三亚市土地利用景观格局时空变化研究

张 娟，黄家健，赵润江，刘亚楠，王彦铮，林水发

(1.中国热带农业科学院 科技信息研究所/海南省热带作物信息技术应用研究重点实验室，海南 海口 571101；2.海南热带海洋学院，海南 三亚 572022；3.海南大学 林学院，海南 海口 570228；4.中国科学院大学，北京 100049；5.中国科学院 城市环境研究所，福建 厦门 361021)

伴随着近20 a我国城市化进程的加速，城市土地利用情况也在持续发生着变化。大量的草地、湿地和林地等生态用地转化为城市建设用地，带来热岛效应、雾霾效应和生物多样性降低等一系列问题。不合理的土地利用形式不仅不利于城市生态系统的稳定，也不利于城市的可持续发展[1-2]。从景观生态学的视角来看，城市土地利用形式的动态变化与其景观生态格局演变有着紧密的联系[3]，景观格局分析方法也在近年来越来越多地应用于土地利用变化的研究。例如，基于土地利用格局变化的城市生境质量时空演变研究[4-6]；以某个具体城市为研究对象，对其景观格局变化进行研究[7-9]；针对城市景观中某一类景观的空间格局变化进行研究，如湿地景观、城市建设用地景观等[10-11]；对景观格局的驱动因素或驱动机制进行研究[12-13]。国内大多数学者从不同尺度、不同类型、不同领域上进行土地利用景观格局的研究，较少对长时段变化规律的关注。土地利用景观格局变化指一定时空尺度内土地性质及其覆盖物发生变化而引起的景观空间结构变化。关注土地过去到现在的变化能够了解其各区域土地时空动态演变的规律，从而识别城市扩张的方向和问题，确定需要保护的用地类型及区域。再以景观生态学理论分析土地利用变化产生的生态问题，深入研究城市化发展对土地利用景观格局的干扰及生态环境的影响，从而提出具有针对性的建议和措施。

三亚市位于海南岛南部，背靠五指山麓，山海相拥，是典型的热带滨海城市和著名的国际旅游城市，在海南“国家生态文明试验区”和“国际旅游消费中心”的发展布局中具有重要的地位。自2000年以来，三亚市社会经济持续发展，人口流入和城市扩张加速使得其土地利用景观格局产生了较大变化，城市生态面临越来越严重的威胁。基于此，本研究以三亚市2004、2009、2014、2019年的LandsatTM/OLI遥感影像为数据源，对该区域土地利用变化进行解译，同时结合景观生态学原理，揭示这一时间段内三亚市土地利用景观格局的演变特点，为其土地利用规划及城市生态建设提供决策依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

三亚市总体北面环山，南面临海，北高南低。全市陆地总面积1 919 km2，地貌构成为山地占33.4%、丘陵占25.2%、台地占18.1%、平原占23.3%。在土地利用方面，根据2021年11月第3次国土调查数据公报显示，三亚市耕地15 905.85 hm2；园地60 026.59 hm2；林地79 737.15 hm2；城镇村及工矿用地20 670.44 hm2；水域及水利设施用地8 024.67 hm2。三亚市日照充足，年平均气温25.4 ℃，年降雨量1 400～1 600 mm，动植物资源丰富，生态基底良好。在产业方面，三亚以热带农业和旅游业为主。2000年以来，三亚房地产业增长较快，带动了城市的快速扩张，2019年常住人口城镇化率已达76.26%。

自2009年海南建设国际旅游岛以来，三亚城市化进程加速，逐步形成了“山海相连，指状生长”的空间结构模式：东西构筑两翼，全市自西向东发展为崖州区、天涯区、吉阳区和海棠区4个行政区；南北串联山海，城市建设区由滨海地区逐渐朝内陆腹地拓展。

1.2 数据来源与处理

研究所用的主要数据为三亚市2004、2009、2014、2019年的Landsat系列遥感影像数据，因为精度只有30 m每像元，所以用高精度谷歌影像数据作为对比参照。其中2004年和2009年遥感影像数据为Landsat TM卫星数据，2014年和2019年的遥感影像数据为Landsat8 OLI，数据均来自于地理空间数据云，并根据三亚市的矢量边界做了影像裁剪处理。

