杜茗媛，舒美英，蔡建國(guó)，3*

(1.浙江農(nóng)林大學(xué) 風(fēng)景園林與建筑學(xué)院，杭州 311300；2.浙江農(nóng)林大學(xué)暨陽(yáng)學(xué)院，浙江 諸暨 311800；3.浙江農(nóng)林大學(xué) 園林設(shè)計(jì)院有限公司，杭州 311300)

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及城市人口的日益增多，城市環(huán)境質(zhì)量受到前所未有的重視，學(xué)界與管理者相繼提出了國(guó)家森林城市、園林城市、生態(tài)城市等多個(gè)概念。青山湖片區(qū)作為杭州向西發(fā)展的重要樞紐地帶，近幾年發(fā)展建設(shè)成就巨大，開發(fā)項(xiàng)目增多帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)建設(shè)穩(wěn)步發(fā)展的同時(shí)，也給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)一定破壞。為了解人類活動(dòng)對(duì)景觀動(dòng)態(tài)變化的影響，控制和改善社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，我們以臨安區(qū)青山湖區(qū)域?yàn)閷?duì)象，從土地利用變化和景觀格局時(shí)空變化特征角度，分析土地利用和景觀在時(shí)間序列下的變化特征。

1 研究區(qū)概況

杭州市臨安區(qū)山清水秀、風(fēng)光迷人，森林覆蓋率高達(dá)77.7%，植被有較明顯的垂直分布特性，濕地、動(dòng)植物資源豐富多樣。本研究區(qū)域位于臨安區(qū)東面，周圍群山環(huán)繞，茂林修竹，水庫(kù)湖面占地面積約9.65 km2。該區(qū)域?qū)儆谥衼啛釒П本壖撅L(fēng)氣候區(qū)，溫暖濕潤(rùn)，日照充足，降水充沛，四季分明，年均氣溫16 ℃，年均降水量1 613.9 mm。

本研究區(qū)域——青山湖研究區(qū)范圍由筆者根據(jù)研究需要?jiǎng)澏ǎ饕罁?jù)道路圍合圈定研究區(qū)域，東至大圓路，西面靠近臨安建成區(qū)，北至青羅線，南至杭瑞高速以南的各個(gè)村莊(將研究區(qū)范圍限定在青山水庫(kù)湖岸向外延伸3 000 m左右的范圍)，約66.20 km2，地理范圍為119.734～119.828E，30.201～30.293N(以下簡(jiǎn)稱)。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1.1 遙感數(shù)據(jù)來(lái)源與處理 本研究使用的遙感數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn/)下載的2000、2005、2010、2015、2020年分辨率為30 m的Landsat遙感影像(表1)，選擇5個(gè)時(shí)期均為3-10月份且云量較少，影像數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，能滿足土地利用分類處理的遙感影像。經(jīng)過(guò)處理2015年和2020年的空間分辨率能達(dá)到15 m。

表1 遙感圖像來(lái)源及具體參數(shù)

2.1.2 土地利用數(shù)據(jù)提取 首先對(duì)采用的Landsat系列圖像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正，其次按照確定好的研究區(qū)域，繪制矢量圖形，對(duì)圖像進(jìn)行裁剪，最終獲得本研究所需的經(jīng)過(guò)預(yù)處理的5個(gè)時(shí)期的遙感影像。利用ENVI5.3軟件結(jié)合谷歌地球歷史衛(wèi)星影像對(duì)比和實(shí)地抽樣調(diào)查，對(duì)5個(gè)時(shí)期的圖像通過(guò)人工目視解譯的方法進(jìn)行分類，在參考LUCC分類體系(土地利用/土地覆蓋變化)的基礎(chǔ)上，結(jié)合青山湖研究區(qū)現(xiàn)有的土地利用類型，將研究區(qū)域分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用土地6種用地類型。由于區(qū)域內(nèi)在近20 a的發(fā)展過(guò)程中變化較大，為統(tǒng)一觀察土地利用變化，草地按照樹木郁閉度小于等于0.1以草本植物為主的分類方法劃分，對(duì)于農(nóng)業(yè)用地中的荒廢地、以及植被覆蓋較好的待用地都劃為草地。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用與面積轉(zhuǎn)移矩陣 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣不僅能反映研究期內(nèi)各類土地利用的數(shù)量變化情況，同時(shí)也可以反映各類土地的轉(zhuǎn)移變化情況[1-2]。

