周璐劉恒湯弟偉孫毅劉小芳

(1.湖北民族大學林學園藝學院，湖北 恩施 445000；2.恩施土家族苗族自治州自然資源和規(guī)劃局，湖北 恩施 445000)

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市化的推進以及人類活動的增加，區(qū)域土地利用方式正發(fā)生著劇烈變化。土地利用變化受到自然環(huán)境和人類活動的共同作用，其對區(qū)域景觀要素的組成與配置起決定性作用，影響著區(qū)域景觀格局[1-3]。開展區(qū)域土地利用與景觀格局研究，可為區(qū)域人地關系協(xié)調、生態(tài)環(huán)境保護與可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)。

當前研究集中在土地利用與景觀格局的時空過程、影響因素等方面。如，潘竟虎等[4]發(fā)現(xiàn)玉門市土地利與景觀格局發(fā)生了劇烈變化，農業(yè)人口增長和經(jīng)濟發(fā)展是最直接驅動力；趙方圓等[5]研究結果表明，甘肅省黨河流域林地減少最多、耕地增加最多，各地類的景觀破碎度總體呈上升趨勢；張建等[6]發(fā)現(xiàn)，丹江口市土地利用類型和景觀空間格局變化明顯，生態(tài)系統(tǒng)服務價值不斷增長；楊苗等[7]預測了白洋淀2030年土地利用，認為湖泊在未來會成為優(yōu)勢景觀類型，濕地生態(tài)系統(tǒng)存在退化的風險；易阿嵐[8]等發(fā)現(xiàn)，上海市濕地面積持續(xù)縮減，濕地景觀格局受自然、人為雙重因素影響。由此可見，研究對象多集中在流域、干旱區(qū)、濕地等，對山地城市的研究較為缺乏。

恩施市作為典型的山地城市，地形條件復雜，氣候多變，生態(tài)環(huán)境脆弱。近年來，當?shù)卮罅Πl(fā)展旅游業(yè)，經(jīng)濟發(fā)展加速，城市規(guī)模不斷擴大，同時伴隨著一系列退耕還林(草)政策的實施，對自然環(huán)境的干擾加劇，該區(qū)土地利用與景觀格局必然發(fā)生變化，但未見相關研究。有鑒于此，本研究基于恩施市2010年、2015年和2018年3期土地利用數(shù)據(jù)，分析其土地利用與景觀格局，以期為該地區(qū)土地利用高效管理、生態(tài)保護政策的制定提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

恩施市位于湖北省西南部，見圖1，屬武陵山片區(qū)，地處E109°04′～109°58′，N29°50′～30°29′，為恩施土家族苗族自治州州府，行政區(qū)總面積約3967km2。氣候屬于亞熱帶季風氣候，2015年全市森林覆蓋率達62%以上，植被類型多為亞熱帶常綠落葉闊葉林。恩施市處于地勢第二級階梯末端，地形地貌復雜，以山地為主，海拔高程懸殊，具有明顯的垂直地域性差異。社會經(jīng)濟方面，GDP由2010年的86.94億元增長到2018年的233.17億元，增長近2倍，三大產(chǎn)業(yè)比重由22.34∶35.15∶42.5轉變?yōu)?2.62∶38.94∶48.44。

圖1 恩施市地理位置及高程

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

2010年、2015年和2018年3期土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心，空間分辨率為30m，該數(shù)據(jù)集綜合評價精度在94.3%以上[9]。研究按照土地利用一級類型對數(shù)據(jù)進行劃分，恩施市包含耕地、林地、草地、水域和建設用地等5類，見圖2。此外，30m的DEM數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云。數(shù)據(jù)處理和分析在ArcGIS 10.7中完成，景觀分析采用Fragstats 4.2軟件。

圖2 恩施市2010年、2015年和2018年土地利用

2 研究方法

2.1 土地利用動態(tài)變化研究

2.1.1 土地利用動態(tài)度

土地利用動態(tài)度是指研究區(qū)一定時間范圍內某種土地利用類型的數(shù)量變化情況[10]，可以反映區(qū)域土地利用/覆蓋中土地利用類型的變化劇烈程度[6]。計算公式：

