南昌市土地利用景观格局动态演变与模拟研究

袁 雪，颜七笙

(1.东华理工大学地球科学学院，330013，南昌；2.东华理工大学理学院，330013，南昌)

0 引言

土地作为各生态系统的组成部分及空间载体，是人类赖以生存与发展的重要资源和物质保障[1]，土地利用变化是人类与生态环境进行物质、能量交互作用的结果，而土地利用变化又作用于景观格局[2-3]。土地利用景观格局是指不同类别、面积、形状的土地利用斑块在空间上的排列状况，具有明显的时空特征，是景观异质性的具体表现[4-5]。自1995年，国际地圈-生物圈计划(IGBP)和国际全球环境变化人文因素计划(IHDP)联合提出“土地利用/覆盖计划”以来，引起了国内外学者的广泛关注，土地利用/覆盖计划便成全球土地科学领域的研究热点之一[6-7]。工业革命以来尤其近几十年，科技的进步使城市化进程加快，土地供需矛盾日益凸显，城市空间扩张、不合理的土地利用会对生态环境及社会与经济的可持续发展直接或间接地产生副作用，如：造成土地资源利用效率低、水土流失、用地结构失衡、生态环境破坏等一系列自然和社会经济问题[8-9]。学者们对土地利用景观格局的动态演变进行了诸多研究，且研究成果颇丰。现有土地利用研究主要在以下3个方面：1)土地利用的动态演变与模拟预测及其驱动因素分析；2)土地利用结合景观生态学内容的研究；3)对土地利用的环境效应、结构与效率、集约水平、生态风险等评价。研究方法多样，时间维度方法有线性回归分析法[10]、Markov模型[11]、人工神经网络[12]、灰色模型[13]、系统动力学模型[14]等；常用的空间维度方法主要有CLUE-S模型[15]、CA模型[16]等。景观格局理论成果主要应用在土地利用、国土整治、农业生产、环境治理等领域；主要研究对象为河流流域、湿地、城镇、绿地公园、农业乡村、绿洲等；主要研究方法有景观格局指数[17]、移动窗口法[18]、最小累积阻力模型等[19]。土地利用景观格局的研究尺度分为3个不同的等级水平：国家宏观尺度；省域、流域、城市群等中观尺度；县域乡镇等微观尺度。研究区域集中于经济发达区、生态脆弱区，研究尺度呈现从宏观尺度向中微观尺度转变。但对土地利用与景观格局相结合的研究较少。

南昌市作为我国长江中游城市群中心城市之一，环鄱阳湖城市群核心城市，自2004年提出中部崛起战略以来，南昌市城市扩张速度明显加快，土地利用类型也日渐多样[20]。本文基于2000年、2010年、2020年3期遥感影像数据，利用ENVI5.1、ArcGIS10.2、Fragstats4.2软件，运用土地利用转移矩阵、景观格局指数对南昌市土地利用景观格局进行定量分析，并采用MCE-CA-Markov模型预测南昌市未来土地利用景观格局的动态变化情况。研究结果不仅可以直观地了解南昌市自然和社会环境的动态变化，还能为南昌市土地利用规划、土地管理政策的制定和生态恢复提供理论支撑。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

南昌市简称洪都，是江西省省会，环鄱阳湖城市群核心城市、我国长江中游城市群中心城市之一。位于115°27′～116°35′E、28°09′～29°11′N之间，地处江西省中部偏北，东北与鄱阳湖相接，全境以鄱阳湖平原为主，东南高，西北低为丘陵。南昌市属亚热带湿润季风气候，夏季炎热，冬季较寒冷；日照充足，气候湿润，年平均气温约17～17.7 ℃，年降雨量1 600～1 700 mm；风较大，夏季多偏南风，冬季多偏北风。全市土地面积7 512.51 km2，2020年总人口625.50万(图1)。

1.2 数据来源与数据预处理

本文2000年、2010年、2020年3期Landsat TM遥感影像和高程数据均来源于地理空间数据云。其他数据有研究区的行政区划数据，景观格局的驱动因子，即DEM、SLOPE、道路、铁路、距建设用地的距离、水域、人口密度及人均GDP数据(图2)。利用ENVI5.1软件对各年遥感影像进行预处理，参照我国《土地利用现状分类》(GB/T21010—2017)的标准，将目视解译与野外实际调查相结合，并配合Google earth软件，利用最大似然法对研究区进行监督分类，将南昌市土地利用类型划分为建设用地、耕地、林地、水体和未利用地5种类型，最后使用ArcGIS10.2对影像进行后期处理，获得3期南昌市土地利用类型图(图3)。

