1986-2013年南京市土地利用/覆被景觀格局時空變化及驅(qū)動力因素分析

佟光臣, 林 杰, 陳 杭, 顧哲衍, 唐 鵬, 張金池

(1.江蘇省南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心, 江蘇省水土保持與生態(tài)修復(fù)重點實驗室, 南京 210037;2.江蘇省水利勘測設(shè)計研究院有限公司, 江蘇 揚州 225127)

1986-2013年南京市土地利用/覆被景觀格局時空變化及驅(qū)動力因素分析

佟光臣1, 林 杰1, 陳 杭2, 顧哲衍2, 唐 鵬1, 張金池1

(1.江蘇省南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心, 江蘇省水土保持與生態(tài)修復(fù)重點實驗室, 南京 210037;2.江蘇省水利勘測設(shè)計研究院有限公司, 江蘇 揚州 225127)

以南京市為研究對象，采用南京市1986年、1996年、2002年、2013年的四期土地利用/覆被數(shù)據(jù)，運用景觀生態(tài)學(xué)原理，借助ArcGIS軟件和Fragstats軟件，從土地利用類型結(jié)構(gòu)、變化速度、轉(zhuǎn)化關(guān)系和景觀格局等方面分析南京市近30年土地利用/覆被和景觀格局的時空變化狀況及其驅(qū)動因素。結(jié)果表明：(1) 南京市近30 a中土地利用/覆被發(fā)生了劇烈變化，耕地在整個研究區(qū)起到主導(dǎo)作用，其面積比例均在48%以上，但是其優(yōu)勢度逐漸降低，大量自然景觀向人為景觀轉(zhuǎn)變是研究區(qū)土地利用變化最顯著的特征；(2) 整體景觀類型變化速度都在增大，而草地和其他用地變化最為活躍，林地相對最穩(wěn)定，土地利用結(jié)構(gòu)處于快速調(diào)整階段；(3) 耕地的轉(zhuǎn)出最大，主要轉(zhuǎn)向為居民點及建設(shè)用地；(4) 景觀格局變化明顯，破碎化程度越來越高，景觀格局趨向復(fù)雜化，景觀結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性增加；(5) 人口增長、經(jīng)濟發(fā)展、區(qū)域政策和城市規(guī)劃等共同推動了研究區(qū)景觀格局的變化。該研究結(jié)果對于南京市的科學(xué)規(guī)劃及可持續(xù)發(fā)展提供重要參考。

土地利用; 景觀格局; 驅(qū)動力因素; 南京市

當(dāng)下，許多發(fā)展中國家正經(jīng)歷著城市化浪潮，城市化發(fā)展勢頭迅猛，成為根本上改變?nèi)蛲恋乩?覆被景觀格局的最強大因素，引起土地利用/覆被景觀格局和動態(tài)演變的復(fù)雜化，進而對生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和演變造成了深刻的影響[1]，產(chǎn)生諸如城市熱島效應(yīng)[2-3]、地表徑流與土壤侵蝕[4-5]、土壤性質(zhì)變異[6-8]、水資源污染[9]、生物多樣性減少[10]等問題。目前，土地利用/覆被變化及景觀格局變化是地理學(xué)和景觀生態(tài)學(xué)領(lǐng)域長期關(guān)注的熱點問題[11-12]，也已成為全球變化研究的前沿和熱點課題[13-15]。賈保全[16]等選擇南京市1995年、2000年、2008年的土地利用數(shù)據(jù)，從景觀轉(zhuǎn)移矩陣與景觀斑塊的空間穩(wěn)定性進行了探討，王慧[17]選擇南京市1989年、2000年、2009年土地利用數(shù)據(jù)，從南京市土地利用現(xiàn)狀及變化情況、景觀格局變化特征、馬爾科夫模型預(yù)測三方面對南京市景觀格局演變及發(fā)展趨勢作了分析。南京作為長三角地區(qū)重要的中心城市，自改革開放后經(jīng)濟發(fā)展突飛猛進，在十二五時期(2011—2015)，通過撤縣設(shè)區(qū)調(diào)整行政區(qū)劃進入了“無縣時代”，同時為舉辦2014年青奧會而進行一系列大規(guī)模的城市建設(shè)活動，城市土地利用/覆被變化劇烈，因此有必要增加時間序列來分析從改革開放到現(xiàn)在的南京市景觀格局演變過程及驅(qū)動因素。

