杭嘉湖平原景观格局演变及驱动力分析研究

张紫滟，陈雨琪，刘占宇

(杭州师范大学遥感与地球科学研究院，浙江 杭州 311121)

景观格局是各种物理、生物和社会经济因素相互作用的结果，是景观生态学的核心内容之一[1].景观格局动态变化分析可以反映不同景观类型在不同时期的变化规律，预测景观变化趋势，有利于景观的可持续发展.导致景观格局变化的驱动因子错综复杂，如气候变化、经济发展、人口增长、政策导向.景观格局演变驱动力研究对于揭示景观变化的内在机制、提供城市建设和环境保护科学策略具有重要意义.因此，景观格局演变及其驱动力的研究一直是生态学和地理学的研究热点[2].

杭嘉湖平原作为我国最具发展活力的地区之一，其景观格局受到较为强烈的人类活动改造，人地矛盾日益增加.因此，杭嘉湖平原地区的景观格局演变成为研究热点之一.邓劲松等[3]基于SPOT影像获取杭州市土地利用变化信息，并利用景观格局指数分析了杭州市景观格局演化过程及特征；寻丹丹[4]通过景观指数、土地利用动态度、转移矩阵等方法研究湖州市景观格局时空演变并分析其驱动因素；虎陈霞等[5]基于嘉兴市土地利用数据，分析了30多年来嘉兴市土地利用的动态变化及其对景观格局变化的响应.由于研究区覆盖面积较大，部分指标难以统计，杭嘉湖平原地区景观格局演变研究分析成果较少.本研究运用景观指数、主成分分析法等分析2000—2020年杭嘉湖平原景观格局动态演变特点及其驱动力，以期为杭嘉湖平原的可持续发展提供启示[6-7].

1 研究区概况

杭嘉湖平原位于浙江省北部，是浙江省最大的堆积平原，北临太湖，西临天目山，南临杭州湾.杭嘉湖平原属于典型亚热带季风型气候，四季分明，夏季高温多雨，冬季温和少雨，气候温和湿润，享有鱼米之乡的美誉[8-9].杭嘉湖平原连接上海、江苏、浙江，已成为我国经济发达、人口密集的地区之一[10].本文的研究区包括大部分杭州市辖区(上城区、拱墅区、西湖区、滨江区、萧山区、钱塘区、临平区、余杭区)、嘉兴市全境、湖州市辖区(吴兴区、南浔区)和德清县.研究区范围如图1所示.

(a)浙江省 (b)杭嘉湖平原

2 数据与方法

2.1 数据来源与预处理

研究数据包括遥感影像数据和统计年鉴数据.遥感影像数据选择空间分辨率为30 m的Landsat卫星影像.从2000年开始，每间隔5年选取1幅遥感影像，选取2000年、2005年、2010年、2015年、2020年共5幅云量较少的遥感影像.遥感影像数据来自地理空间数据云(https://www.gscloud.cn/)，统计年鉴数据来自《浙江统计年鉴》(http://tjj.zj.gov.cn/).对遥感影像的预处理包括辐射定标、FLAASH大气校正、几何校正等，然后根据研究区范围进行裁剪，得到5幅杭嘉湖平原Landsat影像.

2.2 景观类型及分类方法

根据全国土地利用分类标准，将研究区景观类型分为：水体、林地、耕地、草地、建设用地和未利用地共6类[11].分类方法采用支持向量机法结合人工目视解译.验证方法选取相近时期的Google Earth历史影像作为参考影像，将分类结果与其进行比较，计算混淆矩阵.5期影像的Kappa系数分别为0.81、0.85、0.83、0.89和0.86，Kappa系数均在0.8以上，表明分类结果较好.

2.3 景观格局变化分析指标

2.3.1 景观动态度

景观动态度是指一定区域内某种景观类型在一定时间内的积变化率，可通过动态度比较不同时期各景观类型的变化差异，对预测未来景观格局有重要作用.计算公式如下：

式中，K为某种景观类型的动态度，Ua和Ub为某种景观在研究时段内初期和末期的数量，T为研究时间.

