城市土地景觀格局變化及其驅動力分析

朱凱群，朱永恒，汪夢甜

摘要 作為長江中下游典型沿江城市代表，研究蕪湖市土地利用景觀格局變化對區域環境保護、資源利用和經濟發展具有重要意義。選擇蕪湖市1995、2005和2015年的TM影像作為基礎數據，在RS和GIS的技術支持下提取土地利用數據，計算景觀指數分析土地利用景觀格局特征和景觀破碎化過程，采用轉移矩陣和不穩定斑塊圖譜分析景觀類型變化和穩定性，并分析驅動力因素。結果表明：蕪湖市景觀格局類型以耕地、林地、建設用地和水域為主，景觀指數表明20年里景觀格局變化顯著。各類土地景觀相互轉化明顯，且隨時間變化轉化關系愈發復雜，耕地面積減少，林地面積增加逐漸取代耕地的主導地位，耕地和林地同為最主要的轉入者和轉出者；草地和未利用地的轉移概率最高，最易轉化；水域和建設用地較為穩定。20年時間跨度里蕪湖市景觀格局破碎化速度加快、程度加深，且在時間和空間上都表現出不穩定性增強。而這些變化都在降水與氣溫變化、人口與社會經濟增長以及政府決策等多重因素的共同驅動下形成。

關鍵詞 土地利用；景觀格局；景觀指數；破碎化；蕪湖市

中圖分類號 K928.5；X321 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2018）06-0055-07

The Change of Urban Landscape Pattern and Its Driving Forces—A Case Study in Wuhu City，Anhui Province

ZHU Kaiqun，ZHU Yongheng，WANG Mengtian （College of Territorial Resources and Tourism，Anhui Normal University，Key Laboratory of Natural Disaster Process and Prevention Research of Anhui Province，Wuhu，Anhui 241003）

Abstract As a representative of mediumsized cities in the middle and lower reaches of the Yangtze River，it is of great significance to study the change of land use landscape pattern in Wuhu for promoting regional environmental protection，resource utilization and economic development.This paper selected the TM images of Wuhu City in 1995，2005，and 2015 as the basic data，extracted the land use data with the technical support of RS and GIS.The landscape indices were used to analyze the landscape pattern characteristics of land use and the processes of landscape fragmentation in Wuhu.The transfer matrix and the unstable patch map were applied to analyze the changes and stability of landscape types.Finally，the driving forces were identified.The results showed that：the landscape types in Wuhu were mainly cultivated land，forest land，construction land and water area.The landscape index showed that the landscape pattern had changed significantly in the past 20 years.The transformation of various land landscapes was obvious，and the transformation relationship became more complex with time，the cultivated land area was reduced，the increase of forest land gradually replaced the dominant position of cultivated land，cultivated land and forest land were the most important transferor and transferred reader.The transfer probability of grassland and unused land was the highest，and it was easiest to transform.Within 20 years' span，the fragmentation of landscape pattern in Wuhu was accelerated and deepened，and showed instability in both time and space.These changes were combined with the precipitation and temperature changes，population and socioeconomic growth，and government decisionmaking and other factors.

Key words Land use；Landscape pattern；Landscape index；Fragmentation； Wuhu City

土地利用空間格局變化是指土地利用類型數量和質量的變動，用以表征人地關系在空間上的作用強度與模式[1-2]，其變化受到自然環境和人為活動的共同影響。城市化在土地利用景觀上的特征主要是大量農用地或未利用地轉化為城市建設用地的過程。如今城市化速度快、規模大，不僅表現在城市人口激增，城市土地利用、產業結構和資源環境分配等問題也同樣凸顯[3]，所以城市土地利用背景下的景觀格局研究得到重點關注。

