臨安區(qū)青山湖區(qū)域土地利用與景觀格局時空變化研究

杜茗媛，舒美英，蔡建國，3*

(1.浙江農林大學 風景園林與建筑學院，杭州 311300；2.浙江農林大學暨陽學院，浙江 諸暨 311800；3.浙江農林大學 園林設計院有限公司，杭州 311300)

近年來，隨著經濟的快速發(fā)展、城市規(guī)模的不斷擴大以及城市人口的日益增多，城市環(huán)境質量受到前所未有的重視，學界與管理者相繼提出了國家森林城市、園林城市、生態(tài)城市等多個概念。青山湖片區(qū)作為杭州向西發(fā)展的重要樞紐地帶，近幾年發(fā)展建設成就巨大，開發(fā)項目增多帶動經濟建設穩(wěn)步發(fā)展的同時，也給生態(tài)環(huán)境帶來一定破壞。為了解人類活動對景觀動態(tài)變化的影響，控制和改善社會經濟活動，促進區(qū)域經濟社會與環(huán)境協(xié)調發(fā)展，我們以臨安區(qū)青山湖區(qū)域為對象，從土地利用變化和景觀格局時空變化特征角度，分析土地利用和景觀在時間序列下的變化特征。

1 研究區(qū)概況

杭州市臨安區(qū)山清水秀、風光迷人，森林覆蓋率高達77.7%，植被有較明顯的垂直分布特性，濕地、動植物資源豐富多樣。本研究區(qū)域位于臨安區(qū)東面，周圍群山環(huán)繞，茂林修竹，水庫湖面占地面積約9.65 km2。該區(qū)域屬于中亞熱帶北緣季風氣候區(qū)，溫暖濕潤，日照充足，降水充沛，四季分明，年均氣溫16 ℃，年均降水量1 613.9 mm。

本研究區(qū)域——青山湖研究區(qū)范圍由筆者根據研究需要劃定，主要依據道路圍合圈定研究區(qū)域，東至大圓路，西面靠近臨安建成區(qū)，北至青羅線，南至杭瑞高速以南的各個村莊(將研究區(qū)范圍限定在青山水庫湖岸向外延伸3 000 m左右的范圍)，約66.20 km2，地理范圍為119.734～119.828E，30.201～30.293N(以下簡稱)。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

2.1.1 遙感數據來源與處理 本研究使用的遙感數據來源于地理空間數據云網站(http://www.gscloud.cn/)下載的2000、2005、2010、2015、2020年分辨率為30 m的Landsat遙感影像(表1)，選擇5個時期均為3-10月份且云量較少，影像數據質量較好，能滿足土地利用分類處理的遙感影像。經過處理2015年和2020年的空間分辨率能達到15 m。

表1 遙感圖像來源及具體參數

2.1.2 土地利用數據提取 首先對采用的Landsat系列圖像進行輻射定標、大氣校正，其次按照確定好的研究區(qū)域，繪制矢量圖形，對圖像進行裁剪，最終獲得本研究所需的經過預處理的5個時期的遙感影像。利用ENVI5.3軟件結合谷歌地球歷史衛(wèi)星影像對比和實地抽樣調查，對5個時期的圖像通過人工目視解譯的方法進行分類，在參考LUCC分類體系(土地利用/土地覆蓋變化)的基礎上，結合青山湖研究區(qū)現有的土地利用類型，將研究區(qū)域分為耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用土地6種用地類型。由于區(qū)域內在近20 a的發(fā)展過程中變化較大，為統(tǒng)一觀察土地利用變化，草地按照樹木郁閉度小于等于0.1以草本植物為主的分類方法劃分，對于農業(yè)用地中的荒廢地、以及植被覆蓋較好的待用地都劃為草地。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用與面積轉移矩陣 土地利用轉移矩陣不僅能反映研究期內各類土地利用的數量變化情況，同時也可以反映各類土地的轉移變化情況[1-2]。

2.2.2 土地利用動態(tài)變化度

(1)綜合土地利用動態(tài)度

綜合土地利用動態(tài)度表達某研究區(qū)一定時間內整體景觀的變化情況，其表達式為[3]：

式中：LUi表示監(jiān)測起始時間第i類土地利用面積，ΔLUi-j表示監(jiān)測時段第i類土地利用轉為非i類土地利用面積的絕對值，T為監(jiān)測時間長度。

(2)單一土地利用動態(tài)度

單一土地利用動態(tài)度表達的是某研究區(qū)一定時間范圍內某種土地利用的數量變化情況，其表達式為：

式中：K表示研究時間段內某一土地利用動態(tài)度，Ua、Ub分別表示研究初期和研究末期土地利用的數量，T為研究時長。當T的時段設定為年時，K為研究時段內某一土地利用的年變化率。

