盐城市景观格局演变特征及驱动因素研究

蒋德平,季 翔,王 东

(1.江苏建筑职业技术学院 经济管理学院,江苏 徐州 221116;2.中国矿业大学 力学与土木工程学院,江苏 徐州 221116;3.江苏建筑职业技术学院 建筑节能与建造技术协同创新中心,江苏 徐州 221116)

土地是人类生存和发展的物质基础[1-2],作为城市环境变化研究的重要内容[3-4],土地利用是导致区域景观格局变化的重要因素[5-6]。景观内部的格局变化、演进过程以及尺度边界在一定的时空范围内交互影响;景观格局不仅是区域范围内各种景观要素的空间分布,还是景观差异性以及生态过程相互作用的最终体现。土地覆盖变化不仅会对景观斑块造成影响,还会引起区域范围内的景观格局的演变[7]。对景观格局演变过程进行研究,最终目的是从看似杂乱无序的景观分布上,探索空间转化的潜在演变规律[8]。景观格局演变与生态过程紧密联系,宏观上会对人类生存环境产生影响,微观上会左右区域建设发展。因此,对景观格局演变特征及其影响因素研究一直是土地利用研究的热点[9]。

近30 a,中国高速的城市化发展极大地改变了城市景观风貌[10]。与内陆城市相比,沿海城市在高速城市扩张以及频繁乡村重构过程中受到的影响较大,沿海城市传统的景观结构和形态不可避免地发生剧烈变化,土地利用/覆被变化对景观格局的影响已经成为生态学研究的核心内容[11]。景观格局作为土地利用变化的直观体现,探究二者关系对沿海地区的土地利用以及生态管理具有重要意义[12]。近年,遥感和地理信息系统等技术的发展极大地丰富了城市景观格局的研究内容,基于多种理论方法开展的景观演变过程分析日益增多。然而,当前研究大多集中在定量分析景观结构或定性探讨景观格局特征,对于同时从数量结构变化和空间动态演变关系的研究尚处于发展阶段。沿海城市独特的区位特征对其景观格局分布影响较大,针对沿海城市景观格局演变的分析研究较少。本研究以沿海城市—盐城为例,利用遥感等相关技术,基于上述两方面问题,从土地利用/覆被变化对盐城市景观格局演变规律进行初步研究,可以为城市高质量发展提供科学依据[13]。

1 材料与方法

1.1 研究区概况及数据来源

盐城市地处32°34′-34°28′N,119°27′-120°54′E,东临黄海,位于江苏省中东部,下辖东台市、盐都区、亭湖区、大丰区、建湖县、射阳县、阜宁县、滨海县、响水县。盐城地处北亚热带向暖温带气候过渡地带,境内为平原地貌,大部分地区海拔不足5 m,地形西高东低、南高北低。全市土地总面积15 800 km2,其中沿海滩涂面积361 km2;盐城海岸线总长582 km,滨海湿地总面积4 550 km2,每年仍以超过10 km2的速度向大海延伸[14](图1)。

本研究的基础地理数据来源于盐城市的区划图、土地利用分类图和盐城市统计年鉴。TM影像主要采用美国Landsat卫星数据,选取1990、2000、2010、2020年共4幅Landsat TM/ETM+影像,时间跨度为10 a。为保证数据客观,选取30 a的时间跨度综合分析对比。

1.2 研究方法

本研究将Landsat数据进行几何、辐射校正,利用盐城市行政区划图,剪切出行政辖区,采用监督分类与目视解译的方法,运用ENVI5.2软件将景观分为建设用地、耕地、水体、林地、草地、滩涂滩地六种类型,得到4期土地利用分类数据,建立地理数据库,利用Arc GIS10.2对空间数据的管理和分析功能,在宏观尺度上对景观格局进行分析。

1.2.1 土地利用动态变化 本研究中,城市经济发展迅猛,土地利用较为明显。本研究对1990、2000、2010、2020年盐城地区土地利用变化进行了分析,对不同土地类型的转换进行数据统计分析(图2)。

