唐源远，沈守云，陆 禹，詹 文，袁 滔

（1.中南林业科技大学 风景园林学院，湖南 长沙 410004；2.湖南省建筑科学研究院，湖南 长沙 410011；3.国家林业和草原局 中南调查规划设计院，湖南 长沙 410011）

景观格局由空间中形状、大小、功能不一的斑块镶嵌形成，是生态过程相互作用的结果，同时反作用于生态过程[1-3]。随着人类社会快速发展，生态系统正以远超以往的速度发生改变，景观格局变化剧烈[4]，进而反馈产生生态功能退化[5-6]、城市热岛效应[7]、土地污染[8]等环境问题。基于景观格局与生态过程相互作用机制，分析特定区域景观格局特征，从无序的斑块镶嵌中挖掘潜在的生态发展规律[1]，成为当今研究生态保护与区域协调发展的热点。景观格局的研究方法有定性描述、定量分析、生态叠置等[2]，随着“3S”技术快速发展，基于空间信息获取的定量分析成为景观格局研究的主要方法，包括景观数量变化、空间转移、数学模型分析等[9-13]。目前关于景观格局动态变化的研究多集中在湿地保护[9-10]、生态评价[1,14]、景观格局优化[3,15]、区域发展规划[16]等方面，针对林地景观动态变化的研究相对较少。森林是陆地上最大的生态系统，发挥重要生态服务功能[17]，对维持生态系统平衡至关重要[18]。

长株潭生态绿心（以下简称生态绿心）位于长株潭城市群中心位置，包含石燕湖省级森林公园、湘潭昭山省级森林公园、昭山风景名胜区和石峰九郎山省级森林公园4 个自然保护地，生态服务功能十分重要，是实现长株潭地区经济社会协调发展的基础[19]。随着长株潭地区经济社会快速发展，人类主要活动区域正不断深入生态绿心内部，景观格局正发生剧烈变化，急需揭露生态系统现状与变化趋势，指导生态绿心生态保护，保障长株潭地区生态安全。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

生态绿心位于长沙市、株洲市和湘潭市交界处，介于112°53′32″～113°17′42″E，27°43′29″～28°05′55″N。东至浏阳市镇头镇，南至湘潭县易俗河镇，西至长沙市区白泉乡，北至长沙市区洞井街道，总面积52 788.65 hm2（图1）。境内地形以丘陵为主，相对高差200 m。气候为亚热带季风气候，降水充沛，雨热同期，四季分明，年平均气温17.2℃，年均降水量1 362 mm，植被类型以亚热带常绿阔叶林为主。湘江由南向北贯穿其中，水资源丰富，土壤以红壤、水稻土为主。生态绿心属于我国重要的农产品生产区，景观类型以林地和耕地为主，同时南北两侧城市建成区不断渗透，对生态系统造成了强烈干扰。生态绿心范围包含石燕湖省级森林公园、湘潭昭山省级森林公园、昭山风景名胜区和石峰九郎山省级森林公园4个自然保护地，生态区位重要，生态服务功能显著。

图1 研究区地理位置Fig.1 Geographical location of study area

1.2 数据来源及处理

基础数据为湖南省建筑设计院提供的2003、2008、2013、2018年4 期长株潭三市土地利用变更矢量数据。在Arcgis 10.3 软件中利用大地2000坐标根据2018年遥感影像配准四期矢量数据，参照《土地利用现状分类（GB/T21010-2017）》将地类归并为林地、园地、草地、耕地、水域、交通运输用地、建设用地和其他用地8 种一级景观类型。对林地景观进行二级分类，优势树种分为灌木组、果树组、马尾松组、杉木组、慢生阔叶树组、中生阔叶树组、速生阔叶树组、竹类；森林类别分为重点公益林、一般公益林、重点商品林、一般商品林；起源分为天然和人工；林种分为水源涵养林、水土保持林、环境保护林、风景林、一般用材林、果树林、其他经济林。4 期林地景观分类统计情况见表1。为表现各期林地景观数量变化，将2003—2008年设定为Ⅰ期、2008—2013年为Ⅱ期、2013—2018年为Ⅲ期。

表1 4 期林地景观分类统计Table 1 Statistics of woodland landscape classification in the four phases

