近25年長江中游地區土地利用時空變化格局與驅動因素

胡昕利,易 揚,康宏樟,王彬,史明昌,劉春江,3,*

1 上海交通大學農業與生物學院,上海 200240 2 北京林業大學水土保持學院,北京 100083 3 國家林業和草原局上海城市森林生態系統國家定位觀測研究站,上海 200240

近30年來,我國社會經濟快速發展,城市化水平大幅提高,在各個地區引發了不同程度的土地利用變化[1,2]。同時,土地利用變化也強烈影響生態環境,為城鄉居民提供了新的生活、工作和游憩環境[2]。因而,研究城市化與土地利用變化關系是保護生物學、景觀生態學、城鄉發展規劃、社會環境可持續發展等研究領域的熱門課題之一。近年來,國內外學者關于土地利用時空變化格局的研究在方法上主要集中在土地利用轉移矩陣、動態變化數學模型、景觀格局指數、梯度分析等方面[3-5],其成果多集中在景觀格局變化[5]、城市化進程及生態環境效應[6]、驅動機制[7-8]和土地利用模型模擬與預測[9-10]等方面。國內針對土地利用變化格局的研究主要集中在單個城市上[11],研究區域主要集中在東部沿海地區[12-13],對城市群及中西部地區研究較少,定量分析土地利用變化的社會經濟驅動力的研究相對較少。

長江中游地區(湖北省、湖南省、江西省)是長江經濟帶開發的核心區域,也是國家“兩屏三帶”生態安全戰略的重點區域。該區土地利用變化既受社會經濟發展的影響,也受當地地理環境的制約[14]。因此,研究該區城市化對土地利用變化的影響具有重要的生態、經濟和社會意義。目前,已有的有關長江流域的土地利用變化研究僅涉及到長江三角洲[15-16]、安慶沿江濕地[17]等局部地區,而長江中游地區的研究尚值得探討。

本文以長江中游地區湖北省、湖南省、江西省作為研究對象,以1990年、2000年、2010年和2015年的四期Landsat TM遙感影像為基礎數據源,采用基于緩沖區的梯度分析與景觀格局分析結合的方法分析土地利用變化格局,用相關性分析方法探討其社會經濟驅動力。研究主要回答的問題是：(1)近25年城市化進程中,研究區土地利用格局如何變化？(2)基于緩沖區的分析,不同土地利用類型是否具有一定的梯度變化特征？各景觀指數在梯度帶中如何變化？(3)影響研究區土地利用時空變化的驅動因素是什么？通過研究區域土地利用時空變化及其驅動因素,可加深認識城市格局與城市化之間的相互關系,為優化長江中游地區景觀生態格局、提升生態系統服務功能、加強土地資源保護與可持續利用等提供科學依據。

1 研究區概況

長江中游地區包括湖北省、湖南省、江西省,三省總面積達56萬km2,該區既有地勢平坦的平原,也有丘陵和陡峭的山地。在漫長發展過程中,該區形成了農林漁業生產傳統和燦爛的人文藝術景觀,對當地土地利用產生了重要影響[18]。三省省會武漢市、長沙市、南昌市三市呈“△”分布,相互間距離不足300km,結構較為緊湊。隨著城市化及長江中游地區一體化進程加快,該區土地利用格局發生了較大變化[18]。

圖1 長江中游湖北省、湖南省和江西省行政區圖Fig.1 Administrative map of Hubei,Hunan and Jiangxi Provinces in the middle reaches of the Yangtze River

2 數據處理與研究方法

2.1 數據處理

本文數據采用長江中游地區1990年、2000年、2010年和2015年Landsat TM/ETM解譯生成的土地利用/覆被變化(空間分辨率1km×1km),數據來自國家地球系統科學數據共享服務平臺。結合全國土地覆蓋分類體系和研究區特征,采用ArcGIS軟件進行重分類,分為耕地、林地、灌木、果園、草地、水域、建設用地、未利用地8種類型。人口、GDP、人均GDP和產業結構等社會經濟指標來源于《湖北省統計年鑒》、《湖南省統計年鑒》和《江西省統計年鑒》。本文其他數據分析主要采用ArcGIS 10.2、Fragstats 4.2、Graphpad prism 6.0和SPSS軟件。

