退耕还林(草)对农牧交错区小流域景观格局的影响——以神木县六道沟小流域为例

张庆印，樊军，张晓萍

(西北农林科技大学水土保持研究所，黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，712100，陕西杨凌)

黄土高原农牧交错带生态环境脆弱，水土流失严重，是黄河泥沙的主要来源地［1］，其根本原因在于不合理的土地利用［2-3］。我国的退耕还林(草)工程建设已经完成了试点实施阶段(1999—2001年)和工程建设阶段(2002—2010年)，目前正处于后期巩固阶段(2011—2020年)。退耕还林(草)工程目前已经初见成效，宏观上既可以改善生态环境［4］，又可以提高农民的经济效益［5］，微观上既可改良土壤，又可涵养水源［4］;但由此造成的土地利用模式和种植模式的合理性和可推广性等多个方面依然面临后期巩固阶段的新挑战［6-7］。应用景观格局指数研究土地利用/覆被能从另一角度阐述景观格局的变化，并且很大程度上成了土壤侵蚀评价的导向性因素［8］。目前，国内外学者在探讨土地利用对景观格局的影响等方面作了大量研究;但这些研究多集中在森林景观、湿地景观等方面，且大多是大尺度的研究［9-11］。宏观尺度的分析固然可以很好地反映景观格局的变化趋势，但受像元精度的限制，却不能很好地反映资源开发情况及退耕还林(草)对小流域景观格局的影响。

目前黄土区景观多样性、覆被变化等方面有一些研究［12-14］，而对于该区小流域土地利用景观格局时空变化特征方面的研究还较少。六道沟流域位于毛乌素沙地边缘和黄土丘陵区的过渡地带，属于典型的盖沙黄土丘陵地貌，自然景观被破坏殆尽，并且一直受到国内学术界的高度关注。鉴于此，笔者以RS和GIS为技术手段，选用景观格局指数，通过对六道沟小流域15年土地利用及景观格局时空变化特征进行探讨，了解人类活动对不同土地利用类型的干扰程度及未来土地利用方式的相互转换，并定量揭示小流域景观尺度上退耕还林(草)工程对黄土高原地区农牧交错带景观格局演变的影响。

1 研究区概况

六道沟小流域位于毛乌素沙地边缘和黄土丘陵区的交错地带，属于典型的盖沙黄土丘陵地貌，是晋陕蒙水蚀风蚀交错带强烈侵蚀中心。该流域面积7.28 km2，主沟道长4.21 km，自南而北流入窟野河的二级支流三道河。属于中温带半干旱气候区，年均气温为8.4℃，多年平均降水量为437.4 mm，其中6—9月降水量占全年降水量的77.4%，区内大风、沙尘暴发生频繁，吹蚀和风沙堆积均较强烈。天然植被大部分已遭破坏，残存的天然草场也已严重退化、沙化。六道沟流域在中生代时是一个大型的内陆盆地，沉积了巨厚的陆相碎屑沉积物，形成了大规模优质无烟煤，后因地壳抬升作用，煤层天然出露地表。土壤类型主要为沙黄土、红黄土、风沙土和淤土。流域辖4个自然村，人口468人，人口密度85人/km2，流域内种植业、林业、牧业、工副业收入分别占总收入的31%、1%、17%、51%。

2 研究方法

2.1 数据源和数据预处理

根据地表景观的季相差异，选取六道沟流域WV-1遥感影像(2010年2月拍摄，0.5 m分辨率)作为遥感数据，并已进行辐射校正和几何校正;非遥感数据源主要包括1995和2002年的1∶5万六道沟流域土地利用现状图、地形图、土壤类型图等;在ERDAS IMAGINE 9.2中对遥感影像进行几何精校正，然后对图像进行裁剪，从而得到研究区的数字影像图。

