郭 楊，傅若馳，李念秋

(江西經(jīng)濟(jì)管理干部學(xué)院，江西 南昌 330038)

1 引言

土地利用/覆被(LUCC)變化是生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的表現(xiàn)之一，對(duì)全球環(huán)境穩(wěn)定、氣候變化、生物多樣性、人類社會(huì)等有實(shí)質(zhì)的影響[1,2]，其變化的原因可能與城市發(fā)展、農(nóng)業(yè)實(shí)踐、自然資源破壞和全球氣候變化等有關(guān)[3,4]。景觀格局指數(shù)可以解釋不同大小、不同形狀的土地利用/覆被斑塊在空間上的配置現(xiàn)狀[5]。

南昌市是長(zhǎng)江中下游經(jīng)濟(jì)帶節(jié)點(diǎn)城市。近年來(lái)，南昌市土地利用/覆被受自然環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與政策綜合交互作用的干擾，發(fā)生了顯著變化。在城市區(qū)域內(nèi)，土地利用/覆被變化主要由人類活動(dòng)引發(fā)。城鎮(zhèn)化快速發(fā)展使得建設(shè)用地急速擴(kuò)張，占據(jù)大量耕地與林地，糧食問(wèn)題與生態(tài)問(wèn)題日益凸顯，這些矛盾產(chǎn)生了區(qū)域尺度的景觀生態(tài)響應(yīng)，導(dǎo)致景觀格局演變和生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生轉(zhuǎn)化[6]。為此，探究了2000～2020年來(lái)南昌市土地利用/覆被的轉(zhuǎn)化和景觀格局指數(shù)變化的特征、原因和規(guī)律，能量化人類活動(dòng)與環(huán)境的耦合，為區(qū)域尺度的生態(tài)景觀規(guī)劃發(fā)展提供重要的數(shù)據(jù)支持和規(guī)劃建議。

2 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 研究區(qū)概況

南昌市地處江西省中部偏北，屬于長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶，位于東經(jīng)115°27′～116°35′,北緯28°10′～29°11′之間。位于贛江、撫河下游，東北方瀕臨我國(guó)最大的淡水湖鄱陽(yáng)湖。全市以平原為主，東南地勢(shì)平坦，西北丘陵起伏，土地面積7194.61 km2。南北長(zhǎng)約112.1 km,東西寬為107.6 km。亞熱帶季風(fēng)氣候，區(qū)域降水量較多、水資源豐富，森林資源豐富，多樣的地貌類型孕育了豐富的生物資源和獨(dú)特的山水城林景觀，是推進(jìn)國(guó)家生態(tài)文明試驗(yàn)區(qū)(江西)建設(shè)的核心地帶，綠色生態(tài)優(yōu)勢(shì)顯著。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文數(shù)據(jù)來(lái)源Globe Land 30柵格數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)是分辨率為 30 m×30 m分辨率全球地表覆蓋數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)集包含2000、2010、2020年的地表覆被數(shù)據(jù),這3年的全球總體分類精度均達(dá)到80%以上,可免費(fèi)下載使用(http://www.globallandcover.com/GLC30Download/index.aspx)。本文從中獲取了2000、2010、2020年地表覆蓋數(shù)據(jù)，再利用ArcGIS10.7軟件進(jìn)行了處理，獲得南昌市的土地利用/覆被數(shù)據(jù)見(jiàn)圖1。

2.3 研究方法

2.3.1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣法是馬爾科夫模型運(yùn)用在土地利用變化上的方法，可以定量化不同土地利用類型之間的轉(zhuǎn)移情況[7]。轉(zhuǎn)移矩陣可將土地變化轉(zhuǎn)移的面積按矩陣形式表示，作為分析土地結(jié)構(gòu)變化的基礎(chǔ)。借助 ArcGis10.7軟件對(duì) 2000、2010、2020年 3期土地現(xiàn)狀矢量數(shù)據(jù)中任意 2期數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析運(yùn)算[ArcToolbox>Analysis Tools>Overlay>Intersect]，可以得到土地類型轉(zhuǎn)移的方向與數(shù)量，能較好地表征出土地利用類型轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)[8]。其表達(dá)式為：