本文以南京市為研究對象，從土地利用變化速度、轉(zhuǎn)移方向、景觀指數(shù)和驅(qū)動力因素等方面探索城市土地利用及景觀格局時空動態(tài)變化對快速城市化進程的響應(yīng)，以期為南京市土地資源可持續(xù)開發(fā)和利用、生態(tài)環(huán)境保護等提供重要參考。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

南京市，簡稱寧，江蘇省省會，地處中國東部地區(qū)，是長江三角洲重要的中心城市。地理坐標(biāo)為31°14″—32°37″N,118°22″—119°14″E。全市總面積為6 582 km2?，F(xiàn)轄玄武區(qū)、秦淮區(qū)、建鄴區(qū)、鼓樓區(qū)、雨花臺區(qū)、棲霞區(qū)、浦口區(qū)、江寧區(qū)、六合區(qū)、溧水區(qū)和高淳區(qū)11個區(qū)。氣候?qū)儆诒眮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，年降水1 200 mm，年平均溫度15.4°C。改革開放后南京市社會經(jīng)濟快速發(fā)展，截至2013年末全市戶籍總?cè)丝跒?43.09萬人，常住人口為818.78萬人，GDP為8 011.7億元。南京市第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)的比重由1986年的14.1∶60.9∶25.0，轉(zhuǎn)變?yōu)?013年的2.55∶43.07∶54.38。

1.2 數(shù)據(jù)源及其預(yù)處理

部分數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供的1986年、1996年、2002年三期土地利用覆被數(shù)據(jù)。另外2013年南京市土地利用覆被數(shù)據(jù)是基于南京市2013年8月11日30 m分辨率Landsat8 OLI影像數(shù)據(jù)矢量化得到，影像可在美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)官網(wǎng)免費下載。首先應(yīng)用ENVI 5.1軟件對該影像進行輻射定標(biāo)、大氣糾正、圖像融合(與第八波段15 m分辨率的全色波段融合)、幾何裁剪等處理，然后導(dǎo)入ArcGIS 9.3軟件進行人機交互解譯。經(jīng)實地采樣驗證，解譯精度在88%以上，滿足本研究需要，至此，共建立4期LUCC數(shù)據(jù)庫。

2 研究方法

2.1 土地利用類型劃分

2013年數(shù)據(jù)處理的土地利用分類標(biāo)準為了與前三期數(shù)據(jù)相一致，采用全國農(nóng)業(yè)區(qū)劃委員會1984年9月發(fā)布的《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》制定的《土地利用現(xiàn)狀分類及含義》?？紤]到研究區(qū)情況，最終將土地利用景觀類型劃分為6類：耕地、林地、草地、居民點及建設(shè)用地、水域、其他用地。

2.2 土地利用變化分析

2.2.1 南京市土地利用變化分析 為充分反映南京市土地利用在時間和空間上的動態(tài)演變過程，分別采用單一土地利用類型動態(tài)度、綜合土地利用動態(tài)度[18-19]和土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，從不同景觀類型各研究時段內(nèi)的變化差異、劇烈程度以及土地利用類型變化的主導(dǎo)過程3方面對南京市土地利用變化進行解析，主要計算公式如下：

(1) 單一土地利用類型動態(tài)度

(2) 綜合土地利用動態(tài)度

式中：LC為綜合土地利用類型動態(tài)度；LCi為研究初期第i類土地利用類型的面積(hm2)；ΔLUi-j為研究時段內(nèi)第i類土地利用類型轉(zhuǎn)為其他土地利用類型面積的絕對值(hm2)；T2-T1為研究時段(a)。

(3) 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣。轉(zhuǎn)移概率矩陣在景觀動態(tài)分析中被廣泛使用，該方法可以全面顯示區(qū)域土地利用變化的細節(jié)結(jié)構(gòu)特征。研究中采用土地利用面積作為土地利用狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣中的向量，制作了1986—1996，1996—2002，2002—2013年三個時期的轉(zhuǎn)移概率矩陣。

