1995-2015年上海市土地利用及其景觀格局變化

范麗娟, 田廣星

(寧夏大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 寧夏 銀川 750021)

土地利用作為人類利用土地各種社會經(jīng)濟(jì)活動的綜合反映，始終貫穿于人類生存與發(fā)展的整個(gè)進(jìn)程中，是人類社會與大自然相互影響和相互作用的產(chǎn)物。近年來，隨著人口增長、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷加快，人類活動對于地球表面的作用不斷增強(qiáng)，城市的土地利用景觀格局將受到一系列的干擾,由此引發(fā)的大氣污染和水污染、水土流失、土地退化、土地荒漠化等諸多問題日益凸顯，有關(guān)全球環(huán)境變化的研究相繼開展。土地利用/覆被變化(land use and land cover change)簡稱LUCC，作為自然環(huán)境和人類活動共同作用下最重要的表現(xiàn)形式之一，包括地表植被、土壤、冰川、湖泊、沼澤濕地及各種建筑物，具有特定的時(shí)間和空間的屬性，其越來越被認(rèn)為是全球環(huán)境變化研究的熱點(diǎn)和核心問題[1]。從土地利用景觀格局的研究尺度上來看，越來越多的學(xué)者側(cè)重于對典型區(qū)域[2-3]、城市[4-5]、流域[6-7]等的研究；從研究內(nèi)容來看，側(cè)重于研究景觀格局的時(shí)空變化及其驅(qū)動力因素[8-9]、景觀格局的變化規(guī)律與尺度效應(yīng)[10]、景觀空間格局的粒度效應(yīng)[11-12]、土地利用景觀格局的穩(wěn)定性評價(jià)[13-14]、土地利用景觀格局的演化過程及特征[15-16]等；從研究方法上來看，主要有空間分析方法[17]、土地利用綜合動態(tài)度[18]、馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣[19]、景觀格局指數(shù)等[20]方法。

深入開展土地利用及其景觀格局的動態(tài)變化研究,揭示區(qū)域土地利用及其景觀格局變化的客觀規(guī)律和變化機(jī)制，對于維持和改善區(qū)域生態(tài)動態(tài)平衡,實(shí)現(xiàn)土地資源可持續(xù)開發(fā)和利用具有重要的意義。鑒于此，本研究擬依靠大量數(shù)據(jù)，借助遙感和地理信息系統(tǒng)手段，采用土地利用動態(tài)度模型、土地利用轉(zhuǎn)移矩陣和移動窗口景觀指數(shù)等方法深入分析1995—2015年上海市土地利用景觀格局的動態(tài)變化,以期揭示快速城市化過程中該地區(qū)景觀生態(tài)變化的時(shí)空變化規(guī)律,為當(dāng)?shù)鼐幹仆恋乩靡?guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域及研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

上海市(30°40′—31°53′N,120°51′—122°12′E)位于中國南北海岸的中心，長江三角洲的前緣，東瀕東海，南臨杭州灣，西接江蘇、浙江兩省，北接長江入海口，長江與東海在此連接，交通便利，腹地廣闊，現(xiàn)轄16個(gè)區(qū)、1個(gè)縣。該區(qū)域除西南部的少數(shù)丘陵山脈以外，整體地勢為開闊的平原，平均海拔高度約4 m，地形由東向西略微傾斜，相對高差不大；上海市屬于亞熱帶季風(fēng)性氣候，氣候溫和濕潤,四季分明，降水充沛，年均氣溫17.6 ℃，降水量1 173.4 mm。截止2015年底，全市總面積6 340.5 km2，其中陸地面積約6 218.65 km2，水域面積約121.85 km2;全市常住人口總數(shù)為2 415.27萬人,其中，戶籍常住人口1 433.62萬人,外來常住人口981.65萬人；地區(qū)生產(chǎn)總值24 964.99億元，比2014年增長6.9%，其中，第一產(chǎn)業(yè)增加值109.78億元，下降13.2%；第二產(chǎn)業(yè)增加值7 940.69億元，增長1.2%；第三產(chǎn)業(yè)增加值16 914.52億元，增長10.6%；人均生產(chǎn)總值為10.31萬元。上海市作為中國最大的經(jīng)濟(jì)中心之一，也是著名的港口城市，在中國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有舉足輕重的作用，隨著工業(yè)化、城市化水平的提高，人類活動對于土地利用景觀格局的影響越來越大，從而對于全球變化的影響也較為顯著，因此，研究該地區(qū)土地利用景觀格局的時(shí)空變化特征，對城市建設(shè)具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)。

