基于多源时空数据的湖北省景观格局动态变化及驱动因素研究

王思翔，边虹霓，王宁涛,*，谢尚儒，王 清，周丹坤

1.中国地质大学（武汉）地质调查研究院，湖北武汉 430074；2.中国地质调查局武汉地质调查中心（中南地质科技创新中心），湖北武汉 430205

土地利用作为地球表层系统最为明显的景观特征，其变化是自然过程和人类活动对景观格局影响最直观的映射，它的实质是人类以自身生存和发展为前提，对土地利用方式和景观格局进行改造，从而满足经济发展、社会进步和生态环境保护等（Cheshire and Sheppard,2002;Vogiatzis,2012;刘纪远等,2014;龙花楼和陈坤秋,2021）。景观格局是指景观的空间结构特征，包括景观组成单元的类型、数量以及空间分布和配置（邬建国,2007）。景观格局作为景观要素的重要组成，其演变早已成为生态学、地理科学等相关学科关注的重点（陈利顶等,2014;彭建等,2017;范雅双等,2021）。景观格局指数能够对景观变化进行定量描述，通过掌握其变化的过程和规律，能够为促进生态环境的可持续发展提供科学基础（阳文锐,2015;陈影等,2016;张敏等,2016）。

国内外许多学者针对不同地区的景观格局变化及其驱动因素进行了研究，例如宫兆宁等（2011）运用遥感和GIS 技术对北京市湿地景观的演变特征和驱动机制进行了分析；李月辉等（2006）基于遥感数据对大兴安岭呼中林业局土地利用和景观格局演变进行了研究；刘吉平等（2014）以遥感信息为主要信息源，利用地理信息系统技术和数理统计方法对三江平原土地利用景观格局动态变化及驱动因素进行了分析；Dadashpoor et al.（2019）分析了Tabriz城市群土地利用变化、城市化和景观格局变化之间的关系；何楠（2020）基于土地利用变化对湖北省生态系统服务价值进行了评估研究；陶荣等（2019）从省、县和地块3个尺度分析了湖北省耕地变化的数量和景观格局特征。学者们运用3S技术，对景观格局演变的研究从最初的中低分辨率遥感影像发展到高分辨率影像，从最开始的单一年份研究发展到对不同年份的对比，在评价指标的选取上，从单一景观指标向多元指标发展（Gautam et al.,2003;李传哲等,2009;朱君君等,2011;Hu R S and Dong S C,2013;Chen M X et al.,2014;张月等,2017;Sarkar,2019;董梁蕴等,2021），而基于景观格局指数的湖北省景观格局变化的系统研究相对薄弱。本文拟运用景观生态学和地理学等相关理论方法，在景观类型分类的基础之上分析湖北省景观格局的变化和驱动机制，为湖北省生态文明建设提供参考。

1 研究区概况

湖北省位于中国中部地区，与河南、安徽、重庆、陕西、江西和湖南接壤，地跨29°01′53″～33°06′47″N、108°21′42″～116°07′50″E，东西长约740 km，南北宽约470 km，总面积约18.59万km2。湖北省地势大致为东、西、北三面环山，中间低平，略呈向南敞开的不完整盆地，在全省范围内，山地约占56%，丘陵约占24%，平原湖区约占20%，长江贯穿全省(魏凤娟，2015)。湖北省地处亚热带，全省除高山地区属高山气候外，大部分地区属亚热带季风性湿润气候。

2 研究方法

2.1 景观格局分析法

景观格局指数是指高度浓缩的景观格局信息，同时也是反映景观结构组成、空间配置特征的简单化指标（苏常红和傅伯杰,2012）。景观格局指数包括了大小、形状和连通度等多方面的景观生态学意义，其种类繁多，包括有景观多样性指数、景观分维度指数、景观干扰与自然度指数等。

