土地利用变化影响下湘西自治州景观格局的时空演变

邓楚雄， 刘睿娜， 聂小东， 李忠武

（湖南师范大学 资源与环境科学学院，湖南 长沙410081）

景观格局是指大小、形状、属性不一的景观单元（斑块）在空间上的分布与组合规律［1］，是土地利用变化最为直观的标志.人类活动是导致景观格局变化的根本原因之一［2-3］，基于组成要素几何特性的景观格局分析能够有效地评估人类活动对土地利用变化影响的程度［4］，对区域土地利用规划与生态系统管理修复尤为必要.目前，土地利用类型变化日益加快，如何降低土地利用类型变化对景观格局的影响成为政府和学术界十分关注的问题［5-6］.

土地利用类型变化一直是生态学和地理学研究的重点领域［7］，相关研究内容主要包括土地利用类型变化的过程与趋势［8-9］、人类活动对土地利用类型变化的影响及作用机制［10］、土地利用类型变化的景观格局效应与响应措施［11-12］等.其中，自然驱动力和人类活动对景观格局的塑造起着重要作用［1］.人类活动（人口增长、城市扩张、农业机械化等）通过影响景观格局，改变人类与自然之间的关系，加快了生态用地向农业用地和建设用地转变，最终导致景观格局呈现显著的破碎化特征.以往研究主要集中于区域社会、经济等方面与景观格局之间的数量关系，其中，湖南地区关于景观格局的研究区域集中于洞庭湖区［13］、长株潭城市群［14］，缺乏对湘西地区的研究；研究内容多以单一土地利用类型景观［13-14］（如湿地、林地、耕地等）为主，尚未形成关于土地利用类型变化对景观格局变化的影响强度和方向的系统研究.同时，土地利用类型变化对景观格局影响的研究主要集中在高原、山区、生态保护区、沿海地区等生态敏感区［15-16］和流域、三角洲、快速城镇化地域等关键地区［17-19］，以及陆地土地利用变化研究的热点区域，如西北干旱、半干旱的生态脆弱区与人地关系紧张的经济发达地区［20-21］.然而大多数研究仅从单一的退耕还林政策或快速城镇化的视角分析区域土地利用变化过程［22］，鲜见从经济发展、生态建设工程、国家战略角度综合探讨区域土地利用变化及其生态环境影响的研究.

湘西自治州属于我国西南部典型喀斯特地区和武陵山集中连片特殊困难地区双重叠加区，也是精准扶贫的样本区.2000—2018 年期间，该地区虽然实施退耕还林还草、“生态州”等生态建设工程，但是，其经济发展导致地区的景观格局发生显著变化.因此，为探究我国西南部喀斯特地区土地利用变化对景观格局的影响，本文以湘西自治州为研究对象，基于2000、2005、2010、2015 和2018 年Landsat遥感影像提取的土地利用类型，定量分析其土地利用和景观格局的时空变化，并利用普通最小二乘法回归分析定量描述景观格局对土地利用变化的响应，剖析土地利用变化对景观格局影响机制.

1 研究区概况与数据来源

1.1 区域概况 湘西自治州（27°44′ ～29°38′N，109°10′～110°22′E）位于中国西南、湖南省西北部，地处湘、鄂、黔、渝等4 省（市）交界处，总面积为1.55 ×104km2，处于我国地形第二级阶梯的东缘，武陵山脉由东北向西南斜贯全境，地形以山地为主，石灰岩分布极广，喀斯特地貌面积大，生态环境脆弱；属于亚热带湿润季风气候，立体气候明显，生物多样性丰富；是武陵山集中连片特殊困难地区的重要组成部分，也是国家和湖南省扶贫攻坚的主战场；基于扶贫开发以及少数民族地区优惠政策，现拥有21 个旅游等级景区，被列入湖南省乃至全国全域旅游的典型示范区域.同时，湘西自治州景观类型错综复杂，2018 年建设用地占总面积的1.35%，林地和耕地分别占总面积的70. 69%和19.26%.2000—2018 年期间，湘西地区的经济发展导致不透水层面积增长以及生态用地的减少，在此背景下，加强土地利用变化影响下湘西自治州景观格局的时空演变研究意义重大.

