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地理科学进展  2015, Vol. 34 Issue (7): 840-853    DOI: 10.18306/dlkxjz.2015.07.006
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2000-2010年中国退牧还草工程区土地利用/覆被变化
张海燕1,2,樊江文1,*(),邵全琴1
1. 中国科学院地理科学与资源研究所,陆地表层格局与模拟重点实验室,北京 100101
2. 中国科学院大学,北京100049
Land use/land cover change in the grassland restoration program areas in China, 2000-2010
Haiyan ZHANG1,2,Jiangwen FAN1,*(),Quanqin SHAO1
1. Key Laboratory of Land Surface Pattern and Simulation, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
全文: PDF(11180 KB)   HTML
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摘要 

在3S技术支持下,结合景观格局定量分析方法,基于30 m分辨率的土地利用/覆被数据,对中国退牧还草工程区2000-2010年土地利用/覆被时空分布特征进行研究。通过利用土地利用转移矩阵和动态度来判定土地利用变化的速度和区域差异,并在斑块类型和景观水平上分析研究区景观格局特征,探讨土地利用格局变化的生态效应。结果表明:①近10年来,研究区土地利用/覆被类型以草地和其他类用地为主,整体内部结构稳定少动。草地变化面积仅占2000年草地总面积的0.37%;林地、湿地、耕地和人工表面的面积均有所增加;其他类用地面积有所减少。②全区土地综合动态度均小于0.1%,土地利用/覆被变幅较小,除人工表面较活跃外,其他各类型变化相对缓慢,且各省土地利用区域差异较小。③研究区内景观基质未发生改变,区域景观破碎度递减,景观多样性水平上升,景观聚集度和连续性微弱下降,景观整体保持较完整态势。退牧还草工程的实施使土地利用/覆被结构和景观格局均得以优化。

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张海燕
樊江文
邵全琴
关键词 土地利用/覆被景观格局动态变化退牧还草工程中国    
Abstract

Using the 3S (RS, GIS, GPS) technologies, quantitative analysis method of landscape patterns, and the 30 m resolution land use/land cover data, this study examines the spatiotemporal characteristics of land use/land cover change in the grassland restoration areas in China from 2000 to 2010. We apply two parameters land use transfer matrix and land use dynamic degree to explore the speed and regional differentiation of land use change. This study analyzes the characteristics of landscape patterns at the class and landscape levels in the study area and explores the ecological effect of land use pattern and regional ecological processes. The results show that: (1) Grassland, woodland, wetland, farmland, tificial surface, and others were the main landscape types in the study area in the past decade. The ecosystem structure was stable. About 0.37% of the total grassland area in 2000 experienced change in land use/land cover types. The area of woodlands, wetlands, farmlands, and tificial surface expanded. The area of "others" has declined. (2) The dynamic degree of regional land use was less than one percent in the recent ten years. The speed of land use and land cover change was low, and regional differentiation of change between the provinces was small. (3) The matrix of the landscape did not change in the study area. Landscape fragmentation index values decreased progressively; landscape diversity rose continuously; landscape aggregation and continuity decreased slightly; the landscape maintained relative integrity. The grassland restoration program implementation evidently improved the structure and stability of the land use / land cover.

Key wordsland use/land cover    landscape pattern    dynamic change    grassland restoration programs    China
     出版日期: 2015-08-07
基金资助:国家十二五科技支撑计划项目(2013BAC03B0412);中国科学院西部行动计划项目课题(KZCX2-XB3-08-01)
通讯作者: 樊江文     E-mail: fanjw@igsnrr.ac.cn
引用本文:   
张海燕, 樊江文, 邵全琴. 2000-2010年中国退牧还草工程区土地利用/覆被变化[J]. 地理科学进展, 2015, 34(7): 840-853.
Haiyan ZHANG, Jiangwen FAN, Quanqin SHAO. Land use/land cover change in the grassland restoration program areas in China, 2000-2010. PROGRESS IN GEOGRAPHY, 2015, 34(7): 840-853.
