杭州市土地利用與景觀格局變化分析

劉逸輝，彭偉斌

(杭州師范大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，杭州 311121)

土地利用變化相關(guān)研究經(jīng)過多年的發(fā)展，形成了包括不同空間尺度的土地利用和土地覆被變化過程、驅(qū)動機(jī)制以及資源、生態(tài)和環(huán)境效應(yīng)影響等諸多方面的綜合研究體系[1-2]﹒其中如何準(zhǔn)確描述土地利用景觀的空間格局及變化，是一個十分關(guān)鍵的問題[3]﹒現(xiàn)有研究表明：利用景觀集聚度、破碎度等相關(guān)指數(shù)能很好地解釋土地利用變化的景觀生態(tài)現(xiàn)狀[4-5]；基于分形理論，可以計算土地利用斑塊的分維數(shù)和穩(wěn)定性指數(shù)，從而構(gòu)建分形模型來分析土地利用的分形特征[6-7]﹒景觀格局指數(shù)的優(yōu)點在于能夠高度濃縮景觀格局信息，反映其結(jié)構(gòu)組成和空間配置某些方面特征，可以從斑塊尺度、斑塊類型尺度和景觀尺度3 個層次進(jìn)行分析[8]﹒楊珊[9]通過構(gòu)建景觀格局指數(shù)，在景觀尺度上分析了漢江流域中下游地區(qū)土地利用變化與景觀格局、生態(tài)安全之間的時空演變關(guān)系；李玉華等[10]以重慶兩江新區(qū)為例，分析了快速城市化進(jìn)程中景觀格局的時空分異特征，探討景觀格局時空變化與城市化之間的聯(lián)系；DADASHPOOR H 等[4]通過景觀指數(shù)分析了伊朗西北部地區(qū)的景觀時空特征﹒可見，結(jié)合景觀生態(tài)學(xué)，運用景觀格局指數(shù)來分析景觀空間格局是 目前應(yīng)用十分廣泛的定量分析方法之一[11]﹒

杭州作為中國改革開放的前沿陣地，劇烈的城市化進(jìn)程吸引了不少學(xué)者的關(guān)注﹒岳文澤等[12]采用建設(shè)用地擴(kuò)張強(qiáng)度、空間自相關(guān)方法，研究了杭州市城市擴(kuò)張的空間模式；徐麗華等[13]根據(jù)杭州市土地利用變化及各地類重心的轉(zhuǎn)移，分析其土地利用變化的時空格局特征及其影響因素；楊楊帆等[14]分析了近30 年來杭州市土地利用的變化；田鵬等[15]則對杭州市土地利用變化的生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行了評價﹒但現(xiàn)有研究對杭州市景觀生態(tài)格局考慮不足，未能定量描述其破碎度與異質(zhì)性等景觀空間特征﹒本文將《杭州市城市總體規(guī)劃(2001—2020 年)》[16]確定的規(guī)劃區(qū)范圍作為研究區(qū)域，運用GIS 的空間分析工具，對2010—2017年的土地利用類型變化空間特征與各類用地之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系進(jìn)行分析，得到其土地利用變化矩陣，并結(jié)合杭州城市發(fā)展進(jìn)程，分析土地利用變化的影響因素﹒同時運用景觀生態(tài)學(xué)原理對土地利用的景觀破碎度、集聚度和異質(zhì)性進(jìn)行綜合評價和比較，總結(jié)杭州市規(guī)劃區(qū)土地利用景觀格局變化特征﹒這對全面掌握土地利用的變化特征，制定完善國土空間規(guī)劃具有重要意義﹒

1 研究區(qū)域概況

杭州市位于浙江省北部，錢塘江下游北岸，京杭大運河南端，地處長江三角洲城市群的南翼，是該區(qū)域重要的中心城市﹒杭州市下轄10 個區(qū)、1 個縣級市和2 個縣，總面積1 685 357 hm2，其中市區(qū)面積829 231 hm2，2017 年常住人口946.8萬，其中市區(qū)824.1 萬﹒研究區(qū)域包括上城區(qū)、下城區(qū)、拱墅區(qū)、西湖區(qū)、江干區(qū)、濱江區(qū)、余杭區(qū)和蕭山區(qū)8 個市轄區(qū)，總面積333 594 hm2，約占市區(qū)面積的40%、市域總面積的20%，而GDP 約占全市的75%(2017 年)；2017 年末總?cè)丝?91.1 萬，占全市總?cè)丝诘?3%[17]，在杭州市城鎮(zhèn)、人口和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中具有舉足輕重的地位﹒

