曼谷城市擴(kuò)張生態(tài)環(huán)境效應(yīng)

韓瑞丹,張 麗,鄭 藝,王 恒,張 靜

1 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院, 泰安 271018 2 海南省地球觀測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 三亞 572029 3 中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所數(shù)字地球重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100094

曼谷城市擴(kuò)張生態(tài)環(huán)境效應(yīng)

韓瑞丹1,2,張 麗2,3,*,鄭 藝3,王 恒3,張 靜3

1 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院, 泰安 271018 2 海南省地球觀測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 三亞 572029 3 中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所數(shù)字地球重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100094

利用1990、2000、2010和2015年4期Landsat數(shù)據(jù)和2000—2015年的MODIS NDVI數(shù)據(jù),開展了泰國(guó)曼谷地區(qū)近25年來(lái)城市擴(kuò)張分析,包括城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張時(shí)空變化和擴(kuò)張模式分析、擴(kuò)張的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)分析以及擴(kuò)張驅(qū)動(dòng)力分析。結(jié)果表明：(1)自1990年以來(lái),曼谷城市建設(shè)用地面積持續(xù)增長(zhǎng),經(jīng)歷了先快后慢再快的增長(zhǎng)過(guò)程。城市擴(kuò)張主要沿東北方向,且在距離城市中心14—20km的范圍內(nèi)擴(kuò)張最為明顯,擴(kuò)張模式以邊緣式和填充式為主。(2)在城市化進(jìn)程中,植被和熱島對(duì)城市擴(kuò)張分別有不同的響應(yīng)。植被綠度整體呈下降趨勢(shì),下降明顯的地區(qū)位于距城市中心10—20km的范圍內(nèi),即城市建設(shè)用地明顯擴(kuò)張的區(qū)域。熱島分布與城市建成區(qū)分布具有空間一致性,自1990s以來(lái),熱島效應(yīng)整體增強(qiáng),但局部變異越來(lái)越不明顯。(3)曼谷城市擴(kuò)張受到自然地理?xiàng)l件、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、城市布局等多重因素的影響。

城市擴(kuò)張；植被；熱島；驅(qū)動(dòng)因素

20世紀(jì)以來(lái),世界城市化進(jìn)入全面發(fā)展階段。伴隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展,城市人口持續(xù)增長(zhǎng),城市建筑群規(guī)模不斷擴(kuò)大,城市氣候、環(huán)境問題日益突出。相比于內(nèi)陸城市,港口城市因其便捷的交通條件發(fā)展更加迅速。港城分布在生態(tài)環(huán)境脆弱的海岸帶區(qū)域,其擴(kuò)張給海岸帶和城市內(nèi)部生態(tài)環(huán)境帶來(lái)沉重負(fù)擔(dān)。認(rèn)識(shí)港口城市發(fā)展特征、港口城市土地資源和生態(tài)環(huán)境狀況,厘清港口城市擴(kuò)張對(duì)海岸帶陸地生態(tài)環(huán)境的影響,對(duì)于探究人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對(duì)海岸帶生態(tài)環(huán)境影響、制定合理港口城市發(fā)展及海岸帶生態(tài)環(huán)境保護(hù)方案具有重要意義。

