南四湖流域土地利用及其景觀格局變化分析

孟瑤瑤, 薛麗芳

(中國礦業大學 資源與地球科學學院, 江蘇 徐州 221116)

南四湖流域土地利用及其景觀格局變化分析

孟瑤瑤, 薛麗芳

(中國礦業大學 資源與地球科學學院, 江蘇 徐州 221116)

以1987年、2000年、2014年的Landsat影像數據為基礎，借助ENVI，ArcGIS，Fragstats等軟件，提取了土地利用信息，計算了景觀指數，定量分析了流域土地利用變化及其對景觀格局的影響。結果表明：(1) 近30年來，南四湖流域土地利用變化突出表現為耕地向建設用地的轉化，耕地面積減少1 069.15 km2，建設用地面積增加1 573.26 km2。2000—2014年，土地利用綜合動態度為0.461%，是1987—2000年的4倍。(2) 景觀結構上，耕地是流域的主導斑塊，面積約占70%，30年來占景觀面積的比例降低了3.85%，斑塊形狀趨于復雜；建設用地日益發展為優勢斑塊，占景觀面積的比例指數增加了6.1%。耕地與建設用地斑塊在景觀中的變遷，使得流域自然生態功能受到較為嚴重的干擾。(3) 流域總體的景觀特征表現為優勢斑塊明顯，景觀比較完整，但空間異質性較高而連通性較低。近30年來景觀結構由較完整的大斑塊主導、演化成小斑塊圈點狀穿孔于大斑塊的格局，景觀破碎化較為嚴重。

土地利用變化; 景觀格局; 城市化; 南四湖流域

土地利用/覆被變化是人類活動與自然生態過程相互作用最直觀的表現形式，具有顯著的時空特征，是全球環境變化與氣候變化的驅動因素之一[1]，大規模人類活動導致的土地利用/覆被變化，必然對全球水文循環、全球生物地球化學循環、生態平衡以及全球社會經濟的發展等產生重要影響[2]。土地利用變化影響地球表層系統中各種景觀格局，而景觀格局變化亦是表征土地利用/覆被變化最突出的標志[3]，通過景觀格局的性質、變化特征及其驅動因素分析，有助于深入探討土地利用的時空演變規律[4-5]，而分析景觀格局與生態過程的相互聯系，有利于實現土地資源的可持續發展[2,6]。越來越多的學者從城市[7]、典型區域[8]、生態脆弱區[9]、流域[10-11]等不同尺度對土地利用景觀格局進行研究，流域作為一個完整的地理單元，土地利用景觀格局的演變將直接影響流域的發展與生態安全，是流域綜合管制的關鍵[12]。

南四湖流域是我國東部重要的糧食生產基地與能源基地，是南水北調東線工程的調蓄樞紐[13]。受自然和歷史因素影響，流域水旱災害嚴重，而隨著城市化與工業化進程的加快，圍湖開墾、養殖、修建水利設施、引水灌溉等人類活動的干擾加重，使得流域內土地利用及景觀格局發生明顯變化，在城市化水平提升的同時也帶來了眾多的資源、環境問題。本文以南四湖流域為研究區，分析1987—2014年流域土地利用和景觀格局變化特征，以期揭示流域土地利用現狀和存在問題，為流域城鄉用地結構的布局與規劃、水旱災害的防治、土地資源可持續利用和濕地生態環境保護等提供技術支撐。

1 研究區概況

南四湖流域是淮河流域子流域之一，主要位于山東省西南部，西南角向南延伸至蘇北地區，位于北緯34°24′—35°59′，東經115°02′—117°42′，流域面積30 453 km2。南四湖湖泊呈西北—東南走向，最大水體面積1 266 km2，是我國第六大淡水湖泊，匯入河流有53條，集水面積大于1 000 km2的有9條。流域以南四湖和京杭大運河為界分為湖東、湖西兩部分，湖西地處黃河與古黃河間的黃泛平原，湖東近湖區為泰沂山脈西緣的丘陵平原和第四紀山前沖積、洪積平原，遠湖區為蒙山支脈山地丘陵區。氣候為暖溫帶大陸性季風區，夏季高溫多雨、冬季寒冷干燥，年均降水為750 mm。子流域上包括湖東的泗河、白馬河、蟠龍河等11個子流域；湖西的東魚河、洙趙新河、梁濟運河等10個子流域。行政區劃上主要包括濟寧市、菏澤市、棗莊市，以及泰安市、臨沂市、徐州市等部分區域，總共有29個市、縣。2012年占流域主體的3地市(濟寧、菏澤、棗莊)城鎮人口為647.21萬人，城鎮化率達31.9%，三大產業構成比為11.1∶54.5∶34.4，國內生產總值約6 680億元，人均GDP 為32 956元，整體上低于同期山東省和全國的城市化率(41.5%，52.6%)及經濟發展水平。