2.2 研究方法

2.2.1建立緩沖區梯度帶

本研究以長江中游地區三省省會連接成的三角形重心為中心,建立100km間距的緩沖區梯度帶,中心區為包括省會城市武漢、長沙、南昌半徑為250km的圓,向外依次建立距中心350km、450km、550km、650km的4個梯度帶(圖2),并將5個梯度帶與土地利用類型圖(圖3)疊加,獲得各梯度帶內土地利用類型圖。

圖2 研究區梯度帶示意圖Fig.2 Gradient zone diagram in the study area 圖中數字表示距中心距離Number in the figure represented distance from the center/km

圖3 1990—2015年研究區土地利用類型Fig.3 Land use types from 1990 to 2015 in the study area

2.2.2景觀格局指數及相關性分析

利用景觀格局分析軟件Fragstats 4.2,計算區域整體景觀指數及各梯度帶內斑塊類型和景觀水平上的景觀指數,結合該區經濟與產業結構等社會經濟因素,采用相關性分析法探討其社會經濟驅動力。本文選取以下景觀指數：

斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(LPI)、周長面積分維數(PAFRAC)、平均斑塊面積(MPS)、蔓延度指數(CONTAG)、香農多樣性指數(SHDI)、斑塊所占景觀面積比例(PLAND)、連接度指數(COHESION)共8個指標[19]。

3 結果分析

3.1 土地利用時空變化總體特征

1990—2015年期間,長江中游地區土地利用類型面積從大到小排序始終為林地>耕地>灌木>水域>草地>建設用地>果園>未利用地(表1)。就2015年來看,耕地占30.41%,林地占49.82%,兩者之和占80%左右,其余土地利用類型較小,因此研究區耕地與林地為主體景觀。近25年建設用地、果園、水域面積增加,分別增加1.08%、0.54%、0.36%；耕地、林地、灌木面積則減少,分別減少1.06%、0.49%、0.25%。

近25年,研究區斑塊密度、周長面積分維數、香農多樣性指數升高,斑塊平均面積與蔓延度指數降低,最大斑塊指數前10年增加,2000年后降低,整體表明隨城市化進程,該區景觀整體越來越分散、破碎化程度增加,景觀形狀更復雜；而最大斑塊指數降低0.83,多樣性指數升高0.05,表明區內景觀異質性加強,景觀類型趨于多樣化(表2)。

表1 1990—2015年研究區土地利用類型面積及其比例

表2 1990—2015年研究區景觀水平景觀指數

3.2 緩沖區類型水平上指數梯度變化

研究區主體景觀為耕地與林地,同時建設用地是城市化進程中變化較顯著的土地類型,所以本文重點討論這三類土地類型的梯度變化。

3.2.1建設用地景觀格局梯度動態

近25年建設用地面積占比、斑塊密度、景觀連接度不斷升高,2010—2015年升幅較大,表明建設用地隨城市化進程加快持續增加,人為干擾程度在2010—2015年較為嚴重,斑塊逐漸向大面積發展(圖4)。在距中心梯度帶上,建設用地面積占比、斑塊密度、最大斑塊指數、周長面積分維數、景觀連接度與斑塊平均面積均呈降低趨勢,250—350km梯度帶降幅明顯。2015年從第一梯度帶到邊緣梯度帶其景觀連接度由63%下降到18%,降低了71%；面積占比由5.08%下降到0.50%,降低了90%,且下降速率越來越慢,表明其向外擴張的趨勢。總體來看,離中心距離增大,建設用地面積占比減小,其斑塊數目減少、密度減小且形狀趨于簡單規則,破碎化程度增加。

