江淮丘陵土地利用景觀格局變化分析與預(yù)測(cè)

胡書(shū)芹，顧成軍，魏曉雅，曹夢(mèng)涵

(1.滁州學(xué)院 地理信息與旅游學(xué)院,安徽 滁州 239000；2.滁州學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，安徽 滁州 239000)

土地是人類(lèi)賴以生存的基礎(chǔ)，也是珍貴的自然資源[1]。土地利用/覆被變化是人類(lèi)活動(dòng)與自然環(huán)境相互作用的表現(xiàn)形式，與人類(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的活躍程度密切相關(guān)[2]。景觀格局主要是指構(gòu)成景觀生態(tài)系統(tǒng)或土地利用/覆被類(lèi)型的形狀、比例和空間配置。景觀格局變化是土地利用變化的最直觀表現(xiàn)[3-4]。近年來(lái)，隨著城市化進(jìn)程的加速，土地利用結(jié)構(gòu)及景觀格局變化顯著，進(jìn)而影響到區(qū)域的生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，土地利用和景觀格局變化因而成為當(dāng)前全球變化和生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。諸多學(xué)者對(duì)區(qū)域土地利用和景觀格局變化特征進(jìn)行分析并對(duì)其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，為區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)[5-10]。

江淮丘陵是安徽省五大地貌類(lèi)型區(qū)之一[11]。由于位于長(zhǎng)江與淮河兩大流域之間，長(zhǎng)期遭受土壤侵蝕，水土流失嚴(yán)重、水資源缺乏，生態(tài)環(huán)境脆弱。但同時(shí)該區(qū)域也是國(guó)家重要的商品糧基地，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，該區(qū)域人類(lèi)活動(dòng)日趨增強(qiáng)，對(duì)土地利用和景觀格局產(chǎn)生很大的影響。目前，相關(guān)江淮丘陵土地利用和景觀格局變化的研究還比較缺乏，因此，文中以江淮丘陵地區(qū)的滁州市南譙區(qū)為例，運(yùn)用遙感(RS)和地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)對(duì)滁州市南譙區(qū)2000—2015年的土地利用和景觀格局的變化進(jìn)行分析，并對(duì)其未來(lái)變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，探尋其演變規(guī)律，以期為該區(qū)域土地資源的可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

南譙區(qū)是安徽省滁州市的市轄區(qū)，位于安徽省東部，蘇皖兩省交界處(117°50′～118°30′E,32°05′～32°36′ N)，面積約1 187.11 km2。氣候?yàn)楸眮啛釒駶?rùn)性季風(fēng)氣候，平均氣溫15 ℃，年均降雨量1 031 mm。 地形全貌為丘陵地，自西北向東西傾斜，西、西北和西南屬山區(qū)，約占52%；北部、東部、南部起伏較小，屬丘陵緩坡地帶，約占43%；東南圩區(qū)地勢(shì)較低，約占5%。南譙區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)科技水平發(fā)展較快，盛產(chǎn)稻、麥、水禽等，是國(guó)家確定的產(chǎn)糧大區(qū)和漁業(yè)致富重點(diǎn)區(qū)。截至2018年，南譙區(qū)常住人口26.7萬(wàn)人，比上年增加0.3萬(wàn)人，城鎮(zhèn)化率52.74%，比上年提高1.23個(gè)百分點(diǎn)。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

所用數(shù)據(jù)源于地理空間數(shù)據(jù)云的滁州市南譙區(qū)2000年、2005年、2010年和2015年4期Landsat-TM衛(wèi)星遙感影像，空間分辨率為30 m。根據(jù)南譙區(qū)的土地利用情況，將南譙區(qū)土地利用類(lèi)型分為耕地、林地、草地、水域和居民用地5類(lèi)。利用ENVI5.3軟件，按“數(shù)據(jù)預(yù)處理-人工目視解譯-檢查修正”的操作步驟對(duì)影像圖進(jìn)行解譯[12]，最終得到南譙區(qū)4期土地利用類(lèi)型(見(jiàn)圖1)。數(shù)據(jù)平均解譯精度達(dá)84.4%，滿足研究需要。