土地利用动态度是反映土地利用变化的主要参考指标,一般用来定量研究区域范围内某种土地利用类型变化的速率。其表达式为

(1)

式中:K为研究时段内某种土地利用类型的动态度是该时段内研究区某种土地利用类型的年变化率;Ua、Ub为研究初期及研究末期某种土地利用类型的面积;T为研究时段。

1.2.2 马尔科夫转移矩阵 土地利用类型转移矩阵能够定量说明各地类间的相互转换情况,揭示其相互转化的比例和速率等特征。为揭示研究区域内各种土地利用类型在一定时空范围内的变化过程,本研究采用马尔科夫转移矩阵法,该方法可以利用转移概率矩阵对土地利用变化趋势进行分析,在最大程度上反映景观格局变化。其表达式分别为

(2)

式中:S代表面积;n代表土地利用类型数;i、j(i,j=1,2,…,n)分别代表转移前与转移后的土地利用类型;表示转移前的i类土地利用转移成j类土地利用的面积。

1.2.3 景观指数选取 为更好地反映出沿海城市景观格局的变化特征和规律,结合研究目的,本研究在景观的类型(class)水平和景观(land)水平上共选取10个景观指标进行分析(表1)。类型水平选择斑块数量(NP)、斑块密度(PD)、最大斑块指数(LPI)、景观形状指数(LSI)、斑块结合度数(COHESION);景观水平选择边缘密度(ED)、蔓延度指数(CONTAG)、聚合度指数(AI)、香农多样性指数(SHDI)、香农均匀度指数(SHEI)[16]。利用FRAGSTATS4.2计算1990、2000、2010、2020年盐城市景观格局指数,用来定量描述和监测景观结构特征随着时间的动态变化。

表1 选取指数及描述Table 1 Selected indices and descriptions

2 结果与分析

2.1 盐城市土地利用动态度变化分析

3时段的盐城市土地利用见表1,耕地面积始终保持在总量的75%,其次是建设用地、水体、滩涂滩地、草地、林地。大面积的耕地占比也会影响整个区域的空间结构。研究时段内,水体占比从2.26%增加至9.35%,草地占比从6.46%减少至2.86%,滩涂滩地从4.05%降低至2.29%,其他用地占比变化幅度不大。

由表2可见,1990-2000年,盐城市土地利用变化的总体特征:耕地、水体、建设用地以及滩涂滩地面积不断增加,草地面积逐年减少,林地面积发生轻微变化。水体面积增加了123.60 km2,面积分数从2.26%增加到3.05%。建设用地面积增加了110.13 km2,面积分数从10.37%增加到11.07%。耕地面积增加了26.59 km2,面积分数从76.47%增加到76.64%。草地面积减少了260.95 km2,面积分数从6.46%减少到4.81%。2000-2010年,变化的总体特征:水体、建设用地面积不断增加,耕地、林地、草地以及滩涂滩地面积逐年减少。水体面积增加了515.98 km2,面积分数从3.05%增加到6.31%。建设用地面积增加了347.74 km2,面积分数从11.07%增加到13.27%。耕地面积减少了477.05 km2,面积分数从76.64%减少到73.62%。草地面积减少了299.10 km2,面积分数从4.81%减少到2.91%。2010-2020年,变化的总体特征:水体、林地面积不断增加,耕地、草地、建设用地以及滩涂滩地面积逐年减少。水体面积增加了479.96 km2,面积分数从6.31%增加到9.35%。建设用地面积减少了300.04 km2,面积分数从13.27%减少到11.37%。滩涂滩地面积减少了202.72 km2,面积分数从3.57%减少到2.29%。