当前主要利用Fragstats 软件做景观格局方面的分析，该软件可以进行包括斑块、斑块类型和景观级别三种方向的计算。基于湖北省土地利用划分类型的特征和本文的研究目的，在景观斑块类型层面选取斑块数（NP）、斑块类型面积（CA）、景观类型占比（PLAND）、聚集度（AI）、面积加权的平均斑块分维指数（FRAC_AM）、斑块密度（PD）共6个指数，用于反映景观中不同斑块类型的结构特征；从景观水平层面选取景观面积（TA）、最大斑块占比（LPI）、蔓延度指数（CONTAG）、香农多样性指数（SHDI）和香农均匀度指数（SHEI）共5 个指标，用于反映景观整体结构特征。

2.2 驱动力分析法

景观格局动态变化的驱动因子主要包括自然因素和人文因素（张莹莹等,2019;吴健生等,2020）。其变化是一个复杂且长期的动态过程,受多种因素影响。自然因素作为基本要素,在长期效应上影响着景观格局变化，人类活动在短时间内是驱动区域景观格局变化的主要因素（吴琛璐等,2018）。

结合湖北省的具体情况，本文拟从上述两个方面选取合适的指标作为驱动因子来研究目标区域景观格局产生变化的原因。自然因素方面，本文选取湖北省多年来平均降水量和年均温度作为影响湖北省景观格局演化的驱动因子；人文因素方面，本文选取研究区2000～2018年的GDP、居民可支配收入、人均GDP、常住居民数量和人口增长率等7个指标。利用SPSS 软件，采用主成分分析方法，筛选出影响研究区景观格局变化的主要因子。

3 数据来源

本研究采用中国科学院地理科学与资源研究所地理监测云平台（http://www.dsac.cn/）提供的湖北省土地利用/土地覆被变化（LUCC）数据，空间分辨率为30 m，包括2000 年、2005 年、2010 年、2015年、2018 年5 期遥感影像。通过对数据的重分类处理将研究区划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用土地6种土地利用/覆被类型（图1）。气象数据来源于湖北省气象局（http://hb.cma.gov.cn/），包括年均降水和年均气温。经济和人口数据来源于中国国家统计局（http://www.stats.gov.cn/），包括GDP、人均GDP、恩格尔系数、各产业生产值和人口增长率等。

图1 湖北省2000～2018年景观类型变化情况Fig.1 Changes of landscape types in Hubei Province from 2000 to 2018

4 结果与分析

4.1 景观类型分布及其变化分析

湖北省各类土地类型面积分布不均，且差异明显（表1、表2）。2000 年以来，湖北省景观类型以林地景观为主，占研究区总面积的49%以上，其面积有减少趋势，至2018 年减少了608 km2；同样呈减少趋势的还有耕地、草地和未利用土地，其中耕地减少面积最多，为4322 km2；草地景观净减少183 km2，所占面积比由2000 年的3.81%降低到2018 年的3.71%;未利用土地逐渐被开发利用，2018 年仅有374 km2的未利用土地存在；水域和建设用地面积在研究期内呈增加趋势，水域在2000～2018年占比由5.82%上升至6.67%，净增加1605 km2；建设用地所占比重较少，但持续增加，且提升的幅度较大，由2000年的2.74%增至2018年的4.63%。

表1 湖北省2000～2018年景观类型面积（单位:万km2）Table 2 Area of landscape type in Hubei Province from 2000 to 2018

表2 湖北省2000～2018年景观类型面积变化量（单位:km2）Table 2 Area variation of landscape type in Hubei Province from 2000 to 2018

4.2 景观格局指数变化分析

4.2.1 斑块水平上的景观格局指数分析

湖北省在斑块水平上各时期景观指数的变化情况如图2 所示。景观类型占比（PLAND）即描述各种类型地类占总面积的比例，面积最大的为主要景观，它能够反映出目标区域景观的基本组成；斑块类型面积（CA）常用来描述某一斑块类型中所有斑块的面积之和。2000～2018 年，湖北省耕地景观和林地景观的斑块类型面积与景观类型占比均有所减少（图2a、2b），其面积分别由2000 年的6.9695 万km2和9.2852 万km2下降至2018 年的6.5373 万km2和9.2244 万km2，但二者仍是研究区的主要景观；水域和建设用地呈上升趋势，其面积分别增加了约1605 km2和约3516 km2。

