中國東西部中小城市景觀格局及其驅(qū)動力

齊 楊, 鄔建國, 李建龍,于 洋, 彭福利, 孫 聰

(1. 中國環(huán)境監(jiān)測總站，北京 100012； 2. 南京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，南京 210093；3. 亞利桑那州立大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/全球可持續(xù)性科學(xué)研究所，美國亞利桑那州 85281；4. 內(nèi)蒙古大學(xué)生態(tài)、能源和可持續(xù)性科學(xué)研究中心，呼和浩特 010021)

20世紀80年代以來，土地利用/覆被變化(Land Use and Cover Change，LUCC)成為全球關(guān)注的熱點問題[1]，其中快速的城市增長作為LUCC的重要內(nèi)容也受到人們的廣泛關(guān)注。21世紀城市化及其土地利用變化將是對環(huán)境影響最大的因素之一，城市化的生態(tài)學(xué)影響也逐漸受到人們的關(guān)注[2-3]。世界上已有超過半數(shù)左右的人口居住在城市[4]，到2025年可能達到65%[5]，并且在以后的30a中幾乎所有的人口增長都將發(fā)生在城市地區(qū)[4]。但這并非意味著人口增長都發(fā)生在大型城市，或人口都將集中于大型城市。實際上，城市人口分布于不同大小的城市區(qū)域，甚至包括很小的集鎮(zhèn)和人口不超過1000的行政區(qū)[6]。更多的世界城市人口分布在較小的城市里。有研究指出未來25a內(nèi)的城市化并非主要發(fā)生在巨型城市地區(qū)而是發(fā)生在更小的城市或者城鎮(zhèn)地區(qū)，而且主要集中于人均收入處于中低水平的發(fā)展中國家[7]。但是，現(xiàn)有的城市景觀格局研究多集中于大型城市，而大型城市城市化發(fā)展規(guī)律是否適用于中小城市，中小城市的發(fā)展是否具有獨特的規(guī)律？而且城市本身具有復(fù)雜性和動態(tài)性等特點，城市土地利用、城市政策與城市生態(tài)系統(tǒng)功能之間的關(guān)系尚不清楚。中國自改革開放以后經(jīng)濟快速增長，并一直以“控制大城市規(guī)模，發(fā)展中小城市”為主要都市發(fā)展策略[8]，1978—1998年間中小城市數(shù)量增加了432個[9]。到2050年我國城市化水平將達到75%，將有1—1.2億人口涌向各大小城市[10]。因此，對我國快速城市化地區(qū)中小城市景觀格局變化及其驅(qū)動力的研究至關(guān)重要。

城市化導(dǎo)致生態(tài)學(xué)格局和過程的多樣性下降[11-14]。Jenerette和Potere[15]將這個描述物種和基因多樣性的假設(shè)推廣到景觀層次，其研究表明城市景觀結(jié)構(gòu)也有異質(zhì)性下降的趨勢。但對于中小城市間的景觀異質(zhì)性是否也將趨于下降，不同地區(qū)的城市間景觀異質(zhì)性變化有何差異？仍需要進一步研究。景觀格局發(fā)生變化的原因在于內(nèi)、外驅(qū)動力對景觀組成要素的干擾作用，這些綜合性的干擾作用包括各種自然的、生物的以及人類活動之間復(fù)雜的相互作用，其結(jié)果使得景觀穩(wěn)定性及其空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而使景觀格局發(fā)生變化[16]。那么造成中小城市景觀格局變化的主要驅(qū)動力是什么，不同地區(qū)間中小城市的景觀格局差異在哪里，其成因是什么，也需深入研究。

本研究通過對長三角地區(qū)和新疆地區(qū)共計24個中小城市城市的景觀格局分析，結(jié)合人口經(jīng)濟數(shù)據(jù)，探究城市化下中國東西部地區(qū)中小城市城市間景觀格局的差異性變化，景觀格局變化及其驅(qū)動力，同時對兩地區(qū)間景觀格局變化及其驅(qū)動力進行了對比分析，以期為快速城市化下的中國中小城市可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 研究方法