由图3可见, 1990-2000年各种土地利用较为稳定,只有水体呈现上涨趋势,年均变化率为3.45%,草地呈下降趋势,年均变化率为-2.56%。2000-2010年,土地利用发生显著变化,水体用地变化较为剧烈,年均变化率为10.72%,建设用地变化较为活跃,年均变化率为1.99%,草地、林地、滩涂滩地、耕地减少较快,分别为-3.94%、-1.80%、-1.20%、-0.39%。2010-2020年,水体用地增加的速率和草地用地减少的速率有所减缓,分别为4.81%和-0.17%,但林地用地和滩涂滩地的用地变化较为活跃,分别为-4.74%和-3.59%。总体分析,近30年间,水体用地面积增加较快,林地、草地以及滩涂滩地的用地面积一直在减少,耕地面积和建设用地面积变化速度相对较慢。

2.2 土地利用转移矩阵分析

本研究分别对盐城3个时段的土地利用图进行空间叠加,计算土地利用类型的转移矩阵,通过对比分析了解各个时段多种土地类型的转换方向,同时,针对各时段末期研究各种土地利用类型的来源与构成。分析表3可以得知,1990-2000年,盐城市内土地利用变化最大的是草地,主要向耕地、水体以及建设用地转化,面积分别是92.80、94.91、74.69 km2。草地是水体转变的最大转化类型,转化面积为74.69 km2。建设用地转化面积增加,主要来自耕地和草地,面积分别为34.25、74.69 km2。林地和滩涂滩地转化面积较小,该时段区域内的土地利用转化程度低,表明城市发展整体进程较慢。

表3 盐城市1990-2000年景观类型转化Table 3 The transition of landscape types from 1990 to 2000 in Yancheng city km2

由表4可见,2000-2010年,盐城市内土地利用变化较为剧烈,耕地向建设用地转化511.04 km2,草地向耕地转化49.72 km2,草地向水体、建设用地、耕地转化,转化面积分别是223.29、100.57、49.72 km2。水体面积不断增加,草地、建设用地、耕地是其主要转化构成,说明退耕退草还湖有一定成效。建设用地也发生较大变化,主要由耕地、草地转入,同时其向水体、耕地转化,面积分别为221.96、30.93 km2,滩涂滩地面积降低,其转化成草地和部分水体。通过数据可以明显发现城市发展侵占了部分生态资源并转化成建设用地,滩涂滩地逐渐被开发利用。

表4 盐城市2000至2010年景观类型转化表Table 4 The transition of landscape types from 2000 to 2010 in Yancheng city km2

由表5可见, 2010-2020年,土地利用变化进一步加剧,耕地和建设用地之间转化频繁,草地向其他用地转化面积分别为水体99.46 km2、耕地72.10 km2、滩涂滩地21.88 km2;水体面积持续增加,建设用地、滩涂滩地、草地、耕地是其主要转化构成,面积分别为365.47、108.07、99.46、49.95 km2;建设用地面积逐渐下降,分别向水体、耕地转化,面积为365.47 km2和131.09 km2;滩涂滩地面积进一步降低,主要向草地和水体转化,面积分别为120.35、108.07 km2。分析该时段数据可以发现,建设用地面积呈下降趋势,水体面积扩张明显,滩涂滩地转化频繁,综合分析,从城市早期对耕地、林地的侵占,到后期降低建设用地面积、提高水域面积,合理利用滩涂滩地,这从侧面反映城市发展开始向集约型、可持续方向发展。

表5 盐城市2010至2020年景观类型转化表Table 5 The transition of landscape types from 2010 to 2020 in Yancheng city km2

表6 盐城市1990-2020年景观水平景观指数Table 6 Landscape index of land types from 1990 to 2020 in Yancheng City

表7 盐城市1990-2020年部分社会经济指标Table 7 Some socio-economic indicators 1990 to 2020 in Yancheng City

