許艷秋， 丁金華

（蘇州科技大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，江蘇 蘇州 215011）

景觀格局是指景觀鑲嵌體呈現(xiàn)在空間上的排列[1]。 它既是自然因素和人為因素在不同時間和空間尺度上作用的最終結(jié)果，又體現(xiàn)出空間異質(zhì)性。 研究水域景觀格局的動態(tài)變化特征及演變趨勢，掌握其變化的過程及規(guī)律，是構(gòu)建水網(wǎng)地區(qū)生態(tài)安全格局的重要基礎(chǔ)。 同時為水網(wǎng)地區(qū)土地利用及生態(tài)規(guī)劃，以及水域環(huán)境的保護和管理提供科學(xué)依據(jù)。

景觀格局演變分析是地理學(xué)和景觀生態(tài)學(xué)領(lǐng)域長期關(guān)注的熱點問題[2-3]。 目前國內(nèi)外相關(guān)研究主要采用景觀格局指數(shù)和景觀動態(tài)變化等定量分析方法研究景觀格局演變特征。 國外學(xué)者主要圍繞景觀格局與過程之間的相互關(guān)系進行了較多的研究，研究內(nèi)容主要包括對景觀格局空間分布特征以及驅(qū)動因素進行研究分析[4-7]；國內(nèi)學(xué)者利用景觀格局指數(shù)分析不同尺度景觀格局特征，包括平原農(nóng)業(yè)區(qū)[8-10]、西北干旱區(qū)綠洲[11-13]、長三角與珠三角經(jīng)濟區(qū)[14-16]等，能夠揭示出不同區(qū)域景觀格局動態(tài)變化過程及其時空規(guī)律[17-19]。

蘇南水網(wǎng)地區(qū)以水成聚，傍水而興。 水域在整個水網(wǎng)生態(tài)格局中占有極其重要的地位，具有生態(tài)特殊性和復(fù)雜性。 隨著新型城鎮(zhèn)化建設(shè)的發(fā)展，其原本的水鄉(xiāng)空間特色正在逐漸消失，水域環(huán)境面臨各種威脅和危機。而研究水網(wǎng)地區(qū)水域景觀格局演變對把握水域景觀格局的動態(tài)變化具有重要性。目前對蘇南水網(wǎng)地區(qū)獨特的水域景觀生態(tài)格局相關(guān)研究較少。 本研究選取蘇州市吳江區(qū)作為研究區(qū)域， 結(jié)合ArcGIS10.7 和Fragstats4.2 等技術(shù)手段研究該地區(qū)水域景觀格局動態(tài)變化及演變特征， 揭示該地區(qū)在近30 年內(nèi)的水域景觀動態(tài)變化的規(guī)律，為蘇南水網(wǎng)地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護及該地區(qū)可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)概況

吳江區(qū)地處亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)， 四季分明。 全區(qū)總面積1 176.68 km2， 水域面積占吳江區(qū)面積的22.7%。主要河道有江南運河、太浦河、頔塘、爛溪塘等，湖蕩有元蕩、南星湖蕩等。區(qū)域內(nèi)河渠縱橫交叉、湖蕩密集星羅棋布，水網(wǎng)縱橫交織相通且呈現(xiàn)水田交錯的格局，具有鮮明的江南水鄉(xiāng)特征。 豐富的水域自然環(huán)境與農(nóng)村建設(shè)用地相互交錯，形成了蘇南特有的水網(wǎng)格局，如圖1 所示。

圖1 研究區(qū)區(qū)位圖

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

本研究以1990 年、2000 年、2010 年和2020 年土地利用數(shù)據(jù)集為數(shù)據(jù)源。本研究采用1990 年、2000 年、2010 年、2020 年的四期遙感影像，分別來源于Landsat 7 ETM、Landsat 5 TM 及Landsat 8 OIL,空間分辨率為30 m，時相均為9 月份。 運用ENVI5.0 對影像進行輻射定標、大氣校正、增強等預(yù)處理，并通過蘇州市吳江區(qū)范圍矢量圖裁剪遙感影像；結(jié)合《土地利用現(xiàn)狀分類》（GB/T 21010-2007），以蘇州市吳江區(qū)的土地利用現(xiàn)狀、影像精度為參照，應(yīng)用監(jiān)督分類法將研究區(qū)土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域及建設(shè)用地。 其中水域又分為河流、湖泊、水庫坑塘、內(nèi)陸灘涂，如圖2 所示。 經(jīng)分類后結(jié)果檢驗，數(shù)據(jù)的整體精度在85%以上，滿足研究要求[20]。

