南京市江北地區(qū)景觀格局演變及驅(qū)動力分析

張 萌, 王讓會

(南京信息工程大學 應用氣象學院, 南京 210044)

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南京市江北地區(qū)景觀格局演變及驅(qū)動力分析

張 萌, 王讓會

(南京信息工程大學 應用氣象學院, 南京 210044)

以南京市江北地區(qū)為研究對象，基于遙感及地理信息技術(shù)，利用江北地區(qū)1988年、1995年、2000年和2006年TM5數(shù)據(jù)以及2013年TM8數(shù)據(jù)，運用景觀生態(tài)學原理，選取斑塊數(shù)量、平均斑塊面積、邊緣密度、平均分維度指數(shù)、香農(nóng)多樣性指數(shù)、香農(nóng)均勻度指數(shù)等進行分析，探討南京市江北地區(qū)近25年景觀格局演變特征及驅(qū)動力。結(jié)果表明:1988—2013年江北地區(qū)景觀格局發(fā)生較大變化，城建用地、林地面積增加，耕地面積減少，其他略有波動；在人類干擾作用下，斑塊聚合度與斑塊結(jié)合度呈現(xiàn)下降趨勢，多樣性指數(shù)與均勻度指數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢，破碎化程度增加。人口增加、經(jīng)濟增長、工業(yè)發(fā)展及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整是南京市江北地區(qū)景觀格局演變的主要驅(qū)動力。

景觀格局; 驅(qū)動因子; GIS; 江北地區(qū)

景觀格局演變是景觀生態(tài)學研究的核心問題之一[1]，景觀格局的改變能引發(fā)區(qū)域生態(tài)環(huán)境和生態(tài)過程的變化[2]。目前景觀格局的研究主要集中在空間異質(zhì)性和時間異質(zhì)性兩個方面[3-4]，即靜態(tài)的景觀格局分析和限定區(qū)域景觀格局隨時間的變化研究；而其研究方法主要有景觀格局指數(shù)分析、空間統(tǒng)計和矩陣轉(zhuǎn)移等[5]。3S技術(shù)日漸成熟及其在景觀生態(tài)學中的深入應用，為更直觀地研究景觀格局的時空變化提供了技術(shù)支撐。景觀格局演變的驅(qū)動因素是多方面的，而人為因素是小尺度景觀格局演變的主要驅(qū)動力，目前對景觀格局驅(qū)動力的分析方法主要包括統(tǒng)計分析[6]和多元回歸分析[7]等。城市景觀不斷外延、擴張是城市化進程中景觀格局演變的最明顯的特征，并使得其他景觀類型的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。城市景觀格局的改變也帶來了一系列的生態(tài)環(huán)境問題，研究城市景觀格局結(jié)構(gòu)特征的演變規(guī)律以及探討其發(fā)生改變的驅(qū)動因素對城市的可持續(xù)化發(fā)展意義重大。

南京市江北地區(qū)是南京市新一輪發(fā)展的重點區(qū)域，也是南京實現(xiàn)“跨江發(fā)展”、縮小城鄉(xiāng)差距的落腳點，有利于解決江南主城區(qū)發(fā)展中的諸多問題[8]，通過實施跨江發(fā)展，不斷優(yōu)化南京市空間結(jié)構(gòu)，提升江南江北融合互動能力，進而促進江北經(jīng)濟發(fā)展[9]。而在江北地區(qū)經(jīng)濟快速發(fā)展的同時，最大可能保護區(qū)域生態(tài)環(huán)境尤為重要。研究江北地區(qū)景觀格局演變，分析其變化趨勢，對實現(xiàn)江北地區(qū)可持續(xù)發(fā)展有重要作用。

本文在遙感及地理信息技術(shù)的支持下，利用南京市江北地區(qū)1988年、1995年、2000年和2006年Landsat TM5數(shù)據(jù)以及2013年Landsat TM8數(shù)據(jù)，對南京市江北地區(qū)近25年的景觀結(jié)構(gòu)和變化特征進行研究，以期為江北地區(qū)的生態(tài)文明建設(shè)及可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

南京市江北地區(qū)以長江為界，包括浦口與六合兩個行政區(qū)，位于30°51′—32°27′N，118°21′—119°03′E，北接安徽省，是南京市的北大門。區(qū)域面積約為2 400 km2，約占南京市總面積的1/3，截至2013年，區(qū)域內(nèi)人口約為150萬，國內(nèi)生產(chǎn)總值超過1 000億元。江北地區(qū)屬于亞熱帶季風氣候，氣溫溫和，雨量充沛，四季分明。江北地區(qū)地貌大部分屬于寧鎮(zhèn)揚山區(qū)，總體地勢北高南低，區(qū)域內(nèi)丘陵山崗地、河谷平原、沿江平原圩區(qū)均有分布[10]。區(qū)域內(nèi)景觀類型豐富，包括國家級地質(zhì)公園、老山國家森林公園、金牛湖風景區(qū)、長江濕地等，是南京市乃至江蘇省重要生態(tài)功能區(qū)，也是集山、水、城、林于一體的城市發(fā)展空間[11]。

