山地城市土地利用的景觀破碎化時(shí)空演變與驅(qū)動(dòng)力分析

廖梓均，毛 霞

（1.重慶師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院；2.GIS應(yīng)用研究重慶市高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401331；3.重慶市南川區(qū)鳴玉鎮(zhèn)人民政府，重慶 408409）

土地是支撐城市可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)資源[1]。重慶是典型的山地城市，基于地形條件特殊性，其城市景觀與平原城市截然不同[2]。伴隨城市的快速擴(kuò)張和土地利用功能的重組，城市景觀破碎化成為中國許多城市空間演進(jìn)的重要特征[3]。目前，城市景觀破碎化研究主要從景觀生態(tài)格局出發(fā)[4]，大部分采用整體景觀[5]或移動(dòng)窗口法[6]研究其破碎度的空間分布格局及變化，主要采用主成分分析[7]等傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)方法。地理探測器[8]是一種能探測數(shù)據(jù)空間分異特征和驅(qū)動(dòng)因子的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，此方法已被廣泛應(yīng)用在貧困測度、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域[9-10]，但在城市景觀破碎化研究中的應(yīng)用還比較少見。

萬州區(qū)是渝東北中心城市，對周邊具備較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)輻射作用。本文選取萬州區(qū)，基于1995年、2005年和2017年三期土地覆蓋數(shù)據(jù)，采用移動(dòng)窗口法、地理探測器等方法，對萬州區(qū)土地利用的景觀破碎化與驅(qū)動(dòng)因子開展研究，以期為揭示城市景觀破碎化機(jī)理提供新思路。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

萬州區(qū)位于重慶市東北部，處于四川盆地與秦巴山地的過渡帶，地貌類型復(fù)雜，為長江流經(jīng)之地，轄52個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)（街道），全區(qū)總面積為3 457 km2。2019年末，城鎮(zhèn)常住人口為111.32萬人，占全區(qū)總?cè)丝跀?shù)的67.46%，全年城鎮(zhèn)地區(qū)生產(chǎn)總值（GDP）為920.91億元，約占全區(qū)GDP的80.3%，萬州區(qū)是三峽庫區(qū)城鎮(zhèn)群的經(jīng)濟(jì)中心?？紤]到萬州區(qū)規(guī)劃，本文研究范圍確定為11個(gè)街道和1個(gè)建制鎮(zhèn)（萬州城區(qū)），如圖1所示。

圖1 研究區(qū)范圍

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

本文選用萬州區(qū)1995年、2005年2個(gè)時(shí)段的Landsat陸地衛(wèi)星專題成像儀/增強(qiáng)專題成像儀（TM/ETM）遙感數(shù)據(jù)，并對圖像進(jìn)行預(yù)處理。同時(shí)，土地覆蓋類型信息是基于10 m分辨率的2017年全球地表覆蓋數(shù)據(jù)提取而來的。高程數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云，空間分辨率為30 m；城市道路、高速公路、人口、GDP數(shù)據(jù)主要來自相關(guān)課題成果；統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)主要來源于歷年萬州統(tǒng)計(jì)年鑒和重慶統(tǒng)計(jì)年鑒。

2 研究方法

2.1 景觀破碎度指標(biāo)

選取聚集度指數(shù)（CI）、平均斑塊大小（MPS）、邊緣密度（ED）、斑塊密度（PD）、面積加權(quán)平均形狀指數(shù)（AWMSI）、蔓延度（CONTAG）、香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）等7個(gè)指標(biāo)表征山地城市景觀破碎化程度，采用移動(dòng)窗口法獲取信息，設(shè)定窗口尺寸為100 m，將對應(yīng)窗口下的結(jié)果值賦予中心柵格，最終得到各個(gè)景觀破碎度指標(biāo)在不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的空間分布格局。

2.2 空間主成分分析

采用空間主成分分析將各指標(biāo)轉(zhuǎn)換為綜合指數(shù)，進(jìn)而高度保留空間信息[6]。在ArcGIS10.6平臺(tái)下，利用空間主成分分析確定主成分及貢獻(xiàn)度，合成三個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的景觀破碎度。

2.3 地理探測器

地理探測器通過探測空間分層異質(zhì)性來探索驅(qū)動(dòng)力因子與作用機(jī)制。因子探測主要測度不同驅(qū)動(dòng)力因子的解釋程度，用Q統(tǒng)計(jì)量（Q檢驗(yàn)）來衡量。交互探測可用來探測驅(qū)動(dòng)因子之間的交互作用，可解釋驅(qū)動(dòng)因子的作用類型。

3 結(jié)果分析

3.1 景觀指數(shù)的時(shí)空變化特征

1995—2017年，研究區(qū)發(fā)生了明顯的城市用地?cái)U(kuò)展，建設(shè)用地和林地顯著增加，耕地和草地大量減少。其中，建設(shè)用地面積由1995年的1 139.31 hm2增加至2005年的2 851.75 hm2，2017年達(dá)到3 643.75 hm2；林地由1995年的4 987.75 hm2增加到2017年的13 811.9 hm2；水域用地由1 460.69 hm2增加到2 143.75 hm2；耕地則從1995年的18 730.6 hm2減至2017年的6 076.88 hm2；草地則從1995年的1 942.94 hm2減少到2017年的1 842.63 hm2。