城市化的快速推進(jìn)改變下墊面的物質(zhì)組成和特性,影響地表生態(tài)要素的生理生態(tài)狀況、結(jié)構(gòu)組成、空間格局等,對(duì)資源消耗和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等產(chǎn)生重大影響。目前,研究者多以各國(guó)首都城市、一線城市、重要經(jīng)濟(jì)圈等為研究區(qū)[1- 2],以Landsat、SPOT、HJ、航空影像、MODIS等為遙感數(shù)據(jù)源[3],集中于研究城市土地利用/覆被變化及驅(qū)動(dòng)力[4]、城市擴(kuò)張形態(tài)和模式[5]、城市擴(kuò)張模擬預(yù)測(cè)等。對(duì)于城市擴(kuò)張的生態(tài)影響研究,多集中于城市植被變化[6- 7]、熱島效應(yīng)[8]、大氣污染[9]、水體污染[10]、土壤碳循環(huán)[11- 12]、城市內(nèi)澇等。在港口城市擴(kuò)張生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究方面,大多學(xué)者沿用內(nèi)陸城市的研究方法,集中在對(duì)城市土地利用結(jié)構(gòu)時(shí)空變化、空氣污染、能源消耗等方面,也有學(xué)者對(duì)沿岸近海區(qū)的生態(tài)環(huán)境展開研究,如岸線變遷、岸堤侵蝕、圍海造田等。植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體,對(duì)于地表環(huán)境、氣候變化具有強(qiáng)烈的敏感性,而城市熱島是城市生態(tài)環(huán)境失調(diào)引起的最顯著的城市環(huán)境問題之一,因此,城市植被變化和城市熱島問題是所有城市化生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究的兩大熱點(diǎn)。

曼谷是泰國(guó)首都和中南半島最大的城市,同時(shí)又是“21世紀(jì)海上絲綢之路”建設(shè)的重要節(jié)點(diǎn)港口城市。20世紀(jì)50年代,隨著工業(yè)的迅速發(fā)展,曼谷經(jīng)濟(jì)有所提高,城市化逐漸興起。1990年至今的這段時(shí)間是曼谷城市發(fā)展的重要階段[13]。曼谷城市容納著泰國(guó)一半以上的城市人口,城市首位度畸高、虛假城市化的現(xiàn)象世界罕見[14]。截止到2015年,曼谷城市人口達(dá)到927.0萬(wàn)人,相比于1990年增長(zhǎng)了約57%,且預(yù)測(cè)至2030年將達(dá)到1152.8萬(wàn)人[15]。人口的快速城市化引起了土地的城市化,從而導(dǎo)致曼谷城市綠地減少、地表溫度升高、空氣污染、水污染等一系列生態(tài)問題突出[16]。在中國(guó),已有眾多學(xué)者對(duì)國(guó)內(nèi)港口城市(如大連、天津、江蘇、上海、福州、廣州等)展開了城市擴(kuò)張及生態(tài)環(huán)境影響等方面的研究[17],然而在泰國(guó)曼谷,這方面的研究卻相對(duì)較少。為了全面了解曼谷快速城市化過(guò)程中城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張情況和城市擴(kuò)張對(duì)城市環(huán)境的影響情況,本文利用多時(shí)相Landsat和MODIS遙感數(shù)據(jù),開展曼谷港口城市土地覆蓋/利用類型變化監(jiān)測(cè)和城市建設(shè)用地變化監(jiān)測(cè),探討城市化過(guò)程中植被和近地表溫度多環(huán)境要素的時(shí)空變化規(guī)律,分析城市化的驅(qū)動(dòng)因素。本研究從泰國(guó)城市擴(kuò)張規(guī)律、模式和城市化對(duì)植被、熱島的影響著手,探究曼谷城市發(fā)展的合理性,以期為我國(guó)城市規(guī)劃和發(fā)展、城市生態(tài)文明建設(shè)提供借鑒或參考。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

曼谷是泰國(guó)唯一的府級(jí)直轄市,位于湄南河下游,南部瀕臨泰國(guó)灣,面向太平洋,介于13°29′—13°58′N、100°19′—100°57′E之間,是泰國(guó)首都和中南半島最大城市,也是全球最受歡迎的旅游城市之一,具有“天使之城”的美譽(yù)。該地區(qū)地勢(shì)平坦,氣候濕熱,屬于熱帶季風(fēng)氣候,盛行西南風(fēng),年平均氣溫為27.5℃,年降水量約為1500mm。曼谷既是中國(guó)-東南半島經(jīng)濟(jì)走廊的重要節(jié)點(diǎn)城市,同時(shí)又擁有海上絲綢之路的重要港口——曼谷港。曼谷港屬于河港,位于湄南河下游東岸,距離河口約25.75km。