1.2 數(shù)據(jù)獲取及預(yù)處理

本研究采用1995，2000，2005，2010年的Landsat TM影像和2015年的Landsat OLI影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，以上海市為研究區(qū)，在對土地利用類型進(jìn)行劃分時(shí)，依據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類》國家標(biāo)準(zhǔn)(GB /T 21010-2007)，結(jié)合上海市土地利用現(xiàn)狀特征，將研究區(qū)的土地利用類型劃分為5大類，分別為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地(城鄉(xiāng)用地、工礦用地和居民用地)等。按照上述分類系統(tǒng)運(yùn)用ERDAS 2010進(jìn)行土地利用一級類型的監(jiān)督分類，對得到的5期遙感影像的分類結(jié)果進(jìn)行精度檢驗(yàn)，評價(jià)結(jié)果如表1所示，其Kappa系數(shù)均達(dá)到0.82以上。這說明土地利用解義結(jié)果較為可靠且滿足本研究的需要，因此，建立5期土地利用的數(shù)據(jù)庫。

表1 上海市景觀類型分類結(jié)果精度檢驗(yàn)情況

1.3 研究方法

本文采用土地利用動態(tài)度模型、土地利用轉(zhuǎn)移矩陣和移動窗口景觀指數(shù)3種方法分析上海市1995—2015年土地利用景觀格局的時(shí)空變化過程。土地利用動態(tài)度用來定量地描述某種土地利用類型變化的劇烈程度；土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可以較全面的反映土地利用類型間轉(zhuǎn)化的細(xì)節(jié)特征，移動窗口法可以更為直觀的分析區(qū)域景觀指數(shù)的空間變化和空間差異。借助ArcGIS 10.1平臺計(jì)算各類土地利用景觀類型的面積比例以及土地利用動態(tài)度，并制作4個(gè)時(shí)段的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣。

為了更加直觀的分析上海市1995—2015年5個(gè)時(shí)期的景觀指數(shù)的空間變化情況，以景觀多樣性指數(shù)為例，運(yùn)用移動窗口景觀指數(shù)法研究景觀指數(shù)的區(qū)域內(nèi)差異。具體操作為，首先運(yùn)用ArcGIS 10.1導(dǎo)出由解義所獲取的各個(gè)年份的矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化的土地柵格數(shù)據(jù)(30 m×30 m)，然后利用Fragstats 4.2的移動窗口模塊，為了更好的反映城市景觀格局特征的情況，建立大小為2 km×2 km的矩形移動窗口，依次計(jì)算不同時(shí)期各柵格數(shù)據(jù)的景觀多樣性指數(shù)，最后利用ArcGIS 10.1進(jìn)行制圖融合、裁剪和分類，得到不同時(shí)期上海市景觀多樣性指數(shù)的空間分布格局圖。

1.4 景觀格局指數(shù)的確定

景觀格局指數(shù)對城市的空間特征和時(shí)空動態(tài)變化有強(qiáng)大的描述能力，且易于計(jì)算，被廣泛的應(yīng)用于城市景觀格局的衡量中。本研究在考慮各景觀格局指數(shù)的實(shí)際內(nèi)涵的基礎(chǔ)之上，參考已有的研究成果[21-25],從斑塊類型水平和景觀水平2個(gè)尺度方面選取7個(gè)具有代表性的指標(biāo)進(jìn)行景觀格局的分析。在斑塊類型水平上主要選擇各類斑塊數(shù)目(number of patches, NP)、斑塊結(jié)合度指數(shù)(patch cohesion index, COHESION)、景觀分離度指數(shù)(landscape division index, DIVISION)；景觀水平上主要選擇景觀蔓延度指數(shù)(contagion, CONTAG)、Shannon多樣性指數(shù)(Shannon’s diversity index, SHDI)、香農(nóng)均勻度指數(shù)(Shannon’s evenness index, SHEI)、斑塊密度(patch density, PD),各個(gè)指數(shù)的計(jì)算方法及含義如表2所示，其計(jì)算過程采用Fragstats 4.2軟件完成。

