陜南土地利用景觀格局變化及優化研究

楊青林， 邵懷勇， 邢海虹， 張 靜， 丁鵬凱， 易 霞

(1.四川省巴中市高級中學，巴中 636000；2.成都理工大學 地球科學學院，成都 610059；3.陜西理工大學 歷史文化與旅游學院，漢中 723000)

0 研究背景

景觀格局(景觀結構)，包括景觀組成單元的類型、數目以及空間分布與配置[1-2]，景觀格局決定景觀功能、景觀的空間分布(特別是障礙、通道和高異質性區域相互組合能在很大程度上決定著物質和能量在景觀中的流動)[3-4]。景觀格局優化是通過調整、優化各種景觀類型在數目和空間上的分布與配置，使其產生最大的景觀生態效益，其本質是利用景觀生態學原理解決土地合理利用的問題，是土地利用規劃的核心內容[5-9]，也是目前景觀生態學研究的熱點和難點問題之一[10]。隨著人類活動的加劇，人-地矛盾日益突出，為了區域的可持續發展和生態安全，應當重新調整土地利用方式并進行景觀格局優化，以維持生物多樣性與資源可持續利用，于此對景觀格局優化研究的需求也就越來越迫切了。但是目前景觀格局優化尚處于研究探索的初級階段，沒有準確的定義，也沒有得到共同認同的結論和成熟方法[5]。如今，景觀格局優化的常用方法主要有3種：①概念模型，如Forman等[11]提出的不可替代格局和最優景觀格局兩個景觀整體模式；②數學模型，主要包括多級參數平衡法、線性規劃法、多目標規劃、灰色系統規劃法以及其他數學方法，如楊曉勇等[12]利用混合整數線性規劃方法對小流域土地利用結構優化進行研究，承龍等[13]利用灰色線性規劃模型和層次分析法對江蘇啟東市土地利用結構優化進行研究等；③計算機空間模型，如任茜等[14]基于GIS技術利用生態適宜性和敏感性分析模型對低山丘陵區土地利用格局優化研究,陸禹等[15]運用最小耗費距離模型對?？诿绤^景觀格局優化進行研究,于強等[16]利用MCR-P模型對磴口縣景觀布局進行優化研究,陳影等[17]利用最小累積阻力模型對懷來縣景觀格局優化研究。第③種方法引入一些先進的技術為景觀格局優化提供有力的支持和更寬廣的思路，通過GIS/RS技術對土地利用景觀格局優化研究，對于景觀格局優化研究具有很好地促進作用。

圖1 研究區概況圖

1 研究區概況

陜南指陜西省南部地區，包括漢中、安康和商洛三市，共28區縣，位于105°29′16.13″～111°01′52.42″E，31°42′25.30″～34°26′00.59″N，面積約7.04×104km2(圖1)。陜南北部為秦嶺，南部為大巴山和米倉山，中部為漢江川地，宏觀地貌“兩山夾一川”，中低山面積廣闊，河谷盆地間布其中[18]。境內水系主要有漢江、丹江和嘉陵江，河流階地和河漫灘發育。該區位于我國南北氣候過渡地帶，年平均氣溫約為13.5℃～15℃[19]，年降水量1 000 mm左右[18]，氣候溫潤，四季分明。境內水平地帶性土壤、垂直地帶性土壤和隱域性土壤相間分布，植被以亞熱帶常綠和落葉闊葉林為主。

陜南是南水北調中線水源地，我國重要的地理生態分界線、唯一的連接東西部的大尺度生態廊道、生物多樣性和水源涵養生態功能區以及集中連片特殊困難地區和國家特困扶貧開發區，其生態建設任務繁重，生態地位獨特而重要[20]。然而，長期以來陜南地區經濟落后，不合理的人類活動引起水土流失加劇[21-23]，自然災害頻發，區域生態環境正面臨嚴重的威脅[24]，掌握陜南土地利用景觀變化情況，確定景觀優化策略，對區域土地利用規劃具有重要的意義。但是對于陜南土地利用景觀格局優化的研究尚不多見，基于此，本研究以南水北調中線水源地陜南作為研究對象，基于RS/GIS相結合的方法，運用最小耗費距離模型對其土地利用景觀優化進行研究，以期為區域生態環境改善、景觀生態功能增強、生物多樣性保護以及土地資源的可持續利用提供科學依據和案例參考，對南水北調調水工程具有重要的意義。

