南昌市土地利用景觀格局動態演變與模擬研究

袁 雪，顏七笙

(1.東華理工大學地球科學學院，330013，南昌；2.東華理工大學理學院，330013，南昌)

0 引言

土地作為各生態系統的組成部分及空間載體，是人類賴以生存與發展的重要資源和物質保障[1]，土地利用變化是人類與生態環境進行物質、能量交互作用的結果，而土地利用變化又作用于景觀格局[2-3]。土地利用景觀格局是指不同類別、面積、形狀的土地利用斑塊在空間上的排列狀況，具有明顯的時空特征，是景觀異質性的具體表現[4-5]。自1995年，國際地圈-生物圈計劃(IGBP)和國際全球環境變化人文因素計劃(IHDP)聯合提出“土地利用/覆蓋計劃”以來，引起了國內外學者的廣泛關注，土地利用/覆蓋計劃便成全球土地科學領域的研究熱點之一[6-7]。工業革命以來尤其近幾十年，科技的進步使城市化進程加快，土地供需矛盾日益凸顯，城市空間擴張、不合理的土地利用會對生態環境及社會與經濟的可持續發展直接或間接地產生副作用，如：造成土地資源利用效率低、水土流失、用地結構失衡、生態環境破壞等一系列自然和社會經濟問題[8-9]。學者們對土地利用景觀格局的動態演變進行了諸多研究，且研究成果頗豐。現有土地利用研究主要在以下3個方面：1)土地利用的動態演變與模擬預測及其驅動因素分析；2)土地利用結合景觀生態學內容的研究；3)對土地利用的環境效應、結構與效率、集約水平、生態風險等評價。研究方法多樣，時間維度方法有線性回歸分析法[10]、Markov模型[11]、人工神經網絡[12]、灰色模型[13]、系統動力學模型[14]等；常用的空間維度方法主要有CLUE-S模型[15]、CA模型[16]等。景觀格局理論成果主要應用在土地利用、國土整治、農業生產、環境治理等領域；主要研究對象為河流流域、濕地、城鎮、綠地公園、農業鄉村、綠洲等；主要研究方法有景觀格局指數[17]、移動窗口法[18]、最小累積阻力模型等[19]。土地利用景觀格局的研究尺度分為3個不同的等級水平：國家宏觀尺度；省域、流域、城市群等中觀尺度；縣域鄉鎮等微觀尺度。研究區域集中于經濟發達區、生態脆弱區，研究尺度呈現從宏觀尺度向中微觀尺度轉變。但對土地利用與景觀格局相結合的研究較少。

南昌市作為我國長江中游城市群中心城市之一，環鄱陽湖城市群核心城市，自2004年提出中部崛起戰略以來，南昌市城市擴張速度明顯加快，土地利用類型也日漸多樣[20]。本文基于2000年、2010年、2020年3期遙感影像數據，利用ENVI5.1、ArcGIS10.2、Fragstats4.2軟件，運用土地利用轉移矩陣、景觀格局指數對南昌市土地利用景觀格局進行定量分析，并采用MCE-CA-Markov模型預測南昌市未來土地利用景觀格局的動態變化情況。研究結果不僅可以直觀地了解南昌市自然和社會環境的動態變化，還能為南昌市土地利用規劃、土地管理政策的制定和生態恢復提供理論支撐。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

南昌市簡稱洪都，是江西省省會，環鄱陽湖城市群核心城市、我國長江中游城市群中心城市之一。位于115°27′～116°35′E、28°09′～29°11′N之間，地處江西省中部偏北，東北與鄱陽湖相接，全境以鄱陽湖平原為主，東南高，西北低為丘陵。南昌市屬亞熱帶濕潤季風氣候，夏季炎熱，冬季較寒冷；日照充足，氣候濕潤，年平均氣溫約17～17.7 ℃，年降雨量1 600～1 700 mm；風較大，夏季多偏南風，冬季多偏北風。全市土地面積7 512.51 km2，2020年總人口625.50萬(圖1)。

1.2 數據來源與數據預處理

本文2000年、2010年、2020年3期Landsat TM遙感影像和高程數據均來源于地理空間數據云。其他數據有研究區的行政區劃數據，景觀格局的驅動因子，即DEM、SLOPE、道路、鐵路、距建設用地的距離、水域、人口密度及人均GDP數據(圖2)。利用ENVI5.1軟件對各年遙感影像進行預處理，參照我國《土地利用現狀分類》(GB/T21010—2017)的標準，將目視解譯與野外實際調查相結合，并配合Google earth軟件，利用最大似然法對研究區進行監督分類，將南昌市土地利用類型劃分為建設用地、耕地、林地、水體和未利用地5種類型，最后使用ArcGIS10.2對影像進行后期處理，獲得3期南昌市土地利用類型圖(圖3)。

