南昌市城区土地利用与景观格局的时空变化及驱动因素

张 莹， 蔡海生， 钟 滨，2， 余文波

(1.江西农业大学江西省鄱阳湖流域农业资源与生态重点实验室/南昌市鄱阳湖生态重点实验室/农村土地资源利用与保护研究中心，江西南昌 330045； 2.江西省基础信息系统中心/流域生态与地理环境监测国家测绘地理信息局重点实验室，江西南昌 330209)

土地利用/覆盖变化(LUCC)及其生态效应已经成为全球变化研究的热点[1]。LUCC可以发生在任意空间尺度，作为自然区域小尺度的流域具有独特的水文循环和能量交换特点，其土地利用变化将对更大尺度的自然生态系统产生影响，而景观变化是LUCC最直观的标志[2]，认识土地利用变化与景观格局之间的相互作用机制已成为土地变化科学的核心问题[1]。城市是土地利用/覆盖变化最直接的载体，深刻地影响着区域的生态系统[3]，城市化造成了一系列的生态环境问题[4]，如生物多样性减少和栖息地破坏[5-6]、热岛效应增强[7-8]、环境污染[9]、水土流失[10]等。这些生态环境问题与城市景观格局的人类干扰是密切相关的，受到城市化扩张的影响，区域自然生态系统和农业生态系统不断向城市生态系统转化，从而导致景观格局的剧烈变化，进而造成景观生态演化过程和景观生态功能受到干扰，物质循环和能量流动在时空受阻，演变为城市生态环境问题，成为当今攸关地球生态系统平衡与人类社会可持续发展的研究热点[11]。

1 研究区选取与数据处理

研究区选择江西省南昌市建成区，包括湾里区、青山湖区、东湖区、西湖区、青云谱区，不包括下辖的新建区、南昌县、安义县和进贤县，为主要研究对象(图1)。南昌市位于东经115°27′～116°35′E，北纬28°09′～29°11′N，又名豫章、洪城，系江西省省会，也是全省政治、经济、文化、科技、交通中心和鄱阳湖生态经济区核心城市。

本研究主要采用2000年、2009年、2015年美国陆地资源卫星Landsat TM影像数据(空间分辨率30 m)。采用 ENVI 5.3 遥感处理软件对各年遥感影像进行大气校正、几何校正、增强、裁剪等过程，采用监督分类和目视纠正的方法，根据研究需要，将土地利用类型分为5类，分别是：耕地、建设用地、林地、公共绿地、水域、未利用地(图2)。

2 土地利用变化过程分析

2.1 土地利用结构分析

研究区的土地结构复杂、种类多样，其在2000—2015年间随外界条件影响的变化趋势见表1、图3。可知，2000—2015年间建设用地急剧增加， 公共绿地少量增加，而耕地、林地、水域和未利用地逐渐减少，其中耕地、林地、未利用地减少量比较大，而水域减少不明显。

表1 南昌市2000—2015年土地利用类型变化情况

2.2 土地利用重心变化分析

南昌市各土地利用类型在区域内分布不均衡，通过分析南昌市土地利用类型的重心分布位置和偏移情况(图4)，进一步掌握研究区域的土地利用类型变化情况。其重心计算公式为[12]：

(1)

(2)

式中：x、y分别为研究区各个地类分布的重心坐标；ci表示第i个研究单元的地类面积；xi、yi分别表示第i个评价单元的重心坐标；n表示评价单元数。

由图4可见，2000年耕地处于南昌市中南部位置，位于青山湖区南部，反映耕地在整体上分布为南多北少。2009年耕地重心向西北方向转移，从整体上看耕地分布较为均匀，处于南昌市中部位置。到2015年，耕地向东南方向转移，但是从2000年至2015年，耕地重心所在行政区均未发生变化。整个研究期间内耕地面积减少较多，耕地重心向北转移，表明南昌市在2000年至2015年南部耕地面积减少量多于北部。

2000年南昌市建设用地重心处于南昌市中下部略偏西的位置，说明南昌市建设用地空间分布较不均匀，西南部建设用地分布数量略高于东北部。2009年建设用地重心变化较小，略向东北部移动，重心所在行政区没有改变。2015年建设用地重心相比于2009年向西北部转移。整个研究期间内建设用地面积增加较多，建设用地重心向西北转移，表明南昌市在2000年至2015年东南部建设用地面积增加量低于西北部。