(1)

式中，K為土地利用動態(tài)度；Ua、Ub分別為研究初期和末期某一土地利用的面積；T為研究時段長度。

2.1.2 土地利用程度

土地利用程度可以反映人為活動和自然環(huán)境條件的綜合效應[11,12]。計算公式：

(2)

式中，L為土地利用程度指數(shù)；Ai為第i種土地利用類型面積；AT為區(qū)域總面積；n為土地利用類型數(shù)量；Pi為不同類型的土地利用程度參數(shù)。參考胡和兵等研究方法[12]，耕地設置為0.545、林地為0.114、草地為0.215、水域為0.120、建設用地為0.936。

2.2 景觀指數(shù)分析法

景觀指數(shù)是對景觀空間特征信息的高度概括，能有效反映景觀的構成和空間結構，幫助更好地理解與解釋景觀功能[8,13]。參考相關研究[7,13]，在類型水平上選擇最大斑塊指數(shù)(LPI)、平均斑塊面積(MPS)、面積加權平均斑塊分維數(shù)(AWMPFD)和斑塊凝聚度(COHESION)等4個指數(shù)，在景觀水平上選擇斑塊個數(shù)(NP)、斑塊密度指數(shù)(PD)、周長面積分維數(shù)(PAFRAC)、聚集度(CONTAG)和香農多樣性指數(shù)(SHDI)等5個指數(shù)分析恩施市景觀格局動態(tài)變化。

3 結果與分析

3.1 土地利用動態(tài)變化

從表1和圖2可以看出，林地是恩施市的主要土地利用類型，2010年、2015年和2018年的林地面積比例分別為78.41%、78.21%和78.04%，森林覆蓋率較高，廣泛分布在整個區(qū)域；耕地面積次之，所占比例在12.68%～12.78%，主要位于中部低海拔地區(qū)和東部河谷地帶；再次是草地，比例分別為7.49%、7.48%和7.52%，集中在西北部的中高山地區(qū)；水域面積較為穩(wěn)定，主要是清江及其支流；建設用地面積比例不斷增加，主要是中部恩施城區(qū)。3個年份土地利用程度指數(shù)分別為18.16、18.36和18.44，值較小且逐年增加，說明恩施市整體上土地利用程度較低，土地利用還處于發(fā)展時期，集約度呈增加趨勢。

表1 恩施市2010—2018年土地利用類型結構及程度變化

由表2可知，2010—2015年，建設用地和林地變化量最大，其中建設用地面積增加11.79km2，林地面積減少7.82km2；2015—2018年，林地和耕地變化量最大，其中林地減少6.72km2，耕地增加3.69km2；2010—2018年，林地和建設用地變化量最大，其中林地減少14.54km2。建設用地在3個時期土地利用動態(tài)度均最大，分別為9.92%、1%和11.42%，表明建設用地是恩施市變化最顯著的地類，而其它地類土地利用動態(tài)度較低。

表2 恩施市2010—2018年土地利用變化量及動態(tài)度

計算恩施市2010—2018年土地利用轉移矩陣，分析各土地利用類型之間的轉換情況，見表3。2010—2015年，恩施市土地利用變化較小(55.63km2)，占土地總面積的1.40%；林地總轉出最多(29.47km2)，其中14.72km2的林地轉為耕地，同時共21.67km2的其它地類轉入為林地；其次是耕地總轉出面積(19.91km2)，其中17.02km2的耕地轉為林地，共16.15km2的其它地類轉入為耕地；建設用地面積顯著增加，多為對林地的占用。

表3 恩施市2010—2018年土地利用轉移矩陣

2015—2018年，恩施市土地利用變化較小(372.55km2)，占土地總面積的9.40%；林地總轉出最多(176.64km2)，其中132.32km2的林地轉為耕地，同時共169.91km2的其它地類轉入為林地；其次是耕地總轉出面積(140.85km2)，其中128.03km2的耕地轉為林地，共144.53km2的其它地類轉入為耕地；建設用地面積少量增加。

