2005—2015年临川区土地利用/覆盖与景观格局变化分析

俞斌传，刘平辉，程 飞，吴 佳

(东华理工大学 地球科学学院，江西 南昌 330013)

土地利用/覆盖变化(land use/cover change，LUCC)研究作为全球环境变化研究的重要内容和核心领域，对全球生态环境产生了巨大的影响[1-5]。土地利用/覆盖变化的本质是人类根据自身的生存和发展，改变土地的用途和景观格局，从而实现人类经济社会的发展。土地利用/覆盖变化及其生态效应研究已成为全球环境变化研究的前沿和热点领域[6-8]。随着研究的不断向前推进，景观格局分析方法被越来越多的应用到土地利用变化的研究中，通过计算斑块指数、类型指数和景观指数来获取景观结构特征、空间格局以及时间演变特征，景观格局指数已经成为研究土地利用/覆盖变化的重要方法[9-12]。

本文以抚州市临川区为例，利用ArcGIS10.2和Fragstats4.2软件对2005—2015年的土地利用变化特征以及景观格局变化特征进行分析，为进一步合理开发开发利用土地资源，实现土地资源可持续发展提供参考依据。

1 研究区概况

临川区位于江西省东部抚河中游，地处赣抚平原向武夷山脉过渡地带，116°03′45″～116°18′45″E，27°29′30″～28°15′16″N，东与金溪、东乡毗邻，西倚崇仁、丰城，南濒南城、宜黄，北与进贤接壤(图1)。临川区地形狭长，东西宽58 km，南北长82 km，总面积2 125.72 km2。全境地势南高北低，是一个断续山地环抱的小盆地，四周多为丘陵，中间为冲积平原。临川区下辖9个乡、18个镇、3个街道办事处，2015年，临川区总人口111.25万人，其中农业人口74.52万人，非农业人口36.73万人；2015年完成生产总值341.62亿元。

图1 临川区的区位

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源及处理

本研究采用2005、2010及2015年的土地利用变更数据，原始矢量数据为MapGIS格式，经格式转换得到ArcGIS格式数据。根据研究需要，将土地利用类型分为：耕地、园地、林地、其他农用地、城乡建设用地、交通水利用地、其他建设用地、水域及自然保留地等9大类(图2)。为进行景观分析，利用ArcGIS软件的要素转栅格工具将矢量数据转为像元大小为10 m×10 m的栅格数据，再进行重分类，最后将数据导出为Fragstats4.2软件支持的Geo TIFF grid格式。

2.2 土地利用/覆盖变化分析方法

运用ArcGIS10.2软件对3期临川区土地利用数据进行土地利用状态转移矩阵分析。土地利用转移矩阵能够描述各种土地利用类型之间的转换情况，它不仅可以反映研究期初、研究期末的土地利用类型结构，同时还可以反映研究时段内各土地利用类型的转移变化情况，用来刻画区域土地利用变化方向以及研究期末各土地利用类型的来源与构成[13]。其数学形式:

式中，S为土地面积，n为土地利用的类型数，i、j分别为研究期初与研究期末的土地利用类型。

图2 临川区不同时期土地利用类型

在此基础上，采用单一土地利用动态度指数和综合土地利用动态度来分析临川区土地利用的动态变化。土地利用动态度可以充分揭示研究区的土地利用/覆盖在时空上的动态演变过程，可定量描述区域土地利用变化速度，也可反映利用变化的剧烈程度。综合土地利用动态度值可对整个区域的土地利用类型动态度进行综合描述[14-15]。表达式分别如下。

单一土地利用动态度：

式中：K表示研究时间范围内某一地类的动态度；Ua、Ub分别表示研究期初及研究期末某一地类的面积；T表示研究周期，T设为年；K值代表年变化率。

综合土地利用动态度：

式中：ΔLUi-j为研究时段内第i类地类转化为非i类地类的面积的绝对值；LUi为研究期初第i类土地利用类型面积；T表示研究周期，单位为年；LC为在研究期内综合土地利用类型的动态度。

