王思翔，邊虹霓，王寧濤,*，謝尚儒，王 清，周丹坤

1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）地質(zhì)調(diào)查研究院，湖北武漢 430074；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心（中南地質(zhì)科技創(chuàng)新中心），湖北武漢 430205

土地利用作為地球表層系統(tǒng)最為明顯的景觀特征，其變化是自然過(guò)程和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)景觀格局影響最直觀的映射，它的實(shí)質(zhì)是人類(lèi)以自身生存和發(fā)展為前提，對(duì)土地利用方式和景觀格局進(jìn)行改造，從而滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步和生態(tài)環(huán)境保護(hù)等（Cheshire and Sheppard,2002;Vogiatzis,2012;劉紀(jì)遠(yuǎn)等,2014;龍花樓和陳坤秋,2021）。景觀格局是指景觀的空間結(jié)構(gòu)特征，包括景觀組成單元的類(lèi)型、數(shù)量以及空間分布和配置（鄔建國(guó),2007）。景觀格局作為景觀要素的重要組成，其演變?cè)缫殉蔀樯鷳B(tài)學(xué)、地理科學(xué)等相關(guān)學(xué)科關(guān)注的重點(diǎn)（陳利頂?shù)?2014;彭建等,2017;范雅雙等,2021）。景觀格局指數(shù)能夠?qū)坝^變化進(jìn)行定量描述，通過(guò)掌握其變化的過(guò)程和規(guī)律，能夠?yàn)榇龠M(jìn)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)基礎(chǔ)（陽(yáng)文銳,2015;陳影等,2016;張敏等,2016）。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)不同地區(qū)的景觀格局變化及其驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行了研究，例如宮兆寧等（2011）運(yùn)用遙感和GIS 技術(shù)對(duì)北京市濕地景觀的演變特征和驅(qū)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行了分析；李月輝等（2006）基于遙感數(shù)據(jù)對(duì)大興安嶺呼中林業(yè)局土地利用和景觀格局演變進(jìn)行了研究；劉吉平等（2014）以遙感信息為主要信息源，利用地理信息系統(tǒng)技術(shù)和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)三江平原土地利用景觀格局動(dòng)態(tài)變化及驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行了分析；Dadashpoor et al.（2019）分析了Tabriz城市群土地利用變化、城市化和景觀格局變化之間的關(guān)系；何楠（2020）基于土地利用變化對(duì)湖北省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行了評(píng)估研究；陶榮等（2019）從省、縣和地塊3個(gè)尺度分析了湖北省耕地變化的數(shù)量和景觀格局特征。學(xué)者們運(yùn)用3S技術(shù)，對(duì)景觀格局演變的研究從最初的中低分辨率遙感影像發(fā)展到高分辨率影像，從最開(kāi)始的單一年份研究發(fā)展到對(duì)不同年份的對(duì)比，在評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取上，從單一景觀指標(biāo)向多元指標(biāo)發(fā)展（Gautam et al.,2003;李傳哲等,2009;朱君君等,2011;Hu R S and Dong S C,2013;Chen M X et al.,2014;張?jiān)碌?2017;Sarkar,2019;董梁蘊(yùn)等,2021），而基于景觀格局指數(shù)的湖北省景觀格局變化的系統(tǒng)研究相對(duì)薄弱。本文擬運(yùn)用景觀生態(tài)學(xué)和地理學(xué)等相關(guān)理論方法，在景觀類(lèi)型分類(lèi)的基礎(chǔ)之上分析湖北省景觀格局的變化和驅(qū)動(dòng)機(jī)制，為湖北省生態(tài)文明建設(shè)提供參考。

1 研究區(qū)概況

湖北省位于中國(guó)中部地區(qū)，與河南、安徽、重慶、陜西、江西和湖南接壤，地跨29°01′53″～33°06′47″N、108°21′42″～116°07′50″E，東西長(zhǎng)約740 km，南北寬約470 km，總面積約18.59萬(wàn)km2。湖北省地勢(shì)大致為東、西、北三面環(huán)山，中間低平，略呈向南敞開(kāi)的不完整盆地，在全省范圍內(nèi)，山地約占56%，丘陵約占24%，平原湖區(qū)約占20%，長(zhǎng)江貫穿全省(魏鳳娟，2015)。湖北省地處亞熱帶，全省除高山地區(qū)屬高山氣候外，大部分地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候。