1.1 研究地簡介

新疆維吾爾自治區(qū)地處73°40′—96°18′E，34°25′—48°10′N之間，行政區(qū)包括23個市、7個地區(qū)、5個自治州、68個縣，全區(qū)總面積166.04萬km2，為中國最大的省級行政區(qū)。新疆遠離海洋，深居內(nèi)陸，四周有高山阻隔，海洋濕氣不易進入，形成明顯的溫帶大陸性氣候。氣溫變化大，日照時間長(年日照時間達2500—3500 h)，降水量少，空氣干燥。新疆年平均降水量為150 mm左右，但各地降水量相差很大。一般說，冬季氣溫北疆高于南疆，夏季氣溫南疆高于北疆。

長江三角洲地區(qū)北起通揚運河，南抵杭州灣，西至鎮(zhèn)江，東到海邊，范圍包括江蘇、浙江兩省的15個地級市及上海市，面積約9.9萬km2，人口7500多萬。該地區(qū)是我國工業(yè)化和城市化最發(fā)達的地區(qū)，人口稠密，經(jīng)濟發(fā)達。長江三角洲地區(qū)地勢低平坦蕩，河網(wǎng)如織，湖泊眾多。該地區(qū)在氣候上屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，常遭受梅雨、臺風(fēng)暴雨、風(fēng)暴潮以及長江中下游地區(qū)洪水的襲擊，容易出現(xiàn)外洪、內(nèi)澇或外洪內(nèi)澇并發(fā)的水災(zāi)。

本研究所選研究地為新疆維吾爾自治區(qū)12縣市(圖1)和江蘇省長三角地區(qū)的12縣市(圖2)，共計24個城市，城市人口均在50萬以下，均為中小型城市，2000年各城市人口數(shù)據(jù)，如表1示。

表1 兩地區(qū)中小城市人口狀況[17]

圖1 新疆地區(qū)12縣市地理位置

圖2 長三角地區(qū)12縣市地理位置

1.2 數(shù)據(jù)獲取與處理

使用1986年和2000年1∶10萬土地利用圖(數(shù)據(jù)來源：中國西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心，中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心)。分別將長三角地區(qū)和新疆地區(qū)各城市的土地利用圖歸并為6類(耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)工礦居民用地和未利用地)。將兩地區(qū)的柵格數(shù)據(jù)分辨率分別重采樣到為30，60，100，250 m和500 m。

大量的研究表明，大多數(shù)的景觀格局指數(shù)以及其他的空間分析方法都會受到尺度變化的顯著影響。根據(jù)以往對尺度和景觀格局的研究[18-22]，通過對尺度的討論確定長三角地區(qū)和新疆地區(qū)的中小城市分別在30 m和60 m的粒度下最能夠顯示出景觀格局的特征，因此本研究對長三角地區(qū)和新疆地區(qū)的中小城市分別在30 m和60 m的粒度下進行研究。

1.3 城市化景觀空間格局的量化方法

城市生態(tài)系統(tǒng)具有比其他任何的生態(tài)系統(tǒng)更高的空間異質(zhì)性，分析城市景觀的時空格局對于研究城市化過程及其帶來的生態(tài)后果具有重要意義[23-24]。在眾多景觀格局的分析方法中，景觀指數(shù)的應(yīng)用最為廣泛。景觀指數(shù)是指能夠高度濃縮景觀格局信息，反映其結(jié)構(gòu)組成和空間配置等方面特征的簡單定量指標[25]。

描述格局特征的景觀指數(shù)很多，且相關(guān)性較強[26]。本研究在選擇景觀指數(shù)時考慮了總體性原則——景觀水平與類型水平的景觀指數(shù)兼?zhèn)洌Ｓ眯栽瓌t——選擇常用的景觀指數(shù)易于理解與交流，簡化原則——研究中充分考慮了景觀指數(shù)的相關(guān)性與替代性，選擇那些能說明城市化過程的指數(shù)[27-28]。綜合考慮以上原則，在研究中選用了景觀比例(PL)、斑塊密度(PD)、邊緣密度(ED)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、聚集度指數(shù)(AI)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)以及香農(nóng)多樣性指數(shù)(Shannon′s Diversity Index，SHDI)等7個指標來量化城市的景觀格局，分析研究區(qū)景觀格局的變化[23-29]。這些指數(shù)的概念、計算方法、閾值以及生態(tài)學(xué)意義參見有關(guān)文獻[30-31]，并借助FRAGSTATS 3.3軟件來完成其計算過程。