2.3.2 景观指数

景观指数高度浓缩景观格局信息，是研究景观格局的重要工具，能定量反映其结构组成和空间配置等特征[12-14]，包括景观的破碎化、连通性、多样性和空间分布等状况[13-15].本研究利用美国俄勒冈州立大学开发的Fragstats 4.2软件计算各类景观指数，主要包括斑块数量(NP)、斑块密度(PD)、景观形状指数(LSI)、景观蔓延度指数(CONTAG)、景观聚集度指数(AI)、香浓多样性指数(SHDI)、香浓均匀度指数(SHEI).各指数的具体描述和计算方法参见文献[15].

2.3.3 景观转移矩阵

景观转移矩阵可以反映研究区在一定时间内所表现出来的结构特征，也可反映不同景观类型之间的相互转化情况，常被用于景观趋势分析中，其数学表达式为：

式中，Sij为研究区内景观类型i转变为景观类型j的转移面积，S为研究区的整体面积.本研究基于ArcGIS 10.8软件，采用景观转移矩阵分析研究区各景观类型的面积转移关系，将分类后的结果进行叠加分析，得到景观转移矩阵.

2.4 景观格局变化驱动力分析方法

本研究选择主成分分析法探究杭嘉湖平原景观格局变化的驱动因素.为全面分析杭嘉湖平原景观格局变化的驱动力，选取人口、生产总值、人均生产总值、第一产业增加值、第二产业增加值、第三产业增加值、固定资产投资总额、财政总收入、社会消费品零售总额、城乡居民储蓄存款年末余额共10个相关因子.从浙江统计年鉴中查找相关数据，将数据导入SPSS中标准化处理后进行主成分分析[16].

3 结果与分析

3.1 2000—2020年杭嘉湖地区景观格局变化

2000—2020年，杭嘉湖地区各类景观类型分布情况及面积如图2和表1所示.20年来，研究区主要景观类型为耕地和建设用地，二者面积合计占研究区总面积60%以上，优势景观从耕地变为建设用地.与2000年相比，2020 年耕地面积占比从56.74% 降至 30.51%，减少了2 539.91 km2.建设用地面积占比从15.14%增至38.50%，增加了2 262.01 km2.水体面积占比从10.27%增至12.52%，增加了217.87 km2.林地面积占比从17.73%增至18.28%，草地面积占比从0.08%增至0.16%.从变化度来看，耕地面积变化幅度最大，其次为建设用地，然后是水体和林地.从空间上看，水体扩张主要集中在湖州市，建设用地增加表现为各个城市向四周扩张.

表1 2000—2020年杭嘉湖平原景观面积Tab.1 Landscape area of Hangjiahu Plain from 2000 to 2020

(a)2000年

3.2 景观动态度分析

研究区各类景观类型动态度分析结果如表2.2000—2020年耕地变化幅度先增大后减少，主要原因为快速城市化，城市建设用地持续向外围扩张，耕地不断被侵占[17].建设用地动态度持续减少，杭嘉湖平原城市化建设开始注重耕地保护，遏制城市无限发展.林地在2000—2015年面积缓慢增加，2015年后有所减少.水体面积20年来不断增大，动态度增加，主要原因为水产养殖面积扩大.草地和未利用地在各个时间段的动态度均较大，草地面积在2000—2010年增加，2015年减少后2020年又有所增加.未利用地面积呈先增加后减少趋势.

表2 2000—2020年杭嘉湖平原景观动态度Tab.2 Landscape dynamics of Hangjiahu Plain from 2000 to 2020 %

3.3 景观转移趋势分析

为探究2000—2020年杭嘉湖平原不同景观的转移趋势，利用ArcGIS 10.8软件计算各个时期的景观转移矩阵，结果如表3—表6所示.

