杭嘉湖平原景觀格局演變及驅(qū)動(dòng)力分析研究

張紫滟，陳雨琪，劉占宇

(杭州師范大學(xué)遙感與地球科學(xué)研究院，浙江 杭州 311121)

景觀格局是各種物理、生物和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素相互作用的結(jié)果，是景觀生態(tài)學(xué)的核心內(nèi)容之一[1].景觀格局動(dòng)態(tài)變化分析可以反映不同景觀類型在不同時(shí)期的變化規(guī)律，預(yù)測(cè)景觀變化趨勢(shì)，有利于景觀的可持續(xù)發(fā)展.導(dǎo)致景觀格局變化的驅(qū)動(dòng)因子錯(cuò)綜復(fù)雜，如氣候變化、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口增長、政策導(dǎo)向.景觀格局演變驅(qū)動(dòng)力研究對(duì)于揭示景觀變化的內(nèi)在機(jī)制、提供城市建設(shè)和環(huán)境保護(hù)科學(xué)策略具有重要意義.因此，景觀格局演變及其驅(qū)動(dòng)力的研究一直是生態(tài)學(xué)和地理學(xué)的研究熱點(diǎn)[2].

杭嘉湖平原作為我國最具發(fā)展活力的地區(qū)之一，其景觀格局受到較為強(qiáng)烈的人類活動(dòng)改造，人地矛盾日益增加.因此，杭嘉湖平原地區(qū)的景觀格局演變成為研究熱點(diǎn)之一.鄧勁松等[3]基于SPOT影像獲取杭州市土地利用變化信息，并利用景觀格局指數(shù)分析了杭州市景觀格局演化過程及特征；尋丹丹[4]通過景觀指數(shù)、土地利用動(dòng)態(tài)度、轉(zhuǎn)移矩陣等方法研究湖州市景觀格局時(shí)空演變并分析其驅(qū)動(dòng)因素；虎陳霞等[5]基于嘉興市土地利用數(shù)據(jù)，分析了30多年來嘉興市土地利用的動(dòng)態(tài)變化及其對(duì)景觀格局變化的響應(yīng).由于研究區(qū)覆蓋面積較大，部分指標(biāo)難以統(tǒng)計(jì)，杭嘉湖平原地區(qū)景觀格局演變研究分析成果較少.本研究運(yùn)用景觀指數(shù)、主成分分析法等分析2000—2020年杭嘉湖平原景觀格局動(dòng)態(tài)演變特點(diǎn)及其驅(qū)動(dòng)力，以期為杭嘉湖平原的可持續(xù)發(fā)展提供啟示[6-7].

1 研究區(qū)概況

杭嘉湖平原位于浙江省北部，是浙江省最大的堆積平原，北臨太湖，西臨天目山，南臨杭州灣.杭嘉湖平原屬于典型亞熱帶季風(fēng)型氣候，四季分明，夏季高溫多雨，冬季溫和少雨，氣候溫和濕潤，享有魚米之鄉(xiāng)的美譽(yù)[8-9].杭嘉湖平原連接上海、江蘇、浙江，已成為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口密集的地區(qū)之一[10].本文的研究區(qū)包括大部分杭州市轄區(qū)(上城區(qū)、拱墅區(qū)、西湖區(qū)、濱江區(qū)、蕭山區(qū)、錢塘區(qū)、臨平區(qū)、余杭區(qū))、嘉興市全境、湖州市轄區(qū)(吳興區(qū)、南潯區(qū))和德清縣.研究區(qū)范圍如圖1所示.

(a)浙江省 (b)杭嘉湖平原

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

研究數(shù)據(jù)包括遙感影像數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù).遙感影像數(shù)據(jù)選擇空間分辨率為30 m的Landsat衛(wèi)星影像.從2000年開始，每間隔5年選取1幅遙感影像，選取2000年、2005年、2010年、2015年、2020年共5幅云量較少的遙感影像.遙感影像數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云(https://www.gscloud.cn/)，統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)來自《浙江統(tǒng)計(jì)年鑒》(http://tjj.zj.gov.cn/).對(duì)遙感影像的預(yù)處理包括輻射定標(biāo)、FLAASH大氣校正、幾何校正等，然后根據(jù)研究區(qū)范圍進(jìn)行裁剪，得到5幅杭嘉湖平原Landsat影像.