2 數據來源與方法

2.1 數據來源

人口數據來源于各市統計年鑒。影像數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心國際科學數據鏡像網站(http:∥www.gscloud.cn)，包括1987年、2000年Landsat 4-5影像10景，2014年Landsat 8影像5景，空間分辨率均為30 m。基于ENVI軟件平臺，對影像進行配準、多項式校正、影像增強、拼接與掩膜裁剪等預處理；采用支持向量積對影像進行分類，分類系統參考中國土地資源分類系統，并結合南四湖流域土地利用實際情況，分為林地、耕地、草地、水域、建設用地、未利用地6大類；運用混淆矩陣(Kappa系數)進行精度評價，結果顯示3期影像Kappa系數可達0.8以上(分別為0.800 3，0.834 7，0.991 2)，滿足土地利用及其景觀格局變化分析的精度要求。借助ArcGIS平臺對分類結果附以統一的投影坐標為WGS_84_UTM_zone_50N、輸出圖像，結果見圖1。

圖1南四湖流域土地利用分類

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用轉化 土地利用變化研究采用土地利用轉移矩陣和土地利用動態變化模型。轉移矩陣可全面而具體地刻畫區域土地利用變化的結構、特征與各土地利用類型變化的方向，定量說明土地利用類型之間的相互轉化狀況，揭示不同類型之間的轉移速率。土地利用動態變化模型主要通過土地利用動態指數來定量描述區域土地利用變化的速度，對比較土地利用變化的區域差異和預測未來土地利用變化趨勢都具有積極的作用，包括單一土地利用動態度、綜合土地利用動態度以及土地利用變化強度指數[14-15]。

2.2.2 景觀格局 景觀格局是研究構成景觀的生態系統或土地利用/土地覆被類型的形狀、比例和空間配置關系，意義在于通過分析景觀結構與生態過程的聯系，反映土地利用變化的時空狀態，揭示景觀的組成、結構和功能變化[16]。景觀格局指數是反映景觀結構組成和空間特征的定量指標，一般從斑塊、斑塊類型和景觀3個尺度進行度量。斑塊尺度從微觀角度解釋單個斑塊的結構特征，而后兩個尺度能從中觀和宏觀角度反映區域的景觀結構，是土地利用/覆被變化研究中常用的尺度[17-19]。本文在類型選取斑塊所占景觀面積的比例(Percentage of Landscape，PLAND)、景觀形狀指數(Landscape Shape Index，LSI)2個指數，PLAND是度量景觀中優勢斑塊的依據之一，其值越大，表明該斑塊在景觀中地位越突出；LSI可度量斑塊的復雜程度，其值越大，表明斑塊形狀越不規則、越離散。二者能表達斑塊在景觀中的配置與空間分布特征，揭示景觀的生態過程與功能的動態變化。

景觀尺度上選取最大斑塊面積指數(Largest Patch Index，LPI)、斑塊密度(Patch Density，PD)、蔓延度指數(Contagion Index，CONTAG)、香農多樣性指數(Shannon′s Diversity Index，SHDI)4個指數[17]。LPI用以描述最大斑塊在景觀格局中的影響程度；PD描述景觀破碎化與空間異質性程度，反映人類活動對景觀的干擾強度；CONTAG揭示景觀中不同斑塊的團聚和蔓延程度；SHDI反映景觀的多樣性程度。優勢斑塊越完整，散布的小斑塊將減少、消失，多樣性降低，景觀不穩定，不利于景觀間的物質能量循環與生物多樣性的保護。這4個指標對景觀中各斑塊類型的非均衡分布較為敏感，且具有高度的相關性，能刻畫景觀的結構與過程變化，揭示景觀的穩定性。

