临安区青山湖区域土地利用与景观格局时空变化研究

杜茗媛，舒美英，蔡建国，3*

(1.浙江农林大学 风景园林与建筑学院，杭州 311300；2.浙江农林大学暨阳学院，浙江 诸暨 311800；3.浙江农林大学 园林设计院有限公司，杭州 311300)

近年来，随着经济的快速发展、城市规模的不断扩大以及城市人口的日益增多，城市环境质量受到前所未有的重视，学界与管理者相继提出了国家森林城市、园林城市、生态城市等多个概念。青山湖片区作为杭州向西发展的重要枢纽地带，近几年发展建设成就巨大，开发项目增多带动经济建设稳步发展的同时，也给生态环境带来一定破坏。为了解人类活动对景观动态变化的影响，控制和改善社会经济活动，促进区域经济社会与环境协调发展，我们以临安区青山湖区域为对象，从土地利用变化和景观格局时空变化特征角度，分析土地利用和景观在时间序列下的变化特征。

1 研究区概况

杭州市临安区山清水秀、风光迷人，森林覆盖率高达77.7%，植被有较明显的垂直分布特性，湿地、动植物资源丰富多样。本研究区域位于临安区东面，周围群山环绕，茂林修竹，水库湖面占地面积约9.65 km2。该区域属于中亚热带北缘季风气候区，温暖湿润，日照充足，降水充沛，四季分明，年均气温16 ℃，年均降水量1 613.9 mm。

本研究区域——青山湖研究区范围由笔者根据研究需要划定，主要依据道路围合圈定研究区域，东至大圆路，西面靠近临安建成区，北至青罗线，南至杭瑞高速以南的各个村庄(将研究区范围限定在青山水库湖岸向外延伸3 000 m左右的范围)，约66.20 km2，地理范围为119.734～119.828E，30.201～30.293N(以下简称)。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

2.1.1 遥感数据来源与处理 本研究使用的遥感数据来源于地理空间数据云网站(http://www.gscloud.cn/)下载的2000、2005、2010、2015、2020年分辨率为30 m的Landsat遥感影像(表1)，选择5个时期均为3-10月份且云量较少，影像数据质量较好，能满足土地利用分类处理的遥感影像。经过处理2015年和2020年的空间分辨率能达到15 m。

表1 遥感图像来源及具体参数

2.1.2 土地利用数据提取 首先对采用的Landsat系列图像进行辐射定标、大气校正，其次按照确定好的研究区域，绘制矢量图形，对图像进行裁剪，最终获得本研究所需的经过预处理的5个时期的遥感影像。利用ENVI5.3软件结合谷歌地球历史卫星影像对比和实地抽样调查，对5个时期的图像通过人工目视解译的方法进行分类，在参考LUCC分类体系(土地利用/土地覆盖变化)的基础上，结合青山湖研究区现有的土地利用类型，将研究区域分为耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用土地6种用地类型。由于区域内在近20 a的发展过程中变化较大，为统一观察土地利用变化，草地按照树木郁闭度小于等于0.1以草本植物为主的分类方法划分，对于农业用地中的荒废地、以及植被覆盖较好的待用地都划为草地。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用与面积转移矩阵 土地利用转移矩阵不仅能反映研究期内各类土地利用的数量变化情况，同时也可以反映各类土地的转移变化情况[1-2]。

2.2.2 土地利用动态变化度

(1)综合土地利用动态度

综合土地利用动态度表达某研究区一定时间内整体景观的变化情况，其表达式为[3]：

式中：LUi表示监测起始时间第i类土地利用面积，ΔLUi-j表示监测时段第i类土地利用转为非i类土地利用面积的绝对值，T为监测时间长度。

(2)单一土地利用动态度

单一土地利用动态度表达的是某研究区一定时间范围内某种土地利用的数量变化情况，其表达式为：

式中：K表示研究时间段内某一土地利用动态度，Ua、Ub分别表示研究初期和研究末期土地利用的数量，T为研究时长。当T的时段设定为年时，K为研究时段内某一土地利用的年变化率。

2.2.3 景观指数的计算 景观格局是指景观元素以不同大小和形状在空间上的排列[4]，而景观指数能够高度浓缩景观格局信息，反映其结构组成和空间配置特征[5-7]。土地利用变化不仅影响土地景观格局的变化，而且影响其内部的物质循环和能量流动[8]。