2.2.2 土地利用動(dòng)態(tài)變化度

(1)綜合土地利用動(dòng)態(tài)度

綜合土地利用動(dòng)態(tài)度表達(dá)某研究區(qū)一定時(shí)間內(nèi)整體景觀的變化情況，其表達(dá)式為[3]：

式中：LUi表示監(jiān)測(cè)起始時(shí)間第i類土地利用面積，ΔLUi-j表示監(jiān)測(cè)時(shí)段第i類土地利用轉(zhuǎn)為非i類土地利用面積的絕對(duì)值，T為監(jiān)測(cè)時(shí)間長(zhǎng)度。

(2)單一土地利用動(dòng)態(tài)度

單一土地利用動(dòng)態(tài)度表達(dá)的是某研究區(qū)一定時(shí)間范圍內(nèi)某種土地利用的數(shù)量變化情況，其表達(dá)式為：

式中：K表示研究時(shí)間段內(nèi)某一土地利用動(dòng)態(tài)度，Ua、Ub分別表示研究初期和研究末期土地利用的數(shù)量，T為研究時(shí)長(zhǎng)。當(dāng)T的時(shí)段設(shè)定為年時(shí)，K為研究時(shí)段內(nèi)某一土地利用的年變化率。

2.2.3 景觀指數(shù)的計(jì)算 景觀格局是指景觀元素以不同大小和形狀在空間上的排列[4]，而景觀指數(shù)能夠高度濃縮景觀格局信息，反映其結(jié)構(gòu)組成和空間配置特征[5-7]。土地利用變化不僅影響土地景觀格局的變化，而且影響其內(nèi)部的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)[8]。

景觀指數(shù)在分析土地利用和景觀格局的變化中有著廣泛應(yīng)用，研究斑塊、類別和景觀三個(gè)層次上的碎片化、異質(zhì)性和連通性等[9]。本研究在斑塊水平選擇斑塊數(shù)量(NP)、斑塊密度(PD)、斑塊平均面積(AREA_MN)、斑塊占景觀面積比例(PLAND)、最大斑塊指數(shù)(LPI)；景觀連通性水平上選擇聚合度(AI)、聚集度(CONTAG)；在景觀復(fù)雜程度上選擇景觀形狀指數(shù)(LSI)、周長(zhǎng)面積分維數(shù)(PAFRAC)；在景觀多樣性水平上選擇Shannon多樣性指數(shù)(SHDI)、Shannon均勻度指數(shù)(SHEI)。采用FRAGSTATS4.2軟件計(jì)算得到景觀指數(shù)，通過(guò)景觀指數(shù)的變化分析該研究區(qū)域的景觀格局時(shí)空變化特征。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化特征分析

3.1.1 土地利用時(shí)空特征分析 青山湖研究區(qū)2000-2020年的土地利用空間分布如圖1所示，2000年耕地主要集中分布在科技大道北側(cè)，另有零星狀散落分布在南部的各個(gè)村莊，2010年后科技大道北側(cè)的耕地主要變?yōu)榱私ㄔO(shè)用地，耕地主要以點(diǎn)狀破碎形態(tài)分布在研究區(qū)內(nèi)。青山湖水庫(kù)的部分水域面積變成了建設(shè)用地，但同時(shí)開挖了部分青山湖水庫(kù)，使得青山湖水庫(kù)的面積能保持穩(wěn)定。

圖1 2000-2020年青山湖區(qū)域土地利用空間分布示意圖

從表2可知，2000-2010年，研究區(qū)內(nèi)林地為優(yōu)勢(shì)景觀類型，在2005年面積占比高達(dá)45.15%，而在2010年后，受青山湖區(qū)域開發(fā)和建設(shè)的影響，林地和耕地面積都有一定減少，同時(shí)建設(shè)用地面積增加，占比逐漸超過(guò)林地成為優(yōu)勢(shì)景觀類型。到2020年時(shí)，建設(shè)用地的面積達(dá)到了27.35 km2，占比為41.28%。另外，20 a間耕地面積從11.33 km2下降到4.78 km2，草地面積從11.69 km2下降到5.40 km2，而未利用地和水域面積變化較穩(wěn)定。

表2 2000-2020年青山湖區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)及其統(tǒng)計(jì)