2.3 景观格局指数分析

2.3.1 类型水平指数演变特征 时空因素会导致景观在一定范围内发生动态变化,同一斑块类型之间的转化以及不同斑块类型间的转化是其较为突出的表现特征[15]。发生转化后的斑块会形成新的景观结构特征并体现动态变化,直接或间接影响整体景观格局的稳定和功能[16]。由图5可知,建设用地的斑块数量最多,说明建设用地的破碎化程度最高,水体次之。1990-2020年,耕地的斑块数量和斑块密度逐年增加,说明耕地景观的破碎化程度呈现逐渐增强的趋势,最大斑块指数持续减少,景观形状指数不断增加,表明耕地类型的优势度受到人类活动的干扰度增强。1990-2010年,林地的斑块数量、斑块密度、景观形状指数增加,2010-2020年,林地的斑块数量、斑块密度、景观形状指数减少,表明林地景观的破碎化程度呈现先增强后减弱的趋势,最大斑块指数变化不大,说明林地的景观优势度一直处于持平状态。30 a间,水体的斑块数量、斑块密度不断增加,2010年斑块密度达到最高值,最大斑块指数不断增加,景观形状指数逐渐下降,2010年景观形状指数达到最低值,说明水体景观的破碎化程度增强,景观优势度逐渐减弱,不规则性状减弱。草地的斑块数量不断增加,最大斑块指数逐渐减少,其他各类景观指数变化不明显,但景观趋向破碎化。1990-2020年,建设用地的斑块数量、最大斑块指数先增加后减少,景观形状指数先降低后提高,斑块结合度数变化不显著,表明前期快速的城市化建设对建设用地产生一定影响,后期随着城市建设规划趋向理性,改变了城市化初始阶段的发展形势。30 a间,滩涂滩地的各类景观指数变化不明显。

图5 不同地类的景观破碎化分析Fig.5 Landscape fragmentation difference of land use types in Yancheng City from 1990 to 2020

2.3.2 景观水平指数演变特征 景观指数可以体现特定时空范围内的景观结构和空间变化特征,大量的指数参数可以反映景观格局的空间信息[17]。不同时段的景观格局指数存在明显差异,这也从侧面反映土地利用的动态变化过程[18]。通过分析表5发现,1990-2020年,边缘密度增加,蔓延度指数、聚合度指数减少,说明景观边缘形状指数趋向复杂化,景观类型的离散度增加,聚集性减弱。香农多样性指数、香农均匀度指数先降后增,说明各类斑块在景观中所占的比例逐渐缩小,并且呈现均匀性的空间分布,滩涂滩地的特殊性加剧了空间范围的景观异质性,以上分析表明,1990-2020年,盐城市的景观格局受到人类活动干扰明显,且干扰程度逐渐增强。

2.3.3 基于不同地类的景观破碎化分析 景观类型的空间分布在一定程度上体现了空间的环境质量,这也直接影响区域范围内的景观格局变化[20]。景观指数的差值能够直接反映各地类景观指数的变化数量和趋势,正向和负向分别表示斑块指数的增加和减少。以盐城市各个土地类型为样点,计算得出1990年和2020年的景观指数差值。由图5可知,30 a间盐城市各地类景观指数变化差异显著,主要分为3种类型:(1)整体正向型,主要包括景观形状指数差值,其中水体最低,耕地次之,其余地类变化较小,说明30 a间盐城市的斑块数量不断增多,土地类型趋向破碎化;(2)整体负向型,主要为最大斑块指数差值,这类景观指数在各个地类中均有较大变化,其中水体最大,林地最小,表明沿海平原地区水系丰富导致各地类不断分割;(3)整体平稳型,主要指斑块数量和斑块密度差值,除建设用地负向差值较大外,其余各地类变化较小。

2.4 驱动因素研究

2.4.1 人为干预因素 新型城镇化引起的土地利用变化对自然环境有巨大影响[21]。人口数量激增以及大规模的开发建设活动已经成为影响区域生态环境的主要因素[22]。人为因素和自然因素已经成为影响区域景观格局变化的内外因素[23]。研究结果显示,耕地面积平均占比75.17%,依旧为优势景观类型,自然景观面积呈降低趋势,人工景观面积不断增加。30 a间,耕地、林地、草地占比均出现不同程度降低,并呈现向建设用地转化趋势,由此可见,城市建设活动较为活跃,同时,对滩涂滩地的转型利用发生明显变化,从2000年开始,盐城市加大对滩涂滩地的开发利用,这也表明人为干预活动逐渐增强。

