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Dynamic Landscape Pattern Changes in Duolun

内蒙古多伦县景观格局动态变化分析



全 文 :第 19 卷  第 2 期
Vol. 19  No. 2
草  地  学  报
ACTA AGRESTIA SINICA
   2011 年  3 月
 M ar.   2011
内蒙古多伦县景观格局动态变化分析
陈贵廷, 刘清泉1 , 叶生星2 , 郑志荣2 , 刘杰波3 , 牟  宁1
( 1. 内蒙古林业科学研究院, 呼和浩特  010010; 2. 中国环境科学研究院, 北京  100012;
3.准格尔旗环保局, 准格尔旗 内蒙古  010300)
摘要: 根据内蒙古多伦县 2000 年 TM 影像和 2008 年 SPOT5 影像及地面调查资料, 在 ArcG IS 和 ERDAS 等软件
支持下,获得多伦县 2 期景观类型数据, 并运用景观生态学原理与方法, 分析了多伦县 2000- 2008 年景观格局动
态变化,以期为多伦县土地资源的合理规划与利用提供决策依据,也为荒漠化治理提供理论依据。结果表明:林地
面积增长最快,增长了 12. 09 倍, 年变化率为 1. 51% ,优势度指数增加明显, 破碎度指数和分维数减小; 沙地面积减
小最为明显,减小了 16107 hm2 , 占 2000 年沙地总面积的 85. 1% , 年变化率为 0. 11% ,随着斑块数量的增加破碎度
指数呈增加趋势,沙地景观类型重心向西北方向转移 21. 13 km。草地斑块数呈减少趋势, 但是斑块面积增加了
36150 hm2, 占 2000 年草地总面积的 16. 4%。综上所述 ,表明多伦县生态环境趋于良性发展。
关键词:  3S技术; 景观格局;动态变化
中图分类号: Q149    文献标识码: A      文章编号: 1007-0435( 2011) 02-0207-08
Dynamic Landscape Pattern Changes in Duolun
CHEN Gu-i ting
1
, L IU Qing-quan
1
, YE Sheng-x ing
2
, ZHENG Zh-i rong
2
, L IU Jie-bo
3
, M U N ing
1
( 1. Inner Mongolia Academy of Fores t ry S cien ce, H ohhot , Inner Mongolia 010010, China;
2. Chinese Research Academ y of En vi ronmen tal Sciences, Beijin g 100012, China;
3. Environmental Protection Agency Zhunger, Zhunger, Inn er Mongolia 010300, China)
Abstract: T he spat ial info rmat ion of landscape pattern fr om Duo lun in 2000 and 2008 are explained and ex-
tracted by the ArcGIS and ERDAS so ftw are. To suppor t the theoret ical basis of ut ilizing land resour ces in
Duolun, the spat ia-l temporal dynam ic changes of the landscape pat tern f rom 2000 to 2008 are analy zed by
applying the basic theory and method of landscape ecolog y. Results show that the area of forest land in-
creased most rapidly, about 12. 09 times than before. T he change rate is 1. 51% per year. Dom inant index
increased signif icant ly, w hereas f ragmentat ion index and the f ractal dimension decreased; the area of sand
land decreased about 16107 hm2 ( accounted for 85. 1% of the total sand land area in 2000) . T he change r ate
per y ear is 0. 11%. The number of grassland patches was propor tional to the fragmentation index. The fo-
cus of sand landscape w as moving over 21. 13 km to the northw est ( accounted for 16. 4% of the total g rass-
land area in 2004) .