链接本文:  
http://www.progressingeography.com/CN/10.18306/dlkxjz.2015.07.006      或      http://www.progressingeography.com/CN/Y2015/V34/I7/840
Fig.1  退牧还草工程区空间分布
代码 Ⅰ级分类 类型含义
1 林地 木本为主的植物群落,其郁闭度不低于20%,高度在0.3 m以上,包括自然、半自然植被,及集约化经营和管理的人工木本植被。二级分类包括常绿阔叶林、落叶阔叶林、常绿针叶林、落叶针叶林、针阔混交林、常绿阔叶灌木林、落叶阔叶灌木林、常绿针叶灌木林、乔木园地、灌木园地、乔木绿地和灌木绿地。
2 草地 一年或多年生的草本植被为主的植物群落,在气候不适应季节地面植被全部死亡;草地覆盖度大于20%以上,高度在3 m以下;乔木林和灌木林的覆盖度分别在20%以下,包括人类对草原保护、放牧、收割等管理状态的土地。二级分类包括草甸、草原、草丛和草本绿地。
3 湿地 一年中水面覆盖在植被区超过2个月或长期在饱和水状态下、在非植被区超过1个月的表面,包括人工的、自然的表面;永久性的、季节性的水面;植被覆盖与非植被覆盖的表面。二级分类包括森林湿地、灌丛湿地、草本湿地、湖泊、水库/坑塘、河流和运河/水渠。
4 耕地 人工种植草本植物,1年内至少播种一次,以收获为目的植被覆盖表面。二级分类包括水田和旱地。
5 人工表面 人工建造的陆地表面,用于城乡居民点、工矿、交通等,不包括期间的水面和植被;由于人工表面常与绿地交叉,在制图单元内,人工表面占到50%以上面积属于该类。二级分类包括居住地、工业用地、交通用地和采矿场。
6 其他 一年最大植被覆盖度小于20%的地表、冰雪。二级分类包括稀疏林、稀疏灌木林、稀疏草地、苔藓/地衣、裸岩、裸土、沙漠/沙地、盐碱地和冰川/永久积雪。
Tab.1  土地利用/覆被分类系统
景观指数 公式 公式参变量及描述
斑块数目 NP=i=1nni ni为景观类型i的斑块数;NP反映景观格局,用于描述景观异质性和破碎度,衡量目标景观的复杂程度;NP值与景观破碎度成正比,即NP越大,景观破碎度越高,反之景观破碎度越小。
平均斑块面积 MPS=ANP NP为斑块数量;A为评价区域总面积。当MPS值越大时,说明斑块面积越大、斑块个数越少,景观类型的连接性越好。
最大斑块指数 LPI=max (aij)j=1nA×100 aij为第i类景观要素第j个斑块的面积;LPI值大小决定了景观的优势类型,可显示各个类型中最大斑块占研究区总面积的百分比,同时也说明某景观中能容纳物种数的多少。
边界密度 ED=EA×106 E为景观中边界总长度;ED反映了各景观类型间相互镶嵌的情况,揭示景观或斑块类型被边界分割的程度;并从边形特征描述景观破碎化程度,边界密度越高说明斑块破碎化程度越高。
平均斑块形状指数 MSI=i=1mj=1n(0.25Pijaij)N 当景观中所有斑块均为正方形时,MSI=1;MSI值越大表示斑块的形状越复杂。
蔓延度指数 CONTAG=1+i=1mj=1mPigijj=1mgij?[ln (Pi)(gijj=1mgij)]2ln (m) Pi为类型i景观类型占总面积的百分比;gij:斑块类型i与类型j之间相邻格网单元数目的比例,下同。用于测量景观是否由多种要素聚集分布,反映景观组分的空间配置特征,当某一个单一类型在景观中占较大比例时,蔓延度指数就大,说明同类型的斑块连接性较高。
香农多样性指数 SHDI=-i=1m(PilnPi) Pi为类型为i景观类型占总面积的百分比;m为除景观边界出现的,研究区斑块类型的总数,下同。SHDI值越大,说明斑块类型增加或各斑块类型所占面积比例趋于相似,则景观破碎化程度越高。在比较不同时间、空间景观时,该指数能够直观表达景观格局的差异。
香农均匀度指数 SHEI=-i=1m(PilnPi)lnm SHEI值越趋于1,说明景观中斑块分布越均匀;值越小,则说明景观中少数几种斑块类型占优势。
连接度指数 CONNECT=j=knCijkni(ni-12×100 Cijk为斑块类i中斑块j与斑块k在用户给定阈值距离内的连接值(连接为1,不连接为0),ni为景观中斑块类i的斑块数。连接度指数记录了给定斑块数下的最大可能连接的百分数。
聚集度指数 AI=[i=1m(gijgijmax)×Pi]×100 gijmax为同种斑块类型i的所有像元之间最大邻接数,gijmax=Ai-n2,式中,Ai为第i类斑块的总面积,n为正方形的边长。反映不同斑块类型的随机性或聚集程度,其值越大表示同类斑块的聚集度越高。
Tab.2  景观指数的公式及描述
Fig.2  2000、2005、2010年退牧还草工程区土地利用/覆被二级类型空间分布图
年份 统计参数 林地 草地 湿地 耕地 人工表面 其他
2000 面积/万km2 33.06 105.24 12.25 13.04 1.07 154.55
比例/% 10.36 32.97 3.84 4.09 0.34 48.42
2005 面积/万km2 33.12 105.40 12.40 13.40 1.20 153.71
比例/% 10.37 33.02 3.88 4.20 0.38 48.15
2010 面积/万km2 33.19 104.85 12.77 13.75 1.37 153.28
比例/% 10.40 32.85 4.00 4.31 0.43 48.02
Tab. 3  退牧还草工程区土地利用/覆被一级类型构成
Fig.3  2000-2010年退牧还草工程区土地利用/覆被一级类型变化空间分布图
土地利用/覆被类型 林地 草地 湿地 耕地 人工表面 其他 2005年合计
林地 329405 444 56 521 8 723 331157
草地 262 1045398 727 1675 19 5914 1053995
湿地 31 1129 120705 167 3 1923 123958
耕地 742 3801 287 126887 76 2197 133990
人工表面 51 527 72 438 10599 308 11995
其他 103 1127 625 741 4 1534483 1537083
