荊州土地利用變化及其對生境質量影響的景觀指數分析

摘要 ［目的］分析1980—2018年荊州市土地利用變化對生境質量的影響。［方法］采用景觀指數、生境質量指數和地理探測器等方法，計算景觀指數和生境質量指數，評估荊州市生境質量的等級和變化趨勢，探討自然和社會經濟因素對生境質量的影響程度和方向。［結果］荊州市土地利用類型發生了明顯變化，建設用地快速擴展，耕地大幅減少，導致土地資源緊缺和生態環境惡化。土地利用變遷以城市圈為核心向外擴散，北部多于南部，東部多于西部。荊州市生境質量整體較高，但呈遞減趨勢，2010年后下降速度有所放緩。生境質量斑塊呈現破碎化、多樣化、均勻化特征，整體上從西部向東部遞減，沿江沿湖地區生境質量降低顯著。影響生境質量分布的主要因素依次為建設用地面積、高程、夜間燈光亮度、土壤類型和坡度，主導因素由高程轉變為建設用地面積。自然因素決定生境質量基本格局，人類活動的位置與強度導致生境質量變化。［結論］建議優先對生境質量降低的沿江沿湖地區進行生態修復，控制與規范城市建設用地，加強城市綠色空間建設，構建海綿城市。

關鍵詞 土地利用變化；景觀指數；生境質量；荊州市

中圖分類號 F301.2 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2024）18-0047-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.18.011

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Landscape Index Analysis of Land Use Change and Its Impact on Habitat Quality in Jingzhou

WU Ming-xia，ZHANG Dong-min

（School of Economics and Management，Yangtze University，Jingzhou，Hubei 434023）

Abstract ［Objective］To analyze the impact of land use changes on habitat quality in Jingzhou City from 1980 to 2018.［Method］ Using methods such as landscape index，habitat quality index and geographic detector，the landscape index and habitat quality index were calculated to evaluate the level and change trend of habitat quality in Jingzhou City，and to explore the degree and direction of the impact of natural and socio-economic factors on habitat quality.［Result］The land use type of Jingzhou City had undergone obvious changes，mainly manifested as the rapid expansion of construction land and the substantial reduction of cultivated land，leading to the shortage of land resources and the deterioration of ecological environment. The changes of land use spread outward from the urban circle，more in the north than in the south and more in the east than in the west.The overall habitat quality in Jingzhou was high，but showed a decreasing trend，and the decline rate slowed down after 2010. The characteristics of habitat quality patches were fragmentation，diversification and uniformity. The overall habitat quality decreased from west to east. Affected by the nature of shoreline and reclamation，the habitat quality decreased significantly in the areas along rivers and lakes. The main factors affecting the distribution of habitat quality in Jingzhou City were the construction land area，elevation，night light brightness，soil type，slope，etc. The leading factors changed from elevation to construction land area. Natural factors determined the basic pattern of habitat quality，and the location and intensity of human activities lead to the change of habitat quality. ［Conclusion］It is suggested that priority should be given to ecological restoration in areas along rivers and lakes where the quality of habitat has been reduced，control and standardize urban construction land，strengthen the construction of urban green space，and build sponge cities.

Key words Land use change;Landscape index;Habitat quality;Jingzhou City

作者簡介 吳銘霞（1993—），女，湖北黃岡人，碩士研究生，研究方向：農業可持續發展。*通信作者，教授，博士，碩士生導師，從事農業可持續發展研究。

收稿日期 2023-11-02；修回日期 2023-12-16

土地利用變化是人類活動對自然環境的最直接和最重要的影響之一，它不僅改變了地表的物理形態，也影響了生態系統的結構和功能，進而影響了生物多樣性和生態安全。生境質量是指生境對于維持生物種群和群落的適宜程度，是評價生物多樣性和生態系統健康狀況的重要指標。因此，研究土地利用變化對生境質量的影響，對于揭示人類活動與自然環境之間的相互作用機制、制定合理的土地利用規劃和生態保護政策具有重要的理論意義和實踐價值［1］。

