（自然地理学专业论文）基于gis的榆林地区景观变化及驱动力研究.pdf

摘要：景观空间格局分析是景观生态学研究的核心问题。景观变化不仅 影响社会经济的持续发展，而且也是全球环境变化的重要组成部分和气候变化的 主要原因，而其驱动力研究对于理解景观变化的实质进而预测景观变化的趋势非 常重要。区域土地利用变化及其驱动力研究是全球l u c c 研究的重要组成部分也是 其基础。本文以榆林地区为例，榆林地区作为干旱半干旱区农牧交错带的典型代 表，在自然地理上有独特的空间分布格局，在生态上有显著的脆弱性生境特征和 演化规律，通过对该地区景观格局、动态变化过程与景观变化驱动力的研究，对 于该区社会经济的持续发展和我国类似地区的相关研究乃至全国和全球的土地 利用( 景观) 变化研究都有重要的意义。 本文采用陕西省1 9 8 2 年和1 9 9 8 年两期土地利用图( 1 ：5 0 0 ，0 0 0 ) 截取榆林 地区的部分，同时借助相关地形图和野外实地调查资料，利用地理信息系统软件 a r c v i e w 3 2 和a r g i l l f 0 7 1 ，进行处理和分析，得到该区域1 9 8 2 年和1 9 9 8 年景观分 类结果图。把景观分类结果输入f r a g s t a t s 软件，计算景观格局指数；应用 a r c v i e w 3 2 和e x c e l 等软件，建立景观类型的初始转移概率矩阵，利用v i s u a lb a s i c 编程，预测不同步长的类型转移概率矩阵和稳定状态下的景观组成，以此来反映 该区景观结构的动态变化。随后，利用该区近2 0 年的社会经济统计资料，运用 s p s s 统计分析软件，用主成分分析法和多元回归法，定量分析了该区土地变化 的驱动力，确立了人文因素特别是人口增加是其土地利用变化的主要驱动力。主 要结论如下： 1 、1 9 8 2 年1 9 9 8 年间，景观格局变化特征：草地和林地的面积显著增加，面 积减少最大的是沙地。破碎化程度仍然较为严重，景观形状趋于复杂，多样性和 均匀度有所降低，但幅度不大。 1 9 8 2 年至1 9 9 8 年间，景观类型转化：灌溉水田、旱地、园地、林地、水体、 盐碱地、沙地、裸土岩地主要向草地转变；水浇地、草地主要向旱地转变；居民 地的增加主要来自旱地；工矿用地的主要增加来自盐碱地。 这些变化表明由于生态示范区以及山川秀美工程的实施，政府的强制实行的 “退耕还林( 草) ”、“防治沙漠化”的政策已经发挥很大的作用，使得整个地区的 景观结构及生态功能得到优化与改进。 2 、景观动态变化预测：m a r k o v 预测表明，榆林地区2 0 1 0 年后景观变化的趋 势是：水体、沙地、裸土岩地在逐年减少，其它用地都在逐年增加。当景观的变 化达到相对稳定状态的时候，园地、林地、居工地略有增加。因此，从总体上说， 该区目前的政策还是比较合理，整体趋势趋于良好。 3 、景观动态变化的驱动因素，从自然因素和人为因素两个方面对景观动态 变化的驱动力进行了分析，指出人为因素，自然因素、政策因素和经济杠杆的调 节作用是景观格局变化的最活跃、最主要的驱动力。同时利用多年的统计资料， 进行主成分分析和多元回归分析部显示出人类活动是其土地变化的最主要驱动 力。 关键词：榆林地区；景观动态变化；马尔科夫矩阵；主成分分析；多元回归； 驱动力 a b s t r a c t ：t h el a n d s c a p ec h a n g ei sa l li n v e s t i g a t i v ec o r ei n l a n d s c a p e e c o l o g y t h el a n d s c a p ec h a n g eh a sg r e a ti n f l u e n c eo ns o c i e t ya n dt h es u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n to fe c o n o m i c i na d d i t i o n ，i ti sa ni m p o r t a n tp a r to fg l o b a le n v k o n m e n t c h a n g ea n dam a i nr e a s o nf o rg l o b a lc l i m a t ec h a n g e t h es t u d yo nd r i v i n gf a c t o ro f t h el a n d s c a p ec h a n g ec a ng r e a t l yh e l pa st ou n d e r s t a n dt h ee s s e n t i a lo ft h el a n d s c a p e c h a n g e b a s e do ni t ，w ec a np r e d i c tt h ed e v e l o p i n gt r e n do ft h el a n d s c a p ec h a n g e t h el a n d s c a p ec h a n g ei nr e g i o n a ls c