杭州市土地利用與景觀格局變化分析

劉逸輝，彭偉斌

(杭州師范大學 經濟與管理學院，杭州 311121)

土地利用變化相關研究經過多年的發展，形成了包括不同空間尺度的土地利用和土地覆被變化過程、驅動機制以及資源、生態和環境效應影響等諸多方面的綜合研究體系[1-2]﹒其中如何準確描述土地利用景觀的空間格局及變化，是一個十分關鍵的問題[3]﹒現有研究表明：利用景觀集聚度、破碎度等相關指數能很好地解釋土地利用變化的景觀生態現狀[4-5]；基于分形理論，可以計算土地利用斑塊的分維數和穩定性指數，從而構建分形模型來分析土地利用的分形特征[6-7]﹒景觀格局指數的優點在于能夠高度濃縮景觀格局信息，反映其結構組成和空間配置某些方面特征，可以從斑塊尺度、斑塊類型尺度和景觀尺度3 個層次進行分析[8]﹒楊珊[9]通過構建景觀格局指數，在景觀尺度上分析了漢江流域中下游地區土地利用變化與景觀格局、生態安全之間的時空演變關系；李玉華等[10]以重慶兩江新區為例，分析了快速城市化進程中景觀格局的時空分異特征，探討景觀格局時空變化與城市化之間的聯系；DADASHPOOR H 等[4]通過景觀指數分析了伊朗西北部地區的景觀時空特征﹒可見，結合景觀生態學，運用景觀格局指數來分析景觀空間格局是 目前應用十分廣泛的定量分析方法之一[11]﹒

杭州作為中國改革開放的前沿陣地，劇烈的城市化進程吸引了不少學者的關注﹒岳文澤等[12]采用建設用地擴張強度、空間自相關方法，研究了杭州市城市擴張的空間模式；徐麗華等[13]根據杭州市土地利用變化及各地類重心的轉移，分析其土地利用變化的時空格局特征及其影響因素；楊楊帆等[14]分析了近30 年來杭州市土地利用的變化；田鵬等[15]則對杭州市土地利用變化的生態風險進行了評價﹒但現有研究對杭州市景觀生態格局考慮不足，未能定量描述其破碎度與異質性等景觀空間特征﹒本文將《杭州市城市總體規劃(2001—2020 年)》[16]確定的規劃區范圍作為研究區域，運用GIS 的空間分析工具，對2010—2017年的土地利用類型變化空間特征與各類用地之間的相互轉換關系進行分析，得到其土地利用變化矩陣，并結合杭州城市發展進程，分析土地利用變化的影響因素﹒同時運用景觀生態學原理對土地利用的景觀破碎度、集聚度和異質性進行綜合評價和比較，總結杭州市規劃區土地利用景觀格局變化特征﹒這對全面掌握土地利用的變化特征，制定完善國土空間規劃具有重要意義﹒

1 研究區域概況

杭州市位于浙江省北部，錢塘江下游北岸，京杭大運河南端，地處長江三角洲城市群的南翼，是該區域重要的中心城市﹒杭州市下轄10 個區、1 個縣級市和2 個縣，總面積1 685 357 hm2，其中市區面積829 231 hm2，2017 年常住人口946.8萬，其中市區824.1 萬﹒研究區域包括上城區、下城區、拱墅區、西湖區、江干區、濱江區、余杭區和蕭山區8 個市轄區，總面積333 594 hm2，約占市區面積的40%、市域總面積的20%，而GDP 約占全市的75%(2017 年)；2017 年末總人口691.1 萬，占全市總人口的73%[17]，在杭州市城鎮、人口和產業結構中具有舉足輕重的地位﹒

2 研究方法

2.1 數據來源

本研究數據包括2010 和2017 年2 個時期土地利用數據(空間分辨率均為30 m)，其中2010年數據是利用Landsat TM 和ETM+數據繪制的全球30 m 地表覆蓋遙感制圖數據(Glabeland30)(數據來源： 國家基礎地理信息中心(doi：10.11769/GlobeLand30.2010.db))，經檢驗其整體分類精確度為83.50%[18-19]；2017 年土地利用數據則是基于Landsat 8 OLI 多光譜影像繪制的全球土地利用/覆被數據，后期采用高分衛星數據進行輔助訓練、驗證樣本等處理，并利用高程數據和夜間燈光數據進行修正，一級分類精確度在75%以上[20]﹒2010 和2017 年2 個時期數據均由國家基礎地理信息中心制作發布，分類精度均滿足土地利用變化分析的精度要求[20]﹒