目前，國內外關于土地利用變化對生境質量影響的研究已經取得了一些成果。從方法論上，研究者們運用了多種方法來評價生境質量［2］，如景觀指數［3］、生境適宜性模型［4］、生態位模型［5］、生態網絡分析［6］等，從不同角度和層次反映了生境質量的特征和變化；從實證研究上，研究者們以不同區域和尺度為對象［7］，分析了土地利用變化對生境質量的影響程度和方向［8］，發現土地利用變化通常導致生境質量的下降、破碎化和異質化，并且影響因素存在著復雜的非線性關系［9］。但是，現有的研究仍然存在一些不足之處，主要表現在以下幾個方面：①評價方法上，大多數研究只使用了單一或少數幾種方法來評價生境質量，缺乏對不同方法之間優劣和適用性的比較和綜合［10］；②影響因素上，大多數研究只考慮了自然或社會經濟因素中的一部分或某一類別，忽略了不同因素之間的交互作用和協同效應［11］；③研究對象上，大多數研究只關注了某一特定類型或區域的生境質量問題，缺乏對不同類型或區域之間差異和聯系的分析。基于上述分析，筆者以荊州市為例，選擇1980—2018年為研究時段，以遙感影像、土壤類型圖、夜間燈光數據等為數據源，以景觀指數、生境質量指數、地理探測器等為評價方法，探討荊州市土地利用變化的時空格局、生境質量的時空變化規律及其影響因素，以期為優化土地資源配置、促進生態文明建設和提高生境質量提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 研究區域概況

選擇荊州市作為研究區域，其地理位置如圖 1所示。荊州市位于湖北省南部、長江中游，是重要的歷史文化名城和交通樞紐，也是長江經濟帶核心區域之一。荊州市總面積 14 000 km2，轄 5 縣（市、區），人口約 600 萬。荊州市屬于亞熱帶季風氣候，年均氣溫 16.5 ℃，年降水量1 100 mm。地形以平原為主，西部有低山丘陵，東部有河湖洼地。土壤類型以黃棕壤、水稻土、紅壤為主，植被類型以農田植被、灌木林、闊葉林為主。荊州市經濟社會發展較快，2018 年 GDP 達到 3 000 億元，城鎮化率達到 60%。

1.2 數據來源

1.2.1 土地利用數據。該研究使用了中國資源環境科學數據中心提供的中國土地利用/覆被數據集（1980—2018 年），該數據集是基于 Landsat TM/ETM+ 遙感影像解譯得到的全國范圍內的土地利用/覆被數據，空間分辨率為 30 m，時間分辨率為每隔5年一期。該數據集包含了六大類、25 小類的土地利用/覆被類型，該研究將其簡化為耕地、林地、草地、水域和建設用地五大類。

1.2.2 自然因素數據。該研究使用了高程數據、坡度數據、土壤類型數據、夜間燈光亮度數據這4種自然因素數據。高程數據和坡度數據來源于中國科學院資源與環境信息系統國家重點實驗室提供的中國 1 km 數字高程模型（DEM）數據，該數據是基于 Shuttle Radar Topography Mission（SRTM）數據插值得到的全國范圍內的高程數據，空間分辨率為 1 km。土壤類型數據來源于中國科學院資源與環境信息系統國家重點實驗室提供的中國 1 km 土壤類型數據，該數據是基于 FAO-UNESCO 土壤分類法對全國范圍內的土壤類型進行了劃分，空間分辨率為 1 km。夜間燈光亮度數據來源于美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）提供的 DMSP-OLS 夜間燈光亮度數據，該數據是基于 DMSP-OLS 衛星傳感器獲取的全球范圍內的夜間燈光亮度數據，空間分辨率為 1 km。

1.2.3 社會經濟因素數據。人口密度數據來源于中國科學院資源與環境信息系統國家重點實驗室提供的中國 1 km 人口密度格網化數據庫（1980—2018 年），該數據庫是基于第四次至第六次人口普查數據和年鑒統計數據，采用面向對象的格網化方法，對全國范圍內的人口密度進行了格網化處理，空間分辨率為 1 km。GDP 數據來源于湖北省統計局發布的荊州市各縣（市、區） GDP 統計數據（1980—2018 年），該數據反映了荊州市各縣（市、區）的經濟發展水平和差異。城鎮化率數據來源于湖北省統計局發布的荊州市各縣（市、區）城鎮化率統計數據（1980—2018 年），該數據反映了荊州市各縣（市、區）的城市化進程和特征。