18世紀(jì)末19世紀(jì)初,為了發(fā)展對(duì)外貿(mào)易,泰國(guó)將首都遷至曼谷,曼谷港口隨之發(fā)展起來(lái)。泰國(guó)經(jīng)濟(jì)屬外向型經(jīng)濟(jì),對(duì)外貿(mào)易在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)重要地位,而曼谷港作為泰國(guó)最大的港口,承擔(dān)著泰國(guó)90%的外貿(mào)活動(dòng),對(duì)曼谷城市乃至泰國(guó)發(fā)展具有主導(dǎo)作用,同時(shí)也是中國(guó)連通東南亞和南太平洋的重要交通樞紐。

1.2 數(shù)據(jù)與方法

1.2.1 城市建設(shè)用地信息提取

為提取曼谷城市建設(shè)用地專題信息、監(jiān)測(cè)研究區(qū)土地利用/覆蓋類型變化情況,本文選取1990、2000、2010、2015年4個(gè)時(shí)期的Landsat5 TM和Landsat8 OLI數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)幾何校正、配準(zhǔn)、鑲嵌、裁剪等預(yù)處理,采用最大似然監(jiān)督分類法對(duì)研究區(qū)的土地類型按照建設(shè)用地、綠地、水體、裸地4種地類進(jìn)行分類,以提取城市建設(shè)用地專題信息。通過(guò)生成隨機(jī)點(diǎn)與Google Earth影像對(duì)比驗(yàn)證,4個(gè)時(shí)期的總體分類精度均在80%以上。

1.2.2 城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張分析

基于以上獲取的4期城市建設(shè)用地專題信息數(shù)據(jù),以2015年的建設(shè)用地重心為原點(diǎn),分別采用象限方位法和緩沖帶分析法將研究區(qū)分為4個(gè)象限和20個(gè)2km間隔的圓形緩沖區(qū),引入建設(shè)用地比重、擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù)(AI)和年均增長(zhǎng)率指數(shù)(AGR)定量分析各象限和各緩沖區(qū)內(nèi)的城市建設(shè)用地空間分布特征和時(shí)空變化特征。其中建設(shè)用地比重等于一定范圍內(nèi)建設(shè)用地面積占區(qū)域土地總面積的比例,AI用來(lái)對(duì)比不同時(shí)期同一地區(qū)城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的強(qiáng)度,AGR用來(lái)對(duì)比不同地區(qū)同一時(shí)間城市建設(shè)用地的擴(kuò)張速率,其計(jì)算公式分別如下：

(1)

(2)

式中,Astar、Aend分別為研究單元初期、末期的建設(shè)用地面積,d為時(shí)間間隔。

景觀擴(kuò)張指數(shù)(LEI)可定量識(shí)別城市空間擴(kuò)張的類型,本研究采用LEI表示城市新增建設(shè)用地斑塊的類型,該指數(shù)基于新增建設(shè)用地斑塊生成的緩沖區(qū)進(jìn)行定義[18]：

(3)

式中,LEI取值范圍是[0—100],S0為新增建設(shè)用地斑塊生成的30m緩沖區(qū)內(nèi)原有建設(shè)用地斑塊面積,Sv為緩沖區(qū)內(nèi)除去原有建成區(qū)斑塊剩余的面積。本研究將LEI=0的斑塊定義為飛地式,即新增建設(shè)用地斑塊與原有建設(shè)用地斑塊分離；將LEI∈(0,50)的斑塊定義為邊緣式,即新增建設(shè)用地斑塊沿原有建設(shè)用地斑塊的邊緣擴(kuò)展；將LEI∈[50,100]的斑塊定義為填充式,即新增建設(shè)用地斑塊填充在原有建設(shè)用地斑塊內(nèi)部[19]。

