2000-2010年中国退牧还草工程区土地利用/覆被变化

doi:10.18306/dlkxjz.2015.07.006

摘要/Abstract

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。

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 words: land use/land cover, landscape pattern, dynamic change, grassland restoration programs, China

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[J]. PROGRESS IN GEOGRAPHY, 2015, 34(7): 840-853.

图/表 14

图1

表1

表2

景观指数的公式及描述"

景观指数	公式	公式参变量及描述
斑块数目	$NP = ∑ i = 1 n n i$	$n i$ 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	$MPS = A NP$	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	$LPI = max (a ij) j = 1 n A × 100$	$a ij$ 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	$ED = E A × 106$	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	$MSI = ∑ i = 1 m ∑ j = 1 n (0.25 P ij a ij) N$	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	$CONTAG = 1 + ∑ i = 1 m ∑ j = 1 m P i g ij ∑ j = 1 m g ij ? [ln (P i) (g ij ∑ j = 1 m g ij)] 2 ln (m)$	P_i为类型i景观类型占总面积的百分比;g_ij：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	$SHDI = - ∑ i = 1 m (P i ln P i)$	P_i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	$SHEI = - ∑ i = 1 m (P i ln P i) lnm$	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	$CONNECT = ∑ j = k n C ijk n i (n i - 1 2 × 100$	C_ijk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),n_i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	$AI = [∑ i = 1 m (g ij g ijmax) × P i] × 100$	$g ijmax$ 为同种斑块类型i的所有像元之间最大邻接数, $g ijm ax$ =Ai-n²,式中,A_i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。