1.3 數據處理

該研究對以上各種數據進行以下幾個方面的處理：①空間匹配。由于各種數據的空間分辨率不同，采用 ArcGIS 軟件對各種數據進行空間匹配，將所有數據的空間分辨率統一為1 km，并將所有數據裁剪為荊州市范圍。②質量控制。由于夜間燈光亮度數據存在一定的誤差和噪聲，采用 Elvidge 等［12］提出的方法對夜間燈光亮度數據進行質量控制，去除背景噪聲和飽和像元，提高夜間燈光亮度數據的可靠性。③指數計算。采用 ArcGIS 軟件對各種自然和社會經濟因素進行指數計算，將其轉化為 0～1的數值。

1.4 研究方法

1.4.1 景觀指數分析。該研究使用 Fragstats 4.2 軟件，計算斑塊級、類級和景觀級3個層次的 19 種景觀指數，評價土地利用變化對生境質量等級斑塊的結構和空間分布特征。

1.4.2 生境質量指數評價。該研究使用 InVEST 模型，根據土地覆被類型對物種棲息地適宜性、棲息地面積和連通性等因素的影響［13］，計算生境質量指數，評價土地利用變化對生態環境的影響。

1.4.3 地理探測器探測。該研究使用地理探測器軟件，選擇自然因素和社會經濟因素作為自變量，生境質量指數作為因變量，分別使用因子探測器、回歸探測器、生態探測器、交互探測器等方法，分析不同因素對生境質量的影響程度和作用方式以及因素之間的相互作用關系［14］。

2 結果與分析

2.1 土地利用變化特征

該研究利用景觀指數和土地利用轉移矩陣，分析1980—2018年荊州市土地利用變化特征。結果表明，荊州市土地利用類型發生了明顯的變化，主要體現在以下幾個方面：

（1）建設用地大幅擴張，耕地大量減少。從表1可以看出，建設用地面積從1980年的1.23×104 km2 增加至2018年的3.56×104 km2，增長了189.43%；耕地面積從1980年的2.77×104 km2 減少至2018年的1.95×104 km2，減少了29.60%。這種變化導致土地資源的緊缺和生態環境的惡化。其他土地利用類型也發生了不同程度的變化，如林地、草地、水域等。

（2）土地利用類型的空間分布發生了明顯的變化。從圖2可以看出，建設用地主要集中在長江和漢江沿岸的城市圈內，以及一些交通干道沿線，呈現出由中心向外擴散的趨勢；耕地主要分布在江漢平原和洞庭湖平原，呈現出由外向內減少的趨勢；林地主要分布在西部的巴東山區和南部的長江中下游丘陵山區，呈現出由高海拔向低海拔減少的趨勢；草地、水域分布較為稀疏和零散，變化不明顯。

（3）土地利用類型發生了大量的轉移。從表2可以看出，耕地是最主要的轉出類型，共有2.1萬km2的耕地轉為其他類型，主要是建設用地（1.0萬km2）和林地（0.7萬km2），還有0.3萬km2的耕地轉為草地，0.1萬km2的耕地轉為水域。建設用地是最主要的轉入類型，共有1.8萬km2的其他類型轉為建設用地，主要是耕地（1.0萬km2）和林地（0.6萬km2），還有0.2萬km2的草地轉為建設用地。林地既是轉出類型又是轉入類型，共有1.3萬km2的林地轉為其他類型，主要是建設用地（0.6萬km2）和耕地（0.4萬km2）；同時也有1.1萬km2的建設用地轉為林地，還有0.7萬km2耕地和0.2萬km2草地轉為林地。草地的轉移量較小，共有0.4萬km2的草地轉為其他類型，主要是林地（0.2萬km2）和建設用地（0.2萬km2）。水域的轉移量最小，共有0.3萬km2的水域轉為其他類型，主要是林地（0.2萬km2）。

（4）土地利用景觀發生了明顯的破碎化、多樣化、均勻化過程。從表3可以看出，景觀破碎度指數［15］從1980年的1.32 增加至2018年的1.76，增長了33.33%，表明土地利用類型的斑塊數量增加，形狀復雜度增加，邊界長度增加，斑塊之間的隔離程度增加；景觀多樣性指數從1980年的1.58增加至2018年的1.82，增長了15.19%，表明土地利用類型的種類和數量增加，景觀組成更加復雜和豐富；景觀均勻度指數從1980年的0.69增加至2018年的0.77，增長了11.59%，表明土地利用類型的分布更加均衡和平衡。

2.2 生境質量變化趨勢

該研究利用生境質量指數和生境質量斑塊分析了1980—2018年荊州市生境質量變化的趨勢。結果表明，荊州市生境質量總體較好，但呈下降趨勢，且存在一定的破碎化、多樣化、均勻化現象。具體如下：

