论文推荐｜荆州土地利用变化及其对生境质量影响的景观指数分析

土地利用变化是人类活动对自然环境的最直接和最重要的影响之一，它不仅改变了地表的物理形态，也影响了生态系统的结构和功能，进而影响了生物多样性和生态安全。生境质量是指生境对于维持生物种群和群落的适宜程度，是评价生物多样性和生态系统健康状况的重要指标。因此，研究土地利用变化对生境质量的影响，对于揭示人类活动与自然环境之间的相互作用机制、制定合理的土地利用规划和生态保护政策具有重要的理论意义和实践价值。

目前，国内外关于土地利用变化对生境质量影响的研究已经取得了一些成果。从方法论上，研究者们运用了多种方法来评价生境质量，如景观指数、生境适宜性模型、生态位模型、生态网络分析等，从不同角度和层次反映了生境质量的特征和变化；从实证研究上，研究者们以不同区域和尺度为对象，分析了土地利用变化对生境质量的影响程度和方向，发现土地利用变化通常导致生境质量的下降、破碎化和异质化，并且影响因素存在着复杂的非线性关系。但是，现有的研究仍然存在一些不足之处，主要表现在以下几个方面：

①评价方法上，大多数研究只使用了单一或少数几种方法来评价生境质量，缺乏对不同方法之间优劣和适用性的比较和综合；

②影响因素上，大多数研究只考虑了自然或社会经济因素中的一部分或某一类别，忽略了不同因素之间的交互作用和协同效应；

③研究对象上，大多数研究只关注了某一特定类型或区域的生境质量问题，缺乏对不同类型或区域之间差异和联系的分析。

基于上述分析，笔者以荆州市为例，选择1980—2018年为研究时段，以遥感影像、土壤类型图、夜间灯光数据等为数据源，以景观指数、生境质量指数、地理探测器等为评价方法，探讨荆州市土地利用变化的时空格局、生境质量的时空变化规律及其影响因素，以期为优化土地资源配置、促进生态文明建设和提高生境质量提供科学依据。

分析1980—2018年荆州市土地利用变化对生境质量的影响。

采用景观指数、生境质量指数和地理探测器等方法，计算景观指数和生境质量指数，评估荆州市生境质量的等级和变化趋势，探讨自然和社会经济因素对生境质量的影响程度和方向。荆州市地理位置如图1所示。

图1 荆州市地理位置

◆土地利用变化特征

该研究利用景观指数和土地利用转移矩阵，分析1980—2018年荆州市土地利用变化特征。结果表明，荆州市土地利用类型发生了明显的变化，主要体现在以下几个方面：

（1）建设用地大幅扩张，耕地大量减少。从表1可以看出，建设用地面积从1980年的1.23万km²增加至2018年的3.56万km²，增长了189.43%；耕地面积从1980年的2.77万km²减少至2018年的1.95万km²，减少了29.60%。这种变化导致土地资源的紧缺和生态环境的恶化。其他土地利用类型也发生了不同程度的变化，如林地、草地、水域等。

（2）土地利用类型的空间分布发生了明显的变化。从图2可以看出，建设用地主要集中在长江和汉江沿岸的城市圈内，以及一些交通干道沿线，呈现出由中心向外扩散的趋势；耕地主要分布在江汉平原和洞庭湖平原，呈现出由外向内减少的趋势；林地主要分布在西部的巴东山区和南部的长江中下游丘陵山区，呈现出由高海拔向低海拔减少的趋势；草地、水域分布较为稀疏和零散，变化不明显。

图2 荆州市土地利用类型的空间分布

（3）土地利用类型发生了大量的转移。从表2可以看出，耕地是最主要的转出类型，共有2.1万km²的耕地转为其他类型，主要是建设用地（1.0万km²）和林地（0.7万km²），还有0.3万km²的耕地转为草地，0.1万km²的耕地转为水域。建设用地是最主要的转入类型，共有1.8万km²的其他类型转为建设用地，主要是耕地（1.0万km²）和林地（0.6万km²），还有0.2万km²的草地转为建设用地。林地既是转出类型又是转入类型，共有1.3万km²的林地转为其他类型，主要是建设用地（0.6万km²）和耕地（0.4万km²）；同时也有1.1万km²的建设用地转为林地，还有0.7万km²耕地和0.2万km²草地转为林地。草地的转移量较小，共有0.4万km²的草地转为其他类型，主要是林地（0.2万km²）和建设用地（0.2万km²）。水域的转移量最小，共有0.3万km²的水域转为其他类型，主要是林地（0.2万km²）。

