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黄土丘陵沟壑区土地利用/覆被动态变化及景观格局分析：以宁夏南部的彭阳县为例

Jia HANG ¹ ，Yun SHI ^2* ，Dahan HE ^1，3 ，Sha GENG ²

1．农业学校，宁夏大学，银川 750021，中国; 2．资源与环境学院，宁夏大学，银川 750021，中国; 3.中国西北退化生态系统恢复与重建国家重点实验室，宁夏大学，银川 750021，中国

摘要：

退耕还林期间土地利用/覆被变化的定量评价及其对景观格局的影响对宁夏南部土地资源的可持续利用和生态环境重建具有重要意义。利用Landsat TM四个时段的多时相遥感数据，结合生态量分析方法和GIS技术，分析了宁夏省彭阳县土地利用/覆被变化及景观格局变化。研究结果表明：各土地利用类型的数量有不同程度的变化，林地面积增加，耕地和未利用地减少。景观格局变化特征，景观破碎化程度，斑块混合分布、多样性指数和均匀度指数逐渐升高然后下降，其斑块之间的连通性逐渐降低，然后升高，景观形状不规则。

关键词：土地利用/覆被变化（LUCC），GIS，景观格局变化，黄土高原丘陵沟壑区，彭阳县

土地利用/覆被变化（LUCC）是了解人类活动与环境关系的重要指标之一^［1］。虽然土地利用/覆被变化是自然因素和人为因素共同作用的结果，但人为因素造成的土地利用/覆被变化加剧，对全球生态系统产生了强烈的影响^［2］。在存在城市扩张、人口迁移、农业机械化、区域发展等社会经济发展问题的发展中国家，土地利用/覆盖变化广泛，尤其景观格局变化是盛行的^{［3 －5］}。土地利用/覆被变化监测是识别区域动态变化及其与人类活动关系的重要工具，但对景观属性的统计描述还不够详细，如景观构成和景观配置^［6］。因此，土地利用变化的景观特征指数在斑块、类型或景观层次上的定量描述中应运而生^［7］。近年来，国内外研究开始采用基于景观特征指数的土地利用/覆被变化数据来评价景观结构和格局^{［8 －11］}，但在退耕还林的背景下，对生态脆弱的黄土丘陵区研究较少。宁夏南部山区地处丘陵沟壑区，水土流失严重，生态环境极为脆弱^［12］。本文以彭阳县为研究区，探讨退耕还林背景下土地利用/覆被变化与景观格局变化的关系，为实现生态重建、生态、社会、经济可持续发展提供科学依据。

1 研究领域和方法概述

1.1研究区概况

彭阳县(106°32－106°58E，35°41－36°17N)位于宁夏南部，海拔1248－2483m，是半干旱大陆性季风气候，年平均气温7.5°C，年降雨量为442毫米，积温ge;10℃，平均无霜期148 d，年蒸发量为1330 mm。土壤是黄土，主要分布在丘陵坡地，肥力低，生产水平低。它是宁夏水土流失最严重的县之一，也是国家重点水土保持区。研究表明，退耕还林工程是控制宁夏南部山区水土流失和重建生态环境的重要途径^［13］ 。

1.2基本数据

本研究所使用的土地利用/覆盖数据主要来自彭阳县的TM / ETM数据(1991，2000，2005 and 2010)。空间分辨率是30times;30m，图像的相位是八月－十月。在Arc Map GIS环境下，遥感图像由近红外波长、近红外短波长和蓝色波长进行假彩色合成。根据全国土地利用分类体系，将研究区土地利用/覆盖类型划分为耕地、林地和草地、未利用地、水域和建设用地（Table 1）。

Table 1 The classification system of land use/cover type in Pengyang County

土地利用动态度（K）^［14］是用来描述研究区域的土地利用/覆盖面积变化，表达式如下：

K=(U _b －U _a)/U _a*1/T*100% (1)