Key words:  3S T echno logy; Landscape pattern; Dynam ic change
  景观格局包括景观组成单元的类型、数量以及
空间分布与配置,是自然因子和人为因子共同作用
下景观异质性在空间上的综合表现。一直以来, 格
局、过程、尺度及它们相互关系的研究是景观生态学
界关注的核心所在[ 1~ 3]。在景观生态过程中, 格局
既决定生态过程又影响和控制景观功能的循环和发
展,一定的景观格局会产生相应的景观功能。目前,
对景观格局动态变化的研究已经成为当前景观生态
领域的一个热点 [ 4~ 6] , 国内外许多学者开展了大量
深入细致的研究, 并逐步建立起一套较为成熟的景
观格局分析方法和景观模型 [ 7~ 8]。
多伦县位于浑善达克沙地东南端, 属于生态脆
弱区,是华北地区尤其是京津地区生态屏障的重要
组成部分,其生态环境优劣直接关系到周边地区的
发展,防治多伦县荒漠化,对维持生态系统平衡和京
津地区生态安全和可持续发展起到至关重要的作
收稿日期: 2010-11-12;修回日期: 2010- 12-29
基金项目:国家重点林业工程监测技术研究 ( 2006BAD23B05) ( 2006BAD23B06)资助
作者简介:陈贵廷( 1981- ) ,男,硕士,内蒙古赤峰市人,主要从事遥感与地理信息系统在生态环境中的应用研究, E-mail: cgt _008@ 163.
com
草  地  学  报 第 19卷
用[ 9]。多伦县是以牧为主的农牧结合区, 气候干旱、
风沙较大。尤其是 20世纪 50年代以来,由于过牧、
开垦、樵采等不合理人为活动的长期作用,使土地沙
漠化加剧,流动沙丘南移, 成为京津唐经济圈扬沙、
浮尘天气的主要沙源地[ 10] 。2000年多伦县被列入
京津风沙源治理工程区, 经过几年的综合治理,在荒
漠化防治方面取得了良好的效果, 但是,到目前为止
还没有准确的数据来反映其治理成效。开展土地利
用景观格局及其动态变化的研究,对于京津风沙源
治理工程效益评价以及进一步开展有效合理的治理
都具有重要意义。
本文以3S 技术为主要技术支撑,结合野外实地
调查,对多伦县土地利用景观格局动态变化进行分
析研究,以期揭示土地利用景观格局变化规律,深入
了解景观格局与景观动态变化之间的关系, 从而为
多伦县土地资源的合理规划与利用提供决策依据,
为进一步深入开展荒漠化治理提供理论依据。
1  研究区概况与方法
1. 1  研究区概况
多伦县地处内蒙古波状高原南缘, 地理坐标为
E11554~ 11655, N4146~ 4239。东与河北省
围场县接壤;南与丰宁、沽源交界; 西与蓝旗为邻; 北
与赤峰市克什克腾旗毗邻,县境南北长 110 km, 东
西宽 70 km,总面积 3773 km2。全县地处浑善达克
沙地南缘,是我国北方农牧交错带典型的农牧结合
经济类型区。
气候属中温带半干旱向半湿润过渡的大陆性气
候。海拔 1150~ 1800 m, 年均温 1. 6  , 年均最高
温 9. 1  , 年均最低温- 5. 0  , 无霜期 95 d。年均
降水量为 386. 2 mm , 多集中在 6- 8月份, 属内蒙
古锡盟境内丰水带。
1. 2  研究方法
1. 2. 1  动态度( K )
土地利用动态度可定量描述土地利用变化速
度,指区域一定时间范围内,某种土地利用类型变化
速度的情况,计算公式为:
K = Ub- Ua
t  Ua  100%
式中, Ua, Ub 分别为研究期初和研究期末土地
利用类型的数量; t 为研究步长。当 t 设定为年时,
K 为研究时段内某种土地利用类型的年变化率。
1. 2. 2 优势度指数( D )
反映斑块在景观中占有的地位及对景观格局形
成的影响,计算式为:
D=
L + R
2
式中, L 为斑块 k 的数目/斑块总数目; R 为斑
块 k 的面积/斑块总面积。D 值越大, 该斑块在景
观中的地位就越重 。
1. 2. 3  破碎度指数( C)
反映斑块的破碎化程度,计算式为:
C =
M Ao
式中,  M 为某类斑块总个数;  A o 为该类型
斑块总面积。在一定程度上反映了人类活动对景观
的干扰程度。
1. 2. 4  分维数( FD )
反映斑块形状的复杂程度, 计算式为:
FD =
2ln( P
