過去40 年蘭州市榆中縣土地利用景觀格局變化及驅動力分析

郭思巖，侯艷麗，石 斌

（甘肅省自然資源規劃研究院，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

土地利用/土地覆被（Land Use/Land Cover,LULC）的變化是人類活動影響地表形態、過程和分布的主要表現形式[1-2]，是實現聯合國可持續發展目標SDGs11和SDGs15 的關鍵環節[3-5]。近幾年，隨著我國經濟高速發展、工業化和城市化進程加快，區域土地利用規劃和資源環境的可持續、工業化城鎮化推進、建設美麗中國之間的平衡關系研究成為LULC 研究的一個熱點問題[6，7]，聯系這些問題之間的一個重要紐帶就是區域土地利用/景觀格局的時空變化研究。目前，針對這一科學問題，國內外學者已經開展了多項探索和實踐[8-12]。但是，針對我國西北生態環境脆弱區且經濟快速發展地區的土地利用/景觀格局研究變化目前還較少。甘肅省蘭州市榆中縣作為蘭州市“一心兩翼”戰略布局的重要“一翼”，是蘭州市實施“跳出河谷，建設新區”發展戰略的重要區域。榆中縣地處東亞季風邊緣區的隴西黃土高原，年平均降水量在300～400 mm 之間，屬于干旱半干旱地區，且境內山地多、川地少、生態環境非常脆弱，急需加強土地生態建設。隨著近些年榆中和平工業園區、西北區域型商貿物流樞紐、生態農業循環產業園、高原夏菜基地、榆中科教城和榆中生態創新城等一系列大型項目的實施，榆中縣土地利用景觀格局已經發生了顯著而深刻的變化。認識和理解榆中縣土地利用景觀格局的變化一方面可以充實干旱半干旱區和西北生態環境脆弱區土地利用景觀格局變化的研究，另一方面對于未來科學合理地進行土地規劃、實現榆中縣人- 地可持續發展都具有重要的現實意義?；诖?，本研究擬采用狀態轉移矩陣和景觀生態學方法對多期榆中縣土地利用/覆蓋數據進行分析，揭示榆中縣近40 年區域土地利用景觀格局變化特征，并結合人類活動、政策影響等因素對榆中縣近40 年土地利用景觀格局變化的驅動力進行探討。

1 數據和方法

1.1 研究區概況

榆中縣地處甘肅省蘭州市東部，屬蘭州市所轄五區三縣之一，總面積約3 301.6 km2。2018 年，榆中縣的常住人口為68.3 萬人，其中農業人口38.5 萬，城鎮化率為54.3%。2018 年全縣GDP 為148.3 億元，第一、二、三產業占GDP 總量的比重分別為16.3%、26.0%、57.7%。榆中縣四季分明、水熱同季，春季干旱、夏季炎熱、秋季多雨涼爽、冬季寒冷干燥。年均氣溫6.6℃，年累積降水量300～400 mm，年累積蒸發量1 343.1 mm，無霜期100～140 天，年日照時數2 562.5 小時。境內海拔在1 400～3 670 m 之間，整體地勢呈馬鞍形，分為南部高寒二陰山區、北部干旱山區和中部川塬河谷區三類地貌形態。特別是中部川塬河谷區——榆中盆地，地勢平坦、面積廣袤（約221 km2）、灌溉條件良好，是榆中縣的主要產糧區和經濟作物區?？h內交通網絡發達，隴海鐵路、蘭渝鐵路、寶蘭客專、連霍高速、京藏高速、定武高速、312 國道、309 國道縱橫貫通。研究區位置見圖1 所示。

圖1 研究區位置示意圖

1.2 數據基礎

本研究主要使用以下數據：（1）土地利用數據，該數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心（https://www.resdc.cn/），影像分辨率為100 m，時間為1980、1990、2000、2010 和2018 年，將土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水體、建設用地和未利用土地6 類；（2）社會經濟數據，該數據來源于榆中縣社會經濟統計年鑒，時間范圍為1983-2018 年。