江北地區(qū)一直是南京市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要區(qū)域，耕地面積較大，但是隨著經(jīng)濟發(fā)展，江北地區(qū)土地利用發(fā)生改變，主要表現(xiàn)為建成區(qū)面積不斷擴張，農(nóng)業(yè)用地面積減小。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 景觀類型劃分

對江北地區(qū)景觀格局演變及景觀格局指數(shù)的定量分析必須在景觀分類的基礎(chǔ)上進行，本研究基于《土地利用現(xiàn)狀分類》國家標準[12]，并結(jié)合浦口區(qū)與六合區(qū)土地利用現(xiàn)狀，對江北地區(qū)景觀進行分類，主要有以下6類:耕地(旱地和水田)、林地、草地、水域(河流、湖泊、水庫)、城建用地(城鎮(zhèn)建設(shè)用地、農(nóng)村建設(shè)用地、工交建設(shè)用地)和未利用地。

2.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括1988年、1995年、2000年、2006年和2013年5期涵蓋江北地區(qū)的地面衛(wèi)星圖像(表1)，地面分辨率為30 m。同時搜集2006—2020年南京市、浦口區(qū)及六合區(qū)土地利用規(guī)劃圖、南京市最新行政區(qū)劃矢量圖、南京市及江北地區(qū)多年經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及實地調(diào)查數(shù)據(jù)。

表1 遙感數(shù)據(jù)詳細信息

注：1995年、2006年數(shù)據(jù)主要云量不集中在研究區(qū)。

在ArcGIS 9.3下，利用南京市矢量圖各轄區(qū)的行政邊界拼接出江北地區(qū)矢量邊界；在ENVI 4.8下利用已拼接的矢量邊界裁剪出江北地區(qū)子影像，對影像進行大氣輻射校正和幾何校正；并對校正后的影像進行監(jiān)督分類，分類后驗證結(jié)果為總體分類精度為84.85%～89.69%，滿足研究需求，并形成tif格式圖像；隨后在ArcGIS 9.3中輸出圖像，得到分類結(jié)果；出圖后將數(shù)據(jù)格式變?yōu)間rid格式，最后利用Fragstats 3.3對各期景觀類型圖進行景觀格局指數(shù)計算。

2.3 景觀格局指標的選取

目前，針對描述不同尺度、不同角度的景觀格局特征，已經(jīng)出現(xiàn)大量的景觀格局指數(shù)，如何選取指標尤為重要[13]。基于研究區(qū)特點，并結(jié)合前人的研究經(jīng)驗[14-16]，本文從景觀和景觀類型兩個尺度對江北地區(qū)景觀格局演變進行研究。具體指標包括斑塊數(shù)量(NP)、平均斑塊面積(AREA▁MN)、斑塊密度(PD)、邊緣密度(ED)、最大核心斑塊指數(shù)(LPI)、平均分維度指數(shù)(FRAC▁MN)、斑塊結(jié)合度指數(shù)(COHESION)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)、香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)、散布與并列指數(shù)(IJI)、聚合度(AI)等。

3 江北地區(qū)景觀格局演變及驅(qū)動力分析

3.1 江北地區(qū)景觀格局演變

3.1.1 景觀總體構(gòu)成的變化 由表2可知，在近25年，南京市江北地區(qū)景觀構(gòu)成發(fā)生了一系列變化，各景觀類型在總面積中的百分比隨著時間推移表現(xiàn)出了不同程度的增或減。其變化主要為：耕地面積比逐年下降，而城建用地和林地面積比增加明顯，水域、草地、未利用地面積比略有波動。隨著江北地區(qū)的快速發(fā)展，城建用地面積不斷擴張，從1988年的12.13%增加至2013年的26.42%；江北地區(qū)作為南京市乃至江蘇省重要的生態(tài)功能區(qū)，森林等生態(tài)系統(tǒng)得到了較好的保護，尤其進入21世紀，林地面積不斷增加；同時耕地面積單調(diào)減少，由70.79%減至50.91%，耕地為城建用地面積擴張貢獻最大。

