重庆主城区土地利用景观格局变化分析*

刘 曦，牟凤云，林孝松，李帅旗

(重庆交通大学 河海学院，重庆400074)

土地利用/覆被景观格局及其变化是自然与人为因素相互作用所产生的一定区域生态环境体系的综合反映，既是各种干扰因素相互作用的结果，又影响着地区的生态过程和边缘效应。景观格局的显著变化，具有3种典型类型:某一种新型的景观要素变成为基质，取代了原来的基质;几种景观要素的景观比例发生了变化;一种新型的景观要素在景观系统内出现［1］。

对于研究方法方面，对某一区域景观格局的研究，是揭示该地区土地利用/覆被状况及空间变异特征的有效手段，不同的土地利用图斑的类型、大小、形状、数量等决定土地利用的空间结构，更蕴含丰富的土地利用时间演变信息。景观指数在时间维度上的变化，结合马尔柯夫转移矩阵，能较好的阐释土地利用/覆被的格局和过程［2］。

重庆市改革开放30多年来有着显著的发展，尤其是1997年直辖以后，城市规模更经历了一个飞跃式的扩展。从土地利用景观格局分析入手，对重庆市主城区直辖前1993年至直辖后2006，13年间的土地利用景观结构组成及时空变化进行分析与阐述。

1 研究区概况

重庆市简称渝，地跨东经105°17'～110°11'、北纬28°10'～32°l3'，是西南地区和长江上游最大的经济中心和科技、文化、教育事业的中心。研究区域包括重庆主城区及其周边部分郊区，包括:渝中区、沙坪坝区全部，北碚区、渝北区、江北区、南岸区、巴南区、大渡口区、九龙坡的主城区部分，总面积1 612.796 5 km2。重庆主城地区地形地貌复杂多样，以丘陵低山为主，平坝较少。干流主要为长江、嘉陵江［3］。

图1、图2为研究区1993年及2006年土地利用/覆盖情况(影像解译图并非以行政单元为单位)。

图1 1993年重庆主城区土地利用

图2 2006年重庆主城区土地利用

2 数据来源及处理

2.1 数据来源

采用两个时期景观格局对比分析的方法，相关数据主要来源于1993年、2006年重庆市主城区土地利用矢量图。

2.2 景观类型划分

参考《第二次全国土地调查技术规程》，采用土地调查分类系统，将研究的数据分为7类，分别为旱地、有林地、灌木林地、建城区、干流、水田、湖泊。

2.3 数据处理流程

(1)依据《第二次全国土地调查技术规程》，结合研究区的实际情况，将研究区土地利用类型划分为7种类型，并利用矢量化后的土地利用现状图属性表进行操作，统计景观总体特征指数;

(2)使用目前国际上流行的景观格局分析软件Fragstats 3.3，选择20 m×20 m栅格单元，并选择多种景观格局指数，就土地利用类型进行景观格局及其破碎化的计算分析并得出结论;

(3)利用地理信息系统的空间叠加分析的功能，做出1993－2006年两个时期重庆主城区土地利用转换矩阵。

3 景观格局及其变化分析

选取10个具有代表性的指标作为景观格局的分析指标，包括斑块数量(NP)、斑块总面积(CA)、多样性指数(H)、均匀度指数(E)、优势度指数(D)、景观分离度(F)、分维数(D)、斑块密度(PD)、平均斑块面积(MPS)和破碎度指数(C)［3］。

3.1 景观总体情况分析

通过各类景观斑块数量(NP)、各类景观的面积(CA)、斑块密度(PD)、平均斑块面积(MPS)、指标从量上反映重庆市主城区1993－2006年土地利用景观的总体情况及其格局变化特征(表1)。