1.2.3 城市擴(kuò)張生態(tài)環(huán)境效應(yīng)分析

(1)植被時(shí)空變化監(jiān)測(cè)

本研究選取歸一化植被指數(shù)(NDVI)表征綠地植被的生長(zhǎng)狀況和動(dòng)態(tài)變化。NDVI數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)航空航天局(NASA)提供的16d最大值合成植被指數(shù)產(chǎn)品MOD13Q1,該數(shù)據(jù)空間分辨率為250m,時(shí)相選取包括2000—2015年逐期數(shù)據(jù)。首先將每年16d的NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行最大值合成,得到逐年NDVI年最大值,然后利用一元線性回歸方程分析植被變化趨勢(shì)：

(4)

式中，n為監(jiān)測(cè)時(shí)間序列的長(zhǎng)度,MNDVI為第i年NDVI的最大值；θslope為像元NDVI的回歸斜率值。當(dāng)θslope>0時(shí),該區(qū)域的植被呈增長(zhǎng)或改善趨勢(shì),反之呈減少或退化趨勢(shì),當(dāng)θslope=0時(shí),說(shuō)明該區(qū)域NDVI沒有變化。

在植被變化趨勢(shì)分析的基礎(chǔ)上,本文利用緩沖分析法研究植被沿城鄉(xiāng)梯度的過(guò)度特征。即以2015年建設(shè)用地重心為圓心,建立20個(gè)以2km為間隔的圓形緩沖區(qū),統(tǒng)計(jì)分析各環(huán)形緩沖區(qū)內(nèi)NDVI的平均變化趨勢(shì)。

(2)熱島效應(yīng)監(jiān)測(cè)

基于Landsat熱紅外影像,本文采用覃志豪的單窗口算法[20- 22]反演地表溫度(LST)。數(shù)據(jù)預(yù)處理包括輻射定標(biāo)、大氣校正、幾何校正、配準(zhǔn)、重采樣等。基于單窗口算法反演地表溫度的主要步驟包括：(1)亮溫計(jì)算；(2)地表比輻射率計(jì)算；(3)近地表溫度和大氣參數(shù)計(jì)算；(4)地表真實(shí)溫度反演。

基于Landsat反演得到的地表溫度數(shù)據(jù),引入城市熱力場(chǎng)變異指數(shù)(TFVI)定量分析熱島效應(yīng)。TFVI定義為某點(diǎn)LST與研究區(qū)域平均LST的差值與研究區(qū)域平均LST之比[23],計(jì)算公式如下：

(5)

式中,TFVI為城市熱力場(chǎng)變異指數(shù)；T為城市某點(diǎn)的LST,TMEAN為城市研究區(qū)域的平均LST。為了直觀地描述城市熱場(chǎng)變化,本文采用閾值法先將城市熱力場(chǎng)分為非熱島(TFVI≤0)和熱島(TFVI>0),又將熱島細(xì)分為弱熱島(TFVI∈(0,0.15])、強(qiáng)熱島(TFVI∈(0.15,0.3])和極強(qiáng)熱島(TFVI>0.3),做出城市熱島效應(yīng)分級(jí)示意圖。為了方便城市熱島效應(yīng)的比較,引入城市熱島比例指數(shù)來(lái)表征城市熱島的影響程度,城市熱島比例指數(shù)為城市熱島面積與研究區(qū)面積的比值,其值越大,說(shuō)明熱島效應(yīng)越嚴(yán)重。

