漓江流域2000—2020年土地利用和覆被變化時空分異特征

張軍民, 李昱橋, 榮 城

(廣西師范大學 環境與資源學院, 廣西 桂林 541000)

作為連接自然地域分異和人類空間活動的基本單元，景觀具有重要的經濟、社會、生態、美學及文化等價值，是研究人地關系和生態安全的適宜尺度[1-3]。景觀研究主要研究土地利用/覆被變化(land use and land cover change, LUCC)過程、格局及其驅動、響應、適應等[4-7]，合理有效的景觀結構、穩定的生態過程、多樣的生態服務是區域可持續發展評價的重要依據，關注景觀格局與生態過程的交互作用[8]，強調景觀生態風險是景觀格局與生態過程反饋作用的系統表達，通過景觀指數評價景觀類型及結構的空間格局、變化趨勢，分析景觀變化的環境效應和生態風險等；分析單元包括等間距采樣的格網分析法，或基于流域、行政區或干擾源來劃分風險評價單元[9-11]，從斑塊、類型與景觀3個尺度計算斑塊數量、形狀指數、分維數和多樣性、鄰接性指數等，基于“3S”平臺進行空間屬性融合、疊加以達到綜合評價，再用空間差值或計量模型進行集聚或離散分析以實現可視化表達[12-13]。由于各指數的生態含義存在信息冗余和不對稱性，實證研究中常用土地利用評價方法進行修正，如動態度(變化速度)、延展強度(變化強度)、空間差值、冷熱點識別(空間聚散效應)等，最終實現景觀格局分析與生態過程耦合、生態服務適應。如薛嵩嵩等[14]從斑塊和景觀水平，用GIS和景觀指數方法研究了烏倫古河流域景觀格局變化特征；唐常春等[15]基于GIS平臺的地學信息圖譜方法，研究了城市群LUCC數量結構與時空格局一體化耦合機理；張秋夢等[16]用GAEZ模型、景觀格局指數及GIS空間分析方法探討了中國糧食生產空間重構問題。眾多學者用景觀指數和空間分析方法研究了景觀格局時空分異規律。如王菊等[17]研究了昆明市國土“三生空間”結構特征及演變規律；焦庚英等[18]研究了縣域“三生空間”功能轉換的分異特征；田甜等[19]分析了重慶主城區土地利用類型和結構變化對地表徑流的影響機制；張鏡鋰等[20]研究了青藏高原典型區域及類型的景觀變化過程；張彪等[21]分析了北京綠色空間格局動態變化特征；謝高地等[22]研究了北京城市擴張的資源環境效應；鄭博福等[23]研究了贛南地區景觀格局變化過程及趨勢及其生態效應。目前，針對漓江流域景觀格局分異的研究較為薄弱，大多基于景觀指數方法從單一尺度分析土地利用或景觀結構變化規律，少有多尺度融合的時空分析格局研究。如林增學等[24]認為1985—2014年漓江流域土地利用類型變化不大；向蕓蕓等[25]分析了旅游開發對漓江景觀格局的時空擾動特征；何毅等[26]研究了漓江流域土地利用結構優化模式；陸丹丹等[27]研究了漓江流域土地利用結構變化趨勢。綜上所述，景觀格局研究主要依賴遙感數據和地理信息系統平臺，但在尺度依賴性和可解釋性方面存在不足，多數景觀格局指數的數理統計和幾何表達缺少生態學意義，需要更多集成多維景觀指數的綜合性實證研究。因此，本項目基于3S空間分析平臺，借助擴張強度、轉移矩陣、統計分析等動態指標，研究漓江流域景觀類型時空分異格局，用空間差值、空間自組織分析等探索時空分異的異質性，從標準格網、地形分異、行政區劃3個分析單元，揭示了漓江景觀結構時空變化和分異規律，旨在為認識流域景觀生態價值及生態城市建設提供科學依據。

1 研究區概況

漓江流域位于廣西壯族自治區(廣西)東北部的桂林市境內(地理坐標為110°07′39″—110°42′57″E，24°38′10″—25°53′59″N)，屬珠江流域西江水系桂江上游主要支流，發源于南嶺西北部越城嶺主峰貓兒山濕地，從北往南流經桂林市的興安縣、靈川縣、桂林市、陽朔縣，在平樂縣平樂鎮與荔浦河、恭城河匯合成桂江，有桃花江、小東江、南溪江、相思江等大小19條支流，全長約295.27 km，多年平均徑流量408.9 m3/s，流域面積約6 353.62 km2。漓江流域屬于典型的巖溶區和亞熱帶季風濕潤氣候，終年高溫多雨，年均溫19 ℃，年降水量1 838～1 941 mm；流域峰叢林立、山峰陡峭，山高谷深、溝谷狹長、地形破碎。山地主要分布在北部及東西兩側，其中北部上游山勢較高、中部山地低緩；中間為狹窄的巖溶侵蝕谷地，山地、丘陵面積占50%以上。