图1 研究区地理位置、海拔

图2 影响因子图集

图3 南昌市土地利用类型

2 研究方法

2.1 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵是土地利用动态变化研究中较重要的研究方法，表示研究区域内研究初期与末期各土地利用类型间在转移结构和转移方向上的具体特征，因此，转移矩阵能够清晰地反映景观类型转化的来源、去向、转出面积、转入面积及类型构成[21]。借助ArcGIS10.2软件，通过定量的方法将土地利用变化前后2个时期的数据，利用空间叠加分析计算生成土地利用转移矩阵，通过矩阵能够获取各土地利用类型间的转化数据，从而分析出不同类型土地利用的演变过程[22]。土地利用转移矩阵通用形式为：

(1)

式中：A为土地利用类型的面积；n为土地利用类型个数；i,j分别为研究期初与期末的土地利用类型；Aij表示研究初期i土地类型向末期j土地类型土地转移的面积。

2.2 景观格局指数分析法

景观格局指数能高度浓缩景观格局信息并定量反映其格局组成和空间配置等特征[23]。本研究利用Fragstats4.2软件计算南昌市景观格局指数，在类型水平指数中选择斑块数量(NP)、斑块类型面积(CA)、景观类型百分比(PLAND)、散布与并列(IJI)、聚集度(AI)、景观形状指数(LSI)等6个指标；在景观水平指数中选择斑块密度(PD)、最大斑块(LPI)、平均斑块面积(AREA_MN)、加权平均形状(SHAPE_AM)、蔓延度(CONTAG)、香浓多样性指数(SHDI)和香浓均匀度指数(SHEI)等7个具有代表性的指标。

2.3 MCE-CA-Markov复合模型

MCE为多规则评价模型，能够生成及定义景观类型的演化标准[24]，CA即元胞自动机模型，用于研究各种复杂情景中时间、空间和状态都离散的局部动力学模型[25]。其表达式为：

St+1=f(St,N)

(2)

式中：S为元胞的状态集合；t和t+1为不同时刻；N为元胞的邻域；f为局部空间元胞的转化规则。

Markov模型是一种基于马尔科夫链的空间概率统计模型，即依据事件在某一时刻的状况来预测其在未来各个时刻的变动状况[26-27]，其数学表达式如下：

(3)

式中：P为转移概率矩阵；Pij指从研究初期到研究末期土地利用类型i转移为土地利用类型j的概率。

CA-Markov模型结合了CA模型模拟复杂系统空间变化的优点和Markov模型定量长时间预测分析的能力，更容易定制土地利用的转换规则，降低了土地利用类型变化趋势的预测误差[28-29]。利用MCE-CA-Markov模型模拟研究区土地利用的时空演化过程如下。

1)数据格式转换。首先利用Arcgis10.2将栅格数据的投影坐标统一成WGS_1984_UTM_Zone_50N，分辨率统一为30 m，再通过按掩膜提取使栅格数据的空间范围一致。最后将文件格式转变为ASCII格式。

2)计算土地转移矩阵。利用IDRISI软件中的Markov模块，将景观类型图的年限间隔都设置为10 a，比例误差设置为0.15，计算出南昌市2000—2010年、2010—2020年土地利用类型转移概率矩阵。

3)制作适宜性图集。通过MCE模块，结合南昌市3期景观类型变化特征及土地利用资源特点定义研究区景观类型变化的限制因子和影响因子，利用Collection Editor模块生成适宜性图集。

4)构建 CA 滤波器。本文分别以2010年、2020年为起始年，选取 10×10 滤波器来定义元胞邻域，结合2000—2010年、2010—2020年土地利用类型转移概率矩阵及适宜性图集，模拟出2020年和2030年土地利用空间格局。

5)模型精度检验。利用 IDRISI 中的 CROSSTAB 工具计算 Kappa 指数，当 Kappa 值大于 0.75时，说明模拟精度较好、空间一致性较高，各地类在数量上较为可靠[30]。