2 數據與方法

2.1 數據來源與處理

本次研究所采用的數據有：2000年、2008年Landsat5 TM影像、2016年Landsat8 OLI影像(行列號分別是：126/36、126/37、126/38、127/37、127/38、128/37、129/37)，時間為植物生長季，云量控制在10%以內，數據來源于地理空間數據云平臺。依據土地利用現狀分類標準(GB/T 21010-2017)，參考陜南土地利用的特征，分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和其他用地共6類。通過野外實際調研建立解譯標志，基于ENVI5.1軟件對影像進行相關預處理，采用支持向量機分類方法進行監督分類，并對分類結果進行人機交互式解譯，得到3期土地利用分布圖。2016年土地利用數據進行野外精度驗證，2000年和2008年土地利用數據利用 Google Earth 高分辨遙感影像進行精度驗證，正確率均達到90%以上，滿足本研究的需要。本研究使用WGS 84坐標，Transverse Mercator 投影，中央經線為105°，將矢量數據轉化為柵格數據，空間分辨率為30 m(圖2)。

圖2 2000年、2008年和2016年景觀類型分布圖

表1 不同尺度類型景觀指數名稱和意義

2.2 景觀格局指數法

將陜南土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和其他用地等六種景觀類型。景觀格局指數是高度濃縮的景觀格局信息，是反映景觀結構組成、空間配置特征的量化指標，是景觀格局指數研究的重要指標之一[25]。景觀格局指數包括斑塊水平、斑塊類型水平和景觀水平三個尺度，斑塊水平是從微觀角度解釋單個斑塊的結構特征，斑塊類型水平和景觀水平從中觀和宏觀角度反映區域的景觀結構，是對研究區內不同類型斑塊與整體特征的描述[2]，本研究側重于不同土地利用景觀類型與整體景觀的特征，所以選擇斑塊類型水平與景觀水平的景觀格局指數進行分析。筆者根據研究區特點、地理環境因素和研究需要，考慮總體性、常用性、簡化性的原則，參照前人研究成果[26-28]，結合各個指標的生態學涵義，選取具有代表性且相對敏感度較大的一套合理的、應用較為廣泛的景觀格局度量指標，主要針對景觀的形態特征、結構特征、優勢度以及人類干擾程度，共8個景觀指標,具體指數見表1。

表2 陜南不同景觀類型生態系統服務價值與阻力值

2.3 景觀優化

景觀格局優化是利用景觀生態學原理解決空間上景觀類型(土地利用景觀)合理分布的問題，完善區域內土地利用方式的合理配置[29]。由于土地利用景觀中的生物物種、營養物質以及其他物質和能量在各種景觀類型中流動，均需要克服相應的景觀阻力，如果區域內的景觀生態系統服務功能越高，則景觀功能也就相應完善，上述生態過程受到的阻力就越小，土地利用越合理，景觀也就越優化[30]。筆者通過生態系統服務價值確定各類型景觀的阻力值，利用最小耗費距離模型得到空間上景觀流動的累積阻力值，基于此提出景觀優化策略。

2.3.1 基于生態系統服務價值的阻力值計算

景觀生態系統服務功能反映景觀生態功能，景觀類型單位面積生態系統服務價值越高，景觀生態功能也就越完善，生態流在各類型景觀中流動越容易，景觀阻力值就越低，反之景觀類型單位面積生態系統服務價值越低，景觀阻力值就越高[30]，因此這里以各景觀類型單位面積生態系統服務價值作為阻力賦值的基礎。根據Costanza等[31]、陳仲新等[32]、謝高地等[33]已有研究成果，水域單位面積生態系統服務價值最高，故阻力最??；建設用地單位面積生態系統服務價值最低，故阻力最大，各類型景觀阻力值設置在1～100之間(表2)。

2.3.2 基于最小耗費距離模型構建景觀功能網絡

最小耗費距離模型反映生態源在空間上的運動趨勢，能較好地模擬景觀要素在空間運動過程中的阻礙作用[34]，公式如下：

i=1,2,3,…,n;j=1,2,3,…,m

(1)