表2 景觀格局特征指數(shù)及其描述

注：內(nèi)容來源于Fragstats 4.2用戶手冊。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用時(shí)空動態(tài)變化

根據(jù)5期遙感影像數(shù)據(jù)的分類結(jié)果，借助GIS工具，統(tǒng)計(jì)了上海市1995—2015年5個(gè)時(shí)期土地利用的數(shù)量特征(見表3)。由表3可以看出，1995—2015年，上海市土地利用變化顯著，主要表現(xiàn)為：耕地、草地、水域呈減少趨勢：耕地面積由5 398 km2減少到4 003.9 km2,減幅達(dá)到17.3%，盡管耕地面積總量在持續(xù)下降，但仍是上海市的主要土地利用類型；草地面積從36.0 km2減少到5.9 km2；水域呈減少趨勢，面積由1 635.6 km2減少到1 582.6 km2。城鄉(xiāng)、工礦和居民用地面積從714.1 km2增加至1 892.8 km2,增幅達(dá)到14.8%，其已經(jīng)成為上海市另一種重要的土地利用類型；林地呈先減后增，2000—2015年呈持續(xù)增加態(tài)勢，與1995年相比，林地面積增加280.1 km2。土地利用動態(tài)度結(jié)果顯示，耕地的動態(tài)度明顯，而草地的土地利用動態(tài)程度最弱，單一土地利用類型的動態(tài)度在2000—2005年多發(fā)生劇變，綜合土地利用動態(tài)度呈現(xiàn)先增加后減少再增加的年際波動規(guī)律。

表3 上海市1995-2015年不同土地利用類型的變化

研究區(qū)域土地利用類型的動態(tài)變化不僅體現(xiàn)在各個(gè)土地利用類型的數(shù)量特征上，還表現(xiàn)在各個(gè)土地利用類型之間的轉(zhuǎn)化上，本文通過建立上海市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣來分析其土地利用轉(zhuǎn)化的趨勢(表4)。上海市的土地利用類型轉(zhuǎn)化主要是耕地和城鄉(xiāng)、工礦和居民用地、耕地和林地之間的相互轉(zhuǎn)化，以耕地的轉(zhuǎn)出和城鄉(xiāng)、工礦和居民用地的轉(zhuǎn)入為主要特征。

城鄉(xiāng)、工礦和居民用地的增加主要是因?yàn)椴糠指剞D(zhuǎn)化為城鄉(xiāng)、工礦和居民用地：1995—2000年轉(zhuǎn)化面積為243.1 km2;2000—2005年轉(zhuǎn)化面積為333.7 km2;2005—2010年轉(zhuǎn)化面積為488.9 km2;2010—2015年轉(zhuǎn)化面積為115.0 km2。2000—2005和2005—2010年林地轉(zhuǎn)化為城鄉(xiāng)、工礦和居民用地的面積分別是5.4，3.0 km2；另外還有草地和水域的轉(zhuǎn)入，但相比于耕地，其轉(zhuǎn)化面積比較小。

耕地面積減少除了轉(zhuǎn)化為城鄉(xiāng)、工礦和居民用地之外，部分耕地轉(zhuǎn)化為林地和水域。1995—2000年水域的增加主要是耕地和草地的轉(zhuǎn)入，轉(zhuǎn)入面積分別為為61.1，24.6 km2;2000—2005年部分水域轉(zhuǎn)入面積為22.8 km2,林地轉(zhuǎn)入面積為158.4 km2,水域和林地的主要轉(zhuǎn)入來源均為耕地；2005—2010年部分水域轉(zhuǎn)化為耕地，轉(zhuǎn)化面積為50.8 km2,部分耕地又轉(zhuǎn)為林地，轉(zhuǎn)化面積為143.0 km2,總整體耕地還是處于減少的態(tài)勢；2010—2015年部分城鄉(xiāng)、工礦和居民用地轉(zhuǎn)化為耕地，轉(zhuǎn)化面積為14 km2,其他土地利用類型的轉(zhuǎn)化放緩，轉(zhuǎn)化趨勢不明顯。

