周璐劉恒湯弟偉孫毅劉小芳
(1.湖北民族大學(xué)林學(xué)園藝學(xué)院,湖北 恩施 445000;2.恩施土家族苗族自治州自然資源和規(guī)劃局,湖北 恩施 445000)
隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,城市化的推進(jìn)以及人類活動(dòng)的增加,區(qū)域土地利用方式正發(fā)生著劇烈變化。土地利用變化受到自然環(huán)境和人類活動(dòng)的共同作用,其對(duì)區(qū)域景觀要素的組成與配置起決定性作用,影響著區(qū)域景觀格局[1-3]。開展區(qū)域土地利用與景觀格局研究,可為區(qū)域人地關(guān)系協(xié)調(diào)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。
當(dāng)前研究集中在土地利用與景觀格局的時(shí)空過程、影響因素等方面。如,潘竟虎等[4]發(fā)現(xiàn)玉門市土地利與景觀格局發(fā)生了劇烈變化,農(nóng)業(yè)人口增長和經(jīng)濟(jì)發(fā)展是最直接驅(qū)動(dòng)力;趙方圓等[5]研究結(jié)果表明,甘肅省黨河流域林地減少最多、耕地增加最多,各地類的景觀破碎度總體呈上升趨勢(shì);張建等[6]發(fā)現(xiàn),丹江口市土地利用類型和景觀空間格局變化明顯,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值不斷增長;楊苗等[7]預(yù)測(cè)了白洋淀2030年土地利用,認(rèn)為湖泊在未來會(huì)成為優(yōu)勢(shì)景觀類型,濕地生態(tài)系統(tǒng)存在退化的風(fēng)險(xiǎn);易阿嵐[8]等發(fā)現(xiàn),上海市濕地面積持續(xù)縮減,濕地景觀格局受自然、人為雙重因素影響。由此可見,研究對(duì)象多集中在流域、干旱區(qū)、濕地等,對(duì)山地城市的研究較為缺乏。
恩施市作為典型的山地城市,地形條件復(fù)雜,氣候多變,生態(tài)環(huán)境脆弱。近年來,當(dāng)?shù)卮罅Πl(fā)展旅游業(yè),經(jīng)濟(jì)發(fā)展加速,城市規(guī)模不斷擴(kuò)大,同時(shí)伴隨著一系列退耕還林(草)政策的實(shí)施,對(duì)自然環(huán)境的干擾加劇,該區(qū)土地利用與景觀格局必然發(fā)生變化,但未見相關(guān)研究。有鑒于此,本研究基于恩施市2010年、2015年和2018年3期土地利用數(shù)據(jù),分析其土地利用與景觀格局,以期為該地區(qū)土地利用高效管理、生態(tài)保護(hù)政策的制定提供參考。
恩施市位于湖北省西南部,見圖1,屬武陵山片區(qū),地處E109°04′~109°58′,N29°50′~30°29′,為恩施土家族苗族自治州州府,行政區(qū)總面積約3967km2。氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候,2015年全市森林覆蓋率達(dá)62%以上,植被類型多為亞熱帶常綠落葉闊葉林。恩施市處于地勢(shì)第二級(jí)階梯末端,地形地貌復(fù)雜,以山地為主,海拔高程懸殊,具有明顯的垂直地域性差異。社會(huì)經(jīng)濟(jì)方面,GDP由2010年的86.94億元增長到2018年的233.17億元,增長近2倍,三大產(chǎn)業(yè)比重由22.34∶35.15∶42.5轉(zhuǎn)變?yōu)?2.62∶38.94∶48.44。
圖1 恩施市地理位置及高程
2010年、2015年和2018年3期土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心,空間分辨率為30m,該數(shù)據(jù)集綜合評(píng)價(jià)精度在94.3%以上[9]。研究按照土地利用一級(jí)類型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分,恩施市包含耕地、林地、草地、水域和建設(shè)用地等5類,見圖2。此外,30m的DEM數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云。數(shù)據(jù)處理和分析在ArcGIS 10.7中完成,景觀分析采用Fragstats 4.2軟件。
圖2 恩施市2010年、2015年和2018年土地利用
2.1.1 土地利用動(dòng)態(tài)度
土地利用動(dòng)態(tài)度是指研究區(qū)一定時(shí)間范圍內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化情況[10],可以反映區(qū)域土地利用/覆蓋中土地利用類型的變化劇烈程度[6]。計(jì)算公式:
(1)
式中,K為土地利用動(dòng)態(tài)度;Ua、Ub分別為研究初期和末期某一土地利用的面積;T為研究時(shí)段長度。
2.1.2 土地利用程度
土地利用程度可以反映人為活動(dòng)和自然環(huán)境條件的綜合效應(yīng)[11,12]。計(jì)算公式:
(2)
式中,L為土地利用程度指數(shù);Ai為第i種土地利用類型面積;AT為區(qū)域總面積;n為土地利用類型數(shù)量;Pi為不同類型的土地利用程度參數(shù)。參考胡和兵等研究方法[12],耕地設(shè)置為0.545、林地為0.114、草地為0.215、水域?yàn)?.120、建設(shè)用地為0.936。
景觀指數(shù)是對(duì)景觀空間特征信息的高度概括,能有效反映景觀的構(gòu)成和空間結(jié)構(gòu),幫助更好地理解與解釋景觀功能[8,13]。參考相關(guān)研究[7,13],在類型水平上選擇最大斑塊指數(shù)(LPI)、平均斑塊面積(MPS)、面積加權(quán)平均斑塊分維數(shù)(AWMPFD)和斑塊凝聚度(COHESION)等4個(gè)指數(shù),在景觀水平上選擇斑塊個(gè)數(shù)(NP)、斑塊密度指數(shù)(PD)、周長面積分維數(shù)(PAFRAC)、聚集度(CONTAG)和香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)等5個(gè)指數(shù)分析恩施市景觀格局動(dòng)態(tài)變化。
從表1和圖2可以看出,林地是恩施市的主要土地利用類型,2010年、2015年和2018年的林地面積比例分別為78.41%、78.21%和78.04%,森林覆蓋率較高,廣泛分布在整個(gè)區(qū)域;耕地面積次之,所占比例在12.68%~12.78%,主要位于中部低海拔地區(qū)和東部河谷地帶;再次是草地,比例分別為7.49%、7.48%和7.52%,集中在西北部的中高山地區(qū);水域面積較為穩(wěn)定,主要是清江及其支流;建設(shè)用地面積比例不斷增加,主要是中部恩施城區(qū)。3個(gè)年份土地利用程度指數(shù)分別為18.16、18.36和18.44,值較小且逐年增加,說明恩施市整體上土地利用程度較低,土地利用還處于發(fā)展時(shí)期,集約度呈增加趨勢(shì)。
表1 恩施市2010—2018年土地利用類型結(jié)構(gòu)及程度變化
由表2可知,2010—2015年,建設(shè)用地和林地變化量最大,其中建設(shè)用地面積增加11.79km2,林地面積減少7.82km2;2015—2018年,林地和耕地變化量最大,其中林地減少6.72km2,耕地增加3.69km2;2010—2018年,林地和建設(shè)用地變化量最大,其中林地減少14.54km2。建設(shè)用地在3個(gè)時(shí)期土地利用動(dòng)態(tài)度均最大,分別為9.92%、1%和11.42%,表明建設(shè)用地是恩施市變化最顯著的地類,而其它地類土地利用動(dòng)態(tài)度較低。
表2 恩施市2010—2018年土地利用變化量及動(dòng)態(tài)度
計(jì)算恩施市2010—2018年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣,分析各土地利用類型之間的轉(zhuǎn)換情況,見表3。2010—2015年,恩施市土地利用變化較小(55.63km2),占土地總面積的1.40%;林地總轉(zhuǎn)出最多(29.47km2),其中14.72km2的林地轉(zhuǎn)為耕地,同時(shí)共21.67km2的其它地類轉(zhuǎn)入為林地;其次是耕地總轉(zhuǎn)出面積(19.91km2),其中17.02km2的耕地轉(zhuǎn)為林地,共16.15km2的其它地類轉(zhuǎn)入為耕地;建設(shè)用地面積顯著增加,多為對(duì)林地的占用。
表3 恩施市2010—2018年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣
2015—2018年,恩施市土地利用變化較小(372.55km2),占土地總面積的9.40%;林地總轉(zhuǎn)出最多(176.64km2),其中132.32km2的林地轉(zhuǎn)為耕地,同時(shí)共169.91km2的其它地類轉(zhuǎn)入為林地;其次是耕地總轉(zhuǎn)出面積(140.85km2),其中128.03km2的耕地轉(zhuǎn)為林地,共144.53km2的其它地類轉(zhuǎn)入為耕地;建設(shè)用地面積少量增加。