國內外學者對城市景觀格局變化的研究主要采用不同時期遙感影像進行城市景觀的動態變化分析[4-5]。研究內容主要為景觀異質性、城市空間擴展模式以及空間擴展因素與脅迫機制等方面[6]。眾多研究表明景觀指標反映景觀格局是景觀格局變化研究的一貫方法[7]，除此之外還有模型分析法[8]和動態模擬模型分析法[9]。前期研究集中于景觀分類[10]、景觀格局分析與模擬[11]以及景觀格局研究的尺度問題[12]，隨后基于土地利用變化過程、規律及驅動因素的景觀格局組成、成因及作用機制成為重點[13]。目前城市景觀格局研究在我國的應用區域十分普遍，單個城市景觀格局研究多以大中型城市為主，其城市化發展規律是否符合小型城市以及小型城市是否具有獨特的發展規律有待探索。筆者以蕪湖市為例，通過對土地利用景觀格局空間結構動態變化進行定量分析，了解蕪湖市過去20年城市發展過程中土地利用變化狀況，揭示景觀格局演變特征，分析城市景觀格局演化過程中存在的問題，并從社會經濟和自然環境等方面簡要分析驅動力因素，對于揭示城市土地利用的變化規律、實現城市化進程中土地利用的可持續發展具有重要作用。

1 數據與方法

1.1 研究區概況 蕪湖市位于安徽省東南部，中心地理坐標為118°21′E、31°20′N；地勢南高北低，地貌類型多樣，河網水系發達；屬典型亞熱帶濕潤季風氣候，年平均氣溫15～16 ℃，年降水量1 200～1 400 mm。2011年8月經歷一次行政區劃變動，目前轄鏡湖、弋江、鳩江、三山4區，蕪湖、繁昌、南陵、無為4縣，共31個街道40個鎮4個鄉。因其良好的區位優勢——沿江重點開放城市、皖江城市帶承接轉移核心區，經濟發展迅速和城市人口快速增長，城市擴張明顯，是安徽省政治、經濟、文化次中心。由于無為縣、和縣的沈巷鎮并入蕪湖市時間較短，該研究選擇除此之外的31個鎮、街道范圍作為具體的研究區。

1.2 數據來源及處理 該研究采用的遙感數據來源于美國地質勘探局（United States Geological Survey，簡稱USGS）網站。其中1995和2005年采用30 m分辨率的Landsat5-TM影像數據，2015年采用30 m分辨率的Landsat8 OLI影像數據。時間為6～9月，云量低于10%，如遇數據缺失則用相近年份數據代替。非遙感數據包括蕪湖市行政區劃圖（包括shapfile格式面狀數據、邊界數據以及基本屬性表信息）、我國1∶10萬比例尺土地利用現狀遙感監測數據（取自中國科學院資源環境科學數據中心）、其他統計年鑒數據。

運用ENVI5.1軟件對3期遙感影像進行波段組合、輻射定標、大氣校正以及研究區范圍裁剪。根據研究目的，將研究區景觀分為耕地、林地、草地（人工草地、天然草地）、水域、建設用地、未利用地6類。結合實地調查與1∶10萬比例尺土地利用現狀遙感監測數據，在基礎影像上選擇樣本建立解譯標志，采用支持向量機（Support Vector Machine）法進行監督分類[14]，之后進行混淆矩陣精度評價，3期影像分類精度分別為89%、86%和92%，Kappa系數分別為0.85、0.79和0.87，總體解譯精度達85% ，滿足分類要求。在ArcGIS10.1軟件中制作專題地圖。

1.3 研究方法

1.3.1 景觀格局空間統計。對ENVI5.1解譯得到的1995、2005與2015年這3年土地利用景觀數據進行矢量化，在ArcGIS10.1中更新屬性數據，并使用景觀指數軟件Fragastats 4.2計算景觀指標，借助相關統計軟件進行數據統計。