1.2 数据来源及处理 采用湘西自治州2000、2005、2010、2015和2018 年的Landsat ETM／TM影像（分辨率为30 m），来源于地理空间数据云（http：／ ／www.gscloud.cn／）.通常而言，夏季植被生长最为旺盛且云量低，遥感数据可靠性高，因此，本研究尽量选择6至9月份的遥感影像，部分影像由于云量过高难以满足要求，选择相邻月份替代.在进行土地覆盖分类之前，必须对原始遥感影像做大气校正、地形校正和几何校正.本研究利用ENVI 5.3 中的FLAASH工具对遥感影像进行辐射定标和大气校正；根据GDEMV2数据利用ENVI 5.3 中的扩展工具Topographic Correction执行地形校正；利用ENVI 5.3 中的Image to Map Registration模块，在每幅影像中选择50 个均匀分布的地面控制点，以湘西自治州1∶ 100 000地形图为参照对遥感影像执行几何精校正.然后，使用最邻近方法对遥感影像重采样，空间分辨率为30 m，并采用Albers投影方式将重采样后的遥感影像投影到GCS_WGS_1984坐标系中.最后，利用湘西自治州行政界线矢量文件裁剪出研究区域.结合外业调查，运用监督分类法对校正后的遥感影像进行土地覆盖分类，即以目视解译建立起土地覆盖分类体系为程序提供训练样本，然后在ENVI 5.3中选取最大似然分类法对研究区的土地覆盖进行分类，得到2000、2005、2010、2015 和2018 年共5期的土地利用数据（图1）.然后，利用ArcGIS 10.2 在每期遥感影像中随机生成300 个点，在ENVI 5.3中围绕这些点建立多边形（每个多边形大约包含3个像素），与土地覆盖分类训练中的300 个样本区一起构成600 个精度评估区，通过与参照数据交叉验证，确定600 个精度评估区的土地覆盖类型.然后在ENVI 5.3 中生成混淆矩阵，计算总体精度与Kappa 系数，其总体精度分别为86. 3%、90.2%、93.6%、95.1%和98.2%，κ值超过0.8.根据中国《土地利用现状分类标准（GB21010—2007）》，参考中国科学院土地利用／土地覆盖分类系统，结合武陵山区土地利用及景观的性质与特点，将研究区土地覆盖分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地等6大类.

2 研究方法

2.1 景观指数 景观指数已广泛用于表征土地利用和景观格局的变化，包括斑块、类型和景观3 个尺度上的破碎化、异质性和连通性等方面的指数［23-26］.景观指数采用FragStats 4.2 软件计算得到.为了研究破碎化、异质性、连通性等方面的景观格局，本文选取了研究区的8 个景观指数：斑块密度（DP）、边缘密度（DE）、最大斑块占景观面积比例（ILP）、平均最近距离NMN）、分形维数（nFrac）、聚集指数（IA）、香农多样性指数（ISHD）、蔓延度指数（GCont）.然后，用FragStats 4.2 软件得到计算结果并进行重复性检查，删除相关性较高的指数.最后，从8 个指数中选取了DP、nFrac、DE和IA等4 个指数，对湘西自治州的景观、类型2 个尺度进行研究.其中，DP指数用于量化不同土地利用类型景观的面积和密度相关的特征，DP指数值越大，表明景观越破碎；nFrac指数用于度量不同土地利用类型景观形状的复杂程度，nFrac指数值越大，表明景观形状越复杂；DE指数用于反映不同土地利用类型景观的分布特征；IA指数用于描述不同土地利用类型景观的集聚程度，IA指数值越大，表明景观集聚程度越高.

2.2 土地利用变化比率 不同类型的土地利用变化比率可以用来描述其动态变化的速度［27］，其计算公式为

式中，Sa和Sb分别为研究初期和末期某一土地利用类型的面积，T为初期到末期的时间段.

2.3 景观指数变化比率 类似于土地利用变化比率，用于反映不同类型的景观指数的动态变化的速度，其计算公式为

式中，La和Lb分别为研究初期和末期某一景观指数的大小，T为初期到末期的时间段.