圖1 2000、2010、2020年研究區(qū)土地利用/覆被分布

(1)

式(1)中：S表示某一地類的面積(m2)，i、j分別

為在研究初期和末期的土地利用類型，n為土地利用類型數(shù)。當(dāng)i≠j時(shí)，Sij代表第i類土地轉(zhuǎn)換為第j類土地的面積；當(dāng)i=j時(shí)，Sij代表該地類未發(fā)生變化的面積。

2.3.2 景觀指數(shù)

景觀格局指數(shù)能高度濃縮空間格局信息，反映其結(jié)構(gòu)組成和空間配置特征的定量指標(biāo)[9]。參照國(guó)內(nèi)外景觀生態(tài)研究成果[10～12]，在景觀水平和斑塊類型水平兩個(gè)層次選取能反映景觀聚集和分散的指數(shù)，通過(guò)Fragstats4.2軟件計(jì)算出來(lái)，對(duì)地類變化進(jìn)行描述。

在景觀水平，為分析不同地類對(duì)整體景觀分布的影響在Rstudio中對(duì)地類面積與斑塊數(shù)量(NP)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、邊界密度(ED)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)、聚集度指數(shù)(AI)歸一化處理后進(jìn)行Pearson相關(guān)分析。

在斑塊類型水平，選取了5個(gè)指標(biāo)：斑塊數(shù)量(NP)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、平均斑塊周長(zhǎng)面積比(PARA_MN)、聚集度指數(shù)(AI)。以時(shí)間為尺度觀察不同景觀類型的斑塊變化趨勢(shì)，以揭示區(qū)域范圍內(nèi)景觀格局時(shí)空異質(zhì)性的變化原因[13]。

3 結(jié)果與分析

3.1 南昌市土地利用轉(zhuǎn)移分析

根據(jù)表1可知，2000年、2010年和2020年南昌市按面積劃分土地類型面積最大的均為耕地。人造地表在近20年內(nèi)呈現(xiàn)不斷增加的趨勢(shì)，以林地、水體、濕地、草地和裸地為代表的生態(tài)用地有輕微的減少趨勢(shì)，但耕地面積減少較為顯著。

由表2可看出，2000～2010年土地面積減少最大的是耕地，其次是和草地，減少最小的是裸地。這三類用地在2010年分別比2020年減少了3.82%、2.28%和1.97%。土地面積增幅最為明顯的是人造地表，由2000年的372.44 km2增加為2010年的473.34 km2，相對(duì)增加了28.13%。總體上，前10年，2000～2010年土地間的轉(zhuǎn)移整體不太明顯。

表2 2000～2010年南昌市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 km2

由表3可看出，從2010～2010年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣按比例土地面積減少排名前3的分別是裸地、草地和林地，這三類用地在2020年分別比2010年減少了68.24%、41.24%和17.21%。對(duì)應(yīng)的增幅前3的土地類型是人造地表、草地和林地，在2020年分別比2010年增加了70.07%、25.37%和11.98%?？傮w上，后10年2010～2020年土地之間的轉(zhuǎn)移相對(duì)明顯。

圖2顯示，根據(jù)2000～2020年南昌市土地利用轉(zhuǎn)移和弦圖，后10年比前10年城市化水平發(fā)展速度更快[14]。在2020年，人造地表的增加了331.67 km2，主要來(lái)源于耕地的246.93 km2、草地的34.5 km2和林地的27.24 km2等。同年，人造地表減少的轉(zhuǎn)移對(duì)象主要是18.88 km2的耕地，這是后10年城市擴(kuò)張建設(shè)發(fā)展的主要表現(xiàn)。

表3 2010～2020年南昌市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 km2

林地總體面積從2000～2020年總共減少了5.61%。在前10年間，林地主要是向人造地表轉(zhuǎn)移了3.91 km2，總體土地變化和周轉(zhuǎn)速率不大。在后10年這一快速城市化發(fā)展的時(shí)間里，林地向人造地表轉(zhuǎn)移了27.24 km2。但這一時(shí)期林地更為主要的轉(zhuǎn)移是林地向耕地的61.26 km2和草地的52.85 km2等，共計(jì)減少了164.33 km2。與林地丟失的面積相比林地增加的面積也較為突出共計(jì)114.41 km2，主要由耕地57.02 km2、草地50.61 km2和水體5.35 km2等組成。