表2 1988-2013年南京市江北地區(qū)景觀總體構(gòu)成情況

3.1.2 景觀變化特征 南京市江北地區(qū)1988—2013年景觀尺度的格局指數(shù)均發(fā)生了較大變化(表3)。

首先斑塊數(shù)量先減少后增加，總體呈現(xiàn)增加趨勢，相應地，平均斑塊面積先增加后減少，說明景觀斑塊不斷分散；而邊緣密度先減小后增加，平均分形維數(shù)隨時間變化有一定波動，整體呈現(xiàn)下降趨勢，說明各類型景觀斑塊之間的相互作用增強。斑塊聚合度及斑塊結(jié)合度在波動變化中主要呈現(xiàn)下降趨勢，說明斑塊間連接性不斷減弱，景觀由大斑塊逐漸變?yōu)樾“邏K；香農(nóng)多樣性指數(shù)與香農(nóng)均勻度指數(shù)總體呈現(xiàn)增加趨勢，分別從1.02，0.57增加至1.26，0.70，這主要由于江北地區(qū)的快速發(fā)展使得景觀破碎度不斷加大，整個區(qū)域中各景觀類型的分配趨于均勻，最大斑塊面積指數(shù)不斷減小，說明在人類干擾作用下，整體景觀格局愈發(fā)均衡，人類影響對景觀格局作用較大。

表3 1988-2013年南京市江北地區(qū)景觀尺度的格局指數(shù)

3.1.3 類型變化特征 從表4可以看出，1988—2013年江北地區(qū)各景觀類型內(nèi)部格局特征也發(fā)生了較為明顯的變化。耕地作為江北地區(qū)最主要的景觀類型，其斑塊數(shù)量與斑塊密度整體呈增加趨勢，最大斑塊面積指數(shù)不斷減小，耕地景觀的優(yōu)勢不斷減弱，邊緣密度不斷增加，耕地斑塊的分布趨于分散；城建用地是面積增長最多的景觀類型，由12.13%增加至26.42%，斑塊數(shù)量與斑塊密度不斷減小，最大斑塊面積指數(shù)不斷增大，這說明江北地區(qū)較小的城建用地斑塊不斷聚合形成較大的城建用地斑塊，且分布趨于集中；林地面積不斷增加，斑塊數(shù)量和斑塊密度隨時間不斷波動，邊緣密度總體呈增加趨勢；水域面積略有波動，最大面積指數(shù)和平均分形維數(shù)不斷減小，說明其斑塊自相似性增加，斑塊形狀隨時間變化越來越規(guī)則；草地及未利用地等自然景觀隨時間變化略有波動，整體變化不大，其景觀格局主要受人類活動而發(fā)生變化。

3.2 景觀格局演變驅(qū)動力分析

景觀格局的不斷變化是由自然因素與人為因素共同驅(qū)動的[17]。地形地貌、氣候等自然因素在較大的時空尺度上對景觀格局有較大影響，而在較小時空尺度，人為因素則作用顯著[18]。由于南京市江北地區(qū)范圍較小，本文僅將人為驅(qū)動力作為探討對象。

基于浦口區(qū)和六合區(qū)多年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報，并結(jié)合南京市歷年統(tǒng)計年鑒，得到南京市江北地區(qū)1988—2013年主要經(jīng)濟指標變化，以南京市江北地區(qū)1988—2013年景觀香農(nóng)多樣性指數(shù)(y1)和城建用地面積比(y2)作為因變量，選擇人口數(shù)(x1)、地區(qū)生產(chǎn)總值(x2)、工業(yè)總產(chǎn)值(x3)、三次產(chǎn)業(yè)比重(x4，x5，x6)、固定資產(chǎn)投資(x7)為自變量，進行多元回歸分析，探討影響多樣性指數(shù)和城建用地面積比的主要因子，結(jié)果如下：

y1=-0.0054x1+0.0001x2-0.0131x4+2.0376

(R2=0.9695，p<0.05)

(1)

y2=0.13296x2-0.05457x3+10.9004

(R2=0.9988，p<0.05)

(2)

表4 1988-2013年南京市江北地區(qū)類型尺度的格局指數(shù)

