江北新區(qū)土地覆被景觀格局變化及驅(qū)動力因素分析

石曉峰，湯曉艷

(江蘇省測繪工程院，江蘇 南京 210013)

0 引 言

土地是人類關(guān)系的橋梁和紐帶，能夠促使人類更好地厘清復(fù)雜的人地關(guān)系[1]。土地利用是人們對土地有目的的使用或改造，是人類活動與自然環(huán)境相互作用最直接的表現(xiàn)形式[2-3]。土地利用的變化必然會引起景觀格局的變化[4]，而景觀格局變化又是表征土地利用變化最突出的標(biāo)志[5]。隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人口的快速增加，人類對土地的開發(fā)利用程度加大，尤其是城市地區(qū)土地利用變化更加劇烈和頻繁。以城市化過程為特征的土地利用活動對景觀功能的穩(wěn)定和景觀結(jié)構(gòu)的差異性有著深刻的影響[6]?；谕恋乩?土地覆被圖的景觀格局指數(shù)是景觀空間格局分析的重要方法[7]。因此，定量分析在土地利用變化過程中的景觀格局特征對區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)和資源可持續(xù)利用有著重要的意義。

南京江北新區(qū)自批復(fù)成立后，呈現(xiàn)出良好的發(fā)展勢頭，區(qū)域內(nèi)自然地表變化較大。在查閱已有研究成果文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，本文對南京江北新區(qū)進(jìn)行研究，充分利用地理國情監(jiān)測成果分析2016～2018年期間研究區(qū)土地覆被和景觀格局的變化特征，探討建設(shè)開發(fā)程度對景觀格局影響，旨在為新區(qū)健康可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)，提升地理國情監(jiān)測成果在自然資源監(jiān)管、生態(tài)保護(hù)與修復(fù)等領(lǐng)域的應(yīng)用水平[8]。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域概況

南京江北新區(qū)，2015年6月27日由國務(wù)院批復(fù)設(shè)立，成為全國第13個、江蘇省首個國家級新區(qū)。新區(qū)位于江蘇省南京市長江以北，介于東經(jīng)118°28′至119°6′，北緯至31°53′至32°24′之間，包括南京市浦口區(qū)、六合區(qū)的核心區(qū)域和棲霞區(qū)八卦洲街道，規(guī)劃面積788 km2。江北新區(qū)長江經(jīng)濟(jì)帶與東部沿海經(jīng)濟(jì)帶的重要交匯節(jié)點(diǎn)[9]，東承長三角城市群核心區(qū)域，西連皖江城市帶、長江中游城市群，長江黃金水道和京滬鐵路大動脈在此匯合，連南接北、通江達(dá)海，是長三角輻射帶動長江中上游地區(qū)發(fā)展的重要門戶。新區(qū)境內(nèi)集低山、丘陵、平原、崗地、大江、大河為一體，河渠縱橫，別具風(fēng)貌。新區(qū)地處熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，境內(nèi)氣候溫和，四季分明，雨水適量。

1.2 數(shù)據(jù)來源

以江北新區(qū)2016、2017和2018年基礎(chǔ)性地理國情監(jiān)測地表覆蓋數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，按照地理國情地表覆蓋分類標(biāo)準(zhǔn)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，將江北新區(qū)土地類型分為種植土地、林草覆蓋、房屋建筑(區(qū))、道路、構(gòu)筑物、人工堆掘地、裸露地表、水域共8類景觀類型。利用ArcGIS空間分析模塊，將矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成像元大小為5 m × 5 m的柵格數(shù)據(jù)，用Fragstats軟件進(jìn)行景觀格局指數(shù)計算。

2 研究方法

2.1 土地覆被變化

為充分反映江北新區(qū)土地覆被在時間和空間上的動態(tài)變化情況，本文借助ArcGIS 10.1空間疊置分析和Excel 2016 統(tǒng)計分析的功能，獲得2016～2018年土地覆被類型的動態(tài)度和土地覆被轉(zhuǎn)移矩陣，分析不同類型景觀在不同時間段內(nèi)的差異及劇烈程度。

(1)土地覆被動態(tài)度指數(shù)。定量描述了土地覆被變化速度的指標(biāo)，能很好地反映監(jiān)測時段內(nèi)區(qū)域土地覆被變化的總體態(tài)勢。土地覆被變化動態(tài)度指數(shù)計算公式如下：

式中，LUai為監(jiān)測起始時間第i類土地覆被類型的面積，T為監(jiān)測時間段，ΔLUout-i為監(jiān)測時間段T內(nèi)第i類土地覆被類型轉(zhuǎn)變?yōu)榉莍類土地利用覆被的面積之和；ΔLUin-i為監(jiān)測時間段T內(nèi)非i類土地覆被類型轉(zhuǎn)變?yōu)榈趎類土地覆被類型的面積之和;n為土地覆被類型數(shù)。

(2)土地覆被轉(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)域土地覆被變化的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)特征[10]。本文計算各類型之間轉(zhuǎn)移面積的比重得到2016～2018年的土地轉(zhuǎn)移矩陣。