2 結(jié)果與分析

2.1 城市建設(shè)用地時(shí)空變化及擴(kuò)張模式分析

2.1.1 時(shí)空變化分析

對(duì)4個(gè)時(shí)期的城市建設(shè)用地影像進(jìn)行疊加,從不同時(shí)相建設(shè)用地空間分布情況(圖1,表1)看,曼谷25年間建設(shè)用地發(fā)生了很大變化,擴(kuò)張現(xiàn)象十分明顯。從1990—2015年曼谷城市建設(shè)用地面積持續(xù)增長(zhǎng),面積比例從25.96%增長(zhǎng)至52.39%,增長(zhǎng)了1倍多。就年均擴(kuò)張程度AI來(lái)說(shuō),1990—2000年的AI為18.84km2,2000—2010年的AI為13.26 km2,2010—2015年的AI為18.62 km2,即在1990—2000年間城市擴(kuò)張強(qiáng)度最大,其次為2010—2015年,而2000—2010年擴(kuò)張程度相比其他兩個(gè)階段較弱,即自1990年至2015年以來(lái),曼谷城市擴(kuò)張呈現(xiàn)先快后慢而后又增快的特點(diǎn)。

圖1 曼谷1990—2015年建設(shè)用地時(shí)空變化Fig.1 Spatio-temporal changes of built-up land in 1990, 2000, 2010 and 2015 in Bangkok

結(jié)合4個(gè)象限建設(shè)用地面積、比重、年均擴(kuò)張程度AI和年均擴(kuò)張速率AGR,曼谷建設(shè)用地主要分布在第一、三象限,即東北和西南方向,但建設(shè)用地比重最大的地方位于第二、三象限,即西部地區(qū)(圖2)。從建設(shè)用地的年均擴(kuò)張強(qiáng)度AI和年均增長(zhǎng)率AGR來(lái)看,各象限的城市建設(shè)用地均在擴(kuò)張,但存在明顯的時(shí)空異質(zhì)性。1990—2000年各象限的年均擴(kuò)張速率AGR均明顯大于2000—2010和2010—2015兩個(gè)階段,可見曼谷于20世紀(jì)末經(jīng)歷了快速的城市化進(jìn)程；3個(gè)時(shí)間段內(nèi)的AI、ARG均在第一象限為最大值,第二象限為最小值,說(shuō)明曼谷城市建成區(qū)主要沿東北地區(qū)擴(kuò)展,而沿西北方向擴(kuò)張相對(duì)不明顯(圖3)。

表1 曼谷不同時(shí)期建設(shè)用地面積、比重和擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù)AI

圖2 各象限建設(shè)用地面積和建設(shè)用地面積比重Fig.2 Urban built-up land areas and built-up land areas proportion in four sectors

圖3 各象限建設(shè)用地?cái)U(kuò)張強(qiáng)度AI和年均擴(kuò)張速率AGRFig.3 Annual increase and annual growth rate of built-up land areas in four sectors

從緩沖區(qū)分析結(jié)果(圖4)上看,城市建成區(qū)比重隨著距城市中心距離變遠(yuǎn)而變小。自2010年起,在距離城市中心10km以內(nèi)的地區(qū),建成區(qū)比重達(dá)到80%以上。由于城市中心2km范圍內(nèi)存在公園綠地,所以城市中心的建成區(qū)比重并未達(dá)到最大值,而是在距離城市中心2—4km的范圍達(dá)到最大(圖4)。從空間上看,城市擴(kuò)張集中在距離城市中心10—26km的地方,其中14—20km處城市擴(kuò)張最為顯著。從時(shí)間上看,在距離市中心12km以內(nèi)的地區(qū),AI2010—2015

圖4 城市建設(shè)用地沿城鄉(xiāng)梯度變化特征Fig.4 Spatio-temporal change characteristics of urban built-up land areas along urban-rural gradient