2.2 研究方法

2.2.1 GIS 空間分析

在GIS 軟件的支持下，利用研究區域邊界矢量數據對2 個時期的分類影像進行掩膜處理，得到2010 和2017 年的土地利用分類圖(見圖1)﹒

圖1 2010 年和2017 年杭州市規劃區土地利用分布

2.2.2 景觀格局分析

將2010 年與2017 年土地利用柵格數據導入景觀格局分析軟件Fragstats 4.2 中，根據研究需要和景觀指數的含義，在景觀尺度與斑塊類型尺度上，選取斑塊密度(PD)、斑塊數量(NP)、周長-面積分維數(PAFRAC)、最大斑塊指數(LPI)對研究區域土地利用的破碎化程度、景觀集聚度和景觀異質性進行分析(見表1)﹒

表1 景觀指數及其含義

3 結果與討論

3.1 土地利用變化特征

2010 年至2017 年杭州市土地利用類型變化較為明顯，耕地、草地和未利用地面積占比皆有所減少﹒耕地面積變化最大，由2010 年的49.09%減少至2017 年的27.96%，減少21.13%；草地面積由2.72%減少至0.60%；未利用地面積占比由0.88%減少至0.10%﹒林地、水域和城鄉建設用地面積占比則出現增加，林地面積占比由20.29%增加至 23.72%；水域面積占比由 6.22%增加至9.79%；城鄉建設用地面積占比增加最多，由20.79%增加至 37.84%，增加了 17.05%(見表 2)﹒

表2 2010 與2017 年杭州市規劃區土地利用結構 %

分析發現，研究區內城鄉建設用地增加較多，城市擴張現象明顯，耕地面積嚴重萎縮；未利用地在原本低保有量的情況下繼續減少，土地利用率持續增加，導致規劃區土地后備資源嚴重不足，嚴重影響杭州市區的持續發展，直到富陽市(2014年)與臨安市(2017 年)撤市設區并入市轄區，這一問題才得到一定程度的緩解﹒

3.2 地類轉換與影響因素

采用GIS 軟件的相交分析方法，求得2 個時期杭州市規劃區土地利用轉換矩陣(見表3)﹒

表3 2010—2017 年杭州市規劃區土地利用轉換矩陣 hm2

在矩陣中，行表示期初年份土地利用類型面積，列表示期末年份土地利用類型面積，對角線表示未發生轉換面積[21]﹒耕地的轉換最為顯著，7 年間大量耕地轉換為林地、草地、城鄉建設用地等其他用地類型，其中耕地向城鄉建設用地轉換面積最大，為63 848.88 hm2﹒由于城市不斷擴張，大量分布于郊區的耕地被道路等城市基礎設施占據，轉變為建設用地；耕地轉為林地是低丘緩坡綜合開發、退耕還林、土地生態修復以及山區村莊合并等復合因素作用的結果[13]﹒在“旅游西進”戰略下，杭州在“十二五”規劃期間將原有的環城游憩帶進一步發展為“環都市休閑游憩圈”，繼續實行生態保育，對林地面積增加有很大推動作用﹒同時，耕地也存在對其他地類的占用，且類型多樣﹒林地、草地、水域、城鄉建設用地、未利用地均有部分轉換為耕地，其中林地、草地、水域和城鄉建設用地轉換為耕地的面積分別為 4 900.86，2 480.76，2 425.86 和9 054.00 hm2，未利用地轉換為耕地的面積不顯著﹒城鄉建設用地的變化顯著，來源多樣，凈增加面積為69 735.24 hm2，耕地對城鄉建設用地的轉換最為顯著，轉換面積為2010 年城鄉建設用地面積的113.57%﹒土地利用規劃中未針對水域面積制定指標，而在建設用地方面，2017 年的城鄉建設用地面積為125 952.12 hm2，未超過土地利用總體規劃中城鄉建設用地總規模126 900 hm2的控制指標﹒研究期內，研究區域處于擴張狀態，城鄉建設用地代替耕地成為該區域最主要的土地利用類型，從空間上看主要以2010 年的建成區為中心向四周擴散，但擴張的主要部分在規劃區東部的蕭山區，錢江新城的逐步建成完善、地鐵四號線的開通是2 大主要驅動因素，而西部雖有未來科技城的布局，城市擴張效應卻并不明顯，其原因除了出于旅游發展的目的而進行的生態保育與退耕還林，還有西湖景區和西溪濕地對城市擴張的阻礙作用，進一步證實了此前研究的結論[22]﹒研究期內城鄉建設用地面積增加了83.15%，相比之下，人口由434.82 萬增加到493.99 萬，增長了13.6%，城市發展呈現出明顯的粗放狀態﹒總之，新城開發與生態保護的合力使研究區域的布局形態逐漸從環西湖的單中心格局向跨越錢塘江兩岸的多中心格局轉變[19]，這也是杭州“城市東擴、旅游西進，沿江開發、跨江發展”[23]空間策略的執行結果﹒

