基于Fragstats的惠州市景观格局生态优化

周为吉， 温汉锋， 叶俊锋， 程小曼

(广东工业大学管理学院， 广州 510520)

随着中国经济快速发展，城镇化步伐持续推进，城市日益成为人类生活工作的聚集区域。在这一城市化进程中，由土地利用和景观环境变化所带来的城市景观格局的演变，城市生态效应剧变影响城市可持续发展[1]。而景观格局变化主要表现为土地利用变化[2]，是人类为满足社会经济发展需要，调整改变各类土地利用类型的过程[3]。近年来，随着《珠三角全域空间规划》《粤港澳大湾区发展规划纲要》等统筹空间发展，促进世界级城市群建设的区域规划出台[4]，加强对城市规划协调布局及生态资源合理利用成为社会关注的重点话题。早期城市粗放式发展模式，引发经济发展与生态保护之间的矛盾，诸如耕地丧失、林地退降[5]，城市环境污染等问题日趋严重。因此加强对区域城市土地利用变化和景观格局规划的研究，有助于统筹城市经济与生态资源的协调发展，落实习总书记提出的“绿水青山就是金山银山”绿色发展理念，实现人与自然和谐的生态文明建设目标[6]。

目前中国学者对景观格局变化研究越趋广泛，主要通过景观生态学[7-8]、地域时空变化[9-10]、3S技术[11]等视角对土地景观格局变化开展研究，结合地域自然、经济条件对其景观格局演变进行分析；国外学者则多注重采用3S技术、景观格局指数、数学模型等建立景观格局量化指标，对景观生态格局动态模拟与统计[12-16]。由此可见，中外学者对于景观格局的相关研究形成了较为系统的理论与定量分析模式，但其中对城市地域的研究主要集中于景观格局动态变化、动态模拟，而在此基础上进一步对城市景观格局生态优化研究较少，尤其是城市生态未来发展规划方面的建议研究。

2019年2月，随着《粤港澳大湾区发展规划纲要》的发布，粤港澳湾区九大珠三角城市开始依据各自城市特色，因地制宜规划调整自身未来发展的战略定位。而作为大湾区之一的惠州市，将其新定位瞄准“绿色化现代山水城市”，作为大湾区生态担当。为实现城市发展的战略定位，有必要对惠州市土地利用景观格局进行研究，了解其发展特征趋势，为城市下一步开发规划奠定现实基础。研究景观格局变化是反映惠州市自2000年以来土地利用发展趋势，揭示惠州生态状况及空间演变特征的有效手段，有助于统筹协调惠州市经济发展与资源短缺、生态环境保护之间的矛盾。本文以粤港澳大湾区之一地级市——惠州市作为研究区域，在时间和空间尺度上，对城市土地利用景观格局时空演变进行研究，基于景观格局指数分析、土地转移矩阵方法，对惠州市景观格局变化进行综合性研究，并针其生态现状提出未来发展的生态优化建议，以期为惠州市统筹经济、生态可持续发展，建设绿色山水城市的规划定位提供建议参考。

1 研究区概况

惠州市地处广东省中南部，北纬22°24′～23°57′，东经113°51′～115°28′(图1)，属亚热带季风气候区。东接汕尾市，南临南海，并与深圳市相连，西接东莞和广州市，北与韶关、河源市为邻，自然、经济地理位置优越。现辖“三县两区”，为博罗、惠东和龙门县以及惠城和惠阳区，全市陆地面积1.12×104km2，市域内半岛与海湾相间，良港较多，有大小岛屿162个。其中土地类型多种多样，主要有耕地、林草地、水域、城乡工矿居民用地、未利用地等，丰富的土地类型有利于惠州市农业、渔业、林业等产业全面发展。至2018年底，全市森林覆盖率达61.59%[17]，是全省首个地级“国家森林城市”。

图1 惠州市在广东省的地理位置图Fig.1 Location of Huizhou City in Guangdong Province

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源及处理

2.1.1 遥感影像数据

数据均来自于地理空间数据云，图像时间为2000年1月2日、2009年1月2日、2018年1月11日3个时间断面，图像分辨率为30 m，并经过系统辐射校正和几何校正，Level 1T标准地形校正。同时采用图像配准、图像增强等对数据进行处理，利用惠州市的1∶10 000矢量边界图用于影像裁剪。参考《土地利用现状分类》GB/T 2010—2017及惠州市实际情况，在ENVI5.3遥感图像处理软件中，采用目视解译和影像监督分类的方法[18]，以最小面状地物大小为30 m×30 m，将2000—2018年3期惠州市土地利用分为耕地、林草地、水域、城乡工矿居民用地、未利用地五大类。为减小遥感影像中混杂波段信息所导致的计算精度降低影响，采用Majority/Minority分析聚类处理，通过去除小图斑方式提高计算结果的整体精度。最后运用混淆矩阵对3个时相土地利用分类结果进行精度评价，2000、2009、2018年分类结果的Kappa系数分别为0.89、0.92、0.91，均满足研究精度要求。