2.1.2 擴(kuò)張模式分析

從城市擴(kuò)張模式統(tǒng)計(jì)結(jié)果上看,3個(gè)時(shí)段的城市擴(kuò)張模式均以邊緣式和填充式為主(圖5)。填充式的擴(kuò)張模式主要分布在近城市地區(qū),大約在距城市中心12km以內(nèi)的地方；而邊緣式的擴(kuò)張模式分布在距離城市中心較遠(yuǎn)的地方。對(duì)比3個(gè)時(shí)期填充式擴(kuò)張模式峰值出現(xiàn)的位置,發(fā)現(xiàn)其明顯向城市外邊緣移動(dòng),且在2010—2015年,填充式擴(kuò)張模式在距離城市中心14—20km的地方明顯增多(圖5)。隨著城市擴(kuò)張進(jìn)程的推進(jìn),填充式的擴(kuò)張模式無(wú)論在斑塊數(shù)量或在面積上均呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì),而邊緣式的擴(kuò)張模式則呈現(xiàn)下降趨勢(shì)(表2),說(shuō)明城市建設(shè)用地的聚集度正在提高。

以填充式為主的城市擴(kuò)張模式有利也有弊。其一方面可以提高土地利用強(qiáng)度,避免土地資源浪費(fèi),另一方面卻會(huì)加大城市內(nèi)部的壓力,如開放空間不足、交通堵塞、環(huán)境污染等。Estoque[13]對(duì)曼谷大都會(huì)(包括本文的曼谷及其周邊地區(qū))1988—2009年的城市擴(kuò)張研究結(jié)果顯示,曼谷大都會(huì)的城市擴(kuò)張以邊緣式為主導(dǎo),而本文的曼谷城市擴(kuò)張以邊緣式和填充式為主。這充分說(shuō)明,以填充式為主的擴(kuò)張模式主要存在于曼谷內(nèi)部。結(jié)合曼谷交通擁擠、環(huán)境污染等典型的“城市病”問題,這種擴(kuò)張模式勢(shì)必會(huì)吸引更多人向城市內(nèi)部擁擠,從而加大“城市病”的病況,對(duì)于緩解曼谷首位度過(guò)高的現(xiàn)象十分不利。因此,如何在充分利用城市土地和緩解城市內(nèi)部壓力之間尋求平衡點(diǎn),應(yīng)成為曼谷城市規(guī)劃需考慮的問題。

圖5 基于緩沖區(qū)的三種擴(kuò)張模式面積統(tǒng)計(jì)Fig.5 Areas of three expansion patterns based on buffer zones

擴(kuò)張模式Expansionpattern1990—20002000—20102010—2015斑塊數(shù)量比例Proportionofpatchnumber斑塊面積比例Proportionofpatcharea斑塊數(shù)量比例Proportionofpatchnumber斑塊面積比例Proportionofpatcharea斑塊數(shù)量比例Proportionofpatchnumber斑塊面積比例Proportionofpatcharea填充式Infilling47.3834.0353.9145.3561.7447.00邊緣式Edge-expansion37.2857.8736.7550.5632.5347.95飛地式Outlying15.348.109.344.095.735.05

斑塊數(shù)量比例指各種擴(kuò)張模式類型的斑塊數(shù)量占新增斑塊總數(shù)量的比例；斑塊面積比例指各種擴(kuò)張模式類型的斑塊面積占新增斑塊總面積的比例

從本研究和Estoque的研究結(jié)果的來(lái)看,無(wú)論是曼谷或大曼谷,其城市新增建設(shè)用地斑塊都是沿舊城區(qū)逐漸向外擴(kuò)張,可見曼谷的城市發(fā)展仍屬于由中心向外蔓延的“攤大餅式”擴(kuò)張模式。中國(guó)上海港之于中國(guó)的地位與曼谷港之于泰國(guó)的地位相當(dāng),上海城市擴(kuò)張與曼谷城市擴(kuò)張存在諸多相似之處。兩個(gè)城市地勢(shì)均比較平坦,城市邊緣的土地類型均以農(nóng)田為主,城市擴(kuò)張均沿背離海岸帶的方向發(fā)展。但不同的是,上海城市發(fā)展呈“衛(wèi)星城”式發(fā)展,這種發(fā)展模式可有效緩解城市中心壓力,同時(shí)帶動(dòng)周邊地區(qū)共同發(fā)展[24]。而對(duì)于曼谷來(lái)說(shuō),其城市首位度畸高,周邊地區(qū)發(fā)展落后,區(qū)域經(jīng)濟(jì)水平差異十分明顯。在這一點(diǎn)上,曼谷或可借鑒上?！靶l(wèi)星城”式的發(fā)展模式,或在落后地區(qū)創(chuàng)建新的城市中心,以分散城市人口、工業(yè)過(guò)分集中的狀況,從而緩解曼谷城市中心的交通壓力、環(huán)境壓力、人口壓力,同時(shí)帶動(dòng)曼谷周邊區(qū)域的共同發(fā)展[14]。