3.1.2 土地面積轉(zhuǎn)移矩陣 青山湖研究區(qū)不同研究時(shí)段內(nèi)的土地利用面積轉(zhuǎn)移矩陣如表3，由表可知，20 a間6類土地利用類型都發(fā)生了一定的面積轉(zhuǎn)移。從轉(zhuǎn)出量來(lái)看，20 a間的轉(zhuǎn)出總量為林地>耕地>草地>建設(shè)用地>水域>未利用地，2000-2005年，草地和耕地的轉(zhuǎn)出量超過(guò)林地的轉(zhuǎn)出量；2005-2010年林地和建設(shè)用地的轉(zhuǎn)出量較大；2010-2015年林地的轉(zhuǎn)出量遠(yuǎn)超過(guò)其他用地類型的轉(zhuǎn)出量；2015-2020年各用地類型的轉(zhuǎn)出量較前幾年變化較小，趨于穩(wěn)定。從轉(zhuǎn)入量來(lái)看，20 a間建設(shè)用地的總轉(zhuǎn)入量最大，轉(zhuǎn)入總量為建設(shè)用地>草地>耕地>林地>水域>未利用地，其中2010-2015年建設(shè)用地轉(zhuǎn)入量最大。結(jié)合土地利用的空間布局圖發(fā)現(xiàn)，青山湖水庫(kù)的水岸線發(fā)生了一定的變化，但在20 a間的轉(zhuǎn)入量和轉(zhuǎn)出量基本達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

表3 青山湖區(qū)域不同研究時(shí)間段內(nèi)的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

續(xù)表3

3.1.3 土地利用變化速率 2000-2020年的土地利用動(dòng)態(tài)變化度如表4所示，從綜合土地利用動(dòng)態(tài)度來(lái)看，2000-2005年、2005-2010年、2010-2015年、2015-2020年的綜合土地利用動(dòng)態(tài)度分別為4.24%、6.70%、7.13%、3.74%，說(shuō)明2005-2010、2010-2015年土地利用變化速率較快，2000-2005年、2015-2020年兩個(gè)時(shí)期的土地利用變化速率較慢。從單一土地利用動(dòng)態(tài)度來(lái)看，2000-2005年耕地、草地和未利用地面積減少，林地、建設(shè)用地和水域呈正增長(zhǎng)；2005-2010年林地和草地面積減少，耕地、建設(shè)用地、水域和未利用地面積增加，其中未利用地的面積變化最大；2010-2015年耕地和建設(shè)用地的面積變化最劇烈，耕地年變化速率為-12.71%，而建設(shè)用地為11.44%，說(shuō)明此期青山湖區(qū)域城市化進(jìn)程較快，發(fā)展較迅速，并且在一定程度對(duì)農(nóng)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了影響。此外，由于城市開發(fā)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，研究區(qū)內(nèi)建設(shè)用地面積20 a間一直在增加，且在2010-2015年間增長(zhǎng)速率最快。

表4 2000-2020年青山湖區(qū)域單一及綜合土地利用動(dòng)態(tài)變化度

3.2 景觀格局分析

按景觀格局指數(shù)方法即從斑塊水平尺度和景觀水平尺度[10-11]，以及景觀面積、密度、形狀、聚集性、多樣性等5個(gè)景觀格局指數(shù)[12]對(duì)青山湖區(qū)域土地利用景觀格局分析結(jié)果如圖2、3所示。

圖2 2000-2020年青山湖區(qū)域斑塊尺度的景觀指數(shù)變化

3.2.1 斑塊水平格局變化特征 2000-2020年青山湖區(qū)域耕地和草地斑塊數(shù)量明顯增加，斑塊密度逐漸變大，斑塊平均面積逐漸減少，說(shuō)明20 a間草地和耕地的景觀破碎程度越來(lái)越高，空間異質(zhì)性變大，且景觀連通性越來(lái)越差。同時(shí)耕地和草地的景觀形狀指數(shù)趨于增大，表明耕地和草地的斑塊形狀逐漸從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，形狀趨向不規(guī)則，受到自然和人類活動(dòng)的影響較大。

20 a間耕地、林地和草地斑塊面積都有一定減少，而建設(shè)用地占景觀面積比和最大斑塊都明顯升高，最大斑塊面積從2.03%增加到25.86%，說(shuō)明建設(shè)用地在整體景觀中所占優(yōu)勢(shì)逐漸增大，成為了區(qū)域內(nèi)優(yōu)勢(shì)景觀類型，而從聚合度來(lái)看，只有建筑用地和未利用地的聚集度有較明顯的增強(qiáng)。