圖1 研究區地理位置、海拔

圖2 影響因子圖集

圖3 南昌市土地利用類型

2 研究方法

2.1 土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣是土地利用動態變化研究中較重要的研究方法，表示研究區域內研究初期與末期各土地利用類型間在轉移結構和轉移方向上的具體特征，因此，轉移矩陣能夠清晰地反映景觀類型轉化的來源、去向、轉出面積、轉入面積及類型構成[21]。借助ArcGIS10.2軟件，通過定量的方法將土地利用變化前后2個時期的數據，利用空間疊加分析計算生成土地利用轉移矩陣，通過矩陣能夠獲取各土地利用類型間的轉化數據，從而分析出不同類型土地利用的演變過程[22]。土地利用轉移矩陣通用形式為：

(1)

式中：A為土地利用類型的面積；n為土地利用類型個數；i,j分別為研究期初與期末的土地利用類型；Aij表示研究初期i土地類型向末期j土地類型土地轉移的面積。

2.2 景觀格局指數分析法

景觀格局指數能高度濃縮景觀格局信息并定量反映其格局組成和空間配置等特征[23]。本研究利用Fragstats4.2軟件計算南昌市景觀格局指數，在類型水平指數中選擇斑塊數量(NP)、斑塊類型面積(CA)、景觀類型百分比(PLAND)、散布與并列(IJI)、聚集度(AI)、景觀形狀指數(LSI)等6個指標；在景觀水平指數中選擇斑塊密度(PD)、最大斑塊(LPI)、平均斑塊面積(AREA_MN)、加權平均形狀(SHAPE_AM)、蔓延度(CONTAG)、香濃多樣性指數(SHDI)和香濃均勻度指數(SHEI)等7個具有代表性的指標。

2.3 MCE-CA-Markov復合模型

MCE為多規則評價模型，能夠生成及定義景觀類型的演化標準[24]，CA即元胞自動機模型，用于研究各種復雜情景中時間、空間和狀態都離散的局部動力學模型[25]。其表達式為：

St+1=f(St,N)

(2)

式中：S為元胞的狀態集合；t和t+1為不同時刻；N為元胞的鄰域；f為局部空間元胞的轉化規則。

Markov模型是一種基于馬爾科夫鏈的空間概率統計模型，即依據事件在某一時刻的狀況來預測其在未來各個時刻的變動狀況[26-27]，其數學表達式如下：

(3)

式中：P為轉移概率矩陣；Pij指從研究初期到研究末期土地利用類型i轉移為土地利用類型j的概率。

CA-Markov模型結合了CA模型模擬復雜系統空間變化的優點和Markov模型定量長時間預測分析的能力，更容易定制土地利用的轉換規則，降低了土地利用類型變化趨勢的預測誤差[28-29]。利用MCE-CA-Markov模型模擬研究區土地利用的時空演化過程如下。

1)數據格式轉換。首先利用Arcgis10.2將柵格數據的投影坐標統一成WGS_1984_UTM_Zone_50N，分辨率統一為30 m，再通過按掩膜提取使柵格數據的空間范圍一致。最后將文件格式轉變為ASCII格式。

2)計算土地轉移矩陣。利用IDRISI軟件中的Markov模塊，將景觀類型圖的年限間隔都設置為10 a，比例誤差設置為0.15，計算出南昌市2000—2010年、2010—2020年土地利用類型轉移概率矩陣。

3)制作適宜性圖集。通過MCE模塊，結合南昌市3期景觀類型變化特征及土地利用資源特點定義研究區景觀類型變化的限制因子和影響因子，利用Collection Editor模塊生成適宜性圖集。

4)構建 CA 濾波器。本文分別以2010年、2020年為起始年，選取 10×10 濾波器來定義元胞鄰域，結合2000—2010年、2010—2020年土地利用類型轉移概率矩陣及適宜性圖集，模擬出2020年和2030年土地利用空間格局。

5)模型精度檢驗。利用 IDRISI 中的 CROSSTAB 工具計算 Kappa 指數，當 Kappa 值大于 0.75時，說明模擬精度較好、空間一致性較高，各地類在數量上較為可靠[30]。