1.3 研究方法

本研究使用狀態轉移矩陣[13]和景觀生態學法[14]對研究區1980-2018 年土地利用景觀格局進行分析。土地利用轉移矩陣是一種定量化分析土地利用類型間相互轉化的數量和方向的研究方法，可以清晰地反映出土地利用變化的結構特征和各類型間的轉移數量和方向[13]，本研究使用該方法分析1980、1990、2000、2010 和2018 年各地類的結構轉化和面積變化。景觀生態學方法借助一系列景觀指數分析景觀單元的組成、形狀、空間配置及空間格局[14]。本研究需要了解上述5 個時期研究區景觀面積、斑塊數、斑塊形狀、景觀異質性及破碎度變化情況，因此選取了6 個具有代表性的景觀指數來分析景觀格局變化，分別為：斑塊類型面積百分比（Percentage of Landscape,PLAND）、斑塊密度（Patch Density,PD）、斑塊破碎度（SPLIT）、散布與并列指數（Interspersion Juxtaposition Index,IJI）、斑塊聚合度指數（Aggregation Index,AI）、景觀形狀指數（Landscape Shape Index,LSI），各指標計算方法見文獻[14]，各指標景觀生態學意義見表1。

表1 本研究所選擇的6 種景觀指標的景觀生態學含義

2 土地利用與景觀格局變化

2.1 面積變化

對5 期土地利用/ 土地覆被分類數據進行整理（表2 和圖2）。在此特別說明：本文中某一地類當期面積較前一期變化超過5%定義為發生了顯著變化，反之認為沒有顯著變化，即面積保持穩定。通過表2 可以看出，在1980-2018 年，研究區建設用地的面積持續增長，從1980 年的62.27 km2增至102.18 km2，2010-2018年增長速度最快。在2010 年以前，耕地面積變化不大，但是在2010-2018 年，耕地面積減少了23.80 km2。另外，在2010 年之前，未利用地的面積基本保持不變，但是在2010-2018 年減少了3.50 km2。草地面積從1980 年的1 971.94 km2減少到2000 年的1 963.16 km2，之后面積就基本保持不變。近40 年榆中縣林地面積、水體面積保持穩定，基本沒有變化?？傮w來看，在1980-2018 年面積發生明顯變化的地類，其發生顯著變化的時間段都在2010-2018 年，這和在此時期內榆中縣開始大規模開發建設和人類活動的影響顯著增強有直接關系。

表2 1980-2018 年蘭州市榆中縣土地利用/土地覆被面積變化（單位：km2）

圖2 榆中縣土地利用/土地覆被類型分布圖

2.2 類型轉換

表3 為榆中縣1980、1990、2000、2010 和2018 年間各地類的結構轉化和面積變化。從表3 可以看出，近40 年來，榆中縣的土地利用類型呈多樣化轉換的特點但整體轉換基本平衡。為了突出1980-2018 年蘭州市榆中縣各地類間類型轉換的主要流轉方向，本研究主要分析表3 中各地類間轉換面積大于1 km2的轉換數值。

表3 1983-2018 年榆中縣土地利用類型轉移矩陣（單位：km2）

1980-1990 年，以耕地和林地向草地、草地向耕地和林地的轉換為主。耕地和林地總計有33.04 km2轉為草地，反過來草地向耕地和林地轉換了32.49 km2。耕地向建設用地轉換了2.88 km2，反過來建設用地向耕地轉換了2.84 km2。其他地類之間的零星轉換面積都較?。ǎ? km2），因此保持了此時間段內各地類面積的相對穩定狀態。1990-2000 年，還是以耕地向草地和林地、草地向耕地和林地的轉換為主，有17.28 km2的耕地轉為了草地和林地，但是耕地和草地之間互相轉換的面積明顯大于其他地類之間轉換的面積。和1980-1990 年比起來，有6.02 km2的耕地轉為了建設用地，有27.41 km2的草地轉為了耕地和林地。林地和草地之間的轉換面積持平，其他轉換比較明顯的（轉換面積＞1 km2）還有建設用地向耕地轉換。2000-2010年，以耕地和草地之間的單向轉換為主，且兩者互相轉換的面積相等，轉入轉出都為15.10 km2。另外有6.95 km2的耕地轉換為了建設用地。林地和草地之間的轉換面積也基本持平。其他轉換比較明顯的（轉換面積＞1 km2）還有耕地向林地轉換、草地向林地和建設用地轉換、建設用地向耕地轉換。2010-2018 年，依然呈現出以耕地和草地之間互相轉換為主要特點，且兩者之間的互相轉換的面積遠遠大于其他地類之間互相轉換的面積，有66.48 km2的耕地轉換為了草地，反過來又有65.97 km2的草地轉換為了耕地。另外，在2010-2018 年，分別有26.95 km2、1.36 km2、8.02 km2的耕地、林地、草地轉換成了建設用地，建設用地反過來又分別轉出了6.13 km2、1.72 km2的面積轉換成了耕地和草地，同時未利用地也分別轉出了10.04 km2、1.83 km2的面積轉換成了草地和耕地。

