2000—2020年五莲县景观格局动态变化及驱动力分析

作者: 姚童 赵丽 齐涛 张桢 张慧莹 时海

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摘 要:为明确五莲县景观格局变化趋势及驱动因素,给五莲县生态保护及经济高质量发展提供参考,基于2000年、2010年和2020年五莲县遥感数据,利用随机森林、景观格局指数、土地利用动态度、转移矩阵和SPSS相关分析法,揭示了2000—2020年五莲县景观格局时空变化特征,并对驱动因素进行探究。经分析,得出以下结论。①五莲县土地利用类型以耕地和林地为主,研究期间耕地、林地和草地面积减少,未利用地、水域和建设用地面积增加,地类间的转化主要发生在耕地、林地和建设用地之间。②五莲县土地利用总体破碎化程度降低,景观形状趋向复杂、分离度增大;耕地、林地和草地破碎化程度减弱,景观形状趋于简单;水域破碎化程度增大,景观形状趋于复杂;未利用地破碎化程度降低,空间上趋于聚集;建设用地景观破碎化和离散程度减弱,空间上趋于聚集。③五莲县土地景观格局变化受到社会和自然因素的双重影响,第二产业值是影响景观格局最主要的因素。

关键词:五莲县;景观格局;转移矩阵;第二产业值;SPSS

中图分类号:P901;X171.1 文献标志码:A 文章编号:1674-7909(2024)3-124-6

DOI:10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.03.030

0 引言

土地是人类生产、生活的载体,土地利用是人类通过社会实践对地表进行有目的的经营和改造的活动[1]。景观格局变化是土地利用变化在景观生态学研究中的表达,区域景观格局变化可以有效揭示区域生态情况及空间区域变化特征[2-3]。随着经济的发展、城镇化进程的加快,社会发展与生态文明建设的矛盾愈发突出,景观格局时空变化及驱动力分析逐渐成为众多学者研究的热点[4-7]。魏伟等[8]采用转移矩阵和景观格局分析法研究了东北“三区空间”20年间的空间演变特征,并利用地理探测器探究了驱动因素。杨珺等[9]基于1990—2020年临汾市遥感影像,以土地利用程度、动态度、转移矩阵及景观格局指数为研究方法,分析了研究区域土地利用及景观格局时空演变特征。李健明等[10]以1990—2020年黄河源区土地利用数据为基础,采用景观格局研究方法分析了研究区域景观在类型和景观水平的时空格局变化特征。蒋德平等[11]根据1990—2020年盐城遥感影像,运用土地利用动态度及转移矩阵方法探究了盐城市30年间景观格局变化特征。王诗琪等[12]使用地学信息图谱、土地利用动态度和转移矩阵等方法,揭示了六安市基于不同海拔的景观格局空间变化特征。王畅畅等[13]基于1980—2015年安徽省土地利用类型数据,利用ArcGIS、Fragstats软件定量分析了该省土地利用变化及景观格局响应。刘冰等[14]基于1980—2020年黄河三角洲土地利用数据,定量分析了黄河三角洲土地转移及景观格局空间变化特征。回顾相关文献发现,目前此领域研究尺度多集中在流域、省、市,研究方法集中在定量分析景观结构及探讨景观格局特征上。但事实上,区县级政府作为空间规划及生态保护的具体责任单位,对景观格局演变影响较大,而针对县级景观格局演变的研究较少。

此研究以2000年、2010年和2020年五莲县遥感影像为基础,利用Arcgis和Fragstats软件对2000—2020年五莲县的景观格局变化进行研究,同时采用 Pearson 相关分析法定量分析其驱动因素,揭示研究区域景观演变特征,为五莲县生态保护和经济高质量发展提供科学依据。