林地在整个研究期间呈减少的趋势，反映了南昌市东南部地区林地减少幅度较其他区域更大。在2000—2015年间，林地重心一直处于南昌市西北部位置，并且所属行政区域未发生改变，位于湾里区境内，主要原因是南昌市的林地主要分布在湾里区境内，并且面积较大，使得林地的重心一直处于湾里区境内。相比于2000年，2009年和2015年林地重心一直向北部转移，说明在研究期间南昌市的林地面积南部减少速度快于北部。

公共绿地重心在整个研究期间整体向南转移，表明公共绿地在2000—2015年面积南部增加速度快于北部。

南昌市的水域主要在青山湖区、东湖区和西湖区，横穿整个南昌市中部，因此水域的重心位于南昌市中部，并且2000—2015年间，水域重心未发生明显变化，一直处于东湖区。表明水域在南昌市分布均匀，并且在这15年间未发生太明显增减。

2000年至2015年未利用地重心先由西北向东南偏移再由东南向西北偏移，但从总体上看，未利用地重心向东北偏移。但是所属行政区域未发生改变，均位于青山湖区境内。整个研究区间内未利用地减少量速度北部快于南部。

南昌市各土地利用类型重心位置的变化可以在一定程度上反映各地类在研究期间空间变化的大体趋势，通过对南昌市各土地利用类型重心位置变化的分析可以看出，南昌市在15年间城市边界呈“摊大饼”式扩张，城市边界不断扩大，耕地面积大量减少，建设用地面积急剧增加。

3 景观格局变化分析

3.1 景观斑块类型水平的空间格局变化特征

根据不同的景观指数所预示的生态意义不同，在景观类型水平上选取表征斑块破碎度的斑块密度(PD)，反映景观斑块空间分布的均匀程度和单位面积上的斑块数量，描述斑块的破碎程度。表征景观优势的最大斑块指数(LPI)，斑块类型面积百分比描述了景观斑块中的优势景观类型，反映某一斑块类型在景观中的丰度。表征斑块形状的平均斑块分维数(FRAC MN)，平均斑块分维数反映景观形状变化，刻画了景观中斑块形状的复杂性特征，即景观斑块形状越复杂，则其平均斑块分维数的取值就越大。表征斑块聚集分布状态的斑块凝聚度(COHESION)，刻画了生境的破碎程度，度量的是相关景观斑块类型的自然连通度。

从图5可知，建设用地的斑块密度一直减少，而其斑块凝聚度总体呈增加趋势，说明建设用地更趋向于大型化、集中化，小型斑块向大型斑块整合。建设用地的最大斑块指数(LPI)增长趋势十分明显，南昌市建设用地的优势度不断增加。公共绿地的斑块密度总体呈增加趋势。耕地、林地、水域、未利用地的斑块密度总体呈减少趋势，说明其景观斑块破碎化程度降低。但是耕地、水域、未利用地的斑块凝聚度总体呈减少趋势，说明其生境凝聚度不断下降。耕地、林地的最大斑块指数减少趋势十分明显，说明南昌市耕地的优势度不断减小。南昌市的景观要素中各类景观类型平均斑块分维数多处于1.05分维数左右，这个取值范围说明南昌市土地利用景观斑块在形状上呈现普遍较简单的分布，即代表着人类生产生活对南昌市地表覆被的影响比较大，南昌市景观受到的人为扰动程度比较高。建设用地、公共绿地的平均斑块分维数总体呈增加趋势，说明建设用地、公共绿地的斑块形状趋于复杂化。而耕地、林地、水域和未利用地的平均斑块分维数总体呈减少趋势，说明耕地、林地、水域和未利用地的斑块形状趋于简单化。

3.2 景观水平的空间格局变化特征

2000—2015年南昌市建设用地逐渐超过林地成为优势景观类别，从景观的空间构型分析来看，2000—2015年南昌市建设用地迅速增加，而且基本连成一片，导致景观蔓延度(CONTAG)和聚合度(AI)上升。加权平均形状指数(SHAPE AM)的变化趋势呈先减少后增加的趋势，说明景观的空间形态更加简单化，景观形态复杂性的减少与人类活动的强度是密切相关的。南昌市区的景观多样性水平呈急剧下降趋势，由于研究时段内城市建设用地面积比例逐年上升并占绝对优势，城市化程度高，总体的景观类别所占比例差异大，造成南昌市景观多样性下降，景观结构受人为影响显著。景观多样性指数的变化较好地反映了南昌市城市化快速增长的过程(图6)。