借助Fragstats，ArcGIS軟件平臺，分別選擇standard法和moving window法對研究區主要景觀類型(耕地、林草地、建設用地)及其景觀格局特征進行分析。由于研究區面積較大，選擇邊長為5 km移動窗口來計算窗口內的景觀指標值，形成景觀指數柵格圖。

3 結果與分析

3.1 各土地利用類型及其景觀演變

3.1.1 耕地 南四湖流域是我國重要的糧食生產基地之一，耕地是流域最主要的土地利用類型。1987年、2000年、2014年耕地面積分別為20 701.16，20 331.13，19 632.01 km2，占土地總面積的73.14%，71.84%，69.37%(表1)。1987—2000年期間流域處于城市化初期階段，耕地比例大于70%，且轉移量較小。2000—2014年期間城市化進入中速發展階段，耕地與其他用地之間的轉移頻繁，年變化率和動態變化強度分別為-0.25%，-2.47%，是前一階段的2倍。減少的耕地主要轉為建設用地(1 817.09 km2，占轉出面積的87.30%)。

表1 南四湖流域土地利用及其景觀格局指數

注：景觀指數取值為：00。

景觀構成上，耕地的PLAND值最大(2014年為73.82%)，而LSI值較小(2014年為42)，表明耕地斑塊是景觀空間格局的最基本構型，呈聚合狀分布而形狀較為簡單。近30 a來耕地斑塊的PLAND值下降了3.85%，而LSI值增加了2.34，耕地在景觀中的優勢度有所降低，斑塊被不斷分割，形狀不規則程度增加。

空間上，耕地主要分布于地勢平坦、高程低于100 m的湖西平原區和湖東山前平原(圖1-3)。2000年以來耕地PLAND出現多處離散狀的低值區，其LSI值相應增大，與各級城市建設用地擴張區相呼應，在城市擴張區，耕地斑塊被分割較為破碎。湖東地區，城市擴張導致的耕地PLAND低值區的擴張，迫使耕地向城河、辛安河及白馬河等子流域的上游山區蔓延。一方面，面對城市擴張的壓力，城鎮外圍高產良田和蔬菜地等被優先占用，另一方面，基于糧食安全的基本國策，耕地又不斷侵占山丘區的林草地，二者疊加，使得流域自然生態功能受到較為嚴重的干擾。

圖2主要土地利用類型的PLAND的空間格局

3.1.2 建設用地 近30 a來流域總人口增加206.17萬人，中等城市(50萬～100萬人)增加了6個，I型小城市(20萬～50萬人)由3個增加到8個，城市化率上升約20%(從12%到32%)，GDP增加6 556.11億元。城鎮人口的快速集聚和經濟發展促進了建設用地的擴張，2014年流域建設用地面積為5 452.31 km2，占流域總面積的20%，其中城市建設用地為5.45%，農村建設用地為13.69%。1987—2000年，建設用地增加了364.05 km2。2000—2014年，建設用地增加了1 209.21 km2，年變化率和動態變化強度是前一階段的3.3倍，為2.036，4.272%。

景觀上，建設用地主要由量大而分布廣的農村居民點和數量少而呈團聚分布的城市聚落組成。近30 a來其景觀變化明顯表現為城市聚落的蔓延擴張和農村聚落的整合，建設用地PLAND值增加了6.1%，斑塊在景觀中的地位逐步提升。城市建設用地斑塊的成片擴張使其形狀不斷簡化，LSI指數降低3.39。空間上，城市建設用地多分布在40～100 m高程、地勢和緩的地區，農村聚落和建制鎮的斑塊類型經歷著從分散到團聚的變化，各縣城、縣級市和棗莊、菏澤、濟寧等地級市的建成區從團聚到急劇蔓延擴散的變化。2000—2014年，PLAND高值區(75～99)在空間上擴張明顯。建設用地作為物質、能源的高耗區和廢棄物的高排區，其斑塊的擴張對于流域綜合生態安全格局形成較大的脅迫。

