恩施市土地利用及景观格局动态变化分析

2021-09-15周璐刘恒汤弟伟孙毅刘小芳

农业与技术 2021年17期

周璐刘恒汤弟伟孙毅刘小芳

(1.湖北民族大学林学园艺学院，湖北恩施 445000；2.恩施土家族苗族自治州自然资源和规划局，湖北恩施 445000)

随着经济的快速发展，城市化的推进以及人类活动的增加，区域土地利用方式正发生着剧烈变化。土地利用变化受到自然环境和人类活动的共同作用，其对区域景观要素的组成与配置起决定性作用，影响着区域景观格局[1-3]。开展区域土地利用与景观格局研究，可为区域人地关系协调、生态环境保护与可持续发展提供科学依据。

当前研究集中在土地利用与景观格局的时空过程、影响因素等方面。如，潘竟虎等[4]发现玉门市土地利与景观格局发生了剧烈变化，农业人口增长和经济发展是最直接驱动力；赵方圆等[5]研究结果表明，甘肃省党河流域林地减少最多、耕地增加最多，各地类的景观破碎度总体呈上升趋势；张建等[6]发现，丹江口市土地利用类型和景观空间格局变化明显，生态系统服务价值不断增长；杨苗等[7]预测了白洋淀2030年土地利用，认为湖泊在未来会成为优势景观类型，湿地生态系统存在退化的风险；易阿岚[8]等发现，上海市湿地面积持续缩减，湿地景观格局受自然、人为双重因素影响。由此可见，研究对象多集中在流域、干旱区、湿地等，对山地城市的研究较为缺乏。

恩施市作为典型的山地城市，地形条件复杂，气候多变，生态环境脆弱。近年来，当地大力发展旅游业，经济发展加速，城市规模不断扩大，同时伴随着一系列退耕还林(草)政策的实施，对自然环境的干扰加剧，该区土地利用与景观格局必然发生变化，但未见相关研究。有鉴于此，本研究基于恩施市2010年、2015年和2018年3期土地利用数据，分析其土地利用与景观格局，以期为该地区土地利用高效管理、生态保护政策的制定提供参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

恩施市位于湖北省西南部，见图1，属武陵山片区，地处E109°04′～109°58′，N29°50′～30°29′，为恩施土家族苗族自治州州府，行政区总面积约3967km2。气候属于亚热带季风气候，2015年全市森林覆盖率达62%以上，植被类型多为亚热带常绿落叶阔叶林。恩施市处于地势第二级阶梯末端，地形地貌复杂，以山地为主，海拔高程悬殊，具有明显的垂直地域性差异。社会经济方面，GDP由2010年的86.94亿元增长到2018年的233.17亿元，增长近2倍，三大产业比重由22.34∶35.15∶42.5转变为12.62∶38.94∶48.44。

图1 恩施市地理位置及高程

1.2 数据来源及处理

2010年、2015年和2018年3期土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心，空间分辨率为30m，该数据集综合评价精度在94.3%以上[9]。研究按照土地利用一级类型对数据进行划分，恩施市包含耕地、林地、草地、水域和建设用地等5类，见图2。此外，30m的DEM数据来自地理空间数据云。数据处理和分析在ArcGIS 10.7中完成，景观分析采用Fragstats 4.2软件。

图2 恩施市2010年、2015年和2018年土地利用

2 研究方法

2.1 土地利用动态变化研究

2.1.1 土地利用动态度

土地利用动态度是指研究区一定时间范围内某种土地利用类型的数量变化情况[10]，可以反映区域土地利用/覆盖中土地利用类型的变化剧烈程度[6]。计算公式：

(1)

式中，K为土地利用动态度；Ua、Ub分别为研究初期和末期某一土地利用的面积；T为研究时段长度。

2.1.2 土地利用程度

土地利用程度可以反映人为活动和自然环境条件的综合效应[11,12]。计算公式：

(2)

式中，L为土地利用程度指数；Ai为第i种土地利用类型面积；AT为区域总面积；n为土地利用类型数量；Pi为不同类型的土地利用程度参数。参考胡和兵等研究方法[12]，耕地设置为0.545、林地为0.114、草地为0.215、水域为0.120、建设用地为0.936。

2.2 景观指数分析法

景观指数是对景观空间特征信息的高度概括，能有效反映景观的构成和空间结构，帮助更好地理解与解释景观功能[8,13]。参考相关研究[7,13]，在类型水平上选择最大斑块指数(LPI)、平均斑块面积(MPS)、面积加权平均斑块分维数(AWMPFD)和斑块凝聚度(COHESION)等4个指数，在景观水平上选择斑块个数(NP)、斑块密度指数(PD)、周长面积分维数(PAFRAC)、聚集度(CONTAG)和香农多样性指数(SHDI)等5个指数分析恩施市景观格局动态变化。

