基于土地利用变化的巢湖流域景观格局变化研究

王诗琪， 周振宏， 刘东义， 胡 琦， 汤伟宏， 周 敏

(安徽农业大学 林学与园林学院，合肥 230036)

土地利用变化是诸多生态环境问题的主要驱动因素，不同土地利用类型的变动对不同类型的景观特性都有明显影响，对土地利用和景观格局在空间和时间上的演变规律进行深入探讨，有利于全面把握人类活动对于该地区生态系统的影响作用[1-5]。因此，应积极研究土地利用与景观格局的时空演化特征，并对其变化规律进行深入探讨，以期为保护区域生态环境、判定土地使用是否合理提供重要的指导依据，对于制定流域景观规划与进行流域综合治理也同样具有重要作用。

安徽地区多为平原丘陵，山地稀少，总体地形起伏较为平缓。在这种地势下，北方有淮河常常受到“黄河侵夺”，南方又是洪水泛滥的长江，因此，一旦爆发洪灾，安徽极易成为遭到首尾夹攻的蓄洪区域，而安徽的工业密度又高度集中在以皖江和巢湖为中心的流域范围内。巢湖流域受其地理位置、天气气候和江洪顶托等方面影响，历史上洪涝灾害频发。经过多年政策的治理，该流域的防洪能力得到较大提升，但2020年梅雨期间巢湖流域再次发生特大洪涝灾害，忠庙站水位创历史新高[6]。洪灾的发生暴露出巢湖流域防汛工程尚存短板，在人为因素的影响下，不少蓄洪区因洪灾久远被开发成为农田，并且行洪通道和湖泊调蓄区域也遭到占用，最终导致了河流排涝、蓄洪能力大幅降低的局面。湖泊蓄洪能力降低的局面并不仅仅存在于安徽省，而是整个中国都在遭遇的困境，在巢湖水位突破历史记录的当天，洞庭湖的水位也已经全部超出警戒线。

在洪水面前，种植业尚且还有可以挽救的空间，但对于工业和服务业而言却是兵临城下，稍有不慎，就会给经济带来巨大的冲击。目前，国内外的许多学者对于蓄洪区的研究多集中在土地利用方式及结构变化分析上[7-10]，而将土地利用与景观格局结合起来研究以探讨二者演变过程中相互关系的则较为少见。为此，该文选取巢湖流域作为研究对象，以2000、2005、2010、2015和2020年5期Landsat遥感影像数据为主要资料来源，通过对该区域土地利用的解译，分析其中各土地利用类型之间的变化和流向关系，并将其与景观生态学相结合，进一步揭示巢湖流域景观格局的时空演化规律，有助于为该流域及安徽省中部各地区未来的土地改革及生态保护合理规划提供重要的参考依据。

巢湖流域地处长江中下游，位于安徽省的中心地带，流域总面积达13 486 km2，是安徽省内最具实力和潜力的区域板块之一，在长三角一体化发展战略中具有重要地位[11-13]。大别山地区为巢湖流域重要的水系分支，杭埠河、丰乐河和派河是其最大分支；
南淝河、白石天河、兆河等，从西边流入巢湖，最终流入长江的裕溪河(和玉溪的分支牛屯河)[14]。地处其中心位置的巢湖属合肥境内，是长江流域流经安徽省中部的湖泊，平均湖深5 m，东西横长约54.5 km，南北纵宽约21 km，水域面积为770 km2，有“八百里巢湖”的旧称，是全国5大淡水湖之一。该流域以巢湖为中心，四周河流呈放射状注入长江。

研究区概况见图1。

图1 研究区概况

长时间序列的遥感数据可以量化表达出巢湖流域地表的动态演变特征，因此，研究其近20年来的土地利用和景观格局差异变化，分析其过往实施的政策对该流域范围内土地格局的影响情况，对于合理制定此区域后续的土地可持续发展及保护策略具有重要意义，对于其他蓄洪区的土地建设及景观环境保护也有一定参考价值。并且，目前关于巢湖流域景观格局及径流响应机制的研究尚浅，该研究也为后期在此基础上投入土地径流的相关性研究提供数据基础。

2.1 数据来源及预处理

该研究使用ArcGIS 10.5对GDEMV2 30M分辨率的数字高程数据进行水文分析，提取出巢湖流域的溪流网络。数据来源于地理空间数据云网站(http://www.gscloud.cn/search)的DEM数字高程数据集，将下载好的栅格数据加载进ArcMap中，加入行政区边界作为参照进行掩膜提取，并通过镶嵌工具合并数据。DEM数据的处理包括填洼、流向计算、累计流量计算、提取河网、河流链接、分水岭工具提取出流域范围，最后通过栅格河网矢量化操作获取矢量河网。