3.1.3 林地、草地 林、草地是維護流域生態服務功能的主要生態用地，主要分布于流域的各級山丘區。2000—2014年，林地面積減少238.78 km2，減少率為-2.53%，減少的林地讓位于農業和建設用地，轉移面積分別為208.59，28.26 km2，僅剩零星斑塊散布于湖西南部和湖東東部山區；草地面積減少361.99 km2，其中84%轉向耕地，湖西草地所剩無幾，湖東山區草地退化嚴重。

30 a間流域林草地斑塊呈現減少、消失趨勢，PLAND值從7.81%減少到5.57%，在景觀格局中的地位降低，形狀更加簡化。2014年湖西鄭集河、大沙河流域原有的高密度林草地已經消失，僅洙趙新河、豐沛河少有保存，湖東北沙河、辛安河、白馬河等山丘區的PLAND高密度區比例縮小。林草地的嚴重退化使流域水源涵養、氣候調節、防風固沙、碳氧平衡、生物多樣性等生態功能受到巨大的損害。

圖3主要土地利用類型的LSI的空間格局

3.1.4 水域和未利用地 水域包括南四湖湖區和河網水系，水域面積受到降水豐枯以及圍墾等人類活動的影響。枯水年份，部分湖底干枯出露，成為湖濱灘涂、荒地和未利用地等，而豐水年份，湖濱被淹沒，水域面積增加。1986年、1987年流域為枯水年(降水量約479，633 mm)，沿湖的濟寧市旱災受災面積達623.5，610 km2，流域水域面積僅967.96 km2，大部分湖區成為未利用地。1990年代以后，流域降水量為增加趨勢，水域面積增加而湖區未利用地面積減少明顯。

受湖區水位的變化影響，未利用地在1987—2000年變化突出，年變化率和動態變化強度為-5.513%，-1.972%。2000年后，流域山丘區和崗地上的荒地主要用于補充建設用地及因城鎮化占用的耕地面積。

3.2 土地利用-景觀格局的綜合演變

3.2.1 土地利用綜合動態度持續增加 土地利用綜合動態度可綜合描述各土地類型間的轉移情況和變化速度，反映土地利用類型的穩定程度，其值越大表明斑塊越不穩定[15]。1987—2000年流域城市化進程緩慢，土地利用結構變化較小，綜合動態度僅為0.112%(表1)。2000—2014年，土地利用結構變化強度增加，綜合動態度為0.461%，人類活動對土地的干擾強度是前期的4倍，土地類型處于極不穩定狀態。

3.2.2 景觀格局的動態演變 流域總體的景觀特征表現為優勢斑塊明顯，景觀比較完整，但空間異質性較高而連通性較低。近30 a，各土地利用類型的擴張與收縮、分割與團聚，以及較強的土地綜合變化導致流域景觀格局發生顯著變化。由表2可見，1987—2014年，流域的LPI，PD，CONTAG值分別減少4.29%，0.1，2.7%，SHDI增加3%，表明主導斑塊面積減少，景觀間的連通性降低，阻礙物質能量的運移，但景觀空間異質性升高。30 a來，經濟發展、人口變化、城市化和農業活動等人為干擾對土地利用和景觀格局產生了較為強烈的干擾，且景觀格局的變化在較大程度上改變了景觀生態過程。湖西的景觀變化趨勢與湖東略有差異，受地形等自然條件的影響，湖西的景觀以大面積的農業基底為主，斑塊類型較少，異質性的城市景觀進入區域過程中，景觀先破碎后不斷完整蔓延，景觀多樣性經歷著先增加后降低的變化。而湖東地域面積小、景觀斑塊類型多，耕地與建設用地斑塊的入侵，改變斑塊在景觀中所占的比例，SHDI值增加6%(2014年SHDI高達0.91)。

