快速城市化背景下上海綠色空間景觀格局梯度及其多樣性時空動態(tài)特征分析

李瑩瑩，黃成林，張玉

快速城市化背景下上海綠色空間景觀格局梯度及其多樣性時空動態(tài)特征分析

李瑩瑩，黃成林，張玉

安徽農(nóng)業(yè)大學林學與園林學院，安徽 合肥 230036

以上海典型快速城市化地區(qū)為例，基于遙感影像數(shù)據(jù)，綜合運用RS/GIS技術和Fragstats 3.3移動窗口法對1997年、2000年、2005年、2008年和2015年5個年份上海綠色空間的景觀格局梯度及其多樣性時空動態(tài)進行分析。隨城市發(fā)展的綠色空間梯度變化和景觀多樣性的空間顯式化研究可以幫助理解景觀格局-過程關系，同時為城市景觀格局優(yōu)化和管理提供支持。結果表明，（1）1997—2015年間，研究區(qū)總體上以建設用地的增加和綠色空間的總量減少為典型特征，農(nóng)田景觀面積比例PLAND減少了32.85%，森林綠地PLAND增加了9.44%，水體PLAND增加了1.58%，建設用地PLAND增加了28.59%。（2）研究區(qū)綠色空間的景觀格局隨著城市空間多方向的擴張變化明顯，同心矩形帶梯度模式分析和多向梯度模式分析結果顯示，近20年來，在矩形環(huán)4以內(nèi)中心城區(qū)森林綠地PLAND、斑塊數(shù)量NP、斑塊密度PD、景觀形狀指數(shù)LSI的增加，表明中心城區(qū)森林綠地景觀破碎化越來越嚴重，人工痕跡較重。在矩形環(huán)5以外區(qū)域森林綠地PLAND、LPI的增加及NP的下降表明郊區(qū)森林綠地景觀表現(xiàn)出一定的集聚性；在矩形環(huán)5以外區(qū)域農(nóng)田PLAND、最大斑塊指數(shù)LPI的下降和PD、LSI的升高表明建設用地的擴張使原本均一化的農(nóng)田景觀越來越破碎，形狀也越來越復雜。（3）景觀多樣性時空動態(tài)變化分析表明，1997年僅中心城區(qū)景觀多樣性SHDI較低，而2015年SHDI在整個研究區(qū)均呈下降趨勢。

綠色空間；景觀格局；梯度分析；景觀多樣性；上海

引用格式：李瑩瑩， 黃成林， 張玉. 快速城市化背景下上海綠色空間景觀格局梯度及其多樣性時空動態(tài)特征分析［J］. 生態(tài)環(huán)境學報， 2016， 25（7）： 1115-1124.

LI Yingying， HUANG Chenglin， ZHANG Yu. Investigating Spatiotemporal Patterns of Landscape Gradient and Diversity of Urban Green Spaces of Shanghai in Response to Rapid Urbanization ［J］. Ecology and Environmental Sciences， 2016， 25（7）： 1115-1124.

城市綠色空間是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，作為一個整體的系統(tǒng)，其結構和功能研究是解決城市空間發(fā)展與生態(tài)環(huán)境耦合問題的關鍵，也是有效緩解城鎮(zhèn)化地區(qū)環(huán)境退化問題的關鍵（陶宇等，2013；Niemel?，2014；楊振山等，2015；李鋒等，2004）。綠色空間包括城市園林（人工型綠地）、農(nóng)林地（半自然型綠地）、原野地（自然型綠地）等綠地以及河流、濕地等水體空間（常青等，2007；Wang，2001；Turner，1992），具有生態(tài)平衡功能且與人類生活密切相關。近年來，在快速城市化背景下，綠色空間的整體性、結構性、多樣性在很大程度上受到強烈的外界干擾，呈現(xiàn)出動態(tài)變化的特點，其演變及與城市擴張的關系，成為城市規(guī)劃、城市生態(tài)、城市環(huán)境等學科的研究熱點（邵大偉等，2016；Rafiee et al.，2009；王發(fā)曾等，2012）。景觀格局分析能從看似無序的景觀單元鑲嵌中，發(fā)現(xiàn)潛在的對現(xiàn)實有意義的規(guī)律性（李哈濱等，1988），綠色空間景觀格局在很大程度上決定著其功能的發(fā)揮（Roy et al.，1999）。國內(nèi)外結合遙感（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）等技術手段對綠色空間格局的研究早已開始，數(shù)量也在逐年增多。然而，在國內(nèi)快速城市化背景下，對城市綠色空間進行系統(tǒng)、動態(tài)的時空格局演變研究還相對較少。因此，開展對城市綠色空間景觀格局時空動態(tài)的系統(tǒng)化、定量化研究，將景觀的運動過程和變化聯(lián)系起來，有利于更好地理解綠色空間景觀空間格局，揭示其演變特征，為城市綠色空間規(guī)劃提供詳實的基礎數(shù)據(jù)支撐，優(yōu)化現(xiàn)階段對城市綠色空間的規(guī)劃、建設和管理，改善目前缺少系統(tǒng)科學分析（Kong et al.，2010）的現(xiàn)狀，同時對綠色空間規(guī)劃理論的更新及城市空間格局的優(yōu)化調(diào)控都有一定借鑒作用。