2 數據來源及研究方法

2.1 數據來源

本研究使用的2000，2010和2020年3期土地利用/覆被(LUCC)數據來源于中華人民共和國自然資源部提供的30 m全球地表覆蓋數據Globeland 30數據源(www.globallandcover.com)，數據合成經過了輻射定標、大氣校正、幾何校正等處理，數據的總體精度為85.72%，kappa系數0.82。基礎地理數據來源于中國國家基礎地理信息中心(http:∥ngcc.sbsm.gov.cn)和地理空間數據云(www.gscloud.cn)，部分數據來自桂林市經濟社會統計年鑒，從中提取研究區流域界限、高程坡度、行政界限及人口經濟等數據。根據中國土地利用/覆被遙感監測數據分類系統和《土地利用現狀分類(GB/T21010-2007)》，結合研究區實際，將土地利用/景觀類型分為耕地、林地、草地、濕地、水域、建設用地、裸地等7類，編碼分別設置為1—7，并以此建立LUCC變化景觀類型數據庫，開展流域系統LUCC時空變化分析，各類景觀要素分級標準詳見表1。

表1 各類景觀要素分級標準

2.2 研究方法

2.2.1 景觀指數計算 根據漓江流域景觀結構特征，從景觀類型、景觀格局兩個維度選擇具有典型生態指向的景觀指數。類型尺度選擇NP，PD，LPI指數，景觀尺度選擇CONTIG，CONTAG，CONNECT，SHEI，SHDI指數[22]；用Fragstats 4.2在標準參數設置下計算各類景觀指數，用移動窗口法獲得空間信息。

2.2.2 結構動態變化 用ArcGIS計算各類景觀2000—2020年變化的轉移矩陣，用轉移率計算各類景觀變化的數量、方向及趨勢特征。

(1)

式中：Cij為類型轉移率；Tij為初期第i種景觀類型轉移到末期第j種類型的面積；n為景觀類型。

用變化強度模型計算景觀數量、類型及面積變化速度，以表征各類景觀轉移或變化的活躍程度：

V=(Pb-Pa)/T

(2)

式中：V為某類景觀變化的擴張度；Pb，Pa分別表示該地類末期、初期的面積；T為研究時段，以表示某地類年變化率，反映各地類的變化強度及方向差異。

2.2.3 時空分異格局 用ArcGIS將景觀指數、動態變化等數據添加到空間單元中并經融合、疊加、統計計算后，用GeoDa空間自組織分析、IDW反距離權重差值方法，實現對景觀結構時空分異格局的特征分析和分異探測。

(1) 反距離權重差值分析。反距離權重差值是根據空間單元的距離來估算空間點群平滑值的一種方法，待差值點的取值可用周圍若干距離內樣點值的加權和來估算，其權重與兩點間距離成反比。空間任一點p的屬性估計值為[28]。

(3)

(2) 空間自相關分析。空間自相關性是由地理區位或鄰接關系產生的空間依賴性和空間異質性表達，是對地域體系內各要素空間分布結構的統計學測度[28]。

全局莫蘭指數(GISA)：

(4)

式中：Wij為i要素相當于j的權重；S2為所有素權重的集合；xi，xj是要素i，j值I全局莫蘭指數，是具有空間依賴的一組地理要素在研究區域內表現出的整體空間集聚、分散模式。I的取值為0表示空間結構呈隨機分布形態，各單元不存在空間相互作用；I取值為1則表示空間結構完全依賴距離變化，具有顯著的地域分異特性。

3 結果和分析

3.1 景觀類型及結構特征

對2000，2010，2020年3期土地利用分類數據進行統計分析得到漓江流域景觀結構現狀及變化數據(表2)。

表2 漓江流域2000—2020年景觀類型面積及變化

(1) 景觀結構現狀特征。分析表2得出，漓江流域土地總面積6 353.62 km2，土地利用/覆被類型包括耕地、林地、草地、濕地、水域、建設用地、裸地等7個1級類型，其中林地面積最大，占流域總面積超過65%，其次是耕地，占25%以上，二者合計占流域總面積的90%以上，是景觀結構的主體和景觀生態的核心；其他類型面積都較小，建設用地僅占4.39%，草地僅占2.16%，水域占1.58%，濕地、裸地占比小于0.05%。