景观指数在分析土地利用和景观格局的变化中有着广泛应用，研究斑块、类别和景观三个层次上的碎片化、异质性和连通性等[9]。本研究在斑块水平选择斑块数量(NP)、斑块密度(PD)、斑块平均面积(AREA_MN)、斑块占景观面积比例(PLAND)、最大斑块指数(LPI)；景观连通性水平上选择聚合度(AI)、聚集度(CONTAG)；在景观复杂程度上选择景观形状指数(LSI)、周长面积分维数(PAFRAC)；在景观多样性水平上选择Shannon多样性指数(SHDI)、Shannon均匀度指数(SHEI)。采用FRAGSTATS4.2软件计算得到景观指数，通过景观指数的变化分析该研究区域的景观格局时空变化特征。

3 结果与分析

3.1 土地利用变化特征分析

3.1.1 土地利用时空特征分析 青山湖研究区2000-2020年的土地利用空间分布如图1所示，2000年耕地主要集中分布在科技大道北侧，另有零星状散落分布在南部的各个村庄，2010年后科技大道北侧的耕地主要变为了建设用地，耕地主要以点状破碎形态分布在研究区内。青山湖水库的部分水域面积变成了建设用地，但同时开挖了部分青山湖水库，使得青山湖水库的面积能保持稳定。

图1 2000-2020年青山湖区域土地利用空间分布示意图

从表2可知，2000-2010年，研究区内林地为优势景观类型，在2005年面积占比高达45.15%，而在2010年后，受青山湖区域开发和建设的影响，林地和耕地面积都有一定减少，同时建设用地面积增加，占比逐渐超过林地成为优势景观类型。到2020年时，建设用地的面积达到了27.35 km2，占比为41.28%。另外，20 a间耕地面积从11.33 km2下降到4.78 km2，草地面积从11.69 km2下降到5.40 km2，而未利用地和水域面积变化较稳定。

表2 2000-2020年青山湖区域土地利用结构及其统计

3.1.2 土地面积转移矩阵 青山湖研究区不同研究时段内的土地利用面积转移矩阵如表3，由表可知，20 a间6类土地利用类型都发生了一定的面积转移。从转出量来看，20 a间的转出总量为林地>耕地>草地>建设用地>水域>未利用地，2000-2005年，草地和耕地的转出量超过林地的转出量；2005-2010年林地和建设用地的转出量较大；2010-2015年林地的转出量远超过其他用地类型的转出量；2015-2020年各用地类型的转出量较前几年变化较小，趋于稳定。从转入量来看，20 a间建设用地的总转入量最大，转入总量为建设用地>草地>耕地>林地>水域>未利用地，其中2010-2015年建设用地转入量最大。结合土地利用的空间布局图发现，青山湖水库的水岸线发生了一定的变化，但在20 a间的转入量和转出量基本达到动态平衡。

表3 青山湖区域不同研究时间段内的土地利用转移矩阵

续表3

3.1.3 土地利用变化速率 2000-2020年的土地利用动态变化度如表4所示，从综合土地利用动态度来看，2000-2005年、2005-2010年、2010-2015年、2015-2020年的综合土地利用动态度分别为4.24%、6.70%、7.13%、3.74%，说明2005-2010、2010-2015年土地利用变化速率较快，2000-2005年、2015-2020年两个时期的土地利用变化速率较慢。从单一土地利用动态度来看，2000-2005年耕地、草地和未利用地面积减少，林地、建设用地和水域呈正增长；2005-2010年林地和草地面积减少，耕地、建设用地、水域和未利用地面积增加，其中未利用地的面积变化最大；2010-2015年耕地和建设用地的面积变化最剧烈，耕地年变化速率为-12.71%，而建设用地为11.44%，说明此期青山湖区域城市化进程较快，发展较迅速，并且在一定程度对农业的发展产生了影响。此外，由于城市开发和经济发展需求，研究区内建设用地面积20 a间一直在增加，且在2010-2015年间增长速率最快。