2.3 景观格局分析方法

景观格局可以反映出景观异质性，同时可以对不同尺度上的各种生态过程做出分析，景观格局分析方法在景观生态学的研究过程中起很重要的作用[11]。

运用景观格局指数来表征临川区土地利用景观格局空间特征，量化地反映出土地利用景观结构和空间配置特征。参照国内外学者已提出的众多景观格局指标[7，11-12]，结合研究区实际和研究需要选取类型指标中的4个指数，景观指标中的5个指数进行景观格局分析(表1)。

表1 景观格局分析指标

3 结果与分析

3.1 土地利用/覆盖变化

土地利用/覆盖的结构变化可以充分反映出土地利用/覆盖动态变化趋势，各土地利用/覆盖类型间转化过程分析主要通过转移矩阵来实现。

3.1.1 转移矩阵

由表2得知，2005—2010年临川区建设用地中的城乡建设用地以及交通水利用地增加较多，增加量分别为1 293.33和1 172.91 hm2，增加比例分别为0.6%和0.6%；增加的规模主要来自于耕地和水域，分别迁移813.07和1 168.47 hm2；耕地和水域减少较多，分别减少813.07和1168.47 hm2，减少比例分别为0.4%和0.6%。

表2 临川区2005—2010年土地利用转移矩阵 hm2

由表3得知，2010—2015年临川区城乡建设用地和交通水利用地依然继续保持较大增加规模，分别增加3 110.72和886.24 hm2，增加比例分别为1.5%和0.4%，增加的规模主要是通过占用耕地、林地、自然保留地等，面积分别为1 163.38、1 410.42和199.34 hm2。耕地林地依然作为主要转出的土地利用类型，该研究时期分别减少1 577.45和2 157.70 hm2，减少比例分别为0.7%和1.0%。相比2005—2015年，本研究期内建设用地规模有了很大的增加，反映出临川区在最近几年城市规模的扩展，城市化速度的加快。

由表4得知，2005—2015年的10年间，耕地减少2 374.08 hm2，减少比例达到1.1%，减少的规模主要转入城乡建设用地和交通水利用地，分别转入1 922.83和369.50 hm2；林地的情况和耕地类似，共减少2 371.84 hm2，减少比例同样为1.1%，减少的部分主要转入了城乡建设用地和交通水利用地；园地、其他农用地变化不大，分别共减少243.35和152.57 hm2，减少比例分别为0.1%和0.1%；城乡建设用地和交通水利用地分别共增加4 162.93和2 054.71 hm2，增加比例分别为2.0%和1.0%，增加主要来自于耕地和林地的转入；其他建设用地略有增加，增加20.96 hm2，主要来自林地的转入；水域和自然保留地10年间有减少，分别减少1 176.83和649.84 hm2，减少比例为0.6%和0.3%，水域的减少主要是交通水利用地的占用，自然保留地则主要转出为耕地和城乡建设用地，其中转出为耕地的面积达到414.26 hm2，说明10年间临川区实施了土地开发整理项目，一定程度上补充了耕地。

表3 临川区2010—2015年土地利用转移矩阵 hm2

表4 临川区2005—2015年土地利用转移矩阵 hm2

3.1.2 动态度

根据状态转移矩阵计算出临川区2005—2015年单一土地利用动态度以及综合土地利用动态度。由表5可知：1)2005—2010年区域综合土地利用动态度为0.20%，该研究时期内，城乡建设用地、水域和交通水利用地年动态度绝对值较大，分别达到1.24%、2.56%、4.45%，表明该时期内城乡建设用地、水域和交通水利用地变化较大，其他土地利用类型如耕地、林地等变化较稳定；2)2010—2015年区域综合土地利用动态度为0.37%，较2005—2010年数值明显增大，表明临川区该研究时期内土地利用变化的速度明显加快，人为有意识的改变土地利用类型的规模扩大。该研究期内建设用地的3种利用类型，城乡建设用地、交通水利用地、其他建设用地的动态度绝对值大于其他土地利用类型，分别达到3.21%、3.05%、2.29%，表明临川区建设用地规模的快速扩张。自然保留地动态度绝对值为1.56%，研究时期内变化也较大，土地利用类型变化不显著；3)2005—2015年的10年间，区域综合土地利用动态度为0.28%，耕地、园地、林地、其他农用地、自然保留地动态度绝对值较小，研究时期内变化稳定，城乡建设用地、交通水利用地、其他建设用地以及水域动态度绝对值较大分别为2.32%、4.09%、1.14%、1.29%。10年间，除建设用地外，其他土地利用类型都有不同程度的减少。

