韧性空间构建的实践研究，构建生态水网。刘学录[19]基于近年来国内景观尺度效应研究的相关报道，回顾了景观尺度效应研究的进展，展望了今后深入研究景观尺度效应的方向。

民和县作为青藏高原向黄土高原的过渡地带，近些年经济的快速发展以及人口增长使得生态环境问题日益显著，但是有关民和县景观格局动态变化及驱动力分析的研究相对较少。为后续解决社会经济和生态环境以及景观格局的优化等一系列问题，对该区域进行景观生态格局研究，以期为民和县的经济发展和生态环境保护提供参考。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

民和县位于青海省东部，地处甘青两省交界，同时地处黄土高原和青藏高原的过渡地带，被称为“青海门户”。全县南北长65 km，东西窄约为40 km，总面积1890.82 km2，占全省面积的0.26%，辖8镇14乡312村，聚居着汉、回、土、藏等20个民族[20]。县内有大小河流24条，黄河自南部官亭、中川流经，形成了著名的湟水谷地，黄河支流湟水河自县境北部流经，形成了著名的湟水谷地（图1）。

1.2 数据来源及数据预处理

本研究区主要采用2000、2010、2020 年30 m 全球地表覆盖数据GlobeLand30，利用ArcGIS 10.2 软件对数据进行裁剪、分类，参照GlobeLand30 分类标准，结合研究区自然条件以及数据的可获取性，将研究区进行土地利用类型分类，分为耕地、森林、灌木、草地、湿地、水体、人造地表7类，总体精度达85.72%。

1.3 土地利用转移矩阵

土地利用类型转移，是指在对土地资源进行利用的过程中，土地利用结果发生改变，将一种土地用途转移或合并为其他土地用途，从而通过土地利用类型之间的变化来分析得出某区域土地利用类型变化情况[21]。土地利用类型的增加和减少指土地利用类型已经不是原来的类型，土地利用类型发生了改变，土地类型的增加就是生长，减少就是消亡，这是研究时空演变的重要形式[22]。

通过矩阵转移一方面可以了解研究区内不同土地利用类型之间的转化情况，另一方面可以得出不同土地利用类型之间的流转速度，其次是利用土地利用的结构、特征以及变化情况。采用该方法用于分析民和县景观类型的空间变化过程。转移矩阵如式(1)。

式中，Pij为景观类型面积由i转化为j的面积[23]。

1.4 景观指数选取

景观格局描述了景观空间结构的特征和不同尺度的各种干扰下生态过程的结果。本研究利用Fragstats4 景观分析软件对研究区的斑块指数和景观水平2个方面进行分析，选取斑块类型面积(CA)、斑块面积比例(PLAND)、斑块数(NP)、斑块密度(PD)、景观形状指数(LSI)、平均斑块面积(AREA_MN)、景观丰富度(PR)、香农多样性(SHDI)、香农均匀度(SHEI)等指标进行分析。所选指标的生态意义见表1。

表1 各景观指数生态意义

1.5 土地利用程度

土地利用程度综合指数模型是一个呈连续性分布的综合指数，其大小反映了研究区的土地利用程度[24]。计算如式(2)。

式中，L表示土地利用程度综合指数，Pi表示第i级的土地利用程度分级指数，Ai表示第i级的土地利用类型面积百分比，n为土地利用程度分级数[25]。

2 结果与分析

2.1 景观类型面积变化特征及相互转化关系分析

图2是青海省民和县20年间土地利用类型的变化情况。由表2 可知，2000—2020 年研究区耕地和草地面积占比最多，整体呈下降趋势，耕地面积从54%下降到52%，草地面积从33%下降到31%。其中耕地、草地和灌木地面积逐渐减少，草地面积先增加后减少，人造地表先减少后增加。

表2 各景观类型面积变化量

图2 青海省民和县2000—2020年3期土地利用类型图

民和县耕地、草地、湿地面积呈先增加后减少的趋势，森林、人造地表面积呈先减少后增加的趋势，灌木地呈减少趋势，水体面积呈增加趋势。耕地面积减少最多，从104180.6 hm2减少至99824.7 hm2，20年间共减少了4355.9 hm2，主要原因是人口的快速增长和城市用地、工业用地的逐步增加使人造地表面积逐渐增加，耕地面积日渐缩减。景观类型面积增加的有森林、湿地、水体、人造地表，其中面积增加最多的是人造地表，共增加了4476.9 hm2，面积变化较小的是湿地，增加了17.6 hm2，这也体现出民和县响应国家号召，加大了环境保护力度。总体而言，民和县生态环境朝着良好的方向发展。