上海是中國快速城市化地區(qū)，而上海中心城區(qū)和市域城市化地區(qū)是變化最劇烈的區(qū)域（李曉文等，2003）。近年來，已有不少學者對上?？焖俪鞘谢^程及由此帶來的城鎮(zhèn)用地擴展、景觀格局演變等問題進行過研究（李曉文等，2004；李俊祥等，2004；張浩等，2003；張利權等，2004；Zhang et al.，2011；Zhang et al.，2013），作為典型的高密度人類集聚區(qū)，快速城市化過程中生態(tài)綠地資源不足與城市居民的生態(tài)需求存在著明顯的落差。然而目前對于上?？焖俪鞘谢尘跋碌木G色空間格局演變研究仍有待加強，這對于揭示現(xiàn)階段我國高度城市化區(qū)域面臨的資源約束以及生態(tài)基礎設施建設面臨的瓶頸制約與尋求破解之道具有重要的現(xiàn)實意義。因此，本研究以上海典型快速城市化地區(qū)為例，基于景觀生態(tài)學的視角，在格局-過程理論與方法指導下，借助梯度分析、空間統(tǒng)計及RS/GIS技術，應用景觀格局分析方法來揭示高度城市化區(qū)域人類活動影響下的景觀格局梯度帶演變，重點闡述快速城市化過程中城鄉(xiāng)用地轉(zhuǎn)變對綠色空間格局的影響，旨在探索此類地區(qū)可持續(xù)的綠色空間規(guī)劃和建設途徑。

1　研究區(qū)概況

上海市地處東經(jīng)120°51～122°12′與北緯30°40′～31°53′之間，北界長江，東瀕東海，南臨杭州灣，西接江蘇和浙江兩省，地理位置優(yōu)越。上海境內(nèi)除西南部有少數(shù)丘陵山脈外，多為坦蕩低平的平原，海拔高程為2.2～4.8 m。全市屬北亞熱帶季風性氣候，溫和濕潤，年平均溫度為15.2～15.9 ℃，年平均降水量為1048～1138 mm。區(qū)域自然植被屬于中亞熱帶常綠闊葉林帶，在人類活動的影響下，上海地區(qū)的自然植被遭受到嚴重破壞，目前僅存于金山三島保護區(qū)內(nèi)，城市綠地多為人為培育管護的人工林。上海市土地面積約為6340.5 km2，共轄17個區(qū)、1個縣，常住人口2425.68萬（上海市統(tǒng)計局等，2015）。以上海1994年城市化水平達到70.1%為界，上海已進入城市化高速發(fā)展階段（方創(chuàng)琳等，2008）。

2　研究方法

2.1數(shù)據(jù)采集及預處理

采用固定樣窗法，以上海市區(qū)人民廣場為中心，在上海市域范圍內(nèi)城市化發(fā)展最為強烈的區(qū)域內(nèi)設置矩形樣窗（圖1）。樣窗大小為60 km×60 km，總面積為3600 km2，占上海市總面積的60%左右，包括上海市行政區(qū)域內(nèi)大部分的陸域區(qū)域（不包括崇明島、長興島、橫沙島、金山區(qū)和靠近海岸的部分區(qū)域）。本研究選取1997年4月11日、2000年4月27日、2005年8月15日、2008年3月24日、2015年3月12日5個年份的Landsat TM/ETM+和Landsat 8遙感數(shù)據(jù)。5幅影像在研究區(qū)范圍內(nèi)影像云量少，質(zhì)量較好，可為各個不同時期綠色空間解譯提供良好的數(shù)據(jù)基礎。綠色空間信息提取過程采用一系列的輔助數(shù)據(jù)，包括上海市土地利用分類圖（Shapefile格式，1996年，2000年，2003年和2007年）、上海市行政區(qū)地圖資料（Shapefile格式，1∶25萬）、上海城區(qū)綠化地圖（地圖掃描，2003年、2008年和2011年）以及野外調(diào)查數(shù)據(jù)（2008—2010年植被樣地調(diào)查數(shù)據(jù)）等相關研究成果及統(tǒng)計資料數(shù)據(jù)。

以上海1∶250000的行政區(qū)地圖為基準進行圖像配準。以地形圖為參考數(shù)據(jù)源，對1997年度的TM圖像進行幾何校正，校正重采樣選用雙線性內(nèi)插法（Bilinear interpolation）進行地圖對圖像的配準，幾何精校正誤差控制在1個像元內(nèi)。將校正影像地圖投影到上海城建地方坐標系。以校正好的1997年TM圖像為基準圖，對2000年、2005年、2008年和2015年的影像進行圖像對圖像的精確配準處理，幾何精校正誤差在0.5個像元內(nèi)。

