土地利用變化影響下湘西自治州景觀格局的時空演變

鄧楚雄， 劉睿娜， 聶小東， 李忠武

（湖南師范大學 資源與環境科學學院，湖南 長沙410081）

景觀格局是指大小、形狀、屬性不一的景觀單元（斑塊）在空間上的分布與組合規律［1］，是土地利用變化最為直觀的標志.人類活動是導致景觀格局變化的根本原因之一［2-3］，基于組成要素幾何特性的景觀格局分析能夠有效地評估人類活動對土地利用變化影響的程度［4］，對區域土地利用規劃與生態系統管理修復尤為必要.目前，土地利用類型變化日益加快，如何降低土地利用類型變化對景觀格局的影響成為政府和學術界十分關注的問題［5-6］.

土地利用類型變化一直是生態學和地理學研究的重點領域［7］，相關研究內容主要包括土地利用類型變化的過程與趨勢［8-9］、人類活動對土地利用類型變化的影響及作用機制［10］、土地利用類型變化的景觀格局效應與響應措施［11-12］等.其中，自然驅動力和人類活動對景觀格局的塑造起著重要作用［1］.人類活動（人口增長、城市擴張、農業機械化等）通過影響景觀格局，改變人類與自然之間的關系，加快了生態用地向農業用地和建設用地轉變，最終導致景觀格局呈現顯著的破碎化特征.以往研究主要集中于區域社會、經濟等方面與景觀格局之間的數量關系，其中，湖南地區關于景觀格局的研究區域集中于洞庭湖區［13］、長株潭城市群［14］，缺乏對湘西地區的研究；研究內容多以單一土地利用類型景觀［13-14］（如濕地、林地、耕地等）為主，尚未形成關于土地利用類型變化對景觀格局變化的影響強度和方向的系統研究.同時，土地利用類型變化對景觀格局影響的研究主要集中在高原、山區、生態保護區、沿海地區等生態敏感區［15-16］和流域、三角洲、快速城鎮化地域等關鍵地區［17-19］，以及陸地土地利用變化研究的熱點區域，如西北干旱、半干旱的生態脆弱區與人地關系緊張的經濟發達地區［20-21］.然而大多數研究僅從單一的退耕還林政策或快速城鎮化的視角分析區域土地利用變化過程［22］，鮮見從經濟發展、生態建設工程、國家戰略角度綜合探討區域土地利用變化及其生態環境影響的研究.

湘西自治州屬于我國西南部典型喀斯特地區和武陵山集中連片特殊困難地區雙重疊加區，也是精準扶貧的樣本區.2000—2018 年期間，該地區雖然實施退耕還林還草、“生態州”等生態建設工程，但是，其經濟發展導致地區的景觀格局發生顯著變化.因此，為探究我國西南部喀斯特地區土地利用變化對景觀格局的影響，本文以湘西自治州為研究對象，基于2000、2005、2010、2015 和2018 年Landsat遙感影像提取的土地利用類型，定量分析其土地利用和景觀格局的時空變化，并利用普通最小二乘法回歸分析定量描述景觀格局對土地利用變化的響應，剖析土地利用變化對景觀格局影響機制.

1 研究區概況與數據來源

1.1 區域概況 湘西自治州（27°44′ ～29°38′N，109°10′～110°22′E）位于中國西南、湖南省西北部，地處湘、鄂、黔、渝等4 省（市）交界處，總面積為1.55 ×104km2，處于我國地形第二級階梯的東緣，武陵山脈由東北向西南斜貫全境，地形以山地為主，石灰巖分布極廣，喀斯特地貌面積大，生態環境脆弱；屬于亞熱帶濕潤季風氣候，立體氣候明顯，生物多樣性豐富；是武陵山集中連片特殊困難地區的重要組成部分，也是國家和湖南省扶貧攻堅的主戰場；基于扶貧開發以及少數民族地區優惠政策，現擁有21 個旅游等級景區，被列入湖南省乃至全國全域旅游的典型示范區域.同時，湘西自治州景觀類型錯綜復雜，2018 年建設用地占總面積的1.35%，林地和耕地分別占總面積的70. 69%和19.26%.2000—2018 年期間，湘西地區的經濟發展導致不透水層面積增長以及生態用地的減少，在此背景下，加強土地利用變化影響下湘西自治州景觀格局的時空演變研究意義重大.