通過上述分析可以發現：耕地和草地之間的互相轉換是榆中縣土地利用類型空間變化的主要轉換模式，建設用地的增加主要是由耕地和草地轉出為主。此外，各地類之間的轉換關系較2010 年之前更為復雜且轉換面積也顯著變大。比如：在2010 年之前的地類轉換中，耕地主要是轉換成了草地、建設用地和林地，但是在2010-2018 年間，耕地還轉換了部分面積到水體。林地主要是轉換成草地，但是到了2010-2018 年，林地還轉了部分面積到建設用地。在2010 年之前，建設用地主要是轉換成耕地，但是在2010-2018 年，建設用地還轉換了部分面積到草地。而且在2010 年之前，未利用地轉出到其他地類的面積并不明顯，但是在2010-2018 年，未利用地分別轉出了10.04 km2、1.83 km2的面積作為草地和耕地。以上的結果表明榆中縣各地類之間的轉換關系在2010 年之前相對比較簡單，其復雜化主要發生在2010-2018 年，這主要是受此期間榆中縣的開發建設活動數量增多、規模擴展、強度增強、范圍擴大的驅動有關系。

2.3 景觀格局變化分析

從表4 的PLAND 數值變化可以看出研究區近40年景觀多樣性和斑塊優勢度并沒有顯著增加或減少（為了定量描述各類指標變化的程度大小，本研究所提到的顯著變化以前后兩期指標值變化超過5%為閾值，超過5%則認為該指標值發生了顯著變化，反之則認為該指標值未發生顯著變化，下同）。說明在1980-2018年榆中縣的景觀多樣性、優勢斑塊類型未發生顯著變化。研究區的景觀特征以草地為基質（該斑塊類型總面積占整個區域景觀總面積比重在59.43%～59.71%之間，均值為59.57%），草地為該區域排第一的優勢景觀。排第二的優勢景觀為耕地，其占整個區域景觀總面積比重在29.10%～30.11%之間，均值為29.83%。林地、水域、建設用地和未利用地等景觀類型小面積散列分布在優勢景觀中，這4 類景觀的合計面積大約占整個區域景觀總面積的10%左右。但是，隨著2000 年以后區域人類活動影響的加劇，土地利用景觀的破碎度、聚集度、異質性、景觀形狀卻存在明顯空間分異特征，具體分析如下：

表4 1980-2018 年榆中縣6 類景觀指數變化

（1）景觀破碎度。PD 和SPLIT 都是衡量景觀破碎度變化的指標，但是單純從斑塊密度PD 的數值變化來看，1980-2018 年榆中縣景觀的破碎度并沒有顯著變化。進一步通過對每類斑塊在1980-2018 年SPLIT值的變化趨勢對比可以發現：耕地的破碎度在2000 年之前沒有發生顯著變化，在2000-2010 年其破碎度較前期增大了14.10%，而后在2010-2018 年減小了5.39%；林地的破碎度在2010 年之前沒有發生顯著變化，在2010-2018 年其破碎度較前期增加了41.29%；草地的破碎度在2000 年之前沒有發生顯著變化，在2000-2010 年其破碎度較前期減少了9.11%，而后在2010-2018 年增加了6.53%；水域的破碎度在2000 年之前沒有發生顯著變化，在2000-2010 年間其破碎度較前期增加了17.08%，而后在2010-2018 年減少了32.39%；建設用地的破碎度從1990 開始就發生了顯著的減小趨勢，其破碎度在2000、2010 和2018 年分別較前期減小了11.18%、26.24%和90.86%，建設用地的破碎度是同期6 類景觀中破碎度減小最明顯的景觀類型；未利用地的破碎度在2010 年之前沒有發生顯著變化，在2010-2018 年其破碎度較前期增加了97.84%，是此期間6 類景觀中破碎度增加最明顯的景觀類型?？傮w來看，6 類景觀的斑塊破碎度變化幅度最大發生在2010-2018 年，尤其是未利用地和建設用地，其次是林地和水域。在2000 年以后，盡管多數地類景觀斑塊的破碎度都發生了顯著變化，但是除了建設用地的破碎度持續減小之外，其他5 類景觀的斑塊破碎度并未呈一致的減小或增大特點，而是同時存在先增大后減小和先減小后增大兩種變化趨勢，這表明了在2010-2018 年研究區景觀斑塊破碎度變化的復雜化趨向。