通过对民和县2000、2010、2020年3期土地利用类型图进行土地利用转移叠加，得到民和县面积转移矩阵（表3）。2000—2020 年发生转移的总面积为14545.1 hm2，其中转出面积最多的景观类型是耕地，转出面积为6722.73 hm2，占总转出面积的46.22%，而这其中，耕地主要转移为人造地表类型，转移面积为4435.92 hm2；其次是草地，转移面积为6080.94 hm2，占总转出面积的41.81%，主要转移为了森林；人造地表共转出面积97.11 hm2，占总转出面积的0.67%，主要转移为了耕地；转出面积最小的景观类型是湿地，共转出面积11.88 hm2，占总转出面积的0.08%，主要转移为了水体，向水体转移面积为6.21 hm2。

表3 2000—2020年景观类型面积转移矩阵

转入面积最多的是森林、人造地表，转入面积为4591.8、4573.98 hm2，分别占转入总面积的31.57%和31.45%，森林主要转移为了草地，向草地转入面积为3677.49 hm2，转移为草地的面积占总转入面积的80.09%；人造地表主要转移为了耕地，向耕地转入面积为4435.92 hm2，转移为耕地的面积占转入总面积的96.98%。转入面积最少的是灌木地和湿地，其中灌木地转入面积为0；湿地转入面积为29.52 hm2，占总转入面积的0.20%，主要转移为了耕地，转入面积为23.58 hm2，转移为耕地的面积占转入总面积的79.88%。

2.2 景观类型水平变化特征分析

由表4 可知，2000 年民和县各景观类型面积从大到小依次为耕地、草地、森林、人造地表、水体、灌木地、湿地；斑块数量从多到少依次为草地、灌木地、耕地、森林、水体、人造地表、湿地；斑块密度大小依次为草地、灌木地、耕地、森林、水体、人造地表、湿地；平均斑块面积从大到小依次为耕地、森林、草地、人造地表、水体、湿地、灌木地。可以看出，耕地和草地所占比例最大，分别占总面积的54.995%和33.12%，并且耕地和草地的斑块密度较高，表明耕地和草地的破碎化程度较大。

表4 2000—2020年民和县景观类型水平指数

2010 年民和县各景观类型面积从大到小依次为耕地、草地、森林、人造地表、水体、灌木地、湿地；斑块数量从多到少依次为草地、灌木地、耕地、森林、水体、人造地表、湿地；斑块密度从大到小依次为草地、灌木地、耕地、森林、人造地表、水体、湿地；平均斑块面积从大到小依次为耕地、森林、草地、人造地表、水体、湿地、灌木地。可以看出，2010 年耕地所占面积比例最大，占总面积的55.06%；湿地所占面积比例最小，占总面积的0.03%。草地和灌木地的斑块数量最多，湿地斑块数量最少，表明2010年草地和耕地的破碎化程度较大，湿地破碎化程度较小。

2020 年民和县各景观类型面积从大到小依次为耕地、草地、森林、人造地表、水体、灌木地、湿地；斑块数量从多到少依次为草地、灌木地、耕地、人造地表、森林、水体、湿地；斑块密度从大到小依次为草地、灌木地、耕地、人造地表、森林、水体、湿地；平均斑块面积从大到小依次为耕地、森林、人造地表、水体、草地、湿地、灌木地。可以看出，2020 年耕地占比面积最多，占总面积的52.70%。其中草地斑块数量最多，湿地斑块数量最少，说明2020 年草地的破碎化程度较大，湿地破碎化程度较小。

2000—2020 年灌木地和人造地表斑块数量变化较大，其中灌木地整体呈下降趋势，人造地表整体呈上升趋势。灌木地和草地斑块密度变化较大，其中草地斑块密度整体呈上升趋势，表明草地的破碎化程度较高，湿地和水体的斑块密度变化不大。森林和人造地表的景观形状指数整体呈上升趋势，说明民和县景观斑块形状不规则，边界扩散幅度加大。灌木地和水体的景观形状指数整体呈下降趋势，表明民和县景观要素的形状趋于简单，景观优势度降低。森林和人造地表整体呈上升趋势，表明在人类活动的影响下破碎化程度加深，耕地和草地整体呈下降趋势，灌木地变化不大。