1.4 景觀格局變化驅(qū)動因子的選取

根據(jù)目前相關(guān)研究結(jié)果[31-32]，選取人口密度、城市化水平(城市人口比例)、GDP、農(nóng)業(yè)GDP比重和工業(yè)GDP比重(數(shù)據(jù)來源于《2000年中國城市統(tǒng)計年鑒》)，將它們與景觀指數(shù)分別在SPSS(16.0)軟件下進行相關(guān)性分析，找出影響景觀格局變化的主要驅(qū)動因子，并分析兩個地區(qū)間驅(qū)動力的差異。

2 研究結(jié)果

2.1 東西部中小城市景觀類型組分變化分析

利用GIS軟件的面積統(tǒng)計功能，江蘇省長三角地區(qū)和新疆地區(qū)景觀類型面積變化如表2所示。1986年至2000年，長三角地區(qū)景觀類型組分變化的總體趨勢是耕地和林地面積減少，草地、水域和未利用地面積增加，城市用地大幅度增加。就絕對數(shù)量變化而言，長三角地區(qū)12個中小城市1986—2000年15a間面積減少的最多的是耕地，年均減少62.87 km2，其次為林地；就面積變化的相對數(shù)量而言，增加最快的是城市用地，年均增加5.15%，遠遠高出其他土地利用景觀面積變化的速度。新疆地區(qū)1986—2000年景觀類型組分變化的總體趨勢是草地和未利用地面積減少，水域、耕地和林地增加，城市用地大幅度增加。就絕對數(shù)量變化而言，該地區(qū)面積減少最多的是未利用地和草地，年均減少分別為123.6 km2和90.2 km2，面積增加最多的是林地，其次是水域，城市和耕地；就面積變化，該地區(qū)增加最快的也是城市用地，年均增加5.53%，其次為林地。

表2 長三角地區(qū)和新疆地區(qū)1986—2000年土地利用/覆蓋類型變化

2.2 東西部中小城市景觀格局總體變化差異

Sharpio-Wilk檢驗結(jié)果證明，本研究所選景觀指數(shù)在各城市的分布呈正態(tài)分布，顯著值均大于0.05[34]。通過計算24個城市兩個時期的景觀指數(shù)，對比分析了兩個地區(qū)景觀格局多樣性變化的差異。從景觀指數(shù)的平均值方面看，1986年到2000年，長三角地區(qū)城市PD和SHDI小幅上升，ED和LSI大幅上升，CONTAG和AI下降；新疆地區(qū)PD、ED和LSI均大幅上升，SHDI基本沒有變化，CONTAG和AI下降(圖3)。從變異度方面看，1986年到2000年，長三角地區(qū)變異幅度總體較小，除了ED和CONTAG的變異度出現(xiàn)明顯下降外，其余指數(shù)均變化較??；新疆地區(qū)變異幅度相對較大，而且除了SHDI微降外，其他指數(shù)都在上升(圖3)。

圖3 1986年至2000年兩地區(qū)景觀格局變化

2.3 東西部中小城市景觀格局變化的驅(qū)動力對比分析

利用獲得的人口經(jīng)濟數(shù)據(jù)，分別對兩個地區(qū)各城市的景觀格局指數(shù)和人口經(jīng)濟數(shù)據(jù)進行了相關(guān)性分析。景觀水平上，長三角地區(qū)城市的景觀的破碎化程度隨城市人口比重和GDP的增長而下降，和農(nóng)業(yè)GDP比重呈正相關(guān)，景觀斑塊不規(guī)則程度也隨城市人口比重的增長而下降，景觀多樣性與人口密度呈負相關(guān)；新疆地區(qū)城市的景觀的破碎化程度和斑塊不規(guī)則程度均只與農(nóng)業(yè)GDP比重呈正相關(guān)，沒有與香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)顯著相關(guān)的人口經(jīng)濟數(shù)據(jù)(表3)。