根据研究区的地理特征和影像纹理特征，结合研究目的，将研究区土地分为如下8种类型:1)耕地，包括坡耕地、梯田、沟坝地及沟谷地;2)荒草地;3)林地，包括果园用地、有林地和疏林地;4)人工草地;5)灌木地;6)建设用地，包括居民地和煤炭开采用地;7)水域;8)未利用地，包括沙地和裸露基岩。采用计算机自动分类和人工分类相结合的方法分类，在ERDAS IMAGINE 9.2环境下，先对影像进行监督分类，再结合土地利用现状图及地形图等辅助资料，人工解译并修正分类结果，提高解译精度。经过精度评价，2010年六道沟流域分类图总体分类精度为88.51%，可以满足研究精度的要求。最后，在ARCGIS 9.3支持下，通过格式转换等处理，进行数据统计分析。

2.2 分析指标的选取与计算

基于ArcGIS的土地利用数据尺度变换方法为:以原始数据为基准，按照软件默认的栅格单元(12.6 m ×12.6 m)对研究区 1995、2002、2010年 3个时期的数据进行重采样，获得所需的土地利用栅格数据，将转换后的栅格数据导入景观格局分析程序FRAGSTATS 3.3中，分别计算不同时期的景观格局指数值。各景观格局指数的生态学意义及计算公式如下。

1)面积比例(A)，计算公式为

式中:Si为斑块i的面积，m2;S为景观总面积，m2。A值趋于0时，说明景观中此斑块类型变的稀少，A值等于100时，说明整个景观只有一类斑块组成。

2)景观形状指数(IS)，计算公式为

式中:E为景观中斑块边缘总长度，m;Emin为景观中边缘总长度的最小值，m。IS值越大，表示景观形状越不规则或景观中的边缘总长度越长。

3)聚集度指数(IA)，计算公式为

式中:Pi为第i类斑块面积占总面积的比例，%;gi为同种斑块类型i的所有像元之间的邻接数，gimax为同种斑块类型i的所有像元之间最大邻接数;m为景观中斑块类型总数。IA为0表示斑块类型聚集度最低(即每类斑块的像元之间都不邻接)，IA为100表示景观有一个斑块组成。

4)香农多样性指数(ISHD)，计算公式为

当景观均质时，多样性指数为0，其值越大表示景观多样性越高。

5)香农均匀性指数(ISHE)，计算公式为

ISHE值越大表示景观均匀度越高。

6)蔓延度指数(IC)，计算公式为

式中gik为斑块类型i与斑块类型k之间的连接数。如果一个景观由许多离散的小斑块组成，其蔓延度值较小;当景观中以少数大斑块为主或同一类型斑块高度连接时，其蔓延度值较大。

3 结果与分析

3.1 土地利用景观要素分布及空间变化特征

六道沟小流域的西坡有流沙分布，而东坡仅在背风处有流沙，其余大部分是沙黄土。由表1和图1可知，小流域形成了以农林牧类型为主的土地利用格局，面积为678.6 hm2，占全流域面积的90%以上。其中:耕地主要分布在小流域的东南部，即沟道东坡，因为东坡地势缓，人类活动频繁，耕地比较集中;林地和草地分别分布在小流域的西部和东部，林地分布在西部主要用于防风固沙，但由于西北风的吹蚀，流域的西坡的风蚀风积现象严重，草地面积在全流域的比例最大，2010年草地面积占研究区面积的50%以上;水域和建设用地的景观类型面积相对较小，均在4%以下;未利用地面积也较小，不足研究区总面积的5%。以上这些因素决定了该区以农林牧生产为主的特点。

从时间变化特征来看，研究区1995—2010年景观类型面积有较大幅度的变化。其中:耕地减少幅度最大，15年间共减少76.3%，退耕还林(草)前(1995—2002年)研究区耕地减少仅为退耕还林(草)后(2002—2010年)的50.7%;林地面积15年来有增加的趋势，但增加幅度较小;草地面积显著增加，从1995年的297.6 hm2增加到2010年的425.9 hm2，增加43.1%。主要原因是随着天然林保护工程和退耕还林(草)政策的实施，研究区大量的坡耕地退耕还林，同时研究区水土流失严重，发展林业也是导致林地景观增加而耕地面积减少的重要原因。由于近年来当地煤炭的大量开采，建设用地从2002之后有增加趋势，增加78.2%，未利用土地15年间共增加38.4%。

