江北新區土地覆被景觀格局變化及驅動力因素分析

石曉峰，湯曉艷

(江蘇省測繪工程院，江蘇 南京 210013)

0 引 言

土地是人類關系的橋梁和紐帶，能夠促使人類更好地厘清復雜的人地關系[1]。土地利用是人們對土地有目的的使用或改造，是人類活動與自然環境相互作用最直接的表現形式[2-3]。土地利用的變化必然會引起景觀格局的變化[4]，而景觀格局變化又是表征土地利用變化最突出的標志[5]。隨著經濟的高速發展和人口的快速增加，人類對土地的開發利用程度加大，尤其是城市地區土地利用變化更加劇烈和頻繁。以城市化過程為特征的土地利用活動對景觀功能的穩定和景觀結構的差異性有著深刻的影響[6]。基于土地利用/土地覆被圖的景觀格局指數是景觀空間格局分析的重要方法[7]。因此，定量分析在土地利用變化過程中的景觀格局特征對區域生態環境保護和資源可持續利用有著重要的意義。

南京江北新區自批復成立后，呈現出良好的發展勢頭，區域內自然地表變化較大。在查閱已有研究成果文獻的基礎上，本文對南京江北新區進行研究，充分利用地理國情監測成果分析2016～2018年期間研究區土地覆被和景觀格局的變化特征，探討建設開發程度對景觀格局影響，旨在為新區健康可持續發展、生態環境保護提供科學依據，提升地理國情監測成果在自然資源監管、生態保護與修復等領域的應用水平[8]。

1 研究區域與數據

1.1 研究區域概況

南京江北新區，2015年6月27日由國務院批復設立，成為全國第13個、江蘇省首個國家級新區。新區位于江蘇省南京市長江以北，介于東經118°28′至119°6′，北緯至31°53′至32°24′之間，包括南京市浦口區、六合區的核心區域和棲霞區八卦洲街道，規劃面積788 km2。江北新區長江經濟帶與東部沿海經濟帶的重要交匯節點[9]，東承長三角城市群核心區域，西連皖江城市帶、長江中游城市群，長江黃金水道和京滬鐵路大動脈在此匯合，連南接北、通江達海，是長三角輻射帶動長江中上游地區發展的重要門戶。新區境內集低山、丘陵、平原、崗地、大江、大河為一體，河渠縱橫，別具風貌。新區地處熱帶季風氣候區，境內氣候溫和，四季分明，雨水適量。

1.2 數據來源

以江北新區2016、2017和2018年基礎性地理國情監測地表覆蓋數據為數據源，按照地理國情地表覆蓋分類標準，對數據進行合并，將江北新區土地類型分為種植土地、林草覆蓋、房屋建筑(區)、道路、構筑物、人工堆掘地、裸露地表、水域共8類景觀類型。利用ArcGIS空間分析模塊，將矢量數據轉換成像元大小為5 m × 5 m的柵格數據，用Fragstats軟件進行景觀格局指數計算。

2 研究方法

2.1 土地覆被變化

為充分反映江北新區土地覆被在時間和空間上的動態變化情況，本文借助ArcGIS 10.1空間疊置分析和Excel 2016 統計分析的功能，獲得2016～2018年土地覆被類型的動態度和土地覆被轉移矩陣，分析不同類型景觀在不同時間段內的差異及劇烈程度。

(1)土地覆被動態度指數。定量描述了土地覆被變化速度的指標，能很好地反映監測時段內區域土地覆被變化的總體態勢。土地覆被變化動態度指數計算公式如下：

式中，LUai為監測起始時間第i類土地覆被類型的面積，T為監測時間段，ΔLUout-i為監測時間段T內第i類土地覆被類型轉變為非i類土地利用覆被的面積之和；ΔLUin-i為監測時間段T內非i類土地覆被類型轉變為第n類土地覆被類型的面積之和;n為土地覆被類型數。

(2)土地覆被轉移矩陣。轉移概率矩陣在景觀動態分析中被廣泛使用，該方法可以全面顯示區域土地覆被變化的細節結構特征[10]。本文計算各類型之間轉移面積的比重得到2016～2018年的土地轉移矩陣。

