張 娟，黃家健，趙潤江，劉亞楠，王彥錚，林水發(fā)

(1.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院 科技信息研究所/海南省熱帶作物信息技術(shù)應(yīng)用研究重點實驗室，海南 ?？?571101；2.海南熱帶海洋學(xué)院，海南 三亞 572022；3.海南大學(xué) 林學(xué)院，海南 ?？?570228；4.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；5.中國科學(xué)院 城市環(huán)境研究所，福建 廈門 361021)

伴隨著近20 a我國城市化進程的加速，城市土地利用情況也在持續(xù)發(fā)生著變化。大量的草地、濕地和林地等生態(tài)用地轉(zhuǎn)化為城市建設(shè)用地，帶來熱島效應(yīng)、霧霾效應(yīng)和生物多樣性降低等一系列問題。不合理的土地利用形式不僅不利于城市生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，也不利于城市的可持續(xù)發(fā)展[1-2]。從景觀生態(tài)學(xué)的視角來看，城市土地利用形式的動態(tài)變化與其景觀生態(tài)格局演變有著緊密的聯(lián)系[3]，景觀格局分析方法也在近年來越來越多地應(yīng)用于土地利用變化的研究。例如，基于土地利用格局變化的城市生境質(zhì)量時空演變研究[4-6]；以某個具體城市為研究對象，對其景觀格局變化進行研究[7-9]；針對城市景觀中某一類景觀的空間格局變化進行研究，如濕地景觀、城市建設(shè)用地景觀等[10-11]；對景觀格局的驅(qū)動因素或驅(qū)動機制進行研究[12-13]。國內(nèi)大多數(shù)學(xué)者從不同尺度、不同類型、不同領(lǐng)域上進行土地利用景觀格局的研究，較少對長時段變化規(guī)律的關(guān)注。土地利用景觀格局變化指一定時空尺度內(nèi)土地性質(zhì)及其覆蓋物發(fā)生變化而引起的景觀空間結(jié)構(gòu)變化。關(guān)注土地過去到現(xiàn)在的變化能夠了解其各區(qū)域土地時空動態(tài)演變的規(guī)律，從而識別城市擴張的方向和問題，確定需要保護的用地類型及區(qū)域。再以景觀生態(tài)學(xué)理論分析土地利用變化產(chǎn)生的生態(tài)問題，深入研究城市化發(fā)展對土地利用景觀格局的干擾及生態(tài)環(huán)境的影響，從而提出具有針對性的建議和措施。

三亞市位于海南島南部，背靠五指山麓，山海相擁，是典型的熱帶濱海城市和著名的國際旅游城市，在海南“國家生態(tài)文明試驗區(qū)”和“國際旅游消費中心”的發(fā)展布局中具有重要的地位。自2000年以來，三亞市社會經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展，人口流入和城市擴張加速使得其土地利用景觀格局產(chǎn)生了較大變化，城市生態(tài)面臨越來越嚴重的威脅?；诖耍狙芯恳匀齺喪?004、2009、2014、2019年的LandsatTM/OLI遙感影像為數(shù)據(jù)源，對該區(qū)域土地利用變化進行解譯，同時結(jié)合景觀生態(tài)學(xué)原理，揭示這一時間段內(nèi)三亞市土地利用景觀格局的演變特點，為其土地利用規(guī)劃及城市生態(tài)建設(shè)提供決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

三亞市總體北面環(huán)山，南面臨海，北高南低。全市陸地總面積1 919 km2，地貌構(gòu)成為山地占33.4%、丘陵占25.2%、臺地占18.1%、平原占23.3%。在土地利用方面，根據(jù)2021年11月第3次國土調(diào)查數(shù)據(jù)公報顯示，三亞市耕地15 905.85 hm2；園地60 026.59 hm2；林地79 737.15 hm2；城鎮(zhèn)村及工礦用地20 670.44 hm2；水域及水利設(shè)施用地8 024.67 hm2。三亞市日照充足，年平均氣溫25.4 ℃，年降雨量1 400～1 600 mm，動植物資源豐富，生態(tài)基底良好。在產(chǎn)業(yè)方面，三亞以熱帶農(nóng)業(yè)和旅游業(yè)為主。2000年以來，三亞房地產(chǎn)業(yè)增長較快，帶動了城市的快速擴張，2019年常住人口城鎮(zhèn)化率已達76.26%。