圖2 1990—2020 年吳江區(qū)土地利用類型圖

2.2 景觀格局動態(tài)分析

為描述不同水域景觀類型動態(tài)變化的程度，引入景觀動態(tài)度（K）和整體景觀動態(tài)度（LC）兩個模型指標來定量評估吳江區(qū)水域景觀變化的動態(tài)特征。

2.2.1 單一景觀動態(tài)度

其反映一定時段內(nèi)研究區(qū)某一類型景觀的變化程度[21]。 具體計算公式為

式中，K為研究期內(nèi)研究區(qū)域某一景觀類型的動態(tài)度；Ua為研究初期某景觀類型的面積；Ub為研究末期某景觀類型的面積；T為研究時間段。

2.2.2 綜合景觀動態(tài)度

其反映研究區(qū)一定實際范圍內(nèi)整體類型景觀變化的劇烈程度[22]。 具體計算公式為

式中，LC為整體景觀動態(tài)度；LU為研究區(qū)域總面積；ΔLUi-j表示研究時間范圍內(nèi)第i類景觀類型轉(zhuǎn)化為第j類景觀類型面積的絕對值；T為研究時間段。

2.2.3 景觀轉(zhuǎn)移矩陣

為了進一步分析吳江區(qū)各水域景觀類型是轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出以及景觀類型時空演變過程與機制，分析1990—2000 年、2000—2010 年、2010—2020 年的景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣。 其數(shù)學(xué)表達式為

式中，Pij代表示某種景觀類型轉(zhuǎn)移的面積；n代表景觀類型的總數(shù)，i、j分別代表研究期初與研究期末的景觀類型。

2.3 景觀格局指數(shù)分析

景觀格局指數(shù)是指能夠綜合總結(jié)出的景觀格局時空信息，是反映景觀結(jié)構(gòu)構(gòu)成和空間構(gòu)成特征的量化指標[23]。 本研究依據(jù)已有相關(guān)文獻[24-25]，結(jié)合研究區(qū)實際景觀格局情況，選取斑塊密度（PD）、斑塊平均大?。∕PS）表征景觀破碎化，選用聚集度指數(shù)（AI）、蔓延度指數(shù)（CONTAG）、斑塊內(nèi)聚力指數(shù)（CONESION）表征景觀連通性以及平均斑塊分維數(shù)（MPFD）、景觀形狀指數(shù)（LSI）表征景觀復(fù)雜性，對吳江區(qū)水域景觀格局演變進行定量分析。 各指數(shù)公式及生態(tài)內(nèi)涵見表1。

表1 景觀格局指數(shù)公式及其生態(tài)內(nèi)涵

3 結(jié)果與分析

3.1 吳江區(qū)水域景觀動態(tài)度分析

從單一景觀類型動態(tài)度變化來看（見表2），（1）河流和內(nèi)陸灘涂面積在1990—2020 年間呈持續(xù)減少的變化趨勢。反映出河流與內(nèi)陸灘涂受到人工建設(shè)的干擾較為明顯，面積總體減少的趨勢較為顯著。（2）湖泊及水庫坑塘面積在1990—2020 年呈波動變化。 其中1990—2010 年人類活動干擾增加，導(dǎo)致湖泊面積逐漸減少；水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速，水庫坑塘面積增加顯著。 2010—2020 年在“退漁還湖”政策影響下，湖泊面積有所增加；水庫坑塘面積呈明顯的減少趨勢。

表2 1990—2020 年吳江區(qū)水域景觀動態(tài)變化

從綜合景觀動態(tài)度變化來看（見表2），1990—2000 年的綜合景觀動態(tài)度最低，處于一個相對平穩(wěn)的狀態(tài)。2000—2020 年綜合景觀動態(tài)度升高，尤其體現(xiàn)在2010—2020 年的10.12%。這期間的城鎮(zhèn)化水平處于快速提升階段，各水域景觀組分經(jīng)歷較大變化，表現(xiàn)為水庫坑塘及湖泊變化速度加快，景觀整體呈現(xiàn)出不穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 景觀類型動態(tài)轉(zhuǎn)移分析