1.3 景观类型转换及驱动因子分析

利用空间叠加分析构建景观转移矩阵，确定各期地类景观类型转换的面积与方式，进而分析林地景观转换特点与趋势。从自然因素和人为干扰两方面考虑温度、湿度、降水量、总人口、城镇人口、农村人口变化与景观类型以及景观类型之间面积变化的相关性，探索导致林地景观类型面积变化的主要驱动因子[2,4-5,9]。4 期驱动因子基础数据见表2。

表2 4 期驱动因子基础数据Table 2 Basic data of drive factor in the four phases

相关性采用SPSS 软件进行皮尔逊相关性分析，地类景观类型面积变化分析的基本表达式如式（1）所示[10]。

式（1）中，Sij为地类景观在初期和末期的面积变化状态；n为地类景观种类数；向量为各地类景观面积。

1.4 景观类型空间特征变化分析

将2003、2008、2013、2018年4 期林地景观由矢量数据转换为分辨率为10 m 的栅格数据。在Fragstats 4.2 软件中分别计算各期林地景观的景观格局指数，分析林地景观类型空间特征变化。景观格局指数包括斑块密度（PD）、边缘密度（ED）、平均斑块面积（AREA_MN）、周长面积分维数（PAFRAC）、连通性（CONNECT）、景观类型分维数（DVISION）、聚合度（AI）7 个。斑块密度反映景观的优势度，与平均斑块面积结合反映景观的破碎化程度；边缘密度反映斑块的形状；周长面积分维数反映景观受干扰的程度；连通性反映同类景观斑块空间连接概率；景观类型分维数反映景观的空间分离程度；聚合度反映同类景观斑块共边特征[20]。

2 结果与分析

2.1 景观格局现状

2018年长株潭生态绿心以林地景观为主，面积22 542.29 hm2，占区域总面积的42.70%，主要分布在区域中部和东部，与耕地相互交错，形成了长株潭生态绿心生态系统的基底。2018年林地景观分类统计见表1。从优势树种来看，慢生阔叶树组面积最大，其次为果树组、灌木组、杉木组，其他优势树种数量较少。生态绿心中部分布有石燕湖省级森林公园、湘潭昭山省级森林公园和石峰九郎山省级森林公园3 个自然保护地，森林景观保存相对完好，以阔叶混交林为主，慢生阔叶树组主要分布在该区域；果树组集中分布在区域东部，该区域距离城市较远，地形起伏变化大，丘陵分布密集，土层深厚，适合发展以油茶为主的果树组产业；灌木组主要分布在区域北部耕地周边，为受到人为干扰而原生植被破坏形成的灌木；杉木组主要分布在区域中南部非林地周边，为木材生产基地。

从森林类别来看，公益林面积最大，占林地面积的69.06%，其中主要为一般公益林，面积11 428.21 hm2，占公益林总面积的73.41%；重点公益林面积4 138.88 hm2，占公益林总面积的26.59%；商品林占林地面积的30.94%，其中主要为一般商品林，面积4 963.91 hm2，占商品林总面积的71.17%；重点商品林面积2 011.29 hm2，占商品林总面积的28.83%。

从起源来看，人工林占林地面积的55.61%，主要分布在生态绿心的中部外围，建设用地和耕地周边，交通条件便利，以果树组、灌木组、杉木组、马尾松组为主；天然林占林地面积的44.39%，主要是慢生阔叶树组。

从林种来看，特殊用途林和防护林占比较大，主要分布在生态绿心的中部区域。特殊用途林主要包括风景林5 588.72 hm2，占林地面积的24.79%；环境保护林3 266.38 hm2，占林地面积的14.49%；防护林主要包括水源涵养林4 419.73 hm2，占林地面积的19.61%；水土保持林2 349.02 hm2，占林地面积的10.42%。其余林种以一般用材林为主，主要分布在建设用地周边。

2.2 景观格局时空变化

由图2可知，相比2003年，2018年生态绿心的林地景观总面积减少了441.64 hm2，减少率1.92%。林地景观减少面积最大的是2008—2013年，减少206.53 hm2，占减少总面积的46.76%；相比2013年，2018年林地景观减少157.91 hm2，占减少总面积的35.76%；相比2003年，2008年林地景观减少77.20 hm2，占减少总面积的17.48%。林地景观总体呈现快速下降的趋势，先加速减少，后减少速度减缓，非线性的减少速率反映出复杂的影响因素及变化过程。

