俞斌傳，劉平輝，程 飛，吳 佳

(東華理工大學 地球科學學院，江西 南昌 330013)

土地利用/覆蓋變化(land use/cover change，LUCC)研究作為全球環(huán)境變化研究的重要內容和核心領域，對全球生態(tài)環(huán)境產生了巨大的影響[1-5]。土地利用/覆蓋變化的本質是人類根據(jù)自身的生存和發(fā)展，改變土地的用途和景觀格局，從而實現(xiàn)人類經濟社會的發(fā)展。土地利用/覆蓋變化及其生態(tài)效應研究已成為全球環(huán)境變化研究的前沿和熱點領域[6-8]。隨著研究的不斷向前推進，景觀格局分析方法被越來越多的應用到土地利用變化的研究中，通過計算斑塊指數(shù)、類型指數(shù)和景觀指數(shù)來獲取景觀結構特征、空間格局以及時間演變特征，景觀格局指數(shù)已經成為研究土地利用/覆蓋變化的重要方法[9-12]。

本文以撫州市臨川區(qū)為例，利用ArcGIS10.2和Fragstats4.2軟件對2005—2015年的土地利用變化特征以及景觀格局變化特征進行分析，為進一步合理開發(fā)開發(fā)利用土地資源，實現(xiàn)土地資源可持續(xù)發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

臨川區(qū)位于江西省東部撫河中游，地處贛撫平原向武夷山脈過渡地帶，116°03′45″～116°18′45″E，27°29′30″～28°15′16″N，東與金溪、東鄉(xiāng)毗鄰，西倚崇仁、豐城，南瀕南城、宜黃，北與進賢接壤(圖1)。臨川區(qū)地形狹長，東西寬58 km，南北長82 km，總面積2 125.72 km2。全境地勢南高北低，是一個斷續(xù)山地環(huán)抱的小盆地，四周多為丘陵，中間為沖積平原。臨川區(qū)下轄9個鄉(xiāng)、18個鎮(zhèn)、3個街道辦事處，2015年，臨川區(qū)總人口111.25萬人，其中農業(yè)人口74.52萬人，非農業(yè)人口36.73萬人；2015年完成生產總值341.62億元。

圖1 臨川區(qū)的區(qū)位

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

本研究采用2005、2010及2015年的土地利用變更數(shù)據(jù)，原始矢量數(shù)據(jù)為MapGIS格式，經格式轉換得到ArcGIS格式數(shù)據(jù)。根據(jù)研究需要，將土地利用類型分為：耕地、園地、林地、其他農用地、城鄉(xiāng)建設用地、交通水利用地、其他建設用地、水域及自然保留地等9大類(圖2)。為進行景觀分析，利用ArcGIS軟件的要素轉柵格工具將矢量數(shù)據(jù)轉為像元大小為10 m×10 m的柵格數(shù)據(jù)，再進行重分類，最后將數(shù)據(jù)導出為Fragstats4.2軟件支持的Geo TIFF grid格式。

2.2 土地利用/覆蓋變化分析方法

運用ArcGIS10.2軟件對3期臨川區(qū)土地利用數(shù)據(jù)進行土地利用狀態(tài)轉移矩陣分析。土地利用轉移矩陣能夠描述各種土地利用類型之間的轉換情況，它不僅可以反映研究期初、研究期末的土地利用類型結構，同時還可以反映研究時段內各土地利用類型的轉移變化情況，用來刻畫區(qū)域土地利用變化方向以及研究期末各土地利用類型的來源與構成[13]。其數(shù)學形式:

式中，S為土地面積，n為土地利用的類型數(shù)，i、j分別為研究期初與研究期末的土地利用類型。

圖2 臨川區(qū)不同時期土地利用類型

在此基礎上，采用單一土地利用動態(tài)度指數(shù)和綜合土地利用動態(tài)度來分析臨川區(qū)土地利用的動態(tài)變化。土地利用動態(tài)度可以充分揭示研究區(qū)的土地利用/覆蓋在時空上的動態(tài)演變過程，可定量描述區(qū)域土地利用變化速度，也可反映利用變化的劇烈程度。綜合土地利用動態(tài)度值可對整個區(qū)域的土地利用類型動態(tài)度進行綜合描述[14-15]。表達式分別如下。

單一土地利用動態(tài)度：

式中：K表示研究時間范圍內某一地類的動態(tài)度；Ua、Ub分別表示研究期初及研究期末某一地類的面積；T表示研究周期，T設為年；K值代表年變化率。

綜合土地利用動態(tài)度：

式中：ΔLUi-j為研究時段內第i類地類轉化為非i類地類的面積的絕對值；LUi為研究期初第i類土地利用類型面積；T表示研究周期，單位為年；LC為在研究期內綜合土地利用類型的動態(tài)度。

2.3 景觀格局分析方法

景觀格局可以反映出景觀異質性，同時可以對不同尺度上的各種生態(tài)過程做出分析，景觀格局分析方法在景觀生態(tài)學的研究過程中起很重要的作用[11]。

運用景觀格局指數(shù)來表征臨川區(qū)土地利用景觀格局空間特征，量化地反映出土地利用景觀結構和空間配置特征。參照國內外學者已提出的眾多景觀格局指標[7，11-12]，結合研究區(qū)實際和研究需要選取類型指標中的4個指數(shù)，景觀指標中的5個指數(shù)進行景觀格局分析(表1)。