研究區(qū)土地利用空間格局如圖2所示。從空間格局來看，1995—2017年，萬州區(qū)建設(shè)用地不斷向外拓展，快速的城市化使建設(shè)用地以原有核心城區(qū)為中心，不斷向外擴(kuò)展，同時(shí)萬州機(jī)場和高速公路等基礎(chǔ)交通設(shè)施的建設(shè)讓建設(shè)用地有了更大拓展可能，從而打破原來耕地和林地大面積分布的狀態(tài)。三峽工程蓄水后，隨著水位上升，水域用地增加，研究區(qū)的建設(shè)用地不能成面向外拓展，受地形和水域制約，區(qū)域景觀破碎度增強(qiáng)。由土地覆蓋空間格局可以看出，林地和耕地此起彼伏，交錯(cuò)分布。1995年，耕地是研究區(qū)土地利用的主導(dǎo)類型之一。1995—2017年，隨著退耕還林政策的實(shí)施和生態(tài)環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，研究區(qū)北部區(qū)域被劃為自然保護(hù)區(qū)，該區(qū)域林地分布廣，耕地空間分布則是“見縫插針”，導(dǎo)致景觀破碎度顯著提高。

圖2 研究區(qū)土地利用空間格局

3.2 景觀破碎度指數(shù)的時(shí)空分布特征

1995—2017年，研究區(qū)景觀破碎度的空間格局差異性相當(dāng)明顯，如圖3所示。1995年，萬州區(qū)景觀破碎度不高，極低程度區(qū)域占比較高，高度破碎區(qū)域多出現(xiàn)在天城鎮(zhèn)以北和五橋街道林地與耕地交叉區(qū)；2005年，萬州區(qū)景觀破碎度增加，空間分異明顯，極低程度區(qū)域占比顯著下降，因退耕還林等工程推進(jìn)，原破碎度較高的天城鎮(zhèn)以北區(qū)域破碎度降低，高值區(qū)域則幾乎集中在核心城區(qū)，并且程度加深；2017年，萬州區(qū)景觀破碎度空間分布更加復(fù)雜，極低程度區(qū)域繼續(xù)下降，高值區(qū)域繼續(xù)在城區(qū)周圍增加。

圖3 研究區(qū)景觀破碎度指數(shù)的空間分布

研究區(qū)景觀破碎度指數(shù)的時(shí)空變化格局如圖4所示。從景觀破碎度時(shí)空變化來看，相比2005—2017年，1995—2004年破碎程度更高。1995—2004年，萬州區(qū)移民工程和交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)造成城區(qū)景觀破碎度快速提高，空間復(fù)雜程度加重；2005—2017年，破碎度變化較大的區(qū)域主要是各個(gè)街道城市拓展空間和天城鎮(zhèn)以北區(qū)域。22年間，破碎度增加區(qū)域依然是城市空間，道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和建設(shè)空間拓展打破了原有大面積空間分布的林地或耕地，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)景觀破碎度增加。

圖4 研究區(qū)景觀破碎度指數(shù)的時(shí)空變化格局

3.3 城市景觀破碎度的驅(qū)動(dòng)力分析

下面運(yùn)用地理探測器探究城市景觀破碎度與驅(qū)動(dòng)因子的空間關(guān)系，基于ArcGIS平臺(tái)，生成研究區(qū)500 m×500 m的漁網(wǎng)，將景觀破碎度指數(shù)和驅(qū)動(dòng)因子值賦予每個(gè)漁網(wǎng)。其間選取城市規(guī)劃、自然保護(hù)區(qū)、水域等11個(gè)指標(biāo)作為驅(qū)動(dòng)因子。其中，城市規(guī)劃、自然保護(hù)區(qū)、水域、城市道路、高速公路、街道中心、人口密度和GDP密度的分類方法為自然斷點(diǎn)法，高程、坡度和土地利用類型的分類方法依據(jù)相關(guān)參考文獻(xiàn)[5]。土地利用類型包括耕地、林地、草地、水域用地、建設(shè)用地和未利用土地。

3.3.1 景觀破碎度與單一因子驅(qū)動(dòng)力分析

從表1來看，11項(xiàng)因子都能解釋景觀破碎化的空間分異。城市道路、街道中心、坡度和土地利用類型的解釋力高，說明景觀破碎度與它們有較高聯(lián)系。由于篇幅原因，現(xiàn)僅對土地利用類型進(jìn)行分析。水域用地景觀完整成片，破碎度較低；耕地面積減少，破碎度極高；林地面積增加，草地面積迅速減少，破碎度急劇增高；建設(shè)用地面積增加，破碎度也顯著上升。

表1 地理探測器的因子探測

3.3.2 景觀破碎度與因子組合驅(qū)動(dòng)力分析

城市道路、高程、坡度和土地利用類型這四個(gè)因子分別與其他因子交互后，影響力均顯著增強(qiáng)。地理探測器的交互探測結(jié)果如表2所示。在限定的地形地貌條件下，人類活動(dòng)是造成景觀破碎化的首要原因。

表2 地理探測器的交互探測

4 結(jié)論

1995—2017年，萬州區(qū)景觀格局整體呈現(xiàn)破碎化發(fā)展趨勢，景觀破碎度空間格局差異性明顯，主要表現(xiàn)在城區(qū)道路附近破碎度高，農(nóng)村地區(qū)破碎度較低。由交互探測結(jié)果可知，11項(xiàng)因子都能在不同程度上解釋景觀破碎化的空間分異。城市道路、街道中心、坡度和土地利用類型的解釋力高，說明景觀破碎度與它們有較高聯(lián)系。人類活動(dòng)（交通基礎(chǔ)設(shè)施和土地利用類型）和地形（坡度）雙因子的交互影響高于單因子，是山地城市景觀破碎化的主要原因。