2.2 景觀類型及分類方法

根據(jù)全國土地利用分類標(biāo)準(zhǔn)，將研究區(qū)景觀類型分為：水體、林地、耕地、草地、建設(shè)用地和未利用地共6類[11].分類方法采用支持向量機(jī)法結(jié)合人工目視解譯.驗(yàn)證方法選取相近時(shí)期的Google Earth歷史影像作為參考影像，將分類結(jié)果與其進(jìn)行比較，計(jì)算混淆矩陣.5期影像的Kappa系數(shù)分別為0.81、0.85、0.83、0.89和0.86，Kappa系數(shù)均在0.8以上，表明分類結(jié)果較好.

2.3 景觀格局變化分析指標(biāo)

2.3.1 景觀動(dòng)態(tài)度

景觀動(dòng)態(tài)度是指一定區(qū)域內(nèi)某種景觀類型在一定時(shí)間內(nèi)的積變化率，可通過動(dòng)態(tài)度比較不同時(shí)期各景觀類型的變化差異，對(duì)預(yù)測(cè)未來景觀格局有重要作用.計(jì)算公式如下：

式中，K為某種景觀類型的動(dòng)態(tài)度，Ua和Ub為某種景觀在研究時(shí)段內(nèi)初期和末期的數(shù)量，T為研究時(shí)間.

2.3.2 景觀指數(shù)

景觀指數(shù)高度濃縮景觀格局信息，是研究景觀格局的重要工具，能定量反映其結(jié)構(gòu)組成和空間配置等特征[12-14]，包括景觀的破碎化、連通性、多樣性和空間分布等狀況[13-15].本研究利用美國俄勒岡州立大學(xué)開發(fā)的Fragstats 4.2軟件計(jì)算各類景觀指數(shù)，主要包括斑塊數(shù)量(NP)、斑塊密度(PD)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、景觀蔓延度指數(shù)(CONTAG)、景觀聚集度指數(shù)(AI)、香濃多樣性指數(shù)(SHDI)、香濃均勻度指數(shù)(SHEI).各指數(shù)的具體描述和計(jì)算方法參見文獻(xiàn)[15].

2.3.3 景觀轉(zhuǎn)移矩陣

景觀轉(zhuǎn)移矩陣可以反映研究區(qū)在一定時(shí)間內(nèi)所表現(xiàn)出來的結(jié)構(gòu)特征，也可反映不同景觀類型之間的相互轉(zhuǎn)化情況，常被用于景觀趨勢(shì)分析中，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中，Sij為研究區(qū)內(nèi)景觀類型i轉(zhuǎn)變?yōu)榫坝^類型j的轉(zhuǎn)移面積，S為研究區(qū)的整體面積.本研究基于ArcGIS 10.8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，將分類后的結(jié)果進(jìn)行疊加分析，得到景觀轉(zhuǎn)移矩陣.

2.4 景觀格局變化驅(qū)動(dòng)力分析方法

本研究選擇主成分分析法探究杭嘉湖平原景觀格局變化的驅(qū)動(dòng)因素.為全面分析杭嘉湖平原景觀格局變化的驅(qū)動(dòng)力，選取人口、生產(chǎn)總值、人均生產(chǎn)總值、第一產(chǎn)業(yè)增加值、第二產(chǎn)業(yè)增加值、第三產(chǎn)業(yè)增加值、固定資產(chǎn)投資總額、財(cái)政總收入、社會(huì)消費(fèi)品零售總額、城鄉(xiāng)居民儲(chǔ)蓄存款年末余額共10個(gè)相關(guān)因子.從浙江統(tǒng)計(jì)年鑒中查找相關(guān)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS中標(biāo)準(zhǔn)化處理后進(jìn)行主成分分析[16].

3 結(jié)果與分析

3.1 2000—2020年杭嘉湖地區(qū)景觀格局變化

2000—2020年，杭嘉湖地區(qū)各類景觀類型分布情況及面積如圖2和表1所示.20年來，研究區(qū)主要景觀類型為耕地和建設(shè)用地，二者面積合計(jì)占研究區(qū)總面積60%以上，優(yōu)勢(shì)景觀從耕地變?yōu)榻ㄔO(shè)用地.與2000年相比，2020 年耕地面積占比從56.74% 降至 30.51%，減少了2 539.91 km2.建設(shè)用地面積占比從15.14%增至38.50%，增加了2 262.01 km2.水體面積占比從10.27%增至12.52%，增加了217.87 km2.林地面積占比從17.73%增至18.28%，草地面積占比從0.08%增至0.16%.從變化度來看，耕地面積變化幅度最大，其次為建設(shè)用地，然后是水體和林地.從空間上看，水體擴(kuò)張主要集中在湖州市，建設(shè)用地增加表現(xiàn)為各個(gè)城市向四周擴(kuò)張.