2.2 土地覆被景觀格局變化分析

景觀格局分析方法是用來研究景觀結(jié)構(gòu)組合特征和空間配置關(guān)系的分析方法[11]，能夠高度濃縮研究區(qū)的景觀信息。本文應(yīng)用Fragstats4.2軟件，選取斑塊數(shù)(NP)、斑塊密度(PD)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、分形維數(shù)(FD)、聚集度(AI)、破碎度指數(shù)(LFI)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)、香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)、優(yōu)勢度指數(shù)(LDI)等景觀格局指數(shù)，針對不同時期的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，分析不同景觀類型的斑塊形狀、空間結(jié)構(gòu)的差異和不同時期新區(qū)綜合景觀差異。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地覆被變化分析

3.1.1 土地覆被變化分析

2016年，江北新區(qū)的優(yōu)勢景觀主要是林草覆蓋、種植土地和房屋建筑(區(qū))，分別占土地覆被總面積的34.93%，25.18%，12.36%。到了2018年優(yōu)勢景觀排序沒有變，但是相應(yīng)比重變成了35.15%，23.71%，11.80%。種植土地作為優(yōu)勢景觀在逐年下降，相反林草覆蓋比重呈上升態(tài)勢，房屋建筑(區(qū))作為人為景觀同樣在逐年下降，而人工堆掘地占比上升迅速(圖1)。江北新區(qū)近3年來各類用地空間分布見圖2，可以看出各類用地分布集中連片，圖形變化并不顯著。在江北新區(qū)成立初期，目前土地覆被最直觀的變化就是人工堆掘地擴(kuò)張幅度較大，種植土地快速減少，這與在江北新區(qū)一系列利好政策的帶動下，新區(qū)固定資產(chǎn)投資增加，正在進(jìn)行大規(guī)模的開發(fā)建設(shè)有關(guān)。而房屋建筑(區(qū))占比呈下降趨勢主要是因為在新區(qū)開發(fā)建設(shè)中有大量的低矮房屋拆遷。

圖1 2016～2018年江北新區(qū)土地覆被結(jié)構(gòu)變化

圖2 2016～2018年江北新區(qū)土地覆被空間分布

3.1.2 土地覆被變化動態(tài)分析

為定量反映各類型土地的變化速度，本文計算了2016～2017年和2017～2018年江北新區(qū)土地覆被變化動態(tài)度，計算結(jié)果如表1所示。

表1 江北新區(qū)土地覆被類型變化動態(tài)度指數(shù)統(tǒng)計

2016～2017年和2017～2018年期間，江北新區(qū)土地覆被變化綜合動態(tài)度分別為5.87%、8.64%。從單一類別來看，各類型變化動態(tài)度在2017～2018年均比2016～2017年高，尤其是人工堆掘地變化非常劇烈，說明人工堆掘地與其他類型之間的轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出十分頻繁。總體來說，土地覆被變化劇烈程度2017～2018年間較2016～2017年間大，表明2017～2018年間江北新區(qū)的開發(fā)建設(shè)力度所有加大。

3.1.3 土地覆被類型轉(zhuǎn)化分析

轉(zhuǎn)移矩陣能夠刻畫各類土地覆被之間的轉(zhuǎn)移過程和特點(diǎn)，2016～2018年土地覆被類型相互轉(zhuǎn)化情況由表2可知。

表2 江北新區(qū)2016～2018年土地覆被景觀轉(zhuǎn)移矩陣(%)

2016～2018年土地覆被類型相互轉(zhuǎn)換狀況：種植土地、房屋建筑(區(qū))轉(zhuǎn)出占比大于轉(zhuǎn)入占比，主要轉(zhuǎn)向為人工堆掘地，這與新區(qū)城市化快速發(fā)展、居民點(diǎn)搬遷、大型項目落地新區(qū)等政策關(guān)系密切。反之，林草覆蓋、道路和人工堆掘地轉(zhuǎn)出占比大于轉(zhuǎn)入占比，一方面說明新區(qū)的城市擴(kuò)張較快、交通條件正在提升，另外一方面說明新區(qū)比較重視生態(tài)環(huán)境的建設(shè)。其他類型的轉(zhuǎn)移變換量不大，目前新區(qū)建設(shè)發(fā)展中對這些類型的影響較小。

3.2 景觀格局動態(tài)分析

3.2.1 類型景觀特征變化

為反映類型景觀特征的變化，本文選取了斑塊數(shù)(NP)、斑塊密度(PD)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、分形維數(shù)(FD)共4個指標(biāo)進(jìn)行計算和分析，得到2016、2017、2018年3個年份的江北新區(qū)各類型景觀特征指數(shù)(圖3)。

圖3 2016～2018年江北新區(qū)土地利用類型景觀指數(shù)

從NP來看，林草覆蓋和房屋建筑(區(qū))的斑塊數(shù)量較多，道路和裸露地表的斑塊數(shù)量較少。2016～2018年間，種植土地、房屋建筑(區(qū))、構(gòu)筑物和水域的斑塊數(shù)在逐年下降，而人工堆掘地的斑塊數(shù)在逐年上升。變化幅度較大的階段均發(fā)生在2017～2018年間，說明期間江北新區(qū)正處于高速發(fā)展、開發(fā)建設(shè)力度較大的階段。