圖1 2000—2015年南譙區(qū)土地利用分類(lèi)

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用動(dòng)態(tài)度

土地利用動(dòng)態(tài)度可定量描述區(qū)域某時(shí)間段內(nèi)土地利用的變化速度，包括單一土地利用動(dòng)態(tài)度和綜合土地利用動(dòng)態(tài)度兩類(lèi)。單一土地利用動(dòng)態(tài)度可表達(dá)一定時(shí)期區(qū)域內(nèi)某種土地利用類(lèi)型數(shù)量的變化情況。計(jì)算公式為

(1)

式中：K為某一類(lèi)土地利用類(lèi)型的年均土地利用變化率；Ua和Ub分別表示研究初期和末期該類(lèi)土地利用類(lèi)型的總面積；T為初期到末期的時(shí)間間隔，以a為單位。

綜合土地利用動(dòng)態(tài)度可以綜合體現(xiàn)區(qū)域內(nèi)各種土地利用類(lèi)型面積的動(dòng)態(tài)變化情況。計(jì)算公式為

(2)

式中：LU為某一時(shí)段區(qū)域綜合土地利用動(dòng)態(tài)度，是該時(shí)段內(nèi)第i類(lèi)土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)變?yōu)榉莍類(lèi)的面積絕對(duì)值；LU(i,ta)為第i類(lèi)土地利用類(lèi)型在初期的面積。

2.2.2 景觀格局指數(shù)選擇與計(jì)算

景觀格局指數(shù)是指能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的簡(jiǎn)單定量化指標(biāo)。景觀格局指數(shù)的指標(biāo)很多，文中在借鑒前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合各指標(biāo)的生態(tài)學(xué)含義選取斑塊數(shù)量(NP)、斑塊密度(PD)、形狀系數(shù)(LSI)、蔓延度(CONTAG)、分離度(DIVISION)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)、香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)7個(gè)景觀指標(biāo)進(jìn)行分析。在ArcGIS10.1中分別對(duì)2000—2015年南譙區(qū)4期土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格化處理，然后利用景觀格局分析指數(shù)軟件Fragstats4.2獲得4期景觀類(lèi)型水平上的景觀格局指數(shù)[13-17]。

2.2.3 Markov模型

Markov模型利用隨機(jī)事件某一變量的現(xiàn)在狀態(tài)和動(dòng)向去預(yù)測(cè)該變量未來(lái)的狀態(tài)及其動(dòng)向[18]，可以高效快速地實(shí)現(xiàn)對(duì)土地利用未來(lái)趨勢(shì)的預(yù)測(cè)模擬。馬爾科夫模型首要是轉(zhuǎn)移概率矩陣的確定，轉(zhuǎn)移概率矩陣的模型為

(3)

其次,需要對(duì)預(yù)測(cè)的土地利用變化精度進(jìn)行檢驗(yàn)[19]。Kappa系數(shù)能從整體上檢驗(yàn)?zāi)M結(jié)果與觀測(cè)數(shù)據(jù)的一致性程度,已廣泛應(yīng)用于土地利用變化模擬精度檢驗(yàn)和遙感影像解譯精度評(píng)價(jià)等研究。Kappa系數(shù)的計(jì)算公式為

(4)

式中：po為正確模擬面積比例；pc為隨機(jī)情況下的正確模擬面積比例。Kappa系數(shù)計(jì)算結(jié)果為[-1, 1]，一般認(rèn)為Kappa>0.6具有顯著一致性，而Kappa>0.8則有著幾乎完美的模擬效果。

3 結(jié)果分析

3.1 土地利用變化分析

3.1.1 土地利用結(jié)構(gòu)變化

土地利用結(jié)構(gòu)是指一定范圍內(nèi)各種土地利用之間的比例關(guān)系或組成情況。由圖1和表1可以看出，南譙區(qū)各類(lèi)土地利用中以耕地和林地面積較大，其中，耕地約占45%，主要分布于東部地區(qū)，林地約占37%，主要集中分布于西部地區(qū)。居民用地和水域面積相對(duì)較少，居民用地約占南譙區(qū)總面積的4.4%～11.5%，水域約占5%，這兩類(lèi)土地利用空間分布均比較分散。而草地面積最小，僅占南譙區(qū)面積的0.3%，呈零星分布。