自2009年海南建設(shè)國際旅游島以來，三亞城市化進程加速，逐步形成了“山海相連，指狀生長”的空間結(jié)構(gòu)模式：東西構(gòu)筑兩翼，全市自西向東發(fā)展為崖州區(qū)、天涯區(qū)、吉陽區(qū)和海棠區(qū)4個行政區(qū)；南北串聯(lián)山海，城市建設(shè)區(qū)由濱海地區(qū)逐漸朝內(nèi)陸腹地拓展。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

研究所用的主要數(shù)據(jù)為三亞市2004、2009、2014、2019年的Landsat系列遙感影像數(shù)據(jù)，因為精度只有30 m每像元，所以用高精度谷歌影像數(shù)據(jù)作為對比參照。其中2004年和2009年遙感影像數(shù)據(jù)為Landsat TM衛(wèi)星數(shù)據(jù)，2014年和2019年的遙感影像數(shù)據(jù)為Landsat8 OLI，數(shù)據(jù)均來自于地理空間數(shù)據(jù)云，并根據(jù)三亞市的矢量邊界做了影像裁剪處理。

在ENVI 5.3中，Landsat8數(shù)據(jù)使用456波段，Landsat TM數(shù)據(jù)使用345波段，各地物成像清晰，根據(jù)地物自身表現(xiàn)出的顏色和紋理等特征建立各地物的解譯標(biāo)志，主要利用目視解譯尋找樣本和影像監(jiān)督分類中的支持向量機方法進行圖像分類。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用分類和精度驗證 根據(jù)三亞市土地利用的特點，參考《土地利用現(xiàn)狀分類GB/T 21010-2017》國家標(biāo)準(zhǔn)和國家《生態(tài)環(huán)境遙感調(diào)查分類規(guī)范》，將研究區(qū)域的土地利用與土地覆蓋劃分為6類：林地、草地、水體、裸地、建設(shè)用地和耕地，得到研究區(qū)域2004、2009、2014、2019年4個時期的土地利用類型分類結(jié)果，如圖1所示。為了驗證分類的精度和可靠性，本研究采取混淆矩陣進行精度驗證，經(jīng)檢驗分類精度都在90%以上，以2019年為例，列出各分類精度的混淆矩陣(表1)。

表1 2019年三亞市土地分類精度混淆矩陣

1.3.2 土地利用變化軌跡分析 土地利用變化軌跡是研究各種土地利用類型相互轉(zhuǎn)換的主要方法之一。通過定量的方法，利用重分類和柵格計算，獲取4個時間節(jié)點的土地利用格局動態(tài)變化軌跡圖譜。通過數(shù)據(jù)處理，去掉不合理的、分類錯誤、面積小且無意義的軌跡，保留具有代表意義的變化軌跡，全面反映各類土地利用變化的結(jié)構(gòu)特征和轉(zhuǎn)移方向，對不同類型土地利用的演變過程進行相應(yīng)的分析。

1.3.3 城市擴張分析 將林地、水體、草地、裸地、耕地合并為非城市用地，在GIS中建立長寬均為500 m的漁網(wǎng)，將提取后的建設(shè)用地通過GIS的漁網(wǎng)功能，將建設(shè)用地占據(jù)每個小網(wǎng)格80%以上的網(wǎng)格提取出來，將形成的新的用地范圍設(shè)定為城市用地。將建設(shè)用地建立250、500、750、1 000、1 250 m的緩沖區(qū)范圍，形成的范圍內(nèi)為城市邊界。

1.3.4 景觀格局指數(shù)分析 景觀格局指數(shù)指能夠高度濃縮景觀格局信息，反映其結(jié)構(gòu)組成和空間配置某些方面特征的定量指標(biāo)。本研究在參考前人成果的基礎(chǔ)上結(jié)合三亞市的具體發(fā)展情況，選取斑塊水平指數(shù)的斑塊數(shù)目(NP)、斑塊密度(PD)、斑塊類型面積比(PLAND)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、邊緣密度(ED)5個指標(biāo)；景觀水平指數(shù)的斑塊密度(PD)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)、香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)和景觀鄰接度(IJI)5個指標(biāo)。通過各指數(shù)的計算，量化三亞市土地利用的時空分布特征及破碎化程度，各景觀指數(shù)的定義及計算公式詳見參考文獻[14-15]。利用 ArcGIS10.4軟件將研究區(qū)土地利用類型矢量圖轉(zhuǎn)化為柵格圖后，利用Fragstats4.2軟件對研究區(qū)2004、2009、2014、2019年的景觀格局進行動態(tài)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 三亞市土地利用面積變化