3.2.2耕地景觀格局梯度動態

近25年耕地景觀指數變幅不大。在距中心梯度帶上,耕地面積占比、最大斑塊指數、景觀連接度與斑塊平均面積均降低,斑塊密度、周長面積分維數升高(圖4)。2015年耕地斑塊平均面積從第一梯度帶到邊緣梯度帶由2288km2下降到304km2,降低了87%。在250—350km梯度帶上耕地最大斑塊指數與斑塊平均面積降幅最大,表明近中心區耕地受到的人為干擾較大。整體表明,耕地隨梯度帶破碎化及形狀復雜化程度均加劇。

圖4 梯度帶景觀類型水平指數變化Fig.4 Variations in landscape indices along gradient zones at class level

3.2.3林地景觀格局梯度動態

近25年林地景觀指數變幅不大,2015年林地斑塊密度最大,表明這一時期林地破碎化最嚴重。在距中心梯度帶上,林地面積占比、斑塊平均面積升高,斑塊密度下降,景觀連接度保持較高比例,變幅小(圖4)。2015年林地景觀面積比從第一梯度帶到邊緣梯度帶由34%上升到60%,上升了76%。總體來看,最大斑塊指數與周長面積分維數的梯度性不明顯,林地隨梯度帶面積占比增加,破碎化程度降低、形狀趨于簡單規則。在550—650km邊緣梯度帶上受面積較小、豐富度較低等影響,景觀指數的變幅較大。

3.3 景觀水平指數梯度變化

在景觀水平上,斑塊密度、周長面積分維數隨梯度帶遞增,斑塊平均面積減小(圖5),中心區附近土地類型主要為耕地與林地,單個斑塊面積較大；隨梯度帶遞增,灌木、果園和草地等斑塊增多、面積比例上升,單位面積斑塊數目增多,形狀不規則化程度增加。林地作為優勢土地類型,面積占比最大,因此景觀水平上的最大斑塊指數與蔓延度指數在梯度帶上變化趨勢與林地相似。距中心350km以內,城市擴張使香農多樣性指數減小,而距中心350km以外,多樣性反而增加,450—550km梯度帶以林地為主,多樣性降低。總體變化為距中心350km梯度帶內,斑塊團聚程度高、景觀異質性降低,350—650km梯度帶斑塊趨于破碎化。

圖5 梯度帶景觀水平指數變化Fig.5 Variations in landscape indices along gradient zones at landscape level

3.4 土地利用變化與社會經濟因素的關系

1990—2015年,長江中游地區的GDP、人均GDP、第一、二、三產業等不斷發展(圖6),增幅分別達36.03倍、30.45倍、8.28倍、25.72倍和39.5倍,研究區城市化水平從21.19%上升到51.43%,增幅達1.43倍,非農業人口迅速增加,農村勞動力大量遷移到城市,社會經濟得以迅速發展。

在各種土地類型中,耕地面積與農業人口呈正相關,與非農業人口、城市化水平、三大產業產值和GDP均呈負相關；而建設用地與農業人口呈負相關,與GDP和三大產業產值呈正相關,與第三產業顯著正相關(p<0.01)；灌木與農業人口呈正相關,與第一產業產值和城市化水平呈負相關(表4)。長江中游地區經濟和產業發展與果園、建設用地顯著正相關,而與耕地和未利用地顯著負相關。1990—2015年間,非農業人口和城市化水平對研究區土地利用影響趨勢同步,與耕地、灌木呈顯著負相關(表4)。

圖6 研究區人口和社會經濟指標Fig.6 The population and the social economic indicators of the study area