圖1　研究區(qū)地理位置和范圍Fig. 1　Location of the study area and its boundary

2.2影像解譯、精度驗證與分類體系

以《土地利用現(xiàn)狀分類》（中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局等，2007）、《城市綠地分類標準》（中華人民共和國建設部，2002）及市域綠地系統(tǒng)為依據(jù)，將研究區(qū)域用地類型分為綠色空間和非綠色空間兩大類，綠色空間包括森林綠地（包括所有具有一定森林覆蓋率的區(qū)域，主要類型有公園綠地、防護綠地、有林地等）、灌草地（包括灌木林、草地等，一般沒有樹木或樹木很少）、農(nóng)田（包括耕地、水田、菜地等）和水體（包括天然及人工的湖泊、河渠、水庫坑塘及灘涂等水域）四大類，將建設用地（各類已建成用地，包括城鄉(xiāng)居民點、工礦、交通設施用地及其它建設用地）和其他用地（包括裸土、裸巖、石礫地、鹽堿地、沼澤地、沙地及其它在建或未利用土地）作為背景類型來分析。采用監(jiān)督分類法中常用的最大似然法對影像進行分類，每一幅影像選取250個以上的訓練樣本，采用現(xiàn)場調(diào)研取點和隨機取樣點結合的方法，樣點在研究區(qū)內(nèi)均衡分布并且確保覆蓋包括每一個類別。監(jiān)督分類后，在ENVI 5.1的支持下，建立誤差混淆矩陣，計算得到5個年份的總體精度在78.6%～88.5%之間，Kappa系數(shù)在0.73～0.79之間，均達到最低可接受判別精度的要求（Jessen et al.，1994）。

2.3景觀格局指數(shù)分析

景觀指數(shù)高度濃縮景觀格局信息，用來檢測和描述景觀空間格局的變化，而景觀構成變化反映了區(qū)域人類活動對景觀的干擾方式和程度（鄔建國，2006；Buyantuyev et al.，2009）。通過參考相關研究后比較分析（張琳琳等，2010；陳永林等，2015），共選取景觀面積比例（PLAND）、斑塊數(shù)量（NP）、斑塊密度（PD）、最大斑塊指數(shù)（LPI）、景觀形狀指數(shù)（LSI）及Shannon's多樣性指數(shù)（SHDI）等6個景觀格局指標（表1），基于遙感影像解譯分類圖，在Arcgis 9.3和Fragstats 3.3（McGarigal et al.，2002）軟件支持下分析計算。

表1　景觀格局指數(shù)及其生態(tài)意義（McGarigal et al.， 2002）Table 1　The landscape indices and its ecological significance

2.4梯度分析尺度及方向特征選擇

按照城鄉(xiāng)一體、協(xié)調(diào)發(fā)展的方針政策，上海市總體規(guī)劃（1999—2020年）將上海市總體布局規(guī)劃為以中心城為主體，形成“多軸、多層、多核”的市域空間布局結構，可以將其看做同心圓式的城市發(fā)展模式。因此，本文的梯度分析從兩個方面展開。第一，從中心向四周推繹，設立同心矩形梯度帶。具體設計方案為以上海市中心人民廣場為中心，以取樣框為邊界，考慮到上海主要交通環(huán)線的間距大約為3 km，將每個圈層跨度定為3 km，將研究區(qū)劃分為9個矩形環(huán)狀區(qū)域，進行同心矩形的景觀格局梯度分析（圖2a）。第二，從一個角向?qū)峭评[，設立貫穿研究區(qū)的不同方向的梯度帶。具體設計方案，選取研究區(qū)主體部分（除去外圍水體和長興島部分），從8個方向選取采樣區(qū)，類似的研究方法在濟南、昆明、天津等地均有一定應用，取得了較好的效果（Kong et al.，2006；Zhou et al.，2011；賈琦等，2012）?？紤]到主要交通道路的間距為3 km左右，同時為了與矩形圈層梯度分析相呼應，并確保采樣區(qū)能覆蓋整個研究區(qū)主體部分，因此每個采樣單元設置為邊長3 km的正方形，總共設置采樣區(qū)63個（圖2b）。

