杭 佳，石 云，贺达汉，3，耿 莎

（1．宁夏大学 农学院，银川750021；2．宁夏大学 资源与环境学院，银川750021；3．宁夏大学 西北退化生态系统恢复与重建国家重点实验室培育基地，银川750021）

土地利用／覆盖变化（land use／cover change，LUCC）是了解人类活动和环境之间相互关系最重要的指标之一［1］。尽管土地利用／覆盖变化是自然和人为因素共同作用的结果，但是人为改变土地利用／覆盖变化已经愈演愈烈，强烈影响着全球生态系统［2］。在发展中国家尤为普遍，城市扩张、人口迁移、农业机械化和区域发展等社会经济发展问题引起的大范围的土地利用／覆盖变化导致了环境变化，尤其是景观格局的变化［3－5］。对土地利用／覆盖变化的监测是识别区域动态及与人类活动关系的重要工具，但是作为统计资料对景观属性的描述还不够详细，例如景观组成和景观配置［6］。由此，在斑块水平、类型水平或景观水平上定量描述土地利用变化的景观特征指数［7］应运而生。

近年来，国内外研究开始利用结合景观特征指数的土地利用／覆盖数据来评估景观结构和格局［8－11］，但以退耕还林工程为背景对黄土丘陵生态脆弱区进行的研究相对较少。宁南山区地处中国水土流失剧烈的黄土高原丘陵沟壑区，水土流失严重，生态环境极其脆弱［12］。本文选择该区域具有退耕还林代表性的彭阳县作为研究区域，探讨退耕还林背景下土地利用／覆盖动态与景观格局变化的相互关系，旨在为实现该区生态环境重建、生态环境与社会经济的可持续发展提供科学依据。

1 研究区概况和研究方法

1．1 研究区概况

彭阳县位于宁夏回族自治区南部，地处东经106°32′—106°58′、北纬35°41′—36°17′，海拔1 248～2 483m。该区属半干旱大陆性季风气候，年平均气温7．5℃，年降雨量442mm，≥10℃积温2 746℃，平均无霜期148d，年蒸发量1 330mm。土壤以黄绵土为主，主要分布在梁峁状丘陵坡地上，土壤肥力中下，生产水平低。地貌由梁峁、残垣、川地和沟壑组成，以梁峁状丘陵为主，是宁夏水土流失最严重的县域之一，也是全国重点水土保持区。有研究表明，退耕还林还草工程是治理宁南山区水土流失、重建生态环境的重要途径［13］。

1．2 基础资料

本研究所用土地利用／覆盖数据主要来源于彭阳县1991年、2000年、2005年和2010年TM／ETM数据，空间分辨率为30m×30m，影像时相为8—10月。在ArcMap GIS环境下，将遥感影像近红外波段、近红外短波段和蓝波段进行假彩色合成，通过人机交互目视解译先得出2000年土地利用类型图，再进行其他3期的土地利用动态解译，并结合2010年对土地利用类型数据准确性的实地考察验证，在ArcMap环境下进行编辑和修改，确定最后解译结果。参照全国土地利用分类系统，将研究区土地利用／覆盖类型分为耕地、林草地、未利用土地、水体和建设用地5类（表1）。

式中：K——土地利用动态度；Ua、Ub——研究初期及末期某一土地利用类型的面积（hm2）；T——研究时段，当T的时段设定为年时，K为研究时段内某一土地利用类型的年变化率。

表1 彭阳县土地利用／覆盖类型分类系统

1．3 景观格局分析

景观特征指数用来定量描述和监测景观结构特征随时间的变化，能将复杂景观分为简单且易识别的景观格局［15］。Fragstat 3．3可以计算超过40种景观特征指数，但许多指数是高度相关的。根据本研究的目的，在斑块类型水平上分析景观格局时仅选择景观类型百分比（PLAND）、斑块数量（NP）、斑块密度（PD）、景观形状指数（LSI）、最大斑块指数（LPI）、平均斑块面积（MPS）、面积加权平均斑块分维数（AWMPFD）、散布与并列指数（IJI）8个指数。