a l ei st h ei m p o r t a n tp a r to fg l o b a ll u c cr e s e a r c h a sw e l la si t sb a s e t h ep a p e r r e g a r d y u l i na r e aa sa t y p i c a l m o d e lo f a g r i c u l t u r e - p a s t u r ei n t e r l a c i n gz o n ei na r i da n ds e m i a r i da r e a ，h a v i n gs p e c i a ls p a t i a l p a t t e r ni np h y s i c a lg e o g r a p h ya n dd i s t i n c tf r a g i l eh a b i t a tc h a r a c t e r i s t i ca n de v o l u t i v e l a wi nh a b i t a t i o nt h es t u d yo nt h el a n d s c a p ec h a n g e ，d y n a m i ct r a n s f o r m a t i o na n d h u m a n d r i v i n gf a c t o r so ft h ea r e aw i l lm a k eg r e a t l ys e n s et ot h i sa r e a ss u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t ，t h es t u d y o nl a n du s e c h a r g eo nw h o l en a t i o na n d # o b a ls c a l e b a s e do nt h el a n d u s em a po fy u l i ni n1 9 8 2a n d1 9 9 8 ( s c a l e1 ：5 0 0 ，o o o ) ，u s i n g t h eg e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns y s t e mp r o g r a ma r c v i c w g i s 3 2 ，a r c l n f 0 7 1a n dt h e l a n d s c a p ea n a l y s i sp r o g r a mf r a g s t a t s ，t h es p a t i a lp a t t e r nw a sa n a l y z e da n dt h ed e g r e e o ff r a g m e n t a t i o nw a se v a l u a t e dp r i m a r i l yf r o mt h eo v e r a l ll a n d s c a p ep r o p e r t i e s ，t h e a r e a p r o p e r t i e s ，t h ep e r i m e t e rp r o p e r t i e s ，t h en u m b e r so fp a t c h e so fl a n d s c a p e e l e m e n t sa n ds oo i l t h ed y n a m i c sv a r i a t i o no ft h el a n d s c a p ei nt h ey u l i np r e f e c t u r e w a s g e to nt h ep l a t f o r mo fa r c i n f o7 1a n de x c e l ；a n dt h ef o r e c a s to nt h ed y n a m i c v a r i a t i o no fl a n d s c a p e sw a se x e c u t e do nv i s u a lb a s i c ；a n dt h ea n a l y s i so nt h ed r i v i n g f a c t o r st ot h el a n d s c a p ev a r i a t i o n l a t e ro n ，m a k i n gn s eo ft h e2 0y e a r s s o c i a l e c o n o m i cd a t ai nt h a ta r e aa n du s i n gt h es p s s l 0s t a t i s t i c ss o f t w a r e ，h u m a n i t i e sf a c t o r e s p e c i a l l yt h ep o p u l a t i o ni n c r e m e n tw a se s t a b l i s h e da st h em a i nd r i v i n