南昌市內(nèi)濕地、水體占南昌市面積約20%，在前10年濕地、水體主要從耕地增加了4.57 km2、1.07 km2，后10年濕地、水體從耕地中增加了1.12 km2和100.6 km2。濕地的7.41 km2和水體的49.2 km2轉(zhuǎn)向了耕地。整體上看，從2000～2020年濕地和水體的面積是增加的。

圖2 2000～2020年南昌市土地利用轉(zhuǎn)移和弦

3.2 南昌市景觀格局分析

3.2.1 南昌市景觀水平指數(shù)變化特征

結(jié)果(圖3)顯示：大部分用地類型的面積轉(zhuǎn)變與景觀指數(shù)變化有極顯著關(guān)系。斑塊數(shù)量、最大斑塊指數(shù)、與人造地表、濕地的面積有極顯著的負(fù)相關(guān)性，其中人造地表的面積變化以人為主導(dǎo)因素，濕地的面積變化以季節(jié)性變化為主導(dǎo)因素。蔓延度指數(shù)、聚集度指數(shù)與林地、耕地、草地、水體和裸地有極顯著的負(fù)相關(guān)，說(shuō)明在區(qū)域尺度上對(duì)聚集類指數(shù)負(fù)相關(guān)響應(yīng)最顯著的是這幾類用地。

3.2.2 南昌市類型水平指數(shù)變化特征

排除南昌市鄱陽(yáng)湖季節(jié)性豐水期和枯水期對(duì)濕

圖3 景觀指數(shù)與景觀類型面積之間的相關(guān)系

地和水體的大面積相互轉(zhuǎn)換的影響，從圖4A和圖4B中看出，在2000～2020年，人造地表斑塊數(shù)量由893塊增加至1177塊，耕地由880塊增加至1171塊。林地斑塊數(shù)量由12454塊下降至11031塊，草地由20357塊下降至19768塊。除人造地表的最大斑塊指數(shù)由2000年的2.16%增長(zhǎng)至2020年的3.89%外，耕地、林地、草地和裸地均減少，最為明顯的是耕地作為原先區(qū)域的景觀基質(zhì)，其最大斑塊指數(shù)由2000年的15.30%減小至2020年的9.60%。結(jié)合斑塊數(shù)量的變化和最大斑塊指數(shù)來(lái)看，人造地表在增加最大斑塊占比的同時(shí)斑塊數(shù)量上升，而耕地的最大斑塊占比變小，斑塊數(shù)量上升出現(xiàn)了景觀破碎化現(xiàn)象。

景觀形狀指數(shù)和平均斑塊周長(zhǎng)面積比可以描述斑塊的復(fù)雜性。斑塊形狀不規(guī)則性會(huì)隨景觀形狀指數(shù)的增大而增加。根據(jù)圖4C和圖4D，指數(shù)最高的分別是2000年的草地177.46和林地125.73，在2020年分別下降至172.84和116.28，但仍遠(yuǎn)高于其他地類。各景觀類型周長(zhǎng)面積比的大小順序?yàn)?草地>林地>耕地>裸地>人造地表。南昌市不同景觀類型面積差異較大,但自然用地斑塊比人工用地更為曲折復(fù)雜導(dǎo)致其具有最大周長(zhǎng)面積比。人造地表和裸地的斑塊形狀簡(jiǎn)單,城市化主要表現(xiàn)為人造地表斑塊不斷向外擴(kuò)張, 大塊的斑塊不斷同化、吸收周邊的城市斑塊。

從圖4E可見(jiàn)，聚集指數(shù)最高的是耕地和人造地表。人造地表從2000年的94.29%增至2020年95.99%。耕地由2000年的96.59%降至2020年96.39%。這一結(jié)果顯示在較為聚集的地類中，城市在時(shí)間尺度是趨于更加聚集，而耕地出現(xiàn)了分散的現(xiàn)象。

圖4 研究區(qū)類型水平景觀指數(shù)