1.2 數據來源及處理 采用湘西自治州2000、2005、2010、2015和2018 年的Landsat ETM／TM影像（分辨率為30 m），來源于地理空間數據云（http：／ ／www.gscloud.cn／）.通常而言，夏季植被生長最為旺盛且云量低，遙感數據可靠性高，因此，本研究盡量選擇6至9月份的遙感影像，部分影像由于云量過高難以滿足要求，選擇相鄰月份替代.在進行土地覆蓋分類之前，必須對原始遙感影像做大氣校正、地形校正和幾何校正.本研究利用ENVI 5.3 中的FLAASH工具對遙感影像進行輻射定標和大氣校正；根據GDEMV2數據利用ENVI 5.3 中的擴展工具Topographic Correction執行地形校正；利用ENVI 5.3 中的Image to Map Registration模塊，在每幅影像中選擇50 個均勻分布的地面控制點，以湘西自治州1∶ 100 000地形圖為參照對遙感影像執行幾何精校正.然后，使用最鄰近方法對遙感影像重采樣，空間分辨率為30 m，并采用Albers投影方式將重采樣后的遙感影像投影到GCS_WGS_1984坐標系中.最后，利用湘西自治州行政界線矢量文件裁剪出研究區域.結合外業調查，運用監督分類法對校正后的遙感影像進行土地覆蓋分類，即以目視解譯建立起土地覆蓋分類體系為程序提供訓練樣本，然后在ENVI 5.3中選取最大似然分類法對研究區的土地覆蓋進行分類，得到2000、2005、2010、2015 和2018 年共5期的土地利用數據（圖1）.然后，利用ArcGIS 10.2 在每期遙感影像中隨機生成300 個點，在ENVI 5.3中圍繞這些點建立多邊形（每個多邊形大約包含3個像素），與土地覆蓋分類訓練中的300 個樣本區一起構成600 個精度評估區，通過與參照數據交叉驗證，確定600 個精度評估區的土地覆蓋類型.然后在ENVI 5.3 中生成混淆矩陣，計算總體精度與Kappa 系數，其總體精度分別為86. 3%、90.2%、93.6%、95.1%和98.2%，κ值超過0.8.根據中國《土地利用現狀分類標準（GB21010—2007）》，參考中國科學院土地利用／土地覆蓋分類系統，結合武陵山區土地利用及景觀的性質與特點，將研究區土地覆蓋分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地等6大類.

2 研究方法

2.1 景觀指數 景觀指數已廣泛用于表征土地利用和景觀格局的變化，包括斑塊、類型和景觀3 個尺度上的破碎化、異質性和連通性等方面的指數［23-26］.景觀指數采用FragStats 4.2 軟件計算得到.為了研究破碎化、異質性、連通性等方面的景觀格局，本文選取了研究區的8 個景觀指數：斑塊密度（DP）、邊緣密度（DE）、最大斑塊占景觀面積比例（ILP）、平均最近距離NMN）、分形維數（nFrac）、聚集指數（IA）、香農多樣性指數（ISHD）、蔓延度指數（GCont）.然后，用FragStats 4.2 軟件得到計算結果并進行重復性檢查，刪除相關性較高的指數.最后，從8 個指數中選取了DP、nFrac、DE和IA等4 個指數，對湘西自治州的景觀、類型2 個尺度進行研究.其中，DP指數用于量化不同土地利用類型景觀的面積和密度相關的特征，DP指數值越大，表明景觀越破碎；nFrac指數用于度量不同土地利用類型景觀形狀的復雜程度，nFrac指數值越大，表明景觀形狀越復雜；DE指數用于反映不同土地利用類型景觀的分布特征；IA指數用于描述不同土地利用類型景觀的集聚程度，IA指數值越大，表明景觀集聚程度越高.

2.2 土地利用變化比率 不同類型的土地利用變化比率可以用來描述其動態變化的速度［27］，其計算公式為

式中，Sa和Sb分別為研究初期和末期某一土地利用類型的面積，T為初期到末期的時間段.

2.3 景觀指數變化比率 類似于土地利用變化比率，用于反映不同類型的景觀指數的動態變化的速度，其計算公式為

式中，La和Lb分別為研究初期和末期某一景觀指數的大小，T為初期到末期的時間段.