水域和未利用地的斑塊數(shù)、斑塊密度和景觀形狀指數(shù)變化幅度不大，較穩(wěn)定。

3.2.2 景觀水平格局變化特征 景觀的破碎化和連通性與斑塊的大小、形狀和距離等都具有相關(guān)性[13]。從圖3看出，2000-2010年青山湖區(qū)域的斑塊數(shù)和斑塊密度保持穩(wěn)定，而2010-2015年斑塊數(shù)和斑塊密度陡然上升，斑塊平均面積快速下降，說(shuō)明此期景觀破碎化程度加劇，空間異質(zhì)性增強(qiáng)[14]。2010-2015年景觀形狀指數(shù)有所上升，說(shuō)明斑塊形狀越來(lái)越復(fù)雜，越來(lái)越不規(guī)則。聚集度和聚合度在前10 a較穩(wěn)定，后10 a逐漸升高，說(shuō)明此區(qū)域的聚集度和連接性逐漸增強(qiáng)。表征景觀由少數(shù)幾個(gè)主要土地類型控制程度和景觀均衡程度的Shonnon均勻度指數(shù)和Shonnon多樣性指數(shù)，在20 a間先上升后逐漸下降，在2010年達(dá)到最高，說(shuō)明此時(shí)的景觀類型較為豐富和均衡[15]。

圖3 2000-2020年青山湖區(qū)域景觀水平的景觀指數(shù)變化

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

(1)隨著林地、草地、耕地面積的減少，建設(shè)用地在2000-2020年的20 a間逐漸代替林地成為優(yōu)勢(shì)景觀類型，青山水庫(kù)水域面積在變化中維持基本平衡，這與政府的濕地保護(hù)政策有很大的關(guān)聯(lián)。

(2)由綜合土地利用動(dòng)態(tài)度可知，2010-2015年土地利用變化最大、最劇烈。由于人們對(duì)青山湖區(qū)域的高強(qiáng)度開發(fā)，此期耕地面積減少較多，也對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)生了一定的影響。

(3)景觀格局指數(shù)分析結(jié)果顯示，耕地和草地的景觀破碎化程度不斷升高，空間異質(zhì)性增強(qiáng)且連通性變差，由于聚集性開發(fā)建設(shè)，建設(shè)用地的聚集度和連通性增強(qiáng)。

(4)由于建設(shè)用地的擴(kuò)張，導(dǎo)致了草地、耕地、林地等景觀割裂程度的增加，整個(gè)研究區(qū)域景觀破碎化加劇。整體來(lái)看，2010年景觀破碎化程度較低，景觀形狀較復(fù)雜，可能是由于此時(shí)是研究區(qū)的開發(fā)初期，景觀格局在相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間發(fā)展下偏向穩(wěn)定均衡。

4.2 討論

臨安是典型的“九山半水半分田”的山區(qū)市，隨著城市的規(guī)劃發(fā)展，建設(shè)用地面積不斷擴(kuò)大，農(nóng)業(yè)用地面積大大減少，耕地?cái)?shù)量不斷減少，缺少后備耕地。本研究對(duì)5個(gè)時(shí)期青山湖研究區(qū)的土地利用和景觀格局時(shí)空變化進(jìn)行分析，有助于理解與政策相關(guān)的土地利用規(guī)劃和區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)，并為之提供參考。

針對(duì)研究區(qū)土地利用及其景觀格局變化，為實(shí)現(xiàn)青山湖區(qū)域土地資源可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)切實(shí)保護(hù)耕地和生態(tài)環(huán)境，對(duì)現(xiàn)有耕地和基本農(nóng)田實(shí)行基本農(nóng)田和標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田保護(hù)，增加高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田面積，集約開發(fā)建設(shè)用地，嚴(yán)控增量，撬動(dòng)存量，建立完善耕地保護(hù)補(bǔ)償機(jī)制和土地利用集約節(jié)約激勵(lì)機(jī)制，完善土地利用占補(bǔ)動(dòng)態(tài)平衡政策，嚴(yán)格保護(hù)禁止開發(fā)區(qū)域的自然資源和生態(tài)環(huán)境。本研究未進(jìn)行景觀格局特征變化內(nèi)在驅(qū)動(dòng)因素分析，也沒(méi)有預(yù)測(cè)景觀格局的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，這些可能也是該區(qū)域水環(huán)境生態(tài)恢復(fù)日益受重視并得以實(shí)現(xiàn)后，景觀格局優(yōu)化和生態(tài)格局構(gòu)建等必然面臨和必須研究解決的問(wèn)題。