2.2.2 南京市土地利用景觀格局變化分析 景觀指數(shù)能夠定量描述景觀空間結(jié)構(gòu)和格局的變化，本文分別從景觀水平和斑塊類型2個尺度方面選用被國內(nèi)外廣泛使用且公式意義明確的指標(biāo)進行景觀格局分析。首先在斑塊類型上主要選擇斑塊數(shù)(NP)、斑塊類型比例(PLAND)、平均斑塊面積(AREA_MN)、周長—面積分維數(shù)(PAFRAC)；景觀水平上主要選擇多樣性指數(shù)(SHDI)、均勻度指數(shù)(SHEI)、景觀分離度(DⅣISION)、斑塊密度(PD)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)、景觀連通度指數(shù)(COHESION)。各類指標(biāo)的計算公式及生態(tài)學(xué)意義已經(jīng)常見，在此不再闡述，所有指標(biāo)的計算采用Fragstas3.3軟件。

2.3 景觀格局演變驅(qū)動力因素分析

城市景觀的形成過程中，人類活動對土地利用/覆被景觀格局的變化具有很大的影響。本研究主要從經(jīng)濟發(fā)展、區(qū)域政策、人口因素三方面選取固定資產(chǎn)投資額、城鎮(zhèn)居民人均可支配收入、財政收入、總?cè)丝?、農(nóng)民人均純收入、GDP等指標(biāo)來分析這些因素。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用/覆被變化分析

在1986年，南京市的優(yōu)勢景觀主要為耕地、居民點及建設(shè)用地和林地，分別占土地利用/覆被總面積的67.29%，11.85%，10.9%。到2013年，優(yōu)勢景觀排序沒變，但是相應(yīng)比重變成了48.58%，27.27%，12.60%，耕地作為本底景觀的優(yōu)勢在不斷下降(圖1)。由圖2可知，近30a來南京市耕地面積一直處于下降趨勢，與之相反，居民點及建設(shè)用地的面積處于增長態(tài)勢，表現(xiàn)出自然景觀快速向人為景觀轉(zhuǎn)變，這與南京市城市化快速發(fā)展有關(guān)，大量農(nóng)田轉(zhuǎn)化成城市建設(shè)用地。

圖1 1986-2013年南京市土地覆被結(jié)構(gòu)變化

圖2 1986-2013年各種土地覆被類型面積變化

南京市近30a來各類用地的變化見圖3。在1986—1996年圖形變化并不顯著，而1996—2002，2002—2013年則變化非常明顯，最直觀的變化就是居民點及建設(shè)用地的大幅擴張與耕地的快速減少，這與近20a間城市快速城市化進程密切相關(guān)；林地、水域、其他用地面積的比例相對穩(wěn)定，其中林地略有增長，各時段林地面積均占到總面積的10%以上，這與南京建設(shè)現(xiàn)代化國際性人文綠都、為舉辦2014年青奧會而實施的一系列生態(tài)綠化工程有關(guān)。

圖3 南京市1986-2013年土地利用類型空間分布

3.2 土地利用/覆被變化動態(tài)度分析

土地利用動態(tài)度是指區(qū)域一定時間范圍內(nèi)，某種土地利用類型變化速度的情況，可定量描述土地利用變化速度[20]。單一動態(tài)度是正值時，表示該類型面積增加，反之則減??；具體衡量時使用絕對值，絕對值越低，表明該土地利用類型轉(zhuǎn)換數(shù)量少，狀態(tài)則相對穩(wěn)定，反之則變化相對劇烈。從同一時段內(nèi)來看，第一時段內(nèi)所有景觀類型變化速度均較低，居民點及建設(shè)用地變化相對最快；后兩個時段內(nèi)所有景觀類型變化速度明顯增大，且都是草地的變化最大。從不同時間段變化來看，除水域變化速度先變大后變小之外，其他景觀類型變化速度均呈上升趨勢，而草地和其他用地變化最為活躍，林地相對最穩(wěn)定。

綜合動態(tài)度值可對整個南京市土地利用類型動態(tài)度進行綜合描述。參考劉紀遠[21]按土地利用動態(tài)度將中國土地利用時間動態(tài)特征劃分為4種類型：0%～3%(極緩慢變化型)；4%～12%(慢速變化型)；13%～20%(快速變化型)；21%～24%(急劇變化型)。由表1可知，南京市在第一個研究時段內(nèi)屬于極緩慢變化性，之后兩個時段均大于24%，已超過急劇變化型，由此可見南京市近20 a來土地利用/覆被變化是非常劇烈的。

表1 南京市不同時段土地利用類型動態(tài)度指數(shù)

3.3 土地利用類型轉(zhuǎn)化

轉(zhuǎn)移矩陣能夠揭示地類變化過程中的細節(jié)特點，可全面、具體地刻畫區(qū)域土地利用變化的結(jié)構(gòu)特征與各用地類型變化方向[22]。由表2—4可知：