表3 兩地區(qū)景觀指數(shù)和人口經(jīng)濟數(shù)據(jù)相關(guān)關(guān)系

續(xù)表

類型水平上，在長三角地區(qū)，耕地、林地、草地和未利用地景觀類型的格局受到人口經(jīng)濟因子的影響較弱，無相關(guān)關(guān)系；水域景觀類型的破碎化程度和斑塊不規(guī)則程度隨著人口密度和GDP的增加而減?。怀鞘芯坝^類型所占比例隨人口密度和GDP的增加而增加，與農(nóng)業(yè)GDP比重呈負相關(guān)，城市景觀類型的破碎化程度和斑塊不規(guī)則程度隨城市人口比重的增加而減小，說明人口向城市的聚集可以使城市景觀趨于聚合，也減少了城市景觀對其他景觀的破碎化作用。新疆地區(qū)耕地景觀類型的景觀百分比隨人口密度的增加而增加，耕地斑塊形狀隨人口密度的增加而更加不規(guī)則，但隨農(nóng)業(yè)GDP比重的增加而更加規(guī)則；林地景觀的斑塊形狀同樣隨農(nóng)業(yè)GDP的增加而更加規(guī)則；新疆地區(qū)的城市景觀所占百分比與長三角地區(qū)相似，都是與人口密度呈正相關(guān)，與農(nóng)業(yè)GDP比重呈負相關(guān)，但是不同的是新疆地區(qū)城市景觀的破碎化程度和形狀指數(shù)均與農(nóng)業(yè)GDP比重關(guān)系密切；新疆地區(qū)未利用地類型所占百分比與人口密度呈負相關(guān)，其斑塊形狀隨農(nóng)業(yè)GDP比重的增加而更加規(guī)則(表3)。

3 討論

3.1 中小城市總體景觀格局變化分析

以上的研究結(jié)果表明，1986年至2000年15a間，兩個地區(qū)中小城市的總體景觀格局變化基本相似，景觀的破碎化程度均不斷上升，斑塊形狀更趨于不規(guī)則，景觀多樣性呈小幅增加。這與Forman和Godron在1986年出版的《Landscape Ecology》一書中的部分結(jié)論相悖，該書指出，隨著人類活動強度的加劇，景觀格局表現(xiàn)出以下趨勢：1)斑塊密度呈指數(shù)上升；2)景觀連接度下降；3)斑塊形狀更加規(guī)則[35]。但是，在Wu等人[36]對比分析美國兩大城市(鳳凰城和拉斯維加斯)景觀格局時空變化的研究，以及Schneider和Woodcock[37]的全球25個城市景觀格局研究中，均得出了與本研究相似的景觀格局變化趨勢：景觀多樣性提高，景觀結(jié)構(gòu)更加破碎，斑塊形狀更加復(fù)雜。

城市化導(dǎo)致的景觀格局破碎化程度提高將會影響該地區(qū)的生態(tài)學(xué)過程。生境的破碎化加劇和城市斑塊的不斷增加，不僅直接降低了核心生境的面積，而且也將增加了城市與生境的接觸面(WUI)。WUI的增加已經(jīng)在大陸尺度上被很多研究證實[38-40]。WUI的增加將會提高森林火險指數(shù)[41-42]，增加生態(tài)入侵機會[43]，更會進一步影響到物種保護[44]和遺傳多樣性[45]。新疆地區(qū)景觀格局的破碎化將主要影響到草地資源：新疆地區(qū)12個中小城市1986—2000年景觀類型組分變化結(jié)果顯示，草地類型15a間減少了2.37%，年均減少分別為123.6 km2，草地大面積退化、沙化，草地生產(chǎn)力日趨降低；另一方面，城市用地(農(nóng)村居住點)與草地接觸面增加，也導(dǎo)致草地退化嚴重，可食牧草減少，有害牧草增加，總體生物多樣性減少，環(huán)境惡化，這些都直接威脅著牧區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展[46]。長三角地區(qū)景觀格局的破碎化則主要影響到耕地資源：長三角地區(qū)12個中小城市1986—2000年15a間耕地面積減少了8.83%，年均減少62.87 km2；另外，破碎化也導(dǎo)致耕地受干擾的程度增加，單產(chǎn)下降，受到污染的可能增加，耕地總面積的減少和單產(chǎn)的下降都將使總體糧食產(chǎn)量和質(zhì)量下降，對該地區(qū)的糧食安全造成威脅。