3 结果与分析

3.1 土地利用动态变化

从表1和图2可以看出，林地是恩施市的主要土地利用类型，2010年、2015年和2018年的林地面积比例分别为78.41%、78.21%和78.04%，森林覆盖率较高，广泛分布在整个区域；耕地面积次之，所占比例在12.68%～12.78%，主要位于中部低海拔地区和东部河谷地带；再次是草地，比例分别为7.49%、7.48%和7.52%，集中在西北部的中高山地区；水域面积较为稳定，主要是清江及其支流；建设用地面积比例不断增加，主要是中部恩施城区。3个年份土地利用程度指数分别为18.16、18.36和18.44，值较小且逐年增加，说明恩施市整体上土地利用程度较低，土地利用还处于发展时期，集约度呈增加趋势。

表1 恩施市2010—2018年土地利用类型结构及程度变化

由表2可知，2010—2015年，建设用地和林地变化量最大，其中建设用地面积增加11.79km2，林地面积减少7.82km2；2015—2018年，林地和耕地变化量最大，其中林地减少6.72km2，耕地增加3.69km2；2010—2018年，林地和建设用地变化量最大，其中林地减少14.54km2。建设用地在3个时期土地利用动态度均最大，分别为9.92%、1%和11.42%，表明建设用地是恩施市变化最显著的地类，而其它地类土地利用动态度较低。

表2 恩施市2010—2018年土地利用变化量及动态度

计算恩施市2010—2018年土地利用转移矩阵，分析各土地利用类型之间的转换情况，见表3。2010—2015年，恩施市土地利用变化较小(55.63km2)，占土地总面积的1.40%；林地总转出最多(29.47km2)，其中14.72km2的林地转为耕地，同时共21.67km2的其它地类转入为林地；其次是耕地总转出面积(19.91km2)，其中17.02km2的耕地转为林地，共16.15km2的其它地类转入为耕地；建设用地面积显著增加，多为对林地的占用。

表3 恩施市2010—2018年土地利用转移矩阵

2015—2018年，恩施市土地利用变化较小(372.55km2)，占土地总面积的9.40%；林地总转出最多(176.64km2)，其中132.32km2的林地转为耕地，同时共169.91km2的其它地类转入为林地；其次是耕地总转出面积(140.85km2)，其中128.03km2的耕地转为林地，共144.53km2的其它地类转入为耕地；建设用地面积少量增加。

2010—2018年，恩施市土地利用变化较小(382.87km2)，占土地总面积的9.66%；林地总转出最多(185.24km2)，其中132.80km2的林地转为耕地，同时共170.69km2的其它地类转入为林地；其次是耕地总转出面积(144.76km2)，其中130.70km2的耕地转为林地，共144.69km2的其它地类转入为耕地；建设用地面积显著增加。

总体而言，恩施市的土地利用以林地为主，耕地次之，林地面积不断减少，建设用地不断增加。土地利用变化较小，主要表现为林地与耕地的互转。

3.2 景观格局动态变化

基于恩施市2000—2018年土地利用数据，利用ArcGIS 10.7和Fragstats 4.2软件，计算类型水平和景观水平的景观指数，分析其景观格局动态变化。

3.2.1 类型级别指数变化

最大斑块指数有助于确定景观的优势类型。由表4可知，恩施市林地景观的最大斑块指数明显高于其它景观要素，多年均值为63.974，表明林地在区域景观结构中占绝对优势，但值持续减少，人类活动对林地的干扰减弱；建设用地最大斑块指数小但呈增加趋势，由0.201增加到0.277，人类活动日益增强；耕地、草地、水域等最大斑块指数变化不明显。

表4 恩施市2010—2018年类型级别指数

平均斑块面积可以表征景观的破碎程度。林地的平均斑块面积最大且呈减小趋势，由1487.795km2降至1322.237km2，林地斑块最为破碎但破碎度减小；建设用地平均斑块面积呈增大趋势，由19.327km2增至23.636km2，破碎度逐渐增加；耕地和草地平均斑块面积年际波动性大，而水域破碎度降低。

面积加权平均斑块分维数能够揭示景观格局总体特征。林地面积加权平均斑块分维数最大，在1.33左右，水域次之，约1.24，其它景观值较小。除建设用地外，其它景观面积加权平均斑块分维数变化不明显，建设用地呈增加趋势，增加了0.022。

斑块凝聚度用于衡量斑块类型的物理连通性。各景观类型的斑块凝聚度均较大，物理连通性较好，其中林地最大，多年均值为99.983，建设用地斑块连通性增强显著。

3.2.2 景观级别指数变化

由表5可知，恩施市2010—2018年景观级别的斑块个数和斑块密度均呈现先增后减的趋势，前者由3378个升至3573个后降至3437个，后者由0.8517升至0.9009后降至0.8669。城市建设和退耕还林(草)等各种形式的人类活动深刻影响着土地利用状态，改变了景观格局，致使斑块破碎化程度加深，斑块数量和斑块密度增加，其中2010—2015年的干扰强度强于2015—2018年。周长面积分形维数先减后增，总体呈增加趋势，表明景观格局复杂性增大。聚集度持续下降，由71.999降至71.3458，景观里的不同斑块类型的团聚程度减弱，景观连通性下降。香农多样性呈增加趋势，由0.7144增至0.7306，景观破碎化程度增加，景观异质性加剧。