图2 4 期林地景观面积变化折线图Fig.2 Changes of forest land landscape area in four periods

从优势树种来看（表3），相比2003年，2008年除马尾松组和竹类之外，其余林地景观类型面积均减少，减少最多的为慢生阔叶树组，减少面积45.38 hm2；其次为果树组，减少17.73 hm2；速生阔叶树组减少面积次之，为15.54 hm2；马尾松组面积明显增加，为10.18 hm2。相比2008年，2013年各类林地景观面积均减少，其中减少最多的三类景观与上期相同，分别为慢生阔叶树组117.93 hm2、果树组24.49 hm2、速生阔叶树组17.44 hm2，慢生阔叶树组、灌木组和杉木组减少面积明显增加。相比2013年，2018年除灌木组、果树组和杉木组有少量增加外，其他林地景观面积均减少，其中慢生阔叶树组、马尾松组和速生阔叶树组减少面积较多，分别减少131.82、16.20、7.76 hm2。慢生阔叶树组在各期减少面积均最大，且减少面积逐渐增加，主要是其分布面积最大，在地类转换中所占比例最大。中生阔叶树组和速生阔叶树组各期均减少，但在2013年后减少速率降低。马尾松组先增加后减少，灌木组、果树组、杉木组先减少后少量增加，可能与生产经营活动和发展政策有关。

从森林类别来看（表3），相比2003年，2008年各类森林减少数量相差不大，其中一般公益林减少面积最多，为27.11 hm2；重点公益林减少面积最小，为12.05 hm2。相比2008年，2013年各类森林减少数量差异明显，一般商品林减少面积最多，为130.76 hm2；重点公益林减少面积为0。相比2013年，2018年一般商品林减少面积最大，为95.44 hm2；重点商品林减少面积最小，仅0.03 hm2。综合各期来看，一般商品林减少面积最大，一般公益林次之，重点商品林减少面积最小。这可能与森林分类管理和森林类别数量有关。公益林相比商品林管理更严格，且开发利用往往难度较大，规划的建设项目尽可能避开公益林，因此公益林减少数量相比商品林较少，一般商品林总面积不大，但减少面积最多。重点商品林现有基数小，且多为具备景观功能和涵养水源功能的兼用林，转换为其他景观的可能性相对较低。一般公益林现有基数大，转换为其他景观的可能性相对较高。重点公益林的减少数量先减少后增加，在目前严格的管理制度下可能是公益性项目建设导致，比如高速公路、铁路建设等。

表3 各类林地景观面积减少分类分期统计Table 3 Statistics of various forest landscape area reduction hm2

从起源来看（表3），各期天然林减少面积均高于人工林。相比上一期数据，2013年和2018年两期天然林减少较大，结合天然林与人工林的经营管理制度，可能与实施的项目性质有关。

从林种来看（表3），相比2003年，2008年各类林种减少面积相差不大，一般用材林减少面积最多，为27.32 hm2；其他经济林减少面积最少。相比2008年，2013年各类林种减少面积差异增大，一般用材林减少面积最多，为126.66 hm2；水土保持林减少面积仅0.27 hm2。相比2013年，2018年各类林种减少面积差异最大，一般用材林减少面积最多，为195.58 hm2；果树林减少面积仅0.28 hm2。各类林种发挥的功能和作用不同，防护林主要发挥生态防护功能，在生态建设大背景下管理严格，用材林和经济林等相对更容易被征占用，因此一般用材林减少面积最多，而水源涵养林和水土保持林减少面积较少。果树林和其他经济林现有基数较小，减少面积较少。

2.3 景观类型转换及驱动因子分析

从景观转移矩阵来看（表4），林地除了草地之外的地类景观均有转移，主要转变为建设用地，交通运输用地次之，二者占林地景观转换的83.68%，反映出生态绿心林地景观的减少主要由土地开发建设导致。相比上一期数据，2013年和2018年，林地中分别有169.30 和109.34 hm2转换为建设用地，相比2008年之前增加明显。对比4期地类数据，2013年生态绿心北部的城镇建设用地快速增加，而这一时期该区林地景观迅速减少，多转换为城镇建设用地，这与长株潭地区城镇发展是一致的。2008年长株潭城市群作为我国中部经济社会发展新的制高点进入快速发展时期，城镇化进程加快，其中以房地产业尤为突出。Ⅱ期生态绿心北部属于长沙城区的部分由于土地开发利用，建设了大面积居民区，占用了本属于城镇周边的林地和耕地。党的十八以来，高度重视生态文明建设，生态环境得到保护，城镇扩张得到一定控制，Ⅲ期城镇建设用地占用林地相应减少，主要是生态绿心中的农村宅基地和交通运输用地的增加导致林地景观减少。2010年前后，长株潭地区转变了发展理念和发展方式，持续加快交通运输干线建设，城际铁路、芙蓉大道、长昆高铁、沿江北路等交通干线相继动工，生态绿心中交通运输用地迅速增加，交通运输条件不断完善，相应的建设用地增加速度有所降低。