在景观水平上分析景观格局时，仅选择斑块数量（NP）、平均斑块面积（MPS）、最大斑块指数（LPI）、散布与并列指数（IJI）、面积加权平均形状指数（SHAPE－AM）、景观聚集度指数（CONT）、香农多样性指数（SHDI）和香农均匀度指数（SHEI）8个指数，分别从数量特征、形状特征和结构特征3个方面来表征彭阳县景观格局特征和变化［7］。

以上数据分析采用 ArcView 3．2，ArcGIS 10．0，Excel 2003和 Fragstat 3．3来计算。

2 结果与分析

2．1 彭阳县土地利用／覆盖类型变化

附图3—4显示了研究区1991年、2000年、2005年及2010年土地利用／覆盖变化的空间格局。从附图3—4中看出，1991—2000年彭阳县土地利用类型变化不大，以耕地和未利用土地为主。2000年退耕还林（草）工程实施以来，林草地大量增加的同时耕地和未利用土地显著减少，土地利用类型主体为林草地。

表2显示了1991—2010年间彭阳县主要土地利用类型的面积变化。1991年，彭阳县土地利用类型为耕地（54．79%），未利用土地（29．79%）和林草地（14．87）次之，水体（0．44%）和建设用地（0．12%）最小。2010年，彭阳县土地利用类型转变为以林草地（62．97%）为主，耕地（30．46%）和未利用土地（5．85%）次之，水体（0．47%）和建设用地（0．20%）最小。其中，1991—2000年，林草地面积增加了16 198．78hm2，增幅为30%，平均每年增加1 799．86hm2。而2000—2010年，林草地、水体和建设用地呈加速增长趋势，其中林草地增幅最大（66%），平均每年增加10 533．23 hm2，建设用地次之（40%），平均每年增加 27．46 hm2，水体呈先减少后增加趋势。未利用土地和耕地呈加速减少趋势，减幅分别为78%和41%，平均每年分别减少5 295．13hm2和5 280．56hm2。

表2 彭阳县1991－2010年各土地利用／覆盖类型面积及比例

根据表2计算得到彭阳县该期间的土地利用转移矩阵（表3）。分析表明，1991—2000年，彭阳县耕地和未利用土地面积的减少同时伴随着林草地面积的增加，土地利用转移矩阵显示12 261．30hm2的耕地和4 945．72hm2的未利用土地都转化成为林草地，水体和建设用地的面积没有发生显著变化。2000—2005年，研究区土地利用／覆盖格局发生了重大变化。林草地面积显著增加，达到142 728．31hm2（56．45%），占研究区土地利用类型的主体，而耕地和未利用土地面积分别减少了50 839．11hm2和38 241．98hm2，分 别 占 土 地 面 积 的 31．25% 和11．71%。水体面积减少了38．97hm2，建设用地面积增加了91．63hm2。2005—2010年的土地利用／覆盖格局变化同2000—2005年相似。

2．2 景观格局变化

2．2．1 基于斑块类型水平的景观格局分析 表4显示了研究区各土地利用类型在斑块类型水平上的景观格局变化。

（1）数量特征。1991—2000年，耕地和未利用土地为该区土地利用类型的主体，其景观类型百分比（PLAND）呈小幅降低趋势，分别降低至51．34%和26．82%，林草地小幅增加，水体和建设用地所占比例不足1%；斑块数量（NP）和斑块密度（PD）最大的景观类型是林草地，未利用土地和耕地次之，水体和建设用地最小；最大斑块指数（LPI）和平均斑块面积（MPS）最大的是耕地，其次为未利用土地和林草地，建设用地和水体最小。2000—2010年，林草地面积迅速增加，其景观类型百分比从21．28%增至62．97%，耕地和未利用土地比例分别降低至30．46%和5．85%，水体和建设用地比例仍然很小；斑块数量和斑块密度最大的景观类型是耕地；林草地的LPI和MPS最大，其次为耕地和未利用土地，建设用地和水体仍然最小。