3 结果分析

3.1 南昌市土地利用分析

3.1.1 2000—2020年南昌市土地利用结构变化特征 根据南昌市2000年、2010年及2020年3期Landsat TM遥感影像，通过ENVI5.1对影像进行预处理及土地分类，利用Arcgis10.2对影像解译，得到研究区2000—2020年土地利用面积(表1)。

表1 2000—2020年南昌市各地类土地利用面积及比例

结合表1及图3可知2000—2020年耕地是南昌市的主要地类，其占比达50%以上。耕地、林地及其他地类的面积总体上呈减少趋势。其中，耕地面积20 a减少了34 917.12 hm2，在整个地类中的面积占比减少了4.72%，主要原因是城市的扩张使建设用地增加以及修建水库占用大量耕地；林地面积在2000年、2010年和2020年占比分别为18.09%、17.95%和16.49%，其面积减少了11 856.60 hm2，林地面积减少主要归因于城市的扩张及人们对林地的开垦占用了大面积林地；其他地类面积由2000年的4 797.54 hm2减少到了2020年的1 780.29 hm2，占比由0.65%下降到0.63%，其他地类面积较少，在空间上零散分布。水域和建设用地总体上呈增加趋势。水域面积由2000年的146 007.09 hm2增至2020年的155 059.47 hm2，占比增加了1.22%，其主要原因为水域蓄水增加及对流域的综合治理；建设用地面积20 a增加了40 721.31 hm2，所占百分比增加了5.50%，建设用地面积的快速增加主要由于城市扩建及人口搬迁。

3.1.2 2000—2020年南昌市土地利用转移分析 由上一节可知，南昌市的土地利用类型在这20 a发生了很大的变化，但没有揭示各地类之间的转换关系，本节利用ArcGIS10.1软件下的空间分析工具分别计算出2000—2010年、2010—2020年的土地利用转移矩阵，定量说明各景观之间的流转方向及空间过程，结果见表2、表3。

表2 2000—2010年土地利用面积转移矩阵/hm2

表3 2010—2020年土地利用面积转移矩阵/hm2

由表2和图4(a)可知2000—2010年南昌市的土地利用转换趋势，建设用地以转入为主，耕地、林地以转出为主，水域和其他地类总面积变化较小。从地类之间的转化方面来说，耕地、林地是各地类转化的主要来源，耕地向其他地类的转化面积为9 476.19 hm2，减少的耕地主要流向了建设用地和水域，向建设用地转化了8 813.70 hm2，占耕地转化面积的93.01%。林地向其他地类的转化面积达1 155.78 hm2，向建设用地转化了1 119.69 hm2，占林地转出面积的96.88%。建设用地的增加其主要原因为城市经济的发展使得城镇向外扩张。

表3为南昌市2010—2020年土地利用转移矩阵结果。2010—2020年各地类间转移面积的变化程度相较于2000—2010年，得到了快速提高，但各土地类型的主要流转方向与2000—2010年相同。耕地、林地、其他地类面积依然在减少，耕地面积减少了25 763.62 hm2，林地面积减少10 826.12 hm2；建设用地面积持续增加，为30 613.12 hm2。从土地利用类型相互转化方面来看，2010—2020年间，流转面积最多的是耕地，为50 307.48 hm2，主要流向了建设用地、林地、水域，其中耕地流向建设用地的面积最多为25 445.60 hm2，占建设用地净流入面积的74.64%，其次是林地为13 007.13 hm2，占林地净流入面积的89.69%，再次是水域为13 007.13 hm2，占水域净流入面积的59.66%。研究区耕地和林地面积的大量减少，建设用地和水域面积的增加，其原因主要归咎于近10 a南昌市的经济迅猛发展，城市扩张需要占用大量土地，但同时，人们也加强了对流域的保护。

总之，2000—2020年，研究区转出面积由大到小为耕地(59 783.67 hm2)、林地(26 484.82 hm2)、水域(11 334.54 hm2)、建设用地(3 831.10 hm2)、其他地类(3 442.04 hm2)；从20 a来景观类型间的变化量看，研究区各地类面积变化量由大到小分别为建设用地(40 716.52 hm2)、耕地(-3 4922.74 hm2)、林地(-11 833.58 hm2)、水域(9 050.22 hm2)、其他地类(-3 010.42 hm2)，用ArcGIS制作出2000-2020年土地利用类型转移变化图(图4)。