区域景观变化不仅包括景观类型数量上发生的变化，还包括其空间分布的变化。在ArcGIS 9.3中通过栅格数据的运算得到景观要素变化图(图2)。结果表明，景观要素变化最明显的区域主要集中在流域南部和东南部，而且主要是耕地的变化。随着当地以煤炭开采为主的经济发展，退耕还林(草)政策的实施，大量农村劳动力转移到煤炭产业，大大减轻了对土地的依赖性，大部分农民放弃了种植作物，流域北部建设用地的增加主要是近年来煤炭的大量开采。煤炭开采增加了当地农民的收入，从而有效地保证了退耕还林(草)的成果［15］。研究区西部和东部人烟稀少，景观类型多为荒草地和灌木地，受人类活动的影响相对较小，景观类型的变化不明显。

表1 1995—2010年景观要素类型面积变化Tab．1 Area changes of landscape elements from 1995 to 2010

图1 不同年份景观分类图Fig．1 Landscape classification maps in different years

3.2 景观要素间面积转移特征

单纯土地利用景观要素面积的增减并不能很好的反映各要素的转化情况，因此，在ArcGIS 9.3中，通过矩阵运算，得到1995—2002年(表2)和2002—2010年(表3)景观要素转移矩阵。可知，退耕还林(草)前，耕地是下降幅度最大的景观类型，其去向主要是转化为人工草地和灌木地，面积分别为30.9和19.4 hm2，占耕地转出量的96.9%。其他景观要素的转移较少，但退耕还林(草)后各景观要素的转化较为频繁，其中更以耕地的转移最为剧烈，有57.7%的耕地在退耕后的8年间转化成人工草地，耕地的去向还包括林地、建设用地。人工草地的去向和来源均主要为耕地和灌木地，但转入大于转出。由于煤炭产业的发展，研究区建设用地的增加也较为明显，其来源主要是耕地、人工草地、荒草地和灌木地。退耕还林(草)期间未利用地较稳定，但面积仍有增加的趋势。主要原因是流域的南部人烟稀少，部分荒草地和灌木地得不到有效的开发利用，逐渐撂荒。水域的稳定性也较高，只有少量因长时间缺水而转化为草地。

3.3 景观格局动态变化分析

3.3.1 景观类型水平上的指数分析 表4示出流域1995—2010年景观格局指数变化情况。可知:人工草地、灌木地、耕地、荒草地面积占全流域的90%以上，占据着流域的绝对优势;然而，退耕还林(草)前耕地的面积比例从1995年的26.17下降到2002年的19.43，退耕还林(草)后则更是减小到6.20，可见退耕还林(草)显著影响了该流域耕地的面积。

图2 不同时期景观变化图Fig．2 Change maps of landscape in different

表2 1995—2002年景观要素转移矩阵Tab．2 Transfer matrix of landscape elements from 1995 to 2002 hm2

表3 2002—2010年景观要素转移矩阵Tab．3 Transfer matrix of landscape elements from 2002 to 2010 hm2

从各景观类型的形状指数来看，在整个研究时段内，荒草地的形状指数最大(表4)，表明荒草地在所有景观中具有最复杂的形状和边界;而林地和人工草地的形状指数随着时间的变化较为明显，分别从退耕还林(草)前的4.60和11.98提高到退耕还林后的5.60和14.21，表明林地和人工草地在人类活动(退耕还林(草))干扰下边界形状的复杂程度逐步增大;耕地的景观形状指数在15年间呈下降趋势，下降5.46，表明耕地在人类土地整治和退耕还林(草)工程的干预下，形状趋于简单化，边界更加规则，面积有效性进一步提高;未利用地的形状指数最小，呈现上升趋势，说明未利用地板块形状和边界有所变化，但幅度不大。

从各景观类型的聚集度指数看，六道沟流域未利用地聚集度指数最大，平均98.21，其次是林地和灌木地。从土地利用图可以看出，未利用地主要分布在研究区最南部，相对集中，而水域的聚集度最低，表明小流域内水域的分布情况较为分散。