图2 湖北省2000～2018年在斑块水平上各时期景观指数的变化Fig.2 Changes in landscape index over time at the patch level in Hubei Province during different periods from 2000 to 2018

斑块数（NP）用于描述整体景观的非均匀性，其数值与景观破碎度成正比。斑块密度（PD）能够反映景观的完整性和破碎化情况，它是斑块破碎化程度最直观的体现。聚集度（AI）能够反映出景观中不同斑块的聚集情况。2000～2018年，湖北省林地和建设用地的斑块数增多，斑块密度逐年上升（图2c、2d），说明二者的景观破碎程度增加，有向外扩散的趋势。同时建设用地的斑块聚集度（图2e）上升，说明该景观类型受人类干预增强，不同景观类型之间表现出分块的特征，相同景观类型之间表现出聚集的特征。

面积加权的分维指数（FRAC_AM）能够反映出景观的稳定性和复杂性，同时能够反映人类活动对景观格局的影响，主要运用于人为景观方面的变化，其结果与人类活动的干扰呈反比。耕地和未利用土地的FRAC_AM指数有降低的趋势（图2f），这说明二者的变化受人类活动影响变大。

4.2.2 景观水平上的景观格局指数分析

2) 在小港口城市平均投资回报率低下时，小港口城市会积极投资港口，从而诱发港口投资竞争。要想避免这种现象，只能提高小港口城市的平均投资回报率，使小港口城市有更多的投资领域，通过发展其他产业发展城市经济。

本研究利用湖北省景观类型分布数据，对选取的景观水平上的景观指数进行计算，得到湖北省2000～2018 年景观水平上的景观格局指数变化情况（表3）。景观面积指数（TA）决定了景观的范围、研究和分析的最大尺度，为其他指数的计算奠定了基础；最大斑块占比（LPI）有助于确定景观的优势类型，反映了最大斑块所占景观面积，该指数呈稳定下降趋势，由2000 年的16.9528%下降至2018 年的16.4894%，这表明景观类型最大的斑块在整体空间中的比重在减少，间接地反映出其受人类活动的干扰程度增加。

表3 湖北省2000～2018年景观水平上的景观指数Table 3 Landscape index at the landscape level in Hubei Province from 2000 to 2018

蔓延度指数（CONTAG）呈现出下降的趋势，由2000 年的63.6769%下降至2018 年的61.6788%。该指数描述景观中不同斑块类型的延展趋势或团聚程度，当其变小时说明该区域景观是具有多种要素的密集格局，景观的破碎化程度较高。

景观多样性指标（SHDI 和SHEI）主要用来反映目标区域内不同景观类型在空间上的多样化程度，是度量景观丰度和均匀度的指标，该指标与目标区域内的景观类型数量和斑块面积差异有关。湖北省2000～2018 年景观水平上的香农多样性指数（SHDI）和香农均匀度指数（SHEI）呈现出较慢的增长趋势（表3），这表明了不同景观类型多样性程度逐步增加，景观要素的多样性和异质性加强。

5 景观格局变化驱动因素分析

5.1 自然因素

以年均降水量、年均温度为特征的气候变化，在一定程度上会改变区域水系统和水环境，最终影响区域景观的空间分布格局(赵锐锋等,2009)。本文从湖北省气象局提供的数据中选择了2000～2018 年湖北省的年均降水量和年均温度数据，分析其研究时间内的变化趋势。2000～2018 年，研究区的温度呈先降低再升高的过程，降水量呈先降低再升高再降低的过程，研究区年均温度、降水量变化趋势较为平缓，变化不大（表4），而研究区此时间段的景观面积指数（TA）、最大斑块占比（LPI）和蔓延度指数（CONTAG）指数持续变小（表3），表明自然因素对研究区的景观格局变化影响较小。

