1980—2018年江蘇里下河平原景觀格局時空變化及其熱點分析

劉玉卿，張華兵，孫小祥，李玉鳳

（1. 鹽城師范學(xué)院 蘇北農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化研究院，江蘇 鹽城 224007；2. 南京師范大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210023）

景觀格局是大小、形狀、屬性不同的景觀單元在空間上的分布與組合[1]。一定區(qū)域內(nèi)各種自然環(huán)境條件和社會經(jīng)濟因素共同作用形成了景觀格局[2?3]。景觀格局變化研究可以揭示區(qū)域景觀演化的方向和驅(qū)動機制，預(yù)測景觀變化趨勢，進(jìn)而提高區(qū)域景觀資源的可持續(xù)管理[4]。國內(nèi)外學(xué)者圍繞景觀格局變化開展了大量的研究工作，研究范圍涉及流域[4]、濕地[5?7]、森林[8]與城市[9?12]等，研究內(nèi)容包括景觀格局時空變化[1?2]、驅(qū)動機制[5?6,8]、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值[13?15]、生態(tài)環(huán)境效應(yīng)[3?4,16]、生態(tài)安全分析[10,17]等。江蘇省作為經(jīng)濟社會發(fā)展發(fā)達(dá)的省份之一，是景觀格局變化的熱點研究區(qū)域[18?19]。里下河平原位于江蘇省中部，是典型的平原河網(wǎng)區(qū)，區(qū)內(nèi)眾多湖泊水系密布，是江蘇極具水鄉(xiāng)特色和生態(tài)價值的區(qū)域，是“南水北調(diào)”工程的重要水源地，也是淮河流域里下河地區(qū)主要的調(diào)蓄性湖泊群，其河湖健康在防洪、調(diào)蓄水量、引水排水、水體凈化及保護(hù)生物多樣性等方面具有重要的生態(tài)作用[20?21]。近年來里下河平原的景觀格局變化顯著，區(qū)域生物多樣性和生態(tài)安全遭受嚴(yán)重威脅。當(dāng)前學(xué)者圍繞里下河平原的研究主要集中在水質(zhì)、水系、養(yǎng)殖方面[20,22?23]，有學(xué)者探討里下河平原景觀格局的演變特征[6,9,24?25]，但是都以某個城市為研究對象，基于長時間序列系統(tǒng)研究里下河平原景觀格局時空演化的研究還鮮見報道，也未見景觀格局變化方向、分布范圍及熱點方面的分析。基于此，本研究以里下河平原為研究區(qū)，選擇1980、1990、2000、2010與2018年共5期景觀類型數(shù)據(jù)，綜合運用遙感和GIS技術(shù)，通過景觀生態(tài)學(xué)和空間熱點識別方法，分析里下河平原近40 a來的景觀格局時空變化特征及熱點區(qū)域，全面反映里下河平原景觀演變的規(guī)律和原因。

1 研究區(qū)概況

里下河平原地處江蘇省中部，北至蘇北灌溉總渠，南至通揚運河，西起里運河(里河，京杭大運河蘇中段)、東至串場河(下河)，故稱里下河平原，面積約11 556.87 km2，跨南通、泰州、揚州、淮安及鹽城5個地級市。里下河平原為亞熱帶季風(fēng)氣候，區(qū)內(nèi)多年平均降水量約1 000 mm，海拔為1.0～4.5 m，呈現(xiàn)中間低、四周高的特征，是著名的洼地[21]；全區(qū)水網(wǎng)密布，湖蕩相連，淡水沼澤濕地分布較為集中。通榆河、鹵丁河、興鹽界河、射陽河、泰東河及新通揚運河等縱橫交錯。里下河平原是江蘇省重要的糧食生產(chǎn)和水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)域，對江蘇省實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。區(qū)內(nèi)現(xiàn)有總?cè)丝诩s1 300萬，耕地面積約8 500 km2。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

采用的1980、1990、2000、2010和2018年共5期土地利用類型矢量數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)。在參考GB/T 21010—2007《土地利用現(xiàn)狀分類》的基礎(chǔ)上，結(jié)合研究區(qū)景觀性質(zhì)與特點，將景觀分為7個一級類型：耕地、林地、草地、湖蕩濕地、建設(shè)用地、未利用地和河流；其中，湖蕩濕地進(jìn)一步分為湖泊、水庫坑塘、灘地與沼澤地。里下河平原5期景觀類型圖如圖1所示。

圖1 研究區(qū)1980—2018年景觀類型示意圖Figure 1 Landscape type of the study area from 1980 to 2018

