鄭航 程學軍 邵逸文 肖瀟 徐堅 李國忠 趙保成 徐健

摘要：

為探究漢江中下游流域景觀格局變化的結構特征和驅動因素，基于遙感數(shù)據(jù)，分析漢江中下游流域2010～2020年土地利用/覆蓋變化（LUCC）及景觀格局變化，采用支持向量機法，分析土地利用類型時空變化及其景觀破碎度、多樣性變化和斑塊形狀等，從不同角度探討該區(qū)域景觀格局變化驅動因素。研究結果表明：漢江中下游流域景觀格局在自然和人文因素驅動下向著更均衡、更多元化的方向演變，集聚的大型景觀類型傾向于被其他景觀分割、離散，由單一景觀的優(yōu)勢格局演化為更豐富多樣的區(qū)域景觀格局分布；在類別水平上，耕地和草地景觀斑塊形狀破碎化程度增加，城鎮(zhèn)建設用地景觀形狀指數(shù)（LSI）和斑塊密度（PD）均有不同程度增加。研究結果可為漢江中下游地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護提供理論基礎。

關鍵詞：

LUCC； 景觀格局； 景觀指數(shù)； 漢江中下游流域

中圖法分類號：P901

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.04.021

文章編號：1006-0081（2023）04-0128-08

0 引 言

景觀格局變化及其驅動因素分析一直是景觀生態(tài)學和地理學關注的焦點問題［1-2］，對不同地區(qū)的土地利用景觀格局演變過程進行分析，能夠精確揭示研究區(qū)景觀格局變化時空特征［3-5］。目前國內(nèi)外專家學者主要是通過景觀格局指數(shù)［6-7］和景觀動態(tài)模型［8-10］來分析景觀格局演變特性。景觀格局指數(shù)是一種可以反映空間配置特征、景觀結構組成的量化指標，也是景觀格局研究的重要依據(jù)［11］。

漢江流域是湖北省重要的政治、經(jīng)濟、文化與生態(tài)中心［12］，也是中國重要的水源涵養(yǎng)區(qū)和生態(tài)屏障區(qū)［13-14］。近些年漢江流域城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速，但人口與環(huán)境的矛盾日漸突出，漢江流域景觀格局變化尤為劇烈［15-16］。為探究新時代背景下江河流域景觀格局真實狀況與發(fā)展態(tài)勢，本文選取漢江中下游流域為研究區(qū)域，基于2010～2020年間共6期遙感數(shù)據(jù)，分析該區(qū)域景觀格局變化特征與驅動景觀格局演變的機制因素。研究結果將為漢江中下游地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護提供理論基礎，對增強漢江中下游流域土地利用生態(tài)安全、區(qū)域可持續(xù)發(fā)展等有重要的戰(zhàn)略意義。

1 研究區(qū)及研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

漢江（30°8′～34°11′N，106°12′～114°14′E），又稱“漢水”，是長江最大支流，歷史上與黃河、長江、淮水合稱“江河淮漢”，在水資源管理方面具有重要作用［17-18］。本文研究區(qū)域如圖1所示。