（2）形状特征。1991—2000年，耕地和林草地的景观形状指数（LSI）降低，而水体、未利用土地和建设用地的LSI增大；耕地和未利用土地的面积加权平均斑块分维数（AWMPFD）减小，而林草地和水体的AWMPFD增大，说明耕地和未利用土地是以复杂斑块为主的景观，林草地和未利用土地则是以简单斑块为主的景观。2000—2010年，耕地和建设用地的LSI呈先增大后减小趋势，林草地、未利用土地和水体的LSI呈减小趋势，景观类型总体趋于简单；耕地、未利用土地和水体的AWMPFD呈减小趋势，林草地和建设用地呈增大趋势，耕地、未利用土地和水体是以简单斑块为主的景观，而林草地和建设用地是以复杂斑块为主的景观。

表4 彭阳县斑块类型水平上景观特征指数的变化

（3）结构特征。1991—2000年，耕地、水体和未利用土地的散布与并列指数（IJI）呈增大趋势，而林草地和建设用地的IJI指数呈减小趋势，IJI指数排序为水体＞耕地＞建设用地＞林草地＞未利用土地，说明水体和耕地的分布聚集度高，未利用土地的分布较为分散。2000—2010年间，耕地、水体和林草地的IJI指数呈减小趋势，而未利用土地和建设用地呈先增大后减小的趋势，IJI指数排序为建设用地＞水体＞未利用土地＞林草地＞耕地，说明耕地易受人类活动的影响，分布较为分散，建设用地和水体分布聚集度较高。

2．2．2 基于景观水平上的格局分析 为了在景观水平上进一步了解景观格局，选择了NP、MPS、LPI、IJI、SHAPE－AM、CONT、SHDI和SHEI 8种景观指数对其进行描述，结果见图1。1991—2010年的19a间，彭阳县景观斑块数量（NP）、散布与并列指数（IJI）、景观多样性指数（SHDI）和景观均匀度指数（SHEI）均呈先增大后减小趋势，平均斑块面积（MPS）、最大斑块指数（LPI）、面积加权平均形状指数（SHAPE－AM）和景观聚集度指数（CONT）呈先减小后增大趋势，说明1991—2000年，彭阳县景观破碎化程度增强，各类斑块混合分布的程度增强，斑块形状趋于简单，斑块间连通度减弱，景观中有多个斑块类型占据主导地位，景观面积在各类型间的分配趋于均匀。2000—2010年，该区景观破碎度减弱，各类斑块混合分布程度减弱，斑块连通性增强，景观中仅有一个或少数几个斑块类型占主导地位，景观面积在各类型间的分配不均匀（图1）。这些结果证实了随着人类活动的增加，自然景观明显改变，多样性指数呈下降趋势，而优势度指数呈增加趋势。

2．3 土地利用／覆盖及景观格局变化驱动力分析

彭阳县土地利用／覆盖及景观格局变化受多方面因素的影响，主要受社会经济因素的影响。

（1）1991—2000年间，国家及自治区地方政府推出一系列优惠政策，不仅允许而且鼓励个人和集体开荒［16］，表现为阶段性不合理垦殖和过度放牧，引起地表裸露和水土流失［17－18］，直接导致耕地和未利用土地面积增加林草地面积减少。自实施退耕还林（草）工程以来，表现为耕地和未利用土地面积小幅下降，而林草地面积有所增加。水体面积在这一期间保持稳定不变，主要是因为流经彭阳县的红河、茹河和安家川河此时间段内处于相对稳定期。