2.1.2 社会经济数据

主要来源于《惠州统计年鉴》(2001—2018年)、惠州市国民经济和社会发展统计公报(2003—2018年)、《广东省统计年鉴》(2001—2018年)。

2.2 研究方法

2.2.1 景观格局指数

景观格局指数是反映景观结构组成以及土地空间配置某些方面特征的定量指标[19]。景观格局分析分为3个水平指数：斑块(patch)、斑块类型(class)和景观(landscape)，斑块水平指数往往作为计算其他景观指数的基础，其对认识整个景观的结构并没有充分的解释作用[20]。因此，本文将根据景观指数及其在不同水平反映出不同格局的结构和空间特征，斑块类型上选择斑块类型面积(CA)、斑块密度(PD)和数目(NP)、斑块所占景观面积比例(PLAND)及最大斑块指数(LPI)；景观格局水平上选择香农多样性指数(SHDI)、香农均与度指数(SHEI)、散布与并列指数(IJI)、景观形状指数(LSI)、蔓延度指数(CONTAG)。运用ENVI5.3导出3期的土地利用类型栅格数据，并借助Fragstats 4.2软件，计算不同时期景观格局指数，以此分析惠州市景观格局的结构和变化特征。

图2 2000—2018年惠州市土地利用现状图Fig.2 Status of land use in Huizhou city from 2000 to 2018

2.2.2 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵揭示同一地区不同时间段内，各地类面积之间相互转化关系[21]，可定量研究土地类型之间转移变化数量情况。转移矩阵的数学表达式为

(1)

式(1)中：P为面积；Pij表征土地类型i转换为土地类型j的面积[22]。

3 惠州市土地利用景观格局演变分析

3.1 土地利用总体时空变化

由2000、2009、2018年惠州市土地利用现状图(图2)可知，惠州市2000—2009年间，耕地、林草地面积增加明显，未利用地面积减少明显，建设用地、水域变化相对不大，这与该时期内惠州市大规模进行林业生态建设、大规模封山育林，在9年间不断推进造林步伐相符。2009—2018年间，林草地、建设用地面积迅速增长，未利用地则持续下降，此时期耕地面积、水域变化不显著，这与惠州市经济快速发展，大力拓展城市建成区面积，开发未利用地，同时注重保护耕地、水域生态环境息息相关。

为了进一步研究惠州市土地利用变化规律，本文利用ENVI5.3做了2000—2009年、2009—2018年和2000—2018年土地利用类型转移矩阵，如表1所示。

从ENVI 5.3土地利用类型转移矩阵分析结果可知，2000—2009年惠州市土地利用变化关系为：水域、城乡工矿居民用地向耕地转化，未利用地向林草地和耕地转化，耕地向林草地转化，林草地、耕地面积增加明显。其中未利用地向林草地转化面积最大，为1 597.52 km2，约占未利用地总面积34.54%；水域和城乡工矿居民用地向耕地转化面积分别为25.73、174.12 km2，分别占水域总面积15.29%，占城乡工矿居民用地总面积29.86%；耕地向林草地转化面积481.96 km2，占耕地总面积的18.13%。

2009—2018年惠州市土地利用变化关系为：水域向耕地转化，未利用地向林草地、耕地、城乡工矿居民用地转化，耕地向林草地、城乡工矿居民用地转化，城乡工矿居民用地部分向耕地转化，呈现出林草地和建设用地增加明显、未利用地减少的趋势。其中，水域向耕地转化的面积为52.33 km2，占水体总面积的25.94%；未利用向林草地、耕地、城乡工矿居民用地转化的面积分别为1 036.73、286.82、116.40 km2，占未利用地总面积的68.42%、18.93%、7.68%；耕地向林草地和建设用地转化的面积分别为566.30、428.47 km2，占耕地总面积的24.73%、18.71%；城乡工矿居民用地向耕地转化的面积为174.12 km2，占其总面积的30.39%。