其中K是土地利用动态程度，U _a和U _b是土地利用类型的区域(hm ² )，分别是研究初期和后期，t是研究区间。

当T设置为年，K是在研究期间的土地利用类型的年变化率。

1.3景观格局分析

利用景观特征指数对景观结构特征随时间的变化进行定量描述和监测，将复杂景观划分为简单可辨的景观格局^［15］。根据本研究的目的，在斑块类型的景观格局分析中，我们只选择了以下8个指标：景观百分比（PLAND）；斑块数（NP）；斑块密度（PD）；景观形状指数（LSI）；最大斑块指数（LPI）；平均斑块大小（MPS）；面积加权平均斑块分维数（AWMPFD）；散布并列指数（IJI）。在景观格局分析中，从数量特征、形态特征、结构特征等方面选取了8个指标对彭阳市景观格局特征和变化特征进行了表征：斑块数（NP）；平均斑块大小（MPS）；最大斑块指数（LPI）；散布并列指数（IJI）；面积加权平均形状指数(SHAPE － AM)；蔓延度指数(CONT)；Shannon多样性指数(SHDI)；Shannon均匀度指数(SHEI)。以上数据是使用 ArcView 3.2、ArcGIS 10.0、Excel 2003和 Fragstat 3.3分析的。

2结果与分析

2.1彭阳县土地利用/覆被变化

图1显示研究区土地利用/覆被变化的空间格局在1991、2000、2005和2010年。如图1所示，从1991年到2000年彭阳县土地利用类型变化不大，且主要是耕地和未利用地。自2000年实施退耕还林工程以来，林地和草地面积大幅增加，耕地和未利用地明显减少。土地利用类型以林地和草地为主。表2显示彭阳县1991～2010年主要土地利用类型面积的变化情况。1991年，彭阳县土地利用类型耕地（54.79%），未利用地（29.79%），林地和草地(14．87%)，水面积(0.44%)，建设用地 (0.12%)。2010年，彭阳县土地利用类型主要转移到林地和草地（62.97%），其次是耕地（30.46%）和未利用地 ( 5.85%)，水域面积（占0.47%）和建设用地的比例最低。

Table 2 The area of land use/cover type in Pengyang County from 1991 to 2010

从1991年到2000年，林地和草地面积增加了16198.78 hm ²,平均每年增长1799.86 hm ²。从2000年到2010年，林地、草地、水域和建设用地呈上升趋势，其中林地和草地生长速率最高(66%)，平均增长10533.23 hm²,其次是建设用地 (40%),年均增长 27.46 hm ²,水域面积先下降后上升,未利用地和耕地呈减少趋势,分别减少78% 和41%，平均每年减少5295.13 hm²和5280.56 hm ²。基于表2,我们计算了彭阳县土地利用转移矩阵 (Table3)。从1991年到2000年，彭阳县耕地和未利用地的减少伴随着林地和草地的增加。土地利用转移矩阵表明12261.3hm ²的耕地和4945.72hm ²的闲置土地转化为林地和草地，水域和建设用地未发生明显变化。从2000年到2005年，研究区土地利用/覆被格局有较大变化。林地和草地的面积明显增加，达到 142728.31 hm ² (56.45%)，在研究区土地利用类型中占大部分，耕地和未利用地面积分别减少了50839.11hm ²和38241.98hm ² 各自占土地面积的31.25%和11.71%,水域面积减少了38.97 hm ²，而建设用地面积增加了91.63 hm ²。2005年到2010年土地利用/覆被格局的变化与200-年到2005年的变化相似。

2.2景观格局变化

2.2.1基于斑块类型的景观格局分析

(i)数量特征 从1991年到2000年，耕地和未利用地是该区主要的土地利用类型，且景观比例（PLAND）呈略微下降趋势，分别下降到51.34%和26.82%；林地和草地略有增加，水域和建设用地占不到1%；景观类型最多的斑块（NP）和斑块密度（PD）是林地和草地，其次是未利用的土地和耕地，水域和建设用地的NP和PD最小；耕地有最高的最大斑块指数（LPI）和斑块平均面积（MPS），其次是未利用地和林地和草地，建设用地和水域面积的LPI和MPS最低。从2000年到2010年，林地和草地面积迅速增加，景观比例由21.28%提高到62.97%；耕地和未利用地的比例分别下降到30.46%和5.85%；水域面积和建设用地比例仍然很小；斑块面积和斑块密度最大的景观类型是耕地；林地和草地有最高的LPI和MPS，其次是耕地和未利用地，建设用地和水域面积的LPI和MPS仍然最低。