吳江區(qū)水域景觀面積轉(zhuǎn)移矩陣分析（見表3），1990—2020 年水域景觀類型面積的轉(zhuǎn)移存在階段性差異。（1）1990—2010 年隨著經(jīng)濟發(fā)展，城市化的進程加快，建設(shè)用地對水域的占用現(xiàn)象較為嚴重，河流、湖泊及內(nèi)陸灘涂總體呈向建設(shè)用地轉(zhuǎn)出的趨勢；而水庫坑塘由耕地轉(zhuǎn)入較多，反映出該階段人工養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速。

表3 1990—2020 年吳江區(qū)水域景觀面積轉(zhuǎn)移矩陣 hm2

（2）2010—2020 年河流及內(nèi)陸灘涂轉(zhuǎn)變?yōu)橄蚋丶敖ㄔO(shè)用地轉(zhuǎn)出，共向耕地及建設(shè)用地轉(zhuǎn)出231.39 hm2；水庫坑塘向耕地、建設(shè)用地及湖泊轉(zhuǎn)出面積均較多，表明存在人工建設(shè)及圍湖造田發(fā)展種植農(nóng)業(yè)占用水域的現(xiàn)象；湖泊由水庫坑塘轉(zhuǎn)入面積達1 994.31 hm2，反映出“退漁還湖”政策實施成效顯著。

3.3 吳江區(qū)水域景觀格局演變特征分析

3.3.1 景觀破碎化變化特征

景觀破碎化特征指景觀由連續(xù)完整的整體轉(zhuǎn)變?yōu)槠扑?、異質(zhì)的斑塊的現(xiàn)象。 其直接影響著景觀的生態(tài)特征與過程。 其中斑塊密度（PD）、分離度指數(shù)（DIVISION）、香濃多樣性指數(shù)（SHDI）與破碎化程度呈正相關(guān)；平均斑塊面積（MPS）與破碎化程度呈負相關(guān)。

從景觀格局破碎化指數(shù)時間演變分析 （見表4），（1）1990—2000 年斑塊密度 （PD）、 分離度指數(shù)和（DIVISION）香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）呈現(xiàn)上升的變化趨勢；平均斑塊面積指數(shù)（MPS）逐漸降低。 表明水域景觀數(shù)量逐漸增加、景觀斑塊之間越來越分散、景觀異質(zhì)性程度增大以及景觀斑塊連貫性逐漸減弱。 反映出景觀破碎化程度逐漸增大。 （2）2000—2020 年斑塊密度（PD）、 分離度指數(shù)和 （DIVISION） 香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）呈現(xiàn)降低的變化趨勢；平均斑塊面積指數(shù)（MPS）上升顯著，表明水域景觀組分所占比例有所減小、景觀斑塊之間的集聚程度呈增大的趨勢、異質(zhì)性程度逐漸降低、水域景觀斑塊之間連接程度增大。 反映出景觀破碎化程度有所減緩。

表4 1990—2020 年吳江區(qū)水域景觀破碎化指數(shù)變化

由水域景觀破碎化指數(shù)的空間分布分析（如圖3 所示）可知，由圖3 可以看出：（1）斑塊密度（PD）、分離度指數(shù)（DIVISION）和香濃多樣性指數(shù)（SHDI）高值核心區(qū)由東部黎里鎮(zhèn)區(qū)域向南部北麻漾、長漾片區(qū)轉(zhuǎn)移；低值核心區(qū)由中部吳江開發(fā)區(qū)向西部沿太湖片區(qū)轉(zhuǎn)移；（2）平均斑塊面積指數(shù)（MPS）低值核心區(qū)由東部三白蕩、汾湖片區(qū)向南部草蕩、鶯脰湖片區(qū)轉(zhuǎn)移；高值核心區(qū)由中部太湖新城區(qū)域向西部沿太湖片區(qū)轉(zhuǎn)移。 斑塊密度（PD）、分離度指數(shù)（DIVISION）、香濃多樣性指數(shù)（SHDI）高值區(qū)及平均斑塊面積（MPS）低值區(qū)面積范圍逐漸增大，表明景觀破碎化較高、景觀較為分散的區(qū)域呈逐漸擴增的趨勢。

