湖州市景觀破碎化時空演化及驅動力研究

摘要：為了合理利用土地資源，保護生態環境，文章以湖州市為例，基于2005年-2020年的土地利用遙感監測數據，運用景觀格局指數、主成分分析、地理探測器等方法，研究景觀破碎化時空變化特征，并初步探究景觀破碎化空間分異成因。結果表明：湖州市景觀破碎化程度總體呈增加趨勢，2010年-2015年增加幅度最大；景觀破碎化空間分異特征明顯，東北部和東部平原區高于西南部和西北部山區。體現出湖州市對土地資源的開發利用過程中尊重自然規律，保護自然環境的發展理念；景觀破碎化空間分異受坡度影響最大，其次是建設用地強度。

關鍵詞：景觀破碎化；景觀格局指數；主成分分析；地理探測器；湖州市

中圖分類號：X171 文獻標志碼：B

前言

景觀破碎化是指因自然或人文因素的干擾所導致的景觀由簡單趨向于復雜的過程，它直接影響景觀結構、功能與過程的變化，嚴重時對生態系統和生物多樣性造成不利影響。景觀破碎化的研究主要為景觀破碎化時空變化特征的研究、景觀破碎化驅動力研究和景觀破碎化影響研究三大方面。景觀破碎化時空變化特征研究通常采用景觀指數法，研究區域多為流域、城市和綠洲等受人類干擾嚴重的區域、生態環境脆弱區和需要重點保護的地區。景觀破碎化驅動因子的研究，主要根據不同區域特點，選取自然和社會經濟因子，運用數理統計方法分析景觀破碎化與驅動因子之間的關系。

湖州市是滬、杭、寧三大城市的共同腹地，是連接長三角南北兩翼和東中部地區的節點城市，近十幾年來由于城市建設及各類基礎設施的修建，湖州市景觀結構發生了不同程度的變化，影響經濟社會的高質量發展。文章以2005年-2020年湖州市土地利用遙感監測數據為基礎，選取多個景觀指數研究景觀破碎化的時空變化特征，運用主成分分析法將多個景觀指數轉化為綜合景觀指數，對景觀破碎化進行綜合分析。選取8個驅動因子，利用地理探測器探測景觀破碎化的空間分異成因。為湖州市土地資源管理和生態環境保護提供參考。

1研究區概況與數據來源

1.1研究區概況

湖州市位于浙江省北部，浙蘇皖三省交匯處。地勢大致由西南向東北傾斜，西部多山，西南部為天目山北坡及其余脈，西北部為低山丘陵與平原相間，最高峰龍王山海拔1 587米。東部為平原水網區，平均海拔僅3米左右。屬北亞熱帶季風氣候，四季分明。山地面積較大，地形起伏，垂直氣候差異較明顯。全市年平均氣溫12.2℃-17.3℃，年降水量761-1 780毫米。境內有苕溪水系、杭嘉湖平原水系和長興平原水系共三大水系。現有森林覆蓋率為48.15％，有3個自然保護區，14個自然公園。區內景觀類型以林地和耕地為主，建設用地和水域次之，2020年湖州市遙感影像如圖1所示。十幾年來，本區耕地面積減少，建設用地面積增加，導致區內景觀出現破碎化，生態系統服務功能受到一定的影響。

1.2數據來源

文章所使用的2005年、2010年、2015年、2020年湖州市土地利用數據來源于美國地質調查局平臺（https：//www.usgs.gov）獲取的Landsat5（7、8）TM/ETM+影像，空間分辨率為30 m，依據研究目的參照中國環境監測總站制定的2005年《全國生態環境監測與評價技術方案》中的全國生態遙感監測土地利用覆被分類體系，將區內用地類別劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地。在已有土地利用數據的基礎上，對2005年-2020年4期Iandsat影像數據進行人工目視解譯，得到4期湖州市土地利用／土地覆蓋數據。選取樣本進行野外驗證，一級分類解譯精度大于90％。GDP、人口數據、年平均氣溫和年降水量數據來源于中國科學院資源環境科學與數據云平臺（https：//www.resde.cn），空間分辨率1 km×1 km；Dem數據來自地理空間數據云（https：//www.gscloud cn/）的ASTER GDEM數據，分辨率30 m×30 m；公路數據來自于地理空間數據云（https：／／www.gscloud cn/）的地理信息數據中的中國各級行政、河流和道路等基本要素矢量數據。

2研究方法

2.1景觀指數計算

景觀格局指數能從多方面有效描述研究區景觀結構及景觀破碎化的空間分布特征，根據研究目的和湖州市景觀現狀，選取斑塊密度（PD）、邊緣密度（ED）、香濃多樣性指數（SHDI）和蔓延度（CONTAG）指數共4個指標，采用Fragstats的總體景觀格局指數計算湖州市域景觀指數；選取PD、ED、CONTAG、聚合度指數（AI）、分離度（DMSION）、香濃多樣性指標（SHDI）和景觀豐富度（PRD）共7個指標，采用Fragstats的移動窗口法計算網格尺度的景觀指數。移動窗口半徑直接關系到區域景觀特征的準確性，文章在移動窗口法的基礎上，選擇900 m，1500m，3 000m和4 500m作為移動窗口半徑，進行景觀破碎化情況對比分析，發現3 000 m能較好反映出研究區景觀破碎化的情況，確定網格大小為3 km x3 km。

2.2空間統計分析

采用空間統計方法中主成分分析法，利用IBMSPSS Statistics 26軟件對網格尺度的7個景觀格局指數進行降維處理，將多個景觀格局指數變量轉化為單個綜合變量，對湖州市景觀破碎化程度進行綜合分析。

2.3地理探測器

地理探測器是探測空間分異性，以及揭示背后驅動力的一組統計學方法。核心思想是基于這樣的假設：如果某個自變量對某個因變量有重要影響，那么自變量和因變量的空間分布應具有相似性。地理探測器主要由因子探測、交互探測、生態探測和風險探測組成。研究采用因子探測和交互探測兩個模塊，探測湖州市景觀破碎化成因的空間分異性并揭示其驅動力，地理探測器模型見文獻。

3結果與分析

3.1景觀格局指數時空變化分析

以市域尺度為研究單元，湖州市景觀破碎化程度總體呈增加趨勢（如表1所示）。在研究期內，PD、ED和SHDI均呈增加的趨勢；CONTAG呈減少的趨勢。表明研究期內，湖州市景觀斑塊密度增加，小斑塊增多；邊界密度增加，景觀在邊緣形狀上向不規則趨勢發展；景觀斑塊團聚程度變小，破碎度呈增加的趨勢；景觀類型趨于多樣化。

研究期內，各景觀指數變化幅度總體上呈先增加后減少的趨勢，2005年-2010年和2015年-2020年變化幅度較小，2010年-2015年，各景觀指數變化幅度較大。表明2010年-2015年湖州市對土地的開發利用程度較大。

以網格為研究單元，2005年-2020年，湖州市景觀破碎化呈增加趨勢，其中PD、ED、DMSION、SHDI和PRD指數逐年增高，相對高值區分布面積逐年增大；CONTAG和AI指數逐年降低，低值區分布面積逐年增大。景觀破碎程度逐漸增高，景觀斑塊的延伸趨勢降低，景觀斑塊聚合程度降低。研究期內，各景觀指數變化幅度呈先增加后減少趨勢，2010年-2015年各景觀指數增加幅度最大，如表2所示。景觀破碎化空間分異特征明顯，東北部、東部平原區的PD、ED、DIVISION、SHDI和PRD值高于西南部和西北部山區；CONTAG和AI的高值區分布于山區，低值區分布在城鎮建成區。