4 討論與結(jié)論

(1)從土地利用/覆被類型的轉(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)出雙視角看，南昌市在2000～2010年景觀變化相較于后10年以穩(wěn)定為主，景觀基質(zhì)是耕地，這一時(shí)期耕地面積減少、城市面積增加，與趙麗紅[15]、范辰[16]的研究結(jié)果一致。2010～2020年的后10年，城市化發(fā)展速度較快，面積大幅增加。耕地流出面積最大，是其他用地增長(zhǎng)的主要來(lái)源，城市用地是最主要的接受者。

(2)1989年江西省范圍內(nèi)開(kāi)展了封山育林工程、退耕還林工程、天然林保護(hù)工程、人工針葉林改造工程等綠色工程等。林地、耕地、草地等不同生態(tài)系統(tǒng)間有明顯的空間流轉(zhuǎn)，是景觀生態(tài)過(guò)程發(fā)生變化的具體體現(xiàn)。從前10年來(lái)看，土地覆被轉(zhuǎn)換較慢，也就是生態(tài)流的發(fā)生主要出現(xiàn)在后10年。后10年森林面積從耕地面積中轉(zhuǎn)換顯著，表明了退耕還林的政策驅(qū)動(dòng)。這一研究結(jié)果與范辰[16]在關(guān)于2000～2011年南昌耕地與其他景觀的轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)相一致。隨著綠色工程生態(tài)效益的推進(jìn)，因地制宜的生態(tài)地理區(qū)劃受到重視，不同的生態(tài)系統(tǒng)之間的空間調(diào)整是南昌市區(qū)域內(nèi)政策驅(qū)動(dòng)國(guó)土修復(fù)生態(tài)治理的體現(xiàn)。

(3)濕地、水體和耕地面積在空間上有明顯相互的轉(zhuǎn)移。受亞熱帶季風(fēng)氣候影響，濕地和水體土地覆蓋類型在區(qū)域中難以區(qū)分，鄱陽(yáng)湖在不同的季節(jié)會(huì)有枯水期和豐水期，大湖和草原兩種景觀同時(shí)在一塊區(qū)域的不同季節(jié)中出現(xiàn)。1998年長(zhǎng)江中下游流域暴發(fā)洪水之后,為治理鄱陽(yáng)湖周邊湖灘圍墾，提升蓄洪、滯洪的能力，區(qū)域內(nèi)開(kāi)展了大量退田還湖的工作。但2000年以后,隨著保護(hù)耕地、保障國(guó)家糧食安全、提高農(nóng)民種糧積極性等一系列農(nóng)業(yè)鼓勵(lì)政策的相繼出臺(tái),政府糧食收購(gòu)價(jià)逐年攀升,糧食種植的收益率有呈現(xiàn)一定程度的增長(zhǎng)趨勢(shì)。受此經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)使,湖區(qū)撂荒的耕地逐步開(kāi)始復(fù)耕,圩堤內(nèi)大量已恢復(fù)的濕地被重新開(kāi)墾為耕地。這政策的變動(dòng)導(dǎo)致了水體、濕地和耕地生態(tài)系統(tǒng)的流轉(zhuǎn)。

(4)在2000～2020年間，景觀水平斑塊有從分散、合并再聚集成新的斑塊的演變過(guò)程。從分析結(jié)果看，人造地表、濕地在這20年間的面積變化對(duì)景觀指數(shù)的影響集中于聚集度和連通性的增加,其景觀完整性有明顯升高。根據(jù)蔓延度、聚集度指數(shù)與城市顯著正相關(guān)的關(guān)系顯示城市是影響景觀水平整體聚集發(fā)展的主要因素。林地、耕地、草地、裸地與破碎化、分散性的指數(shù)正相關(guān)系數(shù)顯著，是區(qū)域景觀破碎化產(chǎn)生的主要因素。

(5)類型水平的景觀指數(shù)可以觀察在時(shí)間尺度上不同類型斑塊的變化。破碎化相關(guān)指數(shù)的演變說(shuō)明耕地是破碎化的主要景觀類型。 城市用地有明顯的聚集效應(yīng)，其斑塊在同化和吸收周邊的斑塊。根據(jù)聚集相關(guān)指數(shù)，濕地、水體和森林相對(duì)聚集的自然生態(tài)系統(tǒng)，草地相對(duì)分散。