表1 2000—2020年杭嘉湖平原景觀面積Tab.1 Landscape area of Hangjiahu Plain from 2000 to 2020

(a)2000年

3.2 景觀動(dòng)態(tài)度分析

研究區(qū)各類景觀類型動(dòng)態(tài)度分析結(jié)果如表2.2000—2020年耕地變化幅度先增大后減少，主要原因?yàn)榭焖俪鞘谢鞘薪ㄔO(shè)用地持續(xù)向外圍擴(kuò)張，耕地不斷被侵占[17].建設(shè)用地動(dòng)態(tài)度持續(xù)減少，杭嘉湖平原城市化建設(shè)開始注重耕地保護(hù)，遏制城市無限發(fā)展.林地在2000—2015年面積緩慢增加，2015年后有所減少.水體面積20年來不斷增大，動(dòng)態(tài)度增加，主要原因?yàn)樗a(chǎn)養(yǎng)殖面積擴(kuò)大.草地和未利用地在各個(gè)時(shí)間段的動(dòng)態(tài)度均較大，草地面積在2000—2010年增加，2015年減少后2020年又有所增加.未利用地面積呈先增加后減少趨勢(shì).

表2 2000—2020年杭嘉湖平原景觀動(dòng)態(tài)度Tab.2 Landscape dynamics of Hangjiahu Plain from 2000 to 2020 %

3.3 景觀轉(zhuǎn)移趨勢(shì)分析

為探究2000—2020年杭嘉湖平原不同景觀的轉(zhuǎn)移趨勢(shì)，利用ArcGIS 10.8軟件計(jì)算各個(gè)時(shí)期的景觀轉(zhuǎn)移矩陣，結(jié)果如表3—表6所示.

表3 2000—2005年杭嘉湖平原景觀轉(zhuǎn)移矩陣Tab.3 Landscape transfer matrix of Hangjiahu Plain from 2000 to 2005 km2

表4 2005—2010年杭嘉湖平原景觀轉(zhuǎn)移矩陣Tab.4 Landscape transfer matrix of Hangjiahu Plain from 2005 to 2010 km2

表5 2010—2015年杭嘉湖平原景觀轉(zhuǎn)移矩陣Tab.5 Landscape transfer matrix of Hangjiahu Plain from 2010 to 2015 km2

表6 2015—2020年杭嘉湖平原景觀轉(zhuǎn)移矩陣Tab.6 Landscape transfer matrix of Hangjiahu Plain from 2015 to 2020 km2

2000—2005 年，耕地轉(zhuǎn)入面積為111.08 km2，轉(zhuǎn)出面積為878.96 km2，耕地面積流失較大，耕地主要流入建設(shè)用地、林地和水體,轉(zhuǎn)換面積分別為：658.18、128.37、91.99 km2.林地轉(zhuǎn)入面積為174.72 km2，轉(zhuǎn)入面積為150.51 km2，轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出基本保持平衡.草地主要由林地和水體轉(zhuǎn)變而來.水體主要由耕地和林地轉(zhuǎn)入，主要轉(zhuǎn)出為建設(shè)用地和耕地.建設(shè)用地的轉(zhuǎn)入面積為782.05 km2，主要由耕地和林地轉(zhuǎn)入，轉(zhuǎn)出面積為83.02 km2.未利用地主要轉(zhuǎn)入為林地.

2005—2010年，耕地面積持續(xù)減少，轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出面積分別為123.86和896.57 km2，主要轉(zhuǎn)出為建設(shè)用地、水體和林地，轉(zhuǎn)出面積分別為694.05、104.42和97.81 km2.林地面積持續(xù)增加，凈轉(zhuǎn)入面積為23.24 km2.草地總體面積變化不大.水體轉(zhuǎn)入面積為136.19 km2，其中耕地轉(zhuǎn)入水體的面積為104.24 km2，養(yǎng)殖水塘開發(fā)力度加大，水體的主要轉(zhuǎn)出為建設(shè)用地.建設(shè)用地轉(zhuǎn)出較少，主要為轉(zhuǎn)入且主要由耕地轉(zhuǎn)入.

2005—2010 年，耕地面積的轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出面積分別為134.37和712.46 km2.林地凈轉(zhuǎn)入面積為29.05 km2，面積有小幅增加.建設(shè)用地的轉(zhuǎn)入面積為598.08 km2，建設(shè)用地對(duì)耕地的侵占幅度較之前有一定程度降低.未利用地轉(zhuǎn)出面積為1.31 km2，主要轉(zhuǎn)出為建設(shè)用地和耕地，說明隨著城市化進(jìn)程，人地矛盾逐漸加深，加大了對(duì)未利用地的開發(fā)力度.

