中國干旱半干旱區2000-2020年土地利用與景觀格局演變特征及驅動力分析

陳碩,王卓然,趙庚星

中國干旱半干旱區2000-2020年土地利用與景觀格局演變特征及驅動力分析

陳碩,王卓然*,趙庚星

土肥高效利用國家工程研究中心, 山東農業大學資源與環境學院, 山東 泰安 271018

中國干旱半干旱區土地利用及景觀格局變化對西北干旱區生態維護與經濟發展發揮著重要的作用。本文從土地利用變化和景觀格局變化兩個角度，利用GIS技術和Fragstats4.2軟件，對我國2000-2020年干旱半干旱地區的土地利用和景觀格局指數進行分析，對21年間的土地利用和景觀格局變化模式進行研究，發現：(1)土地利用變化較為顯著，且在全時段處于不平衡狀態，草地與未利用地雙向轉換頻繁。未利用地面積減少和建設用地面積增加為主要特點，建設用地面積變化幅度最大、動態度最強。(2)我國干旱半干旱區景觀在整個研究期間呈現破碎化程度增加、異質性降低、形態日趨復雜的特點(3)土地利用變化深刻影響景觀格局，人類活動是土地利用轉變的重要驅動因子。人類對該地區土地利用程度的不斷提高所造成的景觀破碎程度的增加以及該地區景觀優勢度的直接改變，也從另一個側面印證了景觀格局改變的重要推動因素是人類活動。

土地利用; 景觀格局演變; 驅動力

近年來，土地利用變化是全球可持續發展研究中的重要內容，是全球環境變化方面研究的熱點[1]。隨著景觀生態學理論的不斷發展，景觀生態學與土地利用的綜合研究得到了發展，并且逐漸成為進行土地利用變化分析的重要方法之一[2,3]。人類活動和自然因素都可改變土地利用類型，除自然因素外，土地利用變化可間接反應人類活動的影響強度[4]。我國西北干旱半干旱區的自然條件較為干旱和惡劣，各種土地問題嚴重威脅到了我國西北地區的發展，因此促進人地關系協調發展研究顯得極為迫切。

景觀指數能反映景觀的豐富度、優勢度、破碎度等特性[5]，因此利用景觀格局指數來進行定量化研究，可以直觀地分析出景觀格局變化[6]；相關的景觀指標如景觀破碎度、聚集度等，在一定程度上能夠較好地表現景觀生態現狀的用地變化情況。如王曉[7]等就規劃實施前后土地利用變化對區域景觀格局的影響，從地塊和景觀水平兩個層面進行對比分析；袁軼男[8]基于Fragstats軟件對上海市景觀格局指數進行定量分析,并對上海市景觀生態水平的優化提供可行策略。李倩雯等通過景觀指數探討了影響的空間異質性和對不同土地覆被影響的特點，提出了各景觀指數的適用性[9]。因此，本文結合土地利用數據、GIS技術和景觀指數計算，研究中國干旱半干旱區2000—2020年的土地利用和景觀格局演變特征及其驅動力，研究結果可以為調整中國干旱半干旱區土地利用結構、優化景觀格局提供了理論支撐。

1 研究區概況

中國干旱半干旱區包括新疆、青海、甘肅、寧夏全境以及陜西秦嶺以北、內蒙古西部、山西西部等地，位于我國西北地區(73°33′E-124°30′E，31°58′N-50°1′N)。以溫帶大陸性氣候為主，氣候干旱，干旱半干旱區在我國生態、資源等方面占有極其重要的地位。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源及分類

土地利用類型數據來源于年度中國土地覆蓋數據集產品，該產品使用Landsat圖像構建了中國第一個源自陸地衛星的年度土地覆蓋產品CLCD（China Land cover dataset）。選取其中2000年、2005年、2010年、2015年、2020年的數據并進行預處理，使用Arcmap 10.8軟件對中國干旱半干旱區進行范圍提取和重采樣、土地利用類型數據的裁剪和重分類。