3 結果分析

3.1 南昌市土地利用分析

3.1.1 2000—2020年南昌市土地利用結構變化特征 根據南昌市2000年、2010年及2020年3期Landsat TM遙感影像，通過ENVI5.1對影像進行預處理及土地分類，利用Arcgis10.2對影像解譯，得到研究區2000—2020年土地利用面積(表1)。

表1 2000—2020年南昌市各地類土地利用面積及比例

結合表1及圖3可知2000—2020年耕地是南昌市的主要地類，其占比達50%以上。耕地、林地及其他地類的面積總體上呈減少趨勢。其中，耕地面積20 a減少了34 917.12 hm2，在整個地類中的面積占比減少了4.72%，主要原因是城市的擴張使建設用地增加以及修建水庫占用大量耕地；林地面積在2000年、2010年和2020年占比分別為18.09%、17.95%和16.49%，其面積減少了11 856.60 hm2，林地面積減少主要歸因于城市的擴張及人們對林地的開墾占用了大面積林地；其他地類面積由2000年的4 797.54 hm2減少到了2020年的1 780.29 hm2，占比由0.65%下降到0.63%，其他地類面積較少，在空間上零散分布。水域和建設用地總體上呈增加趨勢。水域面積由2000年的146 007.09 hm2增至2020年的155 059.47 hm2，占比增加了1.22%，其主要原因為水域蓄水增加及對流域的綜合治理；建設用地面積20 a增加了40 721.31 hm2，所占百分比增加了5.50%，建設用地面積的快速增加主要由于城市擴建及人口搬遷。

3.1.2 2000—2020年南昌市土地利用轉移分析 由上一節可知，南昌市的土地利用類型在這20 a發生了很大的變化，但沒有揭示各地類之間的轉換關系，本節利用ArcGIS10.1軟件下的空間分析工具分別計算出2000—2010年、2010—2020年的土地利用轉移矩陣，定量說明各景觀之間的流轉方向及空間過程，結果見表2、表3。

表2 2000—2010年土地利用面積轉移矩陣/hm2

表3 2010—2020年土地利用面積轉移矩陣/hm2

由表2和圖4(a)可知2000—2010年南昌市的土地利用轉換趨勢，建設用地以轉入為主，耕地、林地以轉出為主，水域和其他地類總面積變化較小。從地類之間的轉化方面來說，耕地、林地是各地類轉化的主要來源，耕地向其他地類的轉化面積為9 476.19 hm2，減少的耕地主要流向了建設用地和水域，向建設用地轉化了8 813.70 hm2，占耕地轉化面積的93.01%。林地向其他地類的轉化面積達1 155.78 hm2，向建設用地轉化了1 119.69 hm2，占林地轉出面積的96.88%。建設用地的增加其主要原因為城市經濟的發展使得城鎮向外擴張。

表3為南昌市2010—2020年土地利用轉移矩陣結果。2010—2020年各地類間轉移面積的變化程度相較于2000—2010年，得到了快速提高，但各土地類型的主要流轉方向與2000—2010年相同。耕地、林地、其他地類面積依然在減少，耕地面積減少了25 763.62 hm2，林地面積減少10 826.12 hm2；建設用地面積持續增加，為30 613.12 hm2。從土地利用類型相互轉化方面來看，2010—2020年間，流轉面積最多的是耕地，為50 307.48 hm2，主要流向了建設用地、林地、水域，其中耕地流向建設用地的面積最多為25 445.60 hm2，占建設用地凈流入面積的74.64%，其次是林地為13 007.13 hm2，占林地凈流入面積的89.69%，再次是水域為13 007.13 hm2，占水域凈流入面積的59.66%。研究區耕地和林地面積的大量減少，建設用地和水域面積的增加，其原因主要歸咎于近10 a南昌市的經濟迅猛發展，城市擴張需要占用大量土地，但同時，人們也加強了對流域的保護。

總之，2000—2020年，研究區轉出面積由大到小為耕地(59 783.67 hm2)、林地(26 484.82 hm2)、水域(11 334.54 hm2)、建設用地(3 831.10 hm2)、其他地類(3 442.04 hm2)；從20 a來景觀類型間的變化量看，研究區各地類面積變化量由大到小分別為建設用地(40 716.52 hm2)、耕地(-3 4922.74 hm2)、林地(-11 833.58 hm2)、水域(9 050.22 hm2)、其他地類(-3 010.42 hm2)，用ArcGIS制作出2000-2020年土地利用類型轉移變化圖(圖4)。