2.5基于移動窗法的景觀多樣性空間格局分析

移動窗口法為深入分析城市土地利用變化情況以及由此引起的城市景觀格局演變提供了可能，并且可以從空間上展現(xiàn)城市景觀格局動態(tài)演變的空間過程（張玲玲等，2014；鞏杰等，2015）。移動窗口方法首先要設定合適的取樣窗口，然后通過對在一定大小的取樣窗口內(nèi)選中的特征進行統(tǒng)計，輸出對應所選景觀指數(shù)的新柵格圖。Fragstats 3.3軟件自帶的移動窗口（Moving w indow）分析法提供了矩形和圓形兩種取樣窗模式，通過設定0.3 km ×0.3 km、0.5 km×0.5 km、1 km×1 km、2 km ×2 km、3 km×3 km、4 km×4 km、5 km×5 km、6 km×6 km等多個移動窗口的空間取樣分析得知，過小的窗口雖然能提供較精細的信息卻導致信息冗余和計算耗時，而較大的窗口雖可大幅縮短計算耗時卻有可能因平滑處理而丟失空間信息。綜合考慮空間信息保留以及計算耗時，認為選取3 km×3 km大小的移動窗口是較合適的。因而，本研究設定移動窗口為邊長3 km的矩形取樣窗。從研究區(qū)的左上角開始每次移動1個柵格，計算窗口內(nèi)的景觀指數(shù)值，中心的柵格被賦值為景觀多樣性指數(shù)，新的柵格圖是基于移動窗分析所得到的指數(shù)賦值生成的。

圖2　9個同心矩形梯度帶和8個方向梯度分析示意圖Fig. 2　The layout of nine concentric belts radiated from the city center and the sampling cells of eight directions

3　結果與分析

圖3　總體景觀格局特征Fig. 3　Synoptic landscape pattern change quantified by landscape metrics

3.1綠色空間景觀格局整體分析

城市化過程中多種景觀類型共同作用導致景觀水平的時空格局發(fā)生變化，本文研究重點集中在快速城市化背景下上海市綠色空間格局的空間響應，鑒于研究區(qū)域灌草地比例較低（僅占3.01%～1.58%），因此重點分析森林綠地景觀、農(nóng)田景觀、水體景觀和建設用地景觀四大主要用地的景觀格局指標變化。

根據(jù)圖3數(shù)據(jù)顯示，研究區(qū)土地利用情況發(fā)生了較大變化，農(nóng)田PLAND有著大幅下降，而建筑用地PLAND的顯著增長體現(xiàn)出上海市自1997—2015年整體呈快速城市化發(fā)展趨勢。森林綠地PLAND在2008—2015年增幅明顯，這主要是由于上海市在城市建設發(fā)展的過程中，環(huán)境保護的意識逐漸加強，一系列增綠措施及保護政策，使得綠地總量呈增長趨勢，而森林綠地斑塊密度PD值的不斷上升，說明了長期以來在先有城市建設，后有城市綠地的發(fā)展思路指導下，城市綠地規(guī)劃只是作為城市規(guī)劃的附屬存在，缺少統(tǒng)籌的規(guī)劃。盡管近年來城市綠地建設得到了重視，但囿于上海高強度的用地競爭環(huán)境，森林綠地景觀只能在快速城市建設的縫隙中存在，難以營建大規(guī)模的森林，而且變得更加破碎。水體的景觀面積比例基本保持在穩(wěn)定的狀態(tài)，這也與上海市重視對城市水體的規(guī)劃和修復有關，但作為一個生態(tài)欠帳比較嚴重的高度城市化區(qū)域，其水體景觀仍表現(xiàn)為嚴重的破碎。通過最大斑塊指數(shù)LPI的比較分析，建設用地景觀LPI占絕對優(yōu)勢，除農(nóng)田景觀外，森林綠地景觀和建筑景觀LPI都表現(xiàn)為增長趨勢。這可能是因為在上?？焖俪鞘谢M程中，大量連片經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)和商業(yè)綜合開發(fā)區(qū)不斷建成使得建設用地景觀LPI不斷增長；而與此同時，上海市政府為補償在城市擴展過程中城市周邊及附近的自然植被與水體被吞噬并轉(zhuǎn)化為城市用地的損失，在距離城區(qū)更遠的郊區(qū)興建了一系列大面積的城市綠地和公園，由此提升了森林綠地LPI；在進一步的分析中，各類型景觀斑塊形狀指數(shù)LSI在1997—2008年間均表現(xiàn)為增長趨勢，說明城市用地呈現(xiàn)離散化趨勢，而在2008—2015年間LSI的下降，表明在上海市控制人口數(shù)量和用地規(guī)模政策等影響下，城市綠色空間和建設用地均呈集聚形態(tài)發(fā)展。

3.2綠色空間同心矩形帶梯度模式分析

分別對9個矩形梯度帶不同時空尺度景觀格局的變化情況進行分析，由圖4分析可知：建設用地PLAND值在矩形環(huán)3以外環(huán)帶呈逐年上升趨勢，這表明城市建設用地在1997—2015年間仍呈擴張趨勢，而在矩形環(huán)3以內(nèi)的內(nèi)環(huán)及附近區(qū)域卻呈下降趨勢（圖4c），對應著森林綠地景觀在矩形環(huán)4以內(nèi)區(qū)域自2000年之后呈現(xiàn)很大的增幅（圖4a），這主要與上海市自1998年起實施的中心城區(qū)增綠措施及外環(huán)林帶建設有關。1997年，農(nóng)田景觀在矩形環(huán)5以外區(qū)域仍占據(jù)主要優(yōu)勢，但是在接下來很短的幾年時間內(nèi)，農(nóng)田景觀在矩形環(huán)5以外區(qū)域迅速縮減（圖4b）。水體景觀面積比例在各環(huán)帶變動不大。