本文參照原始資料分類系統，綜合考慮我國干旱和半干旱地區土地利用類型的特點，并按照我國第三次全國土地調查分類系統將研究地區分為耕地、園林地、草地、水域、未利用地、建設用地六大類土地利用類型。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用動態變化模型（1）土地利用變化幅度，是對某一時期內各土地利用類型的面積變化進行分析[10]，見公式（1）。

（2）單一土地利用類型動態度，表示某一時期某種土地利用類型面積的變化情況[11]，可以分析過去時間內的功能空間的變化趨勢，并對未來進行預測，見公式（2）。

（3）土地利用轉移矩陣，可以用以分析土地利用變化的結構和方向并預測其發展[12-13]，便于了解研究期內各土地利用類型變化的去向、來源與構成，見公式（3）。

式中：為某一時期內某一土地利用類型的變化幅度；為某一時期內某一土地利用類型動態度；U，U分別為研究期初、末某一土地利用類型面積；為研究總年份；A為時期的種土地利用類型轉變為+1時期的種土地利用類型的面積。

2.2.2 景觀格局變化指數本文在類型水平上選取平均斑塊面積、斑塊數量、最大斑塊指數和景觀形狀指數等指數來分析斑塊類型水平上的景觀格局變化；在景觀水平上選取斑塊數量、景觀形狀指數、平均斑塊面積、蔓延度指數、香農均勻度指數以及香農多樣性指數等指數來分析景觀水平上的景觀格局變化[6,14,15]，并用Fragstats4.2軟件進行計算。

（1）斑塊數量(Number of Patches，簡稱NP)，斑塊數量的多少反映了景觀被分割破碎的程度，NP越多，景觀越破碎。

（2）平均斑塊面積(Area)，該指數反映了景觀斑塊面積的大小，同時反映景觀的破碎化程度，該值越小，景觀越破碎，見公式（4）。

（3）最大斑塊指數(Largest Patch Index，簡稱LPI)，該指數是測量景觀優勢度的一種簡單方法，LPI越大，景觀的優勢地位越高，見公式（5）。

（4）景觀形狀指數(Landscape Shape Index，簡稱LSI)，該指數反映了景觀形狀的復雜程度，LSI越大，景觀的形狀越復雜，見公式（6）。

（5）蔓延度指數(Contagion Index，簡稱CONTAG)，該指數反映了景觀中不同斑塊類型的聚集程度或延伸趨勢，表征了景觀異質性的大小，CONTAG越小，景觀分布的越均衡，景觀異質性越小。見公式（7）。

（6）香農多樣性指數(Shannon's Diversity Index，簡稱SHDI)，該指數反映景觀要素的多少及各類型要素所占比例的變動情況，表征景觀異質性，SHDI越大，景觀分布越均衡，景觀異質性越小。見公式（8）。

（7）香農均勻度指數(Shannon's Evenness Index，簡稱SHEI)，該指數反映各類型景觀占總面積的比例，表征景觀的異質性，SHEI越大，景觀分布越均衡，景觀異質性越小。見公式（9）。

式中，a為某景觀類型中第個斑塊的面積或景觀中第個斑塊的面積，為某景觀類型的斑塊總數或景觀中的斑塊總數。max為某景觀類型中最大斑塊的面積或景觀中最大斑塊的面積，為某景觀類型總面積或景觀總面積。為某景觀類型邊界總長度或景觀邊界總長度。p為景觀類型所占面積的百分比，g為類型景觀和類型景觀毗連斑塊的數目，為景觀類型的數量。

3 結果分析

3.1 土地利用變化分析

如圖2所示，2000-2020年我國干旱半干旱地區的土地利用空間變化并不顯著且相對穩定。耕地和建設用地多分布于平原地區，園林地和草地多分布在海拔較高的山地或丘陵地區，水域則零星分布于研究區內，未利用地多分布在干旱半干旱區的盆地和荒漠地區。

