珠江三角洲西岸生态用地时空变化及景观格局演变特征研究

杨 楠，龚 祁，李敏玉，李 晖

（华南农业大学林学与风景园林学院，广州 510642）

生态用地作为自然空间的实体地域，直接关联土地生态功能，为人类的生存及发展提供重要物质基础和空间载体［1］。改革开放以来，城市化和工业化不断推进，人类活动的加强使得原生生态用地被大量侵占，引发了不同区域内各类生态环境问题的出现，严重影响中国国家生态安全与区域可持续发展。目前国际上尚未达成对生态用地的概念和分类的共识［2］，中国现行的《土地利用现状分类（GB/T 21010—2017）》中也没有明确生态用地的类别。本研究的生态用地［3］为以生态价值为主要利用价值，对区域生态环境质量起到主要提升作用，维护区域生态安全和可持续发展的土地利用范畴。近年来，生态用地的研究集中在分析土地覆盖变化和景观格局演变［4-6］、构建区域生态安全格局［7］、生态安全评价［8］、生态服务价值影响［9］、驱动力分析［10］等方面。根据以上研究，学术界对生态用地空间进行了多方面的探讨，基于土地利用动态度、土地利用矩阵中转移、景观格局指数等定量测度方法研究生态用地景观格局演变与土地利用变化仍是理解区域生态安全与土地演化的重要手段。

珠江三角洲（简称珠三角）西岸是粤港澳大湾区建设的核心区域之一，区域内生态用地保护、生态安全与城市扩张之间存在矛盾。目前关于珠三角用地时空变化和景观格局的研究集中于城镇的景观格局演变［11］、单一用地类型的景观结构［12］，关于区域整体生态用地时空变化及景观格局演变特征的研究范畴较为鲜见。珠三角西岸的生态用地景观格局研究对珠三角及粤港澳大湾区可持续发展建设具有重要参考意义，因此，本研究采用土地利用动态度、土地利用转移矩阵和景观指数的分析方法，对1980—2018 年珠三角西岸地区生态用地的主要流向和景观结构变化进行研究，以此为据归纳出生态用地时空变化和景观格局演变的特征。为优化区域生态安全格局，合理规划管理生态用地资源提供科学依据。

1 研究区概况与研究数据

1.1 研究区域概况

珠 江 三 角 洲 西 岸（111°21′E—113°40′E、21°34′N—24°23′N）指珠三角洲以珠江口为界，广州市为中心的西侧区域，包含广州、佛山、中山、珠海、江门、肇庆6 个行政区域。该区属亚热带季风气候，高温多雨，年平均气温为22 ℃，年平均降水量在1 500 mm 以上；由外围向珠江口，依次为山区、丘陵、剥蚀台地、冲积平原四大地貌类型。根据《珠江三角洲环境保护规划纲要（2004—2020 年）》，珠三角西岸包括了肇庆鼎湖山为中心的西北结构性生态控制区、中山珠海之间以五桂山-凤凰山为中心的城市绿核、西江流域水网等多个重要生态区域，具有丰富的生态用地资源。

1.2 数据来源

本研究以粤港澳大湾区1980、1990、2000、2010、2018 年共5 期土地利用现状遥感监测数据和珠江三角洲西岸行政区位图为基础，数据均由中国科学院资源环境科学与数据中心（http：//www.resdc.cn/）提供。其中，土地利用数据源自30 m 的Landsat 8 遥感影像。将土地利用分为耕地，林地，草地，水域，城乡、工矿、居民建设用地和未利用土地，6 个一级类别以及23 个二级类别。根据研究区行政单位矢量边界进行裁剪，得到研究区5 个年份的土地利用类型图。基于生态用地研究成果［3，13］及研究区现状，选取以生态服务为主体功能的土地利用类型作为生态用地，包括林地、草地、水域三大类（表1）。

表1 生态用地类型分类

2 研究方法

2.1 生态用地变化研究方法

2.1.1 生态用地时间变化特征 本研究选取土地利用动态度来定量描述土地利用的动态特征。土地利用动态度是分析土地利用变化率的主要模型之一［14］，代表了一定时间内土地利用变化速度和强度，对比较区域土地利用变化的差异和预测未来土地利用变化趋势具有较大意义［15］。计算公式如下。

式中，K为研究期内土地利用类型动态变化度；Ua和Ub分别为研究期初和研究期末的土地面积；T为研究时间。

2.1.2 生态用地空间转换特征 通过转移矩阵对生态用地的转移方向及转移数量进行分析。土地利用转移矩阵是马尔科夫模型在土地利用变化中的应用，一方面可以定量描述不同土地利用类型之间的转换，另一方面可揭示用地类型的转移速率［16］。土地利用转移矩阵通用形式如下。

