鄔燕廷李強(qiáng)峰劉寶堯

(1.青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院，青海 西寧 810016；2.西寧市林業(yè)科學(xué)研究所，青海 西寧 810003)

土地利用/覆被變化(Land use and cover change，LUCC)是地球表層科學(xué)研究的重要內(nèi)容，是目前全球變化的主要原因之一[1]。土地利用是指人類有目的地開發(fā)利用土地資源的一切活動(dòng)；而土地覆被則是指地表自然形成的或者人為引起的覆蓋狀況[2]。LUCC研究的主要目的是揭示土地變化的相關(guān)過程和運(yùn)行機(jī)制[3]。隨著景觀生態(tài)學(xué)的發(fā)展，景觀生態(tài)學(xué)分析方法是當(dāng)前土地利用變化研究的一個(gè)重要手段[4]，在LUCC研究中利用景觀指數(shù)和景觀格局動(dòng)態(tài)演變模型可以定量描述不同土地利用類型在空間和數(shù)量上的結(jié)構(gòu)變化[5]。景觀生態(tài)學(xué)在較大的空間和時(shí)間尺度上注重土地利用景觀格局變化與生態(tài)過程之間的聯(lián)系，對(duì)于了解土地利用/覆被變化具有重要意義[6]。

西寧市作為西部發(fā)展的重要城市，近30年來其經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市建設(shè)取得了顯著進(jìn)步，但西寧市土地利用方式依然廣泛存在著犧牲長(zhǎng)期的生態(tài)效益而獲取短期經(jīng)濟(jì)效益的情況[3，7，8]，西寧市土地利用變化及景觀格局演變的研究有助于了解經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展背景下西寧市土地利用空間格局的變化及規(guī)律，對(duì)于指導(dǎo)西寧市城鄉(xiāng)規(guī)劃、土地資源可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)等方面有著重要的意義。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

西寧市位于青海省東北部，是青海省省會(huì)、青藏高原第一大城市。截至2019年12月，西寧市下轄城東區(qū)、城中區(qū)、城西區(qū)、城北區(qū)(統(tǒng)稱為主城區(qū)/市區(qū))、湟中區(qū)共5個(gè)區(qū)，湟源縣、大通回族土族自治縣共2個(gè)縣，總面積7660km2[9]。西寧市地處湟水及3條支流的交匯處。呈東西向條帶狀，地勢(shì)西南高、東北低。四周群山懷抱，南有南山、北有北山。地理坐標(biāo)E100°52′～101°54′，N36°13′～37°28′，海拔2261～4898m。西寧市屬半干旱高原大陸性氣候，其突出特點(diǎn)是干旱少雨，蒸發(fā)量大，年降水量少而集中，日照時(shí)間長(zhǎng)，春季干旱多風(fēng)，夏季溫和短暫，冬季寒冷持久。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文所用到的數(shù)據(jù)包括地球大數(shù)據(jù)科學(xué)工程數(shù)據(jù)共享服務(wù)系統(tǒng)(http：//data.casearth.cn/)獲取的中國科學(xué)院航天信息創(chuàng)新研究院的“全球30m地表覆蓋精細(xì)分類產(chǎn)品”[10-14]；資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(http：//www.resdc.cn/)下載的西寧市行政區(qū)劃及邊界數(shù)據(jù)；Google Earth上下載的研究區(qū)衛(wèi)星影像。

圖1 研究區(qū)地理位置示意圖

1.3 研究方法

在現(xiàn)有地表覆蓋數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，依據(jù)GB/T 21010-2017《土地利用現(xiàn)狀分類》[15]和《中華人民共和國土地管理法》“三大類”及相關(guān)文獻(xiàn)資料將西寧市土地利用/城市景觀劃分為以下6類：耕地、林地、草地、建設(shè)用地、水域、其他土地；運(yùn)用GIS分析方法分析研究區(qū)土地利用類型變化情況；利用景觀指數(shù)法進(jìn)行研究區(qū)景觀格局演變分析。

表1 土地利用/城市景觀類型表

1.3.1 土地利用類型變化分析——轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可以定量描述各種地類的相互變化情況，體現(xiàn)為任意區(qū)域范圍內(nèi)某一時(shí)段各土地利用類型數(shù)量間相互轉(zhuǎn)移的動(dòng)態(tài)模型，因此大多數(shù)土地利用變化研究均采用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析[5，16]。主要計(jì)算公式：