gf a c t o r s t h e r e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 ，i ny u l i np r e f e c t u r e ，t h eg r a s s l a n dl a n d s c a p e sa n dt h ew o o d l a n dl a n d s c a p e h a v e i n c r e a s e dg r e a t l yb e t w e e n1 9 8 2a n d1 9 9 8 ，w h i l ei nt h a tp e r i o d ，a n ds a n d y d e s e r td e c r e a s e dg r e a t l y f r o m1 9 8 2t o1 9 9 8 ，t h el a n d s c a p ep a t t e r nh a sa no b v i o u s f r a g m e n t a t i o n ，t h es h a n n o n sd i v e r s i t yi n d e x ，l a n d s c a p es h a p ei n d e xa n df r a c t a l d i m e n s i o ni n d e xb e c o m es m a l 】 i ny u l i np r e f e c t u r e1 9 8 2t o1 9 9 8 ，i r r i g a t i n gp a d d yf i e l d ，d r yl a n d ，g a r d e na r e a ， w o o d l a n d ，o fw a t e r , s a l ts o i l ，s a n dl a n d l o r dc o n v e r t e di n t og r a s s l a n d ；t h ei r r i g a b l e l a n da n dg r a s s l a n dc o n v e n e di n t od r yl a n d t h ei n c r e m e n to ft h er e s i d e n tg r o u n d c o m e sf r o mt h ed r yl a n dp r i m a r i l y i ti si n d i c a t e dt h a th u m a na c t i v i t i e sh a se n h a n c e d ，t h eg o v e m m e n t a lc o m p u l s i v e e x e c u t i o n p o l i c y o fr e t u r n i n gf a r m l a n dt o w o o d l a n d ( g r a s s ) a n dp r e v e n t i o n o f d e s e 南f i c a t i o nh a v ed e v d o p e dt h ev e r yb i gf u n e t i o n ，l a n d s c a p ec o n s t r u c t i o na n d e c o s y s t e mf u n c t i o n so fw h o l er e g i o ng e tt h ee x c e l l e n tt u r n i n gw i t hi m p r o v e m e n t 2t h em a r k o vf o r e c a s t i n gs h o wt h a t ，u n d e rt h ec o n d i t i o no ft h es a m ed i s t u r b s b e t w e e n1 9 8 2a n d1 9 9 8 ，w a t e r , s a n dl a n da n dg o b id e s e r tr e d u c e ，a n do t h e rt y p e sa l l i n c r e a s ey e a rb yy e a nw h e nt h ev a r i e t yo ft h el a n d s c a p ea t t a i n st h et i m eo ft h e o p p o s i t ea n ds t a b l ea p p e a r a n c e ，g a r d e na r e a , w o o d l a n d ，r e s i d e n tl a n ds l i g h t l yc o n t a i n i n c r e m e n t t h e r e f o r e ，t h ec u r r e n tp o l i c yi nt h a ta r e ai sm o r er e a s o n a b l e 3 ，t h el a n d s c a p ec h a n g e so fd r i v i n gf a c t o r