式中，Sij表示转移前的i类土地利用转移成j类土地利用的面积；n代表土地利用类型，每列数值总和表示研究末期该土地类型的总面积。

2.2 景观格局研究方法

景观格局指数能够集中反映景观格局信息，对景观格局空间结构及组成特征进行定量化分析［17，18］。基于能够反映生态用地景观特征的研究需求，从斑块类型水平和景观水平上选取不同的景观指数进行分析。斑块类型水平上，选取斑块数（NP）、平均斑块面积（AREA-MN）、边界密度（ED）和景观形状指数（LSI）；景观水平上，选取蔓延度（CONTAG）、分 离 度（DIVISION）、香 农 多 样 性（SHDI）、香农均匀度（SHEI）和聚集度（AI），共选取9个景观指数，其生态意义如表2 所示［19］。采用FRAGSTATS 4.2 软件对景观格局指数进行计算。

表2 景观格局指数选取

3 结果与分析

3.1 生态用地时空变化分析

3.1.1 生态用地利用变化总体情况 为了明确生态用地内部之间及生态用地与其他土地类型之间的土地利用动态变化特征和土地利用转换关系，对6 种土地利用类型进行了地类转换特征分析。根据不同时间间隔内的土地利用数据计算土地利用动态度，以明确每种土地利用类别的变化率（图1、表3）。

图1 研究时段各地类用地面积

表3 1980—2018 年珠三角西岸土地利用数量变化

由图1、表3 可知，珠三角西岸土地利用类型中，林地占地面积最大，是该区域内生态用地的主要类型，其土地利用动态度从1990—2000 年开始转为负值，林地面积开始减少，由于林地面积占地较大，林地总体动态变化幅度相对较小；水域作为生态用地中第二大土地利用类型，在39 年间面积先增加后减少，在2000 年左右水域占地面积达到峰值，2000—2018 年水域减少且变化速率增加，动态度达-12.48%/10 年。草地在1980—2010 年整体呈减少趋势，在2010—2018 年大幅度增加，动态度达18.05%/10 年。总体而言，1980—2018 年土地利用变化特征表现为生态用地整体呈以2000 年为节点先增加后减少的趋势，且在2010—2018 年减少速率有所减缓。

3.1.2 生态用地转移分析 根据不同土地利用类型，将珠三角西岸1980—2018 年土地利用变化划分为 1980—1990 年、1990—2000 年、2000—2010 年和2010—2018 年 4 个阶段，借助 ArcGIS 平台对 4 个阶段土地利用类型进行转移矩阵分析，结果如表4 所示。

表4 1980—2018 年珠三角西岸生态用地与各土地利用类型间的转移矩阵 （单位：hm2）

在1980—1990 年，珠三角西岸生态用地变化显著。林地净增加了9 355 hm2，多为耕地及草地转化而来，其中有17.25%的草地转化为林地，有3.39%的耕地转化为林地；水域净增加了18 282 hm2，其中多为耕地转化而来，有2.75%的耕地转化为水域；草地净减少了7 623 hm2，其中占比最高为草地转林地。

在1990—2000 年，珠三角西岸生态用地变化趋势为草地和林地开始减少，水域持续增加，且变化速度明显上升。草地净减少1 580 hm2，有3.62%的草地转化为其他用地，其中变化量最大为草地转化为林地，占比为2.54%；林地净减少2 854 hm2，有0.60%林地转化为其他用地，其中变化量最大为林地转建设用地，占比为0.36%；水域净增加40 981 hm2，有5.74%的耕地转化为水域，通过对水域下一级分类分析，占比最大的为耕地转换为水库坑塘。

在2000—2010 年，珠三角生态西岸生态用地变化趋势为草地和林地持续减少，且变化速度明显上升，水域也出现大幅度减少。草地净减少4 473 hm2，有7.62%的草地转化为其他用地，其中变化量最大为草地转化为林地，占比为5.12%；林地净减少16 102 hm2，有1.52%林地转换为其他用地，其中占比最大为林地转化为建设用地，为1.41%；水域净减少14 323 hm2，有10.02%的水域转化为其他用地，其中占比最大为水域转化为建设用地，为9.43%；2000—2010 年生态用地均大幅度减少，多转换为城市建设用地。

