陕南土地利用景观格局变化及优化研究

杨青林， 邵怀勇， 邢海虹， 张 静， 丁鹏凯， 易 霞

(1.四川省巴中市高级中学，巴中 636000；2.成都理工大学 地球科学学院，成都 610059；3.陕西理工大学 历史文化与旅游学院，汉中 723000)

0 研究背景

景观格局(景观结构)，包括景观组成单元的类型、数目以及空间分布与配置[1-2]，景观格局决定景观功能、景观的空间分布(特别是障碍、通道和高异质性区域相互组合能在很大程度上决定着物质和能量在景观中的流动)[3-4]。景观格局优化是通过调整、优化各种景观类型在数目和空间上的分布与配置，使其产生最大的景观生态效益，其本质是利用景观生态学原理解决土地合理利用的问题，是土地利用规划的核心内容[5-9]，也是目前景观生态学研究的热点和难点问题之一[10]。随着人类活动的加剧，人-地矛盾日益突出，为了区域的可持续发展和生态安全，应当重新调整土地利用方式并进行景观格局优化，以维持生物多样性与资源可持续利用，于此对景观格局优化研究的需求也就越来越迫切了。但是目前景观格局优化尚处于研究探索的初级阶段，没有准确的定义，也没有得到共同认同的结论和成熟方法[5]。如今，景观格局优化的常用方法主要有3种：①概念模型，如Forman等[11]提出的不可替代格局和最优景观格局两个景观整体模式；②数学模型，主要包括多级参数平衡法、线性规划法、多目标规划、灰色系统规划法以及其他数学方法，如杨晓勇等[12]利用混合整数线性规划方法对小流域土地利用结构优化进行研究，承龙等[13]利用灰色线性规划模型和层次分析法对江苏启东市土地利用结构优化进行研究等；③计算机空间模型，如任茜等[14]基于GIS技术利用生态适宜性和敏感性分析模型对低山丘陵区土地利用格局优化研究,陆禹等[15]运用最小耗费距离模型对海口美区景观格局优化进行研究,于强等[16]利用MCR-P模型对磴口县景观布局进行优化研究,陈影等[17]利用最小累积阻力模型对怀来县景观格局优化研究。第③种方法引入一些先进的技术为景观格局优化提供有力的支持和更宽广的思路，通过GIS/RS技术对土地利用景观格局优化研究，对于景观格局优化研究具有很好地促进作用。

图1 研究区概况图

1 研究区概况

陕南指陕西省南部地区，包括汉中、安康和商洛三市，共28区县，位于105°29′16.13″～111°01′52.42″E，31°42′25.30″～34°26′00.59″N，面积约7.04×104km2(图1)。陕南北部为秦岭，南部为大巴山和米仓山，中部为汉江川地，宏观地貌“两山夹一川”，中低山面积广阔，河谷盆地间布其中[18]。境内水系主要有汉江、丹江和嘉陵江，河流阶地和河漫滩发育。该区位于我国南北气候过渡地带，年平均气温约为13.5℃～15℃[19]，年降水量1 000 mm左右[18]，气候温润，四季分明。境内水平地带性土壤、垂直地带性土壤和隐域性土壤相间分布，植被以亚热带常绿和落叶阔叶林为主。

陕南是南水北调中线水源地，我国重要的地理生态分界线、唯一的连接东西部的大尺度生态廊道、生物多样性和水源涵养生态功能区以及集中连片特殊困难地区和国家特困扶贫开发区，其生态建设任务繁重，生态地位独特而重要[20]。然而，长期以来陕南地区经济落后，不合理的人类活动引起水土流失加剧[21-23]，自然灾害频发，区域生态环境正面临严重的威胁[24]，掌握陕南土地利用景观变化情况，确定景观优化策略，对区域土地利用规划具有重要的意义。但是对于陕南土地利用景观格局优化的研究尚不多见，基于此，本研究以南水北调中线水源地陕南作为研究对象，基于RS/GIS相结合的方法，运用最小耗费距离模型对其土地利用景观优化进行研究，以期为区域生态环境改善、景观生态功能增强、生物多样性保护以及土地资源的可持续利用提供科学依据和案例参考，对南水北调调水工程具有重要的意义。