圖4 南昌市2000—2020年土地利用類型轉移變化

3.2 南昌市景觀格局變化分析

3.2.1 類型水平指數分析 2000—2020年南昌市類型水平格局指數見圖5。

從CA、PLAND 2個面積指標分析，由圖5(a)、(b)可知各景觀類型的斑塊面積和斑塊百分比的發展趨勢是同步的。從空間維度看，耕地的斑塊面積和斑塊所占百分比最大，說明耕地面積最大分布范圍最廣，其次是水域和林地，再次是建設用地，其他地類最低，表明耕地、水域、林地是研究區的主要景觀類型。在時間維度上，2000—2020年，耕地、林地、其他地類的斑塊面積和PLAND指數處于持續下降的態勢，耕地尤為明顯，反映了這3種景觀類型在研究區的范圍和所占比例開始下降；水域和建設用地在這20 a持續增加，尤其是建設用地，說明這2種景觀類型在研究區的范圍在擴張，所占面積變大。

斑塊數量是指景觀中某類斑塊的總數。從圖5(c)知，南昌市各景觀類別的斑塊數量從大到小為水域、林地、耕地、建設用地、其他地類，說明2000—2020年水域破碎程度最大，但其斑塊數量呈減少態勢，在一定程度上反映出南昌市水域向面狀發展；耕地的斑塊數量快速增加，說明隨著城市化水平的提高，耕地的破碎化程度加快，耕地的連續性變差；林地和建設用地的斑塊數量都是先緩慢增長后增加較快，說明2000—2010年，南昌市的林地和建設用地呈團聚狀分布，林地主要分布在西北部的梅嶺等海拔較高的區域，建設用地主要分布于市區，2010—2020年，隨著經濟的發展，

班塊類型面積 景觀類型可分比 斑塊數量

景觀形狀指數 散布與并列指數 聚集度

林地和建設用地的破碎化程度呈增長態勢。

景觀形狀指數反映景觀形狀的復雜程度。從圖3(d)可知，2000—2020年，林地的景觀形狀指數最大，表明林地的聚合度最低，形狀最復雜；其他地類LSI值最小，斑塊形狀最規則。耕地、林地、建設用地的景觀形狀指數先增后減，表明在前期由于受城市化的影響，斑塊的復雜程度和離散程度增加，后期景觀類型的形狀正趨向簡單化、規則化。

散布與并列指數和聚集度是2個景觀聚散性指標。從圖5(e)可看出，耕地和其他地類的IJI值最大，說明這兩類景觀類型與其他景觀類型相鄰的概率較大；林地的散布與并列指數最小，說明其聚集性不夠好，且容易受其他因素影響。從圖5(f)可知，5種景觀類型的聚集指數都在85%以上，且較為穩定，說明斑塊分布整體呈現集約化趨勢，其中，耕地、水域較大，說明南昌市基本農田水域保護較好。水域與建設用地的AI值持續增大，說明這2種地類的面積在原有斑塊范圍內擴張，且逐漸融合相鄰的小斑塊，使得斑塊面積變大；耕地、林地、其他地類的聚集度指數呈下降趨勢，這表明與優勢斑塊相鄰的小斑塊沒有被融合，說明這3種地類的連通性和聚集性降低了。

3.2.2 景觀水平指數分析 南昌市2000—2020年景觀水平指數見表4。2000—2020年南昌市整體景觀格局變化較為穩定。斑塊密度持續增大，由2000年的1.619增加到2020年的1.702 82，斑塊平均面積和面積加權平均形狀指數持續減小，說明研究區的景觀破碎化程度加重，邊界形狀趨向規則化;最大斑塊指數先略微增加后減少，蔓延度指數從2000年的58.20 32下降到2020年的55.66 82，表明南昌市景觀的優勢斑塊先呈聚集擴展，后優勢斑塊面積有所減少，景觀中的小斑塊增多，優勢斑塊的連通性變差；香濃多樣性指數和香濃均勻度指數變化趨勢較為一致，均呈增大趨勢，說明由于整個研究區受人類活動的影響，景觀的異質性增加，景觀類型朝多元化方向發展，各類斑塊類型在景觀中均勻分布。

表4 2000—2020年南昌市景觀級別指數

3.3 南昌市土地利用景觀格局演變模擬與預測

以南昌市2010年土地利用數據為初始年，利用IDRISI中的CA-Markov模塊模擬出南昌市2020年的土地利用數據(圖6(a))，最后利用CROSSTAB模塊計算其Kappa系數為0.874 5，模擬精度較高，MCE-CA-Markov模型的模擬效果較好。