2.4 普通最小二乘法（OLS） 本文采用普通最小二乘法（OLS）回歸分析土地利用變化與景觀格局之間的關系，其中土地利用類型作為自變量，景觀格局指數作為因變量［28-33］. OLS 將研究區作為整體來研究，通過位置創建全局關系來反映平均條件，其計算公式為

式中，xi和y分別表示自變量和因變量，β0和βi分別表示截距系數和回歸系數，k表示自變量的個數，ε表示服從正態分布的隨機誤差.

3 結果分析

3.1 土地利用類型的時空變化

3.1.1 時間變化特征 結合5 期土地利用數據，獲得各時間段土地利用類型面積及其變化（表1 和圖1）.從土地利用結構來看，2000—2018 年湘西自治州以耕地和林地為主，二者占比超過89%.其中，2000 年耕地和林地的面積占比分別為19.79%和70.54%，2018 年其面積占比變化為19.23%和70.62%.可以看出，湘西自治州耕地出現小幅度的減少，而林地有一定程度的增加.

從土地利用變化來看，2000—2018 年湘西自治州耕地、草地、水域面積不斷減少，林地、建設用地和未利用地面積不斷增加.研究期間，耕地、草地、水域面積分別減少了86.01、4.60、2.42 km2，其中耕地面積減幅最大，達到2.81%.林地、建設用地和未利 用 地 面 積 則 分 別 增 加 了12. 99、79. 46 和0.58 km2，其中建設用地呈現出劇烈的擴張趨勢，面積增幅高達61.33%.

從發展階段來看，2000 年以來湘西自治州建設用地面積不斷增加，對土地利用結構的影響更加劇烈.2000—2015年間與2015—2018年間，耕地面積分別減少53.23與32.78 km2，建設用地分別增加39.45與40.01 km2.可以看出，湘西自治州2015—2018 年間建設用地增長最快，增長率達到7.89%.

表1 2000—2018 年湘西自治州土地利用類型面積及其變化Tab. 1 Quantity and changes of land use area from 2000 to 2018 in Xiangxi Autonomous Prefecture

圖1 2000—2018 年土地利用類型變化比率Fig. 1 Proportions of different land uses in 2000—2018

3.1.2 空間變化特征 2000—2018 年湘西自治州土地利用分布呈現空間異質性（圖2）.其中，林地主要分布于縣（市）的郊區，空間分布形態基本不變.林地增加區域主要分布于荒山荒坡、25°以上的坡耕地，可見退耕還林、生態經濟林種植等人類活動對林地的破壞有緩解作用.減少的林地和耕地分布于建成區周邊，主要用于城市開發；增加的建設用地主要分布于縣（市）的建成區和新城區，空間形態呈現連片分布，經濟發展推動了湘西自治州建設用地的擴張.草地、未利用地和水域面積較小，呈現碎片化零散分布于整個地區.

圖2 湘西自治州土地利用變化Fig. 2 Land use evolution from 2000 to 2018 in Xiangxi Autonomous Prefecture

3.2 景觀格局動態變化

3.2.1 類型水平 2000—2018 年，耕地、林地、草地的斑塊密度增加，其破碎度也隨之增加，景觀的異質性增強（圖3）.耕地的DP增加，DE和IA下降，表明耕地在城市化進程中完整性受到破壞，破碎化程度不斷加大.草地的DP和DE增加，nFrac和IA基本不變，表明草地在開墾和放牧等人類活動影響下破碎化程度升高.林地的DP和DE增加，IA下降，表明林地破碎化程度總體上也在增加，但是由于實施了一系列的生態建設工程，破碎化得到有效遏制.建設用地的DP和DE在所有地類中變化最為顯著，其破碎化不斷增加，使得整個地區的景觀格局的穩定性變差.而水域和未利用地由于所占面積比例較小，景觀指數變化不明顯.