2000年合计 330594 1052426 122472 130429 10709 1545548 3192178
Tab.4  2000-2005年退牧还草工程区土地利用/覆被一级类型转移矩阵/km2
土地利用/覆被类型 林地 草地 湿地 耕地 人工表面 其他 2010年合计
林地 329817 527 15 522 9 1054 331944
草地 68 1043977 1141 840 27 2481 1048534
湿地 165 3977 122040 187 1 1332 127702
耕地 558 3203 210 131528 135 1826 137460
人工表面 74 695 54 544 11815 508 13690
其他 475 1616 498 369 8 1529882 1532848
2005年合计 331157 1053995 123958 133990 11995 1537083 3192178
Tab.5  2005-2010年退牧还草工程区土地利用/覆被一级类型转移矩阵/km2
土地利用/覆被类型 林地 草地 湿地 耕地 人工表面 其他 2010年合计
林地 328607 794 50 980 15 1498 331944
草地 131 1037537 1527 2063 34 7242 1048534
湿地 173 4728 119405 333 4 3059 127702
耕地 1249 6552 445 125265 169 3780 137460
人工表面 123 1225 129 915 10480 818 13690
其他 311 1590 916 873 7 1529151 1532848
2000年合计 330594 1052426 122472 130429 10709 1545548 3192178
Tab.6  2000-2010年退牧还草工程区土地利用/覆被一级类型转移矩阵/km2
土地利用类型 不同时期土地利用年动态度/%
2000-2005 2005-2010 2000-2010
林地 0.034 0.048 0.041
草地 0.030 -0.104 -0.037
湿地 0.243 0.604 0.427
耕地 0.546 0.518 0.539
人工表面 2.402 2.826 2.784
其他 -0.110 -0.055 -0.082
Tab.7  2000-2010年退牧还草工程区各类型土地利用变化动态度
区域 不同时期土地利用年动态度/%
2000-2005 2005-2010 2000-2010
内蒙古 0.051 0.063 0.047
四川 0.016 0.026 0.021
云南 0.005 0.761 0.402
西藏 0.024 0.016 0.019
甘肃 0.047 0.056 0.047
青海 0.017 0.013 0.014
宁夏 0.469 0.178 0.294
新疆 0.188 0.154 0.147
区域综合 0.077 0.072 0.065
Tab. 8  2000-2010年退牧还草工程区各区域土地利用变化动态度
景观指数 年份 林地 草地 湿地 耕地 人工表面 其他
斑块个数/个 2000 24766 34308 28476 11207 6898 28076
2005 24831 34172 28362 11109 7536 28072
2010 24900 33726 29095 10971 8180 28198
平均斑块面积/hm2 2000 1334.87 3067.58 430.09 1163.82 155.25 5504.87
2005 1333.64 3084.38 437.06 1206.14 159.17 5475.50
2010 1333.11 3108.98 438.91 3108.98 167.36 5436.02
最大斑块指数/% 2000 0.6585 2.4478 0.0286 0.0767 0.0009 4.3782
2005 0.6588 2.4468 0.0286 0.0769 0.0011 4.3462
2010 0.6587 2.4373 0.0288 0.0743 0.0013 4.3166
边缘密度 2000 0.2916 0.7784 0.1605 0.1308 0.0235 0.5474
2005 0.2923 0.7772 0.1606 0.1316 0.026 0.5493
2010 0.2935 0.7726 0.1656 0.1317 0.029 0.5511
平均斑块形状指数 2000 1.2153 1.2574 1.1302 1.2334 1.0463 1.2370
2005 1.2155 1.2567 1.1313 1.233 1.0481 1.2381
2010 1.2163 1.2566 1.1333 1.2338 1.0528 1.2383
Tab.9  2000-2010年退牧还草工程区斑块类型水平上的景观指数
景观指数 2000年 2005年 2010年
最大斑块指数/% 4.3782 4.3462 4.3166
边缘密度 0.9661 0.9685 0.9718
蔓延度/% 44.9433 44.6799 44.3283
香农多样性指数 1.2267 1.2331 1.2409
香农均匀度指数 0.6846 0.6882 0.6926
聚集度指数/% 76.5996 76.5422 76.4653
Tab.1  0 2000-2010年退牧还草工程区景观水平上的景观指数
Fig.4  2000-2010年退牧还草工程区气温和降水的变化图
1 布仁仓, 胡远满, 常禹, 等. 2005. 景观指数之间的相关分析[J]. 生态学报, 25(10): 2764-2775. [Bu R C, Hu Y M, Chang Y, et al.2005. A correlation analysis on landscape metrics[J]. Acta Ecologica Sinica, 25(10): 2764-2775.]
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