在ENVI 5.3中，Landsat8数据使用456波段，Landsat TM数据使用345波段，各地物成像清晰，根据地物自身表现出的颜色和纹理等特征建立各地物的解译标志，主要利用目视解译寻找样本和影像监督分类中的支持向量机方法进行图像分类。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用分类和精度验证 根据三亚市土地利用的特点，参考《土地利用现状分类GB/T 21010-2017》国家标准和国家《生态环境遥感调查分类规范》，将研究区域的土地利用与土地覆盖划分为6类：林地、草地、水体、裸地、建设用地和耕地，得到研究区域2004、2009、2014、2019年4个时期的土地利用类型分类结果，如图1所示。为了验证分类的精度和可靠性，本研究采取混淆矩阵进行精度验证，经检验分类精度都在90%以上，以2019年为例，列出各分类精度的混淆矩阵(表1)。

表1 2019年三亚市土地分类精度混淆矩阵

1.3.2 土地利用变化轨迹分析 土地利用变化轨迹是研究各种土地利用类型相互转换的主要方法之一。通过定量的方法，利用重分类和栅格计算，获取4个时间节点的土地利用格局动态变化轨迹图谱。通过数据处理，去掉不合理的、分类错误、面积小且无意义的轨迹，保留具有代表意义的变化轨迹，全面反映各类土地利用变化的结构特征和转移方向，对不同类型土地利用的演变过程进行相应的分析。

1.3.3 城市扩张分析 将林地、水体、草地、裸地、耕地合并为非城市用地，在GIS中建立长宽均为500 m的渔网，将提取后的建设用地通过GIS的渔网功能，将建设用地占据每个小网格80%以上的网格提取出来，将形成的新的用地范围设定为城市用地。将建设用地建立250、500、750、1 000、1 250 m的缓冲区范围，形成的范围内为城市边界。

1.3.4 景观格局指数分析 景观格局指数指能够高度浓缩景观格局信息，反映其结构组成和空间配置某些方面特征的定量指标。本研究在参考前人成果的基础上结合三亚市的具体发展情况，选取斑块水平指数的斑块数目(NP)、斑块密度(PD)、斑块类型面积比(PLAND)、最大斑块指数(LPI)、边缘密度(ED)5个指标；景观水平指数的斑块密度(PD)、景观形状指数(LSI)、香农多样性指数(SHDI)、香农均匀度指数(SHEI)和景观邻接度(IJI)5个指标。通过各指数的计算，量化三亚市土地利用的时空分布特征及破碎化程度，各景观指数的定义及计算公式详见参考文献[14-15]。利用 ArcGIS10.4软件将研究区土地利用类型矢量图转化为栅格图后，利用Fragstats4.2软件对研究区2004、2009、2014、2019年的景观格局进行动态分析。

2 结果与分析

2.1 三亚市土地利用面积变化

根据遥感解译及土地利用类型分析，该研究区域主要土地利用类型为林地、草地、水体、裸地、建设用地和耕地6类(图1)。由图1可直观看出，林地大量分布于三亚市北部和东南丘陵地带，是最为广泛的用地类型；耕地主要位于沿海地区的平原地带，逐年减少，大部分演变为建设用地；河流、湖泊与山地中的水库相连，奔流向海。对比2004-2019年4个时期土地利用类型的面积变化(表2)，由表2可以看出，建设用地所占比例呈上升趋势，15 a增加面积达30 928.71 km2,所占比例由2004年的4.39%上升到2019年的20.66%；林地面积降幅最大，达22 611.87 km2，由2004年的65.68%下降到2019年的53.74%；耕地面积下降同样显著，面积减少10 941.80 km2，比例下降5.77%；其余土地利用类型的变化幅度不大。可见15 a来三亚市的土地利用变化，主要为林地和耕地转变成建设用地，建设区域的拓展占据了大量耕地，建设区向山区林地延伸。

表2 2004、2009、2014、2019年三亚市土地利用类型面积及其比例对比

2.2 三亚市土地利用变化轨迹分析

为了进一步研究三亚市土地利用类型转化的方向，设置林地代码为1，草地代码为2，水体代码为3，裸地代码为4，建设用地代码为5，耕地代码为6，基于GIS技术继续分析2004、2009、2014、2019年土地利用类型转移情况。

