科尔沁沙地土地利用景观格局变化动态分析

阜新工大国土资源整治科技有限公司　吴祥云　朱朝辉　卢　慧

引 言

景观动态指景观在结构单元和功能方面随时间的变化，包括景观结构单元的组成成分、多样性、形状和空间格局的变化，以及由此导致的能量物质和生物在分布与运动方面的差异。景观格局及景观格局动态变化作为目前景观生态学的研究热点，已渗透到干旱区沙漠化研究中。利用景观生态学原理对景观格局的动态进行研究，可以准确把握景观结构及功能的变化情况，为进一步的景观分析打下良好的基础，对保护自然植被、治理荒漠化并预测其发展趋势都是十分重要的。

位于科尔沁沙地南缘的章古台地区，属典型的风沙过渡区、农牧交错区和生态脆弱区，该区作为三北防护林建设工程重点与示范区域，在改善沙地生态环境、治理沙漠化方面起着示范作用。随着该区工农业的发展，生态环境治理的不断深入，特别是植树造林、退耕还林等措施的实施，景观格局发生着不断的变化。随着这种变化发生了一系列生态环境问题，如林地地下水位连年下降，河流断流，湖泊、水库、坑塘水位下降、干涸，以及该区最具代表性樟子松固沙林大面积衰退和死亡等。目前已有很多学者对该区的植被、土壤、水文尤其是樟子松做了大量工作，但景观生态学方面的研究较少。此次研究填补了这方面的空白，通过对章古台33年景观格局变化分析，揭示了该区景观动态，旨在为该区景观分析评价做出基础铺垫，对生态环境恢复与保护提供一定参考建议。

一、研究区自然概况

研究地区位于辽宁省彰武县北部的章古台镇（42°43′N，122°22′E），土地总面积257.3平方公里，平均海拔226.5米。土壤分为风沙土、草甸土、草炭土3种类型。该区属亚湿润干旱区，年均气温6.2℃，极端最低气温-33.4℃。年均降水量450毫米左右，降水主要集中在6—8月，年蒸发量1300—1800毫米。冬春两季风大而持续时间长，风速为4.15—5.10米·秒-1，无霜期150天。

二、研究方法

1.数据来源

应用研究区1975年土地利用现状图和2008年的LandsatTM影像（空间分辨率为30米，成像时间为2008年8月27日）作为基础数据。

2.数据处理

对1975年的纸质土地利用现状图现状进行扫面后数字化，2008年的TM影像，利用ENVI的FLASSH模块进行辐射校正，投影及坐标系统一为：GCS_Krasovsky_1940Albers Conical Equal Area。以章古台地区的地形图（1∶50000）为基础，选取70—75个均匀分布的控制点，利用三次多项式对预处理后图像进行配准和几何精校正，保证误差小于1个像元。数据采用监督分类的方法（精度达到90%以上），结合国家基础地理信息中心提供的1:30万土地利用类型信息，把该区土地利用分成林地（包括针叶林、阔叶林和灌木林）、草地（覆盖度大于5%的各类草地）、水田、旱地、水域（天然陆地水域和水利设施用地）、建设用地（城乡居民点及县镇以外的工矿、交通等用地）、未利用土地（沙地、盐碱地、裸土地）和沼泽地（常年积水，表层生长湿生植物的土地）八个类型。

3.景观格局特征指标

本文选用常用的16个景观指标，分别为：景观类型面积（CA）；平均斑块面积（MPS）；周长（P）；边界密度（ED）；斑块数量（NP）；斑块密度（PD）；面积百分比（PLAND）；最大斑块指数（LPI）；面积加权平均形状指数（ASI）；面积加权平均斑块分维数（AWMPFD）；连通性指数（CONNECT）；蔓延度指数（CONTAG）；散布与并列指数（IJI）；Shannon多样性指数（SHDI）；Shannon均匀度指数（SHEI）；优势度指数（DI），景观指标应用Fragstats3.3软件计算。

三、结果分析

1.斑块类型水平变化特征

（1）面积变化特征。面积变化分析采用CA、PLAND、MPS、P、CONNECT等指标。

由表1可以看出1975年林地、旱地和草地控制着该地区的景观，三者占景观总面积的百分比是最高的，林地的面积比例最大的是景观中的基质；至2008年景观中主要为旱地和林地，根据景观基质的判定方法，在相对面积基本相同的情况下，可通过连通性确定景观基质，旱地的连通性指数为99.0，林地为98.5，稍小于旱地，因而该地区整体景观是以旱地为基质的。

1975—2008年，面积增加的景观类型以林地和旱地为主，旱地增加量最大，所占总面积比例增加了18.2%，其次是林地，增加了2.8%，建设用地面积增幅最大，增加了3倍多；其他的景观类型面积都在减少，以草地和未利用土地为主，草地占总面积比例共减少18.6%，水域的减少幅度也较大，减少了60%。

（2）形状变化特征。形状变化采用LPI、PD、ED、ASI、AWMPFD、IJI等指标衡量。

从最大斑块指数看，草地、未利用土地和建设用地的优势斑块变化最为明显，其中草地优势斑块面积在减少，未利用土地和建设用地的优势斑块面积则在增加，其他的景观类型变化较小。从PD和ED看，除了未利用土地和建设用地破碎化程度降低外，其他景观类型的破碎化程度都有不同程度的增加，草地的破碎化最为强烈，从ASI看景观中除草地和水田的斑块形状复杂程度降低外，其他景观类型斑块的形状复杂程度均有所增加，同时可以看出，旱地的面积加权平均形状指数在各个时期都是最大的，沼泽的形状指数变化不大，在一个地区保留概率较高。