根據(jù)遙感解譯及土地利用類型分析，該研究區(qū)域主要土地利用類型為林地、草地、水體、裸地、建設(shè)用地和耕地6類(圖1)。由圖1可直觀看出，林地大量分布于三亞市北部和東南丘陵地帶，是最為廣泛的用地類型；耕地主要位于沿海地區(qū)的平原地帶，逐年減少，大部分演變?yōu)榻ㄔO(shè)用地；河流、湖泊與山地中的水庫相連，奔流向海。對比2004-2019年4個時期土地利用類型的面積變化(表2)，由表2可以看出，建設(shè)用地所占比例呈上升趨勢，15 a增加面積達30 928.71 km2,所占比例由2004年的4.39%上升到2019年的20.66%；林地面積降幅最大，達22 611.87 km2，由2004年的65.68%下降到2019年的53.74%；耕地面積下降同樣顯著，面積減少10 941.80 km2，比例下降5.77%；其余土地利用類型的變化幅度不大?？梢?5 a來三亞市的土地利用變化，主要為林地和耕地轉(zhuǎn)變成建設(shè)用地，建設(shè)區(qū)域的拓展占據(jù)了大量耕地，建設(shè)區(qū)向山區(qū)林地延伸。

表2 2004、2009、2014、2019年三亞市土地利用類型面積及其比例對比

2.2 三亞市土地利用變化軌跡分析

為了進一步研究三亞市土地利用類型轉(zhuǎn)化的方向，設(shè)置林地代碼為1，草地代碼為2，水體代碼為3，裸地代碼為4，建設(shè)用地代碼為5，耕地代碼為6，基于GIS技術(shù)繼續(xù)分析2004、2009、2014、2019年土地利用類型轉(zhuǎn)移情況。

根據(jù)分析可知，由耕地轉(zhuǎn)為其他用地類型的比例為41.48%，其中2014年轉(zhuǎn)為建設(shè)用地的占比達16.99%，是建設(shè)用地侵占耕地的高峰時期。耕地最終轉(zhuǎn)為建設(shè)用地和草地的占比分別為10.16%和9.65%，轉(zhuǎn)為其他用地后又恢復(fù)為耕地的占比為10.78%，可見2014年后三亞市采取了一定的措施使得耕地得到了修復(fù)。由表3分析可得，選取占比較高的前25種的轉(zhuǎn)化類型，占比為24.94%，排名在前的大部分為耕地轉(zhuǎn)為其他用地。由圖2可見，耕地的轉(zhuǎn)化集中在城區(qū)西部、中部和東部沿海平原地區(qū)，這與三亞市近年來城市化發(fā)展逐漸加快有關(guān)，占用了大量的耕地，用于城市建設(shè)和配套綠化。城市邊緣地區(qū)的鄉(xiāng)村建設(shè)也在一定程度上占用了周邊林區(qū)草地，滿足鄉(xiāng)村發(fā)展的需求。

圖2 三亞市土地利用類型轉(zhuǎn)化情況

表3 2004、2009、2014、2019年三亞市土地利用變化軌跡統(tǒng)計

2.3 三亞市城市擴張分析

城市擴張受自然和人文因素的影響。當(dāng)前城市擴張機制的研究主要針對土地利用轉(zhuǎn)變[16]，經(jīng)濟發(fā)展、人口增長和交通改善等都會對城市擴張產(chǎn)生影響[17-18]，而城市所處海拔、坡度等地形因子指引著城市擴張方向[19-20]。由圖3可見，2004年，三亞市的城區(qū)為西部的崖州區(qū)、中部的天涯區(qū)和東部的海棠區(qū)3個區(qū)域沿海分布的斑塊狀結(jié)構(gòu)，受到三亞北面山地影響，較少向山區(qū)延伸。2009-2014年，受海南省國際旅游島建設(shè)的拉動，三亞城市建設(shè)加速，由于沿海地區(qū)土地有限，全市建設(shè)范圍逐漸向坡度較緩的山區(qū)擴張。尤其是三亞中部的城市核心區(qū)天涯區(qū)，向山地區(qū)域的拓展力度非常大。到2019年，東西兩邊的城市也在不斷擴張，西部的崖州區(qū)建設(shè)范圍進一步向山區(qū)延伸，東部海棠區(qū)建設(shè)范圍一邊向北往山地縱向延伸，一邊沿海岸線橫向拓展，崖州、天涯和海棠區(qū)沿海岸線逐漸融合，形成了三亞市濱海連片的濱海帶狀城市結(jié)構(gòu)。

