目前，我国有关生态环境脆弱区土地利用的研究已有诸多报道，多为基于3S技术的土地利用动态变化研究，所用遥感影像一般为2期，数据较少，不能较好地反映出生态环境脆弱地区长时间内较频繁的变化规律(战金艳等，2004；张永民等，2004；除多等，2006)。科尔沁沙地作为典型生态环境脆弱区，有关其土地利用变化的研究已受到重视(乌兰图雅，2000)，但作为中国“三北”防护林重点建设地区的奈曼旗兴隆沼项目区，其人工造林过程影响下的土地利用变化研究尚未见报道。本研究在3S技术支持下，以1975—2005年的4期遥感影像为信息源，对兴隆沼地区土地利用变化进行分析，旨在揭示自20世纪70年代以来，国家“三北”防护林建设和国际合作项目“009”人工造林项目实施对兴隆沼土地利用结构的影响，为其他生态环境脆弱区的生态建设和区域生态管理提供理论依据。

1 研究区概况

内蒙古奈曼旗东北部的兴隆沼(120°47′40″—121°38′10″E，43°10′08″—43°31′40″N)地处科尔沁沙地腹地西辽河与教来河之间，东西长48.5 km，南北宽10.85 km，总面积52 636 hm²。研究区地势西南高、东北低，主要地貌特征是坨、沼、甸相间分布。该区属北温带大陆性半干旱季风气候区，四季明显，春季干旱多风，夏季雨热集中，秋季干旱凉爽，冬季干冷多风。年平均气温6.1 ℃，极端最高气温41 ℃，极端最低气温-29.7 ℃。年日照时数2 941 h，作物生长季节日照时数为1 587.7~1 679.0 h，日照率66%。年降水量326.04 mm，多集中在6—8月份(242.20 mm)，占全年降水的74%。年均蒸发量2 081.8 mm，是降水量的6倍。全年无霜期146天。冬春季多西北风，平均风速4.1 m·s^-1，最大风速15 m·s^-1。年均大风(大于8级)日数21天，多集中在3—5月。土壤大部分为风沙土，pH值为7.5~7.8，有机质含量比较低。

2 研究方法

选取奈曼旗兴隆沼地区的明仁、清河、德胜和东明4个乡镇为研究区域(2005年以前的行政边界)，以1985，1995和2005年的美国LandsatTM影像和1975年的MSS影像为信息源，结合地面GPS点调查为斑块属性引导进行影像目视解译。影像的几何校正用erdas8.6完成，目视解译用Arcview3.3完成，解译显示精度控制在1:10万。根据研究需要，将土地利用类型划分为流动沙丘、半固定沙丘、固定沙丘、林地、耕地、草地(草甸、高盖度草地和丘间草地)和其他(居民点、水体、河漫滩和湿地)7类(图版Ⅰ)，在Arcinfo9.0环境下对解译数据进行拓扑，然后在空间分析模块中，对4期图形数据进行空间叠置分析，获得土地利用变化的空间与属性数据。在此基础上，进行人工造林过程对土地利用影响分析。景观指数用Arcgrid数据在Fragstats3.3中计算完成。用转移矩阵来分析不同土地利用类型相互间的转换率(%)。土地利用类型面积年变化率k的计算公式为

式中：u_a和u_b分别为研究期初和研究期末某一种土地利用类型的面积；t为时间(a)。

选取整个研究区的Shannon多样性指数、Shannon均匀度指数、连通性指数和斑块密度4个景观指数描述土地利用空间格局。

3 结果与分析 3.1 人工造林对土地利用类型面积的影响

从总体来看，研究区主要土地利用类型面积变化幅度以固定沙丘和林地最为显著，固定沙丘减少面积占研究区面积的38.61%，林地增加面积占研究区面积的29.72%，这是人工造林过程对土地利用结构影响的最直接表现。

流动沙丘和半固定沙丘随林地面积的增加呈先增后减的变化趋势(表 1)，其最大值均出现在林地面积比例为2.46%时，对应的流动沙丘和半固定沙丘面积比例分别为5.95%和9.11%；而它们的最小值均出现在林地面积比例最大时，分别为1.06%和0.87%。固定沙丘呈现出随林地面积比例增加而大幅递减的变化趋势(表 1)，面积比例由44.79%减少到6.18%。

耕地面积比例变化与流动和半固定沙丘恰好相反呈现为先减后增的变化趋势(表 1)，其面积比例最小值与流动和半固定沙丘的最大值耦合，为19.55%，最大值与流动和半固定沙丘面积比例的最小值耦合出现在林地面积最大时，为55.55%。草地和其他2种类型的变化趋势与流动和半固定沙丘的变化趋势一致，不同之处是它们的面积比例变化幅度大于流动和半固定沙丘，在林地最大面积比例2.46%时，对应的面积比例分别为11.81%和18.71%。

综上所述，研究区不同土地利用类型的面积比例变化规律为：随着林地面积比例的增加，流动、半固定和固定沙丘以及草地和其他等5种类型的面积比例呈现减少的变化趋势，而耕地面积比例呈增加趋势。

3.2 土地利用类型转化

土地利用类型概率转移矩阵分析表明(表 2)，1975—1985年林地主要转化为固定沙丘和耕地，2者转化面积占1975年林地面积的93.65%；流动沙丘主要转化为半固定沙丘，转化面积占1975年流动沙丘面积的30.67%；半固定沙丘主要转化为固定沙丘，转化面积占1975年半固定沙丘面积的29.01%；固定沙丘和耕地均主要转化为草地，转化面积分别占1975年固定沙丘和耕地面积的11.90%和14.00%；其他类型也主要转化为草地，转化面积占1975年其他类型面积的30.47%。