2000—2015年南譙區(qū)各類(lèi)土地利用面積隨時(shí)間的推移而有所變化。如表1所示，南譙區(qū)居民用地由2000年的54.45 km2逐漸增加到2015年143.38 km2，占比由4.4%增加到11.5%，增加了7.1%，增加明顯。耕地由2000年的661.36 km2逐漸減少到2015年的565.03 km2，占比從53.1%減小到45.4%，減少了7.7%，減少顯著。水域面積從2000年的61.13 km2增加到2005年的69.78 km2，再減少到2015年的66.43 km2，總體上面積略有增加；而林地和草地面積變化幅度較小，相對(duì)比較穩(wěn)定。

3.1.2 土地利用變化速度

表2為南譙區(qū)近15 a來(lái)土地利用動(dòng)態(tài)度，表明2000—2015年南譙區(qū)綜合土地類(lèi)型動(dòng)態(tài)度由0.45%上升到0.95%，又下降到0.77%，呈先增后減的趨勢(shì)，說(shuō)明南譙區(qū)整體的土地利用變化速度表現(xiàn)為先快后慢的特征，同時(shí)不同土地利用的動(dòng)態(tài)度也存在很大差異。5個(gè)地類(lèi)中居民用地的動(dòng)態(tài)度也表現(xiàn)為先增加后減少的變化趨勢(shì)，且其動(dòng)態(tài)度為2.78%～6.93%，遠(yuǎn)大于其他土地利用的動(dòng)態(tài)度，這說(shuō)明居民用地的變化速率是所有土地利用類(lèi)型中變化最快的。耕地動(dòng)態(tài)度始終為負(fù)值，從2000—2005年的-0.51%到2005—2010年的-1.27%再到2010—2015年的-1.27%，說(shuō)明耕地面積一直在縮減且縮減速度有增大趨勢(shì)。而草地、林地和水域的動(dòng)態(tài)度分別從2000—2005年的0.06%、0.03%和2.83%，變化為2005—2010年的0、0和-0.98%，再變化為2010—2015年的0.06%、0.06%和0.02%，總體來(lái)講這3種地類(lèi)變化速度有所波動(dòng)但變化較小。

表1 2000—2015年南譙區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)

表2 2000—2015年南譙區(qū)土地利用動(dòng)態(tài)度 %

3.2 景觀格局變化分析

根據(jù)南譙區(qū)景觀水平指標(biāo)(見(jiàn)表3)顯示，斑塊數(shù)量、斑塊密度和形狀系數(shù)都在增加，分別從2000年的1 546、1.24和24.72增加到2015年的1 739、1.40和27.10，反映在此期間景觀發(fā)生破碎化現(xiàn)象，以前大的景觀斑塊一部分破碎變?yōu)楦嘈螤罡鼜?fù)雜的小斑塊，人類(lèi)的干擾力度在加大；蔓延度可描述景觀里不同拼塊類(lèi)型的團(tuán)聚程度或延展趨勢(shì)，蔓延度從44.93降低到37.19，則顯示出南譙區(qū)內(nèi)部的聚合度在下降，優(yōu)勢(shì)斑塊呈現(xiàn)分散退化趨勢(shì)，景觀呈現(xiàn)多種要素的密集格局；分離度從0.81增加到0.86，反映了南譙區(qū)景觀斑塊分布更為分散；而多樣性和均勻度指數(shù)一直在增加，分別從1.01和0.62增加到1.15和0.71，說(shuō)明南譙區(qū)內(nèi)景觀異質(zhì)性上升，景觀中明顯的優(yōu)勢(shì)類(lèi)型減少，各景觀斑塊之間的面積差異減小[20-21]。

表3 2000—2015年南譙區(qū)景觀水平指標(biāo)

3.3 土地利用變化預(yù)測(cè)