2010—2015 年，耕地的轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出面積分別為173.59 km2和594.81 km2，轉(zhuǎn)出為建設(shè)用地的耕地面積為345.17 km2，與其他時(shí)段相比有所降低.林地面積減少，主要轉(zhuǎn)出為耕地和建設(shè)用地.建設(shè)用地的轉(zhuǎn)入面積為415.48 km2，說明城市化建設(shè)速度減慢，對(duì)環(huán)境的破壞在進(jìn)一步減少.草地的轉(zhuǎn)出面積為8.14 km2，主要轉(zhuǎn)出為林地和建設(shè)用地，面積分別為3.08 km2和2.32 km2，在城市發(fā)展過程中需要加大對(duì)草地的保護(hù)力度.在一系列生態(tài)保護(hù)政策的影響下，未利用地的轉(zhuǎn)出面積為3.27 km2，主要轉(zhuǎn)出為林地.

3.4 景觀指數(shù)分析

景觀指數(shù)計(jì)算結(jié)果如表7所示.研究區(qū)NP在20年間顯著增長，說明斑塊破碎化程度明顯增加；LSI指數(shù)不斷增大，表明斑塊受到較大的人為干擾，形狀趨向于復(fù)雜.CONTAG均在60以下，提示杭嘉湖平原景觀總體較為分散.CONTAG和AI不斷減小，表明不同景觀斑塊之間的蔓延程度和聚集程度下降，各斑塊之間聯(lián)系程度下降，呈現(xiàn)多要素的密集格局.多樣性指數(shù)方面，香農(nóng)多樣性指數(shù)和香農(nóng)均勻度指數(shù)總體呈現(xiàn)緩慢增長趨勢(shì)，表明景觀多樣指數(shù)上升，各景觀類型的斑塊逐漸趨向均衡，優(yōu)勢(shì)景觀優(yōu)勢(shì)度減小，比例結(jié)構(gòu)趨于平穩(wěn)化[18].這兩個(gè)指數(shù)表明，人類活動(dòng)的干擾只造成了景觀類型間的再分配，景觀構(gòu)成沒有因受到人為干擾而劇烈變化.

表7 2000—2020年杭嘉湖平原景觀指數(shù)Tab.7 Landscape indexes of Hangjiahu Plain from 2000 to 2020

3.5 景觀格局變化驅(qū)動(dòng)力分析

影響景觀格局變化的驅(qū)動(dòng)因子有自然因子和社會(huì)因子，自然因子包括氣溫、降雨、風(fēng)速等，社會(huì)因子包括人口、生產(chǎn)總值、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等[18].20年間杭嘉湖平原的自然因素相對(duì)穩(wěn)定，故本研究只考慮社會(huì)因素.依據(jù)科學(xué)性、系統(tǒng)性以及可獲取性原則，結(jié)合杭嘉湖平原的實(shí)際情況，選取了人口、生產(chǎn)總值、人均生產(chǎn)總值、第一產(chǎn)業(yè)增加值、第二產(chǎn)業(yè)增加值、第三產(chǎn)業(yè)增加值、固定資產(chǎn)投資總額、財(cái)政總收入、社會(huì)消費(fèi)品零售總額、城鄉(xiāng)居民儲(chǔ)蓄存款年末余額共10個(gè)因子.將上述數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS標(biāo)準(zhǔn)化處理后進(jìn)行主成分分析，得到主成分載荷表(表8).前兩個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率為 94.8%，可以反映影響因子的絕大部分信息，滿足本研究主成分提取要求.