圖3 2000—2018 年景觀指數變化Fig. 3 Changes in landscape indexes during 2000 to 2018

3.2.2 景觀水平 湘西自治州景觀的DP和DE逐步上升，nFrac和IA在時間上表現較為穩定（圖3），說明該地區景觀格局的破碎程度上升、聚集程度下降.耕地和建設用地的DP增加是景觀破碎程度加大、聚集程度下降的主要原因.湘西自治州景觀格局指數呈現出顯著的空間異質性（圖4），具體如下：1）建成區范圍的DP指數顯著增加，由于新的綠色空間打破了原有的單一建設用地的現狀，導致景觀斑塊的數量增加，加大了不同斑塊間的離散程度和景觀的破碎化程度.同時，由于耕地轉變為建設用地，整個景觀更加分散；2）建成區及其周邊DE和nFrac指數呈現出明顯的增長趨勢；3）建成區范圍的IA指數顯著增加，其他區域IA指數呈現降低趨勢，主要是因為建設用地以掠奪式擴張為主，侵占了耕地和草地.空間演變特征上，建成區范圍的4 個景觀指數變化最明顯，其他區域的景觀指數變化趨勢相反.

3.3 土地利用變化與景觀格局的關系 景觀指數與土地利用面積回歸結果（表2）顯示，所有回歸分析的P 值均等于0.000，小于0.05，具有統計學意義表明土地利用與景觀格局有著密切聯系.對于同一景觀指數，未利用地和水域的變化與其他土地利用類型變化對景觀格局的影響作用相反.其中，耕地變化對IA（+0.002 67）和nFrac（+0.106）具有正向作用，對DP（-0.676）和DE（-7.62）具有負向作用；林地變化對IA（+1.87）和nFrac（+34.7）具有正向作用，對DP（-368）和DE（-2 631）具有負向作用，并且負向作用最強；建設用地變化對IA（+0.137）和nFrac（+2.16）具有正向作用，對DP（-34.7）和DE（-162）具有負向作用；草地變化對IA（+0.438）和nFrac（+5.02）具有正向作用，對DP（-46.3）和DE（-361）具有負向作用；未利用地變化對DP（+983）和DE（+6437）具有正向作用，并 且 正 向 作 用 最 強，對IA（-3.57）和nFrac（-86.2）具有負向作用；水域變化對DP（+38）和DE（+183）具有正向作用，對IA（-0.125）和nFrac（-1. 91）具有負向作用.整體而言，耕地、林地、未利用地和建設用地的變化是區域景觀格局變化的主要原因，其中，縣（市）的建成區及其周邊區域建設用地的擴張和新區的建設，以及工業化的加速推進，使得建設用地增長導致了整個景觀格局的異質性和破碎性提高.

圖4 2000—2018 年景觀指數變化率Fig. 4 Rates of changes in four landscape indexes from 2000 to 2018

表2 景觀格局指數與土地利用面積的關系Tab. 2 Relationships between landscape indexes and land use area

4 討論

4.1 耕地、林地景觀格局對土地利用變化的響應研究期間湘西自治州建設用地呈快速擴張，表現出空間城市化水平不斷提升的趨勢.湘西自治州旅游業的發展［34］、縣（市）建成區的擴張［35］以及湘西經濟開發區的發展［36］加快了林地、耕地向建設用地轉變的速度；而“生態州”和“退耕還林還草”等生態建設工程的實施，加快了耕地向草地和林地進行轉變，這些人為因素對該地區的土地利用類型變化造成巨大的影響.同時，研究結果表明，耕地、林地、未利用地和建設用地的變化對景觀格局的空間異質性有驅動作用.其中，經濟發展對建設用地擴張驅動作用最強.研究期間，湘西自治州的縣（市）建成區的擴張以及湘西經開區調區、擴區導致耕地和林地大面積轉變為建設用地，意味著人類活動的強度影響著土地利用變化、景觀格局破碎化以及生態系統的變化.生態建設方面實施退耕還林、生態州建設和“八百里綠色行動”等生態建設重大工程，林業部門的統計數據顯示退耕還林工程實施以來，全州共退出耕地造林1 318. 0 km2，成林1 088. 5 km2，植被覆蓋明顯提升，可以發現生態建設重大工程實施是湘西自治州林地面積大規模增加、耕地面積顯著減少與景觀格局總體趨好的主要驅動力.同時，該地區的林地、草地面積大規模增加，零散的坡耕地與荒山荒地營林植草提高了景觀的聚合度，增強了景觀的連通性，生態環境大幅改善［27］.其中，實施退耕還林以來，植被覆蓋明顯提升，其中以耕地向林地轉換為主.國家戰略方面通過實施精準扶貧工程為實現農民增收，湘西自治州依托退耕還林工程建設，加快農村產業結構調整步伐，積極發展茶葉、柑橘、板栗、核桃、獼猴桃、金秋梨、中藥材等特色林果業.由于特色經濟林大多為疏林地、灌木林地，因此特色經濟林大規模發展很可能是湘西自治州林地面積增加的根本原因.