(2) 景觀結構變化趨勢。計算LUCC面積及變化強度，可掌握各類景觀的變化方向、強度及趨勢。分析2000—2020年各類景觀面積變化可以看出(表2，圖1)，林地、耕地變率小于0.37%，主體地位十分穩定外，其他景觀類型變化較大，景觀結構變化不顯著；其中建設用地、水域分別增長了163.41%，39.13%，而裸地、濕地分別減少了98.71%，59.46%。這反映了漓江流域以林地、耕地為主體，景觀結構相對穩定，景觀生態質量較好。分析面積擴張強度(圖1)可以看出，建設用地擴張最劇烈，且呈持續快速增長趨勢，2010—2000年和2020—2010年分別年均擴張1.22%，13.48%，裸地面積減少最明顯，但減勢減弱。這表明建設用地快速增長是景觀結構變化的主要方向，城鎮化是其變化的主要脅迫。

圖1 漓江流域各地類面積變化及變化強度

分析各地區景觀結構及變化趨勢(圖2)可以看出，漓江流域各市縣均以林地、耕地為主，其中位于流域上游的興安縣、靈川縣林地占比分別為79.33%，73.68%，旅游中心陽朔縣也高達68.05%；城鎮化中心桂林市及臨桂區林地僅占42.92%，35.34%，但桂林市、臨桂區、陽朔縣耕地占比卻分別高達36.32%，46.31%，29.92%，耕地后備充足。分析擴張度(圖2)可以看出，建設用地變化總強度(正負變化總和)達到年均72.98%，其中桂林新區臨桂區年均增長達37.79%，興安縣的水體年均增長31.81%，陽朔的草地年均增長30.45%。其次是水體、草地分別為45.44%，42.75%，而主體景觀耕地、林地變化總強度僅為年均3.59%，1.36%，變化穩定。這表明流域上游森林覆蓋明顯高于中心城鎮桂林市，但耕地占比較低；旅游中心陽朔縣林地、耕地占比均較高，桂林市建設用地擴張明顯。

圖2 漓江流域各縣域景觀結構現狀及變化趨勢

(3) 土地利用類型轉移趨向。用式1計算土地利用轉移矩陣得到表3。采用公式(2)計算各類型變化強度得到表4。分析表3可以看出，2020—2000年漓江流域耕地、林地轉出總量較大。耕地共轉出200.97 km2，其中61.67%轉為建設用地，23.18%轉為林地、12.33%轉為水域；林地轉出192.88 km2，分別轉為耕地、建設用地、草地的比例為52.26%，22.33%，17.80%。轉入數量最大的是林地，共轉入207.52 km2，其中分別由裸地、耕地、草地轉入的比例為59.87%，22.44%，13.97%；其次是耕地共轉入194.99 km2，主要由林地(占51.69%)、裸地(占29.89%)轉入；建設用地共轉入182.11 km2，主要由耕地(占68.06%)、林地(23.65%)轉入。從轉移強度分析(表4)，林地、耕地和建設用地轉換強度最大，景觀類型變化面積大，頻次高，而水域、濕地變化最不活躍，流域水系生態系統保持較好；從轉移方向看，建設用地的轉入遠大于轉出，裸地轉出遠大于轉入，其他景觀變化基本平穩。這表明城鎮化建設活躍，對景觀結構動態變化影響并不大。

表3 漓江流域2000—2020土地利用面積轉移矩陣 km2

表4 漓江流域2000—2020土地利用轉移方向 %

3.2 景觀指數結構及其變化特征

在Fragstate 4.2上選擇景觀類型及格局層次分別計算NP，PD，LPI和CONTIG，CONTAG，CONNECT，SHEI，SHDI指數，在Excel中計算各類指數結構。比較和分析3期數據變化特征得到圖3和表4。

3.2.1 斑塊類型層次

(1) CA，LPI指數。斑塊面積CA是各種土地利用類型面積占總面積的比例，優勢度LPI是最大斑塊面積占比，二者都是度量景觀結構及其生態意義的基礎，是反映景觀組分在斑塊結構中的作用的重要指標，其值越大表示該景觀類型越穩定，在景觀結構中的地位越重要。分析圖3可以看出，林地、耕地斑塊面積和優勢度最大，具有重要的生態穩定價值，而其他地類CA，LPI值都極小，且2000—2020年變化非常平穩，表明漓江流域生態環境質量較好、變化穩定，景觀結構及質量受人類活動干擾不顯著。