s ：p o i n t i n go u tt h eh u m a na c t i v i t i e s ， p o l i c yf a c t o ra n de c o n o m i cl e v e r sf u n c t i o ni st h em o s td r i v i n gf a c t o r so fl a n d s c a p e v a r i e t y a tt h es a m et i m e ，u s i n gt h em a i nc o m p o s i t i o na n a l y s i sa n dl i n e a rr e g r e s s i o n a n a l y s i s ，i ti se s t a b l i s h e dt h a th u m a n a c t i v i t i e si st h em o s td r i v i n gf a c t o r s k e yw o r d s ：t h ey u l i np r e f e c t u r e ；l a n d s c a p ed y n a m i c sv a r i a t i o n ；m a r k o vm a t r i x ； p r i n c i p a lc o m p o n e n t a n a l y s i s ；l i n e a rr e g r e s s i o na n a l y s i s ；d r i v i n gf a c t o r s 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻 读学位期问论文工作的知识产权单位属于西北大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被 查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学 位论文。同时，本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文 章一律注明作者单位为西北大学。 保密论文待解密后适用本声明。 。 学位论文作者签名：垂氧堡指导教师签名：莲! 虱函堡 ) p o 岁年6 月侈日土邸p 年6 月口日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得西北大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 学位论文作者签名：王自己军 1 0 。岁年6 月gh 1 引言 1 1 景观生态学与l u c c 研究 1 1 1 景观生态学研究进展 景观是由一组以相似方式出现的生态系统所构成的异质性地表，其中担负独立功 能的各种生态系统被称为景观组分( l a n d s c a p ee l e m e n t ) ( f o r m a n ，1 9 8 6 ) 。景观生态 学的研究历史可以追溯到2 0 世纪2 0 年代中叶，但直n 8 0 年代初期，才作为一门新兴生 态学分支学科迅速成熟起来，成为世界上资源、环境、生态方面研究的一个热点，吸 引了众多生态学家和地理学家。近年来随着国际生态学研究三大热点( 生物多样性、 全球变化、可持续发展) 的出现，景观生态学研究也明显的朝这几个问题倾斜。现代 景观生态学将传统地理学的空间分析和传统生态学的时序分析有效的结合起来，并充 分吸收社会学、管理学、自然保护学等相关学科的研究成果，形成一套完整的概念框 架和理论体系，为异质性地表研究开辟了一条全新的途径( n a v e hzl i b e r m a n ，1 9 8 4 ) 。 景观生态学是一门以生态学和地学交叉为主体的多学科之间的交叉学科，属于宏 观尺度生态空间的研究范畴，空间异质性是其理论核心之一( 王仰麟，1 9 9 8 ) 。景观 生态学以中尺度的景观结构和生态过程关系研究而别具特色。它十分重视生态系统空 间属性的研究，认为斑块( 生态系统) 空间分布的景观格局就是若干生态过程和非生 态过程长期作用的产物，反之景观格局又对这些过程产生直接影响( 肖笃宁，1 9 9 9 b ) 。 2 0 世纪8 0 年代以后，景观生态学研究日益活跃，研究内容也日益广泛，不同的研究者 在不同的方面进行了有意义的研究，虫d h o o v e r ，傅伯杰，马克明等分别对景观多样性 进行研究；h o b b s ，r e e d 等分别对景观破碎化进行研究；l e d u e ，m a d e n o f f ，傅伯杰等 分别对景观边形特征进行研究；r i i t t e r s 等分别对景观相邻度进行研究；p l o t n i c k ， 常学礼，肖笃宁等分别对景观异质性进行研究。 生态空间理论( 尺度、空间格局与镶嵌动态等) 、景观异质性、景观变化模型、 景观规划及其模型、景观与文化、景观系统分析与g i s 应用等方面的研究都是景观生 态学研究的热点( 肖笃宁，2 0 0 0 ) 。 结构、功能和动态是景观生态学的三个主要研究领域，与其他生态学分支学科比 较而言，结构、功能和动态研究是景观生态学中最具特色的内容。