（4）土地利用景观发生了明显的破碎化、多样化、均匀化过程。从表3可以看出，景观破碎度指数从1980年的1.32增加至2018年的1.76，增长了33.33%，表明土地利用类型的斑块数量增加，形状复杂度增加，边界长度增加，斑块之间的隔离程度增加；景观多样性指数从1980年的1.58增加至2018年的1.82，增长了15.19%，表明土地利用类型的种类和数量增加，景观组成更加复杂和丰富；景观均匀度指数从1980年的0.69增加至2018年的0.77，增长了11.59%，表明土地利用类型的分布更加均衡和平衡。

◆生境质量变化趋势

该研究利用生境质量指数和生境质量斑块分析了1980—2018年荆州市生境质量变化的趋势。结果表明，荆州市生境质量总体较好，但呈下降趋势，且存在一定的破碎化、多样化、均匀化现象。具体如下：

（1）生境质量指数呈下降趋势，2010年后下降速度减缓。1980—2018年荆州市生境质量指数从0.72降至0.67，下降了6.94%，其中1980—2010年下降了5.56%，2010—2018年下降了1.49%（图3）。这表明荆州市在经济发展和城市化进程中对生态环境造成了一定的压力和影响。

图3 1980—2018年荆州市生境质量指数变化

（2）生境质量斑块趋于破碎化、多样化、均匀化。从表4可以看出，1980—2018年荆州市生境质量斑块数量从1124个增加至1497个，增长了33.19%，表明生境质量斑块被切割和隔离；生境质量斑块形状复杂度从1.12增加至1.28，增长了14.29%，表明生境质量斑块边界更加曲折和不规则；生境质量斑块多样性指数从2.02增加至2.21，增长了9.41%，表明生境质量斑块种类和数量增加；生境质量斑块均匀度指数从0.81增加至0.86，增长了6.17%，表明生境质量斑块分布更加平衡。

◆生境质量影响因素

该研究利用地理探测器分析了影响荆州市生境质量分布的主要因素。结果表明，建设用地面积、高程、夜间灯光亮度、土壤类型、坡度、人口密度、GDP和收入水平是影响荆州市生境质量分布的关键因素，其探测力值从大到小依次为建设用地面积（0.67）、高程（0.59）、夜间灯光亮度（0.56）、土壤类型（0.54）、坡度（0.52）、人口密度（0.49）、GDP（0.47）和收入水平（0.45）。这些因素共同作用决定了荆州市生境质量的空间分布格局。与1980年相比，2018年影响荆州市生境质量分布的主导因素由高程变为建设用地面积，表明人类活动的位置与强度对生境质量的演变起了决定性的作用。同时，夜间灯光亮度、人口密度、GDP、收入水平等社会经济因素的探测力值也有所提高，表明社会经济发展对生态环境的压力和影响也在增加。具体如下：

（1）建设用地面积对生境质量的作用是负相关的，即建设用地面积越大，生境质量越低。这是因为建设用地的扩张会占用和破坏原有的自然生态系统，导致生物多样性下降，生态服务功能下降，生态风险增加。

（2）高程对生境质量的作用是正相关的，即高程越高，生境质量越高。这是因为高海拔地区一般人口稀少，自然资源丰富，自然环境相对完好，受人类活动的干扰较小。

（3）夜间灯光亮度对生境质量的作用是负相关的，即夜间灯光亮度越高，生境质量越低。这是因为夜间灯光亮度可以反映城市化程度和人类活动强度，夜间灯光会造成光污染和能源消耗，影响动植物的生理节律和行为模式，破坏自然景观和天文观测。

（4）土壤类型对生境质量的作用是正相关的，即土壤类型越肥沃，生境质量越高。这是因为土壤类型可以反映土地肥力和植被覆盖情况，肥沃的土壤可以支持更多的植物种类和数量。

（5）坡度对生境质量的作用是负相关的，即坡度越大，生境质量越低。这是因为坡度可以反映地形起伏和水土流失情况，坡度越大，地形越险峻，水土流失越严重，土地退化越严重。

（6）人口密度、GDP、收入水平等社会经济因素对生境质量的作用也是负相关的，即这些因素越高，生境质量越低。这是因为这些因素可以反映人口规模和经济活动的水平，这些因素越高，人类对自然资源的需求和消耗越大，对生态环境的破坏和污染越大。

◆生境质量空间分布

该研究利用空间插值和空间自相关分析，揭示了1980—2018年荆州市生境质量的空间分布特征。结果表明，荆州市生境质量总体上从西部向东部下降，沿江沿湖地区生境质量下降明显。荆州市生境质量存在着明显的空间正相关性，即相邻地区的生境质量相似性较高。同时，荆州市生境质量也存在着一定的空间异质性，即不同地区的生境质量差异较大。具体如下：