1 研究区域概况

五莲县位于山东半岛西南部(东经118°55′~119°32′,北纬35°32′~35°59′),全县面积为1 497 km2,2020年全县户籍人口50.88万人。五莲县属暖温带大陆性季风气候区,冬无严寒、夏无酷暑;地处鲁东、鲁中低山丘陵衔接处,主要地形为低山和丘陵(占比达到85.9%),平原地带仅占14.01%。县内胶新铁路、京沪高铁、潍日高速等穿境而过,毗邻日照港、董家口港2个亿吨大港,交通条件优越。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源与处理

数据选取2000年、2010年和2020年Landsat 8遥感影像,空间分辨率为30 m×30 m,利用ENVI软件对3期影像进行辐射校正、波段运算、影像拼接和裁剪,采用随机森林及目视解译等方法将地类分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地6类, 经计算3期数据Kappa系数分别为0.91、0.89和0.92(均大于0.85,满足研究需要)。人口数据、城市化率、国内生产总值、第一产业值和第二产业值来源于《日照市统计年鉴》,气温和降水量等气象数据来源于中国气象科学数据共享中心。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用时空变化

借助Arcgis空间分析功能,对3期数据进行分析,以此得到研究区域各地类的时空变化特征。土地变化转移矩阵是研究各地类之间时空变化的主要方法。土地利用转移矩阵见式(1)。

式(1)中:A为面积,n为土地利用类型种类数,i、j分别为变化前和变化后土地利用类型。

2.2.2 土地利用动态度

对土地利用动态度进行分析,可以直观地了解各地类变化情况和剧烈程度。土地利用动态度可以直观地表达各地类的变化速度,计算公式见式(2)。

式(2)中:Ub和Ua分别表示区域地类研究末期和初期的面积,T为研究周期。

2.2.3 景观格局分析

参考前人研究成果并结合五莲县实际情况,选取斑块数量(NP)、斑块密度(PD)、形状指数(LSI)、分离度指数(SPLIT)、连通度指数(COHESION)、斑块比例(PLAND)和香农多样性指数(SHDI) 7个指标,利用Fragstats软件分析景观要素的数量、形状和空间分布特征。

2.2.4 驱动力分析

为探究各因子对景观格局演变的影响力,使用SPASS软件并采用 Pearson 相关分析法定量分析景观类型与影响因子间的关系,将主要影响因子进行线性回归分析。

3 结果分析

3.1 土地利用变化分析

2000—2020年五莲县土地利用变化见表1。由表1可以得出,2000—2020年五莲县优势景观类型未发生变化,均以耕地和林地为主。2000—2020年,耕地面积持续减少,共减少25.10 km2;林地面积减少25.09 km2;草地面积减少33.77 km2 ;水域面积持续增加,共增加5.72 km2;随着经济的不断发展、城镇化进程的不断推进,建设用地面积增加73.40 km2,总面积扩大了近一倍;未利用地面积增加4.85 km2。

利用Arcgis空间分析功能,生成2000—2010年和2010—2020年五莲县土地转移矩阵(见表2),由此可以分析地类间的流转情况。2000—2010年,耕地的流向主要为建设用地和水域,流向建设用地和水域的面积分别为96.54 km2和19.31 km2,两者占耕地流出总量的90.84%;林地、草地、水域和建设用地流向耕地的面积分别占各自流出总量的73.60%、81.65%、83.33%和94.58%;未利用地基本保持原貌,流出量较少。与2000—2010年相比,2010—2020年各土地利用类型间的流转热度下降,主要表现为耕地与建设用地间的相互转换,耕地流向建设用地的面积为20.79 km2、建设用地流向耕地的面积为10.31 km2,分别占各自流出总量的66.32%和93.73%;林地、草地、水域和未利用地转出量较小,分别为6.65 km2、2.33 km2、3.76 km2和0.40 km2。