式中：MCR是最小累積耗費值；n為源的總數；m為景觀單元的總數；Fi為景觀單元i對生態流的阻礙值；Dij為源j到空間上某一點所穿越的景觀單元i的空間距離。

1)生態源地是生態服務較重要、生態敏感度較高和生態系統較穩定的自然生態斑塊組成，是維護區域生態安全和可持續發展必須加以保護的區域，能促進生態過程發展[34](如面積較大的林地、水域等)。筆者選擇研究區內圖斑面積較大的林地(森林公園、風景名勝區等)和水庫(水利風景區等)作為生態源地?；赗S/GIS 方法，通過遙感影像解譯和GIS空間統計分析，獲得生態源地及空間分布數據。

2)生態廊道是生態源地之間生物物種、營養物質以及其他物質和能量流通交換的重要通道，有較高的生態系統服務價值[35]。利用ArcGIS軟件構建累積耗費距離表面，借鑒水文分析和鄰域分析模型，提取景觀生態流的“脊線”和“谷線”，迭代不同的閾值結果與研究區累計耗費距離表面和實際景觀進行對比分析，確定研究區最適宜的閾值，提取最大耗費路徑“脊線”和最小耗費路徑“谷線”，生態廊道選擇最小耗費路徑。

3)生態節點是指在景觀空間中連接相鄰生態源，對物質交換和能量流動起關鍵作用，是景觀空間中容易受外界干擾的生態脆弱的區域[6]。依據景觀生態學中的原理，基于上述生態廊道提取方法，選擇最大耗費路徑(“脊線”)和最小耗費路徑(“谷線”)的交點作為生態節點。

表3 2000年-2016年陜南不同景觀類型面積統計

3 結果分析

3.1 景觀格局分析

景觀格局變化(景觀結構變化)，反映不同景觀類型在空間上的變化以及景觀功能的差異性[17]。通過景觀現狀分布和景觀格局變化的分析，有利于揭示整個區域的景觀發展現狀及趨勢，對促進人類更好地理解社會與自然環境的相互關系有重要意義，可以為景觀優化奠定基礎，筆者主要從三方面分析景觀格局特征，分別是景觀類型現狀分布與變化情況、斑塊類型水平的景觀格局和景觀水平景觀格局。

3.1.1 景觀類型現狀及變化情況

陜南土地利用景觀類型中(表3)，林地所占比例最大，面積為5 732 573.47 hm2，占總面積的81.49%，主要分布在海拔大于1 000 m的區域；其次是耕地，面積為1 059 550.01 hm2，占總面積的15.06%，主要分布在漢中盆地、安康盆地、商丹盆地、洛南盆地、西鄉盆地和漢陰盆地等區域；草地面積為144 864.15 hm2，占總面積的2.06%，主要分布在林地與耕地過渡地帶、河流兩側以及高山草甸區；建設用地48 217.84 hm2，占總土地面積的0.69%，主要分布在漢中盆地、安康盆地和商丹盆地，其中漢臺區、漢濱區和商州區占總建設用地的32.40%；水域主要是漢江、部分水庫和嘉陵江，占土地總面積的0.66%；面積最小的是其他用地，面積為3 227.62 hm2，主要是裸地裸巖、沙地等零星分布。

由表3可以看出，2000年-2016年，陜南土地利用變化顯著，主要表現為：林地、水域和建設用地和其他用地持續增加；耕地面積減少；草地變化不大。其中，林地增加69 420.90 hm2，分析其主要原因是該區域分別實施了“天然林保護工程”、“退耕還林工程”、“生態補償工程”等生態保護和建設工程，使得林地大面積恢復。據相關統計，截至2008年，陜南三市共實施退耕還林近46.67*104hm2，退耕地還林近20*104hm2[36]。水域面積由37 715.31 hm2增加到46 641.11 hm2，增加8 925.79 hm2，分析其主要原因是2005年7月南水北調中線工程開始實施，陜南加大了對漢江上游水資源的保護與河道治理，如安康市截至2010年整治河堤13.9 km、塘堰78口，新建河堤64.88 km、塘堰10口[36]。建設用地面積增加24 890.79 hm2，分析原因主要是城鎮的不斷擴張、經濟活動的日益活躍，基礎設施更加完善。其他用地面積增加979.51 hm2，分析其主要原因是陜南局部區域水土流失嚴重,自然及人類活動影響導致地質災害，地質災害發生區域的部分耕地轉化為沙地、裸土地、荒草地、裸巖石礫地[37]。耕地面積減少97 924.90 hm2，一方面“退耕還林工程”實施大量耕地進行植樹造林，另一方面經濟建設的快速發展使該區域居民點及工礦用地增長。草地面積動態變化，先減少后增加，總體來說草地減少。