2 研究方法

2.1 景觀格局分析法

景觀格局指數(shù)是指高度濃縮的景觀格局信息，同時(shí)也是反映景觀結(jié)構(gòu)組成、空間配置特征的簡(jiǎn)單化指標(biāo)（蘇常紅和傅伯杰,2012）。景觀格局指數(shù)包括了大小、形狀和連通度等多方面的景觀生態(tài)學(xué)意義，其種類(lèi)繁多，包括有景觀多樣性指數(shù)、景觀分維度指數(shù)、景觀干擾與自然度指數(shù)等。

當(dāng)前主要利用Fragstats 軟件做景觀格局方面的分析，該軟件可以進(jìn)行包括斑塊、斑塊類(lèi)型和景觀級(jí)別三種方向的計(jì)算?；诤笔⊥恋乩脛澐诸?lèi)型的特征和本文的研究目的，在景觀斑塊類(lèi)型層面選取斑塊數(shù)（NP）、斑塊類(lèi)型面積（CA）、景觀類(lèi)型占比（PLAND）、聚集度（AI）、面積加權(quán)的平均斑塊分維指數(shù)（FRAC_AM）、斑塊密度（PD）共6個(gè)指數(shù)，用于反映景觀中不同斑塊類(lèi)型的結(jié)構(gòu)特征；從景觀水平層面選取景觀面積（TA）、最大斑塊占比（LPI）、蔓延度指數(shù)（CONTAG）、香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）和香農(nóng)均勻度指數(shù)（SHEI）共5 個(gè)指標(biāo)，用于反映景觀整體結(jié)構(gòu)特征。

2.2 驅(qū)動(dòng)力分析法

景觀格局動(dòng)態(tài)變化的驅(qū)動(dòng)因子主要包括自然因素和人文因素（張瑩瑩等,2019;吳健生等,2020）。其變化是一個(gè)復(fù)雜且長(zhǎng)期的動(dòng)態(tài)過(guò)程,受多種因素影響。自然因素作為基本要素,在長(zhǎng)期效應(yīng)上影響著景觀格局變化，人類(lèi)活動(dòng)在短時(shí)間內(nèi)是驅(qū)動(dòng)區(qū)域景觀格局變化的主要因素（吳琛璐等,2018）。

結(jié)合湖北省的具體情況，本文擬從上述兩個(gè)方面選取合適的指標(biāo)作為驅(qū)動(dòng)因子來(lái)研究目標(biāo)區(qū)域景觀格局產(chǎn)生變化的原因。自然因素方面，本文選取湖北省多年來(lái)平均降水量和年均溫度作為影響湖北省景觀格局演化的驅(qū)動(dòng)因子；人文因素方面，本文選取研究區(qū)2000～2018年的GDP、居民可支配收入、人均GDP、常住居民數(shù)量和人口增長(zhǎng)率等7個(gè)指標(biāo)。利用SPSS 軟件，采用主成分分析方法，篩選出影響研究區(qū)景觀格局變化的主要因子。

3 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究采用中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所地理監(jiān)測(cè)云平臺(tái)（http://www.dsac.cn/）提供的湖北省土地利用/土地覆被變化（LUCC）數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m，包括2000 年、2005 年、2010 年、2015年、2018 年5 期遙感影像。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的重分類(lèi)處理將研究區(qū)劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用土地6種土地利用/覆被類(lèi)型（圖1）。氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于湖北省氣象局（http://hb.cma.gov.cn/），包括年均降水和年均氣溫。經(jīng)濟(jì)和人口數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局（http://www.stats.gov.cn/），包括GDP、人均GDP、恩格爾系數(shù)、各產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)值和人口增長(zhǎng)率等。

圖1 湖北省2000～2018年景觀類(lèi)型變化情況Fig.1 Changes of landscape types in Hubei Province from 2000 to 2018