从2000—2018年土地利用类型转移矩阵变化来看，总体上惠州市土地利用变化趋势为：林草地主要转为耕地，转化面积271.91 km2，未利用地主要转为林草地(2 366.76 km2)、耕地(1 381.55 km2)、城乡工矿居民用地(618.89 km2)。整体上市域内林草地，耕地面积大幅增加，未利用地持续大幅下降，城乡工矿居民用地保持平稳增长，水域变化不显著。

表1 土地利用类型转移矩阵

3.2 类型水平分析

3.2.1 各土地利用类型分析

(1)林草地。由表2可知，2000—2009年惠州市林草地面积由5 173.19 km2上升到6 456.22 km2，斑块数量由12 415增加到17 128块，斑块密度由1.09上升至1.51，表明林地面积虽增长显著，但同时其景观破碎化程度加剧，与时期内2004年《惠州市林地保护利用总体规划》通过，全市开展林地保护工作有关，并采取各类营林措施使林地面积大幅增长。2009—2018年惠州市林草地面积由6 456.22 km2增长到7 300.03 km2，斑块数量由17 128增加到39 988块，斑块密度由1.51上升至3.52，林草地面积持续扩大。近年来惠州市坚持保护生态环境，积极护林育林，走上了经济与生态协同可持续发展道路。十年来，全市投入约12亿元植树造林6.8万公顷，把城乡绿化和森林建设纳入城市总体规划、经济社会发展规划，并于2014年惠州市成为全省首个地级“国家森林城市”。

(2)未利用地。2000—2018年惠州市未利用地面积变化最明显，面积持续大幅下降，由4 625.36 km2下降到219.40 km2，斑块数量由21 126上升至62 803，斑块密度由1.86上升至5.52，表明斑块破碎化程度提高，未利用地面积逐渐减少，与惠州不断推进未利用地块的开发建设，主要用于育林、垦田、城乡建设等增加土地利用效率密切相关。

(3)城乡工矿居民用地。2000—2009年惠州市城乡工矿居民用地面积由582.99 km2上升至907.69 km2，斑块数量由22 271下降至19 205块，斑块密度由1.96下降至1.69，表明惠州市城市建设面积不断向外扩张，且有聚集趋势。2009—2018年惠州市城乡工矿居民用地面积由906.69 km2上升至1 138.79 km2，斑块数量由19 205上升至49 063块，密度也由1.69上升至4.32。总体上看，人类聚居空间不断扩张，面积增大的同时在其边缘形成了大量的离散小斑块，斑块聚集性降低。

(4)耕地。2000—2018年耕地面积由820.82 km2上升至2 428.40 km2，斑块数量先下降后增长，由28 130块先减少至22 589块后增加至102 854块，斑块密度也是先减小后增大，由2.47下降至1.99再增长至9.05。耕地面积大幅增长，与惠州市坚守耕地保护红线、开展高标准基本农田建设等工作密切相关。同时耕地斑块数量和密度先下降后增加，后期破碎化程度增加，也表明前期耕地从离散斑块中形成较大的斑块，使其数量与密度都有所下降；后期大斑块被离散为小斑块数目增多，表明此时期耕地受人类开发活动及其他类型土地转化的影响较大。

(5)水域。2000—2018年水域面积稳定小幅增长，由168.02 km2增长至282.99 km2，同时斑块数目和斑块密度都增大，其中2009—2018年斑块数目和斑块密度变化明显大于2000—2009年，水域破碎化程度加剧，是城市修筑防洪工程如惠州大堤，开挖沟渠引流灌溉等改造江河水域的结果。

表2 2000—2018年惠州市类型水平景观格局指数

3.2.2 土地类型变化趋势分析

由图3可知，2000—2018年景观斑块类型面积占景观总面积比例的对比分析可知，随着时间增长，林草地逐步占据景观格局主导地位，至2018年林草地面积占景观总面积达64.21%，而与之相反未利用地则持续大幅下降，由40.68%下降至1.93%。城乡工矿居民用地表现为小幅上升，耕地先经历前期快速增长随后增速变缓，水域则基本保持不变。从变动趋势看，2000—2018年变动幅度：未利用地>林草地>耕地>城乡工矿居民用地>水域。