4 南昌市土地利用变化的驱动机制

土地利用变化受自然和人类活动两大因素的影响，是一个复杂的演化过程，已有研究成果[13-14]表明， 随着社会经济发展及城镇化水平的不断提升，人类活动对土地利用变化的影响已经远远超过了自然因素，特别是在快速发展的中国城市中尤为明显[15]。根据相关研究成果，人口、经济、政策等因素是影响城市土地利用变化的主要影响因素[16-17]。南昌市在2000—2015年间，土地利用变化主要受到人口、社会经济和政策等人文因素的影响，其中，建设用地、耕地和林地的变化较为频繁。因此，结合南昌市实际情况以及参考已有论文，本研究在分析土地利用变化的驱动机制时，主要选择从人口、社会经济和政策等人文因素方面进行分析。

4.1 社会经济因素

4.1.1 人口急剧增加 自2000年以来，南昌市人口快速增长，仅仅2009—2014年这5年间就增长了70 615人。新增的人口势必需要更多的承载空间，产生了建设用地的旺盛需求，推动了建成区的快速发展。因此，在2000—2015年，南昌市建设用地面积构成比例由16.21%增加到52.49%，2015年南昌市建成区的规模是2000年的3倍多。建设用地的迅速增加必然导致耕地的快速减少。人口的持续高速增长给南昌市耕地保护以及建设用地空间的拓展带来了严峻挑战。

4.1.2 经济快速发展 近15年来，南昌市经济发展迅猛，国内生产总值、固定资产投资、财政总收入等均有不同程度的增长。南昌市房地产业也取得了长足发展，其房价在这十多年间也一路持续攀升。虽然2008年受国际金融危机的影响和2011年南昌市地方版“限购限贷令”出台，房价2次有过短暂回落的势态，但均在随后不久又触底反弹进入新一轮的大涨，上涨势头仍未得到明显遏制，加上近几年南昌市地铁的建设对房地产价格也有正向影响[18]。2014年南昌市的商品房均价约为9 000元/m2，较2003年2 400元/m2的价格上涨了3倍多。房地产的迅猛发展必然导致建设用地急剧增加，城市边界不断扩展，必然导致城市重心的转移。

4.2 政策因素

《南昌市国民经济和社会发展第十个五年计划》以及《南昌市国民经济和社会发展第十一个五年计划》中有关区域布局的概况：根据南昌市经济社会发展现状和建设现代中心城市要求，区域发展布局的总体安排是一江两岸、两区拓展、三绿辉映、三城启动、两线延伸、重点突破。合理调整行政区划、撤销郊区、建立城区，城区面积在现有基础上扩大3～4倍。在城区范围内，根据不同的功能分区组团式集约布局；市域范围，着力构建现代城镇体系，并以城区为中心，增强北向辐射，拓展区域内昌九工业走廊的产业布局；增强南向辐射，沿交通干道形成小城镇密集带。对昌南新城的建设，提出适应城市形态加快南延的趋势，发掘城市南部区域的优势和潜力，把昌南新城建设成为城市商业副中心区域。南昌市区域布局的变化会导致土地利用及景观格局发生改变。建设用地密度减少、景观蔓延度和聚合度上升，由此说明南昌市城区规划科学、布局合理，建设用地集约利用程度较高。而在《南昌市大都市区规划(2015—2030)》中提出构建生态化、多层次、成网络、功能复合的开放空间体系，会使得南昌市城区空间结构进一步优化，景观格局更加科学合理。

5 结论

2000—2015年间，耕地、林地面积减少较为迅速，建设用地扩张最为明显。从发展阶段来看，2000—2009年建设用地面积增加最为迅速。从空间尺度上分析，建设用地主要由中心向四周扩散，主要沿着赣江流域向外以分散集团模式扩张为主，增长区域主要在南昌市南部。15年间各类土地利用重心会发生不同程度的偏移。其中建设用地、水域、未利用地偏移较小，而耕地偏移最大，林地在2000—2009年偏移比较大。