表2 1987-2014年的南四湖流域景觀格局指數

注：景觀指數取值:00；0

景觀空間格局的變化取決于斑塊的動態變化，將各個景觀指數分成4個等級，均從低到高表達為Ⅰ—Ⅳ等級(圖4)，4個指標值各等級的空間變化與轉移反映了景觀在空間上的演變過程，也反映了人為干擾的強度與轉移，同時也影響到流域生態系統的物質循環和生態功能。由圖4可知，近30 a來，流域景觀由較完整的大斑塊主導，演化成圈圈點點的斑塊穿孔大斑塊的格局。1987年LPI高值區(56.804～99.608)密布于湖西平原區，Ⅲ、Ⅳ等級交替分布，斑塊完整，以萬福河和梁齊運河流域最為集中，對應著CONTAG的高值區(31.95～77.05)、PD值的最低值區(0.081～0.557)，景觀破碎化小，人為干擾較弱，流域生態系統的結構和功能較為穩定。30 a的城市發展使城市斑塊穿孔于耕地、林草地斑塊，且呈圓環狀向外延伸，城市邊緣因土地利用類型多樣，LPI指數降低，空間異質性提高，SHDI上升，然而CONTAG等級降低，對景觀間的物質運移與能量轉換產生不利影響。

圖4南四湖流域景觀破碎度和多樣性空間分布

景觀動態變化的突出表現為景觀的破碎化，景觀破碎度較高的區域也是景觀多樣性程度高的區域。主要表現為低山丘陵區的景觀變化，其PD為Ⅱ、Ⅲ等級，SHDI為Ⅲ、Ⅳ等級交替分布。30 a間，景觀破碎化與多樣性高密度區呈向東部山區轉移的趨勢，蟠龍河、泗河流域PD，SHDI的Ⅳ等級比例擴大，而湖西大沙河與復興河流域山區PD的Ⅱ、Ⅲ等級比例縮小、SHDI由Ⅳ降到Ⅱ等級，湖東白馬河、辛安河、北沙河流域的交界處PD由Ⅲ降到I等級、SHDI由Ⅳ降到I等級，這是地形阻礙以及人類活動干擾的結果。

4 結 論

(1) 近30 a，南四湖流域的土地利用及其景觀類型變化顯著，主要表現在耕地與建設用地之間的轉移。耕地面積減少1 069.15 km2，建設用地面積增加1 573.26 km2。2000—2014年，城市化進入中速發展階段，土地利用綜合動態度為0.461%，是前一階段的4倍。

(2) 景觀結構上，耕地作為流域主導斑塊，其面積約占70%，30 a來PLAND值減少了3.85%，LSI值增加了2.34，斑塊形狀趨于復雜；建設用地日益發展為優勢斑塊，PLAND值增加6.1%、LSI值降低3.39，由零星散布發展成團聚密布、形狀簡化。耕地與建設用地斑塊在景觀中的變遷，使得流域自然生態功能受到較為嚴重的干擾。

(3) 流域總體的景觀特征表現為優勢斑塊明顯，景觀比較完整，但空間異質性較高而連通性較低。近30 a來各土地利用類型斑塊的擴張與收縮、分割與團聚，以及較強的土地綜合變化導致流域景觀格局發生顯著變化，30 a間LPI，PD，CONTAG值分別減少4.29%，0.1，2.7%，SHDI增加3%，表明景觀由較完整的大斑塊主導、演化成圈圈點點的斑塊穿孔大斑塊的格局，并突出表現為景觀破碎化。

[1] 劉紀遠,匡文慧,張增祥,等.20世紀80年代末以來中國土地利用變化的基本特征與空間格局[J].地理學報,2014,69(1):3-14.

[2] 馮異星,羅格平,周德成,等.近50 a土地利用變化對干旱區典型流域景觀格局的影響:以新疆瑪納斯河流域為例[J].生態學報,2010,30(16):4295-4305.

[3] 潘竟虎,蘇有才,黃永生,等.近30年玉門市土地利用與景觀格局變化及其驅動力[J].地理研究,2012,31(9):1631-1639.

[4] 陳文波,肖篤寧,李秀珍.景觀指數分類、應用及構建研究[J].應用生態學報,2002,13(1):121-125.

[5] Kalnay E, Cai M. Impact of urbanization and land-use change on climate[J]. Nature, 2003,423(6939):528-531.

[6] Bian Z, Zhang Y. Land use changes in Xuzhou coal mining area[J]. Acta Geographica Sinica, 2006,61(4):349-358.

[7] 么欣欣,韓春蘭,劉洪彬,等.基于RS與GIS的沈陽市土地利用及景觀格局變化[J].水土保持研究,2014,21(2):158-161.