2.4 普通最小二乘法（OLS） 本文采用普通最小二乘法（OLS）回归分析土地利用变化与景观格局之间的关系，其中土地利用类型作为自变量，景观格局指数作为因变量［28-33］. OLS 将研究区作为整体来研究，通过位置创建全局关系来反映平均条件，其计算公式为

式中，xi和y分别表示自变量和因变量，β0和βi分别表示截距系数和回归系数，k表示自变量的个数，ε表示服从正态分布的随机误差.

3 结果分析

3.1 土地利用类型的时空变化

3.1.1 时间变化特征 结合5 期土地利用数据，获得各时间段土地利用类型面积及其变化（表1 和图1）.从土地利用结构来看，2000—2018 年湘西自治州以耕地和林地为主，二者占比超过89%.其中，2000 年耕地和林地的面积占比分别为19.79%和70.54%，2018 年其面积占比变化为19.23%和70.62%.可以看出，湘西自治州耕地出现小幅度的减少，而林地有一定程度的增加.

从土地利用变化来看，2000—2018 年湘西自治州耕地、草地、水域面积不断减少，林地、建设用地和未利用地面积不断增加.研究期间，耕地、草地、水域面积分别减少了86.01、4.60、2.42 km2，其中耕地面积减幅最大，达到2.81%.林地、建设用地和未利 用 地 面 积 则 分 别 增 加 了12. 99、79. 46 和0.58 km2，其中建设用地呈现出剧烈的扩张趋势，面积增幅高达61.33%.

从发展阶段来看，2000 年以来湘西自治州建设用地面积不断增加，对土地利用结构的影响更加剧烈.2000—2015年间与2015—2018年间，耕地面积分别减少53.23与32.78 km2，建设用地分别增加39.45与40.01 km2.可以看出，湘西自治州2015—2018 年间建设用地增长最快，增长率达到7.89%.

表1 2000—2018 年湘西自治州土地利用类型面积及其变化Tab. 1 Quantity and changes of land use area from 2000 to 2018 in Xiangxi Autonomous Prefecture

图1 2000—2018 年土地利用类型变化比率Fig. 1 Proportions of different land uses in 2000—2018

3.1.2 空间变化特征 2000—2018 年湘西自治州土地利用分布呈现空间异质性（图2）.其中，林地主要分布于县（市）的郊区，空间分布形态基本不变.林地增加区域主要分布于荒山荒坡、25°以上的坡耕地，可见退耕还林、生态经济林种植等人类活动对林地的破坏有缓解作用.减少的林地和耕地分布于建成区周边，主要用于城市开发；增加的建设用地主要分布于县（市）的建成区和新城区，空间形态呈现连片分布，经济发展推动了湘西自治州建设用地的扩张.草地、未利用地和水域面积较小，呈现碎片化零散分布于整个地区.

图2 湘西自治州土地利用变化Fig. 2 Land use evolution from 2000 to 2018 in Xiangxi Autonomous Prefecture

3.2 景观格局动态变化

3.2.1 类型水平 2000—2018 年，耕地、林地、草地的斑块密度增加，其破碎度也随之增加，景观的异质性增强（图3）.耕地的DP增加，DE和IA下降，表明耕地在城市化进程中完整性受到破坏，破碎化程度不断加大.草地的DP和DE增加，nFrac和IA基本不变，表明草地在开垦和放牧等人类活动影响下破碎化程度升高.林地的DP和DE增加，IA下降，表明林地破碎化程度总体上也在增加，但是由于实施了一系列的生态建设工程，破碎化得到有效遏制.建设用地的DP和DE在所有地类中变化最为显著，其破碎化不断增加，使得整个地区的景观格局的稳定性变差.而水域和未利用地由于所占面积比例较小，景观指数变化不明显.