圖2 中國干旱半干旱區2000、2005、2010、2015、2020年土地利用類型分類

在2000-2005年，未利用地轉出、草地轉入是主要變化形式。其中草地面積由1787637 km2增加到1805532 km2，凈轉入17895 km2，變化幅度為1.00%；說明該區域草地面積正在增多；水域、建設用地、園林地的面積也有著一定程度的增加，分別有著6.00%、16.65%和3.81%的變化幅度的提升；未利用地共凈轉出25905 km2，變化幅度為-1.38%，處于下降趨勢，去向多為草地；同樣處于下降趨勢的是耕地，其面積減少了-13731 km2，有著-3.87%變化幅度的下降。在該時間段內，建設用地的土地利用動態度最大，達到了3.33%。

2005-2010年中國干旱半干旱區土地利用變化有所下降，以未利用地轉出以及草地和建設用地轉入為主要動態變化。其中草地和建設用地面積分別增大5777 km2和5964 km2，草地和建設用地轉入量分別為87359 km2和6165 km2，說明草地伴隨著轉入和轉出變化，而建設用地幾乎只進行轉入而不進行轉出；水域、園林地和耕地面積分別升高6960 km2、4453 km2和4698 km2，說明耕地得到了一定的恢復和開墾，水資源和園林資源也不斷增長；未利用地是該時期唯一處于下降趨勢的土地利用類型，凈減少27852 km2，其中去向多為草地。在此時期內，建設用地的土地利用動態度最大，且有上升趨勢，為3.99%。

2010-2015年的中國干旱半干旱區土地利用變化顯著提升，主要為頻繁的草地和未利用地的雙向轉換，草地的凈轉出量為12421 km2，草地的增加被抑制并有下降趨勢；耕地、園林地和建設用地有著上升趨勢，上升幅度分別為3.08%、3.82%和15.51%，其中耕地延續了增加勢頭，而建設用地和園林地的增多有放緩趨勢；處于下降趨勢的還有水域和未利用地，均有小幅度下降。在該時期內，建設用地的土地利用動態度依然最大，但數值有所下降。

2015-2020年中國干旱半干旱區土地利用變化有所放緩，主要變化同樣是草地與未利用地的雙向轉換。其中草地除去往未利用地外，主要轉化為耕地28596 km2，而在此時段內水域、耕地面積總體上處于小幅度下降趨勢，耕地多轉換為草地，水域則多轉換為未利用地；呈現上升趨勢的土地利用類型為園林地、未利用地和建設用地，分別增加了4472 km2、14219 km2和4762 km2。在此期間，動態度最大的仍然是建設用地，但持續著下降趨勢。

總體上，在2000-2020年中國干旱半干旱區有大量的草地和未利用地的雙向轉換，同時伴隨著其他地類的不穩定變化。其中耕地呈現減-增-減趨勢，并總體上處于減少趨勢；園林地呈現穩定的增長趨勢，且草地是主要的貢獻地類；水域面積呈增-減的趨勢，總體上為增多趨勢，未利用地是主要貢獻地類；草地呈現先增后減的趨勢，并且隨時間推移，草地面積越來越少。另外，發現“兩極”：未利用地減少最多，共計46906 km2，同時是下降幅度最大的和動態度最小的地類；相反，建設用地增加了20554 km2，變化幅度高達80.21%，并且是各階段動態度均為最大的地類。

表1 不同時段土地利用變化幅度及單一土地利用類型動態度

表2 2000-2020年中國干旱半干旱區土地利用轉移矩陣

3.2 景觀格局變化分析

在斑塊數量指標上草地占主導地位，其次分別為未利用地、耕地、建設用地、園林地、水域，如圖3所示。耕地、建設用地、園林地的斑塊數量呈穩定上升趨勢，草地、未利用地、水域的斑塊數量均呈波動減少趨勢；耕地、草地、未利用地的平均斑塊面積減少，而園林地、水域、建設用地平均斑塊面積增加；未利用地最大斑塊指數最大，為優勢景觀地位；景觀形狀指數大小指標顯示，建設用地呈現上升趨勢，其他地類總體上比較穩定，為耕地>草地>園林地>未利用地>水域，說明建設用地正在不規則地。多方向地、快速地發展。