(2) NP，PD指數。斑塊數NP和斑塊密度PD指數集中反映了景觀結構的破碎化程度，其值越大表明景觀分布越離散，其生境的異質性越大、穩定性越差。分析圖3可以看出，草地的NP，PD值始終最大，其次是林地，其余類型均較小，2000—2020年變化極小，表明草地、林地分布破碎，建設用地、耕地較完整，城鎮化對景觀結構擾動較小，水域特別是濕地生態保持良好。

圖3 漓江流域斑塊類型指數及其變化

3.2.2 景觀格局尺度

(1) SHDI，SHEI指數。香農多樣性指數SHDI、香農均勻度SHEI，都是反映景觀生態系統多樣性和異質性的正向指標，其值越大表明景觀類型越豐富、分布越均衡，景觀生態系統抗干擾能力越強。

分析圖4可以得出，漓江流域SHDI值明顯大于SHEI值，2000—2020年分別年均減少0.17%和0.42%，其中2000—2010年降幅較大，2010—2020年略有上升，表明流域景觀類型多樣性豐富，景觀分布不均衡；2000—2020年來指數變化極小。

圖4 漓江流域景觀類型指數及其變化

(2) LPI，CONTAG指數。景觀優勢度LPI反映了景觀類型的團聚或集聚程度，而連通性指數CONTAG表達了各景觀類型的延展或貫通程度，其值高表明景觀結構集聚而連續，生態環境良好，抗干擾能力較強；反之則分散而碎碎，系統穩定性較差。分析圖4可以看出，漓江流域的景觀連通性指數明顯大于景觀優勢度指數，2000—2020年連通度略年均增加了0.13%，而優勢度年均減少了0.29%。表明流域各景觀格局連通性或延展性較好，而空間分布較分散或離散，人類擾動使其差異趨大。

3.3 景觀指數格局時空分異

3.3.1 景觀格局分異過程 采用滑動窗口法對景觀類型和格局尺度指數進行空間分析，經反復測試后選擇 3 km×3 km格網計算均值，再將景觀指數空間數據添加到Fishnet格網中，用ArcGIS的反距離權重法(公式3)對其進行空間差值計算，經多次驗證后，設置輸出像元大小為30 m，搜索最大相鄰要素數為12，冪值取2，再用動態度模型計算各類指數的變化強度。分析圖5和表5可以看出： ①連通性指數CONTAG、優勢度LPI指數都在桂林、陽朔形成低值中心，而在上游山地區為高值連片、中游山地區高值離散分布，形成城鎮及旅游活躍區低值集聚，山地區高值連片分布格局。2000—2020年變化較小，僅分別累計增長了0.71%，0.35%，景觀格局穩定。2000—2020年CONTAG、LPI低值中心面積分別擴大了232.61和209.13 km2，年均擴張度分別為1.52%，0.98%；而CONTAG，LPI高值中心面積分別減少了91.06和49.35 km2，年均收縮0.49%和0.25%，收減最大的中值區面積分別減少了190.69和205.14 km2，分別年均減少0.50%和0.58%。表明城鎮地區景觀結構的穩定性和適應性顯著弱于周邊山地區；2000—2020年城鎮景觀結構趨向緊湊，而周邊景觀趨于破碎，景觀結構適應性減弱，這種變化在城市周邊(中值區)表現最明顯。 ②香農多樣性指數SHDI、香農均勻性指數SHEI都在桂林市、陽朔縣形成高值中心，而興安、靈川縣為低值中心，城鎮周邊區低值散布，形成城鎮及旅游活躍區高值集聚，山地區低值連片分布格局。2000—2020年變化較小，SHDI，SHEI值累計分別增長了3.53%和0.20%，景觀格局穩定；SHDI，SHEI高值中心面積分別擴大了450.58和31.85 km2，年均擴張度分別為4.67%，0.19%；而SHDI，SHEI低值中心面積分別減少了93.46和47.66 km2，年均收縮0.34%和0.18%，收減最大的中值區面積分別減少了478.42和227.60 km2，分別年均減少1.30%和0.71%。表明城鎮景觀多樣性、均勻度顯著高于周邊山地區，景觀結構較穩定，向周邊特別是上游山地區逐漸減小，景觀穩定性減弱；2000—2020年景觀結構穩定性趨于增強，這種變化在城市周邊(中值區)表現最明顯。

