湖州市景觀破碎化時(shí)空演化及驅(qū)動(dòng)力研究

摘要：為了合理利用土地資源，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，文章以湖州市為例，基于2005年-2020年的土地利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)，運(yùn)用景觀格局指數(shù)、主成分分析、地理探測器等方法，研究景觀破碎化時(shí)空變化特征，并初步探究景觀破碎化空間分異成因。結(jié)果表明：湖州市景觀破碎化程度總體呈增加趨勢，2010年-2015年增加幅度最大；景觀破碎化空間分異特征明顯，東北部和東部平原區(qū)高于西南部和西北部山區(qū)。體現(xiàn)出湖州市對土地資源的開發(fā)利用過程中尊重自然規(guī)律，保護(hù)自然環(huán)境的發(fā)展理念；景觀破碎化空間分異受坡度影響最大，其次是建設(shè)用地強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：景觀破碎化；景觀格局指數(shù)；主成分分析；地理探測器；湖州市

中圖分類號：X171 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

前言

景觀破碎化是指因自然或人文因素的干擾所導(dǎo)致的景觀由簡單趨向于復(fù)雜的過程，它直接影響景觀結(jié)構(gòu)、功能與過程的變化，嚴(yán)重時(shí)對生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性造成不利影響。景觀破碎化的研究主要為景觀破碎化時(shí)空變化特征的研究、景觀破碎化驅(qū)動(dòng)力研究和景觀破碎化影響研究三大方面。景觀破碎化時(shí)空變化特征研究通常采用景觀指數(shù)法，研究區(qū)域多為流域、城市和綠洲等受人類干擾嚴(yán)重的區(qū)域、生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)和需要重點(diǎn)保護(hù)的地區(qū)。景觀破碎化驅(qū)動(dòng)因子的研究，主要根據(jù)不同區(qū)域特點(diǎn)，選取自然和社會經(jīng)濟(jì)因子，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析景觀破碎化與驅(qū)動(dòng)因子之間的關(guān)系。

湖州市是滬、杭、寧三大城市的共同腹地，是連接長三角南北兩翼和東中部地區(qū)的節(jié)點(diǎn)城市，近十幾年來由于城市建設(shè)及各類基礎(chǔ)設(shè)施的修建，湖州市景觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了不同程度的變化，影響經(jīng)濟(jì)社會的高質(zhì)量發(fā)展。文章以2005年-2020年湖州市土地利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，選取多個(gè)景觀指數(shù)研究景觀破碎化的時(shí)空變化特征，運(yùn)用主成分分析法將多個(gè)景觀指數(shù)轉(zhuǎn)化為綜合景觀指數(shù)，對景觀破碎化進(jìn)行綜合分析。選取8個(gè)驅(qū)動(dòng)因子，利用地理探測器探測景觀破碎化的空間分異成因。為湖州市土地資源管理和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供參考。

1研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1研究區(qū)概況

湖州市位于浙江省北部，浙蘇皖三省交匯處。地勢大致由西南向東北傾斜，西部多山，西南部為天目山北坡及其余脈，西北部為低山丘陵與平原相間，最高峰龍王山海拔1 587米。東部為平原水網(wǎng)區(qū)，平均海拔僅3米左右。屬北亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明。山地面積較大，地形起伏，垂直氣候差異較明顯。全市年平均氣溫12.2℃-17.3℃，年降水量761-1 780毫米。境內(nèi)有苕溪水系、杭嘉湖平原水系和長興平原水系共三大水系?，F(xiàn)有森林覆蓋率為48.15％，有3個(gè)自然保護(hù)區(qū)，14個(gè)自然公園。區(qū)內(nèi)景觀類型以林地和耕地為主，建設(shè)用地和水域次之，2020年湖州市遙感影像如圖1所示。十幾年來，本區(qū)耕地面積減少，建設(shè)用地面積增加，導(dǎo)致區(qū)內(nèi)景觀出現(xiàn)破碎化，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能受到一定的影響。

1.2數(shù)據(jù)來源

文章所使用的2005年、2010年、2015年、2020年湖州市土地利用數(shù)據(jù)來源于美國地質(zhì)調(diào)查局平臺（https：//www.usgs.gov）獲取的Landsat5（7、8）TM/ETM+影像，空間分辨率為30 m，依據(jù)研究目的參照中國環(huán)境監(jiān)測總站制定的2005年《全國生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與評價(jià)技術(shù)方案》中的全國生態(tài)遙感監(jiān)測土地利用覆被分類體系，將區(qū)內(nèi)用地類別劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地。在已有土地利用數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對2005年-2020年4期Iandsat影像數(shù)據(jù)進(jìn)行人工目視解譯，得到4期湖州市土地利用／土地覆蓋數(shù)據(jù)。選取樣本進(jìn)行野外驗(yàn)證，一級分類解譯精度大于90％。GDP、人口數(shù)據(jù)、年平均氣溫和年降水量數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)云平臺（https：//www.resde.cn），空間分辨率1 km×1 km；Dem數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云（https：//www.gscloud cn/）的ASTER GDEM數(shù)據(jù)，分辨率30 m×30 m；公路數(shù)據(jù)來自于地理空間數(shù)據(jù)云（https：／／www.gscloud cn/）的地理信息數(shù)據(jù)中的中國各級行政、河流和道路等基本要素矢量數(shù)據(jù)。