4 結(jié)果與分析

4.1 景觀類(lèi)型分布及其變化分析

湖北省各類(lèi)土地類(lèi)型面積分布不均，且差異明顯（表1、表2）。2000 年以來(lái)，湖北省景觀類(lèi)型以林地景觀為主，占研究區(qū)總面積的49%以上，其面積有減少趨勢(shì)，至2018 年減少了608 km2；同樣呈減少趨勢(shì)的還有耕地、草地和未利用土地，其中耕地減少面積最多，為4322 km2；草地景觀凈減少183 km2，所占面積比由2000 年的3.81%降低到2018 年的3.71%;未利用土地逐漸被開(kāi)發(fā)利用，2018 年僅有374 km2的未利用土地存在；水域和建設(shè)用地面積在研究期內(nèi)呈增加趨勢(shì)，水域在2000～2018年占比由5.82%上升至6.67%，凈增加1605 km2；建設(shè)用地所占比重較少，但持續(xù)增加，且提升的幅度較大，由2000年的2.74%增至2018年的4.63%。

表1 湖北省2000～2018年景觀類(lèi)型面積（單位:萬(wàn)km2）Table 2 Area of landscape type in Hubei Province from 2000 to 2018

表2 湖北省2000～2018年景觀類(lèi)型面積變化量（單位:km2）Table 2 Area variation of landscape type in Hubei Province from 2000 to 2018

4.2 景觀格局指數(shù)變化分析

4.2.1 斑塊水平上的景觀格局指數(shù)分析

湖北省在斑塊水平上各時(shí)期景觀指數(shù)的變化情況如圖2 所示。景觀類(lèi)型占比（PLAND）即描述各種類(lèi)型地類(lèi)占總面積的比例，面積最大的為主要景觀，它能夠反映出目標(biāo)區(qū)域景觀的基本組成；斑塊類(lèi)型面積（CA）常用來(lái)描述某一斑塊類(lèi)型中所有斑塊的面積之和。2000～2018 年，湖北省耕地景觀和林地景觀的斑塊類(lèi)型面積與景觀類(lèi)型占比均有所減少（圖2a、2b），其面積分別由2000 年的6.9695 萬(wàn)km2和9.2852 萬(wàn)km2下降至2018 年的6.5373 萬(wàn)km2和9.2244 萬(wàn)km2，但二者仍是研究區(qū)的主要景觀；水域和建設(shè)用地呈上升趨勢(shì)，其面積分別增加了約1605 km2和約3516 km2。

圖2 湖北省2000～2018年在斑塊水平上各時(shí)期景觀指數(shù)的變化Fig.2 Changes in landscape index over time at the patch level in Hubei Province during different periods from 2000 to 2018

斑塊數(shù)（NP）用于描述整體景觀的非均勻性，其數(shù)值與景觀破碎度成正比。斑塊密度（PD）能夠反映景觀的完整性和破碎化情況，它是斑塊破碎化程度最直觀的體現(xiàn)。聚集度（AI）能夠反映出景觀中不同斑塊的聚集情況。2000～2018年，湖北省林地和建設(shè)用地的斑塊數(shù)增多，斑塊密度逐年上升（圖2c、2d），說(shuō)明二者的景觀破碎程度增加，有向外擴(kuò)散的趨勢(shì)。同時(shí)建設(shè)用地的斑塊聚集度（圖2e）上升，說(shuō)明該景觀類(lèi)型受人類(lèi)干預(yù)增強(qiáng)，不同景觀類(lèi)型之間表現(xiàn)出分塊的特征，相同景觀類(lèi)型之間表現(xiàn)出聚集的特征。

面積加權(quán)的分維指數(shù)（FRAC_AM）能夠反映出景觀的穩(wěn)定性和復(fù)雜性，同時(shí)能夠反映人類(lèi)活動(dòng)對(duì)景觀格局的影響，主要運(yùn)用于人為景觀方面的變化，其結(jié)果與人類(lèi)活動(dòng)的干擾呈反比。耕地和未利用土地的FRAC_AM指數(shù)有降低的趨勢(shì)（圖2f），這說(shuō)明二者的變化受人類(lèi)活動(dòng)影響變大。

4.2.2 景觀水平上的景觀格局指數(shù)分析

2) 在小港口城市平均投資回報(bào)率低下時(shí)，小港口城市會(huì)積極投資港口，從而誘發(fā)港口投資競(jìng)爭(zhēng)。要想避免這種現(xiàn)象，只能提高小港口城市的平均投資回報(bào)率，使小港口城市有更多的投資領(lǐng)域，通過(guò)發(fā)展其他產(chǎn)業(yè)發(fā)展城市經(jīng)濟(jì)。