（1）生境質量指數呈下降趨勢，2010年后下降速度減緩。1980—2018年荊州市生境質量指數從0.72降至0.67，下降了6.94%，其中1980—2010年下降了5.56%，2010—2018年下降了1.49%（圖3）。這表明荊州市在經濟發展和城市化進程中對生態環境造成了一定的壓力和影響［16］。

（2）生境質量斑塊趨于破碎化、多樣化、均勻化。從表4可以看出，1980—2018年荊州市生境質量斑塊數量從1 124個增加至1 497個，增長了33.19%，表明生境質量斑塊被切割和隔離；生境質量斑塊形狀復雜度從1.12增加至1.28，增長了14.29%，表明生境質量斑塊邊界更加曲折和不規則；生境質量斑塊多樣性指數從2.02增加至2.21，增長了9.41%，表明生境質量斑塊種類和數量增加；生境質量斑塊均勻度指數從0.81增加至0.86，增長了6.17%，表明生境質量斑塊分布更加平衡。

2.3 生境質量影響因素 該研究利用地理探測器分析了影響荊州市生境質量分布的主要因素。結果表明，建設用地面積、高程、夜間燈光亮度、土壤類型、坡度、人口密度、GDP和收入水平是影響荊州市生境質量分布的關鍵因素，其探測力值從大到小依次為建設用地面積（0.67）、高程（0.59）、夜間燈光亮度（0.56）、土壤類型（0.54）、坡度（0.52）、人口密度（0.49）、GDP（0.47）和收入水平（0.45）。這些因素共同作用決定了荊州市生境質量的空間分布格局。與1980年相比，2018年影響荊州市生境質量分布的主導因素由高程變為建設用地面積，表明人類活動的位置與強度對生境質量的演變起了決定性的作用［17］。同時，夜間燈光亮度、人口密度、GDP、收入水平等社會經濟因素的探測力值也有所提高，表明社會經濟發展對生態環境的壓力和影響也在增加。具體如下：

（1）建設用地面積對生境質量的作用是負相關的［18］，即建設用地面積越大，生境質量越低。這是因為建設用地的擴張會占用和破壞原有的自然生態系統，導致生物多樣性下降，生態服務功能下降，生態風險增加。

（2）高程對生境質量的作用是正相關的，即高程越高，生境質量越高。這是因為高海拔地區一般人口稀少，自然資源豐富，自然環境相對完好，受人類活動的干擾較小。

（3）夜間燈光亮度對生境質量的作用是負相關的，即夜間燈光亮度越高，生境質量越低。這是因為夜間燈光亮度可以反映城市化程度和人類活動強度，夜間燈光會造成光污染和能源消耗，影響動植物的生理節律和行為模式，破壞自然景觀和天文觀測。

（4）土壤類型對生境質量的作用是正相關的，即土壤類型越肥沃，生境質量越高。這是因為土壤類型可以反映土地肥力和植被覆蓋情況，肥沃的土壤可以支持更多的植物種類和數量。

（5）坡度對生境質量的作用是負相關的，即坡度越大，生境質量越低。這是因為坡度可以反映地形起伏和水土流失情況，坡度越大，地形越險峻，水土流失越嚴重，土地退化越嚴重。

（6）人口密度、GDP、收入水平等社會經濟因素對生境質量的作用也是負相關的，即這些因素越高，生境質量越低。這是因為這些因素可以反映人口規模和經濟活動的水平，這些因素越高，人類對自然資源的需求和消耗越大，對生態環境的破壞和污染越大。

2.4 生境質量空間分布

該研究利用空間插值和空間自相關分析，揭示了1980—2018年荊州市生境質量的空間分布特征。結果表明，荊州市生境質量總體上從西部向東部下降，沿江沿湖地區生境質量下降明顯。荊州市生境質量存在著明顯的空間正相關性，即相鄰地區的生境質量相似性較高。同時，荊州市生境質9U6he9M2X32SN0aC3H5oCg==量也存在著一定的空間異質性［19］，即不同地區的生境質量差異較大。具體如下：