2.2 研究方法

2.2.1 景觀格局變化 采用景觀格局指數(shù)[3?4]、景觀轉(zhuǎn)移矩陣分析里下河平原近40 a來的景觀格局變化規(guī)律。根據(jù)研究需要，在景觀水平上選取7種景觀格局指數(shù)，包括平均斑塊面積(AREA_MN)、平均形狀指數(shù)(SHAPE_MN)、平均分形維數(shù)(FRAC_MN)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、聚集度(AI)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)以及香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)。研究所用的軟件為Fragstats 4.2?；贏rcGIS 10.2軟件，采用景觀轉(zhuǎn)移矩陣分析研究區(qū)各景觀類型的面積轉(zhuǎn)移關(guān)系，詳細(xì)的計算方法參考文獻(xiàn)[5, 18]。

2.2.2 景觀綜合動態(tài)度 景觀綜合動態(tài)度用來表征研究區(qū)景觀類型的變化速度[25]。采用景觀綜合動態(tài)度來揭示里下河平原不同研究時段景觀類型的動態(tài)變化。為探究里下河平原不同時期景觀動態(tài)變化的空間差異，對研究區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格化處理。參考相關(guān)文獻(xiàn)和考慮研究區(qū)實際情況，采用5 km×5 km格網(wǎng)，總計524個格網(wǎng)，分別計算不同時期每個格網(wǎng)的景觀綜合動態(tài)度。格網(wǎng)景觀綜合動態(tài)度的計算公式如下：

其中：LCx為網(wǎng)格內(nèi)的景觀綜合動態(tài)度，sxi為格網(wǎng)x上的某景觀類型在T時段初期的面積，Δsx(i?j)為格網(wǎng)x上的某景觀類型x在T時段內(nèi)轉(zhuǎn)化為j景觀類型面積的絕對值，T為研究時段。運用ArcGIS 10.2中的自然斷點法劃分等級。

2.2.3 標(biāo)準(zhǔn)差橢圓 標(biāo)準(zhǔn)差橢圓可以在一定程度上反映研究要素的總體輪廓和主導(dǎo)分布方向[26?27]。標(biāo)準(zhǔn)差橢圓工具由3個基本要素組成，長半軸代表數(shù)據(jù)演化的主導(dǎo)方向，短半軸表示數(shù)據(jù)分布的范圍，具體的計算過程見文獻(xiàn)[28]。采用標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分析里下河平原1980—2018年不同時期景觀類型變化的方向和速度。

2.2.4 熱點分析 熱點分析可以得到高值或低值要素在空間上的集聚狀況，具體的計算公式可參考文獻(xiàn)[29?30]。采用Getis-Ord Gi*熱點分析工具對里下河平原1980—2018年的景觀綜合動態(tài)度進(jìn)行冷熱點統(tǒng)計。

3 結(jié)果分析

3.1 景觀結(jié)構(gòu)變化

里下河平原優(yōu)勢景觀類型為耕地、湖蕩濕地與建設(shè)用地，近40 a來在景觀結(jié)構(gòu)組成上變化明顯(表1)。從1980到2018年，耕地面積持續(xù)減少了1 000.67 km2，減少幅度達(dá)10.45%，耕地在景觀結(jié)構(gòu)中的比例也從82.84%下降到74.18%。近40 a，湖蕩濕地和河流面積表現(xiàn)出增加的趨勢，其中，湖蕩濕地面積從902.29 km2增加到1 191.81 km2，在景觀結(jié)構(gòu)中的比例從7.81%提高到10.31%。這與研究區(qū)水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展有關(guān)；河流面積從92.88 km2增加到120.44 km2。建設(shè)用地面積從1980年的972.55 km2增加到2018年的1 652.38 km2。草地和林地面積相對較小，兩者的面積和比例呈波動變化，總體上林地面積有所增加，草地面積呈下降的趨勢。研究區(qū)從2010年開始出現(xiàn)了未利用地景觀，面積為5.73 km2，至2018年，未利用地面積下降到3.15 km2。

表1 里下河平原 1980—2018年景觀結(jié)構(gòu)Table 1 Landscape structure of Lixiahe Plain from 1980 to 2018