由表 2可知，1985—1995年固定沙丘向耕地的转化尤为显著，转化面积占1985年固定沙丘面积的44.42%；半固定沙丘在这期间主要转化为固定沙丘，转化面积占1985年半固定沙丘面积的38.36%，转化幅度仅低于固定沙丘，位居第二；林地主要转化为耕地，转化面积占1985年林地面积的33.89%，转化幅度低于半固定沙丘和固定沙丘，位居第三；流动沙丘主要转化为半固定沙丘和固定沙丘，转化面积分别占1985年流动沙丘面积的21.19%和30.71%，相对于1975—1985年而言，这期间流动沙丘主要转化为固定沙丘；草地主要转化为林地，转化面积占1985年草地面积的25.65%；其他类型转化幅度较小，仍以转化为草地为主，转化面积仅占1985年其他类型面积的8.70%。

由表 2还可知，1995—2005年，草地主要转化为林地和耕地，转化面积占1995年草地面积的90.37%，其中以草地向耕地的转化尤为显著，占1995年草地面积的61.63%；流动沙丘主要转化为半固定沙丘和固定沙丘，转化面积分别占1995年流动沙丘面积的13.22%和53.96%，与1985—1995年相似，但转化为固定沙丘的比例高于半固定沙丘，呈现出流动沙丘向固定沙丘转化的总体趋势；半固定沙丘主要转化为固定沙丘、林地和耕地，转化面积分别占1995年半固定沙丘面积的28.08%，28.78%和31.10%；固定沙丘主要向林地和耕地转化，转化面积占1995年固定沙丘面积的77.67%；林地主要转化为耕地，转化面积占1995年林地面积的22.31%；耕地主要转化为林地，转化面积占1995年耕地面积的22.79%。其他类型转化不明显，转化为草地的面积最多占1995年其他类型面积的4.15%。

3.3 景观格局变化

从图 1可以看出，Shannon多样性指数和Shannon均匀度指数的峰值均出现在1985年，分别为1.98和0.80，最小值均出现在2005年分别为1.22和0.49。这说明在兴隆沼地区林业工程实施的前期(1985年)，不同土地利用类型的面积比例相对均衡，而在项目的后期(2005年)，林地和农田成为该地区的优势斑块类型，景观多样性和均匀性降低。从图 1还可以看出连通性指数的最大值出现在1975年，为2.62，最小值出现在2005年，为2.13。这说明兴隆沼防护林的建立，使该地区原有的、连片的沙地草场和农田被林地分割，从而使景观的连通度下降。从斑块密度的变化来看，最大值出现在1995年，为0.45，最小值出现在1975年，为0.15。这说明在林业工程实施前(1975年)，该地区的景观破碎化程度较低；在项目实施的中期(1995年)，随着林地斑块的成型以及对原有基地的分割，加大了景观斑块破碎化，而在项目后期(2005年)，斑块密度略有下降则与农田的扩展密切相关。

3.4 土地利用类型面积年变化率

从表 3可见，1975—2005年，林地和耕地面积增加，以林地最明显，林地面积由1975年的89.56 hm²增加到2005年的30 115.12 hm²，年变化率为1 117.52%。流动沙丘、半固定、固定沙丘以及草地和其他5种类型面积呈减少趋势，固定沙丘面积的减少最明显，由1975年的45 789.74 hm²减少到2005年的6 243.97 hm²，减少了39 545.77 hm²，年变化率为-2.88%；草地的变化速度相对最小，年变化率为-1.06%。1975—1985年，林地的年变化率最大，为271.1%；其次为草地，由1975年的787.92 hm²，增加到1985年的9 413.50 hm²，增加了8 625.58 hm²，年变化率为9.16%。1985—1995年，林地面积的年变化率仍然最大，为38.91%；流动、半固定和固定沙丘以及其他4类的年变化率也比较高，分别为-16.87%，-14.07%，-11.93%和-13.29%。其中流动沙丘在10年内面积净减1641.91 hm²，为整个时期的6.75倍。1995—2005年，以半固定沙丘和草地面积比例变化最为明显，分别由1995年的3 870.96和6 651.84 hm²，减少到2005年的880.45和537.04 hm²，其年变化率分别为-33.97%和-113.86%，是整个时期的11.7和103.5倍。

4 结论与讨论

研究表明，随着人工造林过程的发展(林地面积的增加)，固定沙丘、流动沙丘、半固定沙丘、草地和其他5种类型面积在总体上呈下降趋势，而农田与上述5种类型相反，总体呈增加的趋势，这说明科尔沁沙地人工造林程度的提高促进了农业开垦。

从变化机制上来看，林地面积的增加在1975—1985年间主要来源于固定沙丘(转换概率为4.16)、其他(转换概率3.43)和半固定沙丘(转换概率2.16)；在1985—1995年间，主要来源于草地(转换概率为25.65)、固定沙丘(转换概率为21.35)和半固定沙丘(转换概率10.93)；在1995—2005年间，主要来源于固定沙丘(转换概率为34.40)、半固定沙丘(转换概率为28.78)、草地(转换概率为28.74)和耕地(转换概率为22.79)。1995—2005年间有22.79%的耕地转化为林地，说明在兴隆沼地区“退耕还林”的政策措施已见成效。

从景观结构的变化来看，沙地人工造林过程最终导致了景观异质性降低、景观破碎化程度增加，主要表现为景观多样性、均匀性和连通度指数降低，而斑块密度增加。从已有的研究结果来看，不合理的人类活动会导致森林面积减少和景观破碎化(Hayes et al., 2002；李月辉等，2006；井学辉等，2008)。