式中，S表示面積；i，j(i，j=1，2，3，…，n)分別表示研究初期和研究末期的土地利用類型；n表示土地利用類型數(shù)。

1.3.2 景觀格局分析——景觀指數(shù)法

景觀格局是景觀中斑塊、廊道和基質(zhì)的空間組合，景觀格局指數(shù)是分析景觀格局的重要手段，可從斑塊水平、斑塊類型水平、景觀水平等3個(gè)水平來定義[6，17]。本文選取了斑塊類型水平上的7個(gè)指標(biāo)：最大斑塊指數(shù)(LPI)、斑塊數(shù)量(NP)、斑塊密度(PD)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、周長(zhǎng)面積分維數(shù)(PAFRAC)、斑塊凝聚度(COHESION)、聚合度(AI)；景觀水平上的5個(gè)指標(biāo)：景觀尺度斑塊密度(PD)、周長(zhǎng)面積分維數(shù)(PAFRAC)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)、Shannon多樣性指數(shù)(SHDI)、景觀凝聚度(COHESION)作為景觀格局分析指數(shù)。在Fragstats 4.2軟件中計(jì)算景觀指數(shù)。各指數(shù)的公式及詳細(xì)說明可參考Fragstats 4.2軟件的幫助文件。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用類型變化及轉(zhuǎn)移矩陣

從1990年、2000年、2010年及2020年西寧市土地利用變化分類圖可以看出，西寧市主要土地利用類型為草地、耕地、林地和建設(shè)用地，占西寧市近99%的面積；6類景觀中草地面積占比最大，其次是耕地、林地、建設(shè)用地、水域和其他土地。

由表2可知，西寧市1990—2020年耕地、林地總量增加，其中耕地呈先增后減的趨勢(shì)，草地總量減少，三者均在1990—2000年大幅變化。建設(shè)用地面積逐年增加，水域和其他土地類型面積有少量增加。各行政區(qū)土地利用類型面積占比情況：大通縣、湟源縣和湟中區(qū)均為草地>耕地>林地>建設(shè)用地>水域和其他土地；主城區(qū)除1990年為草地>耕地，其他時(shí)期均為耕地>草地>建設(shè)用地>林地>水域和其他土地。各行政區(qū)土地利用類型面積變化情況與西寧市整體變化情況基本一致，值得注意的是，主城區(qū)耕地先增后減的變化趨勢(shì)比較明顯，建設(shè)用地的增量明顯高于其他兩縣一區(qū)，這與西寧市土地利用總體規(guī)劃[7]的城市發(fā)展路線及我國的耕地政策密切相關(guān)。

表2 1990—2020年西寧市及各行政區(qū)土地利用類型面積

為分析西寧市1990—2020年各類景觀類型之間的相互轉(zhuǎn)化情況，依據(jù)景觀類型動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣計(jì)算公式，在ArcGIS 10.5軟件中對(duì)1990年、2000年、2010年、2020年的4期土地利用分類圖進(jìn)行疊加分析處理，分別得到1990—2000年、2000—2010、2000—2020年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣分析結(jié)果，見表3。

表3 1990—2020年西寧市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

表4 西寧市斑塊類型尺度上景觀格局指數(shù)

表5 西寧市景觀尺度上景觀格局指數(shù)

1990—2000年，耕地、林地、建設(shè)用地、水域及其他土地類型面積均有增加，主要由草地轉(zhuǎn)出，其面積共減少了844.61km2。2000—2010年，耕地面積減少了31.83km2，草地面積減少了38.23km2，主要向建設(shè)用地轉(zhuǎn)出，建設(shè)用地面積增加了67.32km2。2010—2020年，耕地與草地面積繼續(xù)減少，主要轉(zhuǎn)出方向還是建設(shè)用地，增加了73.15km2。

整體上看，西寧市土地利用類型轉(zhuǎn)移變化情況可分為2個(gè)時(shí)期：1990—2000年草地主要轉(zhuǎn)出為耕地、林地、建設(shè)用地；2000—2020年耕地、草地向建設(shè)用地大量轉(zhuǎn)出。結(jié)合西寧市城市規(guī)劃[3，7]與林業(yè)發(fā)展[21，22]的進(jìn)程，分析原因可知，前期城市緩慢擴(kuò)展，重點(diǎn)恢復(fù)生態(tài)，而后期城市加速建設(shè)和發(fā)展，所以建設(shè)用地持續(xù)增加。