1.3.2 景觀指數選取與變化分析。景觀指數高度濃縮景觀格局信息，反映景觀結構組成和空間配置，指數組合能夠很好地描述和區分景觀格局[15-16]。根據蕪湖市實際，從類型級別下選取景觀面積（TA）、斑塊數（NP）、斑塊所占景觀面積比例（PLAND）等基本景觀信息，量化分析蕪湖市各類土地利用景觀基本狀況；景觀級別下選取斑塊密度（PD）、破碎度（CI）、平均斑塊分維數（MPFD）、香農多樣性（SHEI）以及蔓延度指數（CONTAG）等分析研究區景觀格局空間特征；類型級別下選取平均斑塊面積（AREA_MN）、斑塊密度（PD）、邊緣密度（ED）、景觀形狀指數（LSI）等常用景觀破碎化指標分析研究區景觀類型破碎化演變過程。各景觀指數含義見參考文獻[17]。運用ENVI5.1軟件動態檢測工具（change detection）中的分類后比較法（change detection statistics）分別比較兩時相影像分類結果，得到變化類型、面積以及百分比的轉移矩陣。利用GIS空間疊加分析工具，結合屬性查找功能選擇得到各時期內的不穩定斑塊圖譜，分析景觀格局的穩定性。

2 結果與分析

2.1 蕪湖市土地利用景觀格局特征

2.1.1 土地景觀類型面積與斑塊數量?；谑徍?995、2005和2015年這3個時期的土地利用圖（圖1），計算研究區景觀斑塊面積與數量，結果見圖2。研究區的土地利用類型以耕地和林地為主，草地與未利用地最少，合計比例低于5%。1995和2005年各景觀類型面積從大到小依次為耕地、林地、水域、建設用地、未利用地、草地，期間耕地、未利用地面積減少，其余類型均增加，面積變化較大的是耕地、林地和建設用地； 2015年各景觀類型面積從大到小依次為林地、耕地、建設用地、水域、草地、未利用地，相比較于2005年，未利用地面積不再下降，林地由增加轉為降低，建設用地變動較大。而斑塊數量方面，2015年斑塊數量最多達42 308個，1995和2005年分別為32 905、21 724個。比較各景觀類型，發現1995和2005年草地與未利用地的斑塊數遠遠低于其他類型，其余土地類型斑塊數占總數的90%以上；2015年隨著草地面積增加，斑塊數急劇增加，上升到第2，占比25.1%，僅次于耕地。

1.2 整體景觀指數分析。景觀級別下的景觀指數計算結果見表1，斑塊密度與景觀破碎度呈現相同的變化趨勢：1995—2005年下降， 之后上升并高過初始值。結合現有研究[18]，表明2個時間段內斑塊密度值相對較大，斑塊數大于6個/km2，2015年甚至高達12個/km2，單個斑塊面積較小，體現出土地利用的精細程度較高；景觀破碎度指數波動，說明研究區景觀破碎，穩定性下降；平均斑塊分維數相對穩定，值的大小反映人類活動對景觀格局的影響，影響越大分維數越小[19]。1995—2015年，平均斑塊分維數穩定于1.05，處于較低水平，表明研究區斑塊形狀簡單，究其原因，耕地、林地和建設用地等受人為影響較大的土地利用類型占據研究區的主體地位，受人為干擾導致形成的斑塊較為規則，相似性較高；研究區受主要幾種景觀控制時，其景觀多樣性必然較低，但從蕪湖市各景觀面積比例變化不難發現，2005—2015年，耕地、林地的總比重在逐漸下降，其他類型有所上升，各景觀類型比例差異減小，多樣性指數從1995年的1.09到2015年的1.42逐漸升高；蔓延度指數反映斑塊團聚程度或延展趨勢[20]，研究區蔓延度指數在40%～60%，處于中等水平，說明該區只有少數大面積斑塊團聚，相互間的連通性也一般，而隨著時間變化，蔓延度指數是逐漸減小的，大斑塊的控制力下降，斑塊間面積差距減小，趨于平衡，景觀連接度降低。