此外，该文所采用的数据还包括2000、2005、2010、2015和2020年5个时期的土地利用数据，来源于中国科学院资源环境科学与数据中心(https://www.resdc.cn/)的中国土地利用遥感监测数据库。参照前期处理获取的巢湖流域范围矢量图，采用ArcGIS 10.5掩膜提取功能提取出研究区土地利用图，根据该流域内土地利用的实际情况，参考资源环境科学与数据中心的土地利用分类系统，对该区域的用地类型划分为耕地、林地、草地、水体、建设用地和未利用地6种类型。对获取的研究区5个年度的土地利用类型空间分布数据进一步处理，得到各个年份的土地利用现状图(图2)。

图2 巢湖流域2000—2020年不同年份土地利用现况

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵是研究区域土地利用变化的重要指数[15-17]，利用研究期内各地类相互转化数据构建土地利用转移矩阵，该矩阵可以全面直观地展示出研究区内始末各土地类型的转变趋势，以及不同转移方向的具体转移数量。利用ArcGIS 10.5对经过重分类处理的2000、2005、2010、2015和2020年5个时期的土地利用矢量数据进行融合、相交处理，对各类型的土地面积进行计算并导出，通过 Excel生成土地利用转移矩阵模型，了解各类型的土地使用情况。

其公式如下：

式中，p与q分别表示研究始末的土地利用类型；
m表示土地利用类型总数；
Spq为研究期内第p类向第q类转化的总面积。

2.2.2 景观指数法

该研究在景观级别上选取了11个景观指标斑块数量(NP)、斑块密度(PD)、景观形状指数(LSI)、最大斑块指数(LPI)、边缘密度(ED)、连通度指数(COHESION)、周长面积分维数(PAFRAC)、蔓延度指数(CONTAG)、香农多样性指数(SHDI)、香农均匀度指数(SHEI)、景观分离度指数(DIVISION)。

在景观类型级别上重点选取9个景观指标：斑块所占景观面积的比例(PLAND)、斑块数量(NP)、斑块密度(PD)、景观形状指数(LSI)、最大斑块指数(LPI)、边缘密度(ED)、景观破碎度指数(SPLIT)、连通度指数(COHESION)、聚集度指数(AI)来分析巢湖流域各景观类型格局，以上景观指数的计算均在Fragstats 4.2中完成[18-21]。

3.1 巢湖流域土地利用时空动态变化特征

3.1.1 土地利用类型时序变化

巢湖流域总面积为13 605 km2，该流域的主要地类为耕地和林地，二者在整个研究期内的平均占比分别约为61.64%和14.82%；
其次为水体和建设用地，约为9.82%和9.62%；
草地和未利用土地面积最小。

2000—2020年，耕地面积持续减少，建设用地面积不断上升，且二者变化幅度均呈现出增大趋势。林地面积在2000—2005年无变化，此后开始逐年小幅度下降；
水体和未利用地面积保持上升，3者面积变化均较微弱。最后，草地面积呈现小幅度波动变化，初期面积缓慢增加，15年达到峰值，至20年已有显著下降(图3)。

图3 2000—2020年巢湖流域各地类面积变化情况

2000—2020年，巢湖流域土地利用变化详情如表1所示，其中，耕地作为优势地类，其面积变化量最大。耕地和林地均表现为持续减少的趋势，到20年耕地共减少了619 km2，林地面积减少11 km2；
建设用地面积变化趋势同耕地完全相反，且涨幅逐年上升，2015—2020年面积变化最大，达到260 km2；
研究期内，水体和未利用地面积分别增加21和8 km2；
草地的面积量呈现“平稳-增加-降低”的态势，总体减少了18 km2。

表1 2000—2020年巢湖流域土地利用变化

3.1.2 土地利用转移矩阵

为了更好得反映不同用地类型之间的土地转移情况，采用ArcGIS10.5叠加分析方法对不同时期的土地利用空间分布图进行两相重叠，最终得到不同阶段的土地利用转移矩阵模型，并且各用地类型之间的面积转化情况如表2所示。

表2 2000—2020年巢湖流域土地利用变化转移矩阵

结合桑基图(图4)对各时期土地流向进行分析可知，2000—2005年，巢湖流域耕地面积变化最大，除自转化外，林地、草地、水体和建设用地均有部分耕地流入，其中，以耕地流入建设用地占比最大，占耕地转出比例的5.53%，由耕地转为林地和水体相继次之，分别占比2.73%和2.01%，耕地转为草地占比最少，为1.17%。

2005—2010年，主要变化表现为耕地和建设用地间的相互转化，耕地向建设用地的净转入占建设用地面积的40.2%；
并且，在此期间出现耕地、林地和草地向未利用地流入现象，产生了新的用地类型。