2研究方法

2.1景觀指數(shù)計(jì)算

景觀格局指數(shù)能從多方面有效描述研究區(qū)景觀結(jié)構(gòu)及景觀破碎化的空間分布特征，根據(jù)研究目的和湖州市景觀現(xiàn)狀，選取斑塊密度（PD）、邊緣密度（ED）、香濃多樣性指數(shù)（SHDI）和蔓延度（CONTAG）指數(shù)共4個(gè)指標(biāo)，采用Fragstats的總體景觀格局指數(shù)計(jì)算湖州市域景觀指數(shù)；選取PD、ED、CONTAG、聚合度指數(shù)（AI）、分離度（DMSION）、香濃多樣性指標(biāo)（SHDI）和景觀豐富度（PRD）共7個(gè)指標(biāo)，采用Fragstats的移動(dòng)窗口法計(jì)算網(wǎng)格尺度的景觀指數(shù)。移動(dòng)窗口半徑直接關(guān)系到區(qū)域景觀特征的準(zhǔn)確性，文章在移動(dòng)窗口法的基礎(chǔ)上，選擇900 m，1500m，3 000m和4 500m作為移動(dòng)窗口半徑，進(jìn)行景觀破碎化情況對比分析，發(fā)現(xiàn)3 000 m能較好反映出研究區(qū)景觀破碎化的情況，確定網(wǎng)格大小為3 km x3 km。

2.2空間統(tǒng)計(jì)分析

采用空間統(tǒng)計(jì)方法中主成分分析法，利用IBMSPSS Statistics 26軟件對網(wǎng)格尺度的7個(gè)景觀格局指數(shù)進(jìn)行降維處理，將多個(gè)景觀格局指數(shù)變量轉(zhuǎn)化為單個(gè)綜合變量，對湖州市景觀破碎化程度進(jìn)行綜合分析。

2.3地理探測器

地理探測器是探測空間分異性，以及揭示背后驅(qū)動(dòng)力的一組統(tǒng)計(jì)學(xué)方法。核心思想是基于這樣的假設(shè)：如果某個(gè)自變量對某個(gè)因變量有重要影響，那么自變量和因變量的空間分布應(yīng)具有相似性。地理探測器主要由因子探測、交互探測、生態(tài)探測和風(fēng)險(xiǎn)探測組成。研究采用因子探測和交互探測兩個(gè)模塊，探測湖州市景觀破碎化成因的空間分異性并揭示其驅(qū)動(dòng)力，地理探測器模型見文獻(xiàn)。

3結(jié)果與分析

3.1景觀格局指數(shù)時(shí)空變化分析

以市域尺度為研究單元，湖州市景觀破碎化程度總體呈增加趨勢（如表1所示）。在研究期內(nèi)，PD、ED和SHDI均呈增加的趨勢；CONTAG呈減少的趨勢。表明研究期內(nèi)，湖州市景觀斑塊密度增加，小斑塊增多；邊界密度增加，景觀在邊緣形狀上向不規(guī)則趨勢發(fā)展；景觀斑塊團(tuán)聚程度變小，破碎度呈增加的趨勢；景觀類型趨于多樣化。

研究期內(nèi)，各景觀指數(shù)變化幅度總體上呈先增加后減少的趨勢，2005年-2010年和2015年-2020年變化幅度較小，2010年-2015年，各景觀指數(shù)變化幅度較大。表明2010年-2015年湖州市對土地的開發(fā)利用程度較大。

以網(wǎng)格為研究單元，2005年-2020年，湖州市景觀破碎化呈增加趨勢，其中PD、ED、DMSION、SHDI和PRD指數(shù)逐年增高，相對高值區(qū)分布面積逐年增大；CONTAG和AI指數(shù)逐年降低，低值區(qū)分布面積逐年增大。景觀破碎程度逐漸增高，景觀斑塊的延伸趨勢降低，景觀斑塊聚合程度降低。研究期內(nèi)，各景觀指數(shù)變化幅度呈先增加后減少趨勢，2010年-2015年各景觀指數(shù)增加幅度最大，如表2所示。景觀破碎化空間分異特征明顯，東北部、東部平原區(qū)的PD、ED、DIVISION、SHDI和PRD值高于西南部和西北部山區(qū)；CONTAG和AI的高值區(qū)分布于山區(qū)，低值區(qū)分布在城鎮(zhèn)建成區(qū)。