圖3 三亞市城區(qū)擴張情況

2.4 三亞市景觀格局變化分析

2.4.1 斑塊水平指數(shù)分析 由表4可以看出，三亞市的林地斑塊類型面積最大，遠遠大于其他土地利用類型，是研究區(qū)域存在的主要景觀類型。2004-2019年，林地的斑塊類型面積比(PLAND)均最大，且最大斑塊指數(shù)(LPI)也最大，說明林地的分布集中，但林地的最大斑塊指數(shù)(LPI)從56.28下降到39.82，可見受到了一定程度的干擾。2004-2019年，耕地斑塊類型面積比(PLAND)和最大斑塊指數(shù)(LPI)下降比重較大，而建設(shè)用地的斑塊類型面積比(PLAND)由原來的8.88上升到20.63，上升趨勢明顯，約等于耕地和草地的面積總和，斑塊主要集中在城市中心，并在山區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)一定的擴展趨勢。說明三亞市的林地、耕地和建設(shè)用地斑塊類型發(fā)生了巨大的變化。2019年，建設(shè)用地的邊緣密度(ED)最大，說明建設(shè)用地的變化對研究區(qū)域內(nèi)其他用地類型有重要的干擾作用。在斑塊數(shù)目(NP)和斑塊密度(PD)中，建設(shè)用地均先降后升，可見三亞市先是集中發(fā)展中心城區(qū)，到一定程度后，逐漸向外擴張，說明城市化建設(shè)過程中，景觀的破碎化程度逐漸增加，對周圍其他土地利用類型的影響增大。由此可見，三亞市的城市化建設(shè)使得其他景觀分布更加分散破碎化，而建設(shè)用地逐漸變得密集。

表4 2004、2009、2014、2019年三亞市斑塊水平指數(shù)

2.4.2 景觀水平指數(shù)分析 由表5可以看出，從2004-2019年，三亞市斑塊密度(PD)由6.46上升到9.18，說明景觀破碎化程度在增加；景觀形狀指數(shù)(LSI)由51.05上升到62.39，說明各景觀類型的邊緣景觀形狀越來越復(fù)雜，不同景觀類型之間相互融合的面積越來越多；景觀鄰接度(IJI)和香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)變化不大，說明三亞市在以林地為主的景觀類型中，整體的變化不大；香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)增加表現(xiàn)在平原地區(qū)的景觀類型發(fā)生了變化，各斑塊類型在景觀中逐漸趨于均勻分布。15 a的發(fā)展，人類的各種活動與干擾，使得三亞市的景觀指數(shù)逐漸變得均衡，景觀的異質(zhì)性增加，有利于整個城市生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

表5 2004、2009、2014、2019年三亞市景觀水平指數(shù)

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

林地、耕地、建設(shè)用地是三亞市的優(yōu)勢景觀。2004-2014年受城市建設(shè)的影響，大量耕地轉(zhuǎn)換為其他用地類型，主要以建設(shè)用地為主，在2014年后耕地得到部分修復(fù)。三亞市2004-2019年景觀類型變化的驅(qū)動因素主要是旅游業(yè)和房地產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，快速城市化進程中的土地開發(fā)過熱。

2004年之前，三亞市東部、中部和西部城市建設(shè)區(qū)域相對獨立，其后城市的發(fā)展逐漸沿濱海區(qū)橫向、朝北部山地縱向拓展，逐漸形成了崖州、天涯和海棠3個區(qū)域鏈接成片的城市格局。2004-2019年三亞市景觀破碎化程度增加，影響因素是全市范圍內(nèi)的城鄉(xiāng)建設(shè)力度加大，形成一個個小的建設(shè)區(qū)域，人類活動干擾不斷加強。這一時期全市景觀多樣性的提高是林地、耕地面積減少而建設(shè)用地增加導(dǎo)致的結(jié)果。

從三亞市目前的發(fā)展趨勢來看，城市建設(shè)區(qū)的無序擴張有阻斷三亞市山海相連生態(tài)格局的風(fēng)險。要優(yōu)化三亞的城市生態(tài)格局，首先必須嚴控生態(tài)紅線，保護自北向南由山地延伸向大海的生態(tài)廊道；其次需要合理地規(guī)劃城市建設(shè)，集約使用土地，維持大型林地斑塊及廊道的完整性，加大物種的生存空間，增強三亞市整體的環(huán)境質(zhì)量；最后需要在建成區(qū)盡量保留或增加一些生態(tài)斑塊和廊道，形成系統(tǒng)化的城市綠地空間格局，維持和保護生物多樣性。