通過對反映景觀破碎化與優(yōu)勢度的斑塊密度PD、最大斑塊指數(shù)LPI和斑塊形狀指數(shù)LSI分析可知，1997—2008年建設用地景觀在矩形環(huán)1、2、3表現(xiàn)出較小的PD值和較大的LPI值（圖4c），這對應著建筑景觀在中心城區(qū)有較大的PLAND值，說明了建筑用地在中心城區(qū)的絕對主導地位。而2008—2015年，建設用地景觀在矩形環(huán)4以內(nèi)區(qū)域PD值的增加和矩形環(huán)5以外區(qū)域PD值的減小說明中心城區(qū)建設用地更加地破碎化，而隨著城市化進程的推進，郊區(qū)的建設用地更加集中，面積也更大。農(nóng)田景觀LPI值逐年下降（圖4b），說明了農(nóng)田景觀在研究區(qū)內(nèi)迅速減少，只在少數(shù)區(qū)域仍保留有一定的面積，建設用地的擴張使原本均一化的農(nóng)田景觀越來越破碎，形狀也越來越復雜（圖4b）。森林綠地LSI在矩形環(huán)3以內(nèi)的升高表現(xiàn)出城市化較高的中心城區(qū)綠地形式的人工化、復雜化。水體景觀PD和LSI的升高，表明其受到的人為影響越來越顯著，尤其是外環(huán)區(qū)域。

3.3綠色空間多向梯度模式分析

在研究區(qū)多向梯度模式分析中，主要使用景觀面積比例PLAND、斑塊數(shù)量NP和斑塊密度PD對1997—2015年8個方向景觀格局變化情況進行分析。由圖5可知，1997年農(nóng)田景觀在郊區(qū)占主導地位，建設用地景觀在中心城區(qū)占主導地位；而2015年，建設用地景觀由內(nèi)向外朝所有方向蔓延，其在整個研究區(qū)內(nèi)占主導地位，農(nóng)田景觀僅在郊區(qū)有一定量的分布，下降趨勢明顯（圖5b、5c），說明城市化進程下，農(nóng)田景觀是受到?jīng)_擊最嚴重的景觀類型；森林景觀在中心區(qū)域所占比例仍然較低，但各方向森林綠地景觀均有增加。水體景觀在各方向的面積比例變動不大。

中心城區(qū)森林綠地景觀面積比例PLAND增加的同時，其斑塊數(shù)量NP和斑塊密度PD值呈現(xiàn)增大趨勢，說明在中心城區(qū)的森林綠地分布更加破碎，受到更強烈的人工影響而表現(xiàn)得更加復雜（圖6a、圖7a）。森林綠地景觀在郊區(qū)多個方向的斑塊數(shù)量NP有下降趨勢，斑塊密度PD有增大趨勢，這可能是由于浦東、松江、嘉定等地區(qū)在1997年農(nóng)田景觀占據(jù)主導地位，森林綠地景觀鑲嵌在農(nóng)田景觀中，而隨著農(nóng)田景觀主導地位的喪失，森林綠地景觀表現(xiàn)出相對完整性（圖5～7）。水體景觀斑塊數(shù)量NP在各個方向均有下降的表現(xiàn)，表明整個城市的水體都受到不同程度的影響。

3.4景觀多樣性時空動態(tài)變化分析

運用Fragstats 3.3的移動窗分析法對研究區(qū)SHDI進行分析，可以得出，1997年研究區(qū)僅中心城區(qū)景觀多樣性SHDI較低，而2015年，景觀多樣性SHDI在整個研究區(qū)均呈現(xiàn)下降趨勢（圖8）。利用ArcGIS 9.3里Raster Calculator功能，進一步分析研究區(qū)1997—2015年景觀多樣性變化情況，結果如圖9。圖9a顯示了1997—2015年景觀多樣性的變化情況，其中灰色區(qū)域代表景觀多樣性減小區(qū)域，黑色區(qū)域代表景觀多樣性增大區(qū)域。

圖4　同心矩形圈層梯度帶景觀格局指數(shù)變化分析（1997—2015）Fig. 4　Concentric landscape pattern change characterized by landscape metrics of PLAND， PD， LPI and LSI from 1997 to 2015

為了進一步分析景觀多樣性變化的原因，選取典型區(qū)域，對應景觀多樣性變化圖分析了綠色空間景觀內(nèi)部及與其他景觀的轉(zhuǎn)變關系（圖9b、9c、9d）。區(qū)域A和B處在外環(huán)區(qū)域的不同方向，其景觀多樣性的下降是由于城市建設用地的擴張及農(nóng)田的減少，使該區(qū)域的城市化水平越來越高；區(qū)域C景觀多樣性表現(xiàn)為增加趨勢，主要原因是該區(qū)域所處的浦東新區(qū)，有著復雜的用地變化，包括農(nóng)田的減少，建筑用地的增加，以及森林綠地的增長。通過選取典型區(qū)域分析景觀多樣性變化情況，可以幫助理解景觀多樣性變化與城市化過程的關系，為城市綠色空間規(guī)劃和管理帶來一定啟示（Yeh et al.，2009）。