3.1.2 斑塊水平的景觀格局特征

1)根據圖3分析：總體來說，在2000年-2016年間耕地斑塊密度最大，說明耕地的破碎化程度最高；草地次之；林地與建設用地差異不大；最小的是水域和其他用地，表明兩者的破碎化程度較低。對比2000年-2016年：耕地和林地斑塊密度在減小，說明兩者破碎化程度在減??；草地基本不變；水域、建設用地和其他用地在增大，說明兩者破碎度均在增大，而且有增大的趨勢。

表4 2000-2016年陜南不同景觀類型最大斑塊指數和聚集度指數

圖3 斑塊密度柱狀圖

圖4 景觀形狀指數柱狀圖

2)根據圖4分析：耕地的景觀形狀指數最大，說明耕地斑塊的形狀最為復雜；草地次之；林地再之；水域、建設用地和其他用地相對來說偏小，說明其形狀相對較簡單，復雜程度較低。2000年-2016年各類型中耕地、林地和草地基本不變；水域、建設用地和其他用地有增大趨勢，說明該景觀類型的形狀越來越復雜，受外界干擾增加。

3)根據表4中各類景觀最大斑塊指數分析：林地最大斑塊指數最大，而且林地的最大斑塊指數遠遠大于其他景觀類型，說明林地相對于其他景觀類型具有絕對優勢，林地在陜南的景觀中占主導地位，構成了陜南的景觀基質，這是陜南各市打造“國家園林城市”、“國家生態城市”的基礎和條件；耕地次之；最大斑塊指數最小的是其他用地。對比2000年-2016年，林地、水域、建設用地和其他土地的最大斑塊指數在增加，說明林地優勢度在增加；耕地、草地的最大斑塊指數在減小，說明整體景觀的破碎度在增加，優勢度在降低。

4)根據表4中各類景觀聚集度指數分析：林地聚集度最高，建設用地較高，其次是其他用地和水域，草地聚集度最低。在2000年-2016年期間，耕地、草地、建設用地和其他用地聚集度指數在減小，說明聚集度在減小，破碎化程度在增加；相反林地、水域聚集度在增大。

通過以上四種不同斑塊類型水平景觀指數的對比分析表明：耕地破碎化程度最大故形狀最為復雜，林地是陜南優勢景觀且具有絕對優勢。在2000年-2016年期間，林地優勢度越來越大，水域、建設用地和其他用地受人為干擾較大，破碎化程度有變高的趨勢。

3.1.3 景觀水平的景觀格局特征

根據表5分析：2000年分類景觀的蔓延度值(79.206)小于2016年(79.285)，表明2000年-2016年景觀的連接性在增加，破碎度在減少，不同斑塊類型的團聚程度在增加。同時，根據景觀分離度指數也說明了在2000年-2016年期間，景觀的分離度在降低。

根據表5分析：2016年Shannon's多樣性指數(0.602 8)小于2000年(0.603 7)和2016年景觀Shannon's均勻度指數(0.3365)小于2000年(0.337)，表明陜南景觀優勢度有所增加，復雜性和破碎化程度有所降低。