2.2 斑塊類型尺度上的指數(shù)分析

分析斑塊類型尺度上選取的7個(gè)景觀指標(biāo)，得到如下結(jié)果。

最大斑塊指數(shù)(LPI)可對(duì)景觀優(yōu)勢(shì)度進(jìn)行度量[18]，西寧市各景觀類型中耕地、草地的LPI值遠(yuǎn)高于其他景觀類型，且二者面積占比較高，表明耕地、草地在西寧市各景觀斑塊類型中占主導(dǎo)位置，對(duì)整體景觀的影響較高，其中草地減少幅度較大，說明其對(duì)整體景觀的影響在減少。通過衡量景觀破碎度和異質(zhì)化的基礎(chǔ)指標(biāo)斑塊數(shù)量(NP)和斑塊密度(PD)[19]可知，近30年西寧市草地、耕地的破碎化程度相對(duì)較高，耕地表現(xiàn)為減少趨勢(shì)，建設(shè)用地持續(xù)增加，林地、草地先增后減；景觀形狀指數(shù)(LSI)和周長(zhǎng)面積分維數(shù)(PAFRAC)能反映出在一定的觀測(cè)尺度上，景觀類型形狀的復(fù)雜程度和穩(wěn)定性[20]，由二者可知，林地景觀和建設(shè)用地形狀趨于復(fù)雜化，這與西寧市近30年發(fā)展城市建設(shè)及生態(tài)綠化的各項(xiàng)工程有關(guān)，也側(cè)面反映了一定的城市建設(shè)與綠化的成效[21，22]；耕地、草地景觀形狀趨向簡(jiǎn)單化，比較穩(wěn)定，契合西寧市在城市規(guī)劃中避免侵占耕地[7，8]，保護(hù)草地的政策意向，但生態(tài)恢復(fù)是一個(gè)長(zhǎng)期的過程，所以現(xiàn)有變化并不顯著。

從度量相關(guān)斑塊類型的自然連通度和聚集程度[3]的指標(biāo)斑塊凝聚度(COHESION)和聚合度(AI)分析可知，西寧市草地、耕地、林地、建設(shè)用地的斑塊凝聚度指數(shù)較高，都出現(xiàn)了很高的聚合度，表明這幾類景觀斑塊的自然連通度較高，在空間上呈現(xiàn)大塊狀集中分布的特點(diǎn)，水體和其他土地聚合度較低，主要是因?yàn)槠浞植枷鄬?duì)零散且面積少。草地、林地聚合度趨勢(shì)先減后增，耕地、建設(shè)用地在增加，表明林草景觀在城市開發(fā)利用的初期受到一定的蠶食，破碎程度加大，后期受到保護(hù)逐漸聚合，破碎度降低。

2.3 景觀尺度上的指數(shù)分析

分析景觀尺度上選取的5個(gè)景觀指標(biāo)，得到如下結(jié)果。

從斑塊密度(PD)可以看出，西寧市及各行政區(qū)PD變化趨勢(shì)均為先增后減，說明西寧市整體景觀格局受人類活動(dòng)的干擾在近20年有所改善。此外，主城區(qū)各年份PD值均最大，變化態(tài)勢(shì)最明顯，表示主城區(qū)斑塊破碎程度更高，各景觀類別離散分布，受人類活動(dòng)的擾動(dòng)程度最大，城市化水平最高。

從周長(zhǎng)面積分維數(shù)(PAFRAC)可以看出，除主城區(qū)外，各行政區(qū)周長(zhǎng)面積分維度指數(shù)偏低，表明各區(qū)縣景觀幾何形狀復(fù)雜度不高，人類活動(dòng)干擾相對(duì)較小，城市化水平略低。

從蔓延度指數(shù)(CONTAG)可以看出，主城區(qū)蔓延度明顯低于周圍區(qū)縣，說明主城區(qū)各類別斑塊連通性較差，破碎化程度高，城市化水平較高。周圍區(qū)縣蔓延度較高，破碎化程度較低，這與主城區(qū)、周圍區(qū)縣發(fā)展的先后順序以及周圍區(qū)縣草地、林地占比較大有關(guān)。

