恩施市土地利用及景觀格局動態變化分析

周璐劉恒湯弟偉孫毅劉小芳

(1.湖北民族大學林學園藝學院，湖北 恩施 445000；2.恩施土家族苗族自治州自然資源和規劃局，湖北 恩施 445000)

隨著經濟的快速發展，城市化的推進以及人類活動的增加，區域土地利用方式正發生著劇烈變化。土地利用變化受到自然環境和人類活動的共同作用，其對區域景觀要素的組成與配置起決定性作用，影響著區域景觀格局[1-3]。開展區域土地利用與景觀格局研究，可為區域人地關系協調、生態環境保護與可持續發展提供科學依據。

當前研究集中在土地利用與景觀格局的時空過程、影響因素等方面。如，潘竟虎等[4]發現玉門市土地利與景觀格局發生了劇烈變化，農業人口增長和經濟發展是最直接驅動力；趙方圓等[5]研究結果表明，甘肅省黨河流域林地減少最多、耕地增加最多，各地類的景觀破碎度總體呈上升趨勢；張建等[6]發現，丹江口市土地利用類型和景觀空間格局變化明顯，生態系統服務價值不斷增長；楊苗等[7]預測了白洋淀2030年土地利用，認為湖泊在未來會成為優勢景觀類型，濕地生態系統存在退化的風險；易阿嵐[8]等發現，上海市濕地面積持續縮減，濕地景觀格局受自然、人為雙重因素影響。由此可見，研究對象多集中在流域、干旱區、濕地等，對山地城市的研究較為缺乏。

恩施市作為典型的山地城市，地形條件復雜，氣候多變，生態環境脆弱。近年來，當地大力發展旅游業，經濟發展加速，城市規模不斷擴大，同時伴隨著一系列退耕還林(草)政策的實施，對自然環境的干擾加劇，該區土地利用與景觀格局必然發生變化，但未見相關研究。有鑒于此，本研究基于恩施市2010年、2015年和2018年3期土地利用數據，分析其土地利用與景觀格局，以期為該地區土地利用高效管理、生態保護政策的制定提供參考。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

恩施市位于湖北省西南部，見圖1，屬武陵山片區，地處E109°04′～109°58′，N29°50′～30°29′，為恩施土家族苗族自治州州府，行政區總面積約3967km2。氣候屬于亞熱帶季風氣候，2015年全市森林覆蓋率達62%以上，植被類型多為亞熱帶常綠落葉闊葉林。恩施市處于地勢第二級階梯末端，地形地貌復雜，以山地為主，海拔高程懸殊，具有明顯的垂直地域性差異。社會經濟方面，GDP由2010年的86.94億元增長到2018年的233.17億元，增長近2倍，三大產業比重由22.34∶35.15∶42.5轉變為12.62∶38.94∶48.44。

圖1 恩施市地理位置及高程

1.2 數據來源及處理

2010年、2015年和2018年3期土地利用數據來源于中國科學院資源環境科學與數據中心，空間分辨率為30m，該數據集綜合評價精度在94.3%以上[9]。研究按照土地利用一級類型對數據進行劃分，恩施市包含耕地、林地、草地、水域和建設用地等5類，見圖2。此外，30m的DEM數據來自地理空間數據云。數據處理和分析在ArcGIS 10.7中完成，景觀分析采用Fragstats 4.2軟件。

圖2 恩施市2010年、2015年和2018年土地利用

2 研究方法

2.1 土地利用動態變化研究

2.1.1 土地利用動態度

土地利用動態度是指研究區一定時間范圍內某種土地利用類型的數量變化情況[10]，可以反映區域土地利用/覆蓋中土地利用類型的變化劇烈程度[6]。計算公式：

(1)

式中，K為土地利用動態度；Ua、Ub分別為研究初期和末期某一土地利用的面積；T為研究時段長度。

2.1.2 土地利用程度

土地利用程度可以反映人為活動和自然環境條件的綜合效應[11,12]。計算公式：

(2)

式中，L為土地利用程度指數；Ai為第i種土地利用類型面積；AT為區域總面積；n為土地利用類型數量；Pi為不同類型的土地利用程度參數。參考胡和兵等研究方法[12]，耕地設置為0.545、林地為0.114、草地為0.215、水域為0.120、建設用地為0.936。

2.2 景觀指數分析法

景觀指數是對景觀空間特征信息的高度概括，能有效反映景觀的構成和空間結構，幫助更好地理解與解釋景觀功能[8,13]。參考相關研究[7,13]，在類型水平上選擇最大斑塊指數(LPI)、平均斑塊面積(MPS)、面積加權平均斑塊分維數(AWMPFD)和斑塊凝聚度(COHESION)等4個指數，在景觀水平上選擇斑塊個數(NP)、斑塊密度指數(PD)、周長面積分維數(PAFRAC)、聚集度(CONTAG)和香農多樣性指數(SHDI)等5個指數分析恩施市景觀格局動態變化。

3 結果與分析

3.1 土地利用動態變化

從表1和圖2可以看出，林地是恩施市的主要土地利用類型，2010年、2015年和2018年的林地面積比例分別為78.41%、78.21%和78.04%，森林覆蓋率較高，廣泛分布在整個區域；耕地面積次之，所占比例在12.68%～12.78%，主要位于中部低海拔地區和東部河谷地帶；再次是草地，比例分別為7.49%、7.48%和7.52%，集中在西北部的中高山地區；水域面積較為穩定，主要是清江及其支流；建設用地面積比例不斷增加，主要是中部恩施城區。3個年份土地利用程度指數分別為18.16、18.36和18.44，值較小且逐年增加，說明恩施市整體上土地利用程度較低，土地利用還處于發展時期，集約度呈增加趨勢。

