基于多源時空數據的湖北省景觀格局動態變化及驅動因素研究

王思翔，邊虹霓，王寧濤,*，謝尚儒，王 清，周丹坤

1.中國地質大學（武漢）地質調查研究院，湖北武漢 430074；2.中國地質調查局武漢地質調查中心（中南地質科技創新中心），湖北武漢 430205

土地利用作為地球表層系統最為明顯的景觀特征，其變化是自然過程和人類活動對景觀格局影響最直觀的映射，它的實質是人類以自身生存和發展為前提，對土地利用方式和景觀格局進行改造，從而滿足經濟發展、社會進步和生態環境保護等（Cheshire and Sheppard,2002;Vogiatzis,2012;劉紀遠等,2014;龍花樓和陳坤秋,2021）。景觀格局是指景觀的空間結構特征，包括景觀組成單元的類型、數量以及空間分布和配置（鄔建國,2007）。景觀格局作為景觀要素的重要組成，其演變早已成為生態學、地理科學等相關學科關注的重點（陳利頂等,2014;彭建等,2017;范雅雙等,2021）。景觀格局指數能夠對景觀變化進行定量描述，通過掌握其變化的過程和規律，能夠為促進生態環境的可持續發展提供科學基礎（陽文銳,2015;陳影等,2016;張敏等,2016）。

國內外許多學者針對不同地區的景觀格局變化及其驅動因素進行了研究，例如宮兆寧等（2011）運用遙感和GIS 技術對北京市濕地景觀的演變特征和驅動機制進行了分析；李月輝等（2006）基于遙感數據對大興安嶺呼中林業局土地利用和景觀格局演變進行了研究；劉吉平等（2014）以遙感信息為主要信息源，利用地理信息系統技術和數理統計方法對三江平原土地利用景觀格局動態變化及驅動因素進行了分析；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系；何楠（2020）基于土地利用變化對湖北省生態系統服務價值進行了評估研究；陶榮等（2019）從省、縣和地塊3個尺度分析了湖北省耕地變化的數量和景觀格局特征。學者們運用3S技術，對景觀格局演變的研究從最初的中低分辨率遙感影像發展到高分辨率影像，從最開始的單一年份研究發展到對不同年份的對比，在評價指標的選取上，從單一景觀指標向多元指標發展（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;張月等,2017;Sarkar,2019;董梁蘊等,2021），而基于景觀格局指數的湖北省景觀格局變化的系統研究相對薄弱。本文擬運用景觀生態學和地理學等相關理論方法，在景觀類型分類的基礎之上分析湖北省景觀格局的變化和驅動機制，為湖北省生態文明建設提供參考。

1 研究區概況

湖北省位于中國中部地區，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，東西長約740 km，南北寬約470 km，總面積約18.59萬km2。湖北省地勢大致為東、西、北三面環山，中間低平，略呈向南敞開的不完整盆地，在全省范圍內，山地約占56%，丘陵約占24%，平原湖區約占20%，長江貫穿全省(魏鳳娟，2015)。湖北省地處亞熱帶，全省除高山地區屬高山氣候外，大部分地區屬亞熱帶季風性濕潤氣候。

2 研究方法

2.1 景觀格局分析法

景觀格局指數是指高度濃縮的景觀格局信息，同時也是反映景觀結構組成、空間配置特征的簡單化指標（蘇常紅和傅伯杰,2012）。景觀格局指數包括了大小、形狀和連通度等多方面的景觀生態學意義，其種類繁多，包括有景觀多樣性指數、景觀分維度指數、景觀干擾與自然度指數等。

當前主要利用Fragstats 軟件做景觀格局方面的分析，該軟件可以進行包括斑塊、斑塊類型和景觀級別三種方向的計算?；诤笔⊥恋乩脛澐诸愋偷奶卣骱捅疚牡难芯磕康?，在景觀斑塊類型層面選取斑塊數（NP）、斑塊類型面積（CA）、景觀類型占比（PLAND）、聚集度（AI）、面積加權的平均斑塊分維指數（FRAC_AM）、斑塊密度（PD）共6個指數，用于反映景觀中不同斑塊類型的結構特征；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（CONTAG）、香農多樣性指數（SHDI）和香農均勻度指數（SHEI）共5 個指標，用于反映景觀整體結構特征。