類型Land use types人口Population農業人口Agricultural population非農業人口Non-agricultural population地區生產總值GDP人均GDPPer capita GDP第一產業primary industry第二產業Secondary industry第三產業Tertiary industry城市化水平Urbanizationlevel耕地-0.9230.987?-0.974?-0.988?-0.989?-0.988?-0.983?-0.987?-0.974?林地-0.4350.696-0.590-0.797-0.793-0.735-0.800-0.837-0.589灌木-0.992??0.972?-0.996??-0.933-0.935-0.958?-0.925-0.914-0.997??果園0.727-0.9050.8390.959?0.957?0.9270.958?0.977?0.838草地-0.960?0.857-0.916-0.769-0.773-0.827-0.766-0.720-0.915水域0.986?-0.980?0.997??0.9380.9400.966?0.9340.9110.996??建設用地0.829-0.953?0.9120.984?0.983?0.965?0.980?0.996??0.912未利用地-0.8680.983?-0.945-0.989?-0.989?-0.990??-0.993??-0.976?-0.943

* 表示在0.05水平上顯著相關; **表示在0.01水平上顯著相關

4 討論

4.1 近25年長江中游地區土地利用時空變化及驅動因素

社會經濟發展、城市化水平和地理條件是影響區域土地利用格局和變化速度的重要因子[20-21]。本研究揭示了長江中游地區近25年土地利用時空變化格局及其驅動因素。根據研究結果,1990-2015年期間,該區建設用地、果園分別增加1.08%、0.54%；耕地、林地分別減少1.06%、0.49%(表1)。與我國沿海地區城市群相比,長江中游地區土地利用變化較小。例如,長三角近10年建設用地增加8.68%,耕地減少8.34%[22]；珠三角近16年建設用地增加9.98%,耕地、林地分別減少7.12%、2.26%[12]。長江中游地區土地利用變化與其社會經濟水平、地理條件和國家發展政策相一致,其原因有三個方面。

第一,在社會經濟層面,城市化是土地利用格局變化的重要驅動力。處于沿海的長三角和珠三角對外開放較早,經濟發展較快,建設用地需求強烈,導致耕地面積更快速降低[12-23]。統計顯示,上海、北京的開發強度達36.5%、48%；而倫敦、東京的開發強度僅為23.7%、29.4%[23]。地處我國中西部的長江中游地區,經濟發展相對較慢,城市人口增長也較慢,對耕地、林地影響較小。2016年開始,長江經濟帶開發作為國家戰略開始實施[24],經濟發展將會增速,因此研究區土地利用變化應吸取其它地區發展經驗和教訓,以便滿足社會經濟和環境的可持續發展。

第二,在自然環境層面,地理環境對土地利用變化具有制約性。長三角和珠三角地區多為江河入海口形成的三角洲和沖積平原,缺乏山地自然屏障對土地的開發限制,會助長土地無序利用,而長江中游地區三省山地丘陵面積約為50%[25],即使在武漢-長沙-南昌的中三角地帶仍有大量山地分布,對城市化擴張有一定的制約作用。但是,近25年隨城市化進程,該區景觀破碎化程度加重、所受干擾較大,斑塊形狀復雜程度持續增加,即使在邊緣區也有這種趨勢,對維持其生態系統功能造成不利影響。

第三,在國家發展戰略層面,土地利用也受到政策的重要影響。長江中游地區是兩屏三帶、長江防護林帶、退耕還林工程的中心區域,我國近年來生態工程的實施與保護政策的頒布為該區景觀生態保護提供了有利條件,同時也影響了土地利用格局[25]。近25年林地仍是研究區優勢土地類型,區域仍保持較高的自然生態系統比例,為基于生態保護的發展提供了后發優勢的基礎。然而由于人類活動強度大,該區耕地、林地減少,景觀破碎化程度依舊增加,因此該區要做好基本農田的保護及城市擴展規模的控制工作,加強對自然生態系統連接性的維護[25]。

