江淮丘陵土地利用景觀格局變化分析與預測

胡書芹，顧成軍，魏曉雅，曹夢涵

(1.滁州學院 地理信息與旅游學院,安徽 滁州 239000；2.滁州學院 土木與建筑工程學院，安徽 滁州 239000)

土地是人類賴以生存的基礎，也是珍貴的自然資源[1]。土地利用/覆被變化是人類活動與自然環(huán)境相互作用的表現(xiàn)形式，與人類社會經(jīng)濟活動的活躍程度密切相關[2]。景觀格局主要是指構成景觀生態(tài)系統(tǒng)或土地利用/覆被類型的形狀、比例和空間配置。景觀格局變化是土地利用變化的最直觀表現(xiàn)[3-4]。近年來，隨著城市化進程的加速，土地利用結構及景觀格局變化顯著，進而影響到區(qū)域的生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟的發(fā)展，土地利用和景觀格局變化因而成為當前全球變化和生態(tài)系統(tǒng)的一個研究熱點。諸多學者對區(qū)域土地利用和景觀格局變化特征進行分析并對其未來發(fā)展趨勢進行預測，為區(qū)域社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展奠定了良好的基礎[5-10]。

江淮丘陵是安徽省五大地貌類型區(qū)之一[11]。由于位于長江與淮河兩大流域之間，長期遭受土壤侵蝕，水土流失嚴重、水資源缺乏，生態(tài)環(huán)境脆弱。但同時該區(qū)域也是國家重要的商品糧基地，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，該區(qū)域人類活動日趨增強，對土地利用和景觀格局產(chǎn)生很大的影響。目前，相關江淮丘陵土地利用和景觀格局變化的研究還比較缺乏，因此，文中以江淮丘陵地區(qū)的滁州市南譙區(qū)為例，運用遙感(RS)和地理信息系統(tǒng)(GIS)技術對滁州市南譙區(qū)2000—2015年的土地利用和景觀格局的變化進行分析，并對其未來變化趨勢進行預測，探尋其演變規(guī)律，以期為該區(qū)域土地資源的可持續(xù)利用提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

南譙區(qū)是安徽省滁州市的市轄區(qū)，位于安徽省東部，蘇皖兩省交界處(117°50′～118°30′E,32°05′～32°36′ N)，面積約1 187.11 km2。氣候為北亞熱帶濕潤性季風氣候，平均氣溫15 ℃，年均降雨量1 031 mm。 地形全貌為丘陵地，自西北向東西傾斜，西、西北和西南屬山區(qū)，約占52%；北部、東部、南部起伏較小，屬丘陵緩坡地帶，約占43%；東南圩區(qū)地勢較低，約占5%。南譙區(qū)農業(yè)生產(chǎn)科技水平發(fā)展較快，盛產(chǎn)稻、麥、水禽等，是國家確定的產(chǎn)糧大區(qū)和漁業(yè)致富重點區(qū)。截至2018年，南譙區(qū)常住人口26.7萬人，比上年增加0.3萬人，城鎮(zhèn)化率52.74%，比上年提高1.23個百分點。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

所用數(shù)據(jù)源于地理空間數(shù)據(jù)云的滁州市南譙區(qū)2000年、2005年、2010年和2015年4期Landsat-TM衛(wèi)星遙感影像，空間分辨率為30 m。根據(jù)南譙區(qū)的土地利用情況，將南譙區(qū)土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域和居民用地5類。利用ENVI5.3軟件，按“數(shù)據(jù)預處理-人工目視解譯-檢查修正”的操作步驟對影像圖進行解譯[12]，最終得到南譙區(qū)4期土地利用類型(見圖1)。數(shù)據(jù)平均解譯精度達84.4%，滿足研究需要。

圖1 2000—2015年南譙區(qū)土地利用分類

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用動態(tài)度

土地利用動態(tài)度可定量描述區(qū)域某時間段內土地利用的變化速度，包括單一土地利用動態(tài)度和綜合土地利用動態(tài)度兩類。單一土地利用動態(tài)度可表達一定時期區(qū)域內某種土地利用類型數(shù)量的變化情況。計算公式為

(1)

式中：K為某一類土地利用類型的年均土地利用變化率；Ua和Ub分別表示研究初期和末期該類土地利用類型的總面積；T為初期到末期的時間間隔，以a為單位。

綜合土地利用動態(tài)度可以綜合體現(xiàn)區(qū)域內各種土地利用類型面積的動態(tài)變化情況。計算公式為

(2)

式中：LU為某一時段區(qū)域綜合土地利用動態(tài)度，是該時段內第i類土地利用類型轉變?yōu)榉莍類的面積絕對值；LU(i,ta)為第i類土地利用類型在初期的面積。