结构决定功能，功 能的改变又反映于结构的变化。因此，景观空间结构分析又是景观功能和景观动态变 化研究的基础。在景观生态学中，景观结构又被称之为景观格局景观格局，一般是 指空间格局，是指大小和形状各异的景观元素在空间上的排列形式( 王仰麟，1 9 9 8 ) 。 它是景观异质性的具体体现。景观格局不仅体现着自然的、生物的和社会的各种生态 过程在不同空间尺度上相互作用的结果，同时又决定着各种自然环境因子在景观空间 的分布和组合，从而制约各种生态过程因此，景观空间格局分析也有助于探讨景观 格局和生态过程的相互关系。根据研究对象不同，景观格局可以分成整体格局和组分 格局两类研究内容。整体格局主要研究所有景观要素( 景观组分) 的组合方式及空间 镶嵌或过渡形式；组分格局是指不同景观组分的结构和空间分布特征( 曾辉，1 9 9 9 ) 。 在景观格局分析中，由于景观异质性特点以及斑块组合的复杂性，景观空间格局分析 不仅要考虑斑块的形状、大小和类型，同时还要考虑到景观中斑块的相邻性和均匀性。 对景观格局研究的目的是在似乎由无序的斑块镶嵌而成的景观上，发现其潜在的有意 义的规律性。通过景观格局分析，希望能确定产生和控制空间格局的因子及其作用机 制，比较不同景观镶嵌体的特征和它们的变化，探讨空间格局的尺度性质，并为景观 的合理管理提供有价值的资料。 1 1 2l u c c 研究进展 土地利用( l a n du s e ) 是指在一定的生产方式下人们为了某种目的，按照土 地的自然特性和社会经济属性，对土地进行的开发、使用等活动。在土地利用过程中， 人类以土地为劳动对象( 或手段) ，利用土地的特性，以一定的方式对土地实行某种 干预来满足自身的需要。土地利用反映了人与土地的关系，它是人类把对土地的自然 生态系统变为人工生态系统的过程( 王敬国2 0 0 0 ) 。国际地圈一生物圈计划( i g d p ) 和 全球环境变化中的人文领域计划( h d p ) 于1 9 9 5 年联合提出“土地利用和土地覆盖变 化”( l a n du s ea n dl a n d c o v e rc h a n g e ，l u c c ) 研究计划，使土地利用变化研究成为目 前全球变化研究的前沿和热点课题。土地覆盖( l a n dc o v e r ) 被定义为地球陆地表层 和近地面层的自然状态，是自然过程和人类活动共同作用的结果( 李秀彬1 9 9 6 ) 。土 地利用和土地覆盖是两个既有联系，又有区别的概念。土地覆盖是人类活动与自然界 共同作用的产物，其中人类活动是一个间接性因素，更侧重于土地的自然属性；而土 地利用则侧重于土地的社会经济属性( r i e b s a m e1 9 9 4 ) 。农业、林业、牧业、交通 及城镇建设等属于土地利用的范畴，而耕地、林地、草地、公路及建筑等属于土地覆 盖的范畴。土地利用覆盖的变化可划分为两类：改造与变异( 可理解为质变与量变) ， 前者指由一种土地覆盖类型转变为另一种土地覆盖类型，如从耕地到居民点及工矿用 地；后者指土地覆盖类型内部条件的变化，例如森林由密变疏或其群落组成成分发生 变化( 史培军，1 9 9 7 ) 。 土地利用覆盖变化计划研究的基本目标是提高全球土地利用和土地覆盖变化动 力学( 动态过程) 的认识，并着重提高预测土地利用和土地覆盖变化的能力，其研究 内容主要有咀下两个方面：区域性土地利用覆盖变化的驱动力及其模型的研究； 土地利用覆盖变化与全球变化的相互影响的研究。 全球变化的研究始于2 0 世纪8 0 年代，迄今已经有2 0 多年的历史。研究者们已经 深刻地认识到了全球变化在不同时间和空间尺度上的复杂性。t u r n e r 等人指出，尽 管人类的作用在全球变化中的作用非常复杂，但从地球表层系统的动态影响来看，土 地利用覆盖变化的机制最能表达这一过程( 史培军等，2 0 0 0 ) 。所以，研究土地利用 覆盖变化对从总体上综合评价和模拟环境变化，认识人类活动在全球变化中的作用 机制非常重要。 在l u c c 研究包含的诸多问题中，土地利用覆盖变化的驱动力及其驱动机制的研 究是其中的关键问题( 李秀彬，1 9 9 6 ) 。土地利用覆盖变化驱动力分析的复杂性在于 驱动力的尺度依赖性，即在同一研究区域在不同的历史阶段和土地利用的不同空间尺 度上，对土地利用变化其决定作用的因子可能并不相同( d a l e ，1 9 9 7 ) 。例如， p o u d e v i g n e ( 1 9 9 7 ) 的研究就表明，尽管自然生境的格局曾经限制着土地利用方式，但 二者之间的相关性在该研究中有所降低；而人类的农业活动与土地利用方式之间的相 关性却有增强的趋势。s m e d l n g 和j o e n j e ( 1 9 9 9 ) 在对他们得到类似结果的分析时指出， 5 0 年代以后科学技术的进步( 大型农用机械的使用和化肥等物质的投入) 使得农业生 产在一定程度上脱离了自然地理条件的限制，成为影响土地利用及其相关生态过程的 主要因素。傅伯杰( 1 9 9 7 ) 认为从自然一生态和社会一经济方面，土地利用可分出不 同层次。在较低层次上，自然一生态因子( 植物个体农作物) 起决定性作用；在较 高层次上，社会一经济因素( 区域一国家) 其重要作用。