表1 景觀格局分析指標

3 結果與分析

3.1 土地利用/覆蓋變化

土地利用/覆蓋的結構變化可以充分反映出土地利用/覆蓋動態(tài)變化趨勢，各土地利用/覆蓋類型間轉化過程分析主要通過轉移矩陣來實現(xiàn)。

3.1.1 轉移矩陣

由表2得知，2005—2010年臨川區(qū)建設用地中的城鄉(xiāng)建設用地以及交通水利用地增加較多，增加量分別為1 293.33和1 172.91 hm2，增加比例分別為0.6%和0.6%；增加的規(guī)模主要來自于耕地和水域，分別遷移813.07和1 168.47 hm2；耕地和水域減少較多，分別減少813.07和1168.47 hm2，減少比例分別為0.4%和0.6%。

表2 臨川區(qū)2005—2010年土地利用轉移矩陣 hm2

由表3得知，2010—2015年臨川區(qū)城鄉(xiāng)建設用地和交通水利用地依然繼續(xù)保持較大增加規(guī)模，分別增加3 110.72和886.24 hm2，增加比例分別為1.5%和0.4%，增加的規(guī)模主要是通過占用耕地、林地、自然保留地等，面積分別為1 163.38、1 410.42和199.34 hm2。耕地林地依然作為主要轉出的土地利用類型，該研究時期分別減少1 577.45和2 157.70 hm2，減少比例分別為0.7%和1.0%。相比2005—2015年，本研究期內建設用地規(guī)模有了很大的增加，反映出臨川區(qū)在最近幾年城市規(guī)模的擴展，城市化速度的加快。

由表4得知，2005—2015年的10年間，耕地減少2 374.08 hm2，減少比例達到1.1%，減少的規(guī)模主要轉入城鄉(xiāng)建設用地和交通水利用地，分別轉入1 922.83和369.50 hm2；林地的情況和耕地類似，共減少2 371.84 hm2，減少比例同樣為1.1%，減少的部分主要轉入了城鄉(xiāng)建設用地和交通水利用地；園地、其他農用地變化不大，分別共減少243.35和152.57 hm2，減少比例分別為0.1%和0.1%；城鄉(xiāng)建設用地和交通水利用地分別共增加4 162.93和2 054.71 hm2，增加比例分別為2.0%和1.0%，增加主要來自于耕地和林地的轉入；其他建設用地略有增加，增加20.96 hm2，主要來自林地的轉入；水域和自然保留地10年間有減少，分別減少1 176.83和649.84 hm2，減少比例為0.6%和0.3%，水域的減少主要是交通水利用地的占用，自然保留地則主要轉出為耕地和城鄉(xiāng)建設用地，其中轉出為耕地的面積達到414.26 hm2，說明10年間臨川區(qū)實施了土地開發(fā)整理項目，一定程度上補充了耕地。

表3 臨川區(qū)2010—2015年土地利用轉移矩陣 hm2

表4 臨川區(qū)2005—2015年土地利用轉移矩陣 hm2

3.1.2 動態(tài)度

根據(jù)狀態(tài)轉移矩陣計算出臨川區(qū)2005—2015年單一土地利用動態(tài)度以及綜合土地利用動態(tài)度。由表5可知：1)2005—2010年區(qū)域綜合土地利用動態(tài)度為0.20%，該研究時期內，城鄉(xiāng)建設用地、水域和交通水利用地年動態(tài)度絕對值較大，分別達到1.24%、2.56%、4.45%，表明該時期內城鄉(xiāng)建設用地、水域和交通水利用地變化較大，其他土地利用類型如耕地、林地等變化較穩(wěn)定；2)2010—2015年區(qū)域綜合土地利用動態(tài)度為0.37%，較2005—2010年數(shù)值明顯增大，表明臨川區(qū)該研究時期內土地利用變化的速度明顯加快，人為有意識的改變土地利用類型的規(guī)模擴大。該研究期內建設用地的3種利用類型，城鄉(xiāng)建設用地、交通水利用地、其他建設用地的動態(tài)度絕對值大于其他土地利用類型，分別達到3.21%、3.05%、2.29%，表明臨川區(qū)建設用地規(guī)模的快速擴張。自然保留地動態(tài)度絕對值為1.56%，研究時期內變化也較大，土地利用類型變化不顯著；3)2005—2015年的10年間，區(qū)域綜合土地利用動態(tài)度為0.28%，耕地、園地、林地、其他農用地、自然保留地動態(tài)度絕對值較小，研究時期內變化穩(wěn)定，城鄉(xiāng)建設用地、交通水利用地、其他建設用地以及水域動態(tài)度絕對值較大分別為2.32%、4.09%、1.14%、1.29%。10年間，除建設用地外，其他土地利用類型都有不同程度的減少。