漢江自丹江口市順流而下至長江、漢江交匯口處，包括湖北省襄陽市、荊門市、天門市、仙桃市、孝感市、潛江市、武漢市、神農(nóng)架林區(qū)以及河南省南陽市部分地區(qū)。漢江中下游干流長652 km，流域面積6.38萬km2［19］，已建成王甫州、崔家營和興隆3座低壩樞紐工程。漢江中游地處山地丘陵，降雨量較少，水流湍急，在碾盤山進入下游江漢平原，雨水充足，水流速度放緩，郊區(qū)農(nóng)田和城市錯落分布在沖積平原上［20-21］。漢江下游自皇莊以下至河口，長382 km，地勢平緩，河床比降小，平均比降僅為0.09%，屬于典型的平原長距離河道。該流域受亞熱帶季風的影響，年均氣溫為15～17 ℃，年降水量范圍為700～1 200 mm。溫和適宜的氣候促進了該地區(qū)種植業(yè)的發(fā)展，主要作物是小麥、水稻等［22］。漢江中下游流域戰(zhàn)略性的地理位置、良好的地理氣候條件為該地區(qū)近年來的高速發(fā)展奠定了重要基礎，GDP逐年上升，經(jīng)濟發(fā)展的進程穩(wěn)步推進［23-24］。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文選擇Landsat系列衛(wèi)星搭載ETM和OLI傳感器獲得的遙感影像為原始數(shù)據(jù)，分辨率為30 m，選取2010，2012，2014，2016，2018年及2020年6個時期的原始影像，每期研究數(shù)據(jù)需要8幅原始影像進行拼接、裁剪等預處理。為減少云雪對數(shù)據(jù)提取精度的影響，遙感影像成像時間確定為6～9月且云量小于10%時期，植被地物特征明顯。所有數(shù)據(jù)下載自地理空間數(shù)據(jù)云及美國地質調查局官網(wǎng)。同時也參考了湖北省統(tǒng)計年鑒、河南省統(tǒng)計年鑒以及下載自中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心的SRTM 30 m分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)。Landsat系列數(shù)據(jù)具有時間跨度廣、空間分辨率高和數(shù)據(jù)穩(wěn)定性強等特點［25］。數(shù)據(jù)具體信息如表1所示。

1.3 景觀指數(shù)分析

景觀格局指數(shù)可定量監(jiān)測、描述景觀空間結構的時空特征［26］。該指數(shù)通過建立景觀結構與景

觀生態(tài)過程之間的聯(lián)系，進而定量分析景觀格局的屬性和特征［27］。利用景觀格局指數(shù)法可將復雜難以研究的景觀結構轉換為遙感影像上的土地覆被斑塊，再通過計算景觀斑塊的密度、周長、面積、比值等特征，得出景觀格局的相關屬性［28］。

在短時間內(nèi)，景觀格局變化多體現(xiàn)為土地利用類型變化［29］，因此，在景觀格局指標的選擇上，反映景觀格局信息的指標主要為類型、斑塊、景觀。通過這3個層面的分析指標，依次描述單個景觀類型和整體景觀格局，以體現(xiàn)整個研究區(qū)空間配置特征和土地結構組成［30］。

本文選取計算斑塊數(shù)量（NP）、斑塊密度（PD）、邊緣密度（ED）、景觀形狀指數(shù)（LSI）、平均分維數(shù)（FRAC_MN）5類景觀指數(shù)，具體含義如表2所示。選取的景觀指數(shù)可從景觀生態(tài)學角度對景觀格局變化情況進行全方位的定量分析［31-32］，從而得出漢江中下游流域不同土地類型板塊在空間上的異質性和聚集度、不同類型土地受人類干擾程度，從整體上分析研究區(qū)景觀空間破碎程度、空間連通性和景觀形狀等特征［33］。

1.4 土地利用變化特征指標

在土地利用變化期內(nèi)，可以選擇用土地利用類型年變化率、年綜合變化率來表現(xiàn)其時間特征信息［34］。計算公式如下。

Kt，i=Ubi-UaiUai×1T×100%（1）

Kt=∑ni=1Ubi-Uai2∑ni=1Uai×1T×100%（2）

上述公式中，Kt，i為研究區(qū)土地利用類型i的年變化率；Kt為所有土地利用類型的年綜合變化率；Uai為土地類型i在起始年份a的面積，Ubi為其在終止年份b的面積；T為起始至終止的年數(shù)；n為該區(qū)域所有土地類型的數(shù)量。