圖3 2000—2020年中國干旱半干旱區斑塊類型水平景觀格局指數變化

表3 2000-2020年中國干旱半干旱區景觀水平景觀格局指數表

表3表明，2000—2020年間中國干旱半干旱區的景觀格局總體上呈現出景觀破碎化程度增大，景觀異質性減小，景觀形狀復雜程度提高的特征。

（1）景觀破碎化程度增大。在2000-2020年間，中國干旱半干旱區總體景觀斑塊數量逐漸增加，由2000年的119923個增加到了2020年的127262個，而平均斑塊面積呈波動減小趨勢，由2000年的2568.03 km2減少到2020年的2561.68 km2，這說明中國干旱半干旱區的景觀分布趨于破碎，交錯程度不斷加深和不斷復雜化。

（2）景觀異質性減小。研究區內蔓延度指數和最大斑塊指數呈減小趨勢，香農均勻度指數和香農多樣性指數呈增大趨勢，其中蔓延度指數由2000年的52.85減小到2020年的51.41，最大斑塊指數由2000年的40.61%減小到2020年的39.56%，香農均勻度指數由2000年的0.63增加到2020年的0.65，香農多樣性指數由2000年的1.13增加到2020年的1.17，這說明中國干旱半干旱區中的優勢景觀類型有所削弱，各景觀類型之間的面積比例差距縮小，景觀向均衡趨勢發展。

（3）景觀形狀日趨復雜。在2000—2020年間，中國干旱半干旱區整體景觀的景觀形狀指數呈波動增大趨勢，由2000年的169.33增加到2020年的171.75，這說明中國干旱半干旱區中各類型斑塊的分布趨于分散，形狀趨于復雜化。

3.3 土地利用和景觀格局的變化驅動力分析

自然因素和人文因素是導致干旱半干旱區土地利用變化的重要原因，土地利用情況會影響斑塊的格局，從而反映出人為與自然因素干擾的影響[16]。中國干旱半干旱區主要地處中國西北地區，干燥少雨，日照強、云量少，多風而且風力強；近年來國家出臺的生態政策如退耕還林[17]、植樹造林等，也深刻影響著西北干旱區的土地利用和景觀格局。

（1）耕地面積總體上處于減少趨勢，耕地景觀的斑塊數增多且平均斑塊面積減少，導致耕地景觀破碎度增加。趙愛棟[18]認為干旱區受不利自然條件因素影響，耕地穩定性和可持續性弱，導致部分耕地荒廢；王海鴻[19]等認為干旱半干旱區的耕地面積與人口呈相反趨勢，隨著西北干旱區城市化進程加速和人口的增加，耕地面積會隨之減少。

（2）園林地呈現穩定的增長趨勢，草地是主要的貢獻地類，所以考慮可能由于水源使局部生態環境改善，也可能是人類植樹造林使大量草地單向轉換為園林地，使其面積增加，從而使斑塊數量增加、平均斑塊面積增大。

（3）草地與未利用地的頻繁的雙向轉換中較為穩定。大量未利用地轉換為草地，說明近期國家對于干旱半干旱區的荒漠化治理起了一定效果，但人類建設用地的復雜擴張趨勢和擴張過程中的不規則的開墾農田會占用部分草地，從而使其面積減少和被分離，進而使斑塊數量減少和平均斑塊面積變小，景觀復雜程度提高。

（4）建設用地的面積不斷增多，其動態度和變化幅度較大，說明人類的城市建設過程中劇烈影響了干旱半干旱區的土地利用變化和景觀格局，建設用地大量占用了草地、未利用地，斑塊數量和平均斑塊面積也不斷增大，其復雜程度也越來越大，這符合近些年來城市化進程的加速趨勢，也說明了土地利用類型的演化方向深刻影響著景觀格局的變化趨勢。