从最大斑块指数、斑块密度、凝聚度、平均斑块分维数建立景观斑块类型水平指标。15年间，建设用地、耕地、林地、水域、未利用地的斑块密度在减少，建设用地优势度不断增加，建设用地、水域的斑块形状趋于复杂化，耕地、林地和未利用地的斑块形状趋于简单化，建设用地斑块凝聚度总体增加，而耕地、水域、未利用地的斑块凝聚度总体呈减少趋势。从景观蔓延度、聚合度、加权平均形状建立景观水平指标，15年间南昌市景观蔓延度和聚合度上升。加权平均形状指数的变化呈先减少后增加的趋势，但是整体呈减少趋势，说明景观的空间形态更加简单化。

通过从人口、经济、政策等方面定性分析影响土地利用变化的驱动因素。表明人口迅猛增加、经济持续发展特别是近几年来南昌市房地产行业的繁荣发展、政策导向差异对南昌市土地利用空间格局产生了重大影响。在城市边界不断扩展的同时，南昌市耕地保护面临严峻挑战。

[1]潘竟虎，苏有才，黄永生，等. 近30年玉门市土地利用与景观格局变化及其驱动力[J]. 地理研究，2012，31(9)：1631-1639.

[2]冯异星，罗格平，周德成，等. 近50年土地利用变化对干旱区典型流域景观格局的影响——以新疆玛纳斯河流域为例[J]. 生态学报，2010，30(16)：4295-4305.

[3]Feng H H，Zhao X F，Chen F，et al. Using land use change trajectories to quantify the effects of urbanization on urban heat island[J]. Advance in Space Research，2013，53(3)：463-473.

[4]陈利顶，孙然好，刘海莲，等. 城市景观格局演变的生态环境效应研究进展[J]. 生态学报，2013，33(4)：1042-1050.

[5]周启星，王美娥，张倩茹，等. 小城镇土地利用变化的生态效应分析[J]. 应用生态学报，2005，16(4)：651-654.

[6]Crooks K R. Relative sensitivities of mammalian carnivores to habitat fragmentation[J]. Conservation Biology，2002，16(2)：488-502.

[7]Buyantuyev A，Wu J G. Urban heat islands and landscape heterogeneity：linking spatiotemporal variations in surface temperatures to land-cover and socioeconmic patterns[J]. Landscape Ecology，2010，25(1)：17-33.

[8]贾宝全，邱尔发，蔡春菊. 唐山市域1993—2009年热场变化[J]. 生态学报，2011，31(20)：6215-6223.

[9]郭 伟，孙文惠，赵仁鑫，等. 呼和浩特市不同功能区土壤重金属污染特征及评价[J]. 环境科学，2013，34(4)：1561-1567.

[10]Sun Z C，Li X W，Fu W X，et al. Long-term effects of land use/land cover change on surface runoff in urban areas of Beijing，China[J]. Journa of Applied Remote Secsing，2013，8(1)：1354-1365.

[11]阳文锐. 北京城市景观格局时空变化及驱动力[J]. 生态学报，2015，35(13)：4357-4366.

[12]王观湧. 基于格网GIS的怀来县土地利用景观格局及生态安全时空演变分析[D]. 保定：河北农业大学，2015.

[13]樊 杰，许豫东，邵 阳. 土地利用变化研究的人文地理视角与新命题[J]. 地理科学进展，2003，22(1)：1-10.

[14]毛蒋兴，李志刚，闫小培. 快速城市化背景下深圳土地利用时空变化的人文因素分析[J]. 资源科学，2008，30(6)：939-948.

[15]韩会然，杨成凤，宋金平. 北京市土地利用变化特征及驱动机制[J]. 经济地理，2015，35(5)：148-154.

[16]方叶林，黄震方，陆玮婷. 中国市域旅游经济空间差异及机理研究[J]. 地理与地理信息科学，2013，29(6)：100-104.

[17]蔡海生，肖复明，张学玲. 基于生态足迹变化的鄱阳湖自然保护区生态补偿定量分析[J]. 长江流域资源与环境，2010，19(6)：623-627.

[18]钟 祥，宋 鑫. 南昌市地铁一号线对沿线房地产价格影响研究：基于特征价格模型的定量分析[J]. 企业导报，2013(12)：108-109.