圖3 1990—2020 年蘇州市吳江區(qū)水域景觀破碎化指數(shù)的空間分布圖

3.3.2 景觀連通性變化特征

景觀連通性能夠反映景觀對斑塊間流動的便利或阻礙程度，強調(diào)景觀空間關(guān)系的鄰接性和相互依賴性。聚集度指數(shù)（AI）、內(nèi)聚力指數(shù)（COHESION）以及蔓延度指數(shù)（CONTAG）均與連通性呈正相關(guān)。 指數(shù)越大，連通性越強；反之，則景觀的連通性越弱。

結(jié)合吳江區(qū)水域景觀連通性指數(shù)變化（見表5）分析，（1）1990—2000 年,聚集度指數(shù)（AI）、內(nèi)聚力指數(shù)（COHESION）及蔓延度指數(shù)（CONTAG）逐漸減??；表明水域景觀分離程度增大、連接性減弱、分散性加強。 反映出連通性呈逐漸減弱的變化趨勢。 （2）2000—2020 年聚集度指數(shù)（AI）、內(nèi)聚力指數(shù)（COHESION）及蔓延度指數(shù)（CONTAG）有所增大；表明水域景觀聚集程度逐漸增大、連續(xù)性逐漸上升。 反映水域景觀連通性有所增強。

表5 1990—2020 年吳江區(qū)水域景觀連通性指數(shù)變化

由吳江區(qū)水域景觀連通性指數(shù)的空間分布（如圖4 所示）分析可知，（1）1990—2020 年聚集度指數(shù)（AI）及斑塊內(nèi)聚力指數(shù)（COHESION）高值核心區(qū)由西部太湖片區(qū)向南部北麻漾片區(qū)轉(zhuǎn)移；低值核心區(qū)域由中部太湖新城向東部黎里鎮(zhèn)、三白蕩片區(qū)轉(zhuǎn)移。 （2）蔓延度指數(shù)（CONTAG）高值核心區(qū)域由北部澄湖片區(qū)向南部盛澤鎮(zhèn)、北麻漾片區(qū)轉(zhuǎn)移；低值核心區(qū)域由中部吳江開發(fā)區(qū)向東部白蜆湖、汾湖片區(qū)轉(zhuǎn)移。 AI、COHESION 及CONTAG 高值區(qū)范圍在2010—2020 年呈擴增的趨勢比較明顯， 表明該階段水域連通性強且聚集程度大的區(qū)域有所增大。

圖4 1990—2020 年蘇州市吳江區(qū)水域景觀連通性指數(shù)的空間分布圖

3.3.3 景觀復(fù)雜性變化特征

復(fù)雜性能夠明確反映景觀空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性與穩(wěn)定性。 景觀形狀指數(shù)（LSI）與平均斑塊分維數(shù)（MPFD）均與景觀復(fù)雜性呈正相關(guān)。 指數(shù)值越大，復(fù)雜性越強。

從吳江區(qū)水域景觀復(fù)雜性指數(shù)變化（見表6）可知，1990—2020 年平均斑塊分維數(shù)（MPFD）與景觀形狀指數(shù)（LSI）呈現(xiàn)逐漸增加的變化趨勢。反映出在人為干預(yù)下，水域景觀復(fù)雜性逐漸增強。其中平均斑塊分維數(shù)（MPFD）有所上升，表明水域景觀斑塊邊界不規(guī)則和復(fù)雜化程度逐漸增大；景觀形狀指數(shù)（LSI）逐漸增加，反映出水域景觀形狀逐漸復(fù)雜化、受人類的干擾程度持續(xù)增加。

表6 1990—2020 年吳江區(qū)水域景觀復(fù)雜性指數(shù)變化

從吳江區(qū)水域環(huán)境景觀復(fù)雜性指數(shù)的空間分布分析（如圖5 所示），1990—2020 年景觀形狀指數(shù)（LSI）及平均斑塊分維數(shù)（MPFD）的高值核心區(qū)由中部吳江開發(fā)區(qū)向東部黎里鎮(zhèn)片區(qū)、南部七都鎮(zhèn)及震澤鎮(zhèn)區(qū)域轉(zhuǎn)移；低值核心區(qū)由西部太湖片區(qū)向北部九里湖、澄湖片區(qū)轉(zhuǎn)移。 景觀形狀指數(shù)（LSI）及平均斑塊分維數(shù)（MPFD）范圍不斷增大，表明水域景觀形狀在人類活動與城鎮(zhèn)化的干擾下趨于復(fù)雜化。