2 結果與分析

2.1 土地利用變化

本研究嚴格依據(jù)最新GBT 21010-2017《土地利用現(xiàn)狀分類》和中國科學院《土地利用/土地覆蓋遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)庫說明》的一級分類，結合漢江中下游流域現(xiàn)狀，建立耕地、林地、草地、水域及水利設施用地、建筑用地和其他用地6類土地利用類型，分類依據(jù)如表3所示。對有NIR，BLUE等波段組合成的影像進行目視解譯，嚴格按照要求定義6種土地利用類型訓練樣本，并對樣本間可分離性進行檢驗，最終要明確檢驗樣本屬合格樣本。采用支持向量機（SVM）對漢江中下游流域土地利用類型進行監(jiān)督分類。在得到分類結果后進行修正，利用高分辨率歷史遙感影像對監(jiān)督分類的結果進行精度矯正，最終確定對應的Kappa系數(shù)均大于0.85，土地利用分類結果滿足研究所需精度要求。

從土地利用變化分析結果可知（圖2、表4），2010～2020年間漢江中下游流域耕地面積最大年份為2010年，面積為34 479.45 km2，隨后呈現(xiàn)一直下降的趨勢，10 a間耕地總體面積共減少了2 048.78 km2。林地面積變化幅度較小，10 a間共減少了151.35 km2。草地面積總體變化較平緩，10年間共增加了74.51 km2。建筑用地面積呈逐年增加趨勢，10 a間面積共增加1 374.94 km2，年變化率為4.27%。水域及水利設施在10 a間用地面積也明顯增加，2020年面積為3 463.77 km2，共增加了752.88 km2，年變化率為2.78%。作為以農(nóng)業(yè)為基礎產(chǎn)業(yè)的魚米之鄉(xiāng)，漢江中下游流域耕地面積的減少與城市經(jīng)濟發(fā)展、建筑用地面積的上升緊密聯(lián)系。建筑用地的轉入類型主要以耕地為主。

2.2 景觀指數(shù)變化

2010～2020年漢江中下游流域景觀類型水平的景觀指數(shù)以耕地、建筑用地、水域及水利設施用地變化明顯，三種用地類型的景觀指數(shù)分析分別如圖3～5所示，（包含了斑塊數(shù)量（NP）、斑塊密度（PD）、邊緣密度（ED）、景觀形狀指數(shù)（LSI）、平均分維數(shù)（FRAC_MN）5類景觀指數(shù)統(tǒng)計計算結果，以分析變化顯著的耕地、建筑用地和水域及水利設施用地等3種土地利用類型為例。

（1） 耕地。在耕地景觀類型演變過程中，斑塊數(shù)量指標（NP）表現(xiàn)為先上升再降低，斑塊密度指標（PD）變化趨勢較為平穩(wěn)。武漢和襄陽耕地景觀表現(xiàn)出小型景觀斑塊向景觀斑塊群整合的趨勢，整體破碎度和分離情況有所好轉。但耕地的斑塊數(shù)量和斑塊密度呈現(xiàn)增長的趨勢。邊緣密度指標（ED）的上升表明耕地景觀的整體邊緣長度增加，邊界形狀趨于復雜。景觀形狀指標（LSI）不斷上升也表明耕地景觀的整體格局向著復雜化、分散化的方向演變，耕地景觀從以少數(shù)大型景觀斑塊為主轉變?yōu)殡x散分布的斑塊群。