4
)
ln( A )
式中, P 为某类斑块的平均周长; A 为该类斑块
的平均面积; FD 值的理论范围为 1. 0 ~ 2. 0。FD
值越大,则斑块形状越复杂。
1. 2. 5  外业调查
以多伦县为调查对象, 于 2006- 2008年分别对
不同地类进行实地调查,对不同植物群落用 GPS定
位后,用群落类型来定义解译标志。随机建立监测
样点采集草本样方和林木样方。调查指标主要有植
物种、植被盖度、高度、频度等。每个指标的调查方
法采用常规方法。
1. 3  数据来源与处理
以美国陆地资源卫星 5 ( Landsat 5)数据 1期
2000年 TM 遥感影像和 2008 年 SPOT 5为基础数
据,结合研究区 1 5万地形图、土地利用现状图等
为辅助图件。在 ERDAS Imagine 8. 7 软件的支持
下完成图像拼接、分幅裁减、标准假彩色合成及影像
精纠正、配准和增强处理。将各期遥感影像数据在
ArcGIS 9. 2环境下储存,结合外业调查和原有专题
图对比分析进行遥感判读、解译和编制工作, 利用
ArcGIS 的空间分析功能,对栅格数据进行计算和分
析,获得相应的空间信息, 最后利用 Frag stats 3. 3
软件计算多伦县景观格局指数。
208
第 2期 陈贵廷等:内蒙古多伦县景观格局动态变化分析
2  结果与分析
2. 1  多伦县土地利用动态变化
由表 1可知, 8年间多伦县土地利用面积增加
的土地利用类型是林地、草地、水域和城镇建设用
地,而农村建设用地、山地旱地和沙地土地利用面积
在减少。其中灌木林地和有林地分别增加了12711 hm2
和 4342 hm2 , 分别增长了 1. 35倍和 12. 09倍; 草地
面积增加了 36150 hm2 , 占 2000 年草地总面积的
16. 4% ;山地旱地分别减少了28385hm2 ,占2000年
其土地利用总面积的 26% , 这充分显示了 2000年
以后多伦县实施退耕还林还草政策的成效。水域面
积的增加可能是由于大量植树造林起到了水源涵养
的作用, 使区域内蓄水量明显增加。城镇建设用地
的增加和农村建设用地的大量减少, 充分说明多伦
县随着经济快速增长生态移民的力度逐渐加大。未
利用土地中沙地面积减小最为明显, 减小了 16107
hm2 , 占 2000年沙地总面积的 85. 1%。由此看出,
京津风沙源治理工程的实施对多伦县植被恢复和生
态环境改善有显著效果。
表 1 2000- 2008 年多伦县土地利用面积及其变化
Table 1  Changes o f area land use fr om 2000 to 2008 in Duolun, hm2
土地利用代码
L and use code
土地利用类型     
Land use type      2000年 2008年
2000- 2008年变化
Changes fr om 2000 to 2008
年变化率
Rate of change, %
12
山地旱地
Drylan d
108322 79937 - 28385 - 0. 03
21
有林地
Forest land
359 4701 4342 1. 51
22
灌木林地
Sh rub land
9407 22118 12711 0. 17
24
其他林地
Other fores t land
213 1153 940 0. 55
31
高覆盖度草地
T he high coverage gras sland
70383 115328 44945 0. 08
32
中覆盖度草地
T he middle coverage grassland
118136 103607 - 14529 - 0. 02
33
低覆盖度草地
T he low coverage grassland
31380 37114 5734 0. 02
41
河流
River
181 298 117 0. 08
42
湖泊
Lake
461 2214 1753 0. 48
43
水库坑塘
Reservoir
826 210 - 616 - 0. 09
51
城镇
City
852 1882 1030 0. 15
52
农村
Count ry
3774 1585 - 2189 - 0. 07
61
沙地
Sandy land
