1980—2018年江蘇里下河平原景觀格局時空變化及其熱點分析

劉玉卿，張華兵，孫小祥，李玉鳳

（1. 鹽城師范學院 蘇北農業農村現代化研究院，江蘇 鹽城 224007；2. 南京師范大學 海洋科學與工程學院，江蘇 南京 210023）

景觀格局是大小、形狀、屬性不同的景觀單元在空間上的分布與組合[1]。一定區域內各種自然環境條件和社會經濟因素共同作用形成了景觀格局[2?3]。景觀格局變化研究可以揭示區域景觀演化的方向和驅動機制，預測景觀變化趨勢，進而提高區域景觀資源的可持續管理[4]。國內外學者圍繞景觀格局變化開展了大量的研究工作，研究范圍涉及流域[4]、濕地[5?7]、森林[8]與城市[9?12]等，研究內容包括景觀格局時空變化[1?2]、驅動機制[5?6,8]、生態系統服務價值[13?15]、生態環境效應[3?4,16]、生態安全分析[10,17]等。江蘇省作為經濟社會發展發達的省份之一，是景觀格局變化的熱點研究區域[18?19]。里下河平原位于江蘇省中部，是典型的平原河網區，區內眾多湖泊水系密布，是江蘇極具水鄉特色和生態價值的區域，是“南水北調”工程的重要水源地，也是淮河流域里下河地區主要的調蓄性湖泊群，其河湖健康在防洪、調蓄水量、引水排水、水體凈化及保護生物多樣性等方面具有重要的生態作用[20?21]。近年來里下河平原的景觀格局變化顯著，區域生物多樣性和生態安全遭受嚴重威脅。當前學者圍繞里下河平原的研究主要集中在水質、水系、養殖方面[20,22?23]，有學者探討里下河平原景觀格局的演變特征[6,9,24?25]，但是都以某個城市為研究對象，基于長時間序列系統研究里下河平原景觀格局時空演化的研究還鮮見報道，也未見景觀格局變化方向、分布范圍及熱點方面的分析。基于此，本研究以里下河平原為研究區，選擇1980、1990、2000、2010與2018年共5期景觀類型數據，綜合運用遙感和GIS技術，通過景觀生態學和空間熱點識別方法，分析里下河平原近40 a來的景觀格局時空變化特征及熱點區域，全面反映里下河平原景觀演變的規律和原因。

1 研究區概況

里下河平原地處江蘇省中部，北至蘇北灌溉總渠，南至通揚運河，西起里運河(里河，京杭大運河蘇中段)、東至串場河(下河)，故稱里下河平原，面積約11 556.87 km2，跨南通、泰州、揚州、淮安及鹽城5個地級市。里下河平原為亞熱帶季風氣候，區內多年平均降水量約1 000 mm，海拔為1.0～4.5 m，呈現中間低、四周高的特征，是著名的洼地[21]；全區水網密布，湖蕩相連，淡水沼澤濕地分布較為集中。通榆河、鹵丁河、興鹽界河、射陽河、泰東河及新通揚運河等縱橫交錯。里下河平原是江蘇省重要的糧食生產和水產養殖區域，對江蘇省實現高質量發展具有重要意義。區內現有總人口約1 300萬，耕地面積約8 500 km2。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

采用的1980、1990、2000、2010和2018年共5期土地利用類型矢量數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn/)。在參考GB/T 21010—2007《土地利用現狀分類》的基礎上，結合研究區景觀性質與特點，將景觀分為7個一級類型：耕地、林地、草地、湖蕩濕地、建設用地、未利用地和河流；其中，湖蕩濕地進一步分為湖泊、水庫坑塘、灘地與沼澤地。里下河平原5期景觀類型圖如圖1所示。

圖1 研究區1980—2018年景觀類型示意圖Figure 1 Landscape type of the study area from 1980 to 2018

2.2 研究方法

2.2.1 景觀格局變化 采用景觀格局指數[3?4]、景觀轉移矩陣分析里下河平原近40 a來的景觀格局變化規律。根據研究需要，在景觀水平上選取7種景觀格局指數，包括平均斑塊面積(AREA_MN)、平均形狀指數(SHAPE_MN)、平均分形維數(FRAC_MN)、景觀形狀指數(LSI)、聚集度(AI)、香農多樣性指數(SHDI)以及香農均勻度指數(SHEI)。研究所用的軟件為Fragstats 4.2。基于ArcGIS 10.2軟件，采用景觀轉移矩陣分析研究區各景觀類型的面積轉移關系，詳細的計算方法參考文獻[5, 18]。