（2） 建筑用地。2010～2020年建筑用地景觀類型斑塊數(shù)量（NP）呈現(xiàn)穩(wěn)定增長態(tài)勢，斑塊密度（PD）變化趨勢較為平穩(wěn)，城鎮(zhèn)建設用地景觀格局破碎程度加深，整體景觀斑塊趨向密集化、復雜化。由于城鎮(zhèn)開發(fā)建設時各行政區(qū)域規(guī)劃方案不一，城鎮(zhèn)建設用地景觀邊界變得極為龐大和復雜，建筑用地邊緣密度（ED）和景觀形狀指數(shù)（LSI）也逐年上漲。結合圖1和圖2可以看出，武漢和南陽的城鎮(zhèn)建設用地景觀整體邊界長度、邊緣復雜程度增加最為明顯。建設用地平均分維數(shù)指標（FRAC_MN）呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢，一方面城鎮(zhèn)建筑用地持續(xù)地開拓擴張導致了建筑用地景觀邊界長度顯著增加，整體邊緣走向復雜化。另一方面，在城鎮(zhèn)建筑用地整體面積上升的趨勢下，局部邊界的不同區(qū)域增長方向情況差異比較大，也造成了整體建筑用地景觀邊界復雜程度加深。盡管建筑用地景觀總體格局趨于離散化和復雜化，但平均分維數(shù)指標相比林地、水域及水利設施用地等其他景觀類型較低，建筑用地景觀破碎化演變進程是以城市為中心向周圍蔓延。

（3） 水域及水利設施用地。水域及水利設施用地景觀的斑塊數(shù)量（NP）值呈現(xiàn)以小幅增長后下降的趨勢，斑塊密度（PD）的值呈現(xiàn)較平穩(wěn)的變化趨勢，由于部分耕地向水域景觀的轉化以及近年降雨量增加的影響，以2016年中下游大范圍持續(xù)強降雨為甚，湖泊、水庫等水位明顯升高，小部分區(qū)域出現(xiàn)洪澇災害，原本破碎、離散水域景觀由于水量的增加聯(lián)合為大的景觀斑塊，斑塊數(shù)量和斑塊密度有所下降。水域景觀邊緣密度整體呈現(xiàn)上升的走向，景觀格局整體邊界趨于復雜化，邊緣細碎化。水域及水利設施用地景觀形狀指數(shù)（LSI）和平均分維數(shù)（FRAC_MN）表現(xiàn)出先下降、再回升的曲線走向，由于開始水域景觀整體邊界區(qū)域趨于簡單化，通過水域重新規(guī)劃、填湖等人類改造活動，離散分布的水域景觀斑塊傾向于聯(lián)接合并形成新的集聚水域景觀斑塊，從而景觀形狀指數(shù)和平均分維數(shù)有所下降。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，漢江中下游流域城鎮(zhèn)集中規(guī)劃擴建速度有所放緩，主要是局部小尺度的改造活動，景觀斑塊邊緣趨于復雜化，水域及水利設施用地景觀格局的整體破碎程度有所提高。

3 景觀格局驅動因素分析

與自然狀態(tài)下單向且緩慢的區(qū)域景觀格局演變模式不同，有人類影響下的區(qū)域景觀格局演變模式是多向且迅速的，驅動景觀格局演變的地理、自然環(huán)境、社會因素間呈現(xiàn)多元化、復雜化。針對漢江中下游自然地理環(huán)境與人類社會發(fā)展情況，分為自然因素和人文因素兩個角度分析漢江中下游流域的景觀格局演變驅動原因。

3.1 自然因素

（1） 地形。漢江中下游流域屬于由山地丘陵向平原地區(qū)過渡的地區(qū)，地勢呈現(xiàn)西北高、東南低的格局，西部、北部分布著海拔較高的山地丘陵，漢江自襄樊市盆地向東，經(jīng)過荊門市由西北部和中部低山丘陵環(huán)繞的平坦河道平原區(qū)域，進入地形開闊廣袤的江漢平原，于武漢市匯入長江水道。漢江兩岸坡度基本處于10°以下，整體地勢平坦、水量充足，人類活動集中在漢江的河岸區(qū)域，建筑用地景觀離散坐落在自漢江中游至下游的河道沿岸平原。襄樊市西部、荊門市西北部和中部以及孝感市多低山丘陵，大部分區(qū)域坡度處在20°以上，不適宜人類的居住和活動，小型的建筑用地景觀和耕地景觀多離散分布在地勢平坦的盆地區(qū)域。而漢江中下游流域全年降水量較大，平均最低氣溫常年保持在14 ℃以上，滿足了亞熱帶山地丘陵地區(qū)常綠闊葉林的生存條件，因而形成了漢江中下游流域在低山丘陵地區(qū)集中分布的林地景觀。同時由于漢江中下游流域夏季持續(xù)時間長、水量大的降雨影響，山岳底部低洼谷地匯集大量山溪形成的眾多離散分布的小型湖泊，在河流沖刷作用以及相對弱的光照條件下，造成了草地景觀離散分布在低山丘陵地區(qū)谷底洼地、林地景觀集中分布在山地丘陵山脊山坡的交織散布景觀格局。