2.2 土地景觀斑塊類型變化 為進一步了解研究區景觀類型變化狀況，計算各景觀斑塊的轉化面積，得到該區土地景觀斑塊轉移矩陣。由表2可知，耕地、林地、水域和建設用地是區內主要的景觀類型，作為景觀基質的耕地面積不斷減少，林地面積增加逐漸取代耕地的主導地位。從景觀面積減少來看，1995—2005年間耕地減少了467.50 km2，減少比例達13.86%，未利用地減少77.60 km2，而2005—2015年耕地面積減少略有下降，但仍然高達11.11%。所有類型中，只有林地和未利用地在2個時期的變化情況前后不一致，1995—2005年林地面積增加303.36 km2，增加了8.99%，2005—2015年則減少了13.01 km2，未利用地恰恰相反，前一時期減少77.60 km2，占所有土地類型面積2.3%，后期增加了31.07 km2，前一時期的面積變化遠大于后期。建設用地、水域和草地面積增加，隨著時間變化草地面積增加更多，而水域和建設用地則表現出更加穩定的增長。

結合土地景觀斑塊轉移面積與概率矩陣，以10年為間隔建立研究區景觀類型轉移矩陣，分析不同時期土地利用類型相互轉化狀況（表3），結果表明1995—2005年，水域、建設用地、耕地、林地自身保有率較高，其中水域和林地超過70%，未利用地與草地保有率最低，不足2%。從轉移情況看，林地和耕地是主要的轉移目標，每種類型轉出到該2種的合計比例超過20%，其中未利用地轉移成耕地面積68.52 km2，占自身總面積81.59%，而草地轉移成林地面積1.36 km2，超過自身總面積50%。2005—2015年，自身保有率過50%的只有水域和林地，分別為77.93%和62.47%，耕地和林地仍然是最主要的轉移目標。由此可知，隨著時間的推移，斑塊類型的空間穩定性降低，轉出比例升高。從單一斑塊類型看，耕地因自身面積較大且大面積轉移成林地，時段內的百分比分別為29.53%和30.38%，導致耕地面積降低，林地則因為2005—2015年較1995—2005年轉出到其他類型比例上升，尤其建設用地比例提高1倍，而表現出先大幅增長后小幅度降低；未利用地和草地因自身面積小和轉出率較高的原因，表現出極不穩定的特性；水域和建設用地雖具一定轉出率，但轉入面積較大且自身保有率高，所以表現出穩定的面積增長，當然某種程度上也因水域和建設用地的時效性導致其難以在短時期內大量、快速地轉移成其他類型。

綜合20年蕪湖市土地利用景觀類型相互轉化情況。面積變化最多的是耕地，且大量轉化為林地。未利用地面積也減少，轉移比例高。其余類型的面積都增加，如建設用地和林地分別增加了378.17、290.35 km2，作為轉移目標，在各類型中都處于前列；草地面積增加123.78 km2，但是2015年是1995年的51倍。轉移概率方面，除草地和未利用地，其他類型的保有率均較高，水域轉移成其他類型的比例最低，是由于水域變化難度大的特殊性質決定；建設用地、耕地和林地之間相互轉化的比例較高，說明三者間受人類活動影響顯著，類型變化頻繁；未利用地轉化成林地、建設用地和耕地分別高達49.29%、22.1%和18.24%，而其他類型轉化成未利用地的比例都很低，說明土地利用強度增加，景觀類型變化特征顯著；草地的轉移概率相對較為平均，表明草地作為土地利用變化的過渡類型在類型變化中的重要意義。