表1 1993－2006年重庆市主城区土地利用景观面积变化 km2

3.1.1 斑块面积及斑块数分析

根据重庆市主城区1993年、2006年景观面积分类结果，对斑块面积、斑块数进行统计。结果表明，1993年旱地占景观总面积的百分比是最高的，约占50%，控制着该区的景观。1993年至2006年间，灌木林地景观类型变化幅度最大，总面积由1993年的11 811 km2增加到2006年的61 011 km2，占据景观总面积的37%，其次为建城区景观面积，1993年至2006年增加了29 874 km2，已占据景观总面积的约21%。至2006年灌木林地、建城区和旱地共同控制该区景观。而干流，旱地和水田均呈减少趋势，尤以旱地最为明显，达41 016 km2。

而在旱地景观面积大幅锐减的同时其斑块数却也大幅增加，这说明城市化过程中，大量占用耕地，使得耕地斑块被打碎。灌木林地与有林地无论斑块数目还是斑块面积都有较大幅度的增加，这与重庆市林业部门大力推进植树造林，退耕还林息息相关。

3.1.2 斑块密度分析

斑块密度和斑块面积、斑块数量共同反映景观的破碎化程度。斑块密度越大，表示单位面积上的斑块数越多，即破碎化程度越高［4］。1993年至2006年，灌木林地与建城区斑块密度增幅最为明显。经济发展促使区域内建筑用地比例大幅度增加，斑块个数和面积增大，斑块密度也随之增大。在人为活动干扰下，旱地与水田都逐渐被开发出来，从而导致其逐步转化为其他景观类型，破碎化程度有较大幅度的降低。

3.2 景观格局变化特征分析

对于景观格局变化特征，选取景观分维数(F)、分离度(D)来反映(表2)。

表2 1993－2006年重庆市主城区土地利用景观格局变化 km2

3.2.1 分维度分析

分维度反映景观中斑块形状的复杂程度，它的取值范围为(1，2)，当取值为l时，斑块边界具有最大的曲折性，当取值为2时，斑块为圆形，具有最大的核心面积和最小的边界曲折性，一般分维度越大，斑块越复杂［5］。

表2可知1993－2006年，湖泊、有林地、干流分维数虽呈现上升趋势，但幅度极小，灌木林地及建城区无变化，旱地和水田也只呈现小幅下降趋势，表明研究区域内斑块形状的复杂程度变化不大。且7类景观的分维数值在1.071 0～1.110 7之间，相互非常接近，说明这7类景观类型斑块均具有较小的核心面积与较大的边界曲折性，受干扰程度较小，景观稳定性比较高。

3.2.2 分离度分析

对于一种景观类型而言，其分离度表示该景观类型被其他景观类型切断和分离的程度。如果某种景观类型的分离度越大则表示该种景观类型的斑块分布越分散［6］。

就研究区域而言，由表2可知，1993－2006年，分离度最大的是湖泊与水田，表明湖泊与水田分布较散。而建城区分离度呈上升趋势，表明城市化的发展，不断出现新的建城区用地斑块。建城区用地的扩张，必然会占据大片农田，导致旱地景观的分割，分离度不断上升。

3.3 景观异质性的描述

选取香农多样性指数(SHDI)、优势度指数(Dominance)、香农均匀度指数(SHEI)和破碎化指数(C)这4个指标来反映景观异质性信息(表3)。

表3 1993－2006年重庆市主城区土地利用景观异质性信息 km2

3.3.1 香农多样性指数(SHDI)分析

公式描述:

式(1)中S为景观类型数量，Pk为第k类景观面积占总景观面积的比重。

生态意义:SHDI是一种基于信息理论的测量指数，在生态学中应用很广泛。该指标能反映景观异质性，特别对景观中各拼块类型非均衡分布状况较为敏感。SHDI=0表明整个景观仅由一个拼块组成;SHDI增大，说明拼块类型增加或各拼块类型在景观中呈均衡化趋势分布。

由表3可知，研究区1993－2006年景观多样性指数增加，表明，受人类活动的影响，大斑块破碎，不同景观类型的数量增加，各类用地类型所占比例的差异呈减少趋势，导致该地区景观多样性增加。

3.3.2 优势度指数(Dominance)分析

公式描述:

式(2)中S为景观类型的数量，Pk为第K类景观面积占总景观面积的比重，D为景观优势度。

生态意义:优势度指数用于测度景观结构中某一种或少数几种景观类型占据支配地位的程度。D值越大就表示景观结构受一种或少数几种景观类型支配的程度越大。

由表2可知，研究区景观优势度减少，也对应了景观香农多样性增加，且随着人类活动不断加剧，也使得整体景观形状复杂程度提高。

3.3.3 香农均匀度指数(SHEI)分析

公式描述:

式(3)中SHDImax为景观最大多样性。

生态意义:SHEI=0表明景观仅由一种拼块组成，无多样性;SHEI=1表明各拼块类型均匀分布，有最大多样性。SHEI值较小时优势度一般较高，可以反映出景观受到一种或少数几种优势拼块类型所支配;SHEI趋近1时优势度低，说明景观中没有明显的优势类型且各拼块类型在景观中均匀分布。

由表2可知，研究区内香农均匀度指数呈现上升趋势，均匀度指数(SHEI)与多样性指数(SHDI)趋势相同，也进一步验证了各类用地类型所占比例的差异减少这一趋势。

3.3.4 破碎化指数(C)分析

公式描述:

式(4)中S为景观类型的数量，Nk为第K类景观类型的斑块数，A为景观总面积，F为景观破碎度。

生态意义:破碎度是指景观被分割的破碎程度，用单位面积内的斑块数测度，与自然资源的保护密切相关。景观的破碎化是由于人为及非人为因素导致的景观斑块破碎分离的过程，它影响着景观的结构、功能和动态。

由表2可知，1993－2006年研究区内景观破碎度略有增加，说明了在1993－2006年间人类活动的干扰不断加强，尤其是建筑用地大量的增加，以及旱地与林地之间相互转化，使得整个研究区的景观破碎化程度增大。

4 景观格局转移分析

土地利用/覆被类型转移矩阵能够定量说明类型间的相互转化情况，揭示它们之间互相转化的比例和速率等特征。目前广泛采用的是一种二维矩阵，矩阵中行列元素的含义清晰，具有明确的统计关系，适合于表达研究时段内土地利用/覆被变化情况。转移矩阵不仅可以反映研究初、末期土地利用/覆被类型结构，而且还可以反映研究各土地利用/覆被类型的转移变化情况，便于了解研究初期各土地利用/覆被类型的转移变化情况，便于了解研究初期各土地利用/覆被类型的转出方向和研究末期各土地利用/覆被类型的转入来源与数量特征［7］。

式(5)中，S代表面积，n代表土地利用类型数，i，j分别代表研究期初与研究期末的土地利用类型。

表3中，列表示每个初始状态类别(即1993年)所包含的面积，行表示每个终止状态类别(即2006年)所包含的面积。

表3 1993－2006年重庆市主城区土地利用的马尔柯夫转移矩阵 km2

4.1 干流转换分析

干流转换分为转入和转出两个部分，1993－2006年间，共有14.25 km2的其他土地转换为干流，其中大多数转换为旱地，达11.16 km2，而仅有3.03 km2的干流转换为其他用地。

4.2 灌木林地转换分析

灌木林地在1993－2006年间，共转出了423.33 km2，其中仅转换为旱地的面积就达211.33 km2，建城区为131.18 km2，有林地49.29 km2。而其他景观转换为灌木林地的面积为232.63 km2，增加的面积也主要由旱地转换而来，为162.76 km2。

4.3 旱地转换分析

旱地与灌木林地之间交互式双向转换明显。最大转入景观与最大转出景观都为灌木林地。

4.4 湖泊转换分析

湖泊景观转入与转出基本平衡，分别为8.29 km2与10.90 km2。转出部分，主要转换为建城区，达6.27 km2，约占总转出面积的57%，而转入部分，主要由灌木林地转换而来，达4.70 km2，约占总转入面积的56%。

4.5 建成区转换分析

建成区面积共转入254.60 km2，转出10.87 km2，呈现出明显的畸形转换趋势。其转入来源主要为灌木林地，达131.18 km2，其次为旱地，91.58 km2。而建城区仅向灌木林地转出了 6.22 km2，旱地1.00 km2。