[8] 李鑫,丁建麗,王剛,等.土庫曼斯坦典型綠洲土地利用/覆被變化和景觀格局的時空演變[J].中國沙漠,2014,34(1):260-267.

[9] 郭麗英,劉彥隨,任志遠.生態脆弱區土地利用格局變化及其驅動機制分析:以陜西榆林市為例[J].資源科學,2005,27(2):128-133.

[10] 杜清,徐海量,趙新風,等.新疆喀什噶爾河流域1990—2010年土地利用/覆被及景觀格局的變化特征[J].冰川凍土,2014,36(6):1548-1555.

[11] 姜亮亮,劉海隆,包安明,等.瑪納斯河流域景觀格局演變特征與驅動機制分析[J].水土保持研究,2014,21(4):256-262.

[12] 萬榮榮,楊桂山.太湖流域土地利用與景觀格局演變研究[J].應用生態學報,2005,16(3):475-480.

[13] 沈吉,張祖陸,楊麗原,等.南四湖:環境與資源研究[M].北京:地震出版社,2008.

[14] 吳春花,杜培軍,譚琨.煤礦區土地覆蓋與景觀格局變化研究[J].煤炭學報,2012,37(6):1026-1033.

[15] 王秀蘭,包玉海.土地利用動態變化研究方法探討[J].地理科學進展,1999,18(1):83-89.

[16] 潘竟虎,劉普幸,趙軍.黑河下游土地利用與景觀格局時空特征分析[J].土壤,2008,40(2):306-311.

[17] 鄔建國.景觀生態學:格局、過程、尺度與等級[M].北京:高等教育出版社,2007.

[18] Wu J. Effects of changing scale on landscape pattern analysis: scaling relations[J]. Landscape Ecology, 2004,19(2):125-138.

[19] 王媛媛,周忠發,魏小島.石漠化景觀格局對土地利用時空演變的響應[J].山地學報,2013,31(3):307-313.

AnalysisonLandscapePatternChangeandLandUseinNansiLakeBasin

MENG Yaoyao, XUE Lifang

(SchoolofResourcesandGeosciences,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou,Jiangsu221116,China)

Based on three sets of Landsat data (1987, 2000 and 2014), the land use information was extracted by using the software of ENVI, ArcGIS. The landscape indexes were figured out by analyzing the attribute data of the landscape classification map with the Fragstats software. The land use change and its impact on the landscape pattern were quantitatively analyzed in the Nansi Lake Basin. The results show that: (1) during the 30 years, the change of the land use in Nansi Lake Basin performed distinctly for the transformation of farmland to construction land. The areas of farmland decreased by 1 069.15 km2and construction land increased by 1 573.26 km2. The comprehensive land use dynamic degree was 0.461% from 2000 to 2014, which is 4 times of that from 1987 to 2000; (2) on the landscape structure, farmland, as a dominated patch in basin, accounted for about 70%, percentage of landscape is reduced by 3.85%, and shape was complicated in 30 years; construction land was developed increasingly as an advantage patch, of which percentage of landscape was increased by 6.1%; the changes of farmland and construction land patches in landscape made the natural ecological function suffer more severe disturbance in basin; (3) the whole basin landscape was relatively integrated and the dominant patches were obvious, however, the spatial heterogeneity was higher and landscape connectivity was low. In the recent 30 years, the landscape structure dominated by relatively complete large patches, evolved into the pattern of the small circle patch perforated in large patches, and the landscape fragmentation was relatively severe.

land use change; landscape pattern; urbanization; Nansi lake basin

2016-03-28

：2016-06-26

國家自然科學基金“面向流域的城市化水文效應與城市可持續發展”(41201166);江蘇高校優勢學科建設工程項目;國家級大學生創新訓練項目(201510290045)

孟瑤瑤(1993—),女,安徽合肥人,碩士研究生,研究方向為地理信息系統應用。E-mail:15252032326@163.com

薛麗芳(1975—),女,山西柳林人,博士,副教授,主要從事數字城市規劃研究。E-mail:xuel76@163.com

F301.24

：A

：1005-3409(2017)03-0246-07