18918 2811 - 16107 - 0. 11
64
沼泽
Sw amp
20251 12576 - 7675 - 0. 05
  从年变化率来看, 呈增加趋势的土地利用类型
中,有林地是变化最快的一个, 年变化率为 1. 51% ,
其次为其他林地、湖泊、灌木林地、城镇建设用地和
草地;呈减少趋势的土地利用类型中,沙地是变化最
为明显的,年变化率为 0. 11%, 其次为农村建设用
地、沼泽和山地旱地。
2. 2  多伦县土地利用面积转移矩阵
由表 2可知,各地类间都存在着相互转移,其中
林地和草地是相对较稳定的土地利用类型,转出面
积占很小比例,由其他土地利用类型转化来的面积
较大。林地主要由草地、沙地、沼泽和山地旱地转化
而来, 其转化的总面积约为 2000 年林地总面积的
2倍。草地主要是由沙地、沼泽和山地旱地转化而
来,转化来的草地面积占 2000 年草地总面积的
30. 8%。沙地和山地旱地均属变化较大的土地利用
类型, 2种土地利用类型大量向林地和草地转移,转
209
草  地  学  报 第 19卷210
第 2期 陈贵廷等:内蒙古多伦县景观格局动态变化分析
出面积分别占 2000年其土地利用面积的 85. 1%和
26. 6%。这可能与近年来多伦县对裸地开发利用力
度加大, 土地利用率不断增加, 特别是在 生态移
民、退耕还林还草、京津风沙源治理工程相继
启动下,土地利用格局发生明显改变,朝向有利于生
态环境良性发展方向发展。
2. 3  多伦县景观空间格局变化分析
2. 3. 1  景观格局变化分析
根据研究区景观特点, 选取斑块数量、斑块面
积、平均斑块周长、平均斑块面积、斑块面积、最大斑
块指数等生态学意义明确的指标,其计算公式与含
义参见相关文献[ 11~ 15] 。由表 3 可知, 2000 - 2008
年草地斑块数呈减少趋势,减少 207个,但是斑块面
积和平均斑块周长呈增加趋势, 分别增加了 36150
hm 2和 89. 64 m,斑块密度减少了 0. 06 个  hm - 2 ;
草地斑块数减少但是草地面积在增加, 与退耕还林
还草的实施密不可分, 使零星分散的小面积草地连
成片。林地斑块数增加 51 个, 斑块面积增加了
17993 hm2 ,最大斑块指数增加了 0. 89,其中灌木林
增加最多;林地斑块和面积的增加,与近年来实施京
津风沙源治理工程有直接关系, 多伦县近年来通过
人工造林、封山育林等措施,使许多荒废土地利用起
来,森林覆盖率逐年提高。河流、湖泊斑块数和斑块
面积呈增加趋势, 斑块数分别增加了 28个和 22个,
斑块面积分别增加了 117 hm 2和 1753 hm 2 ,平均斑
块周长也呈增加趋势, 山地旱地的斑块数、斑块面积
和最大斑块指数都呈减小趋势, 分别减小了 334个、
28385 hm
2和 3. 72, 沙地斑块数增加了 17 个, 但是
斑块面积减少了 16107 hm2。沙地和山地旱地的减
少,是多年来实施生态治理工程的必然结果。
表 3 2000- 2008 年多伦县景观格局结构特征
T able 3 Landscape pattern spat ial character isticfrom 2000 to 2008 in Duolun
土地利用
L and use type
年份
Year
斑块数量
Number of
patches
斑块面积
Patch area
hm 2
平均斑块周长
Average perimeter
of patch, m
平均斑块面积
Average area
of patch, hm2
斑块密度
Den sity of patch
个 hm- 2
最大斑块指数
Largest patch
in dex
高覆盖度草地 2000 264 70383 125. 78 266. 6 0. 07 7. 62
Th e high coverage grass lan d 2008 180 115328 125. 66 640. 71 0. 05 12. 57
中覆盖度草地 2000 318 118136 120. 24 371. 5 0. 08 3. 62
Th e middle coverage gras sland 2008 203 103607 149. 21 510. 38 0. 05 4. 74