4.2 長江中游地區沿中心-邊緣梯度景觀格局變化特征及影響因素

結果顯示,在中心城區-邊緣區梯度上,土地利用變化格局有兩個明顯特點,一是顯著變化的土地類型為建設用地、耕地和林地,后者與前兩類的變化格局相反。建設用地與耕地景觀指數變化相似均隨梯度帶破碎化程度加重,林地則破碎化程度減小(圖4)。二是總體景觀水平梯度變化表現為中心景觀集聚,而邊緣區破碎化程度高。研究結果與一般的城鄉梯度景觀格局的研究結果相同,即中心區經濟產業水平高、建設用地集聚,邊緣區建設用地趨于破碎化[26]。相對于中心城市的平原地區,在邊緣區山地地形多變,土地斑塊復雜多樣,因此邊緣區耕地趨于破碎化。相反,林地在中心區破碎化程度高,由于邊緣地區人類干擾較少,多為偏遠山地,林地多呈集中連片的大面積分布,破碎化程度較低。

隨城市化進程,建設用地以圈層式空間形態向外擴張,城市設施逐步取代耕地、林地等,因此中心區集聚效應明顯、景觀異質性降低。同時,人類活動強度的加大對邊緣區的景觀生態格局造成影響,邊緣區景觀破碎化程度加大。隨著長江中游城市群發展規劃的批復,區域經濟進入高速增長階段,資源整合與中心區一體化趨勢更加明顯,會使原有的中心城區-邊緣區梯度格局更加強烈[27-28]。

4.3 基于長江中游地區土地利用變化的生態問題及生態發展對策

作為長江經濟帶開發的中心地區,近來長江中游地區面臨著經濟的快速發展和城市化水平的不斷提高,有可能對現有土地利用格局造成強烈沖擊,這種情形已在長三角和珠三角地區發生過[29]。為避免土地利用混亂,造成嚴重生態環境問題,影響可持續發展,需采取如下對策：

第一,各級政府要嚴格執行《長江經濟帶生態環境保護規劃》[24],劃定生態紅線,形成嚴格制度,由環保部門監督執行。在快速城市化進程中,受沖擊最大的是農田和林地[23],因此要特別加大耕地、林地的保護力度。

第二,相較于我國東部沿海地區(長三角、珠三角等),長江中游地區山區河流和山地丘陵較多,未來城市、高速公路和鐵路、水壩等工程建設,會隔斷生態廊道并造成野生動物棲息地的破碎化,形成更多生物多樣性保護問題[30]。在未來規劃建設中,有關部門應提前做出預判,采取新技術和方法,降低并避免生物多樣性和生態系統服務損失[24]。同時,針對該區破碎化程度加大和連通性不佳的問題,應以自然生態斑塊的空間連接和多種生態服務功能的集聚為手段,選擇景觀生態功能較高、位于研究區中北部的水域和規模較大的林地核心斑塊作為基礎,依此建設和完善生態廊道、生態節點,促進區域資源合理配置及整個生態系統物質轉化和能量流通[15]。除區域間的協調外,還需考慮到城鄉協調。邊緣區建設用地破碎易產生資源重復配置、面源污染等負面影響,應對邊緣區居民點進行集約化管理；邊緣區耕地破碎,也應開展集約化農業生產。

第三,長江中游地區是三峽大壩所在地,需要功能強大的水源涵養林生態系統[31]。根據研究結果顯示的林地景觀格局,應該在保護現有森林資源的基礎上,鞏固和擴大退耕還林、封山育林成果[32],提高森林連接度,加強低效林改造,保護林地生態系統物種多樣性,提高林地的生態系統服務功能。

5 結論

(1)近25年研究區建設用地面積增加,耕地和林地面積減少；景觀破碎化程度加重,斑塊形狀復雜程度增加。景觀指數的梯度效應明顯,建設用地與耕地沿梯度帶趨于破碎化,林地則破碎化降低。

(2)城市化是土地利用格局變化的主要驅動因素。長江中游地區一體化方向發展是形成中心區集聚效應明顯、邊緣區破碎化程度較高此格局的影響因素。

(3)耕地、林地的保護和城市擴展規模的控制將是未來區域景觀可持續管理的主要任務。以水域和林地為基礎,加強生態廊道、節點的建設,是鞏固和增強區域景觀生態功能的有效途徑。同時區域應對邊緣區居民點集約化管理,開展農業集約化生產,加強維護林地的自然連接性,提高林地的生態系統服務功能。