表4 2000-2020年青山湖区域单一及综合土地利用动态变化度

3.2 景观格局分析

按景观格局指数方法即从斑块水平尺度和景观水平尺度[10-11]，以及景观面积、密度、形状、聚集性、多样性等5个景观格局指数[12]对青山湖区域土地利用景观格局分析结果如图2、3所示。

图2 2000-2020年青山湖区域斑块尺度的景观指数变化

3.2.1 斑块水平格局变化特征 2000-2020年青山湖区域耕地和草地斑块数量明显增加，斑块密度逐渐变大，斑块平均面积逐渐减少，说明20 a间草地和耕地的景观破碎程度越来越高，空间异质性变大，且景观连通性越来越差。同时耕地和草地的景观形状指数趋于增大，表明耕地和草地的斑块形状逐渐从简单到复杂，形状趋向不规则，受到自然和人类活动的影响较大。

20 a间耕地、林地和草地斑块面积都有一定减少，而建设用地占景观面积比和最大斑块都明显升高，最大斑块面积从2.03%增加到25.86%，说明建设用地在整体景观中所占优势逐渐增大，成为了区域内优势景观类型，而从聚合度来看，只有建筑用地和未利用地的聚集度有较明显的增强。

水域和未利用地的斑块数、斑块密度和景观形状指数变化幅度不大，较稳定。

3.2.2 景观水平格局变化特征 景观的破碎化和连通性与斑块的大小、形状和距离等都具有相关性[13]。从图3看出，2000-2010年青山湖区域的斑块数和斑块密度保持稳定，而2010-2015年斑块数和斑块密度陡然上升，斑块平均面积快速下降，说明此期景观破碎化程度加剧，空间异质性增强[14]。2010-2015年景观形状指数有所上升，说明斑块形状越来越复杂，越来越不规则。聚集度和聚合度在前10 a较稳定，后10 a逐渐升高，说明此区域的聚集度和连接性逐渐增强。表征景观由少数几个主要土地类型控制程度和景观均衡程度的Shonnon均匀度指数和Shonnon多样性指数，在20 a间先上升后逐渐下降，在2010年达到最高，说明此时的景观类型较为丰富和均衡[15]。

图3 2000-2020年青山湖区域景观水平的景观指数变化

4 结论与讨论

4.1 结论

(1)随着林地、草地、耕地面积的减少，建设用地在2000-2020年的20 a间逐渐代替林地成为优势景观类型，青山水库水域面积在变化中维持基本平衡，这与政府的湿地保护政策有很大的关联。

(2)由综合土地利用动态度可知，2010-2015年土地利用变化最大、最剧烈。由于人们对青山湖区域的高强度开发，此期耕地面积减少较多，也对农业产生了一定的影响。

(3)景观格局指数分析结果显示，耕地和草地的景观破碎化程度不断升高，空间异质性增强且连通性变差，由于聚集性开发建设，建设用地的聚集度和连通性增强。

(4)由于建设用地的扩张，导致了草地、耕地、林地等景观割裂程度的增加，整个研究区域景观破碎化加剧。整体来看，2010年景观破碎化程度较低，景观形状较复杂，可能是由于此时是研究区的开发初期，景观格局在相对较长时间发展下偏向稳定均衡。

4.2 讨论

临安是典型的“九山半水半分田”的山区市，随着城市的规划发展，建设用地面积不断扩大，农业用地面积大大减少，耕地数量不断减少，缺少后备耕地。本研究对5个时期青山湖研究区的土地利用和景观格局时空变化进行分析，有助于理解与政策相关的土地利用规划和区域生态系统保护，并为之提供参考。

针对研究区土地利用及其景观格局变化，为实现青山湖区域土地资源可持续发展，应切实保护耕地和生态环境，对现有耕地和基本农田实行基本农田和标准农田保护，增加高标准农田面积，集约开发建设用地，严控增量，撬动存量，建立完善耕地保护补偿机制和土地利用集约节约激励机制，完善土地利用占补动态平衡政策，严格保护禁止开发区域的自然资源和生态环境。本研究未进行景观格局特征变化内在驱动因素分析，也没有预测景观格局的未来发展趋势，这些可能也是该区域水环境生态恢复日益受重视并得以实现后，景观格局优化和生态格局构建等必然面临和必须研究解决的问题。