图4 南昌市2000—2020年土地利用类型转移变化

3.2 南昌市景观格局变化分析

3.2.1 类型水平指数分析 2000—2020年南昌市类型水平格局指数见图5。

从CA、PLAND 2个面积指标分析，由图5(a)、(b)可知各景观类型的斑块面积和斑块百分比的发展趋势是同步的。从空间维度看，耕地的斑块面积和斑块所占百分比最大，说明耕地面积最大分布范围最广，其次是水域和林地，再次是建设用地，其他地类最低，表明耕地、水域、林地是研究区的主要景观类型。在时间维度上，2000—2020年，耕地、林地、其他地类的斑块面积和PLAND指数处于持续下降的态势，耕地尤为明显，反映了这3种景观类型在研究区的范围和所占比例开始下降；水域和建设用地在这20 a持续增加，尤其是建设用地，说明这2种景观类型在研究区的范围在扩张，所占面积变大。

斑块数量是指景观中某类斑块的总数。从图5(c)知，南昌市各景观类别的斑块数量从大到小为水域、林地、耕地、建设用地、其他地类，说明2000—2020年水域破碎程度最大，但其斑块数量呈减少态势，在一定程度上反映出南昌市水域向面状发展；耕地的斑块数量快速增加，说明随着城市化水平的提高，耕地的破碎化程度加快，耕地的连续性变差；林地和建设用地的斑块数量都是先缓慢增长后增加较快，说明2000—2010年，南昌市的林地和建设用地呈团聚状分布，林地主要分布在西北部的梅岭等海拔较高的区域，建设用地主要分布于市区，2010—2020年，随着经济的发展，

班块类型面积 景观类型可分比 斑块数量

景观形状指数 散布与并列指数 聚集度

林地和建设用地的破碎化程度呈增长态势。

景观形状指数反映景观形状的复杂程度。从图3(d)可知，2000—2020年，林地的景观形状指数最大，表明林地的聚合度最低，形状最复杂；其他地类LSI值最小，斑块形状最规则。耕地、林地、建设用地的景观形状指数先增后减，表明在前期由于受城市化的影响，斑块的复杂程度和离散程度增加，后期景观类型的形状正趋向简单化、规则化。

散布与并列指数和聚集度是2个景观聚散性指标。从图5(e)可看出，耕地和其他地类的IJI值最大，说明这两类景观类型与其他景观类型相邻的概率较大；林地的散布与并列指数最小，说明其聚集性不够好，且容易受其他因素影响。从图5(f)可知，5种景观类型的聚集指数都在85%以上，且较为稳定，说明斑块分布整体呈现集约化趋势，其中，耕地、水域较大，说明南昌市基本农田水域保护较好。水域与建设用地的AI值持续增大，说明这2种地类的面积在原有斑块范围内扩张，且逐渐融合相邻的小斑块，使得斑块面积变大；耕地、林地、其他地类的聚集度指数呈下降趋势，这表明与优势斑块相邻的小斑块没有被融合，说明这3种地类的连通性和聚集性降低了。

3.2.2 景观水平指数分析 南昌市2000—2020年景观水平指数见表4。2000—2020年南昌市整体景观格局变化较为稳定。斑块密度持续增大，由2000年的1.619增加到2020年的1.702 82，斑块平均面积和面积加权平均形状指数持续减小，说明研究区的景观破碎化程度加重，边界形状趋向规则化;最大斑块指数先略微增加后减少，蔓延度指数从2000年的58.20 32下降到2020年的55.66 82，表明南昌市景观的优势斑块先呈聚集扩展，后优势斑块面积有所减少，景观中的小斑块增多，优势斑块的连通性变差；香浓多样性指数和香浓均匀度指数变化趋势较为一致，均呈增大趋势，说明由于整个研究区受人类活动的影响，景观的异质性增加，景观类型朝多元化方向发展，各类斑块类型在景观中均匀分布。

表4 2000—2020年南昌市景观级别指数

3.3 南昌市土地利用景观格局演变模拟与预测

以南昌市2010年土地利用数据为初始年，利用IDRISI中的CA-Markov模块模拟出南昌市2020年的土地利用数据(图6(a))，最后利用CROSSTAB模块计算其Kappa系数为0.874 5，模拟精度较高，MCE-CA-Markov模型的模拟效果较好。