（5）水域總體上面積增加，景觀形狀指數一直較小，說明人類保護水資源較好，當今全球變暖的大環境下，氣溫升高、冰川融化對干旱半干旱區水域和自然環境影響廣泛，曹國亮等[20]認為干旱區氣溫變化導致冰川萎縮影響的河流徑流量是影響干旱區湖泊面積變化的決定性因素，王玉潔[21]等發現近年來西北干旱區存在暖濕化趨勢，所以水域面積增大、景觀形狀指數減小可能更多的受自然因素的影響。

（6）未利用地面積在20年間減少較多，斑塊數量減少和平均斑塊面積變小，大部分轉化為草地，但干旱半干旱區同時也存在著土地沙化等問題，王云霞[22]認為在草原區氣候暖干化的作用下，人為活動推動和促進了草地退化，造成局部地區的土地沙化趨勢難以控制、持續沙化，從而導致了草地大量轉化為未利用地，使兩者存在著雙向轉化。

總體來看，中國干旱半干旱區復雜的自然因素和人類活動的干預對土地利用類型有著巨大影響，從而在很大程度上影響了景觀格局和景觀特征。

4 結論

本研究利用GIS技術和Fragstats4.2軟件計算中國干旱半干旱區2000—2020年的部分景觀格局指數、土地利用變化幅度、土地利用動態度和土地利用轉移矩陣，并分析其主要變化的驅動因子，結果顯示：

（1）土地利用變化較為顯著，以未利用地面積大量減少和建設用地面積顯著增加為主要特點，其中建設用地土地利用變化幅度和土地利用動態度最大。全時段土地利用變化處于不平衡狀態，草地和未利用地具有頻繁的的雙向轉換；

（2）整個研究時段內，中國干旱半干旱區景觀的整體變化呈現出破碎化程度增大，形狀復雜性增加，異質性減小的特征，表明處優勢地位的景觀類型與其它景觀類型間的差異在減??；

（3）中國干旱半干旱區的土地利用變化深刻影響區域內景觀格局，特別是未利用地面積減少和建設用地面積的增加直接改變了景觀優勢度，而在人類對區域內土地利用程度的不斷提高導致的景觀破碎程度增大也說明了人類活動是景觀格局轉變的重要驅動因子。

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Analysis of the Evolution Characteristics and Driving Force of Land Use and Landscape Pattern in 2000-2020 in Arid and Semi-arid Areas in China

CHEN Shuo, WANG Zhuo-ran*, ZHAO Geng-xing

271018,

Land use and landscape pattern change in arid and semi-arid areas in China plays an important role in ecological maintenance and economic development in the arid and semi-arid areas of China. This paper has two perspectives: land use change and landscape pattern change, i.e. using the GIS and the Fragstats4.2 software to analyze land use and landscape pattern index in arid and semi-arid areas of China in 2000-2020 and study the change mode of land use and landscape pattern in 21 years. The results indicate that: (1) Land use types change significantly in the area,,and the change of land use in the whole period is unbalanced, such as the bidirectional conversion between grassland and unused land is frequent.The decrease of unused land area and the increase of construction land area are the main characteristics, and the change range of construction land use and land use attitude are the largest among the land use types in this research. (2) During the whole study period, the landscape in the arid and semi-arid areas of China showed the characteristics of increasing fragmentation degree, decreasing heterogeneity and increasingly complex shape. (3) Land use change profoundly affects the landscape pattern and human activities are an important driver of land use change.The continuous improvement of human land use degree in the region leads to the increase of landscape fragmentation degree, which directly changes the landscape dominance in the region also confirms that human activity is an important driver of landscape pattern transformation.

Land use; landscape pattern evolution; driving force

S155.4+3

A

1000-2324(2023)04-0620-08

10.3969/j.issn.1000-2324.2023.04.019

2023-01-14

2023-02-09

國家自然科學基金(41877003)

陳碩(2002-),男,本科生,研究方向:地理信息科學. E-mail:2487852101@qq.com

通訊作者:Author for correspondence.E-mail:wzr543@126.com