由結(jié)果可知，人口增加、經(jīng)濟增長、工業(yè)發(fā)展及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整是南京市江北地區(qū)景觀格局演變的主要驅(qū)動因子。(1) 人口增加。南京市江北地區(qū)的人口數(shù)量在研究期內(nèi)增長了約30萬人，這使得該地區(qū)資源環(huán)境壓力日漸增加，對住房的需求增大，導致城建用地不斷擴張；(2) 經(jīng)濟增長。1988—2013年，南京市江北地區(qū)GDP由16.1億元增長至1 222.24億元，經(jīng)濟的快速發(fā)展促進了房地產(chǎn)開發(fā)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、休閑娛樂場所、消費服務場所等的發(fā)展，促使城建用地面積不斷增加，也間接影響了耕地面積的變化；(3) 工業(yè)發(fā)展。江北地區(qū)擁有眾多大型工業(yè)企業(yè)，是南京市工業(yè)聚集地之一，工業(yè)生產(chǎn)在地區(qū)生產(chǎn)總值中一直占據(jù)較大地位。研究期內(nèi)，江北地區(qū)工業(yè)總產(chǎn)值由20.6億元增加至2 693.39億元，廠房面積擴大且交通等配套設(shè)施不斷發(fā)展也影響著該地區(qū)的景觀格局；(4) 產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整。1988—2013年，南京市江北地區(qū)三產(chǎn)占比分別由28.44%，42.37%，29.19%變?yōu)?.66%，58.09%，35.25%，第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，促使城建用地沿長江不斷擴張，形成了以城鎮(zhèn)化為主的景觀格局演變特征。

4 結(jié) 論

(1) 本文在遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用多源多期遙感數(shù)據(jù)，對南京市江北地區(qū)景觀格局進行分析。通過對景觀總體構(gòu)成、斑塊數(shù)量、平均斑塊面積、邊緣密度、平均分維度指數(shù)、香農(nóng)多樣性指數(shù)、香農(nóng)均勻度指數(shù)等指標計算，得到了江北地區(qū)近25年景觀格局變化。城建用地等人造景觀面積不斷增大，由12.13%增加至26.42%，耕地面積不斷減少，70.79%減至50.91%；在人類干擾作用下，斑塊聚合度及斑塊結(jié)合度主要呈現(xiàn)下降趨勢，分別由69.65，99.87減少至65.66，99.59，斑塊間連接性不斷減弱，景觀由大斑塊逐漸變?yōu)樾“邏K；多樣性指數(shù)與均勻度指數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢，分別由1.02，0.57增至1.26，0.70，江北地區(qū)景觀破碎度不斷加大，整個區(qū)域中各景觀類型的分配趨于均勻，整體景觀格局愈發(fā)均衡。

(2) 人口增加、經(jīng)濟增長、工業(yè)發(fā)展及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整是南京市江北地區(qū)景觀格局演變的主要驅(qū)動力。人口增長使建筑面積需求增加，同時經(jīng)濟的快速發(fā)展促進了房地產(chǎn)開發(fā)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、休閑娛樂場所、消費服務場所等的發(fā)展，亦促使城建用地面積不斷增加，而第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，促使城建用地沿長江不斷擴張，最終形成了江北地區(qū)以城鎮(zhèn)化為主的景觀格局演變特征。因此，對各驅(qū)動因子的調(diào)控是實現(xiàn)南京市江北地區(qū)景觀格局優(yōu)化的重要途徑。

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Evolvement of Landscape Pattern and Its Driving Factors in Jiangbei District of Nanjing City

ZHANG Meng, WANG Ranghui

(CollegeofAppliedMeteorology,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China)

Using the data of Landsat TM5 (1988, 1995, 2000 and 2006) and Landsat TM8 (2013), the evolvement and its driving factors of landscape pattern in Jiangbei District of Nanjing City in the past 25 years were explored based on the technology of remote sensing and GIS and the theory of landscape ecology. Some indices were chosen to describe the changes of landscape pattern, such as the number of patches, the average area of patches, edge density, average dimension index, shannon diversity index, shannon evenness index and so on. The results showed that the landscape pattern in Jiangbei District changed greatly from 1988 to 2013. The woodland and construction land increased, while the farmland decreased, and the area of other types fluctuated slightly. Under the action of human disturbance, aggregation index and patch cohesion index decreased, while Shannon′s diversity index and Shannon′s evenness index increased in this area. The growth of population, economy and industry together with the adjustment of industrial structure are the main driving factors on the evolvement of landscape pattern in Jiangbei District of Nanjing City.

landscape pattern; driving factors; GIS; Jiangbei District

2014-11-06

2014-11-26

國家科技支撐計劃(2012BAD16B0305,2012BAC23B01);中國沙漠氣象科學研究基金(sqj2012006)

張萌(1989—),女,河北石家莊人,研究生,研究方向為環(huán)境生態(tài)。E-mail:zhangmeng1824@126.com

王讓會(1963—),男,陜西寶雞人,教授,博士生導師,主要從事景觀生態(tài)、3S應用、全球變化的區(qū)域響應、生態(tài)系統(tǒng)耦合關(guān)系研究。E-mail:rhwang@nuist.edu.cn

Q149; F301.24

1005-3409(2015)05-0229-05