此外，6 類景觀5 期的SPLIT 均值從大到小依次為：水域（279 223.57）、建設用地（195 823.16）、未利用地（91 101.64）、林地（2 325.08）、耕地（110.64）和草地（5.64）?？梢园l現：盡管水域景觀的斑塊面積在斑塊總面積的占比很?。ǎ?%），但是水域景觀斑塊的破碎度卻是6 類景觀中破碎度最高的景觀類型；相反，草地斑塊在斑塊總面積的占比最大（接近60%），但是草地景觀斑塊的破碎度卻是6 類景觀中破碎度最小的景觀類型。建設用地的景觀破碎度也明顯高于未利用地、林地、耕地和草地。

（2）景觀異質性。根據IJI 指數的變化可以看出，6類景觀斑塊的異質性強弱程度在2010 年之前盡管有小幅波動，但是并未發生顯著的變化。在2010-2018年，只有水域和未利用地的斑塊異質性較前期發生了顯著變化，水域斑塊的異質性較前期減弱了6.59%，未利用地的斑塊異質性較前期增強了7.52%。值得注意的是，建設用地的斑塊異質性較前期也減弱了4.15%。耕地、林地和草地斑塊的景觀異質性在1980-2018 年未發生顯著的變化?？傮w來看，耕地斑塊的景觀異質性最強，接下來依次是草地、林地、建設用地、未利用地和水域。

（3）景觀聚集性。從AI 指數的變化可以發現，耕地、林地、草地和水域斑塊的聚集性高低程度在1980-2018 年盡管有小幅波動，但是并未發生顯著的變化。建設用地和未利用地在2010 年之前也是同樣的變化特點，但是在2010-2018 年，兩類景觀斑塊的聚集性較前期發生了顯著（或接近顯著）的變化，建設用地斑塊的聚集性程度較前期升高了7.50%，未利用地的斑塊聚集性較前期降低了4.35%。表明建設用地的聚集性顯著變高。對比圖2d 和2e 兩幅圖可以發現，2010-2018年間在榆中中部川塬河谷區集中成片的居民用地、商業用地、工業用地的建設明顯高于2010 年之前，提高了建設用地斑塊的空間聚集性?？傮w來看，6 類景觀斑塊的景觀聚集性從高到低依次為草地、林地、耕地、未利用地、建設用地和水域。

（4）景觀形狀。景觀形狀指數LSI 的變化表明耕地、林地、草地和水域斑塊的形狀復雜度高低在1980-2018 年盡管有小幅波動，但是并未發生顯著的變化。建設用地和未利用地在2010 年之前也是同樣的變化特點，但是在2010-2018 年，兩類景觀斑塊的形狀復雜度較前期發生了顯著的變化，建設用地斑塊的形狀復雜程度較前期降低了8.16%，未利用地的斑塊的形狀復雜程度較前期升高了10.79%?？傮w來看，6 類景觀斑塊的斑塊形狀復雜程度從低到高依次為未利用地、水域、建設用地、林地、草地和耕地。

3 討論

3.1 土地利用景觀格局驅動力分析

區域土地利用景觀格局的變化其驅動力可以分為自然驅動力和人類活動驅動力兩種類型[15-16]，具體到蘭州市榆中縣來說，其土地利用景觀變化的驅動力主要包括：區域經濟和產業發展、城鎮化建設、政府政策導向和人口增長對土地的需求的變化和增加。另外，結合圖2 所展示的5 期LULC 圖像以及上述土地利用景觀格局變化的分析結果可以看出，榆中縣過去近40 年的土地利用景觀格局變化最顯著的主要是在2010-2018年，且變化主要圍繞榆中盆地的和平鎮、定遠鎮、夏官營、三角城、連搭鄉、城關鎮等，這與在此期間這些地區工農業快速發展、大規?；A設施建設和人口增長有很大關系，結合表5 統計數據具體分析如下。