從PD來看，房屋建筑(區(qū))和水域的斑塊密度較大，而道路的斑塊密度最小，說明房屋建筑(區(qū))和水域在景觀上較為破碎，道路的完整性相對較高。2016～2018年間，種植土地、構(gòu)筑物和水域的斑塊密度在逐年下降，人工堆掘地的斑塊密度在逐年上升，說明人工堆掘地在景觀上逐年破碎化，這與期間新區(qū)的建設(shè)發(fā)展有直接密切的關(guān)系。

LSI通過計算區(qū)域內(nèi)某斑塊形狀與相同面積的圓或正方形之間的偏離程度來測量其形狀復(fù)雜程度。從LSI來看，道路的景觀形狀指數(shù)最大，其次是林草覆蓋，裸露地表的景觀形狀指數(shù)最小，其次是人工堆掘地。種植土地和構(gòu)筑物的景觀形狀指數(shù)在逐年下降，說明形狀趨于規(guī)整，人為干預(yù)較??；道路的景觀形狀指數(shù)在逐年上升，人工堆掘地的景觀形狀指數(shù)在2016～2017年間有較大的增加，說明期間人為干預(yù)較大，形狀趨于復(fù)雜。

從FD來看，道路的分形維數(shù)最大，說明道路的形狀復(fù)雜程度高；其次是構(gòu)筑物，房屋建筑(區(qū))的分形維數(shù)最小，說明屋建筑(區(qū))的形狀較為簡單，復(fù)雜程度低；各類型之間的分形維數(shù)值差距不大。人工堆掘地的分形維數(shù)呈逐年下降趨勢，變化較為明顯，道路的分形維數(shù)在2016～2017年間有較大的下降，其他類型的分形維數(shù)變化較小。

3.2.2 綜合景觀特征變化

為反映研究區(qū)整體景觀格局變化，本文選取了香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)、香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)、聚集度(AI)、優(yōu)勢度(LDI)、破碎度(LFI)共5個指標(biāo)進(jìn)行計算和分析，得到2016、2017、2018年3年的江北新區(qū)綜合景觀特征指數(shù)(表3)?？梢钥闯觯合戕r(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)和香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)在2016～2017年期間略有上升，而2017～2018年期間保持穩(wěn)定，說明各類型斑塊在景觀中呈現(xiàn)均衡化趨勢分布，且各類型斑塊所占比率也逐漸趨于均勻。聚集度(AI)在2016～2017年期間保持不變，在2017～2018年期間略有上升，說明在科學(xué)政策引導(dǎo)下，尤其是土地資源可持續(xù)利用和節(jié)約集約利用的相關(guān)政策，江北新區(qū)的土地利用集約度在增強(qiáng)。優(yōu)勢度(LDI)越高，表明組成景觀各類型所占比例差異越大，即一種或幾種少數(shù)景觀類型占優(yōu)勢，在2016～2017年期間新區(qū)LDI略有下降，2017～2018年期間保持不變，說明各類型斑塊之間彼此分割，趨于均勻。破碎度(LFI)從2016～2018年期間呈現(xiàn)逐年緩慢下降的趨勢，說明類型景觀斑塊之間分割程度降低，斑塊之間的連接性越來越好，說明新區(qū)開發(fā)建設(shè)在有序進(jìn)行。

表3 綜合景觀指數(shù)

4 結(jié) 語

從土地覆被變化看，江北新區(qū)近年來土地覆被類型以林草覆蓋、種植土地和房屋建筑(區(qū))，雖然種植土地面積在減少，但仍然是優(yōu)勢景觀，減少的種植土地主要轉(zhuǎn)化為了人工堆掘地。林草覆蓋在生態(tài)文明建設(shè)的有關(guān)工程推動下有小幅增長。人工堆掘地面積增長較快，且與其他類型的轉(zhuǎn)換最為頻繁，可以看出新區(qū)城市擴(kuò)張顯著。江北新區(qū)整體景觀變化速度在增大，自然景觀向人工景觀的轉(zhuǎn)變是新區(qū)目前景觀格局變化最顯著的特征。

從景觀格局變化看，類型景觀特征NP、PD、LSI、FD從2016年到2018年均發(fā)生一定的變化，種植土地和構(gòu)筑物的NP、PD、LSI都在逐年下降，形狀趨于規(guī)整；人工堆掘地的NP、PD逐年上升，而分形維數(shù)呈逐年下降趨勢，受人為干預(yù)，破碎化程度增加，但形狀復(fù)雜程度減少。綜合景觀特征SHDI、SHEI、AI、LDI、LFI在研究期內(nèi)的變化，表明江北新區(qū)景觀破碎化程度下降，斑塊之間連接性增強(qiáng)，斑塊在景觀中呈現(xiàn)均衡化趨勢分布，反映出景觀變化是江北新區(qū)國土空間規(guī)劃下的變化，江北新區(qū)的開發(fā)建設(shè)在有序進(jìn)行。