2.2.2 景觀綜合動態度 景觀綜合動態度用來表征研究區景觀類型的變化速度[25]。采用景觀綜合動態度來揭示里下河平原不同研究時段景觀類型的動態變化。為探究里下河平原不同時期景觀動態變化的空間差異，對研究區進行網格化處理。參考相關文獻和考慮研究區實際情況，采用5 km×5 km格網，總計524個格網，分別計算不同時期每個格網的景觀綜合動態度。格網景觀綜合動態度的計算公式如下：

其中：LCx為網格內的景觀綜合動態度，sxi為格網x上的某景觀類型在T時段初期的面積，Δsx(i?j)為格網x上的某景觀類型x在T時段內轉化為j景觀類型面積的絕對值，T為研究時段。運用ArcGIS 10.2中的自然斷點法劃分等級。

2.2.3 標準差橢圓 標準差橢圓可以在一定程度上反映研究要素的總體輪廓和主導分布方向[26?27]。標準差橢圓工具由3個基本要素組成，長半軸代表數據演化的主導方向，短半軸表示數據分布的范圍，具體的計算過程見文獻[28]。采用標準差橢圓分析里下河平原1980—2018年不同時期景觀類型變化的方向和速度。

2.2.4 熱點分析 熱點分析可以得到高值或低值要素在空間上的集聚狀況，具體的計算公式可參考文獻[29?30]。采用Getis-Ord Gi*熱點分析工具對里下河平原1980—2018年的景觀綜合動態度進行冷熱點統計。

3 結果分析

3.1 景觀結構變化

里下河平原優勢景觀類型為耕地、湖蕩濕地與建設用地，近40 a來在景觀結構組成上變化明顯(表1)。從1980到2018年，耕地面積持續減少了1 000.67 km2，減少幅度達10.45%，耕地在景觀結構中的比例也從82.84%下降到74.18%。近40 a，湖蕩濕地和河流面積表現出增加的趨勢，其中，湖蕩濕地面積從902.29 km2增加到1 191.81 km2，在景觀結構中的比例從7.81%提高到10.31%。這與研究區水產養殖產業的大力發展有關；河流面積從92.88 km2增加到120.44 km2。建設用地面積從1980年的972.55 km2增加到2018年的1 652.38 km2。草地和林地面積相對較小，兩者的面積和比例呈波動變化，總體上林地面積有所增加，草地面積呈下降的趨勢。研究區從2010年開始出現了未利用地景觀，面積為5.73 km2，至2018年，未利用地面積下降到3.15 km2。

表1 里下河平原 1980—2018年景觀結構Table 1 Landscape structure of Lixiahe Plain from 1980 to 2018

3.2 景觀格局變化分析

由表2可以看出：里下河平原的景觀變化不僅體現在各景觀類型的數量變化上，還體現在各景觀類型的相互轉化。近40 a各景觀類型之間發生了顯著的相互轉化。按絕對量計算，轉出面積最大的是耕地(1 126.50 km2)，其次是建設用地(84.02 km2)，各景觀類型轉出面積從大到小依次為耕地、建設用地、湖蕩濕地、河流、草地、林地、未利用地。從轉入看，轉入面積最大的是建設用地(763.86 km2)，建設用地擴張主要來自耕地和湖蕩濕地。其次是湖蕩濕地(354.14 km2)，耕地轉變為湖蕩濕地是其面積增加的主要來源，湖蕩濕地轉入多于轉出。轉入面積從大到小依次為建設用地、湖蕩濕地、耕地、河流、林地、未利用地、草地。

表2 里下河平原 1980—2018年景觀轉移矩陣Table 2 Transfer matrix of landscape types in Lixiahe Plain from 1980 to 2018

由表3可知：近40 a來研究區景觀格局變化明顯，從1980—2018年，AREA_MN從457.824 9 hm2下降到387.378 5 hm2，減少幅度達15.39%。LSI由21.040 7上升到28.110 5，AI從81.616 5減少到75.048 8。AREA_MN與AI減小、LSI不斷增加的變化趨勢，表明研究區近40 a來景觀破碎化程度不斷加劇，斑塊形狀趨向復雜化。SHDI和SHEI分別從0.605 4和0.337 9增加到0.791 4和0.406 7，景觀多樣性和異質性增加，景觀復雜程度也在增加。研究區耕地景觀持續減少、建設用地不斷擴張、養殖水面等景觀類型快速增加，引起景觀類型的多樣性和復雜程度增加。

表3 1980—2018年景觀尺度上的景觀格局指數Table 3 Landscape indices at landscape level from 1980 to 2018