圖5 1990—2020 年吳江區(qū)水域環(huán)境景觀復(fù)雜性指數(shù)的空間分布圖

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

本文利用吳江區(qū)1990—2020 年的4 期遙感影像數(shù)據(jù)，綜合運用景觀動態(tài)分析、景觀格局指數(shù)等方法分析了吳江區(qū)近30 年的水網(wǎng)地區(qū)景觀格局演變特征。 結(jié)果表明：

（1）從動態(tài)度變化來看，研究期間綜合景觀動態(tài)度呈增大趨勢。 其中2010—2020 年動態(tài)度較大，表明該階段各水域類型組分變化較明顯。 不同水域類型的變化趨勢也呈階段性變化，其中河流及內(nèi)陸灘涂面積在1990—2020 年持續(xù)減少；湖泊面積呈先減少后增加的變化趨勢，水庫坑塘面積先逐漸增加后有所減少。

（2）分析景觀動態(tài)轉(zhuǎn)移可見，1990—2010 年吳江區(qū)河流、湖泊及內(nèi)陸灘涂類型減少的面積主要表現(xiàn)為向建設(shè)用地轉(zhuǎn)出，表明該階段水域景觀受到人為開發(fā)建設(shè)活動的影響較大；同時水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速，水庫坑塘增加的面積主要由耕地轉(zhuǎn)入。 2010—2020 年城鎮(zhèn)化進程逐漸加快，人工建設(shè)及種植農(nóng)業(yè)對水域的干擾力度有所增加，河流及內(nèi)陸灘涂主要向建設(shè)用地及耕地轉(zhuǎn)出；湖泊增加的面積主要由水庫坑塘轉(zhuǎn)入，反映出“退漁還湖”及“圍網(wǎng)整治”等措施的成效較為顯著。

（3）從景觀格局演變特征分析來看,隨著城鎮(zhèn)化進程的不斷加快，水域景觀復(fù)雜性呈現(xiàn)逐漸增強的變化趨勢；景觀破碎化程度呈先逐漸增大后減緩的變化趨勢；景觀連通性呈現(xiàn)先逐漸增強后有所減弱的變化趨勢。其中1990—2000 年水域景觀出現(xiàn)明顯的破碎化程度增大、連通性減弱特征，反映出水域景觀受到人為開發(fā)建設(shè)活動的干擾，對區(qū)域生態(tài)安全造成影響。 但2000—2020 年水域景觀格局破碎化程度有減小的趨勢且連通性有所增強，表明在生態(tài)文明建設(shè)導(dǎo)向下水域生態(tài)景觀格局得到一定程度的保護。

4.2 討論

本文利用景觀生態(tài)學(xué)的相關(guān)理論，采用ArcGIS、Fragstats 等技術(shù)方法，提取吳江區(qū)不同水域類型及其空間分布數(shù)據(jù)，有針對性地對蘇南水網(wǎng)地區(qū)水域空間格局進行分析研究。 探明了研究區(qū)域在城市化快速進程中水域空間及內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的動態(tài)演變規(guī)律。 研究結(jié)果對于水網(wǎng)地區(qū)的生態(tài)管理具有一定的參考價值。

目前研究主要聚焦在揭示水域景觀格局特征以及該地區(qū)在近30 年內(nèi)的水域景觀動態(tài)變化的規(guī)律。 吳江區(qū)水域景觀格局演變除受自然因素影響外，社會經(jīng)濟發(fā)展、城鎮(zhèn)化進程的加快、交通設(shè)施建設(shè)以及政策導(dǎo)向等是影響本區(qū)域水域景觀格局演變的重要原因，未來可進一步利用線性回歸和空間回歸等量化分析方法更深入研究水網(wǎng)地區(qū)驅(qū)動因素與水域景觀格局空間分異之間的動態(tài)互動機理，從更全面、科學(xué)的角度分析水網(wǎng)地區(qū)景觀格局演化特征，以期制定更合理的景觀格局規(guī)劃方案，從而維護水網(wǎng)地區(qū)的健康可持續(xù)發(fā)展。