（2） 氣候。漢江中下游流域處于中緯度地區(qū)亞熱帶季風性氣候區(qū)，年平均溫度16～20 ℃，年平均降水量800～2 000 mm，夏季高溫多雨，炎熱濕潤的氣候決定了漢江中下游流域以水稻為主的糧食作物種植產(chǎn)業(yè)。漢江水道兩岸平原地勢起伏較小、雨量充足、土壤肥沃，為自然狀態(tài)下的植被生長提供了優(yōu)越條件，形成了林地、草地、耕地景觀在漢江沿岸地勢平坦的區(qū)域大量離散分布的格局。

綜上，地形、溫度、降雨量等自然因素對區(qū)域景觀格局的原始形成具有重要的驅動作用，同時對后期景觀格局的發(fā)展演變起到基本的制約作用。

3.2 人文因素

人類活動影響區(qū)域景觀格局的改變作用方式比較復雜，多樣化影響因子同時驅動景觀組合與結構朝著不同方向演變，對漢江中下游流域景觀格局演變的人文驅動因素主要分別從人口和經(jīng)濟結構兩個方面進行討論。

漢江中下游流域2010年地區(qū)生產(chǎn)總值約為9 700億元，到2020年增長至22 900億元，地區(qū)生產(chǎn)總值呈現(xiàn)指數(shù)式上升趨勢，區(qū)域經(jīng)濟處于高速增長模式。2010～2020年間研究區(qū)人均GDP由38 031元增長至74 751元，年均增幅為9.7%，但第一產(chǎn)業(yè)增長幅度較小，維持在1 500億元左右，基本處于停滯狀態(tài)。區(qū)域城鎮(zhèn)發(fā)展規(guī)劃都是以第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)作為經(jīng)濟支柱。

特別是在迅速發(fā)展的第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)的帶動下，城鎮(zhèn)建筑用地的擴張擠壓了第一產(chǎn)業(yè)的耕地、林地、草地等景觀類型的空間。城鎮(zhèn)建設用地面積由2010年的3 217.31 km2增至2020年的4 592.14 km2，年均增幅為4.3%（見圖6）。

從圖7可以看出，人口的持續(xù)增長對土地利用的變化特征也會產(chǎn)生較大影響。經(jīng)查閱統(tǒng)計年鑒可知，2010～2020年漢江中下游流域總人口由2 560萬增長至3 064萬，平均人口密度由401.25人/km2增至480.17人/km2，年均增幅為1.9%。在人口的持續(xù)增長與有限的土地資源矛盾中，從事第一產(chǎn)業(yè)的農(nóng)業(yè)人口收入水平相對第二、第三產(chǎn)業(yè)從業(yè)人口較低，眾多鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)從業(yè)人口遷入中心城市打工的熱潮，形成了第一產(chǎn)業(yè)從業(yè)人口向第二、第三產(chǎn)業(yè)轉移的趨勢，耕地等景觀類型土地的使用需求逐步減少，進一步擴大了城鎮(zhèn)建設用地景觀侵入耕地等景觀類型向外擴張的局面。