2 数据与方法

2.1 数据来源与处理

本次研究所采用的数据有：2000年、2008年Landsat5 TM影像、2016年Landsat8 OLI影像(行列号分别是：126/36、126/37、126/38、127/37、127/38、128/37、129/37)，时间为植物生长季，云量控制在10%以内，数据来源于地理空间数据云平台。依据土地利用现状分类标准(GB/T 21010-2017)，参考陕南土地利用的特征，分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和其他用地共6类。通过野外实际调研建立解译标志，基于ENVI5.1软件对影像进行相关预处理，采用支持向量机分类方法进行监督分类，并对分类结果进行人机交互式解译，得到3期土地利用分布图。2016年土地利用数据进行野外精度验证，2000年和2008年土地利用数据利用 Google Earth 高分辨遥感影像进行精度验证，正确率均达到90%以上，满足本研究的需要。本研究使用WGS 84坐标，Transverse Mercator 投影，中央经线为105°，将矢量数据转化为栅格数据，空间分辨率为30 m(图2)。

图2 2000年、2008年和2016年景观类型分布图

表1 不同尺度类型景观指数名称和意义

2.2 景观格局指数法

将陕南土地利用类型划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和其他用地等六种景观类型。景观格局指数是高度浓缩的景观格局信息，是反映景观结构组成、空间配置特征的量化指标，是景观格局指数研究的重要指标之一[25]。景观格局指数包括斑块水平、斑块类型水平和景观水平三个尺度，斑块水平是从微观角度解释单个斑块的结构特征，斑块类型水平和景观水平从中观和宏观角度反映区域的景观结构，是对研究区内不同类型斑块与整体特征的描述[2]，本研究侧重于不同土地利用景观类型与整体景观的特征，所以选择斑块类型水平与景观水平的景观格局指数进行分析。笔者根据研究区特点、地理环境因素和研究需要，考虑总体性、常用性、简化性的原则，参照前人研究成果[26-28]，结合各个指标的生态学涵义，选取具有代表性且相对敏感度较大的一套合理的、应用较为广泛的景观格局度量指标，主要针对景观的形态特征、结构特征、优势度以及人类干扰程度，共8个景观指标,具体指数见表1。

表2 陕南不同景观类型生态系统服务价值与阻力值

2.3 景观优化

景观格局优化是利用景观生态学原理解决空间上景观类型(土地利用景观)合理分布的问题，完善区域内土地利用方式的合理配置[29]。由于土地利用景观中的生物物种、营养物质以及其他物质和能量在各种景观类型中流动，均需要克服相应的景观阻力，如果区域内的景观生态系统服务功能越高，则景观功能也就相应完善，上述生态过程受到的阻力就越小，土地利用越合理，景观也就越优化[30]。笔者通过生态系统服务价值确定各类型景观的阻力值，利用最小耗费距离模型得到空间上景观流动的累积阻力值，基于此提出景观优化策略。

2.3.1 基于生态系统服务价值的阻力值计算

景观生态系统服务功能反映景观生态功能，景观类型单位面积生态系统服务价值越高，景观生态功能也就越完善，生态流在各类型景观中流动越容易，景观阻力值就越低，反之景观类型单位面积生态系统服务价值越低，景观阻力值就越高[30]，因此这里以各景观类型单位面积生态系统服务价值作为阻力赋值的基础。根据Costanza等[31]、陈仲新等[32]、谢高地等[33]已有研究成果，水域单位面积生态系统服务价值最高，故阻力最小；建设用地单位面积生态系统服务价值最低，故阻力最大，各类型景观阻力值设置在1～100之间(表2)。