表8 主成分載荷表Tab.8 Principal component load

第一主成分上載荷較大的為人口、生產(chǎn)總值、固定資產(chǎn)投資總額等，概括為社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子；第二主成分上載荷較大的為第一產(chǎn)業(yè)增加值、第二產(chǎn)業(yè)增加值、第三產(chǎn)業(yè)增加值，概括為產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)因子.社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展是杭嘉湖平原景觀格局變化的主要原因.生產(chǎn)總值、固定資產(chǎn)投資總額、財(cái)政總收入等因子的相關(guān)性均在0.95以上.杭嘉湖平原的總?cè)丝趶?000年的853.01萬增長到2020年的1 087.08萬，生產(chǎn)總值從2000年的1 774.83億元增長到2020年的22 217.5億元.固定資產(chǎn)投資持續(xù)增加，加速了城市化進(jìn)程，導(dǎo)致地區(qū)的建設(shè)用地規(guī)模不斷增加，從而加大對(duì)耕地、林地的占用以及未利用地的開發(fā)力度[19].產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整對(duì)景觀類型轉(zhuǎn)化方向有重要影響.20年間，第一、二產(chǎn)業(yè)比重逐漸降低，第三產(chǎn)業(yè)的比重增加，3個(gè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)由2000年的8.1∶54.7∶37.2變化為1.5∶34.5∶64，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)從第二產(chǎn)業(yè)主導(dǎo)變?yōu)榈谌a(chǎn)業(yè)主導(dǎo)，耕地逐漸轉(zhuǎn)換為非農(nóng)用地[20]，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整，產(chǎn)業(yè)全面升級(jí).

4 討論

驅(qū)動(dòng)力分析結(jié)果表明，人口增加、城市化發(fā)展、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等因素深刻影響著杭嘉湖景觀格局的變化.人口增長對(duì)建設(shè)用地的需求是城市擴(kuò)展的動(dòng)力，包括居民點(diǎn)、商業(yè)用地、基礎(chǔ)設(shè)施等.杭嘉湖平原20年來增加了234.07萬人，增長率為 27.44%.除人口自然增長外，杭州市、湖州市、嘉興市都提出了人才補(bǔ)貼政策，吸引全國各地的高素質(zhì)人才，大量外來人口的涌入加劇了人地矛盾.

從2011年開始，杭嘉湖平原的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)從第二產(chǎn)業(yè)主導(dǎo)變?yōu)榈谌a(chǎn)業(yè)主導(dǎo).第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值由 114.15 億元增長到 329.5 億元，增長了 215.35 億元，且第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值的增加是在耕地面積減少的趨勢(shì)下實(shí)現(xiàn)的，表明第一產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)出效率和內(nèi)部結(jié)構(gòu)也得到了提高和優(yōu)化.其中2000—2012年第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值逐漸增加，但2013—2018年逐漸下降，2018年后又有所增長.第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值從971.49億元增長到7 674.8億元，第三產(chǎn)業(yè)從659.19增長到14 213.2億元.固定資產(chǎn)投資總額的增加加大了建設(shè)用地的開發(fā)力度，同時(shí)隨著收入水平的提高，人們追求更高品質(zhì)的生活，住房條件的改善同樣加劇景觀格局的變化速度.

隨著杭州亞運(yùn)會(huì)的即將舉辦，杭州市正在加大城市建設(shè)力度，同時(shí)也會(huì)帶動(dòng)整個(gè)杭嘉湖平原的城市建設(shè).在保證經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市建設(shè)的前提下，杭嘉湖平原應(yīng)該進(jìn)一步加強(qiáng)區(qū)域間合作，促進(jìn)地區(qū)產(chǎn)業(yè)融合，嚴(yán)守耕地紅線，保證生態(tài)安全，從而實(shí)現(xiàn)持續(xù)發(fā)展[21].綜上所述，本文通過近20年來的Landsat影像數(shù)據(jù)，分析了杭嘉湖平原景觀格局動(dòng)態(tài)演變特征，并結(jié)合統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)探討了景觀格局變化的驅(qū)動(dòng)因素，結(jié)果表明：杭嘉湖平原20年來耕地面積大幅減少，建設(shè)用地面積顯著增加，水體面積緩慢增長.景觀指數(shù)分析結(jié)果表明，景觀破碎化程度增加，斑塊形狀趨向于復(fù)雜，各斑塊間的聯(lián)系程度下降，聚集程度降低，各景觀類型逐漸趨向均衡，景觀不斷向破碎化、多樣化和均勻化方向發(fā)展.主成分分析表明，社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素是杭嘉湖平原景觀格局變化主要驅(qū)動(dòng)因素，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整對(duì)景觀類型轉(zhuǎn)化方向有重要影響.

本研究的時(shí)間跨度為20年，在后續(xù)研究中可考慮增加時(shí)間跨度，獲得更長時(shí)間序列下杭嘉湖平原的景觀格局演變情況.另杭嘉湖平原橫跨3個(gè)市，部分統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)難以收集，且政策、文化等因素難以量化，后續(xù)研究中可以擴(kuò)大指標(biāo)的選取范圍，以便對(duì)杭嘉湖平原景觀格局變化的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行進(jìn)一步的分析.