3.3.1 土地利用演变模拟与预测 接下来以2020年为基础年，结合Markov模块生成的2010—2020年土地利用转移面积矩阵，利用MCE模块生成五大地类的土地利用适宜性图集，将模拟循环次数设置为10，经过较长时间运行得到南昌市2030年景观格局数据，在ArcGIS中制作得到南昌市2030年土地利用模拟图(图6(b))。

为了直观分析南昌市2030年土地利用景观格局的变化，利用ARCGIS10.2统计工具算得2030年研究区不同土地利用类型面积(表5)。

图6 2020年和2030年土地利用模拟预测图

表5 2030年南昌市土地利用预测

由表5可知，2020—2030年与2000—2020年各景观面积变化趋势相同，耕地和建设用地面积变化较明显，在2030年建设用地面积将继续呈大幅度增加趋势，耕地面积有持续大量下降趋势，耕地面积所占百分比由51.78%下降到46.08%，但其面积在五大地类中仍最大，所减少面积主要转移为建设用地和水域，建设用地面积为118 857.6 hm2，面积与林地相近，所占百分比由10.54%上升到16.01%；林地、水域和其他地类的变化较小，林地和其他地类面积减少，水域面积增加。景观格局的变化不仅受到局部地理环境及人类的社会经济活动影响，还受政府政策的影响，城市的发展要顺应时代发展的趋势，满足人们生产生活的需要，且在经济新常态背景下，在发展经济的同时还要保护生态环境 。

3.3.2 景观格局演变模拟与预测 根据2030年南昌市土地模拟数据，利用Fragstates4.2统计出2030年的景观格局指数(表6)可知，南昌市的斑块密度、最大斑块、蔓延度、香浓多样性指数和香浓均匀度指数到2030年会进一步增加，而平均斑块面积和面积加权平均形状指数则会继续减少，说明相较于2020年，到2030年研究区的景观破碎化程度进一步加重，景观的边界形状更趋规则化，但由于受到人们社会活动的影响，景观的异质性会继续增加，景观类型更趋多样，各生态斑块之间的面积均匀化程度越来越大；景观中的优势斑块会呈聚集扩张态势，优势斑块面积会增加且连通性会变好。

表6 2020年—2030年研究区景观水平格局指数

4 结论与讨论

本文根据2000—2020年南昌市3期土地利用数据，利用MCE-CA-Markov模型模拟出南昌市2020和2030年的土地利用情景，并对南昌市土地利用结构、土地利用数量转移、景观格局演变进行了分析，得到以下结论。

1)从土地利用结构来看，2000—2020年南昌市土地利用动态变化特点为耕地、林地、其他地类面积持续缩减，而建设用地和水域持续扩张，耕地和水域一直是优势景观类型。其中，面积变化量最大的是耕地和建设用地，20 a耕地面积减少了34 917.12 hm2，随着经济的迅猛发展及人口数量增长迅速，建设用地面积急剧增加，约为40 721.31 hm2，所占面积比例增加了5.51%。

2)从土地利用数量转移来看，20 a南昌市土地之间的面积转移剧烈，发生变化的土地面积达104 876.19 hm2，约占土地总面积的14.18%，2000—2010年与2010—2020年的变化量分别为11 733.84 hm2和93 142.35 hm2，后10 a比前10 a变化更明显；耕地流失最明显，主要流向建设用地、林地和水域；林地、水域和其他地类也有转变为其他景观，主要分别为林地和水域转出为耕地、其他地类转出为水域。

3)景观类型水平上，2000—2020年间，水域的破碎化程度最深，除耕地外，其他4类景观的破碎化程度都在加剧；林地的斑块形状最复杂，其他地类最简单，耕地、林地、建设用地在前期斑块的复杂程度和离散程度增加，后期趋向简单化、规则化；耕地和其他地类聚集性较好，不容易受其他因素影响；5种景观类型的斑块分布较为稳定，整体呈现集约化趋势。从景观水平上看，由于经济的发展及人类活动的干扰，斑块连通性变弱，景观异质性增强。

4)利用已检验的MCE-CA-Markov模型模拟南昌市2020年和2030年的土地利用景观格局演变，从模拟的结果看，2030年研究区的耕地面积将持续大面积减少，林地面积减少明显，水域和建设用地面积有明显增加，其他地类面积也在不断减少。社会经济的发展是区域土地利用景观格局动态演变的主要原因，但同时人们也加强了对流域的保护，基于本次预测所得结果，在未来，南昌市应继续协调经济发展与生态保护二者间的关系。