2.2 驅動力分析法

景觀格局動態變化的驅動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）。其變化是一個復雜且長期的動態過程,受多種因素影響。自然因素作為基本要素,在長期效應上影響著景觀格局變化，人類活動在短時間內是驅動區域景觀格局變化的主要因素（吳琛璐等,2018）。

結合湖北省的具體情況，本文擬從上述兩個方面選取合適的指標作為驅動因子來研究目標區域景觀格局產生變化的原因。自然因素方面，本文選取湖北省多年來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動因子；人文因素方面，本文選取研究區2000～2018年的GDP、居民可支配收入、人均GDP、常住居民數量和人口增長率等7個指標。利用SPSS 軟件，采用主成分分析方法，篩選出影響研究區景觀格局變化的主要因子。

3 數據來源

本研究采用中國科學院地理科學與資源研究所地理監測云平臺（http://www.dsac.cn/）提供的湖北省土地利用/土地覆被變化（LUCC）數據，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。通過對數據的重分類處理將研究區劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用土地6種土地利用/覆被類型（圖1）。氣象數據來源于湖北省氣象局（http://hb.cma.gov.cn/），包括年均降水和年均氣溫。經濟和人口數據來源于中國國家統計局（http://www.stats.gov.cn/），包括GDP、人均GDP、恩格爾系數、各產業生產值和人口增長率等。

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

4 結果與分析

4.1 景觀類型分布及其變化分析

湖北省各類土地類型面積分布不均，且差異明顯（表1、表2）。2000 年以來，湖北省景觀類型以林地景觀為主，占研究區總面積的49%以上，其面積有減少趨勢，至2018 年減少了608 km2；同樣呈減少趨勢的還有耕地、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發利用，2018 年僅有374 km2的未利用土地存在；水域和建設用地面積在研究期內呈增加趨勢，水域在2000～2018年占比由5.82%上升至6.67%，凈增加1605 km2；建設用地所占比重較少，但持續增加，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年景觀類型面積（單位:萬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 景觀格局指數變化分析

4.2.1 斑塊水平上的景觀格局指數分析

湖北省在斑塊水平上各時期景觀指數的變化情況如圖2 所示。景觀類型占比（PLAND）即描述各種類型地類占總面積的比例，面積最大的為主要景觀，它能夠反映出目標區域景觀的基本組成；斑塊類型面積（CA）常用來描述某一斑塊類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型面積與景觀類型占比均有所減少（圖2a、2b），其面積分別由2000 年的6.9695 萬km2和9.2852 萬km2下降至2018 年的6.5373 萬km2和9.2244 萬km2，但二者仍是研究區的主要景觀；水域和建設用地呈上升趨勢，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期景觀指數的變化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（NP）用于描述整體景觀的非均勻性，其數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。聚集度（AI）能夠反映出景觀中不同斑塊的聚集情況。2000～2018年，湖北省林地和建設用地的斑塊數增多，斑塊密度逐年上升（圖2c、2d），說明二者的景觀破碎程度增加，有向外擴散的趨勢。同時建設用地的斑塊聚集度（圖2e）上升，說明該景觀類型受人類干預增強，不同景觀類型之間表現出分塊的特征，相同景觀類型之間表現出聚集的特征。

面積加權的分維指數（FRAC_AM）能夠反映出景觀的穩定性和復雜性，同時能夠反映人類活動對景觀格局的影響，主要運用于人為景觀方面的變化，其結果與人類活動的干擾呈反比。耕地和未利用土地的FRAC_AM指數有降低的趨勢（圖2f），這說明二者的變化受人類活動影響變大。

4.2.2 景觀水平上的景觀格局指數分析

2) 在小港口城市平均投資回報率低下時，小港口城市會積極投資港口，從而誘發港口投資競爭。要想避免這種現象，只能提高小港口城市的平均投資回報率，使小港口城市有更多的投資領域，通過發展其他產業發展城市經濟。