2.2.2 景觀格局指數(shù)選擇與計算

景觀格局指數(shù)是指能高度濃縮景觀格局信息，反映其結構組成和空間配置某些方面特征的簡單定量化指標。景觀格局指數(shù)的指標很多，文中在借鑒前人研究的基礎上，結合各指標的生態(tài)學含義選取斑塊數(shù)量(NP)、斑塊密度(PD)、形狀系數(shù)(LSI)、蔓延度(CONTAG)、分離度(DIVISION)、香農多樣性指數(shù)(SHDI)、香農均勻度指數(shù)(SHEI)7個景觀指標進行分析。在ArcGIS10.1中分別對2000—2015年南譙區(qū)4期土地利用數(shù)據(jù)進行柵格化處理，然后利用景觀格局分析指數(shù)軟件Fragstats4.2獲得4期景觀類型水平上的景觀格局指數(shù)[13-17]。

2.2.3 Markov模型

Markov模型利用隨機事件某一變量的現(xiàn)在狀態(tài)和動向去預測該變量未來的狀態(tài)及其動向[18]，可以高效快速地實現(xiàn)對土地利用未來趨勢的預測模擬。馬爾科夫模型首要是轉移概率矩陣的確定，轉移概率矩陣的模型為

(3)

其次,需要對預測的土地利用變化精度進行檢驗[19]。Kappa系數(shù)能從整體上檢驗模擬結果與觀測數(shù)據(jù)的一致性程度,已廣泛應用于土地利用變化模擬精度檢驗和遙感影像解譯精度評價等研究。Kappa系數(shù)的計算公式為

(4)

式中：po為正確模擬面積比例；pc為隨機情況下的正確模擬面積比例。Kappa系數(shù)計算結果為[-1, 1]，一般認為Kappa>0.6具有顯著一致性，而Kappa>0.8則有著幾乎完美的模擬效果。

3 結果分析

3.1 土地利用變化分析

3.1.1 土地利用結構變化

土地利用結構是指一定范圍內各種土地利用之間的比例關系或組成情況。由圖1和表1可以看出，南譙區(qū)各類土地利用中以耕地和林地面積較大，其中，耕地約占45%，主要分布于東部地區(qū)，林地約占37%，主要集中分布于西部地區(qū)。居民用地和水域面積相對較少，居民用地約占南譙區(qū)總面積的4.4%～11.5%，水域約占5%，這兩類土地利用空間分布均比較分散。而草地面積最小，僅占南譙區(qū)面積的0.3%，呈零星分布。

2000—2015年南譙區(qū)各類土地利用面積隨時間的推移而有所變化。如表1所示，南譙區(qū)居民用地由2000年的54.45 km2逐漸增加到2015年143.38 km2，占比由4.4%增加到11.5%，增加了7.1%，增加明顯。耕地由2000年的661.36 km2逐漸減少到2015年的565.03 km2，占比從53.1%減小到45.4%，減少了7.7%，減少顯著。水域面積從2000年的61.13 km2增加到2005年的69.78 km2，再減少到2015年的66.43 km2，總體上面積略有增加；而林地和草地面積變化幅度較小，相對比較穩(wěn)定。

3.1.2 土地利用變化速度

表2為南譙區(qū)近15 a來土地利用動態(tài)度，表明2000—2015年南譙區(qū)綜合土地類型動態(tài)度由0.45%上升到0.95%，又下降到0.77%，呈先增后減的趨勢，說明南譙區(qū)整體的土地利用變化速度表現(xiàn)為先快后慢的特征，同時不同土地利用的動態(tài)度也存在很大差異。5個地類中居民用地的動態(tài)度也表現(xiàn)為先增加后減少的變化趨勢，且其動態(tài)度為2.78%～6.93%，遠大于其他土地利用的動態(tài)度，這說明居民用地的變化速率是所有土地利用類型中變化最快的。耕地動態(tài)度始終為負值，從2000—2005年的-0.51%到2005—2010年的-1.27%再到2010—2015年的-1.27%，說明耕地面積一直在縮減且縮減速度有增大趨勢。而草地、林地和水域的動態(tài)度分別從2000—2005年的0.06%、0.03%和2.83%，變化為2005—2010年的0、0和-0.98%，再變化為2010—2015年的0.06%、0.06%和0.02%，總體來講這3種地類變化速度有所波動但變化較小。