2.2 土地覆被景觀格局變化分析

景觀格局分析方法是用來研究景觀結構組合特征和空間配置關系的分析方法[11]，能夠高度濃縮研究區的景觀信息。本文應用Fragstats4.2軟件，選取斑塊數(NP)、斑塊密度(PD)、景觀形狀指數(LSI)、分形維數(FD)、聚集度(AI)、破碎度指數(LFI)、香農多樣性指數(SHDI)、香農均勻度指數(SHEI)、優勢度指數(LDI)等景觀格局指數，針對不同時期的數據進行計算，分析不同景觀類型的斑塊形狀、空間結構的差異和不同時期新區綜合景觀差異。

3 結果與分析

3.1 土地覆被變化分析

3.1.1 土地覆被變化分析

2016年，江北新區的優勢景觀主要是林草覆蓋、種植土地和房屋建筑(區)，分別占土地覆被總面積的34.93%，25.18%，12.36%。到了2018年優勢景觀排序沒有變，但是相應比重變成了35.15%，23.71%，11.80%。種植土地作為優勢景觀在逐年下降，相反林草覆蓋比重呈上升態勢，房屋建筑(區)作為人為景觀同樣在逐年下降，而人工堆掘地占比上升迅速(圖1)。江北新區近3年來各類用地空間分布見圖2，可以看出各類用地分布集中連片，圖形變化并不顯著。在江北新區成立初期，目前土地覆被最直觀的變化就是人工堆掘地擴張幅度較大，種植土地快速減少，這與在江北新區一系列利好政策的帶動下，新區固定資產投資增加，正在進行大規模的開發建設有關。而房屋建筑(區)占比呈下降趨勢主要是因為在新區開發建設中有大量的低矮房屋拆遷。

圖1 2016～2018年江北新區土地覆被結構變化

圖2 2016～2018年江北新區土地覆被空間分布

3.1.2 土地覆被變化動態分析

為定量反映各類型土地的變化速度，本文計算了2016～2017年和2017～2018年江北新區土地覆被變化動態度，計算結果如表1所示。

表1 江北新區土地覆被類型變化動態度指數統計

2016～2017年和2017～2018年期間，江北新區土地覆被變化綜合動態度分別為5.87%、8.64%。從單一類別來看，各類型變化動態度在2017～2018年均比2016～2017年高，尤其是人工堆掘地變化非常劇烈，說明人工堆掘地與其他類型之間的轉入轉出十分頻繁。總體來說，土地覆被變化劇烈程度2017～2018年間較2016～2017年間大，表明2017～2018年間江北新區的開發建設力度所有加大。

3.1.3 土地覆被類型轉化分析

轉移矩陣能夠刻畫各類土地覆被之間的轉移過程和特點，2016～2018年土地覆被類型相互轉化情況由表2可知。

表2 江北新區2016～2018年土地覆被景觀轉移矩陣(%)

2016～2018年土地覆被類型相互轉換狀況：種植土地、房屋建筑(區)轉出占比大于轉入占比，主要轉向為人工堆掘地，這與新區城市化快速發展、居民點搬遷、大型項目落地新區等政策關系密切。反之，林草覆蓋、道路和人工堆掘地轉出占比大于轉入占比，一方面說明新區的城市擴張較快、交通條件正在提升，另外一方面說明新區比較重視生態環境的建設。其他類型的轉移變換量不大，目前新區建設發展中對這些類型的影響較小。

3.2 景觀格局動態分析

3.2.1 類型景觀特征變化

為反映類型景觀特征的變化，本文選取了斑塊數(NP)、斑塊密度(PD)、景觀形狀指數(LSI)、分形維數(FD)共4個指標進行計算和分析，得到2016、2017、2018年3個年份的江北新區各類型景觀特征指數(圖3)。

圖3 2016～2018年江北新區土地利用類型景觀指數

從NP來看，林草覆蓋和房屋建筑(區)的斑塊數量較多，道路和裸露地表的斑塊數量較少。2016～2018年間，種植土地、房屋建筑(區)、構筑物和水域的斑塊數在逐年下降，而人工堆掘地的斑塊數在逐年上升。變化幅度較大的階段均發生在2017～2018年間，說明期間江北新區正處于高速發展、開發建設力度較大的階段。