2.3 景觀類型破碎化與不穩定斑塊

2.3.1 破碎化過程分析。景觀破碎化是指景觀由連續完整的整體向不連續、相互分離的斑塊體變化的過程[21]。景觀破碎度指標計算結果見圖3，斑塊面積破碎化中，耕地、林地的平均斑塊面積（AREA_MN）較高，因人口分布集中致使景觀成片分布，加之其作為研究區主要的景觀類型具有面積上的優勢，所以破碎化程度相對較低；未利用地、草地的AREA_MN值低，主要原因是其分布分散且面積比例小，建設用地則受地形、政府規劃等因素影響導致，因此景觀細碎化程度高；在時間尺度上，建設用地、水域、林地AREA_MN增大幅度明顯低于耕地、林地等其他景觀的減小幅度，說明研究區景觀類型面積破碎化程度上升。斑塊密度（PD）與邊界密度（ED）破碎化過程方面，耕地的PD最大（平均0.025 0個/hm2），其次是林地（0.024 3個/hm2），建設用地、水域、草地和未利用地較低（不足0.020 0個/hm2），表明耕地和林地分布集中，聚集度高，景觀破碎化程度低；1995—2005年，除建設用地的PD值略有上升外，其余景觀類型PD值下降，說明此期間區域內景觀密度破碎化上升，2005—2015年與之相反；1995—2015年，除草地、林地外其余景觀類型PD值降低，雖然草地的增加幅度較大，但因其只占區內極小的面積，因此20年里景觀密度破碎化程度是上升的；與斑塊密度（PD）一樣，景觀類型中耕地和林地的邊界密度（ED）最大，分別為56.32、43.78 m/hm2；1995—2005年建設用地的ED有所上升，其余景觀類型均降低，而2005—2015年相反，除耕地以外均上升，說明區內景觀類型邊界密度在2005年最低，破碎化程度最高，但2015年與1995年相比，主要景觀類型的ED更低，一定程度上說明研究區的邊界密度破碎化略有上升。耕地、林地、水域、建設用地的景觀形狀指數（LSI）在各年份里均大于50，說明區域景觀形狀復雜，各景觀類型的嵌合度大，分散性強，團聚性差，形狀破碎度明顯，其中草地表現最為明顯，2015年的LSI甚至是前2個時期的近5倍。

2.3.2 不穩定景觀斑塊及其空間分布。研究區土地利用不穩定斑塊空間分布如圖4，由于不穩定斑塊較為細碎，為了突出分布狀況，在制作分布圖時進行小斑塊去除和相應平滑處理，但數據統計并無變動。人類活動對區域景觀穩定性影響巨大，從林地和耕地的不穩定斑塊分布可以發現，人口和經濟活動集中的西北部地區不穩定斑塊明顯較西南部山區多，1995—2005年最明顯。2005—2015年，不穩定斑塊分布相對均勻，是因為隨著時間推移人口數量增加活動空間范圍擴大。

由表4可知，從不穩定斑塊的類型變化看，2個時間段里耕地的不穩定斑塊面積所占比例最大，分別達61.88%和49.36%，其次是林地；2005—2015年建設用地占比較前一時期增長，未利用地則從6.37%下降到0.38%，草地、水域基本不變。從斑塊數量來看，不穩定斑塊總數分別為50 016個和65 029個，體現出研究區景觀空間穩定性下降的趨勢。不穩定斑塊數量表現出與面積相似的特征，數量最多的為耕地和林地，其余景觀類型斑塊數量較少。

2.4 驅動力因素 景觀格局變化是諸多驅動因素相互作用產生的必然結果，其中自然因素引起的區域景觀格局變化是一個長期的、緩慢的過程，而人文因素引起景觀格局變化效果明顯迅速[22-23]。這里討論對該研究區景觀格局變化影響較大的4種驅動力因素。

2.4.1 降水與氣溫變化。降水與地表植被分布關系密切[24]，根據統計年鑒可知[25]，研究區5年滑動平均降水量表明蕪湖市降水量總體增長，適當水分增加形成較好的水分條件，因此林地和草地面積增加。3個時間節點中，1995和2005年的降水量分別為1 052.1、1 095.5 mm， 2015年達1 424.8 mm，變化趨勢與草地面積增長高度一致。未利用地、耕地的轉化更容易指向林地和草地，所以景觀類型變化中未利用地和耕地除了自身保有外，更多地轉化成林地和草地，一定程度上降水量增加對景觀類型變化存在影響。研究區的年平均氣溫（17.04±0.9）℃，無論是年平均氣溫還是多年滑動平均氣溫變化均不明顯，配合年平均降水量形成良好的水熱條件，決定了研究區以耕地、林地和水域為主的景觀格局面貌。