圖5　8個方向景觀空間斑塊所占景觀面積比例梯度演變分析（1997和2015）Fig. 5　Percentage of landscape （PLAND） for （a） forest landscape； （b） crop landscape； （c） water landscape； （d） built-up landscape along eight directions transects in 1997 and 2015

圖6　8個方向景觀空間斑塊數(shù)量梯度演變分析（1997和2015）Fig. 6　Number of patches （NP） along eight directions transects in 1997 and 2015

圖7　8個方向景觀空間斑塊密度梯度演變分析（1997和2015）Fig. 7　Patch density （PD） for （a） forest landscape； （b） crop landscape； （c） water landscape； （d） built-up landscape along eight directions transects in 1997 and 2015

圖8　1997年和2015年景觀多樣性指數(shù)移動窗分析柵格圖Fig. 8　The SHDI distribution in grid format in 1997 and 2015

圖9　快速城市化背景下景觀多樣性變化及與綠色空間格局變化的關系Fig. 9　The changes in landscape diversity and their relationships w ith green space change in response to the rapid urbanization

4　結論與討論

4.1結論

基于梯度分析、空間統(tǒng)計及RS/GIS技術，對城市綠色空間景觀格局特征及演變規(guī)律進行了定量分析，同時從多層次上揭示了城鎮(zhèn)綠色空間在梯度變化、時空演變軌跡上對城市化進程的響應關系，結果如下：

（1）對綠色空間景觀格局指數(shù)分析反映出城市建設用地不斷向郊區(qū)侵蝕的過程，在1997—2015年間，研究區(qū)內(nèi)城市化進程不斷推進，所帶來的結果是綠色空間景觀面積比例PLAND的下降和建設用地景觀面積比例PLAND的升高。其中，農(nóng)田是新增建設用地的主要來源，因而農(nóng)田景觀面積比例PLAND下降較為明顯，而其斑塊數(shù)量NP和斑塊密度PD均呈急劇上升趨勢。森林綠地和水體的景觀面積比例PLAND保持在大致穩(wěn)定狀態(tài)。綠色空間景觀的景觀形狀指數(shù)LSI呈增長的趨勢。

（2）同心矩形帶梯度模式與多向梯度模式分析為城市綠色空間景觀格局連續(xù)定量分析提供了可能，基本實現(xiàn)景觀格局指數(shù)多層次的空間可視化，使研究區(qū)綠色空間各個方向景觀格局演變一目了然。1997—2015年間，研究區(qū)森林綠地景觀面積比例PLAND呈增長趨勢，尤其在內(nèi)環(huán)區(qū)域，表現(xiàn)更加復雜；農(nóng)田景觀面積比例PLAND在外環(huán)區(qū)域下降明顯，破碎化嚴重；水體景觀面積比例PLAND基本保持在穩(wěn)定狀態(tài)，部分區(qū)域有增加趨勢。

（3）基于移動窗法的景觀多樣性時空動態(tài)分析結果表明，在1997—2015年間，景觀多樣性在研究區(qū)內(nèi)多方向大面積表現(xiàn)為降低趨勢。選取典型地區(qū)對景觀多樣性演變的過程分析，揭示了快速城市化進程中土地利用的變化是導致景觀多樣性演變的重要原因。

4.2討論

本文在景觀生態(tài)學格局-過程理論與方法指導下展開研究，重點在于應用景觀格局分析方法來揭示高度城市化區(qū)域人類活動影響下的景觀格局梯度帶演變規(guī)律，這種景觀格局演變過程與生物多樣性、小氣候變化、水文動態(tài)等生態(tài)環(huán)境效應有密切的聯(lián)系（傅伯杰等，2006）。然而，現(xiàn)階段本文尚難以定量揭示景觀格局尺度上的生態(tài)學過程與這些生態(tài)環(huán)境影響之間的關系，這也是本文存在的主要不足之處。

本文所揭示的綠色空間景觀格局時空演變的規(guī)律，驗證了上海市近年來推行的諸多切實推進和加強綠化政策所帶來的正面效益，同時也反映了在快速城市化背景下農(nóng)業(yè)景觀退化嚴重，某些區(qū)域的景觀多樣性下降明顯等問題，因此如何基于綠色空間的景觀格局特征及其帶來的生態(tài)環(huán)境效應，提出合理的城市綠色空間規(guī)劃的方案及相應標準，從而進行積極有序的城市建設開發(fā)及生態(tài)修復工作，以更好地改善城市環(huán)境，將是進一步探討的問題。

BUYANTUYEV A， WU J. 2009.Urbanization alters spatiotemporal patterns of ecosystem primary production： A case study of the Phoenix metropolitan region， USA ［J］. Journal of Arid Environments， 73（4-5）： 512-520.