(ii)形态特征 从1991年到2000年，耕地、林地、草地景观形态指数（LSI）下降，水域、未利用地和建设用地景观形态指数（LSI）增加；耕地和未利用土地的面积加权平均斑块分维数（AWMPFD）减少，而林地、草地和水域的面积加权平均斑块分维数（AWMPFD）增加，说明耕地和未利用地主要以复杂斑块为主，林地、草地和未利用地以简单斑块为主。从2000年到2010年，耕地和建设用地的大规模集成度先增加后减少；林地、草地、未利用地和水域的大规模集成度呈下降趋势，总体景观类型趋于简单；耕地、未利用地和水域的分维数呈下降趋势；林地、

Fig．1 The spatial distribution of land use/cover change in Pengyang County from 1991 to 2010

Table 3 The transfer matrix of land use/cover type in Pengyang County from 1991 to 2010

Note: 1 is arable land; 2 is water area; 3 is woodland and grassland; 4 is unused land; 5 is construction land．

草地、建设用地的分维数呈上升趋势；耕地、未利用地和水域以简单斑块为主，林地、草地和建设用地以复杂斑块为主。

(iii)结构特点 从1991年到2000年，耕地、水域和未利用地的散布并列指数（IJI）呈增加趋势，林地、草地和建设用地的散布并列指数（IJI）呈下降趋势。就IJI而言，土地利用类型按降序排列：水域gt;耕地gt;建设用地gt;林地和草地gt;未利用土地。结果表明：水域和耕地高度集中，未利用地相对分散。从2000年到2010年，耕地、水域、林地和草地的IJI呈下降趋势，而未利用土地和建设用地的IJI是先升高而后降低。就IJI而言，土地利用类型按降序排列：建设用地＞水域＞闲置土地＞林地和草地＞耕地。表明耕地易受人类活动影响分布分散，建设用地和水域高度集中。

Table 4 The change in the landscape characteristic index at the level of patch type in Pengyang County

2.2.2基于景观层次的格局分析

为了了解更多关于在景观水平的景观格局，我们选择了8个景观指数 (NP，MPS，LPI，IJI，SHAPE－AM，CONT，SHDI和SHEI)进行描述，结果如图2所示。从1991年到2000年，彭阳县的斑块景观数量（NP），散布并列指数（IJI），景观多样性指数 ( SHDI)和景观均匀度指数（SHEI）在最初的增加之后呈下降趋势；斑块平均面积（MPS），最大斑块指数（LPI）、面积加权平均形状指数 (SHAPE － AM)和蔓延度指数 (CONT)先下降后增加，结果表明，在1991～2000年之间，彭阳县斑块破碎化程度和混合分布明显增强，斑块形状趋于简单，各类型景观面积分布趋于均匀。从2000年到2010年，该区景观破碎化程度减弱，斑块混合分布程度降低，斑块连通性增强；只有一个或几个斑块类型主导景观，各类型景观面积分布趋于不均匀。

这些结果证实，随着人类活动的增加，自然景观有显著变化，多样性指数呈下降趋势，优势度指数呈上升趋势。

2.3土地利用/覆被驱动力与景观格局变化分析

(i)从1991年到2000年，国家和自治区政府出台了一系列优惠政策，不仅允许而且鼓励个人和集体开荒^［16］。不合理的开垦和过度放牧造成水土流失^{［17 －18］}，直接增加了耕地面积和未利用地面积，但林地和草地面积减少。

自从退耕还林工程实施以来，耕地面积和未利用面积呈小幅下降趋势，林地和草地面积有所增加。这一时期的水体面积保持稳定，主要是因为洪河、汝河、安家川河流经彭阳县是在一个相对稳定的时期。

(ii)2000－2005年是改变土地利用与景观格局的一个关键时期。退耕还林还草工程的实施，使坡地和未利用地面积明显下降，林地和草地面积大幅增加。经过多年的实践和探索，彭阳县

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