例如，尽管空间上土地持续 利用都需从生态、经济和社会三方面综合考虑，但不同的尺度上的侧重点不同。从田 块一农场一流域景观一区域国家一全球，土地持续利用的主要约束因素分别是农业 技术微观经济一生态因子宏观经济与社会因子一宏观生态因子。 总的说来，土地利用覆盖变化是社会经济因素和自然地理因素综合作用的结果 ( f o r m a n1 9 9 5 ，z o n n e v e l d1 9 9 5 ，d e s a n k e e t a l1 9 9 6 ) ，j 中受人类活动影响的社 会经济i 屈素被许多研究者看作主要的驱动作用( s c h l c k h o f f1 9 9 5 ：h e s t e r e t a j 1 9 9 6 ：j u r n e e t a l1 9 9 6 ：曾辉等1 9 9 7 ：f o s t e r e t a l1 9 9 9 ) ，而f j 然地理因素被视为对土 地利用的变化仅仅具有较为次要的限制作用。 土地利用土地覆被变化研究所涉及的范围十分广泛，包括自然、经济与社会整 个系统；包括人类社会发展的过去、现在与将来整个过程；包括从大的地球生物圈层， 到一个国家、地区，再到某个农户或者土地利用行为者等各个规模等级。如此广泛的 内容不可能在此一一列举。但是，土地利用与土地覆被变化研究要试图回答上述的有 关问题，至少应开展如下几个方面的研究( c n u n e sa n d7 la u g e ，1 9 9 9 ) ： j t 地利用与土地覆被变化的结构类型分析： 士地利用与土地覆被变化的过程研究； 探讨人类对土地利用与土地覆被变化的反应： 建立综合的全球性或区域性的变化模型，探讨不同空间尺度上土地利用与土 地覆被变化的动力学机制。 开展有关土地表层、生物过程及其动力机制方面的数据库建设。 综观目前国际上有关土地利用土地覆被变化研究，其内容可以大致地归纳为三 个核心( 参见表卜1 ) ，即土地利用的动力机制、土地覆被的变化、土地利用与土地覆 被变化的区域与全球模型( 陈佑启、杨鹏，2 0 0 1 ) 。 表1 一l土地利用覆盖变化研究的主要内容 t a b l el - 1m a i na c t i v i t i e so fl u c c 随着全球变化研究的深入和发展，各国科学家越来越迫切地感到人类活动对环境 变化的巨大影响，尤其是人类为了自身的生存和发展对土地的开发利用引起的土地利 d 用覆盖变化已成为全球环境变化的重要组成部分和气候变化的主要原因。匦l 此，i g b p 平d h d p 于1 9 9 5 年联合提了“土地利用i 地覆盖变化”( l a n du s ea n d l a n dc o v e r c h a n g e ，简称l u c c ) 研究计划，使土地利用覆盖变化研究成为目前全球变化研究的 热点和前沿( 史培军等，2 0 0 0 ) 。 在全球环境变化问题中，土地利用土地覆盖变化可以说是自然与人文过程交叉 最为密切的问题( 王秀彬，1 9 9 9 ) 。其次，就土地利用覆盖变化研究的学科特征而言， 人类与土地的相互作用在空间上从局地到全球、在时间上从数日至数百年，要了解这 种多尺度的复杂作用需要众多学科领域的科学家团体的广泛参与，尤其是自然科学家 和社会科学家的共同努力。因而，隶属于“国际科学联合会( i c s o ) ”的i g s p 和隶属于“国 际社会科学联合会( i s s c ) ”的h p p 希望以土地利用覆盖变化的研究为突破口，加强 各学科之间的相互合作，进而推动全球问题的综合研究。 1 2l u c c 研究与景观生态学的应用 景观与土地利用土地覆盖的概念是紧密联系的。z o n n e v e l d ( 1 9 9 5 ) 认为，景观与 土地是一致的，“景观是一个关系系统的复合体，作为地球表面的一个可识别的部分， 它是由生物和非生物的相互作用以及人类的活动共同形成和管理的”。而景观生态学 “把土地属性作为客体和变量进行研究，包括对由人类智慧控制的关键变量的特殊研 究”。土地覆盖( l a n dc o v e r ) 是指地球表层的自然属性和生物物理属性；土地利用 ( l a n du s e ) 则指土地的使用状况或土地的社会经济属性。农业、林业、牧业和城 市发展等人类对与土地有关的自然资源的利用活动属土地利用的范畴；而耕地、林地、 草地、公路、建筑及土壤、冰雪和水体属土地覆盖的范畴，土地利用是土地覆盖变化 最重要的影响因素，土地覆盖的变化反过来又作用于土地利用可以说，土地利用与 土地覆盖是土地社会、自然双重属性的体现( 李秀彬，1 9 9 6 ) 。 景观类型着重土地类型的生态意义，土地覆盖是对地表覆盖完全直观的表述，土 地利用则以人类利用方式和状态为出发点的分类。因此可以认为景观是土地覆盖的生 态化理解，而人类的土地利用是最重要的影响土地覆盖景观的地表过程。这三个概 念都没有固定的空间尺度，但景观生态学研究的主要尺度目前主要集中于几十公里到 几百公里范围内( f o r m a n ，1 9 9 5 ) 。景观类型需要综合考虑土地覆盖状态和生态系统 特征。一般来说，已利用土地其利用类型应该与相应的覆盖类型一致，而未利用土地 则对应着多种覆盖类型和景观生态系统。