另外，上海市1995—2015年土地利用類型發(fā)生了顯著變化，耕地、草地和水域面積逐漸減少。耕地面積變化幅度較大的地區(qū)主要分布在上海市的中西部和南部部分地區(qū).由于城鄉(xiāng)、工礦和居民用地的不斷建設(shè)和開發(fā)，導(dǎo)致耕地面積喪失較大。草地開發(fā)難度相對較小，1995年草地零星分布在東北部部分地區(qū)，2015年僅在東部一些邊緣地區(qū)分布.水域的減少主要發(fā)生在東部邊緣地區(qū)，但減少幅度相對比較少。林地和城鄉(xiāng)、工礦和居民用地逐漸增加，城鄉(xiāng)、工礦和居民用地的增加來源于耕地面積，增加幅度最大的地區(qū)主要分布在研究區(qū)的中西部和南部，增加趨勢呈中部地區(qū)向四周擴(kuò)散。結(jié)合表4可知，2015年上海市土地利用大部分屬于耕地，占土地總面積的50.2%，主要分布在東南部地區(qū)；其次是城鄉(xiāng)、工礦和居民用地，占全區(qū)面積的23.7%，主要分布在中部地區(qū)；水域占總面積的19.8%，主要分布在西北部部分地區(qū)；其次是林地，占土地總面積的6.2%，主要分布在西南部部分地區(qū)；草地是上海市土地類型中較少的部分，占全區(qū)土地總面積的0.1%。

表4 上海市1995-2015年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 km2

2.2 景觀格局的時(shí)空變化

表5為上海市1995—2015年的景觀指數(shù)動態(tài)變化特征。由表5可以看出，上海市1995—2015年斑塊數(shù)目(PD)、多樣性指數(shù)(SHDI)、香濃均勻度指數(shù)(SHEI)、斑塊密度(NP)均呈現(xiàn)出增加的趨勢；結(jié)合度指數(shù)(COHESION)從1995—2010年出現(xiàn)減少的趨勢，2015年呈現(xiàn)增加的趨勢；分離度指數(shù)(DIVISION)從1995—2010年呈現(xiàn)增加的趨勢，2015年呈現(xiàn)減少趨勢；蔓延度指數(shù)(CONTAG)總體呈現(xiàn)減少的趨勢。

表5 上海市1995-2015年景觀指數(shù)動態(tài)變化

斑塊密度呈現(xiàn)上升的趨勢，最小值出現(xiàn)在1995年，其值為12 495，最大值出現(xiàn)在2015年，其值為15 912，說明1995—2015年上海市景觀破碎度呈現(xiàn)上升的趨勢。景觀分離度指數(shù)呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，2010年達(dá)到最大值，其值為0.902 2，最小值出現(xiàn)在1995年，其值為0.683 6；結(jié)合度指數(shù)呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢，說明上海市1995—2015年景觀聚集度總體上呈現(xiàn)了先減少后增加的趨勢.蔓延度指數(shù)呈下降趨勢，最小值出現(xiàn)在2015年，其值為56.247 4，這說明上海市主要景觀優(yōu)勢度在不斷下降，多樣性指數(shù)、香濃均勻度指數(shù)均呈現(xiàn)上升的趨勢，2015年出現(xiàn)最大值，其值分別為1.185 4，0.765，說明1995—2015年上海市斑塊類型豐富，景觀豐富度較高?？傊虾Ｊ芯坝^格局在時(shí)間上表現(xiàn)為斑塊數(shù)目不斷增多，主要景觀優(yōu)勢度呈下降趨勢，景觀破碎度呈現(xiàn)越來越高的主要特征。

1995—2015年上海市景觀多樣性指數(shù)從中部高、四周低的趨勢逐漸轉(zhuǎn)化為中西部、北部部分高的趨勢，整體景觀多樣性指數(shù)呈中部向四周增多的格局。1995年上海市中部部分地區(qū)斑塊形狀相對復(fù)雜，景觀類型豐富；東北部部分地區(qū)斑塊類型豐富度不高，景觀類型相對較單一；2000年以后上海市東北部地區(qū)斑塊類型單一程度逐漸減緩，景觀豐富度逐漸增加，2000—2010年斑塊類型豐富度不斷增加，其從中部地區(qū)迅速向四周增多，北部部分地區(qū)也明顯增多，景觀多樣性指數(shù)在2010年達(dá)到最高值，其值為1.550；2010—2015年是上海市土地開發(fā)的穩(wěn)定時(shí)期，景觀豐富度整體上有所下降，分布格局逐漸從中部地區(qū)逐漸向中西部、北部部分地區(qū)轉(zhuǎn)化。