本研究利用湖北省景觀類(lèi)型分布數(shù)據(jù)，對(duì)選取的景觀水平上的景觀指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到湖北省2000～2018 年景觀水平上的景觀格局指數(shù)變化情況（表3）。景觀面積指數(shù)（TA）決定了景觀的范圍、研究和分析的最大尺度，為其他指數(shù)的計(jì)算奠定了基礎(chǔ)；最大斑塊占比（LPI）有助于確定景觀的優(yōu)勢(shì)類(lèi)型，反映了最大斑塊所占景觀面積，該指數(shù)呈穩(wěn)定下降趨勢(shì)，由2000 年的16.9528%下降至2018 年的16.4894%，這表明景觀類(lèi)型最大的斑塊在整體空間中的比重在減少，間接地反映出其受人類(lèi)活動(dòng)的干擾程度增加。

表3 湖北省2000～2018年景觀水平上的景觀指數(shù)Table 3 Landscape index at the landscape level in Hubei Province from 2000 to 2018

蔓延度指數(shù)（CONTAG）呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，由2000 年的63.6769%下降至2018 年的61.6788%。該指數(shù)描述景觀中不同斑塊類(lèi)型的延展趨勢(shì)或團(tuán)聚程度，當(dāng)其變小時(shí)說(shuō)明該區(qū)域景觀是具有多種要素的密集格局，景觀的破碎化程度較高。

景觀多樣性指標(biāo)（SHDI 和SHEI）主要用來(lái)反映目標(biāo)區(qū)域內(nèi)不同景觀類(lèi)型在空間上的多樣化程度，是度量景觀豐度和均勻度的指標(biāo)，該指標(biāo)與目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的景觀類(lèi)型數(shù)量和斑塊面積差異有關(guān)。湖北省2000～2018 年景觀水平上的香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）和香農(nóng)均勻度指數(shù)（SHEI）呈現(xiàn)出較慢的增長(zhǎng)趨勢(shì)（表3），這表明了不同景觀類(lèi)型多樣性程度逐步增加，景觀要素的多樣性和異質(zhì)性加強(qiáng)。

5 景觀格局變化驅(qū)動(dòng)因素分析

5.1 自然因素

以年均降水量、年均溫度為特征的氣候變化，在一定程度上會(huì)改變區(qū)域水系統(tǒng)和水環(huán)境，最終影響區(qū)域景觀的空間分布格局(趙銳鋒等,2009)。本文從湖北省氣象局提供的數(shù)據(jù)中選擇了2000～2018 年湖北省的年均降水量和年均溫度數(shù)據(jù)，分析其研究時(shí)間內(nèi)的變化趨勢(shì)。2000～2018 年，研究區(qū)的溫度呈先降低再升高的過(guò)程，降水量呈先降低再升高再降低的過(guò)程，研究區(qū)年均溫度、降水量變化趨勢(shì)較為平緩，變化不大（表4），而研究區(qū)此時(shí)間段的景觀面積指數(shù)（TA）、最大斑塊占比（LPI）和蔓延度指數(shù)（CONTAG）指數(shù)持續(xù)變小（表3），表明自然因素對(duì)研究區(qū)的景觀格局變化影響較小。

表4 湖北省2000～2018年年均溫度和年均降水量變化情況Table 4 Changes of annual average temperature and average annual precipitation in Hubei Province from 2000 to 2018

5.2 人文因素

在人文因素驅(qū)動(dòng)力分析中，本文選取了研究區(qū)2000～2018年的GDP、恩格爾系數(shù)、人口增長(zhǎng)率、人均GDP、第一產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)值等七個(gè)指標(biāo)，運(yùn)用SPSS軟件，對(duì)選取的七個(gè)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析后，提取出了1個(gè)主成分，計(jì)算得到了累計(jì)方差貢獻(xiàn)率和各個(gè)指標(biāo)的成分值（表5），累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為90.8%，超過(guò)85%，表示這些指標(biāo)具有代表性。GDP、第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、人均GDP是與經(jīng)濟(jì)發(fā)展相關(guān)性強(qiáng)的指標(biāo)，人口增長(zhǎng)率與人口因素相關(guān)性較為顯著，這6 個(gè)指標(biāo)的成分值為正值，表明這些指標(biāo)之間關(guān)聯(lián)程度較高。通過(guò)歸納，從人文因素中的人口因子和經(jīng)濟(jì)因子對(duì)研究區(qū)景觀格局變化的驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行探討。