從香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)可以看出，總體上西寧市各行政區(qū)SHDI值逐年增加，說明各時(shí)段的景觀異質(zhì)性增加，西寧市土地利用景觀類型趨向于均衡化和多樣化的方向發(fā)展，景觀抗干擾能力和生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性都有了一定程度的提高。但湟源縣SHDI指數(shù)明顯低于其他區(qū)縣，表明湟源縣各景觀類別均衡性相對(duì)較低，原因是湟源縣耕地、草地比例較大，存在個(gè)別景觀類型主導(dǎo)整個(gè)區(qū)域景觀格局的現(xiàn)象，導(dǎo)致各類地物分布不均，城市建設(shè)較不完善。

從凝聚度指數(shù)(COHESION)可以看出，西寧市及各行政區(qū)的凝聚度指數(shù)值都在99以上，表明西寧市及各行政區(qū)的自然連通度很高，在空間上呈現(xiàn)大塊狀分布。但各區(qū)縣COHESION基本呈遞減趨勢(shì)，說明西寧市景觀斑塊的物理連接性一直在減少，反映景觀的整體性、集合性有減弱的趨勢(shì)。

3 討論與結(jié)論

研究結(jié)果顯示，在土地利用類型上，研究區(qū)主要土地利用類型為草地、耕地、林地和建設(shè)用地；西寧市整體及各行政區(qū)土地利用類型變化情況基本一致，30年間耕地、林地、建設(shè)用地總量增加，草地總量減少，水域和其他土地類型面積有少量增加。各景觀類型在1990—2000年變化較大，表現(xiàn)為草地向其他類型的轉(zhuǎn)出，耕地、林地、建設(shè)用地增加較多；2000—2020年建設(shè)用地持續(xù)增長(zhǎng)，主要由耕地、草地轉(zhuǎn)入。在斑塊類型水平上，西寧市耕地和草地在各景觀斑塊類型中占主導(dǎo)位置，主要景觀類型耕地、草地、林地、建設(shè)用地，在空間上分布較為集中；耕地和草地景觀形狀簡(jiǎn)單，當(dāng)前破碎化程度也在減少，趨于穩(wěn)定；林地景觀形狀復(fù)雜程度較高，破碎化程度在減少，但時(shí)空變化上并不顯著；建設(shè)用地景觀形狀趨向復(fù)雜化，且破碎化程度持續(xù)增加。在景觀水平上，西寧市土地利用景觀類型趨向于均衡化和多樣化的方向發(fā)展；各區(qū)縣的自然連通度較高，但景觀斑塊的物理連接性一直在減少；各區(qū)縣景觀的幾何形狀復(fù)雜度不高，前期受人類活動(dòng)干擾較大，但近20年有所改善，總體上受人類活動(dòng)的擾動(dòng)程度較低。西寧市景觀抗干擾能力和生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性較高，但城市化水平略低，西寧市各行政區(qū)城市化水平表現(xiàn)為主城區(qū)>湟中區(qū)>大通縣>湟源縣。

該結(jié)果同相關(guān)研究結(jié)果、成果數(shù)據(jù)[21-30]顯示，西寧市土地利用類型變化的大體情況為林地、建設(shè)用地的增加，耕地、草地的減少，且建設(shè)用地由其他類型持續(xù)轉(zhuǎn)入，增長(zhǎng)量顯著[28]。西寧市景觀格局在總體景觀連通度增加、破碎化程度降低、抗干擾能力提高、發(fā)展趨向多樣化和均衡化上達(dá)成共識(shí)，對(duì)于單一類別景觀斑塊的重要變化，即破碎化程度的分析中，基本認(rèn)同建設(shè)用地破碎化增強(qiáng)，而林地、草地、耕地破碎化減弱的結(jié)論，前者因?yàn)槌鞘胁粩鄶U(kuò)張發(fā)展加劇了破碎化現(xiàn)象，后者由于退耕還林、綠化造林等生態(tài)措施得見成效減弱了破碎化現(xiàn)象，但西寧市人工綠化造林現(xiàn)存的樹種單一、結(jié)構(gòu)不良、穩(wěn)定性差等問題[30]，如不加以改善和解決，生態(tài)景觀將面臨被割裂的風(fēng)險(xiǎn)。此外，西寧城市發(fā)展以主城區(qū)為中心，沿著河谷平原呈十字?jǐn)U張，東部、西部和北部是西寧市城市建設(shè)用地的主要擴(kuò)展方向[28，31]，由此可見西寧市各行政區(qū)城市化水平，主城區(qū)>湟中區(qū)>大通縣>湟源縣。