2 0 世纪8 0 年代以前，全球变化研究主要围绕 气候变化展，r ，但随着研究的深入，人们认识到由人类活动所导致的土地利用和覆盖 变化是引起生态环境和气候变化的主要驱动力。目前，该项目己受到许多国际组织和 国家的关注和响应，如联合国粮农组织( f a o ) 、国际应用系统分析研究所( i a s a ) 、 联合国环境署均先后启动了各自的l u c c 研究项目，美国和日本等国家也相继启动了有 关的区域性研究项目。国际上有关研究项目主要围绕l u c c 和全球变化及可持续发展的 关系展开，内容主要是从三方面进行探索：分类和表述、动态监测、驱动机制，最终 建立起变化过程的模型，以对其变化和影响进行预测。具体包括：土地覆盖变化对全 球环境变化的影响，主要回答土地利用如何通过改变土地覆盖影响全球环境变化；全 球环境变化对土地覆盖变化的影响，主要是气候变化对土地利用土地覆盖的影响， 以及土地利用土地覆盖对可能的环境变化的敏感性；l u c c 与可持续发展，主要有保 护那些对人类未来发展至关重要的土地利用方式和土地覆盖类型，探索有利于生态和 环境的土地利用方式，现状土地利用的可持续性及其调控( 李秀彬，1 9 9 0 ；陈佑启， 2 0 0 1 ) 。 景观生态学的产生和发展，给传统生态学和地理学带来了许多新鲜的思想，其研 究途径和成果为资源开发和环境生态保护提供了新的科学方法和决策依据。土地利用 与土地覆被变化( l u c c ) 研究即受益于此，l u c c 研究的对象是异质性的地球表面，各 个土地覆盖类型聚集在一起，形成一个镶嵌体。l u c c 的一个主要研究内容就是分析局 地、区域到全球异质性地球表面空间结构的时空变化过程，各土地覆盖类型之问的物 种、物质和能量的流动，以及l u c c 的社会和自然驱动力因子。传统的生态学或地理学 都不能满足这种研究要求，而生态学与地理学相结合产生的新学科一景观生态学的 理论和方法则很好的满足这种需要。因此，i g b p ( 国际地圈生物圈计划) 、i h d p ( 全 球环境变化的人类因素计划) 和w c r p ( 世界气候研究计划) 等国际研究计划在其土地 利用项目中纷纷结合景观生态学中景观格局与变化的分析模型，依此来研究土地利用 的空间结构并预测其变化趋势( 张明，2 0 0 0 ) 。 1 3 本研究的选题意义、内容 1 3 1 选题意义 本文选择土地利用( 景观) 变化和驱动力进行研究主要基于以下考虑。在我国， 由于巨大的人口基数、相对有限的土地特别是耕地资源，以及急待发展的经济与人民 生活水平的提高等特殊的国情土地利用变化研究显得尤其重要，通过土地利用变化 研究，搞清楚土地利用变化的过程并分析其变化的驱动因子，对科学预测今后土地利 用变化趋势有极其重要的作用。由于土地的利用广泛涉及到全国与各地区资源的有效 开发利用与合理保护、生态环境的保护与治理、耕地保护与食物安全、社会经济的可 持续发展等一系列重大问题。因此，通过对今后土地利用情况的预测，可以更好地、 科学地制定各种政策法规，最终对国民经济的健康可持续发展，对我国2 1 世纪的发展 起到关键性的影响由此可见，土地利用变化及其驱动力研究具有很强的现实意义， 需要大力研究。事实上，在目前国内涉及土地利用的研究中，这一课题也确实也占据 了重要的地位。 另外，本研究选择榆林地区作为研究区有以下三个意义： ( 1 ) 特殊地理位置：榆林地区无论在地质、地貌、气候、土壤、水文和生物等 自然条件方面，还是在社会经济因素，尤其在农业土地利用方面都表现出强烈的过渡 性和波动性特征。正是这种波动性和过渡性导致了该区社会经济自然复合生 态系统结构的不稳定性和生态环境的脆弱性。该区是干旱半干旱区农牧交错带的典型 代表，在自然地理上有其独特的空间分布格局，在生态上具有显著的脆弱生境特征和 演化规律，即是我国2 l 世纪重点开发的新能源基地，又是“三北”防护林体系建设的重 点地区，因此对其该区景观动态进行深入研究有着重要的科学和生产实践意义。 ( 2 ) 对于作为我国经济欠发达的地区之一，榆林地区土地利用变化一直较为强烈， 土地利用类型也相当丰富。对榆林地区土地利用变化的过程和驱动力进行研究找出土 地利用变化的特点及其驱动力机制，不仅对于榆林地区今后的土地利用有及其重要的 指导意义；而且对于其它落后地区来说，可以借鉴该区的研究成果，以便更合理利用 这些地区土地资源，避免走弯路。因此，本文选择榆林地区这一土地利用研究“热点 地区”作为研究区，具有良好的代表性。 ( 3 ) 学科发展的需要：景观生态学是一门比较年轻，但研究十分活跃的交叉学 科。它的产生和发展，给传统生态学和地理学带来了许多新鲜的思想，其研究途径和 成果为资源开发和环境生态保护提供了新的科学方法和决策依据。目前全球变化研究 的一个热点：土地利用与土地覆被变化研究。i g b p 、h d p 和w c r p 等国际组织在其土地 利用项目中纷纷结合景观生态学中景观格局与变化的分析模型，依此来研究土地利用 的空间结构并预测其变化趋势。本文选择榆林地区作为典型区代表，结合土地利用与 7 土地覆被变化特i 。