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)包括2010 和2017 年2 個時期土地利用數(shù)據(jù)(空間分辨率均為30 m)，其中2010年數(shù)據(jù)是利用Landsat TM 和ETM+數(shù)據(jù)繪制的全球30 m 地表覆蓋遙感制圖數(shù)據(jù)(Glabeland30)(數(shù)據(jù)來源： 國家基礎(chǔ)地理信息中心(doi：10.11769/GlobeLand30.2010.db))，經(jīng)檢驗其整體分類精確度為83.50%[18-19]；2017 年土地利用數(shù)據(jù)則是基于Landsat 8 OLI 多光譜影像繪制的全球土地利用/覆被數(shù)據(jù)，后期采用高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行輔助訓(xùn)練、驗證樣本等處理，并利用高程數(shù)據(jù)和夜間燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，一級分類精確度在75%以上[20]﹒2010 和2017 年2 個時期數(shù)據(jù)均由國家基礎(chǔ)地理信息中心制作發(fā)布，分類精度均滿足土地利用變化分析的精度要求[20]﹒

2.2 研究方法

2.2.1 GIS 空間分析

在GIS 軟件的支持下，利用研究區(qū)域邊界矢量數(shù)據(jù)對2 個時期的分類影像進(jìn)行掩膜處理，得到2010 和2017 年的土地利用分類圖(見圖1)﹒

圖1 2010 年和2017 年杭州市規(guī)劃區(qū)土地利用分布

2.2.2 景觀格局分析

將2010 年與2017 年土地利用柵格數(shù)據(jù)導(dǎo)入景觀格局分析軟件Fragstats 4.2 中，根據(jù)研究需要和景觀指數(shù)的含義，在景觀尺度與斑塊類型尺度上，選取斑塊密度(PD)、斑塊數(shù)量(NP)、周長-面積分維數(shù)(PAFRAC)、最大斑塊指數(shù)(LPI)對研究區(qū)域土地利用的破碎化程度、景觀集聚度和景觀異質(zhì)性進(jìn)行分析(見表1)﹒

表1 景觀指數(shù)及其含義

3 結(jié)果與討論

3.1 土地利用變化特征

2010 年至2017 年杭州市土地利用類型變化較為明顯，耕地、草地和未利用地面積占比皆有所減少﹒耕地面積變化最大，由2010 年的49.09%減少至2017 年的27.96%，減少21.13%；草地面積由2.72%減少至0.60%；未利用地面積占比由0.88%減少至0.10%﹒林地、水域和城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積占比則出現(xiàn)增加，林地面積占比由20.29%增加至 23.72%；水域面積占比由 6.22%增加至9.79%；城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積占比增加最多，由20.79%增加至 37.84%，增加了 17.05%(見表 2)﹒

表2 2010 與2017 年杭州市規(guī)劃區(qū)土地利用結(jié)構(gòu) %

分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)內(nèi)城鄉(xiāng)建設(shè)用地增加較多，城市擴(kuò)張現(xiàn)象明顯，耕地面積嚴(yán)重萎縮；未利用地在原本低保有量的情況下繼續(xù)減少，土地利用率持續(xù)增加，導(dǎo)致規(guī)劃區(qū)土地后備資源嚴(yán)重不足，嚴(yán)重影響杭州市區(qū)的持續(xù)發(fā)展，直到富陽市(2014年)與臨安市(2017 年)撤市設(shè)區(qū)并入市轄區(qū)，這一問題才得到一定程度的緩解﹒