（1）根据空间插值的结果（图4），荆州市生境质量总体上从西部向东部下降，沿江沿湖地区生境质量下降明显。1980年，荆州市生境质量最高的区域是西部的巴东山区和南部的长江中下游丘陵山区，生境质量指数均在0.8以上；生境质量最低的区域是东部的江汉平原和洞庭湖平原，生境质量指数均在0.6以下；中部地区生境质量指数在0.6~0.8。2018年，荆州市生境质量最高的区域仍然是西部的巴东山区和南部的长江中下游丘陵山区，但生境质量指数有所下降，均在0.7~0.8；生境质量最低的区域扩大到了沿江沿湖地区，包括荆州市主城区、公安县、松滋市等地，生境质量指数均在0.5以下；中部地区生境质量指数也有所下降，均在0.5~0.7。

图4 荆州市生境质量空间插值

（2）根据空间自相关分析的结果，Z值为5.28,荆州市生境质量存在着显著的空间正相关性，即相邻地区的生境质量相似性较高。1980和2018年，荆州市生境质量的全局Moran’s I指数均为0.22，均显著高于0，表明荆州市生境质量呈现出聚集分布的特征（图5）。同时，荆州市生境质量也存在着一定的空间异质性，即不同地区的生境质量差异较大，1980和2018年荆州市生境质量的局部Moran’s I指数均为-0.3~0.3，表明荆州市生境质量呈现出高—高、低—低、高—低、低—高等不同类型的空间关联模式（图6）。

图5 荆州市生境质量Moran’s I指数

图6 荆州市生境质量空间自相关

（1）荆州市土地利用类型发生了明显的变迁，主要表现为建设用地的快速扩展和耕地的大幅减少，造成土地资源的缺乏和生态环境的退化。这表明城市化进程是引起土地利用变迁的主要驱动力之一。城市化进程不仅影响了土地覆被类型和空间分布，也影响了土地功能和服务价值，从而影响了生物多样性和生态系统健康。因此，控制与规范城市建设用地，保护与增加耕地资源，是优化土地资源配置、推动生态文明建设的重要任务。

（2）荆州市生境质量整体较高，但呈现出递减的趋势，2010 年后下降速度有所放缓；生境质量斑块呈现出破碎化、多样化、均匀化的特征。这表明荆州市土地利用变迁对生境质量产生了负面影响，导致生物多样性的减少和生态系统服务的降低。然而，由于荆州市自然条件较好，具有较高的生态潜力和恢复能力 ，因此，生境质量下降的幅度和速度相对较小。这一结果也表明荆州市在城市化进程中采取了一些有效的生态保护和修复措施，如实施退耕还林还草工程、建设湿地公园和绿色走廊等，从而缓解了土地利用变迁对生境质量的影响。

（3）影响荆州市生境质量分布和演变的主要因素包括建设用地面积、高程、夜间灯光亮度、土壤类型、坡度、人口密度、GDP，主导因素由高程转变为建设用地面积。自然因素决定了生境质量的基本格局，人类活动的位置与强度导致生境质量的变化。这一结果揭示了人类活动与自然环境之间的相互作用机制，为制定合理的土地管理和保护措施提供了科学依据。该研究采用了地理探测器方法来探测各种因素对生境质量的影响程度和作用方式，以及不同因素之间的相互作用和影响程度。这一方法具有较高的灵活性和适用性，可以处理多种类型和尺度的数据，可以反映非线性和非单调的关系，可以量化交互作用和协同效应。

该研究对于理解土地利用变迁对生境质量影响机制、优化土地资源配置、推动生态文明建设、提升生境质量等方面有以下几个方面的启示和价值：

①该研究提供了一种综合运用景观指数、生境质量指数、地理探测器等方法，从多角度、多层次、多尺度地评价和探讨生境质量的时空变化规律和影响机制的研究框架，为其他类似区域的研究提供了借鉴。

②该研究针对不同区域和类型的生境质量问题，提出了具体的保护与修复措施，如优先对生境质量降低的沿江沿湖地区进行生态修复，控制与规范城市建设用地，加强城市绿色空间建设，构建海绵城市等，为制定合理的土地管理和保护政策提供了参考。

③该研究反映了荆州市作为一个具有代表性的中部地区城市，在城市化进程中土地利用变迁对生境质量的影响及其影响因素，为荆州市优化土地资源配置、推动生态文明建设、提高生境质量提供了科学依据。