1986—2013年土地利用類型相互轉(zhuǎn)換情況：耕地轉(zhuǎn)出面積最大，主要轉(zhuǎn)向為居民點及建設(shè)用地，其次分別為水域和林地，這與南京城市快速化發(fā)展、高淳區(qū)擴大水產(chǎn)養(yǎng)殖、居民點搬遷建立苗圃生態(tài)旅游等政策密切相關(guān)；居面點及建設(shè)用地的增加主要靠占用耕地，其次是林地；林地的主要轉(zhuǎn)出類型是居民點及建設(shè)用地，其次是耕地；變化最小的是草地和其他用地，原因是在整個土地利用面積中所占份額最少。

表2 南京市1986-1996年土地利用景觀轉(zhuǎn)移矩陣 hm2

表3 南京市1996-2002年土地利用景觀轉(zhuǎn)移矩陣 hm2

3.4 景觀格局演變分析

3.4.1 景觀水平上的景觀格局變化分析 由表5可知，在景觀尺度上從1986—2013年南京市的多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、景觀分離度、斑塊密度、景觀形狀指數(shù)一直呈上升趨勢，而蔓延度指數(shù)、景觀連通度指數(shù)則呈下降趨勢。這說明了南京市近30 a的時間里斑塊數(shù)目不斷增加，主要景觀優(yōu)勢度不斷下降，尤其是以耕地為主導(dǎo)的景觀格局正在發(fā)生深刻變化，破碎化程度越來越高，斑塊形狀趨于簡單化，以上種種情形表明人類對南京市景觀格局的干擾不斷增強，景觀格局趨向復(fù)雜化，景觀結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性增加，自我調(diào)節(jié)能力不斷減弱。目前來看城市化過程依然較快，這對于城市可持續(xù)發(fā)展和生物多樣性保護應(yīng)引起足夠的重視。

表4 南京市2002-2013年土地利用景觀轉(zhuǎn)移矩陣 hm2

表5 南京市不同時期景觀指數(shù)

3.4.2 斑塊類型上的景觀格局變化分析 在斑塊類型尺度上，從斑塊數(shù)來看，1986—2013年耕地、林地和草地一直呈增長趨勢，居民點及建設(shè)用地則不斷下降，斑塊數(shù)常用來描述整個景觀的異質(zhì)性，與景觀的破碎度具有較好的正相關(guān)性，由此可見耕地、林地和草地的破碎度在增大，而居民點及建設(shè)用地則不斷聚集；從平均斑塊面積來看，耕地、林地和草地一直呈減小趨勢，居民點及建設(shè)用地則不斷上升，與斑塊數(shù)結(jié)合起來看，耕地、林地和草地在破碎的同時平均斑塊面積減小，而居民點及建設(shè)用地通過不斷擴張聚集膨脹。周長—面積分維數(shù)可以反映景觀形狀的復(fù)雜程度，體現(xiàn)人類活動的大小，其值越接近于1表示形狀越簡單，越接近于2形狀越復(fù)雜，從表6中可以看到，耕地和草地一直呈上升趨勢，林地呈“V”形變化，居民點及建設(shè)用地呈倒“V”形變化，水域和其他用地呈波動增加，由此說明人類對耕地和草地的干預(yù)越來越大，而林地的變化反映了南京市打造國際性人文綠都等政策規(guī)劃的影響。

3.5 景觀格局驅(qū)動力因素分析

與自然因素不同，人類活動是影響城市土地利用/覆被景觀格局變化的重要因素，隨著城市空間不斷擴張，越來越多的自然景觀轉(zhuǎn)為人為景觀。從1986到2013年，南京市總?cè)丝谟?71.61萬增長到643.09萬，凈增171.48萬人，平均年增加6.35萬人；GDP從95.46億元增長到8 011.78億元，增幅達8 292%，此外，固定資產(chǎn)投資、財政收入、農(nóng)民人均純收入、城鎮(zhèn)居民人均可支配收入增幅分別為18 743%，10 344%，2 678%和3 800%。除了人口及經(jīng)濟發(fā)展外，區(qū)域政策和城市規(guī)劃同樣起到了重要作用。南京市2007—2020年規(guī)劃當(dāng)中對城市性質(zhì)最高定位為國家重要的區(qū)域中心城市，城市中心范圍不斷擴大，同時，不斷撤縣并區(qū)，提高城市化水平。同時，“綠色南京”工程、生態(tài)旅游建設(shè)、高淳擴大水產(chǎn)養(yǎng)殖等政策對于景觀格局變化起到了很大的推動作用。