表3 2000—2005年杭嘉湖平原景观转移矩阵Tab.3 Landscape transfer matrix of Hangjiahu Plain from 2000 to 2005 km2

表4 2005—2010年杭嘉湖平原景观转移矩阵Tab.4 Landscape transfer matrix of Hangjiahu Plain from 2005 to 2010 km2

表5 2010—2015年杭嘉湖平原景观转移矩阵Tab.5 Landscape transfer matrix of Hangjiahu Plain from 2010 to 2015 km2

表6 2015—2020年杭嘉湖平原景观转移矩阵Tab.6 Landscape transfer matrix of Hangjiahu Plain from 2015 to 2020 km2

2000—2005 年，耕地转入面积为111.08 km2，转出面积为878.96 km2，耕地面积流失较大，耕地主要流入建设用地、林地和水体,转换面积分别为：658.18、128.37、91.99 km2.林地转入面积为174.72 km2，转入面积为150.51 km2，转入转出基本保持平衡.草地主要由林地和水体转变而来.水体主要由耕地和林地转入，主要转出为建设用地和耕地.建设用地的转入面积为782.05 km2，主要由耕地和林地转入，转出面积为83.02 km2.未利用地主要转入为林地.

2005—2010年，耕地面积持续减少，转入和转出面积分别为123.86和896.57 km2，主要转出为建设用地、水体和林地，转出面积分别为694.05、104.42和97.81 km2.林地面积持续增加，净转入面积为23.24 km2.草地总体面积变化不大.水体转入面积为136.19 km2，其中耕地转入水体的面积为104.24 km2，养殖水塘开发力度加大，水体的主要转出为建设用地.建设用地转出较少，主要为转入且主要由耕地转入.

2005—2010 年，耕地面积的转入和转出面积分别为134.37和712.46 km2.林地净转入面积为29.05 km2，面积有小幅增加.建设用地的转入面积为598.08 km2，建设用地对耕地的侵占幅度较之前有一定程度降低.未利用地转出面积为1.31 km2，主要转出为建设用地和耕地，说明随着城市化进程，人地矛盾逐渐加深，加大了对未利用地的开发力度.

2010—2015 年，耕地的转入和转出面积分别为173.59 km2和594.81 km2，转出为建设用地的耕地面积为345.17 km2，与其他时段相比有所降低.林地面积减少，主要转出为耕地和建设用地.建设用地的转入面积为415.48 km2，说明城市化建设速度减慢，对环境的破坏在进一步减少.草地的转出面积为8.14 km2，主要转出为林地和建设用地，面积分别为3.08 km2和2.32 km2，在城市发展过程中需要加大对草地的保护力度.在一系列生态保护政策的影响下，未利用地的转出面积为3.27 km2，主要转出为林地.

3.4 景观指数分析

景观指数计算结果如表7所示.研究区NP在20年间显著增长，说明斑块破碎化程度明显增加；LSI指数不断增大，表明斑块受到较大的人为干扰，形状趋向于复杂.CONTAG均在60以下，提示杭嘉湖平原景观总体较为分散.CONTAG和AI不断减小，表明不同景观斑块之间的蔓延程度和聚集程度下降，各斑块之间联系程度下降，呈现多要素的密集格局.多样性指数方面，香农多样性指数和香农均匀度指数总体呈现缓慢增长趋势，表明景观多样指数上升，各景观类型的斑块逐渐趋向均衡，优势景观优势度减小，比例结构趋于平稳化[18].这两个指数表明，人类活动的干扰只造成了景观类型间的再分配，景观构成没有因受到人为干扰而剧烈变化.

表7 2000—2020年杭嘉湖平原景观指数Tab.7 Landscape indexes of Hangjiahu Plain from 2000 to 2020

3.5 景观格局变化驱动力分析

影响景观格局变化的驱动因子有自然因子和社会因子，自然因子包括气温、降雨、风速等，社会因子包括人口、生产总值、产业结构等[18].20年间杭嘉湖平原的自然因素相对稳定，故本研究只考虑社会因素.依据科学性、系统性以及可获取性原则，结合杭嘉湖平原的实际情况，选取了人口、生产总值、人均生产总值、第一产业增加值、第二产业增加值、第三产业增加值、固定资产投资总额、财政总收入、社会消费品零售总额、城乡居民储蓄存款年末余额共10个因子.将上述数据导入SPSS标准化处理后进行主成分分析，得到主成分载荷表(表8).前两个主成分的累计贡献率为 94.8%，可以反映影响因子的绝大部分信息，满足本研究主成分提取要求.