從PD來看，房屋建筑(區)和水域的斑塊密度較大，而道路的斑塊密度最小，說明房屋建筑(區)和水域在景觀上較為破碎，道路的完整性相對較高。2016～2018年間，種植土地、構筑物和水域的斑塊密度在逐年下降，人工堆掘地的斑塊密度在逐年上升，說明人工堆掘地在景觀上逐年破碎化，這與期間新區的建設發展有直接密切的關系。

LSI通過計算區域內某斑塊形狀與相同面積的圓或正方形之間的偏離程度來測量其形狀復雜程度。從LSI來看，道路的景觀形狀指數最大，其次是林草覆蓋，裸露地表的景觀形狀指數最小，其次是人工堆掘地。種植土地和構筑物的景觀形狀指數在逐年下降，說明形狀趨于規整，人為干預較小；道路的景觀形狀指數在逐年上升，人工堆掘地的景觀形狀指數在2016～2017年間有較大的增加，說明期間人為干預較大，形狀趨于復雜。

從FD來看，道路的分形維數最大，說明道路的形狀復雜程度高；其次是構筑物，房屋建筑(區)的分形維數最小，說明屋建筑(區)的形狀較為簡單，復雜程度低；各類型之間的分形維數值差距不大。人工堆掘地的分形維數呈逐年下降趨勢，變化較為明顯，道路的分形維數在2016～2017年間有較大的下降，其他類型的分形維數變化較小。

3.2.2 綜合景觀特征變化

為反映研究區整體景觀格局變化，本文選取了香農多樣性指數(SHDI)、香農均勻度指數(SHEI)、聚集度(AI)、優勢度(LDI)、破碎度(LFI)共5個指標進行計算和分析，得到2016、2017、2018年3年的江北新區綜合景觀特征指數(表3)?？梢钥闯觯合戕r多樣性指數(SHDI)和香農均勻度指數(SHEI)在2016～2017年期間略有上升，而2017～2018年期間保持穩定，說明各類型斑塊在景觀中呈現均衡化趨勢分布，且各類型斑塊所占比率也逐漸趨于均勻。聚集度(AI)在2016～2017年期間保持不變，在2017～2018年期間略有上升，說明在科學政策引導下，尤其是土地資源可持續利用和節約集約利用的相關政策，江北新區的土地利用集約度在增強。優勢度(LDI)越高，表明組成景觀各類型所占比例差異越大，即一種或幾種少數景觀類型占優勢，在2016～2017年期間新區LDI略有下降，2017～2018年期間保持不變，說明各類型斑塊之間彼此分割，趨于均勻。破碎度(LFI)從2016～2018年期間呈現逐年緩慢下降的趨勢，說明類型景觀斑塊之間分割程度降低，斑塊之間的連接性越來越好，說明新區開發建設在有序進行。

表3 綜合景觀指數

4 結 語

從土地覆被變化看，江北新區近年來土地覆被類型以林草覆蓋、種植土地和房屋建筑(區)，雖然種植土地面積在減少，但仍然是優勢景觀，減少的種植土地主要轉化為了人工堆掘地。林草覆蓋在生態文明建設的有關工程推動下有小幅增長。人工堆掘地面積增長較快，且與其他類型的轉換最為頻繁，可以看出新區城市擴張顯著。江北新區整體景觀變化速度在增大，自然景觀向人工景觀的轉變是新區目前景觀格局變化最顯著的特征。

從景觀格局變化看，類型景觀特征NP、PD、LSI、FD從2016年到2018年均發生一定的變化，種植土地和構筑物的NP、PD、LSI都在逐年下降，形狀趨于規整；人工堆掘地的NP、PD逐年上升，而分形維數呈逐年下降趨勢，受人為干預，破碎化程度增加，但形狀復雜程度減少。綜合景觀特征SHDI、SHEI、AI、LDI、LFI在研究期內的變化，表明江北新區景觀破碎化程度下降，斑塊之間連接性增強，斑塊在景觀中呈現均衡化趨勢分布，反映出景觀變化是江北新區國土空間規劃下的變化，江北新區的開發建設在有序進行。