2010—2018年，恩施市土地利用變化較小(382.87km2)，占土地總面積的9.66%；林地總轉出最多(185.24km2)，其中132.80km2的林地轉為耕地，同時共170.69km2的其它地類轉入為林地；其次是耕地總轉出面積(144.76km2)，其中130.70km2的耕地轉為林地，共144.69km2的其它地類轉入為耕地；建設用地面積顯著增加。

總體而言，恩施市的土地利用以林地為主，耕地次之，林地面積不斷減少，建設用地不斷增加。土地利用變化較小，主要表現(xiàn)為林地與耕地的互轉。

3.2 景觀格局動態(tài)變化

基于恩施市2000—2018年土地利用數(shù)據(jù)，利用ArcGIS 10.7和Fragstats 4.2軟件，計算類型水平和景觀水平的景觀指數(shù)，分析其景觀格局動態(tài)變化。

3.2.1 類型級別指數(shù)變化

最大斑塊指數(shù)有助于確定景觀的優(yōu)勢類型。由表4可知，恩施市林地景觀的最大斑塊指數(shù)明顯高于其它景觀要素，多年均值為63.974，表明林地在區(qū)域景觀結構中占絕對優(yōu)勢，但值持續(xù)減少，人類活動對林地的干擾減弱；建設用地最大斑塊指數(shù)小但呈增加趨勢，由0.201增加到0.277，人類活動日益增強；耕地、草地、水域等最大斑塊指數(shù)變化不明顯。

表4 恩施市2010—2018年類型級別指數(shù)

平均斑塊面積可以表征景觀的破碎程度。林地的平均斑塊面積最大且呈減小趨勢，由1487.795km2降至1322.237km2，林地斑塊最為破碎但破碎度減??；建設用地平均斑塊面積呈增大趨勢，由19.327km2增至23.636km2，破碎度逐漸增加；耕地和草地平均斑塊面積年際波動性大，而水域破碎度降低。

面積加權平均斑塊分維數(shù)能夠揭示景觀格局總體特征。林地面積加權平均斑塊分維數(shù)最大，在1.33左右，水域次之，約1.24，其它景觀值較小。除建設用地外，其它景觀面積加權平均斑塊分維數(shù)變化不明顯，建設用地呈增加趨勢，增加了0.022。

斑塊凝聚度用于衡量斑塊類型的物理連通性。各景觀類型的斑塊凝聚度均較大，物理連通性較好，其中林地最大，多年均值為99.983，建設用地斑塊連通性增強顯著。

3.2.2 景觀級別指數(shù)變化

由表5可知，恩施市2010—2018年景觀級別的斑塊個數(shù)和斑塊密度均呈現(xiàn)先增后減的趨勢，前者由3378個升至3573個后降至3437個，后者由0.8517升至0.9009后降至0.8669。城市建設和退耕還林(草)等各種形式的人類活動深刻影響著土地利用狀態(tài)，改變了景觀格局，致使斑塊破碎化程度加深，斑塊數(shù)量和斑塊密度增加，其中2010—2015年的干擾強度強于2015—2018年。周長面積分形維數(shù)先減后增，總體呈增加趨勢，表明景觀格局復雜性增大。聚集度持續(xù)下降，由71.999降至71.3458，景觀里的不同斑塊類型的團聚程度減弱，景觀連通性下降。香農多樣性呈增加趨勢，由0.7144增至0.7306，景觀破碎化程度增加，景觀異質性加劇。

表5 恩施市2010—2018年景觀級別指數(shù)

4 結論

本研究基于恩施市2010年、2015年和2018年3期土地利用數(shù)據(jù)，采用土地利用動態(tài)度、土地利用程度等方法，同時選取典型的景觀格局指數(shù)，分析了恩施市土地利用及景觀格局的動態(tài)變化，主要得到以下結論。

恩施市的土地利用以林地為主，耕地次之，林地面積不斷減少，建設用地不斷增加。整體上土地利用程度較低，土地利用變化較小，主要表現(xiàn)為林地與耕地的互轉。

類型級別方面，林地是恩施市的主要景觀類型且破碎程度最大，建設用地的破碎程度明顯加深，各景觀類型均具有較好的物理連通性。景觀級別方面，景觀格局復雜性增大，景觀破碎化程度加深，異質性加劇。