图3 2000、2009、2018年斑块面积占景观面积比例对比Fig.3 Comparison of PLAND in 2000, 2009 and 2018

由图4可知，最大斑块面积占景观总面积比重即最大斑块指数(LPI)变动幅度为：林草地>未利用地>耕地>城乡工矿居民用地>水域。至2018年，市域内各景观类型占总面积比重：林草地>耕地>城乡工矿居民用地>水域>未利用地。从各景观面积变动幅度及趋势上，可看出未利用地是惠州市人类活动最为强烈与频繁的景观类型，惠州市地域内未开发的地块被大幅开发利用；在政府采取林分改造、封山育林等一系列营林措施推动下，林草地19年来急速扩张，在惠州市占据一半以上优势度，在惠州市土地利用景观结构中占主导地位；耕地在严格坚守耕地保护红线下面积得到不断扩大，占景观总面积的第二位；城乡工矿居民用地随着惠州市社会经济发展不断扩张，占有十分重要的地位；水域是惠州市受人类活动影响较小的景观类型，面积变化不显著。整体上，从景观优势度上看，林草地优势度上升，未利用地优势度大幅下降，耕地优势度逐渐上升，城乡工矿居民用地和水域优势度基本不变，呈现保护林草地、耕地的城市生态发展态势。

图4 2000、2009、2018年最大斑块指数对比Fig.4 Comparison of LPI in 2000, 2009 and 2018

3.3 景观水平分析

由表3可知，2000—2018年，香农多样性指数(SHDI)与均度指数(SHEI)基本保持不变，呈现小幅波动变化发展。其中SHDI逐渐趋近1，说明景观的土地利用类型较丰富，破碎化程度一般，景观格局相对稳定；SHEI<1，说明景观存在多种优势斑块类型，各景观类型趋于均匀分布，面积比重趋于均衡化，各景观类型多年均匀分配程度基本保持稳定。总体而言，惠州市2000—2018年景观多样性指数趋近于1，景观格局逐渐转向均衡，各要素发展均衡、稳定。

表3 2000—2018年惠州市景观格局景观水平分析

2000—2018年惠州市景观形状指数(LSI)呈持续上升趋势，由152.26增长至254.92，表明景观要素形状逐渐复杂化，形状趋于不规则变化。与此相反，蔓延度指数(CONTAG)由58.83持续下降至53.76，说明景观内斑块破碎化程度提高，斑块之间连接紧密程度下降；散布与并列指数(IJI)由56.33持续上升至63.08，说明占据优势和主导地位的斑块被散布化了，各景观组成部分间混合分布，景观类型复杂多样。这与人类对自然的干扰活动增加，持续不断开发各类型用地有关，且呈现出局部开发特点，导致部分区域景观整体性遭到破坏。

总体而言，2000—2018年，景观的土地利用类型丰富，各景观类型趋于均匀分布，存在多种优势种，发展均衡。同时景观形状趋于不规则形态发展，景观破碎化程度加剧，斑块之间连接紧密性下降，景观内部集聚度下降，主要与人类开发活动密切相关。

4 景观格局优化建议

惠州市拥有丰富的土地利用类型，且近几年来各景观类型呈现均匀分布的趋势，其中林草地是其景观最大优势种，这类景观优势度的增大有利于其景观多样性的维持与生态保护建设。但随着城镇化的发展，人类活动开发频次与强度不断加大，前文分析中所显现出的耕地、林草地、水域景观破碎化程度加剧，城镇用地边缘离散，地类之间连接紧密性下降生态问题也亟需得到重视与优化。

4.1 树立协调、持续、高效发展理念

4.1.1 建立三生空间规划体系——协调发展

三生空间即“生产、生活、生态空间”，生态环境质量的提升，重点在于维持城市开发与生态保护的平衡点，通过建立空间规划体系，严格控制开发强度，促进生产高效、生活宜居、生态健康，做到协调经济发展，不以损害林地、耕地、水域等环境为代价进行开发。建立科学三生空间规划体系，保护林草地、耕地、水域等生态环境空间，保护景观内物种丰度与生态多样性，促进人与自然和谐生态发展。

4.1.2 稳定现有生态体系——持续发展

惠州市这十几年来对生态环境加以大规模保护，封山育林，退耕还林等，给惠州市创造美好的生态景观，未来优化重点就是保护现状，稳定现有的森林生态系统、农田生态系统、水域生态系统，尽量减少人工对自然生态系统破碎化开发的干预，不能以损害生态为代价进行城市扩张发展。结合惠州市林地、耕地用途管制，对市域内山体、水体、农田等建设行为进行严格控制管理。加强生态文明建设重要性宣传，增强市域人民绿色发展、生态保护优先的意识，促进城市可持续发展。