研究區景觀FRAC_MN總體上持續增大，表明區域內的景觀類型受人類活動的影響增強，景觀斑塊的形狀向不規則化發展。從1980—2018年，SHAPE_MN從1.106 7增加到1.139 8，表明景觀形狀不斷趨向復雜化。SHAPE_MN與FRAC_MN表現出一致增加的演變趨勢，表明研究區景觀類型受到了日趨增強的人類活動干擾。

3.3 景觀綜合動態度變化

由圖2可知：研究區在1980—2018年間，LCx＞0.61%的網格面積占研究區7.06%，LCx＞1.13%的只占2.10%。4期景觀綜合動態變化具有明顯的時空差異。1980—1990年間，LCx＞0.61%的網格面積占比僅2.10%，LCx＞1.13%的網格面積只占0.57%，主要分布在里下河中部的興化市內，其景觀動態變化相對較大。1990—2000年，研究區的景觀動態發生了顯著變化，由中部地區向東北和西南方向擴張，高郵市與江都區內的景觀變化速度加快。LCx＞0.61%的網格面積增加到4.39%，LCx＞1.13%的網格面積占0.57%。2000—2010年是研究區景觀變化最為劇烈的時期，大多數區域的景觀都發生了不同程度的變化。具有高動態度的網格明顯增加，LCx＞1.13%的網格面積占研究區的11.45%，LCx＞1.94%的網格面積占4.77%。2010—2018年的LCx有明顯的回落，景觀綜合動態變化有所放緩，LCx＞1.13%的網格面積減少到4.01%。里下河平原近40 a的景觀綜合動態度經歷了“緩慢變化—快速變化—變化減緩”的發展趨勢。

圖2 里下河平原景觀綜合動態度空間分布示意圖Figure 2 Spatial distribution of landscape integrated dynamic degree in Lixiahe Plain

3.4 里下河平原景觀類型變化熱點識別

里下河平原景觀變化的方向性顯著，均以“東南—西北”方向為主軸發生不同角度的傾斜(表4、圖3)。其中，1980—1990年與1990—2000年景觀變化的中心位于興化市。自2000年開始，景觀類型變化標準差橢圓中心移動至鹽都區，有較為明顯的向西北方向移動的趨勢，主軸的傾斜程度逐漸增大。

表4 各研究區間標準差橢圓參數Table 4 Standard deviation ellipse parameters in each period

圖3 研究區不同時期景觀變化標準差橢圓示意圖Figure 3 Standard deviation ellipse of landscape change

研究期間景觀類型標準差橢圓的大小變化明顯，橢圓面積在1980—1990、1990—2000、2000—2010及2010—2018年4個時期內分別為2 487.46、4 725.24、5 662.46及5 661.47 km2，表明里下河平原景觀變化在近40 a內呈現“先加劇后放緩”的特征。總體來說，4個時期的標準差橢圓變化幅度較大，范圍基本覆蓋了里下河平原經濟社會發展的主要區域。表明研究區的景觀類型從局部區域的劇烈變化擴展為更大區域的變化。

以格網為研究單元，采用ArcGIS空間統計中的Getis-Ord Gi*熱點分析工具，選取置信度大于90%的具有顯著統計特征的冷熱點，探究研究區近40 a來景觀變化的冷熱點區域(圖4)。整體而言，研究區西北方向的景觀類型發生變化的概率較小。研究區中部、東北與西南部分地區是景觀類型變化的熱點區域，以興化市、鹽都區、高郵市及江都區的景觀變化最為顯著。4個時期的熱點形成了明顯的區域差異。具體表現為1980—1990年間的中部熱點、1990—2000年的中部與西南熱點到2020—2010、2010—2018年間的東北方向上的開發熱點。除1990—2000年存在冷點區域外，其他3個時期無冷點區域。里下河平原歷來是以耕地利用為主的農業開發地區，隨著產業結構調整、人口增長和城鎮化，里下河平原已經發展成為人口密集、產業集中和交通基礎設施相對完善的地區。

圖4 近40 a里下河平原景觀動態變化熱點示意圖Figure 4 Hot spots of landscape dynamic changes in Lixiahe Plain in the past 40 years