3 結(jié) 論

以上海市為研究區(qū)域，采用1995，2000，2005，2010，2015年的5期Landsat TM遙感影像數(shù)據(jù)，借助GIS技術(shù)與Fragstats等軟件，運(yùn)用土地利用動態(tài)度模型、土地利用轉(zhuǎn)移矩陣和移動窗口景觀指數(shù)3種方法定量分析了1995—2015年上海市土地利用及其景觀格局的動態(tài)變化情況。

(1) 從土地利用時(shí)空動態(tài)變化上來看，1995—2015年上海市土地利用變化顯著，主要表現(xiàn)為：耕地、草地、水域呈減少趨勢；林地呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢；城鄉(xiāng)、工礦和居民用地呈現(xiàn)不斷增加的趨勢。土地利用動態(tài)度結(jié)果顯示，單一土地利用類型的動態(tài)度在2000—2005年多發(fā)生劇變，綜合土地利用動態(tài)度呈現(xiàn)先增加后減少再增加的年際波動趨勢。土地利用類型轉(zhuǎn)化主要是在耕地和城鄉(xiāng)、工礦和居民用地、耕地和林地之間的相互轉(zhuǎn)化，以耕地的轉(zhuǎn)出和城鄉(xiāng)、工礦和居民用地的轉(zhuǎn)入為主。從土地利用類型的空間分布特征來看，耕地、草地和水域面積逐漸減少。耕地面積變化幅度較大的地區(qū)主要分布在上海市的中西部和南部部分地區(qū)，林地和城鄉(xiāng)、工礦和居民用地逐漸增加，增加幅度最大的地區(qū)主要分布在研究區(qū)的中西部和南部，增加趨勢呈中部地區(qū)向四周擴(kuò)散。

(2) 從景觀格局時(shí)空變化來看，1995—2015年上海市斑塊數(shù)目、多樣性指數(shù)、香濃均勻度指數(shù)以及斑塊密度均呈現(xiàn)出增加的趨勢；結(jié)合度指數(shù)從1995—2010年出現(xiàn)減少的趨勢，2015年呈現(xiàn)增加的趨勢；分離度指數(shù)從1995—2010年呈現(xiàn)增加的趨勢，2015年呈現(xiàn)減少趨勢；蔓延度指數(shù)總體呈現(xiàn)減少的趨勢。上海市景觀格局在時(shí)間上表現(xiàn)為斑塊數(shù)目不斷增多，主要景觀優(yōu)勢度成下降趨勢，景觀破碎度呈現(xiàn)越來越高的主要特征；在空間上表現(xiàn)為景觀多樣性指數(shù)從中部高、四周低的趨勢逐漸轉(zhuǎn)化為中西部、北部部分高的趨勢，其整體呈中部向四周增多的分布格局。

(3) 1995—2015年，上海市土地利用景觀格局在自然因素和社會經(jīng)濟(jì)因素的雙重作用下，發(fā)生了較大的變化。從整體分布格局來看，隨著人類社會的迅速發(fā)展，社會經(jīng)濟(jì)因素成為上海市土地利用時(shí)空變化的主要影響因素，主要表現(xiàn)在人口與經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長，大規(guī)模的土地開發(fā)致使大量耕地被轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，城市用地結(jié)構(gòu)發(fā)生巨變。這種不合理的人口增長和土地利用方式，將對生態(tài)環(huán)境造成一系列的不良影響，為了防止生態(tài)環(huán)境的進(jìn)一步惡化，首先應(yīng)該控制人口的進(jìn)一步增長，對人口進(jìn)行合理的布局；增強(qiáng)耕地的開發(fā)整理，防止耕地被無序開發(fā)占用；此外，對城鄉(xiāng)、工礦和居民用地施行嚴(yán)格的土地規(guī)劃管理，降低其對景觀格局破碎化的影響；在城市未來發(fā)展過程中要進(jìn)一步提升用地潛力，不斷提高土地集約利用程度，保護(hù)并且增加生態(tài)服務(wù)功能性用地。

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