2010—2015年，耕地和建设用地之间的相互转化态势仍同前期一样，在土地利用变化中占据主导地位。较于前期，耕地的自转化量减少，但净转出量增加，除耕地向林地转化的面积在持续减少外，流向其它用地的面积量均增加；
建设用地面积持续增大，其自转化和净转入均呈现出增强趋势。在此期间，除未利用地自转化外，还出现未利用地流出到耕地和林地的情况。此外，2015—2020年，除各地类的自转化外，各用地间的相互转化量较之前均有显著提升。

图4 巢湖流域土地利用类型变化桑基图

3.2 巢湖流域景观动态变化

3.2.1 基于类型水平的景观格局变化分析

从类型尺度上(图5)可以看出，2000—2020年巢湖流域耕地面积不断减少，最大斑块指数及斑块所占景观面积比例持续下降，优势度下降；
耕地的斑块数量和密度均表现为上升趋势，且幅度逐渐增大，表明耕地景观被分割，破碎化程度加剧，符合城市化进程导致人口数量增加，耕地面积遭到城市基础建设侵占，以及由于退耕还林政策的实施，耕地转换为其他各类用地，完整性遭到破坏的事实现况；
耕地的景观形状指数表现为增加态势，说明由于景观格局受到人为及自然因素干扰，导致其斑块边界更长且不规则程度加深，形状趋于复杂；
耕地的聚集度指数下降，表明耕地分布趋于分散，空间聚合度降低。

建设用地的最大斑块指数、景观百分比指数上升趋势明显，反映人类活动导致建设用地向外扩张，优势度增加；
斑块数量和密度持续减少，仅在2020年有轻微回升，表明建设用地景观的破碎度降低、多样性逐渐丧失；
建设用地的景观形状指数先减少后增加，反映出景观空间格局的复杂性在2000—2015年先减弱，至2000年又有部分回升；
景观聚集度显著提高，表明建设用地呈现出连片式发展趋势，对比各年份土地利用现状图，发现与实际情况相符。

草地面积自2000年开始增加，期间出现短暂的稳定状态，于2015年达到峰值，后续至2020年面积出现显著退化现象，其斑块数量、斑块密度以及形状指数趋势与此相同，聚散度指数总体呈降低趋势；
水体的景观形状指数保持上升，聚集度指数持续下降，说明草地和水体的破碎化程度加剧，斑块形状更复杂，在空间上呈现出分散布局。

2020年林地景观的斑块数量和密度陡然上升，同年，其景观形状指数达到最大降幅，聚合度指数达到最大增幅，这与“十三五”时期安徽省完成造林51.43万hm2的实况相符，反应了在此期间由于其他各类用地逐渐转为林地，导致林地景观破碎化和复杂性降低，呈现团聚趋势。

自2010年开始有地类转化为未利用地，未利用地景观的斑块数量、密度以及景观形状指数均持续上升，说明未利用地破碎化程度逐渐加深，斑块形状更加复杂；
2015年后未利用地面积不再增加，聚合度指数陡然降低，说明该用地类型开始逐渐分散。

图5 类型尺度上景观格局指数

3.2.2 基于景观水平的景观格局变化分析

基于景观水平来看(表3)，巢湖流域景观斑块数量和密度的变化呈现出先减少后增加的特点，2000—2005年迅速降低，2015—2020年陡然增高，期间上升较微弱，反映出2000—2005年巢湖流域土地转移变化量最小，景观破碎化程度先降低，后期土地变化转移面积逐渐增大，并且在2015—2020年转移面积增幅迅速上升，相应导致景观破碎化程度急剧加深；
最大斑块指数的下降和景观分离度指数的上升，也佐证了土地破碎化发展的趋势。

边缘密度和景观多样性指数持续上升，说明研究区域内的景观形状更加不规则，空间格局的复杂性增强。周长面积分维数在一定程度上反映出人类活动对景观格局的干扰程度，据表可知，研究期内该指数保持在1.57左右，表明巢湖流域景观格局变化受到人类活动的干预程度较大。

景观连通性指数均保持在98%以上，说明巢湖流域内各斑块内部一直维持较高凝聚度，斑块连接度好，利于生态系统功能发挥，但也有轻微变化，主要是由于人类活动影响。蔓延度呈现波出动性上升态势，最终结果增加，表明景观中优势斑块类型连接性上升，主要是由于巢湖流域道路交通网络的建设发展，使景观斑块之间的连通性增强，景观布局的团聚程度增加。

香浓多样性指数和香浓均匀度指数整体较高，且变化幅度较小，表明研究区土地利用类型丰富，斑块分布均匀。香浓多样性指数增大，2010年以前是由于斑块类型增加，整体上说明在景观中各斑块类型向着均衡化分布趋势演化。