JESSEN L I F， FRANS J M， WEL V D. 1994. Accuracy assessment of satellite derived land-cover data： a review ［J］. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing， 60（4）： 410-432.

KONG F H， YIN H W， NAKAGOSHI N， et al. 2010. Urban green space network development for biodiversity conservation： identification based on graph theory and gravity modeling ［J］. Landscape and Urban Planning， 95（1/2）： 16-27.

KONG F， NAKAGOSH I N. 2006. Spatial-temporal gradient analysis of urban green spaces in Jinan， China ［J］. Landscape and Urban Planning，78（3）： 147-164.

MCGARIGAL K， CUSHMAN S A， ENE E， HOLMESl C. 2002. FRAGSTATS：

Spatial pattern analysis program for categorical and continuous maps［EB/OL］. Amherst： University of Massachusetts［2016-04-15］. http：//www.umass.edu/ landeco/research/fragstats/fragstats.html.

NIEMEL? J. 2014. Ecology of urban green spaces： The way forward in answ ering major research questions ［J］. Landscape and U rban Planning，125： 298-303.

RAFIEE R， MAHINY A S， KHORASANI N. 2009. Assessment of changes in urban green spaces of Mashad city using satellite data ［J］.

International Journal of Applied Earth Observation & Geoinformation，?11（6）： 431-438.

ROY H Y， MATK C. 1999. Quantifying landscape structure： review of landscape indices and their application to forested landscapes ［J］. Progress in Physical Geography， 20（4）： 418-445.

TURNER T. 1992. Open space planning in London：from standards per 1000 to green strategy［J］. Town Planning Review， 63（4）： 365-386. WANG X J. 2001. Type， quantity and layout of urban peripheral green space［J］. Journal of Forestry Research， 12（1）： 67-70.

YEH C T， HUANG S L. 2009. Investigating spatiotemporal patterns of landscape diversity in response to urbanization ［J］. Landscape and Urban Planning， 93（3-4）： 151-162.

ZHANG H， QI Z F， YE X Y， et al. 2013. Analysis of land use/land cover change，population shift， and their effects on spatiotemporal patterns of urban heat islands in metropolitan Shanghai， China ?［J］. Applied Geography， 44： 121-133.

ZHANG H， ZHOU L， CHEN M， et al. 2011. Land use dynamics of the fast-grow ing Shanghai M etropolis， China （1979-2008） and its implications for land use and urban planning policy［J］. Sensors， 11（2）：1794-1809.

ZHOU X L， WANG Y C. 2011. Spatial-temporal dynam ics of urban green space in response to rapid urbanization and greening policies ［J］. L

andscape and Urban Planning， 100（3）： 268-277.

常青， 王仰麟， 李雙成.2007. 中小城鎮(zhèn)綠色空間評價與格局優(yōu)化——以山東省即墨市為例［J］. 生態(tài)學報， 27（9）： 3701-3710.

陳永林， 孫永光， 謝炳庚， 等. 2015. 不同景觀格局的紅樹林濕地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量比較研究——以廣西北部灣地區(qū)為例［J］. 生態(tài)環(huán)境學報，24（6）： 965-971.地理學報， 61（11）： 1123-1131.

方創(chuàng)琳， 鮑超， 喬標， 等. 2008. 城市化過程與生態(tài)環(huán)境效應［M］. 北京：科學出版社.

傅伯杰， 趙文武， 陳利頂. 2006. 地理—生態(tài)過程研究的進展與展望［J］.地理學報， 61（11）： 1123-1131.

統(tǒng)質(zhì)量比較研究——?以廣西北部灣地區(qū)為例［J］. 生態(tài)環(huán)境學報，24（6）： 965-971.

鞏杰， 孫朋， 謝余初， 等. 2015. 基于移動窗口法的肅州綠洲化與景觀破碎化時空變化［J］. 生態(tài)學報， 35（19）： 6470-6480.

賈琦， 運迎霞， 黃煥春. 2012. 快速城市化背景下天津市城市景觀格局時空動態(tài)分析［J］. 干旱區(qū)資源與環(huán)境， 26（12）： 14-21.

李鋒， 王如松. 2004. 城市綠色空間生態(tài)服務功能研究進展［J］. 應用生態(tài)學報， 15（3）： 527-531

李哈濱， FRANKLIN J F. 1988. 景觀生態(tài)學——生態(tài)學領域里的新概念框架生態(tài)學進展［J］. 生態(tài)學進展， 6（3）： 149-155.

李俊祥， 王玉潔， 沈曉虹， 等. 2004. 上海市城鄉(xiāng)梯度景觀格局分析［J］.生態(tài)學報， 24（9）： 1973-1980.