榆中縣GDP 從2010 年的8.2 億元激增到2018 年的148.3 億元，表明在此期間榆中縣產業經濟快速發展、城鎮化進程顯著加快，這些過程將導致對土地資源的需求顯著增加。從2005 年開始，榆中縣先后啟動了榆中和平工業園區、西北區域型商貿物流樞紐、青城生態農業循環產業園、榆中生態創新城等一系列大型工程項目，這些工程項目的建設是農村土地被城鎮化建設或工業用地替代的主要驅動力。其次，政府對土地利用的政策導向也會影響土地利用景觀變化，比如土地流轉政策和優勢/特色農業發展等。榆中縣從2007 年開始先后扶持金崖標準無公害蔬菜產業園、青城鎮白家坪生態農業循環產業園等現代農業示范園發展，推動高原夏菜基地建設，發展百合、中藥材等特色農業產業。這種以政府牽頭的農業發展導向會在短時間內導致區域土地利用景觀格局發生巨大的變化。最后，榆中縣常住人口從2000 年開始穩步增長，從2000 年的42.2 萬人增長到2018 年的68.3 萬人，這其中還不包括蘭州市中心城區人口向東溢出帶來的人口增長量。人口增長對土地利用格局的影響是復雜的，需要綜合考慮多種因素，隨著人口的增加，除了拆舊蓋新之外，還需要大量的土地用于建設住宅、商業、交通等基礎設施建設，導致城市周邊的耕地、草地、未被開發利用的土地被占用。這也是榆中縣2010 年以后土地利用景觀格局發生顯著變化的主要驅動力之一。

3.2 土地利用景觀格局變化的生態效應

整體來看，近40 年榆中境內景觀格局破碎度、斑塊散布與并列指數增強，說明景觀生態質量下降，主要表現為耕地、林地、建設用地的景觀破碎度變化較為明顯。從圖3 的榆中縣DEM 圖可以看出，榆中境內海拔1 418～3 677 m，中部海拔低，南北海拔高，按照地形可分為北部干旱山區、中部川塬谷地區和南部高寒山區。北部、東北部為干旱山區，山川起伏，氣候干燥，受氣候和地形限制，該地區城市化發展水平低，土地利用景觀格局變化較??；南部高寒山區，降水豐沛，森林密布，屬于國家AAAA 級景區，受當地政府保護，近40年土地利用景觀格局幾乎無變化；中部川塬谷地區，地勢平坦，氣候溫和，灌溉條件良好，是榆中縣的主要產糧區和經濟作物區，近年來，特別是2010 年以來，社會經濟迅速發展，耕地不斷減少，土地利用矛盾尖銳，景觀格局破碎程度日益加劇，說明人類活動對該區域的景觀生態效益產生了負面影響。

圖3 榆中縣DEM 圖

4 結論

（1）榆中縣土地利用景觀格局發生顯著變化的地區主要集中在中部川塬河谷區，且主要集中在2010-2018年。工業園建設、科教城建設、優勢/特色農業產業園發展、基礎設施建設和縣域人口增加是在此期間榆中縣土地利用景觀格局發生顯著變化的主要驅動力。

（2）耕地和草地之間的互相轉換是榆中縣土地利用類型空間變化的主要轉換模式，建設用地的增加主要是由耕地和草地轉出為主。各地類之間的轉換關系在2010 年之前相對比較簡單，其復雜化主要發生在2010-2018 年。

（3）1980-2018 年榆中縣的景觀多樣性、優勢斑塊類型未發生顯著變化。研究區的優勢景觀主要以草地和耕地為主，兩者面積占整個區域景觀總面積比重接近90%。隨著2000 年以后尤其是2010 年以后對榆中縣中部川塬河谷區的土地利用開發建設強度增強，導致土地利用景觀的破碎度、聚集度、異質性、景觀形狀開始出現明顯的空間分異特征。