3.2 地類轉(zhuǎn)換與影響因素

采用GIS 軟件的相交分析方法，求得2 個時期杭州市規(guī)劃區(qū)土地利用轉(zhuǎn)換矩陣(見表3)﹒

表3 2010—2017 年杭州市規(guī)劃區(qū)土地利用轉(zhuǎn)換矩陣 hm2

在矩陣中，行表示期初年份土地利用類型面積，列表示期末年份土地利用類型面積，對角線表示未發(fā)生轉(zhuǎn)換面積[21]﹒耕地的轉(zhuǎn)換最為顯著，7 年間大量耕地轉(zhuǎn)換為林地、草地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地等其他用地類型，其中耕地向城鄉(xiāng)建設(shè)用地轉(zhuǎn)換面積最大，為63 848.88 hm2﹒由于城市不斷擴(kuò)張，大量分布于郊區(qū)的耕地被道路等城市基礎(chǔ)設(shè)施占據(jù)，轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地；耕地轉(zhuǎn)為林地是低丘緩坡綜合開發(fā)、退耕還林、土地生態(tài)修復(fù)以及山區(qū)村莊合并等復(fù)合因素作用的結(jié)果[13]﹒在“旅游西進(jìn)”戰(zhàn)略下，杭州在“十二五”規(guī)劃期間將原有的環(huán)城游憩帶進(jìn)一步發(fā)展為“環(huán)都市休閑游憩圈”，繼續(xù)實行生態(tài)保育，對林地面積增加有很大推動作用﹒同時，耕地也存在對其他地類的占用，且類型多樣﹒林地、草地、水域、城鄉(xiāng)建設(shè)用地、未利用地均有部分轉(zhuǎn)換為耕地，其中林地、草地、水域和城鄉(xiāng)建設(shè)用地轉(zhuǎn)換為耕地的面積分別為 4 900.86，2 480.76，2 425.86 和9 054.00 hm2，未利用地轉(zhuǎn)換為耕地的面積不顯著﹒城鄉(xiāng)建設(shè)用地的變化顯著，來源多樣，凈增加面積為69 735.24 hm2，耕地對城鄉(xiāng)建設(shè)用地的轉(zhuǎn)換最為顯著，轉(zhuǎn)換面積為2010 年城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積的113.57%﹒土地利用規(guī)劃中未針對水域面積制定指標(biāo)，而在建設(shè)用地方面，2017 年的城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積為125 952.12 hm2，未超過土地利用總體規(guī)劃中城鄉(xiāng)建設(shè)用地總規(guī)模126 900 hm2的控制指標(biāo)﹒研究期內(nèi)，研究區(qū)域處于擴(kuò)張狀態(tài)，城鄉(xiāng)建設(shè)用地代替耕地成為該區(qū)域最主要的土地利用類型，從空間上看主要以2010 年的建成區(qū)為中心向四周擴(kuò)散，但擴(kuò)張的主要部分在規(guī)劃區(qū)東部的蕭山區(qū)，錢江新城的逐步建成完善、地鐵四號線的開通是2 大主要驅(qū)動因素，而西部雖有未來科技城的布局，城市擴(kuò)張效應(yīng)卻并不明顯，其原因除了出于旅游發(fā)展的目的而進(jìn)行的生態(tài)保育與退耕還林，還有西湖景區(qū)和西溪濕地對城市擴(kuò)張的阻礙作用，進(jìn)一步證實了此前研究的結(jié)論[22]﹒研究期內(nèi)城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積增加了83.15%，相比之下，人口由434.82 萬增加到493.99 萬，增長了13.6%，城市發(fā)展呈現(xiàn)出明顯的粗放狀態(tài)﹒總之，新城開發(fā)與生態(tài)保護(hù)的合力使研究區(qū)域的布局形態(tài)逐漸從環(huán)西湖的單中心格局向跨越錢塘江兩岸的多中心格局轉(zhuǎn)變[19]，這也是杭州“城市東擴(kuò)、旅游西進(jìn)，沿江開發(fā)、跨江發(fā)展”[23]空間策略的執(zhí)行結(jié)果﹒

水域的主要轉(zhuǎn)出地類是耕地和城鄉(xiāng)建設(shè)用地，轉(zhuǎn)換面積分別為2 425.86 和2 501.46 hm2，而耕地和城鄉(xiāng)建設(shè)用地也存在轉(zhuǎn)換為水域的情況，這說明水域的減少既有人為活動的影響，也存在耕地結(jié)構(gòu)調(diào)整的因素﹒圍湖填河和城鄉(xiāng)建設(shè)用地的擴(kuò)張對水域濕地等區(qū)域造成了較大的影響﹒未利用地轉(zhuǎn)換為水域說明杭州市在水域保護(hù)方面較為重視，城市建設(shè)對天然水體的占用較少﹒其他各類用地之間也存在相互轉(zhuǎn)換的情況﹒