表5 湖北省2000～2018年人文因素綜合驅(qū)動(dòng)力指標(biāo)主成分分析結(jié)果Table 5 Principal component analysis results of comprehensive driving force indicators for human factors in Hubei Province from 2000 to 2018

人口因素方面，從2000年到2018年，研究區(qū)的總?cè)丝诔试鲩L(zhǎng)趨勢(shì)，由2000 年的5646 萬(wàn)人增長(zhǎng)到2018年的5917萬(wàn)人，非農(nóng)業(yè)人口也不斷增長(zhǎng)，其數(shù)量已經(jīng)超過(guò)農(nóng)村人口數(shù)量（圖3）。因此，非農(nóng)業(yè)人口的增長(zhǎng)和總?cè)丝诘脑鲩L(zhǎng)導(dǎo)致了居民對(duì)住房的需求，尤其是在城市化進(jìn)程中，大量的人口向城市聚集，而可供使用的土地卻十分有限，這造成了土地的緊張。為緩解人口增加帶來(lái)的居住壓力，部分農(nóng)田、草地等被用作建筑用地，造成景觀格局的改變。經(jīng)濟(jì)因素方面，從2000年到2018年，湖北省經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，GDP在2018年增長(zhǎng)到了39366.55億元，各產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快，特別是第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度最快（圖4）。這兩種產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，刺激了大量農(nóng)村人口流向城市，增長(zhǎng)了對(duì)建設(shè)用地的需求，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大并不斷向外擴(kuò)張，使得未利用土地和其他類(lèi)型土地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)化的強(qiáng)度增大，導(dǎo)致建設(shè)用地面積的快速增長(zhǎng)。

圖3 湖北省2000～2018年人口變化情況Fig.3 Population changes in Hubei Province from 2000 to 2018

圖4 湖北省2000～2018年各產(chǎn)業(yè)GDP變化情況Fig.4 Changes in industrial value in Hubei Province from 2000 to 2018

斑塊水平和景觀水平上的景觀格局指數(shù)的變化情況與上述分析相符。如景觀類(lèi)型占比指數(shù)（PLAND）和斑塊類(lèi)型面積指數(shù)（CA）反映出2000～2018 年湖北省耕地、林地等的減少和和建設(shè)用地等的增加，蔓延度指數(shù)（CONTAG）持續(xù)下降表明景觀中不同斑塊的聚集程度降低，香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）和香農(nóng)均勻度指數(shù)（SHEI）的增長(zhǎng)趨勢(shì)表明景觀類(lèi)型的多樣性程度增加，異質(zhì)性加強(qiáng)。這些變化主要是由于近年來(lái)湖北省處于快速發(fā)展階段，城市化和人口集中，使得修建的道路和房屋建筑等向四周擴(kuò)散延伸化的發(fā)展改變了原有的生態(tài)環(huán)境結(jié)構(gòu)，使得地區(qū)的破碎化程度升高，連通性降低。

6 結(jié)論

（1）湖北省2000～2018年耕地、林地、草地和未利用土地面積不同程度減少。其中，耕地面積減少了4322 km2，林地次之，減少了608 km2，草地和未利用土地面積分別減少了183 km2和68 km2。水域和建設(shè)用地的面積增加較快，其面積分別增加了1605 km2和3516 km2。

（2）湖北省2000～2018年林地和建設(shè)用地的斑塊數(shù)增多，斑塊密度也逐年上升，二者景觀破碎程度增加，有向外擴(kuò)散的趨勢(shì)；建設(shè)用地的斑塊聚集度上升，該景觀類(lèi)型受人類(lèi)干預(yù)增強(qiáng)，其規(guī)劃表現(xiàn)出聚集的趨勢(shì)。在景觀水平上，湖北省2000～2018年的景觀破碎化程度升高，香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）和香農(nóng)均勻度指數(shù)（SHEI）呈上升趨勢(shì)，不同景觀類(lèi)型的多樣性逐步增加，景觀異質(zhì)性增強(qiáng)。

（3）研究區(qū)景觀格局變化受自然因素和人文因素的共同影響，景觀格局變化主要受到人口和經(jīng)濟(jì)等因素驅(qū)動(dòng)，同時(shí)也不能忽視自然因素的影響。