表4 2003—2018年景观类型转移矩阵Table 4 Landscape type transfer matrix from 2003 to 2018 hm2

由表5可知，2008、2013、2018年矢量数相比上一期，均有林地转换为耕地，表明耕地在不断蚕食占用林地，其中以Ⅱ期最多。研究时段内，耕地面积减少明显，主要转换为建设用地和交通运输用地，转换为林地较少，主要在退耕还林政策推动下产生。地类之间的转换表明，耕地和林地是建设用地和交通运输用地增加的主要来源，而林地又转换为耕地，因此林地是土地开发利用的最终来源，必须加强林地监管与保护。

从优势树种来看（表5），建设用地主要由慢生阔叶树组和果树组转换而来，相比上一期，慢生阔叶树组在2013年主要转换为城镇建设用地和交通运输用地，在2018年主要转换为农村宅基地和交通运输用地；相比2003年，2013年果树组主要转换为农村宅基地。速生阔叶树组和马尾松组主要转换为农村宅基地和交通运输用地。

从森林类别来看（表5），2008年之前建设用地占各类森林的情况均有，在2008年后主要占用一般商品林和一般公益林。重点公益林在2008年后占用较少，主要是交通运输用地占用。

从起源来看（表5），建设用地主要占用天然林，这些林地多为天然萌生的马尾松和栎灌，主要位于道路两侧和城镇及村镇周边。相比上一期，2013年以城镇建设用地为主，2018年以农村宅基地和交通运输用地为主。

从林种来看（表5），建设用地主要占用一般用材林，相比上一期，2013年以城镇建设用地占用一般用材林较多，2018年占用量有所降低。交通运输用地主要占用一般用材林和风景林，其中2018年主要占用风景林。

表5 各期景观类型转移统计Table 5 Landscape type transfer statistics for each phase hm2

由表6可知，林地面积变化与耕地面积变化正极显著相关，与其他用地面积变化负极显著相关，与人口数量、温度、建设用地和交通运输用地面积变化负显著相关。林地面积变化趋势与耕地一致，二者均为土地开发利用的主要资源，随着城区扩张和农村建设用地增加而减少。同时，建设用地和交通运输用地的增加引起区域人口数量的增加，二者存在因果关系，因此林地与区域人口数量负显著相关。随着建设用地、交通运输用地的增加和人口数量的增多，相应配套的其他用地数量相应增加，因此其他用地与林地负极显著相关。由于建设用地、交通运输用地和人口数量增加，导致局部区域产生热岛效应、汽车尾气排放量增加等问题，同时林地数量减少，生态绿心生态系统的大气调节功能相对降低，这些可能是引起生态绿心的温度逐渐上升、湿度逐渐降低的原因之一。

表6 景观类型面积变化驱动因子相关性†Table 6 Correlation of landscape type area variation

总体来看，长株潭生态绿心林地景观格局变化主要是土地开发利用活动引起的。经济社会发展和人口数量增加引起建设用地、交通运输用地和其他用地面积增加，进而导致区域小气候变化，温度升高、湿度下降，大面积林地和耕地被占用。由此可见，人为干扰是长株潭生态绿心林地景观格局动态变化的主要驱动因素。

2.4 空间特征变化分析

根据表7可知，林地的斑块密度增加、平均斑块面积降低，表明林地景观趋于破碎化。景观类型分维数升高、周长面积分维数和聚合度降低，说明林地板块在空间上不断远离，斑块趋于狭长或边界复杂化，斑块的向心力逐渐降低，这是受到强烈干扰的表现。边缘密度总体增加，说明林地景观受到其他地类景观的蚕食，整体性不断降低，通过对比分析表明，林地景观主要受耕地景观阻隔，受建设用地蚕食，空间上分离程度逐渐增加。连通性持续降低，说明林地景观不断被分割、阻隔，空间上存在的可能链接点逐渐减少，不利于生态流的运行与交流。