3.2 景觀格局變化分析

由表2可以看出：里下河平原的景觀變化不僅體現(xiàn)在各景觀類型的數(shù)量變化上，還體現(xiàn)在各景觀類型的相互轉(zhuǎn)化。近40 a各景觀類型之間發(fā)生了顯著的相互轉(zhuǎn)化。按絕對量計算，轉(zhuǎn)出面積最大的是耕地(1 126.50 km2)，其次是建設(shè)用地(84.02 km2)，各景觀類型轉(zhuǎn)出面積從大到小依次為耕地、建設(shè)用地、湖蕩濕地、河流、草地、林地、未利用地。從轉(zhuǎn)入看，轉(zhuǎn)入面積最大的是建設(shè)用地(763.86 km2)，建設(shè)用地擴張主要來自耕地和湖蕩濕地。其次是湖蕩濕地(354.14 km2)，耕地轉(zhuǎn)變?yōu)楹帩竦厥瞧涿娣e增加的主要來源，湖蕩濕地轉(zhuǎn)入多于轉(zhuǎn)出。轉(zhuǎn)入面積從大到小依次為建設(shè)用地、湖蕩濕地、耕地、河流、林地、未利用地、草地。

表2 里下河平原 1980—2018年景觀轉(zhuǎn)移矩陣Table 2 Transfer matrix of landscape types in Lixiahe Plain from 1980 to 2018

由表3可知：近40 a來研究區(qū)景觀格局變化明顯，從1980—2018年，AREA_MN從457.824 9 hm2下降到387.378 5 hm2，減少幅度達(dá)15.39%。LSI由21.040 7上升到28.110 5，AI從81.616 5減少到75.048 8。AREA_MN與AI減小、LSI不斷增加的變化趨勢，表明研究區(qū)近40 a來景觀破碎化程度不斷加劇，斑塊形狀趨向復(fù)雜化。SHDI和SHEI分別從0.605 4和0.337 9增加到0.791 4和0.406 7，景觀多樣性和異質(zhì)性增加，景觀復(fù)雜程度也在增加。研究區(qū)耕地景觀持續(xù)減少、建設(shè)用地不斷擴張、養(yǎng)殖水面等景觀類型快速增加，引起景觀類型的多樣性和復(fù)雜程度增加。

表3 1980—2018年景觀尺度上的景觀格局指數(shù)Table 3 Landscape indices at landscape level from 1980 to 2018

研究區(qū)景觀FRAC_MN總體上持續(xù)增大，表明區(qū)域內(nèi)的景觀類型受人類活動的影響增強，景觀斑塊的形狀向不規(guī)則化發(fā)展。從1980—2018年，SHAPE_MN從1.106 7增加到1.139 8，表明景觀形狀不斷趨向復(fù)雜化。SHAPE_MN與FRAC_MN表現(xiàn)出一致增加的演變趨勢，表明研究區(qū)景觀類型受到了日趨增強的人類活動干擾。

3.3 景觀綜合動態(tài)度變化

由圖2可知：研究區(qū)在1980—2018年間，LCx＞0.61%的網(wǎng)格面積占研究區(qū)7.06%，LCx＞1.13%的只占2.10%。4期景觀綜合動態(tài)變化具有明顯的時空差異。1980—1990年間，LCx＞0.61%的網(wǎng)格面積占比僅2.10%，LCx＞1.13%的網(wǎng)格面積只占0.57%，主要分布在里下河中部的興化市內(nèi)，其景觀動態(tài)變化相對較大。1990—2000年，研究區(qū)的景觀動態(tài)發(fā)生了顯著變化，由中部地區(qū)向東北和西南方向擴張，高郵市與江都區(qū)內(nèi)的景觀變化速度加快。LCx＞0.61%的網(wǎng)格面積增加到4.39%，LCx＞1.13%的網(wǎng)格面積占0.57%。2000—2010年是研究區(qū)景觀變化最為劇烈的時期，大多數(shù)區(qū)域的景觀都發(fā)生了不同程度的變化。具有高動態(tài)度的網(wǎng)格明顯增加，LCx＞1.13%的網(wǎng)格面積占研究區(qū)的11.45%，LCx＞1.94%的網(wǎng)格面積占4.77%。2010—2018年的LCx有明顯的回落，景觀綜合動態(tài)變化有所放緩，LCx＞1.13%的網(wǎng)格面積減少到4.01%。里下河平原近40 a的景觀綜合動態(tài)度經(jīng)歷了“緩慢變化—快速變化—變化減緩”的發(fā)展趨勢。

圖2 里下河平原景觀綜合動態(tài)度空間分布示意圖Figure 2 Spatial distribution of landscape integrated dynamic degree in Lixiahe Plain