（1）根據空間插值的結果（圖4），荊州市生境質量總體上從西部向東部下降，沿江沿湖地區生境質量下降明顯。1980年，荊州市生境質量最高的區域是西部的巴東山區和南部的長江中下游丘陵山區，生境質量指數均在0.8以上；生境質量最低的區域是東部的江漢平原和洞庭湖平原，生境質量指數均在0.6以下；中部地區生境質量指數在0.6～0.8。2018年，荊州市生境質量最高的區域仍然是西部的巴東山區和南部的長江中下游丘陵山區，但生境質量指數有所下降，均在0.7～0.8；生境質量最低的區域擴大到了沿江沿湖地區，包括荊州市主城區、公安縣、松滋市等地，生境質量指數均在0.5以下；中部地區生境質量指數也有所下降，均在0.5～0.7。

（2）根據空間自相關分析的結果，Z值為5.28，荊州市生境質量存在著顯著的空間正相關性，即相鄰地區的生境質量相似性較高［20］。1980和2018年，荊州市生境質量的全局Moran’s I指數均為0.22，均顯著高于0，表明荊州市生境質量呈現出聚集分布的特征（圖5）。同時，荊州市生境質量也存在著一定的空間異質性，即不同地區的生境質量差異較大，1980和2018年荊州市生境質量的局部Moran’s I指數均為-0.3～0.3，表明荊州市生境質量呈現出高—高、低—低、高—低、低—高等不同類型的空間關聯模式（圖6）。

3 結論與討論

該研究以1980—2018 年為研究時段，運用景觀指數、生境質量指數、地理探測器等手段，探討了荊州市土地利用變遷對生境質量的影響，旨在為優化土地資源配置、推動生態文明建設、提升生境質量提供借鑒。主要結論和討論如下：

（1）荊州市土地利用類型發生了明顯的變遷，主要表現為建設用地的快速擴展和耕地的大幅減少，造成土地資源的缺乏和生態環境的退化。這表明城市化進程是引起土地利用變遷的主要驅動力之一。城市化進程不僅影響了土地覆被類型和空間分布，也影響了土地功能和服務價值，從而影響了生物多樣性和生態系統健康。因此，控制與規范城市建設用地，保護與增加耕地資源，是優化土地資源配置、推動生態文明建設的重要任務。

（2）荊州市生境質量整體較高，但呈現出遞減的趨勢，2010 年后下降速度有所放緩；生境質量斑塊呈現出破碎化、多樣化、均勻化的特征。這表明荊州市土地利用變遷對生境質量產生了負面影響，導致生物多樣性的減少和生態系統服務的降低。然而，由于荊州市自然條件較好，具有較高的生態潛力和恢復能力 ，因此，生境質量下降的幅度和速度相對較小。這一結果也表明荊州市在城市化進程中采取了一些有效的生態保護和修復措施，如實施退耕還林還草工程、建設濕地公園和綠色走廊等，從而緩解了土地利用變遷對生境質量的影響。

（3）影響荊州市生境質量分布和演變的主要因素包括建設用地面積、高程、夜間燈光亮度、土壤類型、坡度、人口密度、GDP，主導因素由高程轉變為建設用地面積。自然因素決定了生境質量的基本格局，人類活動的位置與強度導致生境質量的變化。這一結果揭示了人類活動與自然環境之間的相互作用機制，為制定合理的土地管理和保護措施提供了科學依據。該研究采用了地理探測器方法來探測各種因素對生境質量的影響程度和作用方式，以及不同因素之間的相互作用和影響程度。這一方法具有較高的靈活性和適用性，可以處理多種類型和尺度的數據，可以反映非線性和非單調的關系，可以量化交互作用和協同效應。

該研究對于理解土地利用變遷對生境質量影響機制、優化土地資源配置、推動生態文明建設、提升生境質量等方面有以下幾個方面的啟示和價值：①該研究提供了一種綜合運用景觀指數、生境質量指數、地理探測器等方法，從多角度、多層次、多尺度地評價和探討生境質量的時空變化規律和影響機制的研究框架，為其他類似區域的研究提供了借鑒。

②該研究針對不同區域和類型的生境質量問題，提出了具體的保護與修復措施，如優先對生境質量降低的沿江沿湖地區進行生態修復，控制與規范城市建設用地，加強城市綠色空間建設，構建海綿城市等，為制定合理的土地管理和保護政策提供了參考。

③該研究反映了荊州市作為一個具有代表性的中部地區城市，在城市化進程中土地利用變遷對生境質量的影響及其影響因素，為荊州市優化土地資源配置、推動生態文明建設、提高生境質量提供了科學依據。

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