2.4.2 社会经济因素 区域经济发展是盐城市景观格局变化的主要因素,其中,国内生产总值和人均收入的提升是耕地类型转化的主要原因,这从侧面反映耕地在人类利用价值层面的功能已经开始转变。根据盐城市统计局的统计数据,30 a间,研究区的生产总值从26.37亿元增长到5 953.38亿元,研究区内的各产业产值呈稳步上升趋势。其中,第三产业从2010年开始超越第二产业,打破了第二产业长时间占主导态势的产业结构。期间各种土地类型相互转化,建设用地转入转出频繁,说明经济的发展对产业类型的增速有一定影响,同时带动了土地资源的分配和调整。

2.4.3 政策规划因素 《盐城市土地利用总体规划(2006-2020年)》明确提出,进一步统筹安排沿海湿地滩涂的围垦开发利用,在满足合理开发的基础上保障各项用地,加强土地综合整治,严格保护重要生态功能保护区,促进土地资源的可持续利用。相关数据显示在2010-2020年,盐城市加大对滩涂滩地的开发力度,大量的滩涂滩地转化为草地、水体,少部分的转化为耕地和建设用地,与此同时,为了改善沿海湿地的生态环境,盐城市对各种景观改造投入大量资金。

3 结论与讨论

3.1 结论

研究结果表明,6类土地类型都发生了变化:耕地、林地、草地、建设用地、滩涂滩地面积减少,耕地和水体和建设用地的面积增加。2000-2010年,撤县并区造成区域景观破碎度快速提高,土地利用以及空间格局复杂程度加重。耕地作为最大斑块占景观面积在2000-2010年急剧下降,说明随着城镇化进程的加速,人类对耕地的干扰和破坏程度加强。30 a间,基础设施建设和建设用地拓展打破了耕地占比格局,导致区域内景观破碎度增加。

和其他城市发展进程相比,在城市化和经济快速发展过程中建设用地的面积变化不大,主要原因在于其内部用地转换剧烈。在斑块类型的格局变化上,耕地的景观优势呈明显下降趋势,但仍占绝对的主导地位,边界和形状的复杂性进一步增大,景观连通性受到较大影响。

土地利用的动态度变化体现了生态环境的脆弱性和波动性,这也直接导致了景观结构的不稳定变化,应用GIS技术建立相应的信息数据库可以准确地量化景观空间格局指标,土地利用类型的转移矩阵可以反映景观中基质、斑块以及廊道之间的相互转化情况,对相应参数进行定量分析对比可以进一步完善对盐城地区生态环境理论的研究。

本研究采用多种信息技术、软件计算方法,能够从时间维度上探索景观类型的演化规律,从空间维度上挖掘各种景观类型的分布以及各个时期景观类型之间的转化规律,总体来看,景观格局变化与沿海城市的区位、城市发展定位有紧密联系,此外,滩涂滩地的开发利用极大地丰富了景观类型的转化内容,这对气候以及生态环境改善产生了一定影响。

3.2 讨论

土地利用变化与外部环境以及人类活动密切相关,城镇化的快速发展进一步加剧了沿海平原地区的大规模开发活动,经济得到提升的同时也衍生出一系列的生态环境问题,因此,对盐城市的土地利用和景观格局研究迫在眉睫。本研究尽管定量探讨了经济发展背景下土地利用和景观破碎化动态变化及其影响因素,但文中未做进一步探究,如土地利用对景观格局变化的影响程度以及两者之间的协同影响分析,驱动因素对景观格局变化的影响力以及贡献度分析。

和宏观的整体分析研究相比,本研究结合土地利用变化、动态度变化以及相关景观格局指数进行多尺度的分析景观格局的时空演变特征,但景观格局指数和研究尺度又有一定的相关性,同时,景观格局指数是否和自身的尺度存在关联?盐城市的城市发展政策、地理区位以及气候因素也是左右景观指数变化的重要影响因素,如何既保持城市发展又保护耕地景观类型也是当前亟须关注并解决的问题,在后期的研究还要深入分析思考。