低覆盖度草地 2000 176 31380 104. 91 178. 3 0. 05 1
Th e low coverage gras sland 2008 168 37114 165. 7 220. 92 0. 04 1. 97
有林地 2000 15 359 163. 3 23. 93 0 0. 02
Forest land 2008 49 4701 121. 9 95. 94 0. 01 0. 15
灌木林地 2000 73 9407 96. 47 128. 86 0. 02 0. 25
Shru b land 2008 82 22118 120. 26 269. 73 0. 02 0. 95
其他林地 2000 3 213 107. 68 71 0 0. 05
Oth er forest lan d 2008 11 1153 125. 4 104. 82 0 0. 11
河流 2000 7 181 231. 13 25. 86 0 0. 01
River 2008 35 298 311. 02 8. 51 0. 01 0. 01
湖泊 2000 32 461 164. 61 14. 41 0. 01 0. 01
Lak e 2008 54 2214 218. 15 41 0. 01 0. 35
沼泽 2000 43 20251 95. 37 470. 95 0. 01 0. 84
Sw am p 2008 54 12576 120. 71 232. 89 0. 01 0. 67
水库坑塘 2000 2 826 47. 15 413 0 0. 13
Reservoi r 2008 1 210 43. 81 210 0 0. 05
山地旱地 2000 625 108322 132. 47 173. 32 0. 16 6. 27
Dryland 2008 291 79937 117. 12 274. 7 0. 08 2. 55
沙地 2000 142 18918 116. 08 133. 23 0. 04 0. 85
Sandy land 2008 159 2811 247. 4 17. 68 0. 04 0. 06
城镇 2000 2 852 71. 35 426 0 0. 21
City 2008 2 1882 34. 26 941 0 0. 42
农村 2000 252 3774 145. 48 14. 98 0. 07 0. 03
Count ry 2008 144 1585 186. 57 11. 01 0. 04 0. 02
211
草  地  学  报 第 19卷212
第 2期 陈贵廷等:内蒙古多伦县景观格局动态变化分析
  由图 3可知, 河流、湖泊、农村建设用地和沙地
分维数最大,表明集中景观类型斑块形状比较复杂,
其次为林地和草地, 城镇建设用地分维数最小,形状
比较均匀。林地和草地形状较均匀,是因为近年来
退耕还林还草工程和京津风沙源治理工程实施过程
中大多都是规则的几何图形。2000- 2008 年, 河
流、沙地、农村建设用地和沼泽分维数增大,表明它
们的斑块形状呈现复杂化,尤其成片的沙地在治理
过程中将其分散成大小、形状不一的零星沙地。
图 3  多伦县景观分维数指数
F ig . 3  Landscape Mean patches fr actal dimension index in Duolun
2. 3. 3  沙地景观重心转移
通过对多伦县 2000年和 2008年沙地景观重心
计算得到, 2000年多伦县沙地重心点坐标为 N40
3352, E1154152, 2008年多伦县沙地重心点坐
标为 N403641, E1152720。沙地景观重心向西
北偏移 21. 13 km。结果表明,近年来多伦县实施的
生态移民、退耕还林还草、 京津风沙源治理工
程等生态环境治理措施,有利于沙地景观的良性发
展,多伦县位于浑善达克沙地东南端,沙地景观重心
向西北偏移,说明原有沙地经过一系列生态治理后
沙地面积在逐渐退缩, 这会更加增强未来人们对荒
漠化治理的信心,有利于生态环境的改善。
3  讨论
景观格局变化既受自然因素的制约,又受社会、
经济和历史等人文因素的影响, 具有很强的综合性
和地域性。人类的社会经济活动直接导致了土地利
用方式的改变和景观格局的演变, 人口因素、城市化