图3 2000—2018 年景观指数变化Fig. 3 Changes in landscape indexes during 2000 to 2018

3.2.2 景观水平 湘西自治州景观的DP和DE逐步上升，nFrac和IA在时间上表现较为稳定（图3），说明该地区景观格局的破碎程度上升、聚集程度下降.耕地和建设用地的DP增加是景观破碎程度加大、聚集程度下降的主要原因.湘西自治州景观格局指数呈现出显著的空间异质性（图4），具体如下：1）建成区范围的DP指数显著增加，由于新的绿色空间打破了原有的单一建设用地的现状，导致景观斑块的数量增加，加大了不同斑块间的离散程度和景观的破碎化程度.同时，由于耕地转变为建设用地，整个景观更加分散；2）建成区及其周边DE和nFrac指数呈现出明显的增长趋势；3）建成区范围的IA指数显著增加，其他区域IA指数呈现降低趋势，主要是因为建设用地以掠夺式扩张为主，侵占了耕地和草地.空间演变特征上，建成区范围的4 个景观指数变化最明显，其他区域的景观指数变化趋势相反.

3.3 土地利用变化与景观格局的关系 景观指数与土地利用面积回归结果（表2）显示，所有回归分析的P 值均等于0.000，小于0.05，具有统计学意义表明土地利用与景观格局有着密切联系.对于同一景观指数，未利用地和水域的变化与其他土地利用类型变化对景观格局的影响作用相反.其中，耕地变化对IA（+0.002 67）和nFrac（+0.106）具有正向作用，对DP（-0.676）和DE（-7.62）具有负向作用；林地变化对IA（+1.87）和nFrac（+34.7）具有正向作用，对DP（-368）和DE（-2 631）具有负向作用，并且负向作用最强；建设用地变化对IA（+0.137）和nFrac（+2.16）具有正向作用，对DP（-34.7）和DE（-162）具有负向作用；草地变化对IA（+0.438）和nFrac（+5.02）具有正向作用，对DP（-46.3）和DE（-361）具有负向作用；未利用地变化对DP（+983）和DE（+6437）具有正向作用，并 且 正 向 作 用 最 强，对IA（-3.57）和nFrac（-86.2）具有负向作用；水域变化对DP（+38）和DE（+183）具有正向作用，对IA（-0.125）和nFrac（-1. 91）具有负向作用.整体而言，耕地、林地、未利用地和建设用地的变化是区域景观格局变化的主要原因，其中，县（市）的建成区及其周边区域建设用地的扩张和新区的建设，以及工业化的加速推进，使得建设用地增长导致了整个景观格局的异质性和破碎性提高.

图4 2000—2018 年景观指数变化率Fig. 4 Rates of changes in four landscape indexes from 2000 to 2018

表2 景观格局指数与土地利用面积的关系Tab. 2 Relationships between landscape indexes and land use area

4 讨论

4.1 耕地、林地景观格局对土地利用变化的响应研究期间湘西自治州建设用地呈快速扩张，表现出空间城市化水平不断提升的趋势.湘西自治州旅游业的发展［34］、县（市）建成区的扩张［35］以及湘西经济开发区的发展［36］加快了林地、耕地向建设用地转变的速度；而“生态州”和“退耕还林还草”等生态建设工程的实施，加快了耕地向草地和林地进行转变，这些人为因素对该地区的土地利用类型变化造成巨大的影响.同时，研究结果表明，耕地、林地、未利用地和建设用地的变化对景观格局的空间异质性有驱动作用.其中，经济发展对建设用地扩张驱动作用最强.研究期间，湘西自治州的县（市）建成区的扩张以及湘西经开区调区、扩区导致耕地和林地大面积转变为建设用地，意味着人类活动的强度影响着土地利用变化、景观格局破碎化以及生态系统的变化.生态建设方面实施退耕还林、生态州建设和“八百里绿色行动”等生态建设重大工程，林业部门的统计数据显示退耕还林工程实施以来，全州共退出耕地造林1 318. 0 km2，成林1 088. 5 km2，植被覆盖明显提升，可以发现生态建设重大工程实施是湘西自治州林地面积大规模增加、耕地面积显著减少与景观格局总体趋好的主要驱动力.同时，该地区的林地、草地面积大规模增加，零散的坡耕地与荒山荒地营林植草提高了景观的聚合度，增强了景观的连通性，生态环境大幅改善［27］.其中，实施退耕还林以来，植被覆盖明显提升，其中以耕地向林地转换为主.国家战略方面通过实施精准扶贫工程为实现农民增收，湘西自治州依托退耕还林工程建设，加快农村产业结构调整步伐，积极发展茶叶、柑橘、板栗、核桃、猕猴桃、金秋梨、中药材等特色林果业.由于特色经济林大多为疏林地、灌木林地，因此特色经济林大规模发展很可能是湘西自治州林地面积增加的根本原因.