表8 主成分载荷表Tab.8 Principal component load

第一主成分上载荷较大的为人口、生产总值、固定资产投资总额等，概括为社会经济因子；第二主成分上载荷较大的为第一产业增加值、第二产业增加值、第三产业增加值，概括为产业结构因子.社会经济发展是杭嘉湖平原景观格局变化的主要原因.生产总值、固定资产投资总额、财政总收入等因子的相关性均在0.95以上.杭嘉湖平原的总人口从2000年的853.01万增长到2020年的1 087.08万，生产总值从2000年的1 774.83亿元增长到2020年的22 217.5亿元.固定资产投资持续增加，加速了城市化进程，导致地区的建设用地规模不断增加，从而加大对耕地、林地的占用以及未利用地的开发力度[19].产业结构调整对景观类型转化方向有重要影响.20年间，第一、二产业比重逐渐降低，第三产业的比重增加，3个产业结构由2000年的8.1∶54.7∶37.2变化为1.5∶34.5∶64，产业结构从第二产业主导变为第三产业主导，耕地逐渐转换为非农用地[20]，产业结构不断调整，产业全面升级.

4 讨论

驱动力分析结果表明，人口增加、城市化发展、产业结构调整等因素深刻影响着杭嘉湖景观格局的变化.人口增长对建设用地的需求是城市扩展的动力，包括居民点、商业用地、基础设施等.杭嘉湖平原20年来增加了234.07万人，增长率为 27.44%.除人口自然增长外，杭州市、湖州市、嘉兴市都提出了人才补贴政策，吸引全国各地的高素质人才，大量外来人口的涌入加剧了人地矛盾.

从2011年开始，杭嘉湖平原的产业结构从第二产业主导变为第三产业主导.第一产业产值由 114.15 亿元增长到 329.5 亿元，增长了 215.35 亿元，且第一产业产值的增加是在耕地面积减少的趋势下实现的，表明第一产业的产出效率和内部结构也得到了提高和优化.其中2000—2012年第一产业产值逐渐增加，但2013—2018年逐渐下降，2018年后又有所增长.第二产业产值从971.49亿元增长到7 674.8亿元，第三产业从659.19增长到14 213.2亿元.固定资产投资总额的增加加大了建设用地的开发力度，同时随着收入水平的提高，人们追求更高品质的生活，住房条件的改善同样加剧景观格局的变化速度.

随着杭州亚运会的即将举办，杭州市正在加大城市建设力度，同时也会带动整个杭嘉湖平原的城市建设.在保证经济发展和城市建设的前提下，杭嘉湖平原应该进一步加强区域间合作，促进地区产业融合，严守耕地红线，保证生态安全，从而实现持续发展[21].综上所述，本文通过近20年来的Landsat影像数据，分析了杭嘉湖平原景观格局动态演变特征，并结合统计数据探讨了景观格局变化的驱动因素，结果表明：杭嘉湖平原20年来耕地面积大幅减少，建设用地面积显著增加，水体面积缓慢增长.景观指数分析结果表明，景观破碎化程度增加，斑块形状趋向于复杂，各斑块间的联系程度下降，聚集程度降低，各景观类型逐渐趋向均衡，景观不断向破碎化、多样化和均匀化方向发展.主成分分析表明，社会经济因素是杭嘉湖平原景观格局变化主要驱动因素，产业结构调整对景观类型转化方向有重要影响.

本研究的时间跨度为20年，在后续研究中可考虑增加时间跨度，获得更长时间序列下杭嘉湖平原的景观格局演变情况.另杭嘉湖平原横跨3个市，部分统计数据难以收集，且政策、文化等因素难以量化，后续研究中可以扩大指标的选取范围，以便对杭嘉湖平原景观格局变化的驱动力进行进一步的分析.