2.2.3 景觀指數的計算 景觀格局是指景觀元素以不同大小和形狀在空間上的排列[4]，而景觀指數能夠高度濃縮景觀格局信息，反映其結構組成和空間配置特征[5-7]。土地利用變化不僅影響土地景觀格局的變化，而且影響其內部的物質循環(huán)和能量流動[8]。

景觀指數在分析土地利用和景觀格局的變化中有著廣泛應用，研究斑塊、類別和景觀三個層次上的碎片化、異質性和連通性等[9]。本研究在斑塊水平選擇斑塊數量(NP)、斑塊密度(PD)、斑塊平均面積(AREA_MN)、斑塊占景觀面積比例(PLAND)、最大斑塊指數(LPI)；景觀連通性水平上選擇聚合度(AI)、聚集度(CONTAG)；在景觀復雜程度上選擇景觀形狀指數(LSI)、周長面積分維數(PAFRAC)；在景觀多樣性水平上選擇Shannon多樣性指數(SHDI)、Shannon均勻度指數(SHEI)。采用FRAGSTATS4.2軟件計算得到景觀指數，通過景觀指數的變化分析該研究區(qū)域的景觀格局時空變化特征。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化特征分析

3.1.1 土地利用時空特征分析 青山湖研究區(qū)2000-2020年的土地利用空間分布如圖1所示，2000年耕地主要集中分布在科技大道北側，另有零星狀散落分布在南部的各個村莊，2010年后科技大道北側的耕地主要變?yōu)榱私ㄔO用地，耕地主要以點狀破碎形態(tài)分布在研究區(qū)內。青山湖水庫的部分水域面積變成了建設用地，但同時開挖了部分青山湖水庫，使得青山湖水庫的面積能保持穩(wěn)定。

圖1 2000-2020年青山湖區(qū)域土地利用空間分布示意圖

從表2可知，2000-2010年，研究區(qū)內林地為優(yōu)勢景觀類型，在2005年面積占比高達45.15%，而在2010年后，受青山湖區(qū)域開發(fā)和建設的影響，林地和耕地面積都有一定減少，同時建設用地面積增加，占比逐漸超過林地成為優(yōu)勢景觀類型。到2020年時，建設用地的面積達到了27.35 km2，占比為41.28%。另外，20 a間耕地面積從11.33 km2下降到4.78 km2，草地面積從11.69 km2下降到5.40 km2，而未利用地和水域面積變化較穩(wěn)定。

表2 2000-2020年青山湖區(qū)域土地利用結構及其統(tǒng)計

3.1.2 土地面積轉移矩陣 青山湖研究區(qū)不同研究時段內的土地利用面積轉移矩陣如表3，由表可知，20 a間6類土地利用類型都發(fā)生了一定的面積轉移。從轉出量來看，20 a間的轉出總量為林地>耕地>草地>建設用地>水域>未利用地，2000-2005年，草地和耕地的轉出量超過林地的轉出量；2005-2010年林地和建設用地的轉出量較大；2010-2015年林地的轉出量遠超過其他用地類型的轉出量；2015-2020年各用地類型的轉出量較前幾年變化較小，趨于穩(wěn)定。從轉入量來看，20 a間建設用地的總轉入量最大，轉入總量為建設用地>草地>耕地>林地>水域>未利用地，其中2010-2015年建設用地轉入量最大。結合土地利用的空間布局圖發(fā)現，青山湖水庫的水岸線發(fā)生了一定的變化，但在20 a間的轉入量和轉出量基本達到動態(tài)平衡。

表3 青山湖區(qū)域不同研究時間段內的土地利用轉移矩陣

續(xù)表3

3.1.3 土地利用變化速率 2000-2020年的土地利用動態(tài)變化度如表4所示，從綜合土地利用動態(tài)度來看，2000-2005年、2005-2010年、2010-2015年、2015-2020年的綜合土地利用動態(tài)度分別為4.24%、6.70%、7.13%、3.74%，說明2005-2010、2010-2015年土地利用變化速率較快，2000-2005年、2015-2020年兩個時期的土地利用變化速率較慢。從單一土地利用動態(tài)度來看，2000-2005年耕地、草地和未利用地面積減少，林地、建設用地和水域呈正增長；2005-2010年林地和草地面積減少，耕地、建設用地、水域和未利用地面積增加，其中未利用地的面積變化最大；2010-2015年耕地和建設用地的面積變化最劇烈，耕地年變化速率為-12.71%，而建設用地為11.44%，說明此期青山湖區(qū)域城市化進程較快，發(fā)展較迅速，并且在一定程度對農業(yè)的發(fā)展產生了影響。此外，由于城市開發(fā)和經濟發(fā)展需求，研究區(qū)內建設用地面積20 a間一直在增加，且在2010-2015年間增長速率最快。

表4 2000-2020年青山湖區(qū)域單一及綜合土地利用動態(tài)變化度

3.2 景觀格局分析

按景觀格局指數方法即從斑塊水平尺度和景觀水平尺度[10-11]，以及景觀面積、密度、形狀、聚集性、多樣性等5個景觀格局指數[12]對青山湖區(qū)域土地利用景觀格局分析結果如圖2、3所示。