表6 南京市不同時期不同土地利用類型景觀指數(shù)

4 結(jié) 論

從土地利用/覆被結(jié)構(gòu)變化來看，南京市近30 a土地覆被類型以耕地為主，雖然面積不斷減少，但仍然是該區(qū)域的優(yōu)勢景觀；林地在一系列綠色生態(tài)工程推動下小幅增長；居民點及建設(shè)用地呈快速增長趨勢，大量自然景觀向人為景觀轉(zhuǎn)變是南京市景觀格局變化最顯著的特征。

從土地利用/覆被動態(tài)變化度來看，整體景觀類型變化速度都在增大，而草地和其他用地變化最為活躍，林地相對最穩(wěn)定；除第一時段內(nèi)變化極緩慢之外，之后兩個時段綜合動態(tài)度均大于24%，已超過急劇變化型，說明南京市近20 a來土地利用/覆被變化是非常劇烈的。從土地利用/覆被景觀格局變化來看，在斑塊類型上，耕地和草地的平均斑塊面積減少，破碎度在增大，受人類干預(yù)強烈，而居民點及建設(shè)用地通過不斷擴張聚集膨脹；在景觀水平上，受人類活動干擾作用，斑塊數(shù)目不斷增加，主要景觀優(yōu)勢度不斷下降，破碎化程度越來越高，斑塊形狀趨于簡單化，景觀格局趨向復(fù)雜化，景觀結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性增加。

從景觀格局變化的驅(qū)動力因素來看，人口增長、經(jīng)濟發(fā)展、區(qū)域政策和城市規(guī)劃對于景觀格局變化起到了很大的推動作用。

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LandUseandLandscapePatternChangesandtheDrivingForceFactorsinNanjingFrom1986to2013

TONG Guangchen1, LIN Jie1, CHEN Hang2, GU Zheyan2, TANG Peng1, ZHANG Jinchi1

(1.CollegeofForestry,CollaborativeInnovationCenterofSustainableForestryinSouthernChinaofJiangsuProvince,NanjingForestryUniversity,KeyLaboratoryofSoilandWaterConservationandEcologicalRestorationofJiangsuProvince,Nanjing210037,China; 2.JiangsuSurveyingandDesignofWaterResourcesCo.,Ltd.,Yangzhou，Jiangsu225127,China)

Taking Nanjing City as the research object, we used the land use/land cover data of 1986, 1996 and 2002 and 2013 as the data source. Based on the theory of landscape ecology, the support of ArcGIS and Fragstats software, land use/land cover and landscape pattern spatial and temporal variation and driving factors in the recent 30 years of Nanjing were analyzed in terms of the land use type structure, speed change, transformation relation and landscape pattern. The results show that: (1) the land use/cover has changed dramatically in Nanjing City in recent 30 years, cultivated land plays the leading role in the whole study area, the area ratio was above 48%, but its advantage gradually reduces, a large number of natural landscape converted to man-made landscape features is the most significant change in the research area; (2) the change speed of overall landscape types increased, while grassland and other land use changes were the most active and forest land remained the most stable, the land use structure was at the rapid adjustment stage; (3) the transformation of cultivated land mainly to residential and construction land was significant; (4) landscape pattern changed significantly, the degree of fragmentation was more and more high, landscape pattern tended to be complicated, and landscape structure instability increased; (5) population growth, economic development, regional policy and city planning promoted the change of landscape pattern together. These results of the study can provide an important reference for the scientific planning and sustainable development of Nanjing City.

land use; landscape; driving force factor; Nanjing City

2016-02-25

：2016-03-25

國家自然科學(xué)基金(31200534);江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目(PAPD)和2014年江蘇省普通高校學(xué)術(shù)學(xué)位研究生科研創(chuàng)新計劃項目(KYLX_0903)

佟光臣(1987—),男,江蘇邳州人,碩士研究生,研究方向:土壤侵蝕遙感監(jiān)測。E-mail:969714589@qq.com

林杰(1976—),女,遼寧丹東人,副教授,碩士生導(dǎo)師,研究方向:土壤侵蝕遙感監(jiān)測。E-mail:jielin@njfu.edu.cn

F301； P901

：A

：1005-3409(2017)02-0240-06