2.3.2 基于最小耗费距离模型构建景观功能网络

最小耗费距离模型反映生态源在空间上的运动趋势，能较好地模拟景观要素在空间运动过程中的阻碍作用[34]，公式如下：

i=1,2,3,…,n;j=1,2,3,…,m

(1)

式中：MCR是最小累积耗费值；n为源的总数；m为景观单元的总数；Fi为景观单元i对生态流的阻碍值；Dij为源j到空间上某一点所穿越的景观单元i的空间距离。

1)生态源地是生态服务较重要、生态敏感度较高和生态系统较稳定的自然生态斑块组成，是维护区域生态安全和可持续发展必须加以保护的区域，能促进生态过程发展[34](如面积较大的林地、水域等)。笔者选择研究区内图斑面积较大的林地(森林公园、风景名胜区等)和水库(水利风景区等)作为生态源地。基于RS/GIS 方法，通过遥感影像解译和GIS空间统计分析，获得生态源地及空间分布数据。

2)生态廊道是生态源地之间生物物种、营养物质以及其他物质和能量流通交换的重要通道，有较高的生态系统服务价值[35]。利用ArcGIS软件构建累积耗费距离表面，借鉴水文分析和邻域分析模型，提取景观生态流的“脊线”和“谷线”，迭代不同的阈值结果与研究区累计耗费距离表面和实际景观进行对比分析，确定研究区最适宜的阈值，提取最大耗费路径“脊线”和最小耗费路径“谷线”，生态廊道选择最小耗费路径。

3)生态节点是指在景观空间中连接相邻生态源，对物质交换和能量流动起关键作用，是景观空间中容易受外界干扰的生态脆弱的区域[6]。依据景观生态学中的原理，基于上述生态廊道提取方法，选择最大耗费路径(“脊线”)和最小耗费路径(“谷线”)的交点作为生态节点。

表3 2000年-2016年陕南不同景观类型面积统计

3 结果分析

3.1 景观格局分析

景观格局变化(景观结构变化)，反映不同景观类型在空间上的变化以及景观功能的差异性[17]。通过景观现状分布和景观格局变化的分析，有利于揭示整个区域的景观发展现状及趋势，对促进人类更好地理解社会与自然环境的相互关系有重要意义，可以为景观优化奠定基础，笔者主要从三方面分析景观格局特征，分别是景观类型现状分布与变化情况、斑块类型水平的景观格局和景观水平景观格局。

3.1.1 景观类型现状及变化情况

陕南土地利用景观类型中(表3)，林地所占比例最大，面积为5 732 573.47 hm2，占总面积的81.49%，主要分布在海拔大于1 000 m的区域；其次是耕地，面积为1 059 550.01 hm2，占总面积的15.06%，主要分布在汉中盆地、安康盆地、商丹盆地、洛南盆地、西乡盆地和汉阴盆地等区域；草地面积为144 864.15 hm2，占总面积的2.06%，主要分布在林地与耕地过渡地带、河流两侧以及高山草甸区；建设用地48 217.84 hm2，占总土地面积的0.69%，主要分布在汉中盆地、安康盆地和商丹盆地，其中汉台区、汉滨区和商州区占总建设用地的32.40%；水域主要是汉江、部分水库和嘉陵江，占土地总面积的0.66%；面积最小的是其他用地，面积为3 227.62 hm2，主要是裸地裸岩、沙地等零星分布。