表5 2000年-2016年陜南景觀水平景觀格局指數統計表

圖5 陜南累積耗費距離表面

圖6 陜南景觀生態廊道及生態節點空間分布格局

通過以上四種不同景觀水平景觀指數對比分析：2000年-2016年間陜南景觀的團聚程度、優勢度、連接性、多樣性在增加，破碎化程度在降低。

3.2 景觀優化設計

根據最小耗費距離模型構建最小累積耗費距離表面(圖5)，依據陜南景觀特征，分別構建生態廊道和生態節點，并與生態源地形成了有機的景觀生態網絡(圖6)。

1)生態源地。這里選擇2016年景觀類型面積100 hm2以上的水域和林地景觀作為生態源地，主要是水庫(黨河水庫、紅寺壩水庫、黃石灘水庫等)和陜南A級旅游景區，包括森林公園(黎坪、五龍洞、木王國、南宮山、牛背梁、天竺山、千家坪等)、名勝風景區(金絲峽、午子山、張良廟-紫柏山、青木川、筒車灣、九天山、熊貓谷、中壩大峽谷等)、水利風景區等。選擇該生態源地對于陜南維持區域生態安全、生態系統穩定性以及調水工程具有重要的生態戰略意義，在對該生態源地旅游景區開發和建設時應當設置重點保護和禁開發建設區域，避免在開發時破壞良好的生態，同時應注重提升該區域景觀斑塊之間的連通性，擴大核心斑塊面積。

2)生態廊道。生態廊道能夠增強景觀類型和生態系統的連通性。根據構建的最小耗費距離模型(圖5)，運用鄰域分析、水文分析模塊，選擇最小耗費路徑為生態廊道。同時，根據景觀的功能與分布特征，在陜南構建水域生態廊道、森林生態廊道和農業生產廊道。水域生態廊道主要是漢江、嘉陵江和丹江，水域廊道在飲水、物質的運輸、水汽的輸送起到了不可或缺的作用，同時陜南的水域廊道在整個研究區占據重要的地位，起著連接耕地、林地的作用，對于水域生態廊道首先應加大對河流沿岸的生態環境建設，加強對水生生物多樣性的保護，整治河堤、加固河床，保護河流兩岸的自然景觀，打造綠色生態長廊。森林生態廊道主要是植被覆蓋度較高的林地，森林廊道構建能夠更好將生態系統服務高的林地圖斑與生態源地有效連接起來。農業生產廊道主要將耕地斑塊、生態源地和水域生態廊道連接起來，構建農業生產廊道有利于保障農業生產的順利進行，同時農業生產廊道、水域生態廊道和森林生態廊道三者貫穿陜南，構建成陜南生態結構的經脈。上述廊道的構建，有利于排放、吸收、緩解以及降低城市中的污染，提高土地利用的集約化和高效化。

3)生態節點。生態源地、生態廊道在空間距離上跨度較大或易受外界其他景觀的阻礙，不利于景觀生態功能的發揮，構建生態節點對維持景觀生態結構的連續性、系統功能的完整性具有重要的生態戰略意義[15]。陜南景觀格局體系中生態節點主要分布在耕地和林地景觀之中，對于分布在耕地中的節點應盡量減少人為活動的干擾，分布在林地中的節點可以根據自身特點建立自然保護區或者旅游景區。

4 結論

筆者利用景觀生態學原理和GIS技術結合，應用景觀格局指數法分析陜南景觀格局變化，在此基礎上構建景觀最小耗費距離模型，對陜南土地利用景觀進行優化。通過研究得到以下結論：

1)在土地利用景觀類型中，林地景觀在整個陜南景觀中占主導地位，是陜南的優勢景觀。在研究期間，陜南林地、水域和建設用地和其他用地持續增加，耕地面積減少，草地變化不大。

2)在2000年-2016年期間，林地優勢度越來越大，水域、建設用地和其他用地受人為干擾較大，破碎化程度有變高的趨勢，景觀的團聚程度、連接性、多樣性和優勢度在增加，破碎化程度在降低。

3)在GIS技術支持下，選擇生態系統服務價值較高的水庫和面積較大林地斑塊作為生態源地，根據生態系統服務價值為基礎構建最小累計耗費距離表面，利用鄰域分析和水文分析提取生態廊道和生態節點。根據陜南特點，分別構建水域生態廊道、森林生態廊道和農業生產廊道，將生態源地與各類景觀類型聯系起來，在生態源地與生態廊道之間構建生態節點，形成景觀生態網絡，進而優化景觀格局。