3.2 東西部中小城市城市化景觀格局變異性分析

兩個地區(qū)在景觀格局變異性程度的變化方面表現(xiàn)出截然不同的特征。長三角地區(qū)中小城市的景觀格局變異性總體趨于下降。這與Jenerrette等人[15]的研究結(jié)論相似。Jenerrette等人的研究結(jié)果表明，從全球范圍內(nèi)選取的120個城市在1990—2000的10a間，其景觀指數(shù)變異度呈下降趨勢，而且通過城市增長模型模擬后計算未來各城市景觀指數(shù)，其變異度也呈下降趨勢[15]。但是新疆地區(qū)與此相反，該地區(qū)中小城市各景觀指數(shù)的變異性不僅幅度相對較大，而且均呈上升趨勢。因此，在長三角地區(qū)各中小城市間景觀格局趨于一致；而在新疆地區(qū)，隨著城市化的推進，各中小城市間的景觀格局差異更加明顯。

Dietzel等人[47-48]提出的擴散-聚合理論指出城市的擴張是一個擴散和聚合交替進行的過程。根據(jù)上述理論，本研究認為造成東西部中小城市城市化景觀格局變異性不同的原因主要有兩個方面：

第一，兩地區(qū)城市間差異程度不同。長三角地區(qū)地形、經(jīng)濟基礎(chǔ)等差異較小，城市化起步的時間和城市化推進的速度基本一致，因此，在擴散聚合循環(huán)的過程中保持了基本一致的步伐；新疆地區(qū)地形復(fù)雜，各中小城市原有的景觀組成成分和分布差異較大，社會經(jīng)濟方面也存在較大差異，致使城市化發(fā)展階段參差不齊，造成了該地區(qū)城市間景觀格局變異度上升的現(xiàn)狀。

3.3 東西部中小城市景觀格局變化驅(qū)動力對比分析

兩地區(qū)中小城市的景觀格局變化驅(qū)動力結(jié)果表明，長三角地區(qū)景觀格局變化驅(qū)動力主要是人口的增加和流動引起的城市景觀類型的格局變化，而在新疆地區(qū)則為人口因素引起的耕地景觀類型面積的增加。

長三角地區(qū)是中國目前經(jīng)濟發(fā)展速度最快、經(jīng)濟總量規(guī)模最大、最具有發(fā)展?jié)摿Φ慕?jīng)濟板塊。一方面，經(jīng)濟的增長和人口密度的增加，使該地區(qū)城市景觀類型所占比例不斷升高，景觀水平上趨于破碎化。長三角地區(qū)12個中小城市的城市景觀類型所占比例由1986年的7.59%增加到2000年的13.45%，城市景觀類型的面積在15a間增加了856 km2，增幅為77.19%，而耕地景觀類型的面積在15a間共減少了943 km2，耕地不斷被城市用地代替；農(nóng)村地區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的快速發(fā)展以及土地規(guī)劃與管理的不規(guī)范[48]，長三角地區(qū)中小型城市的耕地不斷被工業(yè)用地和居住用地吞噬，亂占耕地的現(xiàn)象嚴重，這了導(dǎo)致整個地區(qū)破碎化程度持續(xù)上升。另一方面，城市人口比重的增加使城市景觀類型趨于聚合，降低景觀水平破碎化的速度。通過對長三角地區(qū)景觀格局變化驅(qū)動力的分析得出，景觀水平上和城市景觀類型的破碎化程度與斑塊不規(guī)則程度都隨城市人口比重的增加而降低，說明人口向城市中心區(qū)域的聚集，使城市景觀趨于聚合，在一定程度上降低了城市景觀對其他景觀的破碎化作用，減緩了景觀水平上的破碎化。已有研究指出，人口向城市中心區(qū)域的聚集對于集約利用資源，降低人類活動對環(huán)境的影響，提高居民生活質(zhì)量都具有重要作用[50]。