4.6 水田转换分析

共有24.47 km2的灌木林地和11.33 km2的旱地转换为水田，而1993－2006年水田共向外转出了80.08 km2，其中灌木林地 36.38 km2，旱地 22.40 km2，建城区 18.95 km2。

4.7 有林地转换分析

研究区有林地转入与转出的主要来源都为灌木林地，1993－2006年，有林地共转入了66.22 km2，其中由灌木林地转换而来的面积为49.29 km2，约占总转入面积的74%。共转出了39.53 km2，其中转换为灌木林地的面积为24.10 km2，约占总转出面积的61%。

5 影响因素分析

(1)干流面积的增加主要是由于随着三峡工程2003年开始蓄水发电，长江上游的水位不断增长，位于长江上游的重庆段的干流面积有增长趋势。

(2)林地面积(包括灌木林地面积与有林地面积)1993－2006年间也主要呈现增长趋势，这一方面是由于重庆开始转变产业结构，尤其是把旅游业作为主导产业发展，为了创造一个良好的投资、旅游和居住环境，重庆市不断通过各种途径保护和提高植被覆盖面积，另一方面这也与重庆市积极鼓励植树造林，退耕还林，一系列政策的出台息息相关。

(3)耕地面积(包括旱地面积与水田面积)1993－2006年间主要呈现锐减趋势，这主要源于，城市化的急速发展，建城区面积的急速增加，而重庆主要以山地丘陵为主，能用于城市建设的平地不多，使得大量耕地被占用。

(4)湖泊面积1993－2006年间也主要呈现增长趋势，这主要是源于重庆主城区在建设过程中，为保证无水荒之忧，同时也为了提升城市品质，把重庆建设成为西部地区最宜居城市之一。突出“山城”、“江城”自然风貌和历史文化底蕴，精心打造亲近自然、开阔靓丽、具有山地建筑特色和体现重庆历史文脉的城市景观，修建了一些水库、湖泊及湿地公园，增加了市区的水域面积。

(5)随着城市迅速扩张，城市化水平的不断加快，第一产业比重下降，非农业人口增加，各种建设项目占用大量林地与耕地，建城区用地面积越来越大。

6 总结

采用两个时期景观格局对比分析的方法，以1993年、2006年重庆市主城区土地利用矢量图作为数据基础，利用GIS平台和FRAGSTATE3.3软件同时运作的手段，借助于景观格局、空间分析等对土地利用研究具有代表性的数学计算模式，对重庆市主城区土地利用景观空间格局做了深入的研究和分析，得结论:

(1)1993－2006年重庆市主城区的景观发生较大变化，各种景观类型的面积均有不同程度的增减。区域内的景观基质也发生了改变，1993年旱地为基质，占有约为总面积50%的面积比例，随着灌木林地，建城区面积的大幅度增长，而旱地面积的明显减少，至2006年，旱地、灌木林地和建城区用地共同控制该区景观。

(2)1993－2006年，重庆市主城区内景观的多样性及均匀度皆呈现上升趋势，说明区域内景观异质化程度在增高，土地利用正朝着多样化、均匀化方向发展［8］。

(3)1993－2006年随着城市化进程的不断加快，人类活动的干扰不断加强，建城区用地大幅增加，旱地与灌木林地之间转换频繁，重庆市主城区内景观的破碎度增加。

(4)1993－2006年重庆市主城区各类用地景观之间的转入转出较为频繁，其中建城区用地为主要转入者，而灌木林地、旱地与水田为主要转出者，这也是城市化进程中土地利用变化的显著特征，另一方面也反映了重庆市主城区存在土地非农化问题。

但是，研究也存在许多不足之处，如能在以后的研究中进行多时相数据的分析，从而对景观格局变化进行定量化跟踪，则分析意义会更明显。此外，可以结合相应的自然、人口、政策、经济发展等数据深入探讨引起土地利用、景观格局变化的驱动力机制，并对景观格局提出一些优化措施与建议，有利于使得各景观要素的数量及其空间分布合理。

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