表2

图2

表 3

图3

表4

表5

表6

表7

表8

表9

表1

图4

参考文献 37

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.]
2	布仁仓, 王礼宪, 肖笃宁. 1999. 黄河三角洲景观组分判定与景观破碎化分析[J]. 应用生态学报, 10(3): 321-324.
	[Bu R C, Wang L X, Xiao D N.1999. Analysis on landscape elements and fragmentation of Yellow River Delta[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 10(3): 321-324.]
3	蔡为民, 唐华俊, 吕钢, 等. 2006. 景观格局分析法与土地利用转换矩阵在土地利用特征研究中的应用[J]. 中国土地科学, 20(1): 39-44.
	[Cai W M, Tang H J, Lv G, et al.2006. Application of approach of landscape pattern analysis and land use conversion matrix in research of land use characteristics[J]. China Land Science, 20(1): 39-44.]
4	陈文波, 肖笃宁, 李秀珍. 2002. 景观指数分类、应用及构建研究[J]. 应用生态学报, 13(1): 121-125.
	[Chen W B, Xiao D N, Li X Z.2002. Classification, application, and creation of landscape indices[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 13(1): 121-125.]
5	何昌茂. 2000. 面向新世纪牧区畜牧业要大发展: 关于加快发展我国草原畜牧业几个问题的探讨[J]. 四川草地, (2): 1-6.
	[He C M.2000. Investigate some questions on speeding up the process of developing the animal husbandry of grassland in China[J]. Journal of Sichuan Grassland, (2): 1-6.]
6	李秀珍, 布仁仓, 常禹, 等. 2004. 景观格局指标对不同景观格局的反应[J]. 生态学报, 24(1): 123-134.
	[Li X Z, Bu R C, Chang Y, et al.2004. The response of landscape metrics against pattern scenarios[J]. Acta Ecologica Sinica, 24(1): 123-134.]
7	罗旭. 2013. 农业部: 退牧还草等生态工程效果显著[J]. 农业环境与发展, (2): 109.
	[Luo X.2013. Ministry of Agriculture: remarkable effect of the grassland restoration programs[J]. Agro-Environment and Development, (2): 109.]
8	缪冬梅, 刘源. 2013. 2012年全国草原监测报告[J]. 中国畜牧业, (8): 14-29.
	[Miu D M, Liu Y.2013. The grassland monitoring report in 2012[J]. China Animal Industry, (8): 14-29.]
9	农业部. 2007. 农业部全国草原监测报告[J]. 中国牧业通讯, (9): 28-33.
	[Ministry of Agriculture.2007. The grassland monitoring report in China[J]. China Animal Husbandry Bulletin: (9): 28-33.]
10	欧阳志云, 王桥, 郑华, 等. 2014. 全国生态环境十年变化 (2000-2010年) 遥感调查评估[J]. 中国科学院院刊, 29(4): 462-466.
	[Ouyang Z Y, Wang Q, Zheng H, et al.2014. National ecosystem survey and assessment of China (2000-2010)[J]. Bulletin of Chinese Academy of Sciences, 29(4): 462-466.]
11	乔伟峰, 盛业华, 方斌, 等. 2013. 基于转移矩阵的高度城市化区域土地利用演变信息挖掘: 以江苏省苏州市为例[J]. 地理研究, 32(8): 1497-1507.
	[Qiao W F, Sheng Y H, Fang B, et al.2013. Land use change information mining in highly urbanized area based on transfer matrix: a case study of Suzhou, Jiangsu Province[J]. Geographical Research, 32(8): 1497-1507.]
12	宋翔, 颜长珍, 朱艳玲, 等. 2009. 黄河源区土地利用/覆被变化及其生态环境效应[J]. 中国沙漠, 29(6): 1049-1055.
	[Song X, Yan C Z, Zhu Y L, et al.2009. Land use/cover change and associated effects on eco-environment in source region of Yellow River[J]. Journal of Desert Research, 29(6): 1049-1055.]
13	苏大学. 1996. 1: 1000000中国草地资源图的编制与研究[J]. 自然资源学报, 11(1): 75-83.
	[Su D X.1996. The compilation and study of the grassland resource map of China on the scale of 1: 1000000[J]. Journal of Natural Resources, 11(1): 75-83.]
14	孙启忠, 玉柱, 徐春城. 2011. 我国草业新世纪10年取得的成就和未来10年发展的重点[J]. 草业科学, 28(12): 2215-2220.
	[Sun Q Z, Yu Z, Xu C C.2011. The pratacultural achievements in last decade and pratacultural perspectives in next decade in China[J]. Pratacultural Science, 28(12): 2215-2220.]
15	王庆锁, 李梦先, 李春和. 2004. 我国草地退化及治理对策[J]. 中国农业气象, 25(3): 41-44.
	[Wang Q S, Li M X, Li C H.2004. Grassland degradation and management measures in China[J]. Agricultural Meteorology, 25(3): 41-44.]
16	王生霞, 丁永建, 叶柏生, 等. 2012. 基于气候变化和人类活动影响的土地利用分析: 以新疆阿克苏河流域绿洲为例[J]. 冰川冻土, 34(4): 828-835.
	[Wang S X, Ding Y J, Ye B S, et al.2012. A land use analysis based on the influences of climate change and human activities: a case study in the Aksu River Basin Oasis[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 34(4): 825-835.]
17	王宪礼, 肖笃宁, 布仁仓, 等. 1997. 辽河三角洲湿地的景观格局分析[J]. 生态学报, 17(3): 317-323.
	[Wang X L, Xiao D N, Bu R C, et al.1997. Analysis on landscape patterns of Liaohe delta wetland[J]. Acta Ecologica Sinica, 17(3): 317-323.]
18	王孝发, 容旭翔. 2012. 青海省退牧还草工程与思考[J]. 青海草业, 21(2): 32-36.
	[Wang X F, Rong X X.2012. Carried out and thinking the project of giving up grazing to return grass and in Qinghai[J]. Qinghai Prataculture, 21(2): 32-36.]
19	王仰麟, 赵一斌, 韩荡. 1999. 景观生态系统的空间结构: 概念、指标与案例[J]. 地球科学进展, 14(3): 235-241.