新疆地區(qū)作為我國經(jīng)濟發(fā)展相對落后的地區(qū)，具有與長三角地區(qū)不同的地理條件和經(jīng)濟發(fā)展模式，也形成了截然不同的城市化過程。新疆地區(qū)中小城市驅(qū)動力分析表明，農(nóng)業(yè)GDP所占比重與很多景觀指數(shù)呈顯著相關(guān)關(guān)系，這說明在新疆地區(qū)的中小城市城市發(fā)展過程中，人類活動對整個城市和地區(qū)景觀格局的影響主要表現(xiàn)在耕地景觀類型的變化，而并非城市景觀類型。新疆地區(qū)人口增長大多首先發(fā)生在宜耕地區(qū)，以開墾農(nóng)田為目的的人類活動導(dǎo)致耕地景觀類型的面積大量增加。盡管隨著該地區(qū)礦產(chǎn)資源的開發(fā)和利用，經(jīng)濟不斷發(fā)展，人口向城市集中，城市景觀類型的面積在15a間增加了83%，但是由于新疆地區(qū)地廣人稀，城市景觀類型面積在區(qū)域尺度上的比重仍然很低，從1986年的0.53%到2000年的0.98%，城市景觀對整個地區(qū)景觀格局的影響很小。

兩個地區(qū)的中小城市景觀格局變化驅(qū)動力均表明，以耕地景觀類型變化為鮮明特征的發(fā)展過程影響著區(qū)域中小城市的景觀格局演變。在長三角地區(qū)，城市建設(shè)大量占用耕地，并導(dǎo)致景觀格局的破碎化，嚴重威脅地區(qū)糧食安全。而在新疆地區(qū)，人類活動改變景觀格局主要表現(xiàn)在耕地景觀類型的增加，而城市景觀影響較小；此外，耕地景觀的擴張不僅占用了大量草地資源，而且加劇了對草地生態(tài)系統(tǒng)的干擾，也是造成草地退化的重要因素。

在對小型農(nóng)田水利工程建設(shè)資金投入上，財政部門應(yīng)當(dāng)建立起相應(yīng)的新機制來專門管理其資金分配，并逐漸加大資金的投入力度。同時，對于參與投資小型農(nóng)田建設(shè)的民眾，政府應(yīng)適當(dāng)?shù)刂贫ㄒ恍﹥?yōu)惠政策。另外，政府部門應(yīng)對其財政收入的分配進行一定的調(diào)整，使得新的分配制度中能夠拿出更多的資金來開展小型農(nóng)田水利建設(shè)。

4 結(jié)論

(1)1986年至2000年15a間，長三角地區(qū)和新疆地區(qū)中小城市的總體景觀格局變化趨勢基本相似：景觀的破碎化程度均不斷上升，斑塊形狀更趨于不規(guī)則，景觀多樣性呈小幅增加。

(2)1986年至2000年15a間，長三角地區(qū)中小城市間景觀格局變異性下降，各城市的景觀格局趨于一致；而在新疆地區(qū)，隨著城市化的推進，各中小城市間的景觀格局變異性程度上升，各城市的景觀格局差異加大。

(3)1986年至2000年，長三角地區(qū)中小城市景觀格局變化的驅(qū)動力主要是人口的增加和流動引起的城市景觀類型的格局變化；新疆地區(qū)中小城市則為人口的增加和流動引起的耕地景觀類型增加。

總之，通過對不同地區(qū)間中小城市景觀格局及其驅(qū)動力的對比分析，進一步了解了中小城市在城市化過程中所隱藏著的生態(tài)過程和社會經(jīng)濟過程，可以為針對中小城市草地退化、糧食安全等問題應(yīng)對策略的制訂提供重要參考，對實現(xiàn)中小城市的土地資源可持續(xù)利用和縮小東西部城市化差距具有重要的理論意義。

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