2.2 城市擴(kuò)張生態(tài)環(huán)境效應(yīng)分析

2.2.1 城市擴(kuò)張對(duì)植被綠度的影響

從NDVI變化趨勢(shì)圖(圖6)中統(tǒng)計(jì)得到,自2000—2015年NDVI顯著降低(P≤0.05)的面積占曼谷全區(qū)總面積的22.59%,NDVI顯著增加(P≤0.05)的面積占曼谷全區(qū)總面積的11.56%。從NDVI變化趨勢(shì)緩沖分析結(jié)果上看(圖7),植被NDVI呈下降趨勢(shì)的地區(qū)主要分布在距離城市中心24km以內(nèi)的地方,呈增長(zhǎng)趨勢(shì)的地區(qū)主要分布在距離城市中心24km以外的地方。在距離城市中心10—20km的范圍內(nèi),植被綠度下降最為顯著,且與AI具有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,可說(shuō)明,在近城市中心24km以內(nèi)的地區(qū),城市擴(kuò)張是導(dǎo)致植被NDVI降低的主要因素。而在距離城市中心24km以外的地方,NDVI變化趨勢(shì)與AI無(wú)明顯關(guān)系,說(shuō)明遠(yuǎn)離城市中心的植被還未受到城市擴(kuò)張的影響。

圖6 曼谷2000—2015年NDVI變化趨勢(shì)Fig.6 NDVI trends from 2000 to 2015 in Bangkok

圖7 曼谷城市擴(kuò)張中植被綠度與AI、AGR的變化情況Fig.7 Variations of NDVI slope, AI, and AGR along the distance to city center

2.2.2 城市擴(kuò)張熱島效應(yīng)

對(duì)比4個(gè)時(shí)相的熱島空間分布圖(圖8)和曼谷土地利用/覆被圖(圖9),可以看出,1990年曼谷熱島主要分布在建設(shè)用地區(qū)域和東部的裸地地區(qū),其他3個(gè)時(shí)相的熱島主要分布在建設(shè)用地區(qū)域,非熱島主要分布在水體和綠地地區(qū)。4個(gè)時(shí)相的較強(qiáng)熱島和極強(qiáng)熱島主要分布在曼谷北郊的廊曼國(guó)際機(jī)場(chǎng)和曼谷南部的曼谷港口以及湄南河兩側(cè)的高密度建設(shè)用地區(qū)域?？梢?曼谷的城市熱島分布與建設(shè)用地分布在空間上具有一致性。與其他3個(gè)時(shí)相不同,1990年的熱島除了分布在建成區(qū)外,還主要分布在東北地區(qū)。這是由于早在1990年時(shí),曼谷東北部地區(qū)以裸地為主,裸地的地表反射率較高,地表溫度較高,故出現(xiàn)了熱島現(xiàn)象。1990年?yáng)|北部大面積的裸地同時(shí)導(dǎo)致曼谷全區(qū)熱島比例指數(shù)偏大,而到90年代后期,泰國(guó)政府為促進(jìn)制造業(yè)和服務(wù)業(yè)的發(fā)展,決定加強(qiáng)農(nóng)業(yè)投入[25],故在曼谷東北地區(qū)可發(fā)現(xiàn),1990年時(shí)的大片裸地到2000年時(shí)已變成有植被覆蓋的耕地,所以2000年時(shí)的熱島范圍明顯降低、熱島比例指數(shù)明顯下降,同時(shí)使城市內(nèi)部高密度建成區(qū)部分的較強(qiáng)熱島現(xiàn)象更加明顯。