3.3.1 Markov模型精度檢驗(yàn)

結(jié)合南譙區(qū)2000—2015年的土地利用變化轉(zhuǎn)移面積矩陣，計(jì)算得出2000—2015年的轉(zhuǎn)移概率矩陣(見(jiàn)表4)。以2010年為基準(zhǔn)年份，設(shè)置模擬步長(zhǎng)為1 a，以5 a為模擬周期，基于Markov模型可以得到2015年南譙區(qū)土地利用現(xiàn)狀的模擬結(jié)果, 并與2015年實(shí)際的土地利用現(xiàn)狀解譯結(jié)果進(jìn)行比較分析。Markov模型對(duì)草地變化模擬的Kappa系數(shù)為0.95，對(duì)耕地變化模擬的Kappa系數(shù)為0.78，對(duì)林地變化模擬的Kappa系數(shù)為0.83，對(duì)居民用地變化模擬的Kappa系數(shù)為0.79，對(duì)水域變化模擬的Kappa系數(shù)為0.80。模型的Kappa系數(shù)大于0.8，模擬結(jié)果具有較高的精度，可用于對(duì)南譙區(qū)土地利用變化進(jìn)行預(yù)測(cè)[22]。

表4 2000—2015年南譙區(qū)土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移概率矩陣

3.3.2 南譙區(qū)土地利用類(lèi)型預(yù)測(cè)

由南譙區(qū)土地利用類(lèi)型變化預(yù)測(cè)情況來(lái)看(見(jiàn)表5)，2015—2020年南譙區(qū)各土地利用面積仍然有所變化，耕地面積從565.03 km2縮減到520.82 km2，居民用地面積從143.38 km2增加到184.77 km2，水域面積從66.43 km2增加到68.32 km2，林地面積從467.51 km2增加到468.44 km2，草地面積基本上沒(méi)有變化。2020—2025年各種土地利用類(lèi)型的變化趨勢(shì)進(jìn)一步發(fā)生改變，耕地面積減少到454.21 km2，居民用地面積增加到252.10 km2，林地面積增加到470.63 km2,水域面積有小幅度減少，減少到65.43 km2，草地面積基本沒(méi)有變化，都在3.46 km2左右。

從各類(lèi)土地利用變化動(dòng)態(tài)度方面可以看出，2015—2025年居民用地的活躍程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他幾類(lèi)用地，動(dòng)態(tài)度從2015—2020年的5.77增加到2020—2025年的7.29，說(shuō)明居民用地面積增加的速度越來(lái)越快，這可能與未來(lái)南譙區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類(lèi)活動(dòng)影響有關(guān)。其他幾類(lèi)用地中，耕地面積縮減程度也越來(lái)越激烈，林地面積有所增加且增加的速度較為平緩，水域面積呈先增后減趨勢(shì)但波動(dòng)不大，草地面積一直都比較穩(wěn)定。

表5 南譙區(qū)各類(lèi)土地利用類(lèi)型變化預(yù)測(cè)

4 結(jié)束語(yǔ)

滁州市南譙區(qū)土地利用主要以耕地和林地為主，其次為居民用地和水域，草地面積較小。2000—2015年南譙區(qū)居民用地面積大幅增加，耕地面積嚴(yán)重縮減，水域面積增加較小，林地和草地面積基本保持穩(wěn)定。土地利用轉(zhuǎn)化活躍程度整體呈下降趨勢(shì)，土地利用結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。破碎化程度增加，優(yōu)勢(shì)斑塊呈現(xiàn)分散退化趨勢(shì)，異質(zhì)性增強(qiáng)。對(duì)南譙區(qū)2015—2025年土地利用類(lèi)型面積和變化情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果表明土地利用結(jié)構(gòu)依然以耕地和林地為主，居民用地面積增加速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它幾類(lèi)用地，同時(shí)耕地面積縮減嚴(yán)重，而林地面積有小幅度增加，水域面積呈現(xiàn)先增加后減少趨勢(shì)，草地面積基本保持穩(wěn)定，反映了南譙區(qū)土地利用未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。