山地城市土地利用的景觀破碎化時空演變與驅動力分析

廖梓均，毛 霞

（1.重慶師范大學地理與旅游學院；2.GIS應用研究重慶市高校重點實驗室，重慶 401331；3.重慶市南川區鳴玉鎮人民政府，重慶 408409）

土地是支撐城市可持續發展的基礎資源[1]。重慶是典型的山地城市，基于地形條件特殊性，其城市景觀與平原城市截然不同[2]。伴隨城市的快速擴張和土地利用功能的重組，城市景觀破碎化成為中國許多城市空間演進的重要特征[3]。目前，城市景觀破碎化研究主要從景觀生態格局出發[4]，大部分采用整體景觀[5]或移動窗口法[6]研究其破碎度的空間分布格局及變化，主要采用主成分分析[7]等傳統統計方法。地理探測器[8]是一種能探測數據空間分異特征和驅動因子的統計學方法，此方法已被廣泛應用在貧困測度、環境監測等領域[9-10]，但在城市景觀破碎化研究中的應用還比較少見。

萬州區是渝東北中心城市，對周邊具備較強的經濟輻射作用。本文選取萬州區，基于1995年、2005年和2017年三期土地覆蓋數據，采用移動窗口法、地理探測器等方法，對萬州區土地利用的景觀破碎化與驅動因子開展研究，以期為揭示城市景觀破碎化機理提供新思路。

1 研究區與數據源

1.1 研究區概況

萬州區位于重慶市東北部，處于四川盆地與秦巴山地的過渡帶，地貌類型復雜，為長江流經之地，轄52個鄉鎮（街道），全區總面積為3 457 km2。2019年末，城鎮常住人口為111.32萬人，占全區總人口數的67.46%，全年城鎮地區生產總值（GDP）為920.91億元，約占全區GDP的80.3%，萬州區是三峽庫區城鎮群的經濟中心。考慮到萬州區規劃，本文研究范圍確定為11個街道和1個建制鎮（萬州城區），如圖1所示。

圖1 研究區范圍

1.2 數據來源及處理

本文選用萬州區1995年、2005年2個時段的Landsat陸地衛星專題成像儀/增強專題成像儀（TM/ETM）遙感數據，并對圖像進行預處理。同時，土地覆蓋類型信息是基于10 m分辨率的2017年全球地表覆蓋數據提取而來的。高程數據來源于地理空間數據云，空間分辨率為30 m；城市道路、高速公路、人口、GDP數據主要來自相關課題成果；統計數據主要來源于歷年萬州統計年鑒和重慶統計年鑒。

2 研究方法

2.1 景觀破碎度指標

選取聚集度指數（CI）、平均斑塊大小（MPS）、邊緣密度（ED）、斑塊密度（PD）、面積加權平均形狀指數（AWMSI）、蔓延度（CONTAG）、香農多樣性指數（SHDI）等7個指標表征山地城市景觀破碎化程度，采用移動窗口法獲取信息，設定窗口尺寸為100 m，將對應窗口下的結果值賦予中心柵格，最終得到各個景觀破碎度指標在不同時間節點的空間分布格局。

2.2 空間主成分分析

采用空間主成分分析將各指標轉換為綜合指數，進而高度保留空間信息[6]。在ArcGIS10.6平臺下，利用空間主成分分析確定主成分及貢獻度，合成三個時間節點的景觀破碎度。

2.3 地理探測器

地理探測器通過探測空間分層異質性來探索驅動力因子與作用機制。因子探測主要測度不同驅動力因子的解釋程度，用Q統計量（Q檢驗）來衡量。交互探測可用來探測驅動因子之間的交互作用，可解釋驅動因子的作用類型。

3 結果分析

3.1 景觀指數的時空變化特征

1995—2017年，研究區發生了明顯的城市用地擴展，建設用地和林地顯著增加，耕地和草地大量減少。其中，建設用地面積由1995年的1 139.31 hm2增加至2005年的2 851.75 hm2，2017年達到3 643.75 hm2；林地由1995年的4 987.75 hm2增加到2017年的13 811.9 hm2；水域用地由1 460.69 hm2增加到2 143.75 hm2；耕地則從1995年的18 730.6 hm2減至2017年的6 076.88 hm2；草地則從1995年的1 942.94 hm2減少到2017年的1 842.63 hm2。