圖5 漓江流域2020年各類景觀指數空間IDW差值

表5 漓江流域2000—2020年各景觀指數面積及擴張度變化

3.3.2 景觀格局分異特征 為精確識別景觀結構分異特征，進一步采用空間探索性分析方法求解全局莫蘭指數得到景觀連通性、優勢度及多樣性、均勻性指數全局Moran’I指數分別為0.466，0.466，0.665和0.651，Z值分別為16.80，16.80，26.27和26.68，p值均小于置信度0.05，計算結果都通過了Z值檢驗，說明漓江流域景觀格局指數存在較顯著的空間依賴性，表現為正向相關性，即高值區與高值區相鄰、低值區與低值區相隨，多樣性、均勻性指數表現更為顯著。表明漓江流域景觀指數結構受相似的發生環境和分異因素影響而具有空間集聚性分布特征，景觀尺度較類型尺度的表現更為明顯。采用公式(4)測度局部莫蘭指數得到圖6。

分析圖6可以看出，連接性指數CONNECT和延展性指數CONTAG都在山區形成高—高相鄰的熱點，而在桂林市和陽朔縣形成低—低相伴的冷點；而多樣性、均勻性指數卻在中心城市桂林及陽朔風景區形成高—高相伴的熱點，而在上游及周邊山區低—低相隨的冷點，表明城鎮擴張及旅游活動是漓江流域景觀格局分異的主要驅動。

圖6 漓江流域2020年各類景觀局部Moran’I指數分布

4 討論與結論

4.1 討 論

景觀類型、結構及格局時空分異是景觀生態學研究的基礎，是提高景觀變化預測及其生態環境效應評價精度的關鍵。本研究從標準格網和自然、行政區域三維空間一體化視角，計算了漓江流域LUCC景觀類型總量結構及其變化特征，度量景觀指數結構、分異格局及其變化趨勢，結合城鎮化及區域發展地域特征，探索了漓江流域LUCC變化過程、格局，用多尺度景觀指數及空間結構動態分析方法診斷了漓江流域LUCC時空分異規律，探究了其地域分異規律和主要影響因子，得出了漓江流域景觀類型豐富、景觀生態良好、結構變化穩定，城鎮化與非城鎮化地區景觀格局分異顯著，人類活動擾動不明顯，生態文明建設潛力較大等結果，豐富和拓展了漓江流域相關研究領域[24-26]。但同時還存在數據豐度和精度不夠、影響因素及機理不準、結構關系及效應不明等問題；需要進一步開發適用高效的時空分析平臺和智能計算模型，提高LUCC分類識別、空間賦值、過程反演及格局量化的針對性和有效性使LUCC研究成果更好地服務于漓江流域生態城市及生態旅游建設規劃。

4.2 結 論

(1) 漓江流域以林地、耕地為主體景觀，占景觀面積的比例超過90%，2000—2020年其面積變率小于0.37%，擴張強度小于年均3.59%，表明流域景觀生態良好，景觀結構穩定。建設用地增長最快、擴張顯著，2000—2020年其面積增長了163.41%，年均變化率72%，其中臨桂新區面積年均擴張37.79%，城鎮化是流域景觀類型及結構變化的主要驅動。2000—2020年漓江建設用地擴張劇烈，林地、耕地轉換頻次高但強度低，水系生態系統保持較好，表明城鎮化建設活躍，對景觀結構及其質量影響不顯著。

(2) 林地、耕地斑塊面積和優勢度最大，具有重要的生態穩定價值，而其他景觀類型的CA，LPI值都極小，且2000—2020年變化非常平穩，景觀結構及質量受人類活動干擾不顯著。草地的NP，PD值始終最大，其破碎化和離散性最顯著，人類活動對草地景觀形態的擾動最顯著，對耕地的干擾也較明顯，而對水域特別是濕地影響較小，水生態保持良好。景觀尺度上：流域景觀類型多樣性豐富，景觀分布也較均衡，景觀結構穩定，2000—2020年雖略有下降，但降幅收窄。景觀格局連通性或延展性較好，空間分布較分散或離散，人類擾動使其差異趨大。

(3) 連通性和優勢度指數在山地區形成高值中心，在城鎮形成低值中心，城鎮化增加了景觀結構的脆弱性；多樣性和均勻度指數在桂林、陽朔形成高值中心，而在興安、靈州區形成低值中心，城鎮化地區景觀結構趨向穩定，但使山區景觀穩定性減弱，這種變化在城市周邊(中值區)表現最明顯。流域景觀格局指數存在較顯著的空間依賴性，表現為高值區與高值區相鄰、低值區與低值區相隨的正相關性，多樣性、均勻性指數表現更為顯著。其中延展性指數、連接性指數都在山區形成高高相鄰的熱點，而在桂林市和陽朔縣形成低低相伴的冷點；而多樣性、均勻性指數卻相反，表明漓江流域景觀指數結構受相似的發生環境和分異因素影響而具有空間集聚性分布特征，城鎮擴張及旅游活動是漓江流域景觀格局分異的主要驅動，景觀尺度較類型尺度的表現更為明顯。