根据分析可知，由耕地转为其他用地类型的比例为41.48%，其中2014年转为建设用地的占比达16.99%，是建设用地侵占耕地的高峰时期。耕地最终转为建设用地和草地的占比分别为10.16%和9.65%，转为其他用地后又恢复为耕地的占比为10.78%，可见2014年后三亚市采取了一定的措施使得耕地得到了修复。由表3分析可得，选取占比较高的前25种的转化类型，占比为24.94%，排名在前的大部分为耕地转为其他用地。由图2可见，耕地的转化集中在城区西部、中部和东部沿海平原地区，这与三亚市近年来城市化发展逐渐加快有关，占用了大量的耕地，用于城市建设和配套绿化。城市边缘地区的乡村建设也在一定程度上占用了周边林区草地，满足乡村发展的需求。

图2 三亚市土地利用类型转化情况

表3 2004、2009、2014、2019年三亚市土地利用变化轨迹统计

2.3 三亚市城市扩张分析

城市扩张受自然和人文因素的影响。当前城市扩张机制的研究主要针对土地利用转变[16]，经济发展、人口增长和交通改善等都会对城市扩张产生影响[17-18]，而城市所处海拔、坡度等地形因子指引着城市扩张方向[19-20]。由图3可见，2004年，三亚市的城区为西部的崖州区、中部的天涯区和东部的海棠区3个区域沿海分布的斑块状结构，受到三亚北面山地影响，较少向山区延伸。2009-2014年，受海南省国际旅游岛建设的拉动，三亚城市建设加速，由于沿海地区土地有限，全市建设范围逐渐向坡度较缓的山区扩张。尤其是三亚中部的城市核心区天涯区，向山地区域的拓展力度非常大。到2019年，东西两边的城市也在不断扩张，西部的崖州区建设范围进一步向山区延伸，东部海棠区建设范围一边向北往山地纵向延伸，一边沿海岸线横向拓展，崖州、天涯和海棠区沿海岸线逐渐融合，形成了三亚市滨海连片的滨海带状城市结构。

图3 三亚市城区扩张情况

2.4 三亚市景观格局变化分析

2.4.1 斑块水平指数分析 由表4可以看出，三亚市的林地斑块类型面积最大，远远大于其他土地利用类型，是研究区域存在的主要景观类型。2004-2019年，林地的斑块类型面积比(PLAND)均最大，且最大斑块指数(LPI)也最大，说明林地的分布集中，但林地的最大斑块指数(LPI)从56.28下降到39.82，可见受到了一定程度的干扰。2004-2019年，耕地斑块类型面积比(PLAND)和最大斑块指数(LPI)下降比重较大，而建设用地的斑块类型面积比(PLAND)由原来的8.88上升到20.63，上升趋势明显，约等于耕地和草地的面积总和，斑块主要集中在城市中心，并在山区内呈现一定的扩展趋势。说明三亚市的林地、耕地和建设用地斑块类型发生了巨大的变化。2019年，建设用地的边缘密度(ED)最大，说明建设用地的变化对研究区域内其他用地类型有重要的干扰作用。在斑块数目(NP)和斑块密度(PD)中，建设用地均先降后升，可见三亚市先是集中发展中心城区，到一定程度后，逐渐向外扩张，说明城市化建设过程中，景观的破碎化程度逐渐增加，对周围其他土地利用类型的影响增大。由此可见，三亚市的城市化建设使得其他景观分布更加分散破碎化，而建设用地逐渐变得密集。

表4 2004、2009、2014、2019年三亚市斑块水平指数

2.4.2 景观水平指数分析 由表5可以看出，从2004-2019年，三亚市斑块密度(PD)由6.46上升到9.18，说明景观破碎化程度在增加；景观形状指数(LSI)由51.05上升到62.39，说明各景观类型的边缘景观形状越来越复杂，不同景观类型之间相互融合的面积越来越多；景观邻接度(IJI)和香农多样性指数(SHDI)变化不大，说明三亚市在以林地为主的景观类型中，整体的变化不大；香农均匀度指数(SHEI)增加表现在平原地区的景观类型发生了变化，各斑块类型在景观中逐渐趋于均匀分布。15 a的发展，人类的各种活动与干扰，使得三亚市的景观指数逐渐变得均衡，景观的异质性增加，有利于整个城市生态系统的稳定性。

表5 2004、2009、2014、2019年三亚市景观水平指数

3 结论与讨论

3.1 结论

林地、耕地、建设用地是三亚市的优势景观。2004-2014年受城市建设的影响，大量耕地转换为其他用地类型，主要以建设用地为主，在2014年后耕地得到部分修复。三亚市2004-2019年景观类型变化的驱动因素主要是旅游业和房地产业的快速发展，快速城市化进程中的土地开发过热。