3.2 土地利用动态度分析

2000—2020年五莲县土地利用动态度见表3。由表3可以看出,2000—2010年耕地、林地和草地面积呈现负增长,利用动态度分别为-1.40%、-8.47%和-45.11%;水域、建设用地和未利用地面积呈增长态势,利用动态度分别为12.27%、82.56%和109.10%。综合来看,2000—2010年建设用地不断扩张,部分耕地、林地和草地被占用,同时也造成了部分土地荒漠化。2010—2020年耕地利用动态度降低1.13%,水域和建设用地利用动态度分别上升1.32%和7.43%,林地、草地和未利用地利用动态度基本保持不变。与2000—2010年相比,2010—2020年除建设用地利用动态度变化较大外,其他地类利用动态度变化均较小,主要原因是土地集约利用政策制约了建设用地扩张,同时投入了更多的人力和物力用于生态保护。

3.3 景观格局指数

2000—2020年五莲县景观水平指数见表4。由表4可以看出,五莲县总体景观的斑块数量和斑块密度先下降后基本不变,形状指数和分离度指数持续上升,连通度指数和香农多样性指数基本保持不变。这表明研究区域土地利用总体破碎化降低,人们在生产生活中对景观格局的干扰度变大。结合五莲县丘陵、山地地形和景观格局实际情况,耕地与林地为绝对优势地类,工业化进程中不可避免地占用了平原地带的耕地与林地,使得耕地和林地在斑块数量和斑块密度下降的同时景观形状趋向复杂、分离度更高。

2000—2020年五莲县景观类型指数见表5。由表5可以看出,各地类景观类型指数变化各异。耕地的斑块比例、斑块密度和斑块数量持续下降,形状指数、分离度指数和连通度指数持续上升,表明耕地的异质性和破碎化程度有所降低,景观连通性增加的同时景观形状趋于分散和复杂。林地和草地的景观格局指数变化主要集中在2000—2010年,期间林地和草地的斑块比例、斑块密度、斑块数量和形状指数出现不同程度的减少,分离度指数和连通度指数上升,表明林地和草地景观破碎化程度减弱、景观形状趋于简单,连通性增加的同时景观离散程度加剧。水域斑块比例、斑块密度、斑块数量和形状指数持续上升,分离度指数和连通度指数持续下降,表明水域景观异质性和破碎化程度增大、景观形状趋于复杂,景观聚集程度减弱。建设用地斑块比例和连通度指数持续上升,斑块数量和斑块密度先减少后基本保持不变,形状指数先升高后降低,分离度指数持续降低,表明在土地集约利用与更加合理的规划后,建设用地盲目扩张得到抑制,景观破碎化和离散程度减弱(即更加趋于聚集)。未利用地景观格局指数变化同样集中在2000—2010年,未利用地除斑块比例和连通度指数上升外,其他指数均出现不同程度的降低,表明未利用地异质性程度降低、空间上趋于聚集。

3.4 驱动因素探究

五莲县景观类型与影响因子间的相关性见表6。由表6可以得出,耕地与农业人口呈正相关,与城市化率、生产总值、第一产业值等影响因子呈负相关;林地和草地与气温和降水呈正相关,与农业人口、城市化率、生产总值等社会因子呈负相关;水域、建设用地、未利用地与农业人口呈负相关,与城市化率、生产总值、第一产业值等因素均呈正相关;第二产业值与各地类均具有极强的相关性。

为进一步验证各地类与第二产业值的关联程度,得到回归分析结果见表7。由表7可知,除耕地R2为0.825外,其余均在0.989及以上。综合来看,第二产业值是影响景观格局变化的最主要因素。

4 结论

研究基于2000年、2010年和2020年五莲县遥感数据,利用土地利用动态度、转移矩阵和景观格局指数等方法,揭示了2000—2020年五莲县景观格局变化特征,同时使用SPSS软件对景观格局变化驱动因素进行探究,得到如下结论。

①2000—2020年五莲县优势景观类型未发生变化,均以耕地和林地为主。2000—2020年耕地、林地和草地面积减少,未利用地、水域和建设用地面积增加。地类间的转化主要发生在耕地、林地和建设用地之间,研究期间建设用地增长近一倍。

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