研究區土地利用空間格局如圖2所示。從空間格局來看，1995—2017年，萬州區建設用地不斷向外拓展，快速的城市化使建設用地以原有核心城區為中心，不斷向外擴展，同時萬州機場和高速公路等基礎交通設施的建設讓建設用地有了更大拓展可能，從而打破原來耕地和林地大面積分布的狀態。三峽工程蓄水后，隨著水位上升，水域用地增加，研究區的建設用地不能成面向外拓展，受地形和水域制約，區域景觀破碎度增強。由土地覆蓋空間格局可以看出，林地和耕地此起彼伏，交錯分布。1995年，耕地是研究區土地利用的主導類型之一。1995—2017年，隨著退耕還林政策的實施和生態環保意識的增強，研究區北部區域被劃為自然保護區，該區域林地分布廣，耕地空間分布則是“見縫插針”，導致景觀破碎度顯著提高。

圖2 研究區土地利用空間格局

3.2 景觀破碎度指數的時空分布特征

1995—2017年，研究區景觀破碎度的空間格局差異性相當明顯，如圖3所示。1995年，萬州區景觀破碎度不高，極低程度區域占比較高，高度破碎區域多出現在天城鎮以北和五橋街道林地與耕地交叉區；2005年，萬州區景觀破碎度增加，空間分異明顯，極低程度區域占比顯著下降，因退耕還林等工程推進，原破碎度較高的天城鎮以北區域破碎度降低，高值區域則幾乎集中在核心城區，并且程度加深；2017年，萬州區景觀破碎度空間分布更加復雜，極低程度區域繼續下降，高值區域繼續在城區周圍增加。

圖3 研究區景觀破碎度指數的空間分布

研究區景觀破碎度指數的時空變化格局如圖4所示。從景觀破碎度時空變化來看，相比2005—2017年，1995—2004年破碎程度更高。1995—2004年，萬州區移民工程和交通基礎設施建設造成城區景觀破碎度快速提高，空間復雜程度加重；2005—2017年，破碎度變化較大的區域主要是各個街道城市拓展空間和天城鎮以北區域。22年間，破碎度增加區域依然是城市空間，道路基礎設施建設和建設空間拓展打破了原有大面積空間分布的林地或耕地，導致區域內景觀破碎度增加。

圖4 研究區景觀破碎度指數的時空變化格局

3.3 城市景觀破碎度的驅動力分析

下面運用地理探測器探究城市景觀破碎度與驅動因子的空間關系，基于ArcGIS平臺，生成研究區500 m×500 m的漁網，將景觀破碎度指數和驅動因子值賦予每個漁網。其間選取城市規劃、自然保護區、水域等11個指標作為驅動因子。其中，城市規劃、自然保護區、水域、城市道路、高速公路、街道中心、人口密度和GDP密度的分類方法為自然斷點法，高程、坡度和土地利用類型的分類方法依據相關參考文獻[5]。土地利用類型包括耕地、林地、草地、水域用地、建設用地和未利用土地。

3.3.1 景觀破碎度與單一因子驅動力分析

從表1來看，11項因子都能解釋景觀破碎化的空間分異。城市道路、街道中心、坡度和土地利用類型的解釋力高，說明景觀破碎度與它們有較高聯系。由于篇幅原因，現僅對土地利用類型進行分析。水域用地景觀完整成片，破碎度較低；耕地面積減少，破碎度極高；林地面積增加，草地面積迅速減少，破碎度急劇增高；建設用地面積增加，破碎度也顯著上升。

表1 地理探測器的因子探測

3.3.2 景觀破碎度與因子組合驅動力分析

城市道路、高程、坡度和土地利用類型這四個因子分別與其他因子交互后，影響力均顯著增強。地理探測器的交互探測結果如表2所示。在限定的地形地貌條件下，人類活動是造成景觀破碎化的首要原因。

表2 地理探測器的交互探測

4 結論

1995—2017年，萬州區景觀格局整體呈現破碎化發展趨勢，景觀破碎度空間格局差異性明顯，主要表現在城區道路附近破碎度高，農村地區破碎度較低。由交互探測結果可知，11項因子都能在不同程度上解釋景觀破碎化的空間分異。城市道路、街道中心、坡度和土地利用類型的解釋力高，說明景觀破碎度與它們有較高聯系。人類活動（交通基礎設施和土地利用類型）和地形（坡度）雙因子的交互影響高于單因子，是山地城市景觀破碎化的主要原因。