图1 彭阳县景观水平上景观特征指数的变化

（2）2000—2005年是彭阳县土地利用／覆盖及景观格局变化的关键时期，退耕还林（草）、封山禁牧和荒山造林工程的实施，使坡耕地和未利用土地面积明显减少，林草地面积骤增。为了进一步在全县开展生态恢复与重建工作，彭阳县经过多年实践与探索，利用拦截坝、“88542”整地技术和“鱼鳞坑”等水保措施［17］合理利用仅有的天然降水，使这一期间的水体面积增加。此外，彭阳县对南山流域、草庙流域等的综合治理也是土地利用／覆盖变化的另一因素，以南山流域为例，通过建立山顶耕地保障区、山腰林草培育区和山底居民开发区来改变土地利用模式，建设用地的变化主要体现在地方政府将山上零散农户统一移至山下，导致建设用地斑块数量减少，后续又增加。2005—2010年，土地利用／覆盖变及景观格局的变化相对稳定。

3 结 论

（1）1991—2010年，彭阳县土地利用／覆盖变化的总体趋势是林草地面积持续增加的同时耕地和未利用土地面积骤减。水保措施、小流域综合治理和拦截坝的修建是水体面积增加的主要原因。建筑用地面积的增加主要是由县域发展和农村产业发展所引起。从研究时段来看，2000—2005年这一中间研究阶段的变化速率较前后期更快，是彭阳县土地利用／覆盖变化的主导时期。

（2）景观格局在各个研究时段也发生了较大的变化。数量特征变化表明，该区景观破碎化程度在1991—2000年增强，在2000—2010年减弱；形状特征变化表明，景观形状呈现规则到不规则的变化；结构特征变化表明，1991—2000年间景观中各类斑块混合分布的程度增大，斑块连通性减弱，景观中有多个斑块类型占主导地位，景观面积在各类型间趋于均匀；2000—2010年，各类斑块混合分布程度减弱，斑块连通性增强，景观中仅有一个或少数几个斑块类型占主导地位，景观面积在各类型间的分配不均匀。

（3）驱动力分析表明，1991—2000年间，人类不合理开发和过度垦殖导致的地表裸露和水土流失是该时段内土地利用／覆盖变化的主要原因，2000年以后，区域发展规划（退耕还林、荒山造林、封山禁牧）是研究区土地利用及景观格局变化的主要因素，并结合区域基本农田建设、农村能源建设、生态移民及后续产业发展等措施，使彭阳县土地利用／覆盖及景观格局始终保持良性发展趋势。

4 讨 论

黄土丘陵沟壑区是中国土壤侵蚀最为严重的区域之一。区域可持续发展中面临的最大障碍就是水土流失问题，有效治理水土流失，恢复流域生态环境一直是黄土丘陵沟壑区土地资源可持续发展的重要问题。在进行传统土地利用与景观格局变化研究时，学者们多数强调整个景观水平上的土地利用格局变化，忽略了个别土地利用类型或该类型下某些类型格局特征对生态进程的影响，本研究中土地利用类型变化引起的景观格局特征变化对黄土丘陵沟壑区水土流失过程的影响，已由2000年前的耕地和未利用土地转换为2000年后林草地的景观格局特征。因此，在进行区域土地利用变化及景观格局变化的相关研究时，应着重考虑个别土地利用类型对土地利用格局优化及整个区域生态进程的影响。

土地利用／覆盖类型的变化与景观格局的变化密切相关，退耕还林工程作为土地利用／覆盖变化的一个政策驱动因子，加强由退耕还林工程引起的土地利用变化对景观格局的影响研究，对评估区域土地资源可持续利用和生态环境重建具有重要指导意义。本文结合GIS和景观生态学方法处理和分析相关数据，初步分析了关于生态脆弱的黄土丘陵沟壑区彭阳县近20a景观格局变化特征及驱动力，未来将在继续深入研究黄土丘陵区景观分析方法基础上，开展土地利用／覆盖和景观格局变化对彭阳县生态系统服务价值、生物多样性保护、小流域综合治理、水土保持及对土壤侵蚀等一系列影响的研究。

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