3.3 景觀格局變化特征

景觀尺度上，2017 年各類用地的斑塊數(shù)量增加了59 045 個，而最大斑塊指數(shù)則下降了3.091 8，說明整體而言，土地利用的景觀集聚度在降低、景觀優(yōu)勢度有所下降；斑塊密度增加了17.651 9，意味著整體景觀的破碎度增加較多，土地利用更加破碎化；同時，周長-面積分維數(shù)的數(shù)值增加了0.067 5，說明土地利用的景觀形狀變得更復(fù)雜，各類用地分界變得更模糊，整體景觀的穩(wěn)定性在降低(見表4)﹒可看出整個杭州市規(guī)劃區(qū)的土地利用存在一定生態(tài)風(fēng)險，景觀破碎化和不合理的人工干預(yù)可能導(dǎo)致城市景觀生態(tài)的惡化，但因各用地類型的景觀格局指數(shù)評價標(biāo)準(zhǔn)存在差異，因此需在斑塊類型尺度上根據(jù)不同地類進(jìn)行分析﹒

表4 景觀尺度上的景觀格局分析結(jié)果

表5 斑塊類型尺度上的景觀格局分析結(jié)果

表5 所示為斑塊類型尺度上的景觀格局分析 結(jié)果﹒從表5 可知，所有土地利用類型的斑塊數(shù)量和斑塊密度數(shù)值都出現(xiàn)上升，但同時耕地、草地、未利用地的最大斑塊指數(shù)數(shù)值出現(xiàn)下降，而林地、水域、城鄉(xiāng)建設(shè)用地的最大斑塊指數(shù)則出現(xiàn)上升﹒結(jié)合土地利用動態(tài)變化分析結(jié)果可以看出，所有地類的景觀異質(zhì)性都在增加，而在面積減少的同時，耕地、草地、未利用地的破碎度增加，呈現(xiàn)出愈發(fā)破碎化的趨勢，土地利用集聚度和景觀優(yōu)勢度也在下降，說明這3 類用地的景觀生態(tài)存在惡化的風(fēng)險；林地、水域、城鄉(xiāng)建設(shè)用地的破碎度呈上升趨勢，而空間集聚度也在增加，但由于這3 類用地的面積也在增加，因此是一種較為合理的變化﹒

周長-面積分維數(shù)方面，除林地和草地分別下降了0.011 9 和0.040 8 外，耕地、水域、城鄉(xiāng)建設(shè)用地、未利用地皆有所上升，即林地和草地斑塊形狀的復(fù)雜程度有所降低，表明林地和草地研究期內(nèi)土地利用變化過程中受到的人工干預(yù)在減少，水域和未利用地受到的人工干預(yù)在增加﹒耕地與城鄉(xiāng)建設(shè)用地需結(jié)合土地利用轉(zhuǎn)換矩陣分析：大量耕地轉(zhuǎn)為城鄉(xiāng)建設(shè)用地，城市面積不斷擴(kuò)張是其周長-面積分維數(shù)上升的主要原因，這也表明大規(guī)模的城市化會導(dǎo)致土地利用格局趨于破碎﹒

4 結(jié)論

1)耕地、草地、未利用地面積減少，林地、水域、城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積增加，耕地與林地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地之間的互動作用十分強(qiáng)烈，城市擴(kuò)張效應(yīng)顯著，土地利用方式較為粗放﹒具體特點為耕地減少仍然可控；城市空間不斷以東部為重心擴(kuò)張，呈現(xiàn)出多中心的發(fā)展特點；土地利用方式較為粗放，城市發(fā)展精細(xì)化程度不足﹒

2)耕地減少與城鄉(xiāng)建設(shè)用地增加主要由城市新區(qū)建設(shè)等開發(fā)性政策和退耕還林等保護(hù)性政策共同推動，其分布更是受到自然條件的制約和經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)律的影響；林地的變化主要與城市游憩帶規(guī)劃、生態(tài)保護(hù)的需要有關(guān)，其空間分布也對城市蔓延有一定的阻礙作用﹒

3)景觀破碎化程度、異質(zhì)性增加，景觀優(yōu)勢度有所降低，土地利用更為平衡，但有生態(tài)安全風(fēng)險﹒大規(guī)模的城市化和人為活動會導(dǎo)致土地利用景觀的破碎度增加和穩(wěn)定性下降，由于耕地結(jié)構(gòu)調(diào)整和城鎮(zhèn)化建設(shè)等多方面因素影響，城市水體被侵占，建設(shè)用地集聚度增加，長遠(yuǎn)看會破壞生態(tài)廊道的連通，造成生態(tài)景觀破碎化、生物棲息地的消失和生物多樣性的削弱；另一方面，建設(shè)用地過度擴(kuò)張會導(dǎo)致城市地表溫度上升，加劇熱島效應(yīng)，也會帶來空氣污染等問題﹒