与经济发展速度、产业结构调整等,是研究区景观格
局变化的真正驱动力 [ 16]。
多伦县是典型的以农牧为主的地区, 建国 50多
年来,人口数量从 2万人增加到 10万以上。人口增
加导致对耕地资源的需求增加。由于该区农业生产
力水平和农耕产出低下, 人们只有通过不断地开垦
草地以增加耕地面积, 其中一些不适宜耕种的草地
也拓变为耕地, 致使大量的土地资源遭到破坏。近
年来,政府通过生态移民工程使农牧民得到更多
的扶持,一方面让农牧民脱贫致富,另一方面促使生
态环境得到改善, 这一点也能从农村建设用地的锐
减变化中显现出来。
20世纪 80年代末, 政府号召发家致富, 鼓励多
养牲畜, 到 1999 年该县牲畜数量达到 60 万头
(只) [ 17]。畜牧业的快速发展,对草场面积和质量影
响很大。超牧极大程度的破坏了草场, 使得草地覆
被稀疏,覆盖率降低, 草场退化严重 [ 18]。退化草地
在干旱和大风作用下很容易沙漠化, 区域环境状况
堪忧。在 2000年以后政府面对恶劣环境的挑战,积
极推行禁牧舍饲工程, 有效缓解了牲畜对生态环
境的破坏压力, 到 2007 年底, 多伦县牲畜总数为
14. 35万头, 10年牲畜数量减少了 40万头, 这是对
本文得出结论(草地斑块减少, 但是斑块面积增加)
213
草  地  学  报 第 19卷
的有力论证。
郭碧云等[ 19] 以多伦县 1975 年、1990 年、2000
年和 2004年 4期遥感影像为基础数据,论证了林地
和草地面积增加,农用地和未利用土地面积减少, 土
地覆被状况有所改善, 区域生态朝着有利于环境保
护的方向发展, 这与本文研究总体趋势相同。宝音
陶格涛等[ 20] 利用 3S技术, 以 1995 年 T M 影像为
基础,得出多伦县土地利用结构以草地、耕地和其他
类土地(以沙地为主)以三三制构成, 并且农耕地、
沙地较多而林地较少, 这充分论证了本文景观格局
动态变化分析结果。
目前,国家把多伦县作为防风固沙和京津风
沙源的重点治理区, 实施了京津风沙源治理工
程、退耕还林还草工程、禁牧舍饲工程和生态
移民工程, 有效遏制了该地区生态环境恶化的趋
势。通过景观格局动态变化分析结果, 2000- 2008
年研究区林草面积有所增加, 农田和未利用土地面
积发生相应减少,和上述工程的开展相互印证,更能
从宏观上反映生态治理工程成效,为多伦县生态治
理工程建设提供理论依据, 为政府宏观决策和工程
实施提供服务。为多伦县的景观格局朝向有利于生
态改良的方向发展提供理论基础。
4  结论
4. 1  2000- 2008年多伦县土地利用面积增加的景
观类型是林地、草地、水域和城镇建设用地, 而农村
建设用地、山地旱地和沙地土地利用面积在减少。
其中,林地面积增长最快,增长了 12. 09倍, 沙地面
积减小最为明显, 减小了 16107 hm2 , 占 2000 年沙
地总面积的 85. 1%。林地面积的年变化率为
1 51%,沙地面积的年变化率为 0. 11%。
4. 2  2000- 2008年各地类间都存在着相互转移,
其中林地和草地是相对比较稳定的土地利用类型,
转出的面积占很小比例, 由其他土地利用类型转化
来的面积较大; 沙地和山地旱地均属变化较大的土
地利用类型, 2种土地利用类型大量向林地和草地
转移, 转出面积分别占 2000年其土地利用面积的
85. 1%和 26. 6%。
4. 3  2000- 2008 年草地斑块数呈减少趋势, 但是
斑块面积在增加,总面积增加了 36150 hm2 ,林地随
着斑块数量的增加, 斑块面积也增加了 17993 hm 2 ,
变化最为明显的是沙地, 沙地随着斑块数量的增加,
斑块面积减少了 16107 hm2。
4. 4  2000- 2008 年林地优势度指数增加明显; 河
流和沙地破碎化程度变化快, 林地破碎度呈减小趋
势;河流、沙地、农村建设用地和沼泽分维数增大,林
地、山地旱地分维数减小。沙地景观类型重心向西
北方向转移 21. 13 km。
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(责任编辑  李美娟)
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