綜合分析，人類的景觀改造活動是驅動區(qū)域景觀格局演變的主導因素，在人類運動的驅動下，漢江中下游流域景觀格局的演變方向和速率較自然狀態(tài)下有較大差異，在社會經(jīng)濟的推動作用與政府政策的導向作用下，漢江中下游流域整體景觀格局演變速率在人類的控制和規(guī)劃中變化，景觀格局整體朝著人類社會需求的模式發(fā)展演變。

4 結 論

在RS與GIS等技術幫助下，本文以漢江中下游流域為研究區(qū)，對漢江中下游流域10 a來景觀格局變化特征進行提取與分析，主要得出以下結論。

（1） 2010～2020年，漢江中下游流域土地利用變化態(tài)勢明顯，耕地面積共減少2 048.78 km2，建筑用地面積共增加1 374.94 km2，其他的土地利用類型都有較大波動，各時期變化速率不同，但最主要體現(xiàn)在耕地類型向建筑用地類型轉移。

（2） 2010～2020年漢江中下游流域整體景觀格局具有多樣性，景觀斑塊不斷被分割，斑塊邊緣也趨于復雜化，景觀格局破碎程度不斷加大，集聚的大型景觀類型傾向于被其他景觀分割、離散，原本相對脆弱的景觀生態(tài)結構朝著多樣、豐富的方向發(fā)展。

（3） 通過驅動因素分析表明，自然因素對景觀格局的變化有一定的影響作用，隨著經(jīng)濟的飛躍增長與產(chǎn)業(yè)布局的變化，人文因素成為驅動漢江中下游流域景觀格局變化的主要驅動因素。

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（編輯：李 晗）

Analysis of landscape pattern changes in the middle and lower Han River Basin

from 2010 to 2020

ZHENG Hang1，2，CHENG Xuejun1，2，SHAO Yiwen3，XIAO Xiao1，2，XU Jian1，2，LI Guozhong1，2，ZHAO Baocheng1，2，XU Jian1，2

（1.Spatial Information Technology Application Department，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2.Wuhan Center for Intelligent Drainage Engineering Technology Research，Wuhan 430010，China； 3.Soil and Water Conservation Department，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）Abstract：

In order to investigate the structural characteristics and drivers of landscape pattern changes in the middle and lower reaches of the Han River Basin，this paper analyzed the land use/cover change （LUCC） and landscape pattern changes in the middle and lower reaches of the Han River Basin from 2010 to 2020 based on remote sensing images，and used the support vector machine method to analyze the spatial and temporal changes in land use types and their landscape fragmentation，diversity changes and patch shapes，etc.to explore the drivers of landscape pattern changes in the region from different perspectives.The results of the study showed that the spatial and temporal changes of land use types in the middle and lower reaches of the Han River and their landscape fragmentation，diversity changes and patch shapes were the most important factors of landscape change.It is also showed that the landscape pattern of the middle and lower reaches of the Han River Basin evolved in a more balanced and diversified direction driven by natural and human factors，and the clustered large landscape types tend to be fragmented and discrete by other landscapes，evolving from the dominant pattern of a single landscape to a richer and more diverse distribution of regional landscape patterns；at the category level，the fragmentation of landscape patch shapes of arable and grassland landscapes increased，and the landscape shape index （LSI） of urban construction land.The results of the study can provide a theoretical basis for the economic development policy and ecological environmental protection in the middle and lower reaches of the Han River.

Key words：

LUCC； landscape patterns； landscape shape index； middle and lower reaches of Han River Basin

收稿日期：

2022-05-26

基金項目：

國家重點研發(fā)計劃項目（2018YFD1100405）；湖北省自然資源廳科研計劃項目（ZRZY2021KJ10）；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費（CKSF2021485KJ）

作者簡介：

鄭 航，男，碩士，研究方向為水利信息化與水利遙感。E-mail：1097628234@qq.com

通信作者：

程學軍，男，正高級工程師，博士，主要從事水利信息化與水利遙感研究。E-mail：15457235@qq.com