2.3 景观级别水平变化特征分析

从表5 看出，2000—2020 年斑块数和斑块密度整体趋于上涨，表明研究区总体的破碎化程度增加。如图3所示，LPI和LSI的变化情况中最大斑块指数趋于下降，表明在人类活动的影响下景观优势度降低。景观形状指数呈现先上升后下降的趋势，可能是由于人类活动的影响景观形状趋于不规则，到2020年开始呈现下降趋势，表明景观形状开始趋于集中，景观优势度趋于降低。蔓延度一直持续降低，到2020年降低速度最快，表明该研究区景观是具有多种要素的密集格局，景观的破碎化程度较高。

表5 2000—2020年民和县景观级别水平指标

图3 2000—2020年民和县LPI、LSI变化情况

如图4 所示，2000—2020 年民和县香农多样性指数总体呈小幅上升趋势，在2020 年上升较为明显，表明2020 年民和县土地利用较为丰富，破碎化程度较高。香农均匀度指数先下降后上升，总体上变化幅度不大，表明研究区内各景观斑块类型分布趋于均匀，景观的优势度逐渐降低，多样性提高。

图4 2000—2020年民和县SHDI、SHEI变化情况

2.4 土地利用程度分析

土地利用程度综合指数通过衡量人类活动对土地系统的影响程度来衡量土地利用水平，定量描述该地区土地利用变化的综合水平和趋势，是衡量指定区域内土地利用情况的重要指标[26]。由研究区土地利用程度指数（表6）可以看出，2000—2020 年研究区土地利用程度指数整体呈上升趋势，在2010 年有稍微下降。从3期土地利用程度图（图5）可以看出民和县20年间土地利用总体变化情况，表明通过合理利用土地资源和在有效的治理下，研究区的土地利用情况逐渐良好，土地利用的多样性不断增强，景观功能性也不断改善。

表6 2000—2020年土地利用程度指数

图5 民和县2000—2020年3期土地利用程度图

3 结论

（1）从研究区景观类型面积变化特征及相互转化关系分析来看，2000—2020 年人造地表面积增加最多，增加了4476.9 hm2；耕地面积减少最多，减少了4355.9 hm2，耕地主要转化为了人造地表；面积变化最慢的是湿地，增加了17.6 hm2。

（2）从研究区景观指数变化特征分析来看，在20年来草地和耕地的破碎化程度最高，湿地的破碎化程度较小；斑块数和斑块密度整体呈上升趋势，最大斑块指数呈下降趋势，景观形状指数先增加后减少，蔓延度降低，香农多样性总体呈小幅上升趋势，香农均匀度先下降后上升。表明民和县土地利用较为丰富，破碎化程度较高，在整体景观水平上，该区域各景观斑块类型分布趋于均匀，景观的优势度逐渐下降。

（3）从研究区的土地利用程度分析来看，土地利用程度指数由188上升至196，说明在合理的治理和可持续发展的共同作用下，土地得到了有效的利用。

（4）研究区景观格局变化是自然因素和人为因素协同作用的结果。在自然因素上，民和县年平均气温为8.6℃，年降水量500 mm，雨季集中，水土流失严重，过度开垦等导致生态环境脆弱。在人为因素上，人口增长因素是土地利用/土地覆被变化的主要原因之一，人类活动对研究区的景观类型和生态环境起着至关重要的影响。

4 讨论

（1）研究区遥感影像景观类型一般利用ENVI、ArcGIS等软件进行监督分类等方法提取，但由于遥感影像会受到气温、降水等影响以及由于选取的3 期遥感影像不在同一时间段内，因此它的分类结果会受到一定程度的干扰，在解译和分析研究区景观类型变化的时候会存在一些误差，为了避免遥感影像上各种特征信息和不同地物间的差异性，笔者在制图过程中使用全球地表覆盖数据GlobeLand30多种科学的分类方法，对影像中出现的较为粗略的部分手工校对，使得景观分类结果更加准确。

（2）在研究区选择上，首次选择湟水谷地、黄土高原和青藏高原的过渡地带民和县作为研究对象，可以更好地与黄土高原景观类型变化有明显的分析对比，对于研究两地域景观类型变化有一定的积极作用。

（3）在景观格局变化的驱动因素上，除了本研究分析到的因素，影响研究区景观格局变化的因素还有退耕还林、土壤质地变化、水土流失、自然灾害、政策、经济等，这也是今后需要研究和探索的重点。