3.4 里下河平原景觀類型變化熱點識別

里下河平原景觀變化的方向性顯著，均以“東南—西北”方向為主軸發(fā)生不同角度的傾斜(表4、圖3)。其中，1980—1990年與1990—2000年景觀變化的中心位于興化市。自2000年開始，景觀類型變化標(biāo)準(zhǔn)差橢圓中心移動至鹽都區(qū)，有較為明顯的向西北方向移動的趨勢，主軸的傾斜程度逐漸增大。

表4 各研究區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)差橢圓參數(shù)Table 4 Standard deviation ellipse parameters in each period

圖3 研究區(qū)不同時期景觀變化標(biāo)準(zhǔn)差橢圓示意圖Figure 3 Standard deviation ellipse of landscape change

研究期間景觀類型標(biāo)準(zhǔn)差橢圓的大小變化明顯，橢圓面積在1980—1990、1990—2000、2000—2010及2010—2018年4個時期內(nèi)分別為2 487.46、4 725.24、5 662.46及5 661.47 km2，表明里下河平原景觀變化在近40 a內(nèi)呈現(xiàn)“先加劇后放緩”的特征?？傮w來說，4個時期的標(biāo)準(zhǔn)差橢圓變化幅度較大，范圍基本覆蓋了里下河平原經(jīng)濟社會發(fā)展的主要區(qū)域。表明研究區(qū)的景觀類型從局部區(qū)域的劇烈變化擴展為更大區(qū)域的變化。

以格網(wǎng)為研究單元，采用ArcGIS空間統(tǒng)計中的Getis-Ord Gi*熱點分析工具，選取置信度大于90%的具有顯著統(tǒng)計特征的冷熱點，探究研究區(qū)近40 a來景觀變化的冷熱點區(qū)域(圖4)。整體而言，研究區(qū)西北方向的景觀類型發(fā)生變化的概率較小。研究區(qū)中部、東北與西南部分地區(qū)是景觀類型變化的熱點區(qū)域，以興化市、鹽都區(qū)、高郵市及江都區(qū)的景觀變化最為顯著。4個時期的熱點形成了明顯的區(qū)域差異。具體表現(xiàn)為1980—1990年間的中部熱點、1990—2000年的中部與西南熱點到2020—2010、2010—2018年間的東北方向上的開發(fā)熱點。除1990—2000年存在冷點區(qū)域外，其他3個時期無冷點區(qū)域。里下河平原歷來是以耕地利用為主的農(nóng)業(yè)開發(fā)地區(qū)，隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、人口增長和城鎮(zhèn)化，里下河平原已經(jīng)發(fā)展成為人口密集、產(chǎn)業(yè)集中和交通基礎(chǔ)設(shè)施相對完善的地區(qū)。

圖4 近40 a里下河平原景觀動態(tài)變化熱點示意圖Figure 4 Hot spots of landscape dynamic changes in Lixiahe Plain in the past 40 years

4 結(jié)論與討論

4.1 討論

本研究系統(tǒng)探究了里下河平原近40 a來景觀格局的時空演化規(guī)律和熱點區(qū)域。里下河平原在1980—2018年景觀格局變化明顯，景觀破碎化程度不斷加劇，景觀多樣性、異質(zhì)性與復(fù)雜程度增加。這與相關(guān)學(xué)者的研究成果基本一致，徐連芳等[6]研究表明：2002—2013年揚州市濕地景觀整體呈破碎化趨勢，景觀多樣性增加，湖泊面積下降，水庫坑塘面積上升。SHI等[18]研究表明：江蘇省在1990—2010年建設(shè)用地持續(xù)增加，耕地不斷減少，2000—2010年土地利用動態(tài)度明顯高于1990—2000年。馬帥等[19]研究表明：2000—2015年江淮生態(tài)經(jīng)濟區(qū)土地利用與景觀格局變化顯著。整體上景觀異質(zhì)性程度提高，類型趨于多樣化，人為因素對景觀格局的影響不斷擴大。蔡漢等[31]研究發(fā)現(xiàn)：受到快速城市化影響，揚州市耕地景觀生態(tài)安全不斷降低，社會經(jīng)濟影響力明顯高于自然影響。