4 結論與討論

4.1 討論

本研究系統探究了里下河平原近40 a來景觀格局的時空演化規律和熱點區域。里下河平原在1980—2018年景觀格局變化明顯，景觀破碎化程度不斷加劇，景觀多樣性、異質性與復雜程度增加。這與相關學者的研究成果基本一致，徐連芳等[6]研究表明：2002—2013年揚州市濕地景觀整體呈破碎化趨勢，景觀多樣性增加，湖泊面積下降，水庫坑塘面積上升。SHI等[18]研究表明：江蘇省在1990—2010年建設用地持續增加，耕地不斷減少，2000—2010年土地利用動態度明顯高于1990—2000年。馬帥等[19]研究表明：2000—2015年江淮生態經濟區土地利用與景觀格局變化顯著。整體上景觀異質性程度提高，類型趨于多樣化，人為因素對景觀格局的影響不斷擴大。蔡漢等[31]研究發現：受到快速城市化影響，揚州市耕地景觀生態安全不斷降低，社會經濟影響力明顯高于自然影響。

景觀格局指數的變化表明：人口增加、城市化發展、產業結構調整、生態保護政策等人為因素是里下河平原景觀格局變化的主要驅動力，深刻影響著里下河平原景觀格局的變化。里下河平原是典型的平原河網地區，20世紀80年代該地區產業結構發生了調整，開展了大規模的圍湖養殖運動，使里下河中部興化市、西南部的高郵市和江都區景觀格局發生了劇烈變化，部分天然湖泊、灘地被開發成養殖水面。近40 a來，水庫坑塘的面積增加了418.81 km2，湖泊、灘地等自然濕地的面積減少了132.78 km2。2000—2010年是里下河平原景觀格局變化最劇烈的時期，主要是由于人口增長、城鎮化進程加快和養殖產業的發展，加劇了土地需求的多樣化，大量耕地向建設用地和養殖水面轉化，部分天然湖泊也轉變成養殖魚塘。江蘇省城鎮化率由2000年的41.5%上升至2010年的60.6%[32]。這一階段耕地面積減少幅度達6.51%，城鎮建設用地面積從1 076.88增加到1 531.51 km2，擴張幅度達42.22%。2010—2018年景觀格局變化相對放緩，部分地區的養殖水面逐步恢復為天然湖泊，同時耕地保護政策使耕地面積減少幅度較前一個時期有所放緩。這得益于系列生態保護政策的實施。2008年，江蘇省頒布實施《里下河腹部地區湖泊湖蕩保護規劃》，2010年里下河湖泊湖蕩管理與保護聯席會議制度建立，里下河湖泊湖蕩網格化管理自2017年開始實施。2015年《江蘇省濕地保護總體規劃(2015—2030年)》正式施行。2017年《泰州市里下河生態經濟示范區發展規劃》正式實施，啟動興化市西北部湖蕩濕地、大縱湖、姜堰區天然湖泊退圩還湖等生態修復工程。興化市和鹽都區也聯合開展大縱湖的生態修復和退漁還湖，政策因素對里下河平原景觀格局變化的影響日益增強。

本研究還結合標準差橢圓和熱點分析探究了研究區景觀格局變化的方向、空間分布范圍及熱點，但文中未做進一步的深入探究，如不同驅動因素對景觀格局變化的影響力、貢獻度及協同影響，不同類型的人類活動對景觀格局演變及生態安全等方面的研究。里下河平原是重要的生態保護區域，城鎮化進程顯著加快，人類活動對區域景觀格局的影響日益增強，在協調經濟社會發展的同時要合理規劃景觀格局，要加大對天然湖泊濕地的恢復力度，增強河湖生態系統的連通性，提高區域景觀格局的整體連續性。

4.2 結論

①近40 a來里下河平原景觀類型面積變化顯著，耕地、草地面積分別減少了1 000.67、2.30 km2，建設用地、湖蕩濕地、河流、林地面積分別增加了679.83、289.52、27.56、2.91 km2，耕地、建設用地和湖蕩濕地用地面積變化較為劇烈。②近40 a來里下河平原景觀類型之間相互轉化頻繁，尤其以耕地與湖蕩濕地、建設用地之間的相互轉化最為顯著。耕地轉出為建設用地和湖蕩濕地的比例分別達66.35%和30.31%。耕地景觀持續轉出，湖蕩濕地的凈轉入速率不斷增加。建設用地在研究時段內都有來自耕地、湖蕩濕地等景觀類型的輸入。林地、草地與耕地之間也存在相互轉化，少量耕地與建設用地轉化為未利用地。除耕地、草地的轉出量大于轉入量以外，其他景觀類型的轉入量均大于轉出量。③標準差橢圓分析表明：近40 a研究區景觀變化的方向性顯著，以“東南—西北”為主軸傾斜，景觀變化呈現“先加劇后放緩”的特征。興化市、高郵市、鹽都區及江都區是景觀的熱點變化區域。