4.2 協調優化空間開發與景觀格局之間的關系 湘西自治州的建成區不斷繁榮，景區、郊區和遠郊區的城市建設用地不斷擴大，給交通、能源和自然生態系統帶來了巨大的壓力.研究表明，土地利用變化對湘西自治州的景觀格局影響存在空間異質性.利用OLS 探討土地利用變化與景觀格局之間的相關關系，可以為生態經濟區空間高質量發展規劃提供決策依據.根據本研究結果，對湘西自治州國土空間高質量發展規劃提出以下3 點建議：

1）應加強建成區和郊區的綠地保護，恢復景觀多樣性.2000—2018 年期間該地區土地利用類型以建設用地和林地增長為主，耕地和草地面積逐漸減少.雖然建設了綠化帶、公園等城市綠地，但研究期間土地利用變化對景觀格局的負面影響作用不斷加大.因此，決策者應注重保護建成區的自然或半自然的綠地，建設更多的綠色景觀，增加城市景觀的多樣性.

2）應合理控制建設用地的擴張.2000—2018年期間建設用地擴張過程中侵占了大量的耕地和草地，導致景觀格局的破碎化程度不斷提升.因此，在湘西自治州建成區擴張的過程中，有必要實施緊湊型城市理念.限制部分地區建設用地增長，抑制景觀破碎化.

3）決策者應重點保護山區的林地景觀，以及半山區的林地、草地和耕地景觀.山區和半山區應當設立開發禁區，避免建設用地的無序擴張.其中，山區應注重林地景觀的整體性，半山區應保持土地利用類型的多樣性，提高復合景觀的生態恢復能力.

5 結論

定量分析了2000—2018 年期間湘西自治州的土地利用和景觀格局的時空變化特征，進而探討土地利用變化與景觀格局之間的關系.首先對Landsat ETM／TM影像進行分類，識別土地利用時空變化特征，然后利用DP、DE、IA、nFrac等景觀指數，研究該地區景觀格局的時空變化特征.最后，利用OLS回歸分析土地利用變化與景觀格局之間的關系.結果表明：

1）2000—2018 年期間，湘西自治州的土地利用變化顯著，其中，耕地和草地面積減少，建設用地面積增加.除了建設用地一直處于增長以外，其他類型用地面積呈現波動變化，各時間段的變化存在差異，表明建設用地的轉化為單向的，而其他類型用地的轉換都是雙向的.

2）2000—2018 年期間，湘西自治州景觀格局的破碎程度上升，但聚集程度下降.其中，耕地的DP增加，DE和IA下降；草地的DP和DE增加，其他2 個指數基本不變；林地的DP和DE增加，IA下降；建設用地的DP和DE在所有地類中變化最為顯著，對整體的景觀格局影響明顯，其破碎化在不斷增加，使得整個地區的景觀格局穩定性變差；而水域和未利用地由于所占面積比例較小，其景觀指數的變化不明顯.空間上湘西自治州景觀格局指數表現出顯著的空間異質性.

3）土地利用的變化導致了景觀格局的變化，其中，耕地、林地、建設用地和未利用地的變化對景觀格局的破碎化和異質性的影響最大.建設用地的擴張導致了整個景觀格局的破碎化和異質性，主要是因為建成區及其周邊區域建設用地的擴張和新區的建設以及工業化的推進發展，建設用地的增長影響整個景觀格局的異質性和破碎性.

4）經濟發展、生態建設、國家戰略是導致湘西自治州土地利用和景觀格局變化的主要因素.經濟發展對建設用地擴張驅動作用最強，導致耕地和林地轉變為建設用地，意味著人類活動的強度影響著土地利用類型、景觀格局破碎化程度以及生態系統的變化.退耕還林、生態州建設和“八百里綠色行動”等生態建設重大工程是湘西自治州林地面積大規模增加、耕地面積顯著減少與景觀格局總體趨好的主要驅動力.國家戰略方面通過實施精準扶貧工程為實現農民增收，其中特色經濟林大規模發展很可能是湘西自治州林地面積增加以其他林地為主的根本原因.后續發展中應該更好地協調優化國土空間開發與景觀格局之間的關系.