圖2 2000-2020年青山湖區(qū)域斑塊尺度的景觀指數變化

3.2.1 斑塊水平格局變化特征 2000-2020年青山湖區(qū)域耕地和草地斑塊數量明顯增加，斑塊密度逐漸變大，斑塊平均面積逐漸減少，說明20 a間草地和耕地的景觀破碎程度越來越高，空間異質性變大，且景觀連通性越來越差。同時耕地和草地的景觀形狀指數趨于增大，表明耕地和草地的斑塊形狀逐漸從簡單到復雜，形狀趨向不規(guī)則，受到自然和人類活動的影響較大。

20 a間耕地、林地和草地斑塊面積都有一定減少，而建設用地占景觀面積比和最大斑塊都明顯升高，最大斑塊面積從2.03%增加到25.86%，說明建設用地在整體景觀中所占優(yōu)勢逐漸增大，成為了區(qū)域內優(yōu)勢景觀類型，而從聚合度來看，只有建筑用地和未利用地的聚集度有較明顯的增強。

水域和未利用地的斑塊數、斑塊密度和景觀形狀指數變化幅度不大，較穩(wěn)定。

3.2.2 景觀水平格局變化特征 景觀的破碎化和連通性與斑塊的大小、形狀和距離等都具有相關性[13]。從圖3看出，2000-2010年青山湖區(qū)域的斑塊數和斑塊密度保持穩(wěn)定，而2010-2015年斑塊數和斑塊密度陡然上升，斑塊平均面積快速下降，說明此期景觀破碎化程度加劇，空間異質性增強[14]。2010-2015年景觀形狀指數有所上升，說明斑塊形狀越來越復雜，越來越不規(guī)則。聚集度和聚合度在前10 a較穩(wěn)定，后10 a逐漸升高，說明此區(qū)域的聚集度和連接性逐漸增強。表征景觀由少數幾個主要土地類型控制程度和景觀均衡程度的Shonnon均勻度指數和Shonnon多樣性指數，在20 a間先上升后逐漸下降，在2010年達到最高，說明此時的景觀類型較為豐富和均衡[15]。

圖3 2000-2020年青山湖區(qū)域景觀水平的景觀指數變化

4 結論與討論

4.1 結論

(1)隨著林地、草地、耕地面積的減少，建設用地在2000-2020年的20 a間逐漸代替林地成為優(yōu)勢景觀類型，青山水庫水域面積在變化中維持基本平衡，這與政府的濕地保護政策有很大的關聯(lián)。

(2)由綜合土地利用動態(tài)度可知，2010-2015年土地利用變化最大、最劇烈。由于人們對青山湖區(qū)域的高強度開發(fā)，此期耕地面積減少較多，也對農業(yè)產生了一定的影響。

(3)景觀格局指數分析結果顯示，耕地和草地的景觀破碎化程度不斷升高，空間異質性增強且連通性變差，由于聚集性開發(fā)建設，建設用地的聚集度和連通性增強。

(4)由于建設用地的擴張，導致了草地、耕地、林地等景觀割裂程度的增加，整個研究區(qū)域景觀破碎化加劇。整體來看，2010年景觀破碎化程度較低，景觀形狀較復雜，可能是由于此時是研究區(qū)的開發(fā)初期，景觀格局在相對較長時間發(fā)展下偏向穩(wěn)定均衡。

4.2 討論

臨安是典型的“九山半水半分田”的山區(qū)市，隨著城市的規(guī)劃發(fā)展，建設用地面積不斷擴大，農業(yè)用地面積大大減少，耕地數量不斷減少，缺少后備耕地。本研究對5個時期青山湖研究區(qū)的土地利用和景觀格局時空變化進行分析，有助于理解與政策相關的土地利用規(guī)劃和區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)保護，并為之提供參考。

針對研究區(qū)土地利用及其景觀格局變化，為實現青山湖區(qū)域土地資源可持續(xù)發(fā)展，應切實保護耕地和生態(tài)環(huán)境，對現有耕地和基本農田實行基本農田和標準農田保護，增加高標準農田面積，集約開發(fā)建設用地，嚴控增量，撬動存量，建立完善耕地保護補償機制和土地利用集約節(jié)約激勵機制，完善土地利用占補動態(tài)平衡政策，嚴格保護禁止開發(fā)區(qū)域的自然資源和生態(tài)環(huán)境。本研究未進行景觀格局特征變化內在驅動因素分析，也沒有預測景觀格局的未來發(fā)展趨勢，這些可能也是該區(qū)域水環(huán)境生態(tài)恢復日益受重視并得以實現后，景觀格局優(yōu)化和生態(tài)格局構建等必然面臨和必須研究解決的問題。