由于近年来煤炭开采带来的巨大效益，建设用地的面积比例从退耕还林(草)前的2.00上升到退耕还林(草)后的3.32;并且从建设用地景观形状指数的减小可以看出，居民用地的增加是在有序规划的基础上进行的，但煤炭开采过程中，人们还应该注重煤炭开采的规划，切不可滥采［13］。

表4 1995—2010年景观格局指数变化Tab．4 Changes of landscape pattern indices from 1995 to 2010

3.3.2 景观异质性分析 六道沟小流域不同时期景观多样性指数变化情况见表5。可见，不同时期景观多样性指数变化差异较明显，退耕还林(草)前的香农多样性指数较高，实施退耕还林(草)政策后，2010年香农多样性指数比1995年下降0.03。表明该区的景观复杂性有所下降，而均匀性指数的降低表明该区景观由几个少数主要的景观类型控制的程度有所提高，组成景观各类型所占比例差异增大，景观异质性降低。这主要是因为研究区以低山地貌为主，近年来的植树造林及退耕还林(草)等使占优势的景观类型林地所占比例进一步提高，对景观的控制作用增强所致。

表5 不同时期景观多样性指数变化Tab．5 Changes of landscape diversity indices in different years

从表5可以看出，研究区的景观蔓延度指数有所提高，从退耕还林(草)前的46.26升高到退耕还林(草)后的47.54，表明研究区小斑块数量减少，大斑块数量增加，具有高优势度的草地斑块形成了良好的连接性，景观类型的破碎化程度降低，总体景观格局趋于简单化。这种格局使整个景观内部的相互作用增强，并且增强了生态系统的稳定性，有利于保土保肥，减少水土流失，特别是耕地转化为草地、林地之后，其作用更加显著［15］。

4 讨论

土地利用影响景观格局的变化，进而导致景观功能的动态变化。景观格局指标是定量分析景观格局与生态过程的主要方法，已广泛应用于反映景观格局与生态响应的关系［16-17］。郝仕龙等［10］的研究表明，1995—2004年，黄土丘陵小流域上黄试区景观类型多样性指数和均匀度指数略有下降，上黄试区从耕地和草地为主的景观类型转变为以林地和草地为主的景观类型。王晓燕等［12］对纸坊沟的同类研究结果表明，1958—1998年，在以人类活动干预和植被内援演替为主要驱动力的共同作用下，该流域的耕地逐渐被林地、草地所取代。本研究中，六道沟小流域15年间景观类型多样性指数和均匀度指数同样略有下降，并且从耕地、草地和林地为主的景观生态系统转变为以草地和林地景观为主的景观生态系统。可知，退耕还林(草)工程的实施对农牧交错区景观类型变化的影响很大，促使景观类型的异质性降低。

选择退耕还林(草)工程实施较早的典型研究区——农牧交错区六道沟小流域作为案例区进行分析，其研究结果可为其他尚在进行退耕还林(草)后期巩固阶段的地区提供及时的参考。将2002年(工程建设阶段的第1年)作为阶段划分点，将研究区退耕还林(草)工程实行之前8 a和退耕后8 a作为2个阶段进行对比分析，相对于类似研究［10］仅对2期土地利用现状图进行对比的通常做法更具科学性，使退耕还林(草)工程在驱动景观格局演变方面的作用得到了充分的体现。

5 结论

1)土地利用影响景观格局的变化，进而导致景观功能的动态变化。1995—2010年，研究区从耕地、草地和林地为主的景观生态系统转变为以草地和林地景观为主的景观异质程度较低的景观生态系统。

2)退耕还林(草)前到退耕还林(草)后，研究区景观要素之间的转化主要表现为耕地转化为草地和林地，草地转化为林地和建设用地。耕地的减少是引起林草地变化的主要原因，其驱动机制主要表现为国家退耕还林(草)宏观政策的实施，使部分耕地转化为林地及草地;部分草地转化为建设用地是受煤矿开采经济利益驱动机制影响。因此，政策的引导及经济利益的驱动是该流域土地利用变化的主要驱动力。

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