水域的主要轉出地類是耕地和城鄉建設用地，轉換面積分別為2 425.86 和2 501.46 hm2，而耕地和城鄉建設用地也存在轉換為水域的情況，這說明水域的減少既有人為活動的影響，也存在耕地結構調整的因素﹒圍湖填河和城鄉建設用地的擴張對水域濕地等區域造成了較大的影響﹒未利用地轉換為水域說明杭州市在水域保護方面較為重視，城市建設對天然水體的占用較少﹒其他各類用地之間也存在相互轉換的情況﹒

3.3 景觀格局變化特征

景觀尺度上，2017 年各類用地的斑塊數量增加了59 045 個，而最大斑塊指數則下降了3.091 8，說明整體而言，土地利用的景觀集聚度在降低、景觀優勢度有所下降；斑塊密度增加了17.651 9，意味著整體景觀的破碎度增加較多，土地利用更加破碎化；同時，周長-面積分維數的數值增加了0.067 5，說明土地利用的景觀形狀變得更復雜，各類用地分界變得更模糊，整體景觀的穩定性在降低(見表4)﹒可看出整個杭州市規劃區的土地利用存在一定生態風險，景觀破碎化和不合理的人工干預可能導致城市景觀生態的惡化，但因各用地類型的景觀格局指數評價標準存在差異，因此需在斑塊類型尺度上根據不同地類進行分析﹒

表4 景觀尺度上的景觀格局分析結果

表5 斑塊類型尺度上的景觀格局分析結果

表5 所示為斑塊類型尺度上的景觀格局分析 結果﹒從表5 可知，所有土地利用類型的斑塊數量和斑塊密度數值都出現上升，但同時耕地、草地、未利用地的最大斑塊指數數值出現下降，而林地、水域、城鄉建設用地的最大斑塊指數則出現上升﹒結合土地利用動態變化分析結果可以看出，所有地類的景觀異質性都在增加，而在面積減少的同時，耕地、草地、未利用地的破碎度增加，呈現出愈發破碎化的趨勢，土地利用集聚度和景觀優勢度也在下降，說明這3 類用地的景觀生態存在惡化的風險；林地、水域、城鄉建設用地的破碎度呈上升趨勢，而空間集聚度也在增加，但由于這3 類用地的面積也在增加，因此是一種較為合理的變化﹒

周長-面積分維數方面，除林地和草地分別下降了0.011 9 和0.040 8 外，耕地、水域、城鄉建設用地、未利用地皆有所上升，即林地和草地斑塊形狀的復雜程度有所降低，表明林地和草地研究期內土地利用變化過程中受到的人工干預在減少，水域和未利用地受到的人工干預在增加﹒耕地與城鄉建設用地需結合土地利用轉換矩陣分析：大量耕地轉為城鄉建設用地，城市面積不斷擴張是其周長-面積分維數上升的主要原因，這也表明大規模的城市化會導致土地利用格局趨于破碎﹒

4 結論

1)耕地、草地、未利用地面積減少，林地、水域、城鄉建設用地面積增加，耕地與林地、城鄉建設用地之間的互動作用十分強烈，城市擴張效應顯著，土地利用方式較為粗放﹒具體特點為耕地減少仍然可控；城市空間不斷以東部為重心擴張，呈現出多中心的發展特點；土地利用方式較為粗放，城市發展精細化程度不足﹒

2)耕地減少與城鄉建設用地增加主要由城市新區建設等開發性政策和退耕還林等保護性政策共同推動，其分布更是受到自然條件的制約和經濟發展規律的影響；林地的變化主要與城市游憩帶規劃、生態保護的需要有關，其空間分布也對城市蔓延有一定的阻礙作用﹒

3)景觀破碎化程度、異質性增加，景觀優勢度有所降低，土地利用更為平衡，但有生態安全風險﹒大規模的城市化和人為活動會導致土地利用景觀的破碎度增加和穩定性下降，由于耕地結構調整和城鎮化建設等多方面因素影響，城市水體被侵占，建設用地集聚度增加，長遠看會破壞生態廊道的連通，造成生態景觀破碎化、生物棲息地的消失和生物多樣性的削弱；另一方面，建設用地過度擴張會導致城市地表溫度上升，加劇熱島效應，也會帶來空氣污染等問題﹒