表1　斑块类型水平景观指标

续表

从景观类型的AWMPFD来看，各景观类型变化较小，其中林地和水田的分维数变化最大，达到了0.063。因为分维数值越大，反映斑块的形状越复杂，异质性越强，由面积加权分维数变化情况看，林地、未利用土地、旱地、水田和沼泽的异质性在增强，景观形状趋于复杂，而其他景观类型的异质性降低，说明草地和建设用以及水域的斑块的自我相似形增强，斑块形状趋于规律，斑块几何形状趋向简单。由IJI可以看出景观中除未利用土地的散布与并列指数有所增加外其余的都呈现出下降趋势，说明随着景观类型的变化景观分布趋于不均匀。

2.景观水平变化特征

表2　景观水平指数变化

由表2可见，33年时间里，斑块数量增加了77个，多样性指数和均匀度都在减少，均匀性的减少意味优势度的增加，表明景观的异质性降低，景观趋于单一化和不均匀化，优势景观类型的份额增加，单一组分对景观的控制作用增强。这主要是因为旱地、林地两种景观类型所占比例提高，导致对景观的控制作用增强所致。ASI的增加表明整体景观形状趋于复杂化。整体景观的斑块密度呈逐渐增加趋势，反映了整体景观破碎化的趋势。反映形状指数的面积加权平均斑块分维数的增大及散布与并列指数的逐渐减少，说明由于人类作用加大而使整体景观形状变得较为复杂，同类斑块间离散程度增大，进一步反映了斑块间的破碎程度增大。1975—2008年蔓延度指数呈下降趋势，表明景观中连通性较好的优势斑块类型减少。优势斑块类型连通性降低，斑块破碎化程度增大。

3.景观类型空间变化特征

为了探明研究区各景观类型在空间的转移变化情况，对1975和2008年两个时期的景观类型进行空间叠加运算，对转移变化的部分构建转移矩阵（表3）。

表3　研究区1975年至2008年景观类型转移矩阵

注：表中行表示1975年各景观类型向2008年的转移去向，列表示2008年各景观类型的形成来源。

由表3计算可知33年时间里章古台地区占总面积58%景观类型发生了空间变化，其中林地、旱地和草地的变化量是最大的，占转化部分总面积的69.6%。林地向旱地转化是林地的主要转出途径，这种转化主要是由于人们毁林开荒的原因；草地是2008年林地的一个主要供给源，其次是旱地，此外也有未利用土地向林地转化，草地向林地转化主要是由于植树造林活动的影响，而旱地向林地转化应归因于营造农田防护林和退耕还林政策的影响，在章古台地区未利用土地主要是沙地，未利用土地向林地转化，应归因于治沙造林的影响，这种转化也说明在章古台地区防风固沙造林取得了一定成效。同时在章古台地区33年时间里建筑用地面积增加了三倍有余，主要来源于林地和旱地，说明人们对环境存在严重的破坏。此外由其他景观类型向未利用土地转化说明该地区在防风治沙的同时，也产生了新的土地退化问题，共有708.6公顷的土地退化为未利用土地，主要是草地、林地和旱地，草地退化应归因于过牧，而旱地的退化则说明人们在进行农业生产的时候对耕地利用的问题。

四、结论与讨论

对章古台地区实施全面沙地治理33年来的景观格局变化分析表明：

（1）景观基质发生了由林地向旱地的转化，旱地面积急剧增加，草地面积骤减，建设用地的增加幅度最大，林地、未利用土地、旱地、水田和沼泽的形状趋于复杂化，草地和建设用以及水域的斑块形状趋于规律，斑块几何形状趋向简单。

（2）多样性指数和均匀度都在减少，优势景观类型的份额增加，单一组分对景观的控制作用降低，景观异质性降低；面积加权平均形状指数的增加，说明由于人类作用加大而使整体景观形状变得较为复杂，整体景观的斑块密度呈逐渐增加趋势，景观中连通性较好的优势斑块类型减少，优势斑块类型连通性降低，斑块破碎化程度增大，整体景观呈现破碎化的趋势。

（3）33年时间里章古台地区占总面积58景观类型发生了空间变化，其中林地、旱地和草地的变化量是最大的，占转化部分总面积的69.6%，由其他景观类型向未利用土地转化表明章古台地区在防风治沙的同时，也产生了新的土地退化问题。

以上结果表明，章古台地区进行沙地治理的生态环境修复活动对区域的景观产生了一定的积极影响，如通过植树造林使沙地（未利用土地）面积减少，改善了生态环境；营造防护林保护耕地使耕地面积增加，缓解了人口增加对粮食需求的压力。但是也存在一些问题，如：土地存在退化现象，主要是因为人类活动对土地的不合理利用造成；其次在章古台风沙区顶级群落为榆树疏林草地，疏林草地应是景观中的基质，目前该区以旱地作为景观基质，则不符合生态学规律，这种变化说明人类活动对景观的干扰非常大。同时研究区的景观类型趋于单一化和不均匀化，单一组分对景观的控制作用增强，如果控制作用强的景观类型发生问题，将会对整个景观系统产生严重的影响，因而提出在今后进行沙地生态修复时，要考虑不同景观的搭配比例，同时应对现有的景观进行改造，控制旱地和林地景观比例，增加其他类型主要是草地的份额，以此提高景观多样性，增强系统的稳定性。