2.4.2 人口因素。人口變化是景觀格局變化最活躍的驅動力因素，對土地利用變化的影響最典型[26]。蕪湖市常住人口自1995年209.28萬增長到2015年365.45萬，凈增長156.17萬人，平均每年增長7.80萬人，因此建設用地的大量增加可以得到合理的解釋，1995—2005年人口增長不到20萬，而2005—2015年增長的人口數是其6倍多，人口增長集中在后10年，導致2005—2015年景觀面積與數量、各景觀指數變動較大，景觀破碎化程度高，過程加速，景觀穩定性降低。城市人口增長帶來城鎮建設用地需求增加，推動商業、工業、園林綠化以及交通建設的發展；人口增長導致人類活動更加劇烈，人為干擾下的土地利用方式變化變得更加頻繁和復雜；資源環境壓力隨人口增加而加大，環境承載力進一步降低，進一步影響景觀格局的變化。

2.4.3 社會經濟。社會經濟發展引起產業集聚、人口集中、資源整合并改變人類的價值觀念，使區域景觀類型和土地利用方式發生變化[27]。蕪湖市過去20年里經濟發展增速明顯，國內生產總值（GDP）由1995年75.08億元增至2015年2 457.32億元，年均增長率為19%，與此同時，農業和工業生產總值分別增長9.1倍和39.0倍。期間耕地和未利用地面積減少，建設用地增加明顯，說明經濟發展伴隨著人才、物力和財力集中，基礎設施建設、經濟商業和娛樂休閑用地等城市建設用地擴張，產業結構的調整等都引起土地資源的重新分配和調整，導致研究區土地利用方式變化，進而改變區域景觀格局。社會財富方面，政府財政收入由3.49億元增長到263.46億元；農民年純收入由1 560元增加到15 964元；政府雄厚的財力滿足人們對生活環境的要求，更多的住房與公共基礎設施得以建成，因此大量的耕地和未利用地向建設用地、林地和水域轉移。

2.4.4 政府決策。政府決策對區域景觀格局的變化具有強制性的影響[28]。根據國家國民經濟和社會發展五年計劃綱要，20世紀90年代至今，蕪湖市先后建立14個經濟園區，工業園區集中建設改變城市景觀格局；與此同時，蕪湖市于1995年開始提高職工房租，減少補貼，1998年實行住房貨幣化，鼓勵個人購房等措施順應了我國房地產建設的熱潮，一定程度上推動了城市建設用地的擴張。城市規劃更是景觀格局變化的直接動力，《蕪湖市城市總體規劃（2006—2020年）》提出，根據自然生態約束與經濟開發支撐單元評價將蕪湖市劃分為4類地區，為達成生態建設總目標要求森林覆蓋率發展目標33%等多方面要求，限定了城市土地利用方式和布局。近年，隨著環境保護成為社會發展的重點，蕪湖市政府十分注重區域生態環境的保護與治理，開展退耕還林還草、保護水源地等措施，這在一定程度上保證了林地、草地和水域的保有量。

3 結論與討論

（1）通過對土地利用景觀格局特征分析得出結論：蕪湖市景觀格局類型以耕地、林地、建設用地和水域為主，耕地與建設用地變化明顯；景觀密度、破碎度指數表明研究區景觀密度大、破碎化明顯；受人類活動影響，研究區平均斑塊分維數較低，景觀多樣性上升，景觀蔓延度指數為40%～60%的中等水平，有少數大面積斑塊團聚，斑塊間連通性較差。

（2）分析蕪湖市景觀格局類型變化，表明耕地面積減少，林地面積增加逐漸取代耕地的主導地位；各類土地景觀相互轉化明顯，且隨著時間變化轉化關系愈發復雜。耕地和林地同為最主要的轉入者和轉出者；草地和未利用地的轉移概率最高，最易轉化；水域和建設用地較為穩定。

（3）從斑塊面積破碎化、斑塊密度與邊界密度破碎化以及景觀類型的形狀指數分析中得出，研究區的破碎化過程不斷加速，破碎化程度加深。從景觀穩定性結果分析，耕地和林地最不穩定，建設用地的穩定性也隨著時間變化而下降。研究區景觀穩定性在空間上表現為由南方比北方穩定向整體不穩定發展，在時間上表現為穩定性地降低。

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