本研究利用湖北省景觀類型分布數據，對選取的景觀水平上的景觀指數進行計算，得到湖北省2000～2018 年景觀水平上的景觀格局指數變化情況（表3）。景觀面積指數（TA）決定了景觀的范圍、研究和分析的最大尺度，為其他指數的計算奠定了基礎；最大斑塊占比（LPI）有助于確定景觀的優勢類型，反映了最大斑塊所占景觀面積，該指數呈穩定下降趨勢，由2000 年的16.9528%下降至2018 年的16.4894%，這表明景觀類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活動的干擾程度增加。

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

蔓延度指數（CONTAG）呈現出下降的趨勢，由2000 年的63.6769%下降至2018 年的61.6788%。該指數描述景觀中不同斑塊類型的延展趨勢或團聚程度，當其變小時說明該區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（SHDI 和SHEI）主要用來反映目標區域內不同景觀類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，該指標與目標區域內的景觀類型數量和斑塊面積差異有關。湖北省2000～2018 年景觀水平上的香農多樣性指數（SHDI）和香農均勻度指數（SHEI）呈現出較慢的增長趨勢（表3），這表明了不同景觀類型多樣性程度逐步增加，景觀要素的多樣性和異質性加強。

5 景觀格局變化驅動因素分析

5.1 自然因素

以年均降水量、年均溫度為特征的氣候變化，在一定程度上會改變區域水系統和水環境，最終影響區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據中選擇了2000～2018 年湖北省的年均降水量和年均溫度數據，分析其研究時間內的變化趨勢。2000～2018 年，研究區的溫度呈先降低再升高的過程，降水量呈先降低再升高再降低的過程，研究區年均溫度、降水量變化趨勢較為平緩，變化不大（表4），而研究區此時間段的景觀面積指數（TA）、最大斑塊占比（LPI）和蔓延度指數（CONTAG）指數持續變?。ū?），表明自然因素對研究區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

在人文因素驅動力分析中，本文選取了研究區2000～2018年的GDP、恩格爾系數、人口增長率、人均GDP、第一產業生產值等七個指標，運用SPSS軟件，對選取的七個指標進行主成分分析后，提取出了1個主成分，計算得到了累計方差貢獻率和各個指標的成分值（表5），累計方差貢獻率為90.8%，超過85%，表示這些指標具有代表性。GDP、第一產業產值、第二產業產值、第三產業產值、人均GDP是與經濟發展相關性強的指標，人口增長率與人口因素相關性較為顯著，這6 個指標的成分值為正值，表明這些指標之間關聯程度較高。通過歸納，從人文因素中的人口因子和經濟因子對研究區景觀格局變化的驅動因素進行探討。

表5 湖北省2000～2018年人文因素綜合驅動力指標主成分分析結果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，研究區的總人口呈增長趨勢，由2000 年的5646 萬人增長到2018年的5917萬人，非農業人口也不斷增長，其數量已經超過農村人口數量（圖3）。因此，非農業人口的增長和總人口的增長導致了居民對住房的需求，尤其是在城市化進程中，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的居住壓力，部分農田、草地等被用作建筑用地，造成景觀格局的改變。經濟因素方面，從2000年到2018年，湖北省經濟發展迅速，GDP在2018年增長到了39366.55億元，各產業發展較快，特別是第二產業和第三產業的發展速度最快（圖4）。這兩種產業的蓬勃發展，刺激了大量農村人口流向城市，增長了對建設用地的需求，城市規模不斷擴大并不斷向外擴張，使得未利用土地和其他類型土地向建設用地轉化的強度增大，導致建設用地面積的快速增長。

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年各產業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的變化情況與上述分析相符。如景觀類型占比指數（PLAND）和斑塊類型面積指數（CA）反映出2000～2018 年湖北省耕地、林地等的減少和和建設用地等的增加，蔓延度指數（CONTAG）持續下降表明景觀中不同斑塊的聚集程度降低，香農多樣性指數（SHDI）和香農均勻度指數（SHEI）的增長趨勢表明景觀類型的多樣性程度增加，異質性加強。這些變化主要是由于近年來湖北省處于快速發展階段，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散延伸化的發展改變了原有的生態環境結構，使得地區的破碎化程度升高，連通性降低。

6 結論

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

（3）研究區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濟等因素驅動，同時也不能忽視自然因素的影響。