表5 臨川區(qū)2005—2015年土地利用動態(tài)度

3.2 景觀格局

3.2.1 類型指標

由表6得知：1)從斑塊數(shù)目指數(shù)(NP)來看，耕地、林地、其他農用地、其他建設用地、自然保留地NP指數(shù)呈不斷增大的趨勢，表明人類對這幾種土地利用類型干擾程度大，導致破碎程度高。園地NP指數(shù)先增大后減小，總體呈減少趨勢，表明相比2005年，2015年的這兩種土地利用類型斑塊數(shù)目呈下降趨勢，破碎度降低。城鄉(xiāng)建設用地、交通水利用地、水域NP指數(shù)，先減少后增加，總體呈增加趨勢，表明這3種土地利用類型斑塊數(shù)量在2010年后增加，破碎度加深；2)從最大斑塊指數(shù)(LPI)來看，耕地、林地的LPI指數(shù)始終保持較高水平，表明這兩種土地利用類型也保持著較大的優(yōu)勢度。城鄉(xiāng)建設用地LPI指數(shù)不斷上升，其優(yōu)勢度呈不斷上升的趨勢。水域LPI指數(shù)呈下降的趨勢，其優(yōu)勢度也在降低；3)從散步與并列指數(shù)來看(IJI)，交通水利用地、水域、自然保留地指數(shù)數(shù)值大于其他土地利用類型，特別是交通水利用地及自然保留地，表明與這兩種土地利用類型相連的景觀要素多呈均衡化發(fā)展。園地、其他農用地、城鄉(xiāng)建設用地、其他建設用地IJI指數(shù)呈不斷上升的趨勢，表明人類的開發(fā)利用，使得這幾種土地利用類型周邊其他景觀要素增多；4)從分散指數(shù)(SPILT)來看，耕地、林地、水域的指數(shù)呈不斷上升的趨勢，表明土地利用的過程中其他土地利用類型對這幾種土地利用類型的不斷切割，而導致其不斷分散的格局。城鄉(xiāng)建設用地、交通水利用地和其他建設用地指數(shù)總體呈降低的趨勢，主要由于城市化進程的加快，建設用地的擴展使得建設用地的斑塊數(shù)量、面積增長，斑塊破碎性加強。而這幾種土地利用類型多呈條塊狀分布，城市發(fā)展的過程中，建設用地容易與原有的建設用地相連融合，使得分散指數(shù)降低。

表6 2005—2015年臨川區(qū)類型指標各指數(shù)

3.2.2 景觀指標

由表7可知：1)從斑塊密度指數(shù)(PD)來看，2005年與2010年保持不變，2010—2015年呈上升趨勢，表明單位面積的斑塊數(shù)量增多，破碎度也增加；2)從最大斑塊指數(shù)(LPI)來看，同樣2005年和2010年保持一致，到2015年有一個下降趨勢，表明最大斑塊所占的比例減少，破碎度增加，斑塊尺度趨于均勻。PD指數(shù)和LPI指數(shù)相互呼應，共同表明人類土地利用活動，使得研究區(qū)的土地破碎程度不斷增加；3)從幾何最鄰近距離指數(shù)(ENN-MN)來看，2005—2015年呈不斷下降趨勢，表明不同斑塊間的最鄰近距離減少，團聚度增加，呈集中分布。該指數(shù)的下降主要是由于建設用地的集中分布，使得整體的指數(shù)下降；4)從香農多樣性指數(shù)(SHDI)來看，2005—2015年呈不斷增加的趨勢，表明景觀趨于豐富和復雜，景觀異質性增加，各土地利用類型呈均衡化發(fā)展；5)從聚集度指數(shù)(AI)來看，2005—2015年指數(shù)數(shù)值總體是一個不斷減少的趨勢，表明不同斑塊間的聚集度降低，破碎度增加。

表7 臨川區(qū)2005—2015年景觀指標各指數(shù)

4 小結

臨川區(qū)2005—2015年土地利用/覆蓋產生了巨大變化，各土地利用類型之間相互轉化，有大量耕地、林地轉化為建設用地，表明臨川區(qū)在經濟發(fā)展和城市化過程中，大量占用農用地滿足生產生活的需要。同時也發(fā)現(xiàn)臨川區(qū)實施了土地開發(fā)整理項目，把部分自然保留地轉化為了耕地，一定程度上補充了耕地的數(shù)量。

臨川區(qū)2005—2015年城鄉(xiāng)建設用地、交通水利用地、水域的單一土地利用動態(tài)度最大，2010—2015年的區(qū)域綜合土地利用動態(tài)度比2005—2010年大，表明最近幾年來臨川區(qū)經濟水平的快速提高，各種經濟社會活動，對土地的需求提高，人為的改變土地利用類型的活動加快。

臨川區(qū)2005—2015年景觀格局上也產生了巨大變化。類型指標上，耕地、林地始終保持較大優(yōu)勢度，人類活動導致耕地、林地等破碎度提高。建設用地越來越集中分布，分散度不斷降低。景觀指標上，景觀趨于豐富和復雜，異質性增加，土地利用朝著均衡化方向發(fā)展，破碎度提高。

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