表1 2000—2015年南譙區(qū)土地利用結構

表2 2000—2015年南譙區(qū)土地利用動態(tài)度 %

3.2 景觀格局變化分析

根據(jù)南譙區(qū)景觀水平指標(見表3)顯示，斑塊數(shù)量、斑塊密度和形狀系數(shù)都在增加，分別從2000年的1 546、1.24和24.72增加到2015年的1 739、1.40和27.10，反映在此期間景觀發(fā)生破碎化現(xiàn)象，以前大的景觀斑塊一部分破碎變?yōu)楦嘈螤罡鼜碗s的小斑塊，人類的干擾力度在加大；蔓延度可描述景觀里不同拼塊類型的團聚程度或延展趨勢，蔓延度從44.93降低到37.19，則顯示出南譙區(qū)內部的聚合度在下降，優(yōu)勢斑塊呈現(xiàn)分散退化趨勢，景觀呈現(xiàn)多種要素的密集格局；分離度從0.81增加到0.86，反映了南譙區(qū)景觀斑塊分布更為分散；而多樣性和均勻度指數(shù)一直在增加，分別從1.01和0.62增加到1.15和0.71，說明南譙區(qū)內景觀異質性上升，景觀中明顯的優(yōu)勢類型減少，各景觀斑塊之間的面積差異減小[20-21]。

表3 2000—2015年南譙區(qū)景觀水平指標

3.3 土地利用變化預測

3.3.1 Markov模型精度檢驗

結合南譙區(qū)2000—2015年的土地利用變化轉移面積矩陣，計算得出2000—2015年的轉移概率矩陣(見表4)。以2010年為基準年份，設置模擬步長為1 a，以5 a為模擬周期，基于Markov模型可以得到2015年南譙區(qū)土地利用現(xiàn)狀的模擬結果, 并與2015年實際的土地利用現(xiàn)狀解譯結果進行比較分析。Markov模型對草地變化模擬的Kappa系數(shù)為0.95，對耕地變化模擬的Kappa系數(shù)為0.78，對林地變化模擬的Kappa系數(shù)為0.83，對居民用地變化模擬的Kappa系數(shù)為0.79，對水域變化模擬的Kappa系數(shù)為0.80。模型的Kappa系數(shù)大于0.8，模擬結果具有較高的精度，可用于對南譙區(qū)土地利用變化進行預測[22]。

表4 2000—2015年南譙區(qū)土地利用類型轉移概率矩陣

3.3.2 南譙區(qū)土地利用類型預測

由南譙區(qū)土地利用類型變化預測情況來看(見表5)，2015—2020年南譙區(qū)各土地利用面積仍然有所變化，耕地面積從565.03 km2縮減到520.82 km2，居民用地面積從143.38 km2增加到184.77 km2，水域面積從66.43 km2增加到68.32 km2，林地面積從467.51 km2增加到468.44 km2，草地面積基本上沒有變化。2020—2025年各種土地利用類型的變化趨勢進一步發(fā)生改變，耕地面積減少到454.21 km2，居民用地面積增加到252.10 km2，林地面積增加到470.63 km2,水域面積有小幅度減少，減少到65.43 km2，草地面積基本沒有變化，都在3.46 km2左右。

從各類土地利用變化動態(tài)度方面可以看出，2015—2025年居民用地的活躍程度遠遠高于其他幾類用地，動態(tài)度從2015—2020年的5.77增加到2020—2025年的7.29，說明居民用地面積增加的速度越來越快，這可能與未來南譙區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展和人類活動影響有關。其他幾類用地中，耕地面積縮減程度也越來越激烈，林地面積有所增加且增加的速度較為平緩，水域面積呈先增后減趨勢但波動不大，草地面積一直都比較穩(wěn)定。

表5 南譙區(qū)各類土地利用類型變化預測

4 結束語

滁州市南譙區(qū)土地利用主要以耕地和林地為主，其次為居民用地和水域，草地面積較小。2000—2015年南譙區(qū)居民用地面積大幅增加，耕地面積嚴重縮減，水域面積增加較小，林地和草地面積基本保持穩(wěn)定。土地利用轉化活躍程度整體呈下降趨勢，土地利用結構趨于穩(wěn)定。破碎化程度增加，優(yōu)勢斑塊呈現(xiàn)分散退化趨勢，異質性增強。對南譙區(qū)2015—2025年土地利用類型面積和變化情況進行預測，結果表明土地利用結構依然以耕地和林地為主，居民用地面積增加速度遠遠高于其它幾類用地，同時耕地面積縮減嚴重，而林地面積有小幅度增加，水域面積呈現(xiàn)先增加后減少趨勢，草地面積基本保持穩(wěn)定，反映了南譙區(qū)土地利用未來的發(fā)展趨勢。