在2010—2018 年，珠三角生态西岸生态用地变化趋势为林地和水域持续减少，但减少速度有所缓和，草地逐渐增加。草地净增加10 203 hm2，其中占比最大为林地转化为草地，有1.23%林地转化为草地。林地净减少30 403 hm2，有9.28%林地转化为其他用地，其中占比最大为林地转化为耕地，为5.00%；水域净减少42 161 hm2，有40.74%的水域转化为其他用地，其中占比最大为水域转化为耕地，为24.14%；2010—2018 年，草地有所增加，通过对下一级分类分析，发现多为由于林地疏于管理而退化转化为草地。

3.1.3 珠三角西岸生态用地变化及空间差异 对珠三 角 西 岸 1980—1990、1990—2000、2000—2010、2010—2018 年4 个时段的土地利用空间数据叠加分析（图2）可知，4 个时段珠江三角洲多种生态用地均存在转入转出情况，且变化面积和类型逐年增大，变化区域空间分布广且零散。生态用地39 年间变化范围和变化类型逐年增加且大多变化范围沿水网分布。生态用地转入转出情况总体上呈东南部和中部转出多转入少，西北部和南部转出少转入多的格局。其中生态用地减少的面积围绕中心城市佛山市及东南沿海向外呈多-少、集中-破碎的分散形态，佛山市、珠海市和中山市主要是水域转出区。生态用地增加以肇庆市和佛山市交界处和东南沿江海的水域为主。

图2 1980—2018 年生态用地转入转出情况

3.2 生态用地景观格局分析

3.2.1 类型水平分析 由表5 可知，研究区生态用地中林地平均斑块面积远高于其他用地类型，而其斑块数量并非最多，说明林地是景观格局中的优势景观类型，内部丰度较高，研究区存在较多的大面积林地，集中在东北部山地丘陵区域。1980—2000年，林地斑块数减少，平均斑块面积增长18.3%，趋向集中连片发展，得益于该期间对生态公益林的建设，森林资源得到培育和发展；2000—2010 年林地斑块数增多，而平均斑块面积减少18.4%，表明破碎化程度加深；2010—2018 年破碎化趋势有所缓和，林地边界密度和景观形状指数呈先减后增的趋势，其几何形状由简单趋向复杂。

草地以零散分布为主。1980—2010 年草地斑块数增加，平均斑块面积减少，破碎化程度加剧，其中，2000—2010 年破碎化程度最明显。2010—2018年草地，因林地和未利用土地转入草地使其斑块数上升，平均斑块面积上升，草地分布趋向集中；边界密度增加，边界复杂程度增强，异质性提高；景观形状指数上升，斑块形状趋向不规则化（表5）。该期间因部分地区生态保护工作未落到实处，林地经营管理不善，被侵蚀退转为草地，草地斑块数增加，斑块形状复杂化。

水域的变化情况比较复杂，二级分类中，河渠、湖泊变化较小，变化主要集中于水库坑塘。1980—2000 年水域平均斑块面积涨幅加大，斑块数减少，说明水域聚集程度提高，连通性增强，景观形状指数减小，其几何形状趋向简单。20 世纪80 年代末，受到市场经济导向影响，农户“废田变塘”，顺德区、中山市的较多耕地开发为水库坑塘，促使水域用地面积大量增加；人工对其的开发促使水域形状规则化。2000—2018 年水域斑块数增加，平均斑块面积减少，水域趋向破碎化；边界密度和景观形状指数均先升后降，斑块形状由复杂趋向简单（表5）。由于地类产出价值相差显著和城市化建设，农村劳动力大量迁移到城市，基塘农业逐渐萎缩，加速了基塘向经济效益更高的建设用地转化的趋势。

表5 珠江三角洲西岸1980—2018 年景观类型水平指数

以林地、草地和水域为主的生态用地类型在1980—2010 年趋向破碎化，形状趋于规则，2000—2010 年破碎化程度最为明显，而这期间建设用地平均斑块面积大幅上涨，斑块数量减少，建设用地集中式发展，表明生态用地受城镇化发展影响较大。2010—2018 年生态用地类型的破碎化程度有所缓解，形状不规则性增强，进而增加了景观多样性。