由表3可以看出，2000年-2016年，陕南土地利用变化显著，主要表现为：林地、水域和建设用地和其他用地持续增加；耕地面积减少；草地变化不大。其中，林地增加69 420.90 hm2，分析其主要原因是该区域分别实施了“天然林保护工程”、“退耕还林工程”、“生态补偿工程”等生态保护和建设工程，使得林地大面积恢复。据相关统计，截至2008年，陕南三市共实施退耕还林近46.67*104hm2，退耕地还林近20*104hm2[36]。水域面积由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月南水北调中线工程开始实施，陕南加大了对汉江上游水资源的保护与河道治理，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]。建设用地面积增加24 890.79 hm2，分析原因主要是城镇的不断扩张、经济活动的日益活跃，基础设施更加完善。其他用地面积增加979.51 hm2，分析其主要原因是陕南局部区域水土流失严重,自然及人类活动影响导致地质灾害，地质灾害发生区域的部分耕地转化为沙地、裸土地、荒草地、裸岩石砾地[37]。耕地面积减少97 924.90 hm2，一方面“退耕还林工程”实施大量耕地进行植树造林，另一方面经济建设的快速发展使该区域居民点及工矿用地增长。草地面积动态变化，先减少后增加，总体来说草地减少。

3.1.2 斑块水平的景观格局特征

1)根据图3分析：总体来说，在2000年-2016年间耕地斑块密度最大，说明耕地的破碎化程度最高；草地次之；林地与建设用地差异不大；最小的是水域和其他用地，表明两者的破碎化程度较低。对比2000年-2016年：耕地和林地斑块密度在减小，说明两者破碎化程度在减小；草地基本不变；水域、建设用地和其他用地在增大，说明两者破碎度均在增大，而且有增大的趋势。

表4 2000-2016年陕南不同景观类型最大斑块指数和聚集度指数

图3 斑块密度柱状图

图4 景观形状指数柱状图

2)根据图4分析：耕地的景观形状指数最大，说明耕地斑块的形状最为复杂；草地次之；林地再之；水域、建设用地和其他用地相对来说偏小，说明其形状相对较简单，复杂程度较低。2000年-2016年各类型中耕地、林地和草地基本不变；水域、建设用地和其他用地有增大趋势，说明该景观类型的形状越来越复杂，受外界干扰增加。

3)根据表4中各类景观最大斑块指数分析：林地最大斑块指数最大，而且林地的最大斑块指数远远大于其他景观类型，说明林地相对于其他景观类型具有绝对优势，林地在陕南的景观中占主导地位，构成了陕南的景观基质，这是陕南各市打造“国家园林城市”、“国家生态城市”的基础和条件；耕地次之；最大斑块指数最小的是其他用地。对比2000年-2016年，林地、水域、建设用地和其他土地的最大斑块指数在增加，说明林地优势度在增加；耕地、草地的最大斑块指数在减小，说明整体景观的破碎度在增加，优势度在降低。

4)根据表4中各类景观聚集度指数分析：林地聚集度最高，建设用地较高，其次是其他用地和水域，草地聚集度最低。在2000年-2016年期间，耕地、草地、建设用地和其他用地聚集度指数在减小，说明聚集度在减小，破碎化程度在增加；相反林地、水域聚集度在增大。

通过以上四种不同斑块类型水平景观指数的对比分析表明：耕地破碎化程度最大故形状最为复杂，林地是陕南优势景观且具有绝对优势。在2000年-2016年期间，林地优势度越来越大，水域、建设用地和其他用地受人为干扰较大，破碎化程度有变高的趋势。

3.1.3 景观水平的景观格局特征

根据表5分析：2000年分类景观的蔓延度值(79.206)小于2016年(79.285)，表明2000年-2016年景观的连接性在增加，破碎度在减少，不同斑块类型的团聚程度在增加。同时，根据景观分离度指数也说明了在2000年-2016年期间，景观的分离度在降低。

根据表5分析：2016年Shannon's多样性指数(0.602 8)小于2000年(0.603 7)和2016年景观Shannon's均匀度指数(0.3365)小于2000年(0.337)，表明陕南景观优势度有所增加，复杂性和破碎化程度有所降低。