3.2 討論

3.2.1 人口和經(jīng)濟影響分析 2004-2019年三亞市常住人口由51.50萬增長至98.85萬，增長91.94%。人口快速增長主要是由于三亞社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，特別是旅游和房地產(chǎn)行業(yè)的快速發(fā)展，吸引了來自全國各地的流入人口。人口快速增長與有限的土地資源產(chǎn)生矛盾，加速了研究區(qū)內(nèi)林地、耕地等向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)換過程。數(shù)據(jù)顯示，2004-2019年三亞市人均GDP從13 217.00元增長到87 105.00元，與此同時，建設(shè)用地面積由2004年的8 348.16 km2增長到2019年的39 276.87 km2,比例由原來的4.39%增加到20.66%，主要由林地和耕地轉(zhuǎn)換而來。由此可見，人口增長、社會經(jīng)濟發(fā)展、區(qū)域資源開發(fā)利用強度加劇等因素影響著三亞市的土地利用方式，林地、耕地、建設(shè)用地受其影響最為顯著。

3.2.2 產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)影響分析 三亞市的土地利用變化主要為城區(qū)周邊的耕地和林草地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，用于城市配套建設(shè)、產(chǎn)業(yè)園區(qū)發(fā)展以及鄉(xiāng)村建設(shè)等。有學(xué)者認為城市建設(shè)占用大量耕地且利用和保護力度不足，降低了土地使用效率的同時也破壞了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)[21-22]，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整是農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生轉(zhuǎn)變的主要因素[23]。第一產(chǎn)業(yè)以耕地和林地的利用為主，第三產(chǎn)業(yè)以建設(shè)用地的利用為主，三亞市的3大產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)由2004年的27.5∶21.9∶50.5調(diào)整為2019年的10.5∶16.6∶72.9，第一產(chǎn)業(yè)下降16.9%，第三產(chǎn)業(yè)上升22.4%[24]。這與耕地、林地的減少和建設(shè)用地的增加相對應(yīng)，可見產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的大幅度變化對土地利用類型的變化具有顯著的影響。

3.2.3 政策導(dǎo)向影響分析 政策引導(dǎo)和城市總體規(guī)劃指引城市擴張方向，直接影響城市空間格局的變化?！度齺喪谐鞘锌傮w規(guī)劃(2011-2022年)》提出要構(gòu)筑“一城三灣、三脊五鎮(zhèn)”的帶狀組團式空間結(jié)構(gòu)[25]。從城市擴張的分析中可見三亞市形成以三亞灣中心城區(qū)為核心，以崖州、海棠次中心城區(qū)為主體，以北拓的方式不斷向山區(qū)發(fā)展，形成“山海相連，指狀生長”的城市空間格局?！度齺喪小笆濉眹窠?jīng)濟與社會發(fā)展規(guī)劃綱要》提出“一環(huán)兩楔多點”的生態(tài)體系，在山區(qū)腹地建設(shè)多個各具特色的產(chǎn)業(yè)小鎮(zhèn)，輻射帶動鄉(xiāng)村地區(qū)發(fā)展[26]。因此出現(xiàn)了山區(qū)點狀擴張現(xiàn)象，使得三亞城市生態(tài)斑塊數(shù)目增加，斑塊密度、形狀指數(shù)和香農(nóng)均勻度指數(shù)增大，斑塊逐漸趨于破碎化?？梢?，政策的實施是推動三亞市土地利用轉(zhuǎn)變的重要因素。

3.2.4 未來研究方向 本研究利用遙感影像對三亞市的土地利用變化和景觀格局變化進行分析，相比前人的研究，運用土地利用變化軌跡能夠更直觀了解各區(qū)域的土地利用變化情況，有助于分析土地利用變化的原因及改進措施；城市擴張與景觀格局變化的研究能夠更加精準(zhǔn)地掌握城市發(fā)展的方向和存在的問題，對土地利用的合理規(guī)劃和城市的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。未來可根據(jù)長時間系列影像和預(yù)測模型，分析在政策引導(dǎo)、國土空間規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、城鎮(zhèn)化建設(shè)、人口轉(zhuǎn)移等多項措施下的城鄉(xiāng)土地利用變化趨勢，繼續(xù)深入量化研究各個因素對土地利用變化過程中的相對貢獻，并分析其變化趨勢的不確定性，對海南省國土空間規(guī)劃及政策實施具有重要意義。