，从景观生态学角度对其景观格局及其演化规律进行仞步的探讨， 分析景观变化的驱动机制，剖析了景观变化可能导致的生态环境问题，为榆林地区的 生态安全和景观规划预案研究提供有效的科学依据。 1 3 2 研究内容 1 3 2 1 研究目标 通过对榆林地区景观变化的系统研究，分析景观生态系统演化的驱动力，建立景 观动态模型，进行格局一过程分析和趋势预测，为下一步深入研究该区景观生态规划 提供依据。 1 3 2 2 研究内容 本研究的主要目的是通过区域土地资源利用动态变化及其驱动机制的分析研究， 为区域土地管理部门进行土地利用规划与管理提供决策依据，为区域土地资源可持续 利用和社会经济可持续发展的顺利实施提供决策基础，对于保护和改善区域生态环 境、深化人地关系研究，都具有重要的意义。 ( 1 ) 景观类型与结构：应用景观生态学的原理与方法，对该区景观进行分类， 并研究其结构特征。 ( 2 ) 、景观格局变化分析：应用著名的软件包f r a g s t a t s ，对8 0 年代初期、9 0 年代 末期及近年景观格局进行动态分析。 ( 3 ) 景观变化动力机制研究：分析景观变化的驱动力及影响变化特征的自然与 人文因素，主要考虑技术进步、经济制度、政策、文化传统、自然环境特征等因素对 景观变化及特征形成的驱动与影响。利用s p p s 软件进行主成分分析研究，确定该区的 主要驱动力。 ( 4 ) 景观动态变化的模型景观直观模拟研究( 马尔科夫模型) ，在景观格局 进行动态分析的基础上，建立空间直观模型，直接用土地利用图获得的数据分析大尺 度、异质性景观、模拟景观生态系统的空间演替，以进行格局过程分析和趋势预 测。 2 研究背景与研究方法 2 1 研究区概况 2 1 1 自然环境概况 ( 1 ) 地理位置、地质及地貌环境 榆林位于陕西北端，东i 临黄河与山西相望，西连宁夏和甘肃，南接本省延安，北 靠内蒙古鄂尔多斯。辖区东西宽3 4 8k m ，南北长3 0 0k m ，地理坐标介于北纬3 6 5 7 至 3 9 3 57 、东经1 0 7 1 57 至1 1 1 1 4 之间。地处毛乌素沙漠南缘，黄河中游和黄土高原北 麓，位居晋陕宁蒙能源矿产金三角的中心腹地。大约以长城为界，北部为浩瀚无垠的 大漠风沙草滩区，占总土地面积的4 2 ；南部为支离破碎的黄土高原丘陵沟壑区，面 积占5 8 。榆林为草原文化与中原文化的接合部，内蒙古高原和黄土高原的过渡地带。 总土地面积4 3 1 0 4 k m 2 ，占陕西总土地面积的2 0 9 3 。 榆林地处鄂尔多斯高原向黄土高原过渡地带，在区域地质构造上，属鄂尔多斯台 向斜陕北台凹，其地层发育属华北地台型，是一块十分古老的地台。榆林地质构造简 单，区城构造特征表现为：地层平缓。一般岩层倾角2 5 ，大者亦不超1 0 ，是一个 十分平缓的大向斜。地台稳定。地壳构造运动以升降为主，振荡幅小，构造简单， 无大型急剧褶皱，地质结构稳定。台块完整。鄂尔多斯台向斜周边大断层接触明显， 但在向斜台内，尚无明显大断层。南北与东西构造各异。南北表现为隆起与凹陷相 间的带状构造，东西则为阶梯状构造，这是由于地台在周围及本区构造运动作用下既 产生由东向西掀起力量，又承受南北阻力的反作用而形成的。 榆林地势西高东低，北凹南斜。西部靖边、定边白于山区平均海拔1 6 0 0 1 8 0 0m ， 地面相对高差3 0 0 4 0 0m ，最高点在定边白于山，海拔1 9 0 7m ，最低点在清涧黄河分 界处，海拔5 8 5m ，高差1 3 2 2r n 。北部长城沿线d a # i - 是凹陷的古湖盆，地形平缓，平 均海拔1 0 0 0 1 3 0 0m 。南部丘陵沟壑区平均海拔8 0 0 1 2 0 0m ，地表支离破碎，梁峁 起伏，沟壑纵横，侵蚀强烈，水土流失严重。 ( 2 ) 气候 榆林属中温带大陆季风区半干旱性草原气候。总的特点是：日照充足，四季分明。 温差较大，气温偏寒，雨少不匀，春多风沙，霜冻时间较长，无霜期仅1 5 5 天。年平 均气温8 1 ，极端最高气温3 8 6 ，最低气温- 3 2 7 。年平均降水量4 1 4i l j 1 。春 季干旱，易出现寒潮和大风天气；夏季雨量集中，多局部雷阵雨、暴雨或冰雹，且雨 量少而不均；秋季多阴雨；冬季干燥少雨，风沙大，气候寒冷。主要特征表现为：一 是受纬度控制，由于地处中纬度决定了热量属中温区。二是受西北极地大陆性气团的 控制，使多数天气表现寒冷，干燥，晴朗。三是受东南热带暖气团的控制，表现出时 有高温炎热和阴雨连绵天气。四是受局部地形垂直升降控制，海拔越高，温度越低， 雨量越少。五是受下垫面覆盖物质控制，沙土含水性差，热容量和导热率小，致增降 温迅速，燥湿变化明显，越往西北差别越大。这几种因子交错重迭往复运行，形成榆 林气候过渡性、复杂性、差异性明显的特征，其主要特点又表现为：光照充足；气温 季差和日较差大；降雨偏少不稳定，年际变化大；热量低又不均衡；灾害性气候频繁。 ( 3 ) 土壤 榆林成土因素主要是母质、地型、气候、植被等。榆林土壤主要是在第四纪沉积 物和当代的冲积堆积物母质上，逐渐发育而形成今天的土壤类型。据1 9 8 2 1 9 8 5 年第 二次土壤普查，全地区共有1 3 个土类，2 6 个亚类，1 6 8 个土种，其中地带性土壤有3 类， 即灰钙土、栗钙土、黑垆土；非地带j 洼土壤1 0 类，即风沙土、黄绵土、新积