表5 2000年-2016年陕南景观水平景观格局指数统计表

图5 陕南累积耗费距离表面

图6 陕南景观生态廊道及生态节点空间分布格局

通过以上四种不同景观水平景观指数对比分析：2000年-2016年间陕南景观的团聚程度、优势度、连接性、多样性在增加，破碎化程度在降低。

3.2 景观优化设计

根据最小耗费距离模型构建最小累积耗费距离表面(图5)，依据陕南景观特征，分别构建生态廊道和生态节点，并与生态源地形成了有机的景观生态网络(图6)。

1)生态源地。这里选择2016年景观类型面积100 hm2以上的水域和林地景观作为生态源地，主要是水库(党河水库、红寺坝水库、黄石滩水库等)和陕南A级旅游景区，包括森林公园(黎坪、五龙洞、木王国、南宫山、牛背梁、天竺山、千家坪等)、名胜风景区(金丝峡、午子山、张良庙-紫柏山、青木川、筒车湾、九天山、熊猫谷、中坝大峡谷等)、水利风景区等。选择该生态源地对于陕南维持区域生态安全、生态系统稳定性以及调水工程具有重要的生态战略意义，在对该生态源地旅游景区开发和建设时应当设置重点保护和禁开发建设区域，避免在开发时破坏良好的生态，同时应注重提升该区域景观斑块之间的连通性，扩大核心斑块面积。

2)生态廊道。生态廊道能够增强景观类型和生态系统的连通性。根据构建的最小耗费距离模型(图5)，运用邻域分析、水文分析模块，选择最小耗费路径为生态廊道。同时，根据景观的功能与分布特征，在陕南构建水域生态廊道、森林生态廊道和农业生产廊道。水域生态廊道主要是汉江、嘉陵江和丹江，水域廊道在饮水、物质的运输、水汽的输送起到了不可或缺的作用，同时陕南的水域廊道在整个研究区占据重要的地位，起着连接耕地、林地的作用，对于水域生态廊道首先应加大对河流沿岸的生态环境建设，加强对水生生物多样性的保护，整治河堤、加固河床，保护河流两岸的自然景观，打造绿色生态长廊。森林生态廊道主要是植被覆盖度较高的林地，森林廊道构建能够更好将生态系统服务高的林地图斑与生态源地有效连接起来。农业生产廊道主要将耕地斑块、生态源地和水域生态廊道连接起来，构建农业生产廊道有利于保障农业生产的顺利进行，同时农业生产廊道、水域生态廊道和森林生态廊道三者贯穿陕南，构建成陕南生态结构的经脉。上述廊道的构建，有利于排放、吸收、缓解以及降低城市中的污染，提高土地利用的集约化和高效化。

3)生态节点。生态源地、生态廊道在空间距离上跨度较大或易受外界其他景观的阻碍，不利于景观生态功能的发挥，构建生态节点对维持景观生态结构的连续性、系统功能的完整性具有重要的生态战略意义[15]。陕南景观格局体系中生态节点主要分布在耕地和林地景观之中，对于分布在耕地中的节点应尽量减少人为活动的干扰，分布在林地中的节点可以根据自身特点建立自然保护区或者旅游景区。

4 结论

笔者利用景观生态学原理和GIS技术结合，应用景观格局指数法分析陕南景观格局变化，在此基础上构建景观最小耗费距离模型，对陕南土地利用景观进行优化。通过研究得到以下结论：

1)在土地利用景观类型中，林地景观在整个陕南景观中占主导地位，是陕南的优势景观。在研究期间，陕南林地、水域和建设用地和其他用地持续增加，耕地面积减少，草地变化不大。

2)在2000年-2016年期间，林地优势度越来越大，水域、建设用地和其他用地受人为干扰较大，破碎化程度有变高的趋势，景观的团聚程度、连接性、多样性和优势度在增加，破碎化程度在降低。

3)在GIS技术支持下，选择生态系统服务价值较高的水库和面积较大林地斑块作为生态源地，根据生态系统服务价值为基础构建最小累计耗费距离表面，利用邻域分析和水文分析提取生态廊道和生态节点。根据陕南特点，分别构建水域生态廊道、森林生态廊道和农业生产廊道，将生态源地与各类景观类型联系起来，在生态源地与生态廊道之间构建生态节点，形成景观生态网络，进而优化景观格局。