表4 湖北省2000～2018年年均温度和年均降水量变化情况Table 4 Changes of annual average temperature and average annual precipitation in Hubei Province from 2000 to 2018

5.2 人文因素

在人文因素驱动力分析中，本文选取了研究区2000～2018年的GDP、恩格尔系数、人口增长率、人均GDP、第一产业生产值等七个指标，运用SPSS软件，对选取的七个指标进行主成分分析后，提取出了1个主成分，计算得到了累计方差贡献率和各个指标的成分值（表5），累计方差贡献率为90.8%，超过85%，表示这些指标具有代表性。GDP、第一产业产值、第二产业产值、第三产业产值、人均GDP是与经济发展相关性强的指标，人口增长率与人口因素相关性较为显著，这6 个指标的成分值为正值，表明这些指标之间关联程度较高。通过归纳，从人文因素中的人口因子和经济因子对研究区景观格局变化的驱动因素进行探讨。

表5 湖北省2000～2018年人文因素综合驱动力指标主成分分析结果Table 5 Principal component analysis results of comprehensive driving force indicators for human factors in Hubei Province from 2000 to 2018

人口因素方面，从2000年到2018年，研究区的总人口呈增长趋势，由2000 年的5646 万人增长到2018年的5917万人，非农业人口也不断增长，其数量已经超过农村人口数量（图3）。因此，非农业人口的增长和总人口的增长导致了居民对住房的需求，尤其是在城市化进程中，大量的人口向城市聚集，而可供使用的土地却十分有限，这造成了土地的紧张。为缓解人口增加带来的居住压力，部分农田、草地等被用作建筑用地，造成景观格局的改变。经济因素方面，从2000年到2018年，湖北省经济发展迅速，GDP在2018年增长到了39366.55亿元，各产业发展较快，特别是第二产业和第三产业的发展速度最快（图4）。这两种产业的蓬勃发展，刺激了大量农村人口流向城市，增长了对建设用地的需求，城市规模不断扩大并不断向外扩张，使得未利用土地和其他类型土地向建设用地转化的强度增大，导致建设用地面积的快速增长。

图3 湖北省2000～2018年人口变化情况Fig.3 Population changes in Hubei Province from 2000 to 2018

图4 湖北省2000～2018年各产业GDP变化情况Fig.4 Changes in industrial value in Hubei Province from 2000 to 2018

斑块水平和景观水平上的景观格局指数的变化情况与上述分析相符。如景观类型占比指数（PLAND）和斑块类型面积指数（CA）反映出2000～2018 年湖北省耕地、林地等的减少和和建设用地等的增加，蔓延度指数（CONTAG）持续下降表明景观中不同斑块的聚集程度降低，香农多样性指数（SHDI）和香农均匀度指数（SHEI）的增长趋势表明景观类型的多样性程度增加，异质性加强。这些变化主要是由于近年来湖北省处于快速发展阶段，城市化和人口集中，使得修建的道路和房屋建筑等向四周扩散延伸化的发展改变了原有的生态环境结构，使得地区的破碎化程度升高，连通性降低。

6 结论

（1）湖北省2000～2018年耕地、林地、草地和未利用土地面积不同程度减少。其中，耕地面积减少了4322 km2，林地次之，减少了608 km2，草地和未利用土地面积分别减少了183 km2和68 km2。水域和建设用地的面积增加较快，其面积分别增加了1605 km2和3516 km2。

（2）湖北省2000～2018年林地和建设用地的斑块数增多，斑块密度也逐年上升，二者景观破碎程度增加，有向外扩散的趋势；建设用地的斑块聚集度上升，该景观类型受人类干预增强，其规划表现出聚集的趋势。在景观水平上，湖北省2000～2018年的景观破碎化程度升高，香农多样性指数（SHDI）和香农均匀度指数（SHEI）呈上升趋势，不同景观类型的多样性逐步增加，景观异质性增强。

（3）研究区景观格局变化受自然因素和人文因素的共同影响，景观格局变化主要受到人口和经济等因素驱动，同时也不能忽视自然因素的影响。