表5 临川区2005—2015年土地利用动态度

3.2 景观格局

3.2.1 类型指标

由表6得知：1)从斑块数目指数(NP)来看，耕地、林地、其他农用地、其他建设用地、自然保留地NP指数呈不断增大的趋势，表明人类对这几种土地利用类型干扰程度大，导致破碎程度高。园地NP指数先增大后减小，总体呈减少趋势，表明相比2005年，2015年的这两种土地利用类型斑块数目呈下降趋势，破碎度降低。城乡建设用地、交通水利用地、水域NP指数，先减少后增加，总体呈增加趋势，表明这3种土地利用类型斑块数量在2010年后增加，破碎度加深；2)从最大斑块指数(LPI)来看，耕地、林地的LPI指数始终保持较高水平，表明这两种土地利用类型也保持着较大的优势度。城乡建设用地LPI指数不断上升，其优势度呈不断上升的趋势。水域LPI指数呈下降的趋势，其优势度也在降低；3)从散步与并列指数来看(IJI)，交通水利用地、水域、自然保留地指数数值大于其他土地利用类型，特别是交通水利用地及自然保留地，表明与这两种土地利用类型相连的景观要素多呈均衡化发展。园地、其他农用地、城乡建设用地、其他建设用地IJI指数呈不断上升的趋势，表明人类的开发利用，使得这几种土地利用类型周边其他景观要素增多；4)从分散指数(SPILT)来看，耕地、林地、水域的指数呈不断上升的趋势，表明土地利用的过程中其他土地利用类型对这几种土地利用类型的不断切割，而导致其不断分散的格局。城乡建设用地、交通水利用地和其他建设用地指数总体呈降低的趋势，主要由于城市化进程的加快，建设用地的扩展使得建设用地的斑块数量、面积增长，斑块破碎性加强。而这几种土地利用类型多呈条块状分布，城市发展的过程中，建设用地容易与原有的建设用地相连融合，使得分散指数降低。

表6 2005—2015年临川区类型指标各指数

3.2.2 景观指标

由表7可知：1)从斑块密度指数(PD)来看，2005年与2010年保持不变，2010—2015年呈上升趋势，表明单位面积的斑块数量增多，破碎度也增加；2)从最大斑块指数(LPI)来看，同样2005年和2010年保持一致，到2015年有一个下降趋势，表明最大斑块所占的比例减少，破碎度增加，斑块尺度趋于均匀。PD指数和LPI指数相互呼应，共同表明人类土地利用活动，使得研究区的土地破碎程度不断增加；3)从几何最邻近距离指数(ENN-MN)来看，2005—2015年呈不断下降趋势，表明不同斑块间的最邻近距离减少，团聚度增加，呈集中分布。该指数的下降主要是由于建设用地的集中分布，使得整体的指数下降；4)从香农多样性指数(SHDI)来看，2005—2015年呈不断增加的趋势，表明景观趋于丰富和复杂，景观异质性增加，各土地利用类型呈均衡化发展；5)从聚集度指数(AI)来看，2005—2015年指数数值总体是一个不断减少的趋势，表明不同斑块间的聚集度降低，破碎度增加。

表7 临川区2005—2015年景观指标各指数

4 小结

临川区2005—2015年土地利用/覆盖产生了巨大变化，各土地利用类型之间相互转化，有大量耕地、林地转化为建设用地，表明临川区在经济发展和城市化过程中，大量占用农用地满足生产生活的需要。同时也发现临川区实施了土地开发整理项目，把部分自然保留地转化为了耕地，一定程度上补充了耕地的数量。

临川区2005—2015年城乡建设用地、交通水利用地、水域的单一土地利用动态度最大，2010—2015年的区域综合土地利用动态度比2005—2010年大，表明最近几年来临川区经济水平的快速提高，各种经济社会活动，对土地的需求提高，人为的改变土地利用类型的活动加快。

临川区2005—2015年景观格局上也产生了巨大变化。类型指标上，耕地、林地始终保持较大优势度，人类活动导致耕地、林地等破碎度提高。建设用地越来越集中分布，分散度不断降低。景观指标上，景观趋于丰富和复杂，异质性增加，土地利用朝着均衡化方向发展，破碎度提高。

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