表1 恩施市2010—2018年土地利用類型結構及程度變化

由表2可知，2010—2015年，建設用地和林地變化量最大，其中建設用地面積增加11.79km2，林地面積減少7.82km2；2015—2018年，林地和耕地變化量最大，其中林地減少6.72km2，耕地增加3.69km2；2010—2018年，林地和建設用地變化量最大，其中林地減少14.54km2。建設用地在3個時期土地利用動態度均最大，分別為9.92%、1%和11.42%，表明建設用地是恩施市變化最顯著的地類，而其它地類土地利用動態度較低。

表2 恩施市2010—2018年土地利用變化量及動態度

計算恩施市2010—2018年土地利用轉移矩陣，分析各土地利用類型之間的轉換情況，見表3。2010—2015年，恩施市土地利用變化較小(55.63km2)，占土地總面積的1.40%；林地總轉出最多(29.47km2)，其中14.72km2的林地轉為耕地，同時共21.67km2的其它地類轉入為林地；其次是耕地總轉出面積(19.91km2)，其中17.02km2的耕地轉為林地，共16.15km2的其它地類轉入為耕地；建設用地面積顯著增加，多為對林地的占用。

表3 恩施市2010—2018年土地利用轉移矩陣

2015—2018年，恩施市土地利用變化較小(372.55km2)，占土地總面積的9.40%；林地總轉出最多(176.64km2)，其中132.32km2的林地轉為耕地，同時共169.91km2的其它地類轉入為林地；其次是耕地總轉出面積(140.85km2)，其中128.03km2的耕地轉為林地，共144.53km2的其它地類轉入為耕地；建設用地面積少量增加。

2010—2018年，恩施市土地利用變化較小(382.87km2)，占土地總面積的9.66%；林地總轉出最多(185.24km2)，其中132.80km2的林地轉為耕地，同時共170.69km2的其它地類轉入為林地；其次是耕地總轉出面積(144.76km2)，其中130.70km2的耕地轉為林地，共144.69km2的其它地類轉入為耕地；建設用地面積顯著增加。

總體而言，恩施市的土地利用以林地為主，耕地次之，林地面積不斷減少，建設用地不斷增加。土地利用變化較小，主要表現為林地與耕地的互轉。

3.2 景觀格局動態變化

基于恩施市2000—2018年土地利用數據，利用ArcGIS 10.7和Fragstats 4.2軟件，計算類型水平和景觀水平的景觀指數，分析其景觀格局動態變化。

3.2.1 類型級別指數變化

最大斑塊指數有助于確定景觀的優勢類型。由表4可知，恩施市林地景觀的最大斑塊指數明顯高于其它景觀要素，多年均值為63.974，表明林地在區域景觀結構中占絕對優勢，但值持續減少，人類活動對林地的干擾減弱；建設用地最大斑塊指數小但呈增加趨勢，由0.201增加到0.277，人類活動日益增強；耕地、草地、水域等最大斑塊指數變化不明顯。

表4 恩施市2010—2018年類型級別指數

平均斑塊面積可以表征景觀的破碎程度。林地的平均斑塊面積最大且呈減小趨勢，由1487.795km2降至1322.237km2，林地斑塊最為破碎但破碎度減?。唤ㄔO用地平均斑塊面積呈增大趨勢，由19.327km2增至23.636km2，破碎度逐漸增加；耕地和草地平均斑塊面積年際波動性大，而水域破碎度降低。

面積加權平均斑塊分維數能夠揭示景觀格局總體特征。林地面積加權平均斑塊分維數最大，在1.33左右，水域次之，約1.24，其它景觀值較小。除建設用地外，其它景觀面積加權平均斑塊分維數變化不明顯，建設用地呈增加趨勢，增加了0.022。

斑塊凝聚度用于衡量斑塊類型的物理連通性。各景觀類型的斑塊凝聚度均較大，物理連通性較好，其中林地最大，多年均值為99.983，建設用地斑塊連通性增強顯著。

3.2.2 景觀級別指數變化

由表5可知，恩施市2010—2018年景觀級別的斑塊個數和斑塊密度均呈現先增后減的趨勢，前者由3378個升至3573個后降至3437個，后者由0.8517升至0.9009后降至0.8669。城市建設和退耕還林(草)等各種形式的人類活動深刻影響著土地利用狀態，改變了景觀格局，致使斑塊破碎化程度加深，斑塊數量和斑塊密度增加，其中2010—2015年的干擾強度強于2015—2018年。周長面積分形維數先減后增，總體呈增加趨勢，表明景觀格局復雜性增大。聚集度持續下降，由71.999降至71.3458，景觀里的不同斑塊類型的團聚程度減弱，景觀連通性下降。香農多樣性呈增加趨勢，由0.7144增至0.7306，景觀破碎化程度增加，景觀異質性加劇。

表5 恩施市2010—2018年景觀級別指數

4 結論

本研究基于恩施市2010年、2015年和2018年3期土地利用數據，采用土地利用動態度、土地利用程度等方法，同時選取典型的景觀格局指數，分析了恩施市土地利用及景觀格局的動態變化，主要得到以下結論。

恩施市的土地利用以林地為主，耕地次之，林地面積不斷減少，建設用地不斷增加。整體上土地利用程度較低，土地利用變化較小，主要表現為林地與耕地的互轉。

類型級別方面，林地是恩施市的主要景觀類型且破碎程度最大，建設用地的破碎程度明顯加深，各景觀類型均具有較好的物理連通性。景觀級別方面，景觀格局復雜性增大，景觀破碎化程度加深，異質性加劇。