3.3.1 土地利用演變模擬與預測 接下來以2020年為基礎年，結合Markov模塊生成的2010—2020年土地利用轉移面積矩陣，利用MCE模塊生成五大地類的土地利用適宜性圖集，將模擬循環次數設置為10，經過較長時間運行得到南昌市2030年景觀格局數據，在ArcGIS中制作得到南昌市2030年土地利用模擬圖(圖6(b))。

為了直觀分析南昌市2030年土地利用景觀格局的變化，利用ARCGIS10.2統計工具算得2030年研究區不同土地利用類型面積(表5)。

圖6 2020年和2030年土地利用模擬預測圖

表5 2030年南昌市土地利用預測

由表5可知，2020—2030年與2000—2020年各景觀面積變化趨勢相同，耕地和建設用地面積變化較明顯，在2030年建設用地面積將繼續呈大幅度增加趨勢，耕地面積有持續大量下降趨勢，耕地面積所占百分比由51.78%下降到46.08%，但其面積在五大地類中仍最大，所減少面積主要轉移為建設用地和水域，建設用地面積為118 857.6 hm2，面積與林地相近，所占百分比由10.54%上升到16.01%；林地、水域和其他地類的變化較小，林地和其他地類面積減少，水域面積增加。景觀格局的變化不僅受到局部地理環境及人類的社會經濟活動影響，還受政府政策的影響，城市的發展要順應時代發展的趨勢，滿足人們生產生活的需要，且在經濟新常態背景下，在發展經濟的同時還要保護生態環境 。

3.3.2 景觀格局演變模擬與預測 根據2030年南昌市土地模擬數據，利用Fragstates4.2統計出2030年的景觀格局指數(表6)可知，南昌市的斑塊密度、最大斑塊、蔓延度、香濃多樣性指數和香濃均勻度指數到2030年會進一步增加，而平均斑塊面積和面積加權平均形狀指數則會繼續減少，說明相較于2020年，到2030年研究區的景觀破碎化程度進一步加重，景觀的邊界形狀更趨規則化，但由于受到人們社會活動的影響，景觀的異質性會繼續增加，景觀類型更趨多樣，各生態斑塊之間的面積均勻化程度越來越大；景觀中的優勢斑塊會呈聚集擴張態勢，優勢斑塊面積會增加且連通性會變好。

表6 2020年—2030年研究區景觀水平格局指數

4 結論與討論

本文根據2000—2020年南昌市3期土地利用數據，利用MCE-CA-Markov模型模擬出南昌市2020和2030年的土地利用情景，并對南昌市土地利用結構、土地利用數量轉移、景觀格局演變進行了分析，得到以下結論。

1)從土地利用結構來看，2000—2020年南昌市土地利用動態變化特點為耕地、林地、其他地類面積持續縮減，而建設用地和水域持續擴張，耕地和水域一直是優勢景觀類型。其中，面積變化量最大的是耕地和建設用地，20 a耕地面積減少了34 917.12 hm2，隨著經濟的迅猛發展及人口數量增長迅速，建設用地面積急劇增加，約為40 721.31 hm2，所占面積比例增加了5.51%。

2)從土地利用數量轉移來看，20 a南昌市土地之間的面積轉移劇烈，發生變化的土地面積達104 876.19 hm2，約占土地總面積的14.18%，2000—2010年與2010—2020年的變化量分別為11 733.84 hm2和93 142.35 hm2，后10 a比前10 a變化更明顯；耕地流失最明顯，主要流向建設用地、林地和水域；林地、水域和其他地類也有轉變為其他景觀，主要分別為林地和水域轉出為耕地、其他地類轉出為水域。

3)景觀類型水平上，2000—2020年間，水域的破碎化程度最深，除耕地外，其他4類景觀的破碎化程度都在加劇；林地的斑塊形狀最復雜，其他地類最簡單，耕地、林地、建設用地在前期斑塊的復雜程度和離散程度增加，后期趨向簡單化、規則化；耕地和其他地類聚集性較好，不容易受其他因素影響；5種景觀類型的斑塊分布較為穩定，整體呈現集約化趨勢。從景觀水平上看，由于經濟的發展及人類活動的干擾，斑塊連通性變弱，景觀異質性增強。

4)利用已檢驗的MCE-CA-Markov模型模擬南昌市2020年和2030年的土地利用景觀格局演變，從模擬的結果看，2030年研究區的耕地面積將持續大面積減少，林地面積減少明顯，水域和建設用地面積有明顯增加，其他地類面積也在不斷減少。社會經濟的發展是區域土地利用景觀格局動態演變的主要原因，但同時人們也加強了對流域的保護，基于本次預測所得結果，在未來，南昌市應繼續協調經濟發展與生態保護二者間的關系。