李曉文， 方精云， 樸世龍. 2003. 上海城市用地擴展強度、模式及其空間分異特征［J］.自然資源學報， 18（4）： 412-422.

李曉文， 方精云， 樸世龍. 2004. 上海城市土地利用轉(zhuǎn)變類型及其空間關聯(lián)分析［J］. 自然資源學報， 19（4）： 438-446.

上海市統(tǒng)計局， 國家統(tǒng)計局， 上海調(diào)查總隊. 2015. 上海統(tǒng)計年鑒［M］.北京： 中國統(tǒng)計出版社.

邵大偉， 吳殿鳴. 2016. 基于景觀指數(shù)的南京主城區(qū)綠色空間演變特征研究［J］. 中國園林， 32（2）： 103-107.

陶宇， 李鋒， 王如松， 等. 2013. 城市綠色空間格局的定量化方法研究進展［J］. 生態(tài)學報， 33（8）： 2330-2342.

王發(fā)曾， 王勝男， 李猛. 2012. 洛陽市區(qū)綠色開放空間系統(tǒng)的動態(tài)演變與功能優(yōu)化［J］. 地理研究， 31（7）： 1209-1223.

鄔建國. 2006. 景觀生態(tài)學——格局、過程、尺度與等級（第二版）［M］. 北京： 高等教育出版社.

楊振山， 張慧， 丁悅， 等. 2015. 城市綠色空間研究內(nèi)容與展望［J］. 地理科學進展， 34（1）： 18-29.展［J］. 生態(tài)學報， 33（8）： 2330-2342.

張浩， 王祥榮. 2003. 上海城市土地利用/覆蓋演變對空氣環(huán)境的潛在影響［J］. 復旦學報（自然科學版）， 42（6）： 925-929.

張利權， 吳健平， 等. 2004. 基于GIS的上海市景觀格局梯度分析［J］. 植物生態(tài)學報， 28（1）： 78-85.

張琳琳， 孔繁花， 尹海偉， 等. 2010. 基于景觀空間指標與移動窗口的濟南城市空間格局變化［J］. 生態(tài)學雜志， 29（08）： 1591-1598.

張玲玲， 趙永華， 殷莎， 等. 2014. 基于移動窗口法的岷江干旱河谷景觀格局梯度分析［J］. 生態(tài)學報， 34（12）： 3276-3284.

中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會. 2007. 土地利用現(xiàn)狀分類標準（GB-T21010-2015）［M］. 北京：中國標準出版社.

中華人民共和國建設部. 2002.《城市綠地分類標準》（CJJT85-2002）［M］.北京： 中國建筑工業(yè)出版社.

Investigating Spatiotemporal Patterns of Landscape Gradient and Diversity of Urban Green Spaces of Shanghai in Response to Rapid Urbanization

LI Yingying， HUANG Chenglin， ZHANG Yu
School of Forestry & Landscape Architecture， Anhui Agriculture University， Hefei 230036， China

Rapid urbanization had caused a series of ecological problems associated with the change of green space in Shanghai. A consensus has been reached that green spaces are invaluable in the dynamics of coupled natural and human systems. Through the integration of remote sensing （RS） and geographic information system （GIS） techniques，five Landsat TM/ETM+imagery acquired from 1997 to 2015 were used to measure the spatiotemporal patterns of landscape gradient and diversity of urban green spaces in the fast-growing Shanghai， China. Such analysis enables a deeper understanding of the mechanism of landscape dynamics， providing the support for the urban landscape pattern optimization and management. Results showed that， （1） Rapid expansion of built-up land in Shanghai led to the shrinking of green spaces. The crop land PLAND decreased by 32.85%， forest PLAND increased 9.44%， water PLAND increased 1.58% and built-up PLAND increased 28.59%. （2） Landscape pattern dynamics in Shanghai was dramatic with the multi-directional expansion from 1997 to 2015. Based on concentric and directional landscape gradient analyses，the increase of PLAND， NP， PD and LSI showed that forest land increased but became more fragmented. In the outer belts， the increase of PLAND，LPI and the decrease of NP showed that forest became more clustered. The decrease of PLAND，LPI and the increase of PD， LSI showed that the agricultural land was largely encroached and fragmented due to urban sprawl. （3） According to temporal and spatial change of landscape diversity， the SHDI only have a low level in central Shanghai in 1997 while decreased across Shanghai in 2015.

urban green space； landscape pattern； gradient analysis； landscape diversity； Shanghai

10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.07.004

P901； X171.1

A

1674-5906（2016）07-1115-10

國家自然科學基金項目（41301650）

李瑩瑩（1983年生），女，講師，博士，主要從事城市生態(tài)與環(huán)境規(guī)劃、景觀生態(tài)規(guī)劃與設計工作。E-mail： lyyforward@126.com *通信作者：黃成林，教授，主要從事城市園林綠化規(guī)劃與設計。E-mail： hcl8888@ahau.edu.cn

2016-04-15