2010—2018年,恩施市土地利用變化較小(382.87km2),占土地總面積的9.66%;林地總轉(zhuǎn)出最多(185.24km2),其中132.80km2的林地轉(zhuǎn)為耕地,同時(shí)共170.69km2的其它地類轉(zhuǎn)入為林地;其次是耕地總轉(zhuǎn)出面積(144.76km2),其中130.70km2的耕地轉(zhuǎn)為林地,共144.69km2的其它地類轉(zhuǎn)入為耕地;建設(shè)用地面積顯著增加。
總體而言,恩施市的土地利用以林地為主,耕地次之,林地面積不斷減少,建設(shè)用地不斷增加。土地利用變化較小,主要表現(xiàn)為林地與耕地的互轉(zhuǎn)。
基于恩施市2000—2018年土地利用數(shù)據(jù),利用ArcGIS 10.7和Fragstats 4.2軟件,計(jì)算類型水平和景觀水平的景觀指數(shù),分析其景觀格局動(dòng)態(tài)變化。
3.2.1 類型級(jí)別指數(shù)變化
最大斑塊指數(shù)有助于確定景觀的優(yōu)勢(shì)類型。由表4可知,恩施市林地景觀的最大斑塊指數(shù)明顯高于其它景觀要素,多年均值為63.974,表明林地在區(qū)域景觀結(jié)構(gòu)中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),但值持續(xù)減少,人類活動(dòng)對(duì)林地的干擾減弱;建設(shè)用地最大斑塊指數(shù)小但呈增加趨勢(shì),由0.201增加到0.277,人類活動(dòng)日益增強(qiáng);耕地、草地、水域等最大斑塊指數(shù)變化不明顯。
表4 恩施市2010—2018年類型級(jí)別指數(shù)
平均斑塊面積可以表征景觀的破碎程度。林地的平均斑塊面積最大且呈減小趨勢(shì),由1487.795km2降至1322.237km2,林地斑塊最為破碎但破碎度減??;建設(shè)用地平均斑塊面積呈增大趨勢(shì),由19.327km2增至23.636km2,破碎度逐漸增加;耕地和草地平均斑塊面積年際波動(dòng)性大,而水域破碎度降低。
面積加權(quán)平均斑塊分維數(shù)能夠揭示景觀格局總體特征。林地面積加權(quán)平均斑塊分維數(shù)最大,在1.33左右,水域次之,約1.24,其它景觀值較小。除建設(shè)用地外,其它景觀面積加權(quán)平均斑塊分維數(shù)變化不明顯,建設(shè)用地呈增加趨勢(shì),增加了0.022。
斑塊凝聚度用于衡量斑塊類型的物理連通性。各景觀類型的斑塊凝聚度均較大,物理連通性較好,其中林地最大,多年均值為99.983,建設(shè)用地斑塊連通性增強(qiáng)顯著。
3.2.2 景觀級(jí)別指數(shù)變化
由表5可知,恩施市2010—2018年景觀級(jí)別的斑塊個(gè)數(shù)和斑塊密度均呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì),前者由3378個(gè)升至3573個(gè)后降至3437個(gè),后者由0.8517升至0.9009后降至0.8669。城市建設(shè)和退耕還林(草)等各種形式的人類活動(dòng)深刻影響著土地利用狀態(tài),改變了景觀格局,致使斑塊破碎化程度加深,斑塊數(shù)量和斑塊密度增加,其中2010—2015年的干擾強(qiáng)度強(qiáng)于2015—2018年。周長面積分形維數(shù)先減后增,總體呈增加趨勢(shì),表明景觀格局復(fù)雜性增大。聚集度持續(xù)下降,由71.999降至71.3458,景觀里的不同斑塊類型的團(tuán)聚程度減弱,景觀連通性下降。香農(nóng)多樣性呈增加趨勢(shì),由0.7144增至0.7306,景觀破碎化程度增加,景觀異質(zhì)性加劇。
表5 恩施市2010—2018年景觀級(jí)別指數(shù)
本研究基于恩施市2010年、2015年和2018年3期土地利用數(shù)據(jù),采用土地利用動(dòng)態(tài)度、土地利用程度等方法,同時(shí)選取典型的景觀格局指數(shù),分析了恩施市土地利用及景觀格局的動(dòng)態(tài)變化,主要得到以下結(jié)論。
恩施市的土地利用以林地為主,耕地次之,林地面積不斷減少,建設(shè)用地不斷增加。整體上土地利用程度較低,土地利用變化較小,主要表現(xiàn)為林地與耕地的互轉(zhuǎn)。
類型級(jí)別方面,林地是恩施市的主要景觀類型且破碎程度最大,建設(shè)用地的破碎程度明顯加深,各景觀類型均具有較好的物理連通性。景觀級(jí)別方面,景觀格局復(fù)雜性增大,景觀破碎化程度加深,異質(zhì)性加劇。