	[Wang Y L, Zhao Y B, Han D.1999. The spatial structure of landscape eco systems: concept, indices and case studies[J]. Advances in Earth Science, 14(3): 235-241.]
20	吴炳方, 苑全治, 颜长珍, 等. 2014. 21 世纪前十年的中国土地覆盖变化[J]. 第四纪研究, 34(4): 723-731.
	[Wu B F, Yuan Q Z, Yan C Z, et al.2014. Land cover changes of China from 2000 to 2010[J]. Quaternary Sciences, 34(4): 723-731.]
21	邬建国. 2007. 景观生态学: 格局、过程、尺度与等级(第二版)[M]. 北京: 高等教育出版社.
	[Wu J G.2007. Landscape ecology: pattern, process, scale and hierarchy (2nd ed.) [M]. Beijing, China: Higher Education Press.]
22	吴健生, 王政, 张理卿, 等. 2012. 景观格局变化驱动力研究进展[J]. 地理科学进展, 31(12): 1739-1746.
	[Wu J S, Wang Z, Zhang L Q, et al.2012. Research progresses on driving forces of the changes of landscape pattern[J]. Progress in Geography, 31(12): 1739-1746.]
23	武晶, 刘志民. 2014. 生境破碎化对生物多样性的影响研究综述[J]. 生态学杂志, 33(7): 1946-1952.
	[Wu J, Liu Z M.2014. Effect of habitat fragmentation on biodiversity: a review[J]. Chinese Journal of Ecology, 33(7): 1946-1952.]
24	肖笃宁, 布仁仓, 李秀珍. 1997. 生态空间理论与景观异质性[J]. 生态学报, 17(5): 453-461.
	[Xiao D N, Bu R C, Li X Z.1997. Spatial ecology and landscape heterogeneity[J]. Acta Ecologica Sinica, 17(5): 453-461.]
25	肖笃宁, 李秀珍, 高俊, 等. 2010. 景观生态学(第二版)[M]. 北京: 科学出版社.
	[Xiao D N, Li X Z, Gao J, et al.2010. Landscape ecology (2nd ed.) [M]. Beijing, China: Science Press.]
26	徐斌, 陶伟国, 杨秀春, 等. 2007. 我国退牧还草工程重点县草原植被长势遥感监测[J]. 草业学报, 16(5): 13-21.
	[Xu B, Tao W G, Yang X C, et al.2007. Monitoring by remote sensing of vegetation growth in the project of grassland withdrawn from grazing in counties of China[J]. Acta Prataculturae Sinica, 16(5): 13-21.]
27	徐新良, 刘纪远, 邵全琴,等. 2008. 30年来青海三江源生态系统格局和空间结构动态变化[J]. 地理研究, 27(4): 829-839.
	[Xu X L, Liu J Y, Shao Q Q, Fan J W.2008. The dynamic changes of ecosystem spatial pattern and structure in the Three-River Headwaters region in Qinghai Province during recent 30 years[J]. Geographical Research, 27(4): 829-839.]
28	曾加芹, 欧阳华, 牛树奎, 等. 2008. 1985年-2000年西藏地区景观格局变化及影响因子分析[J]. 干旱区资源与环境, 22(1): 137-143.
	[Zeng J Q, Ouyang H, Niu S K, et al.2008. The analysis of the landscape pattern and impact factors in the Tibet region between 1985 and 2000[J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 22(1): 137-143.]
29	张金屯, 邱扬, 郑凤英. 2000. 景观格局的数量研究方法[J]. 山地学报, 18(4): 346-352.
	[Zhang J T, Qiu Y, Zheng F Y.2000. Quantitative methods in landscape pattern analysis[J]. Journal of Mountain Science, 18(4): 346-352.]
30	张磊, 吴炳方, 李晓松, 等. 2014. 基于碳收支的中国土地覆被分类系统[J]. 生态学报, 34(24): 7158-7166.
	[Zhang L, Wu B F, Li X S, et al.2014. Classification system of China land cover for carbon budget[J]. Acta Ecologica Sinica, 34(24): 7158-7166.]
31	张秋菊, 傅伯杰, 陈利顶. 2003. 关于景观格局演变研究的几个问题[J]. 地理科学, 23(3): 264-270.
	[Zhang Q J, Fu B J, Chen L D.2003. Several Problems about landscape pattern change research[J]. Scientia Geographica Sinica, 23(3): 264-270.]
32	张苏琼, 阎万贵. 2006. 中国西部草原生态环境问题及其控制措施[J]. 草业学报, 15(5): 11-18.
	[Zhang S Q, Yan W G.2006. Problems of grassland ecosystems and their countermeasures in western China[J]. Acta Prataculturae Sinica, 15(5): 11-18.]
33	朱会义, 李秀彬. 2003. 关于区域土地利用变化指数模型方法的讨论[J]. 地理学报, 58(5): 643-650.
	[Zhu H Y, Li X B.2003. Discussion on the index method of regional land use change[J]. Acta Geographica Sinica, 58(5): 643-650.]
34	朱军强. 2011. 国家退牧还草工程出台新政策[J]. 中国产业, (10): 18-19.
	[Zhu J Q.2011. Guojia tuimuhuancao gongcheng chutai xin zhengce[J]. Industry of China, (10): 18-19.]
35	Lambin E F.1997. Modelling and monitoring land-cover change processes in tropical regions[J]. Progress in Physical Geography, 21(3): 375-393.
36	McGarigal K, Cushman S A, Neel M C et al. 2002. FRAGSTATS: spatial pattern analysis program for categorical maps[EB/OL]. 2003-09-12[2015-05-02]. .
37	Zhao G S, Liu J Y, Kuang W H, et al.2015. Disturbance impacts of land use change on biodiversity conservation priority areas across China: 1990-2010[J]. Journal of Geographical Sciences, 25(5): 515-529.

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。

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
2000	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
2005	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
2010	比例/%	10.40	32.85	4.00	4.31	0.43	48.02

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

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

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