景觀格局指數(shù)的變化表明：人口增加、城市化發(fā)展、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、生態(tài)保護(hù)政策等人為因素是里下河平原景觀格局變化的主要驅(qū)動力，深刻影響著里下河平原景觀格局的變化。里下河平原是典型的平原河網(wǎng)地區(qū)，20世紀(jì)80年代該地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生了調(diào)整，開展了大規(guī)模的圍湖養(yǎng)殖運動，使里下河中部興化市、西南部的高郵市和江都區(qū)景觀格局發(fā)生了劇烈變化，部分天然湖泊、灘地被開發(fā)成養(yǎng)殖水面。近40 a來，水庫坑塘的面積增加了418.81 km2，湖泊、灘地等自然濕地的面積減少了132.78 km2。2000—2010年是里下河平原景觀格局變化最劇烈的時期，主要是由于人口增長、城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快和養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，加劇了土地需求的多樣化，大量耕地向建設(shè)用地和養(yǎng)殖水面轉(zhuǎn)化，部分天然湖泊也轉(zhuǎn)變成養(yǎng)殖魚塘。江蘇省城鎮(zhèn)化率由2000年的41.5%上升至2010年的60.6%[32]。這一階段耕地面積減少幅度達(dá)6.51%，城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積從1 076.88增加到1 531.51 km2，擴張幅度達(dá)42.22%。2010—2018年景觀格局變化相對放緩，部分地區(qū)的養(yǎng)殖水面逐步恢復(fù)為天然湖泊，同時耕地保護(hù)政策使耕地面積減少幅度較前一個時期有所放緩。這得益于系列生態(tài)保護(hù)政策的實施。2008年，江蘇省頒布實施《里下河腹部地區(qū)湖泊湖蕩保護(hù)規(guī)劃》，2010年里下河湖泊湖蕩管理與保護(hù)聯(lián)席會議制度建立，里下河湖泊湖蕩網(wǎng)格化管理自2017年開始實施。2015年《江蘇省濕地保護(hù)總體規(guī)劃(2015—2030年)》正式施行。2017年《泰州市里下河生態(tài)經(jīng)濟示范區(qū)發(fā)展規(guī)劃》正式實施，啟動興化市西北部湖蕩濕地、大縱湖、姜堰區(qū)天然湖泊退圩還湖等生態(tài)修復(fù)工程。興化市和鹽都區(qū)也聯(lián)合開展大縱湖的生態(tài)修復(fù)和退漁還湖，政策因素對里下河平原景觀格局變化的影響日益增強。

本研究還結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)差橢圓和熱點分析探究了研究區(qū)景觀格局變化的方向、空間分布范圍及熱點，但文中未做進(jìn)一步的深入探究，如不同驅(qū)動因素對景觀格局變化的影響力、貢獻(xiàn)度及協(xié)同影響，不同類型的人類活動對景觀格局演變及生態(tài)安全等方面的研究。里下河平原是重要的生態(tài)保護(hù)區(qū)域，城鎮(zhèn)化進(jìn)程顯著加快，人類活動對區(qū)域景觀格局的影響日益增強，在協(xié)調(diào)經(jīng)濟社會發(fā)展的同時要合理規(guī)劃景觀格局，要加大對天然湖泊濕地的恢復(fù)力度，增強河湖生態(tài)系統(tǒng)的連通性，提高區(qū)域景觀格局的整體連續(xù)性。

4.2 結(jié)論

①近40 a來里下河平原景觀類型面積變化顯著，耕地、草地面積分別減少了1 000.67、2.30 km2，建設(shè)用地、湖蕩濕地、河流、林地面積分別增加了679.83、289.52、27.56、2.91 km2，耕地、建設(shè)用地和湖蕩濕地用地面積變化較為劇烈。②近40 a來里下河平原景觀類型之間相互轉(zhuǎn)化頻繁，尤其以耕地與湖蕩濕地、建設(shè)用地之間的相互轉(zhuǎn)化最為顯著。耕地轉(zhuǎn)出為建設(shè)用地和湖蕩濕地的比例分別達(dá)66.35%和30.31%。耕地景觀持續(xù)轉(zhuǎn)出，湖蕩濕地的凈轉(zhuǎn)入速率不斷增加。建設(shè)用地在研究時段內(nèi)都有來自耕地、湖蕩濕地等景觀類型的輸入。林地、草地與耕地之間也存在相互轉(zhuǎn)化，少量耕地與建設(shè)用地轉(zhuǎn)化為未利用地。除耕地、草地的轉(zhuǎn)出量大于轉(zhuǎn)入量以外，其他景觀類型的轉(zhuǎn)入量均大于轉(zhuǎn)出量。③標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分析表明：近40 a研究區(qū)景觀變化的方向性顯著，以“東南—西北”為主軸傾斜，景觀變化呈現(xiàn)“先加劇后放緩”的特征。興化市、高郵市、鹽都區(qū)及江都區(qū)是景觀的熱點變化區(qū)域。