4.2 协调优化空间开发与景观格局之间的关系 湘西自治州的建成区不断繁荣，景区、郊区和远郊区的城市建设用地不断扩大，给交通、能源和自然生态系统带来了巨大的压力.研究表明，土地利用变化对湘西自治州的景观格局影响存在空间异质性.利用OLS 探讨土地利用变化与景观格局之间的相关关系，可以为生态经济区空间高质量发展规划提供决策依据.根据本研究结果，对湘西自治州国土空间高质量发展规划提出以下3 点建议：

1）应加强建成区和郊区的绿地保护，恢复景观多样性.2000—2018 年期间该地区土地利用类型以建设用地和林地增长为主，耕地和草地面积逐渐减少.虽然建设了绿化带、公园等城市绿地，但研究期间土地利用变化对景观格局的负面影响作用不断加大.因此，决策者应注重保护建成区的自然或半自然的绿地，建设更多的绿色景观，增加城市景观的多样性.

2）应合理控制建设用地的扩张.2000—2018年期间建设用地扩张过程中侵占了大量的耕地和草地，导致景观格局的破碎化程度不断提升.因此，在湘西自治州建成区扩张的过程中，有必要实施紧凑型城市理念.限制部分地区建设用地增长，抑制景观破碎化.

3）决策者应重点保护山区的林地景观，以及半山区的林地、草地和耕地景观.山区和半山区应当设立开发禁区，避免建设用地的无序扩张.其中，山区应注重林地景观的整体性，半山区应保持土地利用类型的多样性，提高复合景观的生态恢复能力.

5 结论

定量分析了2000—2018 年期间湘西自治州的土地利用和景观格局的时空变化特征，进而探讨土地利用变化与景观格局之间的关系.首先对Landsat ETM／TM影像进行分类，识别土地利用时空变化特征，然后利用DP、DE、IA、nFrac等景观指数，研究该地区景观格局的时空变化特征.最后，利用OLS回归分析土地利用变化与景观格局之间的关系.结果表明：

1）2000—2018 年期间，湘西自治州的土地利用变化显著，其中，耕地和草地面积减少，建设用地面积增加.除了建设用地一直处于增长以外，其他类型用地面积呈现波动变化，各时间段的变化存在差异，表明建设用地的转化为单向的，而其他类型用地的转换都是双向的.

2）2000—2018 年期间，湘西自治州景观格局的破碎程度上升，但聚集程度下降.其中，耕地的DP增加，DE和IA下降；草地的DP和DE增加，其他2 个指数基本不变；林地的DP和DE增加，IA下降；建设用地的DP和DE在所有地类中变化最为显著，对整体的景观格局影响明显，其破碎化在不断增加，使得整个地区的景观格局稳定性变差；而水域和未利用地由于所占面积比例较小，其景观指数的变化不明显.空间上湘西自治州景观格局指数表现出显著的空间异质性.

3）土地利用的变化导致了景观格局的变化，其中，耕地、林地、建设用地和未利用地的变化对景观格局的破碎化和异质性的影响最大.建设用地的扩张导致了整个景观格局的破碎化和异质性，主要是因为建成区及其周边区域建设用地的扩张和新区的建设以及工业化的推进发展，建设用地的增长影响整个景观格局的异质性和破碎性.

4）经济发展、生态建设、国家战略是导致湘西自治州土地利用和景观格局变化的主要因素.经济发展对建设用地扩张驱动作用最强，导致耕地和林地转变为建设用地，意味着人类活动的强度影响着土地利用类型、景观格局破碎化程度以及生态系统的变化.退耕还林、生态州建设和“八百里绿色行动”等生态建设重大工程是湘西自治州林地面积大规模增加、耕地面积显著减少与景观格局总体趋好的主要驱动力.国家战略方面通过实施精准扶贫工程为实现农民增收，其中特色经济林大规模发展很可能是湘西自治州林地面积增加以其他林地为主的根本原因.后续发展中应该更好地协调优化国土空间开发与景观格局之间的关系.