表3 2000—2020年景观水平类型指数

4.1 景观格局对土地利用变化的响应

土地利用变化是影响景观格局的重要因素，研究土地利用变化和景观格局之间的相互关系，有助于了解不同用地类型对于景观格局的影响权重，利于掌握景观格局变化的规律，从而更好地为此类易受洪灾区域未来的土地保护和发展提出合理规划。

通过SPSS软件计算得到的巢湖流域2000—2020年各用地类型的土地利用变化情况与相应景观格局指数二者之间的相关性系数，sig代表各土地利用系数对景观格局影响的显著性强度，皮尔逊相关系数的正负则决定土地利用变化与景观格局变化是呈正相关还是负相关。根据表4展示的Pearson相关性结果表明，土地利用变化与景观格局系数之间关系紧密，其中，PLAND与各用地面积均为P<0.01水平上的正相关关系(表4)。

表4 各地类面积变化和景观格局Pearson相关性

耕地面积的变化与PLAND、LPI和AI等景观指数有显著的正相关关系(P<0.01)；
对于COHESION在P<0.05水平上达到显著正向影响，说明耕地面积越大，其景观要素连接程度越高；
而NP、PD、ED、LSI、SPLIT等指数则显著受到耕地面积的负向作用，即耕地面积越大，分离程度小，景观地块越完整，斑块数量越少、密度越小，景观形状越简单。除PLAND外，林地的变化对ED、LSI等指数具有正向影响作用(P<0.05)，草地面积和未利用地面积的变化仅与SPLIT和有显著关联，呈现P<0.05水平负相关。水体变化对于PLAND、ED的影响表现为P<0.01水平上的正向作用，与NP、PD之间则表现为P<0.05水平正相关；
而建设用地对于PLAND、LPI、ED、COHESION有显著正向影响，二者对于AI均表现为显著负面作用(P<0.05)。

5.1 结论

目前，巢湖防洪综合治理工作受到国家高度重视，该研究基于巢湖流域2000、2005、2010、2015和2020年5期土地利用数据，采用土地利用动态度、土地利用转移矩阵以及SPSS相关性分析等方法，同时选取典型的景观格局指数，分析了该区域土地利用及景观格局的动态变化，主要得到以下结论：

1) 研究期间巢湖流域的主要地类为耕地和林地，土地主要转移情况以耕地转为建设用地为主，耕地面积呈现出持续减少趋势，与建设用地面积的增加有明显联系，符合城镇化趋势加快的进程；

2) 2005—2010年，该流域产生了新的用地类型，出现耕地、林地和草地向未利用地流入现象，土地利用多样性增加；

3) 在经济作用和人类活动影响下，建设用地优势度增加，耕地景观被分割，破碎化程度加剧，符合城市化进程导致耕地面积遭到城市基础建设侵占的实况；
各类用地转入林地，林地景观破碎化和复杂性降低，呈现团聚趋势，这一现状与“十三五”时期安徽省完成造林51.43万hm2的实况相吻合；

4) 2000—2005年，巢湖流域土地转移变化量最小，2015—2020年，转移面积增幅迅速上升，景观破碎化加剧，分析景观系数变化情况可知，巢湖流域景观格局受到人类活动的干预程度较大；

5) 各用地类型的土地利用变化情况与相应景观格局指数二者之间有较为显著的相关性，土地利用变化是景观格局的重要影响因素。

5.2 讨论

通过研究可知，城镇化是巢湖流域景观格局变化的主要驱动因素，总结其景观变化规律，对于安徽省中部地区今后的土地空间规划和防洪治理措施提出如下建议[22-24]：

1) 由于建设用地的快速膨胀，使皖中地区的土地资源面临巨大压力，景观破碎度逐步提升，生态环境受到损伤。为此，应加强对建设用地的合理管控，防止其无序扩张；

2) 土地开发规模需适中，并且有条不紊地分期实施，以期建立合理的用地供求关系，在此基础之上还应积极推行紧凑型城市发展理念，实现土地资源高效利用和城市精致发展；

3) 人为因素干扰对于景观格局有着较大影响，因此，需加强对于优质林草资源的保护，并设立保护区，限制人类活动干扰，维护其生态环境的稳定；

4) 提高植被覆盖率，可以达到良好的防洪减灾效果，为此，既要保护现有的森林植被，又要加强林业生态工程建设，提高林地内部生物的多样性，实现林地景观的生态价值；

5) 正确处理流域的保护与开发、近期与远期的关系，使远近期目标相结合，因地制宜制定相应的防洪排涝规划尺度以及治理对策，最终实现对洪涝灾害的控制和减缓目的。

该研究选取巢湖流域作为对象，探索蓄洪区域土地利用与景观格局二者演变过程中的相互关系，后期应以此为主要基础，针对景观生态敏感性或安全格网构建展开进一步的研究，最终为实现优化景观格局、保护生态安全提供决策支持。

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