3.2.2 景观水平分析 由表6 可知，1980—2018 年珠三角西岸景观的蔓延度指数呈下降趋势，说明在研究时段内区域景观内部空间的连接性下降，各类景观的空间分布结构趋于不稳定，景观由聚集状向分散状转移，破碎度增加，在2010—2018 年景观蔓延度指数下降速率减缓，景观破碎化速度有所下降。在研究时段内分离度呈先上升后下降的趋势，在2010 年达到最大值，说明在1980—2010 年珠三角西岸景观的空间聚集性减弱、离散性增强，2010—2018年生态用地景观的空间聚集性增强。香农多样性指数和香农均匀度指数均呈上升趋势，在2018 年达到最大值，说明在1980—2018 年珠三角西岸地区生态用地景观类型分布更加均匀，斑块类型趋于多样化，优势斑块的主导作用逐渐降低，景观的破碎化程度加强，景观异质性增强。本研究区域香农多样性指数基数较小，区域内林地斑块占主导地位，总体景观多样性较低，香农多样性指数有所提升，说明研究区域增加的景观斑块主要为原斑块占比较少的草地或水域；1990—2018 年香农多样性指数和香农均匀度指数的上升速率呈先上升后下降的趋势，其中在2010 年后指数上升速率开始下降，说明区域在1980—2010 年景观破碎化速度不断加快，在2010—2018年景观破碎化的速度减缓。

表6 1980—2018 年珠三角西岸生态用地景观尺度上的景观指数变化

以上分析表明，39 年来珠三角西岸生态用地景观格局在人工干扰下发生较大变化，生态用地呈现景观破碎度加大和景观多样性增加的趋势，景观内部空间的连通度下降；在1980—2010 年生态景观格局破碎化的速度呈上升的趋势，2010—2018 年景观破碎化速度减缓。

4 小结与讨论

研究生态用地等土地利用的动态变化及景观格局动态特征，对国家自然保护区建设及生态资源的可持续利用具有极其重要的生态和社会经济意义［20］。本研究以珠江三角洲西岸在1980—2018 年的生态用地为例，分析在城镇化进程中，生态用地的时空变化规律和景观格局特征，为后续合理开发利用土地和生态保护政策提供科学依据。

1）珠三角西岸生态用地数量变化情况。1980—2018 年珠三角西岸生态用地呈减少趋势，总体减少40 695 hm2。在生态用地中，林地是生态用地第一大优势景观类型，但随着林地面积的不断减少，林地景观优势度降低，而草地的比重稍有上升。1980—2000 年城镇化进程较缓，并得益于广东开展”十年绿化广东”革命和政府对于基塘农业支持，生态用地年平均增加2 828.2 hm2；在2000 年后，出于工业规模发展的吸引，城镇化进程加快［21］，大量建设用地占据周边草地、林地和水域，生态用地面积减少速率加快。2010—2018 年生态用地虽然持续减少但其受损的趋势逐步减缓。

2）珠三角西岸生态用地转移特征。生态用地转入转出类型持续增加，变化面积持续增大，变化范围也在持续扩张，总体上呈东南部和中部转出多转入少、西北部和南部转出少转入多的格局。生态用地之间转换相对较弱，林地和水域大面积转化为建设用地，同时，受城市化和工业化用地侵占的影响，粤西北地区推动城市扩容提质，但生态保护工作未落到实处，林地管理经营存在过伐乱伐现象，导致了林地被侵蚀退转为草地［22］。

3）珠三角西岸生态用地景观格局特征。生态用地整体景观格局破碎化程度不断上升，斑块类型趋于多样化，景观异质性增强，优势斑块的主导作用逐渐降低，景观内部空间的连接性下降。在1980—2010 年随着城市化工业化的发展推进，生态用地的景观破碎化进程也在不断加快，2010—2018 年生态用地的规划发展得到重视，在此期间生态用地的整体景观破碎化速度有所减缓。

随着十八大提出建设生态文明政策和重大战略部署，广东省政府逐步出台对生态用地的保护措施，这对珠三角西岸生态用地结构优化、生态用地景观破碎化程度下降起到重要的推动作用。但生态用地的减少和破碎化趋势仍受到建设用地扩张和耕地复垦的较大影响，需要对有限的土地资源实现合理的生态用地规划，才能更好发挥其生态价值和功能作用。本研究将以生态服务为主体功能的土地利用类型作为珠三角西岸生态用地的研究对象，采用定量测度方法对其时空变化和景观格局进行分析。今后对珠三角洲生态用地的研究可根据区域特征进行分类的进一步划分，加强生态用地的区域性和特殊性［23］。例如，深化研究该区域基塘农业景观及沿海湿地的生态用地价值和特征演变。并且基于生态用地的演变规律，对区域生态风险进行评价和预测，推进珠三角区域生态安全体系一体化建设。