4.1.3 节约集约用地建设——高效发展

建设用地的开发是占用耕地、林草地主要用地类型，在推进城市化发展的同时，要考虑其对周边环境影响，严格执行的行业建设用地标准，控制城市建设用地过快增长。树立节约集约利用土地理念，提升单位土地投入产出效益，最大化其土地经济价值。对城市建设用地进行合理布局，形成规模化集聚，减少城市边缘小版块的分散。可通过土地类型置换，集中城市地域，将耕地、林草地也集中发展并设置保护区，城市开发尽可能小的减少对重点保护区域的建设利用。此外除了规模化效应之外，也可推行土地整治复垦，通过建设一批高标准基本农田，提高耕地的单位产出能力，以耕地质量代替耕地数量，为城镇发展腾挪空间，也为退耕还林提供用地支持，促进惠州森林城市进一步发展，缓解城镇发展与用地紧张矛盾。

4.2 构建城市生态廊道网络体系

依托惠州市现有的城市生态景观格局，构建以西北部南昆山、罗浮山连绵山体、东江、西枝江水系、南部海岸线为主要框架的城市生态屏障，形成“山水城市”主体脉络布局。依照城市现有景观格局，在不大规模破坏生态景观的基础上，因地制宜，统筹协调耕地、水域、林草地、城乡工矿居民用地、未利用地五类土地的开发利用。市域内确立耕地不被占用或土地增减挂钩原则，确保耕地总量不减少；确立营林模式，重视当地树种栽培及其管理防护；水域作为生态格局中重要的水源环节，保持水路通畅、洁净无污；城乡工矿居民用地的开拓建设要与周边的耕地、林地相适应，将城市干道绿化廊道、沿江生态廊道、防护林带廊道相连接，形成“三线合一”的生态廊道网络体系，促进各类用地的互联互通，维持生态系统结构的完整性。严格保护市域内山体、水系，从整体上将破碎的板块进行整合，形成集中连片的土地类型，减小惠州市各土地利用类型破碎化程度，增强地类之间的连接紧密性，提高集聚度，增强区域生态系统的稳定性，打造绿色生态城市。

4.3 优化城市发展空间布局

惠州市区、近郊、远郊空间上三位一体，主城区通过多种绿化方式如建设公园、防护林等，对于重要的生态园区设置自然保护区，保护市域自然资源和生物多样性。将森林与城市建设相结合，打造高标准城市森林景观亮点。近郊区，依托城市道路、水系、防护林带等，推进生态网路相结合，推进城林生态廊道网络体系建设。远郊区，实施严格的耕地、林地保护，重点开发未利用地，整理推进森林村庄建设，建设美丽森林村镇。坚持人与自然和谐共存的原则，规划建设城市公园绿地系统，有利于区域物种多样性的培育，保护物种多样性。从惠州市区、近郊、远郊空间规划上，将市域范围内的城乡工矿建设用地和耕地、林地、水域等区域营建的生态廊道衔接，通过开展城镇居民点、绿化道路条带、生态保护片区等规划建设，实现点、线、面相结合的城市生态网络系统，优化各类用地布局，为惠州市预留可持续发展空间。

5 结论

通过对惠州市2000—2018年景观格局时空演变、五大类土地利用类型及景观水平定量分析，得出如下结论：

(1)土地利用时空转化显著。从2000—2018年以来惠州市土地利用转化趋势为：林草地主要转为耕地，未利用地主要转为林草地、耕地及城乡工矿居民用地，使得林草地，耕地面积大幅增加，未利用地大幅下降，城乡工矿居民用地保持平稳增长，水域变化则不明显。

(2)区域景观格局呈现趋势化。从类型水平上看，除未利用地外，其他四类土地利用观类型斑块面积呈增加趋势；受城市开发的影响，城乡工矿居民用地斑块数量与密度减小，呈现聚集趋势，但其他土地利用类型受人类活动频繁干扰，景观破碎化程度加剧。从景观水平上看，惠州市土地利用类型丰富且处于稳定均匀分布的状态，市域内存在多种优势景观，同时受局部开发活动影响，表现出景观内部整体集聚度下降、景观形状边界趋于不规则变化，需要通过合理优化布局、协调各景观组分关系，建立生态网络体系以加强景观内部集聚度、各景观间连接紧密性，并减小景观破碎化程度，打造可持续发展的绿色山水城市。