表7 各期林地景观的景观格局指数对比Table 7 Comparison of landscape pattern index of forest land in each phase

3 结论与讨论

3.1 结 论

1）长株潭生态绿心林地面积占区域总面积的42.70%，与耕地交错形成生态绿心的基底。林地中，优势树种以慢生阔叶树组、果树组、灌木组和杉木组为主；森林类别以一般公益林和一般商品林为主；起源以人工林为主；林种以风景林、水源涵养林、一般用材林和环境保护林为主。

2）生态绿心的林地景观总面积减少了441.64 hm2，相比上一期，减少面积最大的是2013年，减少206.53 hm2，占减少总面积的46.76%。林地景观总体呈现快速下降的趋势。慢生阔叶树组在各期减少面积均最大，中生阔叶树组和速生阔叶树组各期均减少，马尾松组先增加后减少，灌木组、果树组、杉木组先减少后少量增加。一般商品林减少面积最大，一般公益林次之，重点商品林减少面积最小，主要受森林分类管理和森林类别数量的影响。天然林减少面积均高于人工林，可能与实施的项目性质有关。一般用材林减少面积最多，水源涵养林和水土保持林减少面积较少，果树林和其他经济林现有基数较少，减少面积最少。

3）林地主要转变为建设用地和交通运输用地，占林地景观转换的83.68%，主要由土地开发建设导致。相比上一期，2013年和2018年林地中分别有169.30 hm2和109.34 hm2转换为建设用地，相比2008年之前增加明显，主要受长株潭地区经济社会发展和生态文明建设等政策影响。转换为建设用地的林地主要是慢生阔叶树组和果树组、一般商品林和一般公益林、天然林、一般用材林；转换为交通运输用地的林地主要是速生阔叶树组和马尾松组、一般商品林和重点公益林、天然林、一般用材林和风景林。部分林地转换为耕地，反映出林地是土地开发利用的最终来源，必须加强林地监管与保护。

4）林地面积变化与耕地面积变化正极显著相关，与其他用地面积变化负极显著相关，与人口数量、温度、建设用地和交通运输用地面积变化负显著相关，林地景观格局变化主要是土地开发利用活动引起，人为干扰是生态绿心中林地景观格局动态变化的主要驱动因素。

5）林地景观格局指数总的变化特征是斑块密度、边缘密度、景观类型分维数增加、平均斑块面积、周长面积分维数、聚合度、连通性降低，林地景观趋于破碎化，整体性不断降低，空间上分离程度逐渐增加，斑块的向心力逐渐降低，受到强烈干扰，主要受耕地景观阻隔，受建设用地蚕食。

3.2 讨 论

林地景观是生态系统中发挥生态服务功能的主体，但由于经济社会发展需求和景观价值差异，林地景观成为土地开发利用的主要来源，林地景观格局动态变化强烈。由于景观格局的研究还处于起步阶段，加之林地景观变化的影响因素多、变化过程复杂，目前对林地景观格局动态变化的研究尚不深入，主要停留在斑块尺度变化[21]以及海拔等自然条件变化[22]对林地景观动态变化的影响。本研究主要从林地面积动态变化的角度，对林地景观中的优势树种、森林类别、起源、林种等进行了动态变化分析，探讨了林地景观格局变化的主要驱动因素，对深入研究不同林地景观类型动态变化具有一定的参考价值，为长株潭生态绿心的生态建设提供科学依据。由于研究目的不同，本研究主要侧重于林地景观面积变化，对于林地结构、生物多样性等方面未进行研究，同时也未对林地景观内部的优势树种、森林类别、起源、林种之间的相互关系和动态变化未进行分析，这些是深入研究林地景观格局动态变化的可行方向。

生态绿心减少的林地景观主要被建设用地和交通运输用地占用，同时还存在毁林造田的情况，人为活动对生态绿心的林地景观已产生明显的破坏性影响，林地景观的保护和恢复迫在眉睫。同时，生态绿心的林地景观与耕地景观相互交错，造成林地景观的连续性被破坏。在生态建设中，建议突出生态绿心的重要生态功能，从景观生态学的角度更多地考虑保护与发展的关系，形成城市空间与生态空间相耦合的相互关系，加强国土空间规划和功能区划，规范开发建设行为，建设生态网络，增强林地景观的完整性和连通性，以提高生态绿心生态服务功能，为长株潭地区经济社会发展提供良好基础。