2004年之前，三亚市东部、中部和西部城市建设区域相对独立，其后城市的发展逐渐沿滨海区横向、朝北部山地纵向拓展，逐渐形成了崖州、天涯和海棠3个区域链接成片的城市格局。2004-2019年三亚市景观破碎化程度增加，影响因素是全市范围内的城乡建设力度加大，形成一个个小的建设区域，人类活动干扰不断加强。这一时期全市景观多样性的提高是林地、耕地面积减少而建设用地增加导致的结果。

从三亚市目前的发展趋势来看，城市建设区的无序扩张有阻断三亚市山海相连生态格局的风险。要优化三亚的城市生态格局，首先必须严控生态红线，保护自北向南由山地延伸向大海的生态廊道；其次需要合理地规划城市建设，集约使用土地，维持大型林地斑块及廊道的完整性，加大物种的生存空间，增强三亚市整体的环境质量；最后需要在建成区尽量保留或增加一些生态斑块和廊道，形成系统化的城市绿地空间格局，维持和保护生物多样性。

3.2 讨论

3.2.1 人口和经济影响分析 2004-2019年三亚市常住人口由51.50万增长至98.85万，增长91.94%。人口快速增长主要是由于三亚社会经济的不断发展，特别是旅游和房地产行业的快速发展，吸引了来自全国各地的流入人口。人口快速增长与有限的土地资源产生矛盾，加速了研究区内林地、耕地等向建设用地的转换过程。数据显示，2004-2019年三亚市人均GDP从13 217.00元增长到87 105.00元，与此同时，建设用地面积由2004年的8 348.16 km2增长到2019年的39 276.87 km2,比例由原来的4.39%增加到20.66%，主要由林地和耕地转换而来。由此可见，人口增长、社会经济发展、区域资源开发利用强度加剧等因素影响着三亚市的土地利用方式，林地、耕地、建设用地受其影响最为显著。

3.2.2 产业结构影响分析 三亚市的土地利用变化主要为城区周边的耕地和林草地转化为建设用地，用于城市配套建设、产业园区发展以及乡村建设等。有学者认为城市建设占用大量耕地且利用和保护力度不足，降低了土地使用效率的同时也破坏了农田生态系统[21-22]，产业结构调整是农村经济发展和农田生态系统发生转变的主要因素[23]。第一产业以耕地和林地的利用为主，第三产业以建设用地的利用为主，三亚市的3大产业结构由2004年的27.5∶21.9∶50.5调整为2019年的10.5∶16.6∶72.9，第一产业下降16.9%，第三产业上升22.4%[24]。这与耕地、林地的减少和建设用地的增加相对应，可见产业结构的大幅度变化对土地利用类型的变化具有显著的影响。

3.2.3 政策导向影响分析 政策引导和城市总体规划指引城市扩张方向，直接影响城市空间格局的变化。《三亚市城市总体规划(2011-2022年)》提出要构筑“一城三湾、三脊五镇”的带状组团式空间结构[25]。从城市扩张的分析中可见三亚市形成以三亚湾中心城区为核心，以崖州、海棠次中心城区为主体，以北拓的方式不断向山区发展，形成“山海相连，指状生长”的城市空间格局。《三亚市“十三五”国民经济与社会发展规划纲要》提出“一环两楔多点”的生态体系，在山区腹地建设多个各具特色的产业小镇，辐射带动乡村地区发展[26]。因此出现了山区点状扩张现象，使得三亚城市生态斑块数目增加，斑块密度、形状指数和香农均匀度指数增大，斑块逐渐趋于破碎化。可见，政策的实施是推动三亚市土地利用转变的重要因素。

3.2.4 未来研究方向 本研究利用遥感影像对三亚市的土地利用变化和景观格局变化进行分析，相比前人的研究，运用土地利用变化轨迹能够更直观了解各区域的土地利用变化情况，有助于分析土地利用变化的原因及改进措施；城市扩张与景观格局变化的研究能够更加精准地掌握城市发展的方向和存在的问题，对土地利用的合理规划和城市的可持续发展具有重要意义。未来可根据长时间系列影像和预测模型，分析在政策引导、国土空间规划、产业结构优化、城镇化建设、人口转移等多项措施下的城乡土地利用变化趋势，继续深入量化研究各个因素对土地利用变化过程中的相对贡献，并分析其变化趋势的不确定性，对海南省国土空间规划及政策实施具有重要意义。