圖8 4個(gè)時(shí)期曼谷城市熱島空間分布Fig.8 Spatial distribution of urban heat island of Bangkok in four periods

圖9 4個(gè)時(shí)期曼谷土地利用/覆被圖Fig.9 Land cover maps in four periods in Bangkok

聚焦于2000、2010、2015年的熱島變化(表3)可發(fā)現(xiàn),曼谷城市熱島范圍增大,熱島效應(yīng)整體增強(qiáng),熱島比例指數(shù)從2000年的46.43%上升至2015年53.15%,其中弱熱島比例指數(shù)與熱島比例指數(shù)變化趨勢(shì)一致,呈逐漸上升趨勢(shì),而較強(qiáng)熱島和極強(qiáng)熱島呈下降趨勢(shì)。說(shuō)明在城市化進(jìn)程中,城市熱島效應(yīng)整體增強(qiáng),但局部變異并不明顯。Arifwidodo[16]的研究成果與本文的研究成果具有相似之處,即均發(fā)現(xiàn)曼谷城市極強(qiáng)熱島主要分布在高密度的建成區(qū),且曼谷的熱島強(qiáng)度要比上海、舊金山等地高,海風(fēng)、降水、云、土地覆蓋類型、人口密度是影響城市熱島的主要因素。

2.3 城市擴(kuò)張驅(qū)動(dòng)力分析

曼谷城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張動(dòng)態(tài)分析表明,自1990年以來(lái),曼谷建設(shè)用地一直處于擴(kuò)張階段,各象限的城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張具有明顯的時(shí)空差異性,其原因主要取決于曼谷的自然地理位置、社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件和城市布局等。

表3 不同等級(jí)城市熱島比例指數(shù)

(1)自然地理位置 曼谷位于湄南河三角洲地區(qū),地勢(shì)低洼。貫穿于曼谷的湄南河將市區(qū)分成東西兩個(gè)部分,西岸如今被視為舊市區(qū),城市發(fā)展緩慢；而大皇宮、曼谷港、眾多工業(yè)園區(qū)、機(jī)場(chǎng)等均位于東岸,因此曼谷東部地區(qū)的城市化發(fā)展要快于西部。根據(jù)Google Earth高分辨率影像和本研究得到多時(shí)相土地利用類型空間分布圖(圖9),曼谷東北部土地相對(duì)遼闊,并且以農(nóng)田為主,成為城市擴(kuò)張的主要方向。而曼谷南部瀕臨泰國(guó)灣,地勢(shì)較低,陸地面積有限,城市擴(kuò)展并不明顯。

(2)社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件 為探討社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件對(duì)城市擴(kuò)張的驅(qū)動(dòng)作用,本文選取城市人口、GDP和人均GDP三項(xiàng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo),與城市建成區(qū)面積進(jìn)行相關(guān)分析(表3)。自20世紀(jì)90年代以來(lái),曼谷城市人口從588.8萬(wàn)上升到927.0萬(wàn),增長(zhǎng)了57.44%。曼谷建設(shè)用地面積和人口呈高度正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.97(R2=0.95),表明人口增長(zhǎng)促進(jìn)了城市建設(shè)用地的增長(zhǎng)。根據(jù)曼谷經(jīng)濟(jì)約占泰國(guó)經(jīng)濟(jì)總量的40%這一比例[25]估算曼谷GDP,并由此計(jì)算曼谷人均GDP,結(jié)果顯示,曼谷GDP從1990年至2014年增長(zhǎng)了374.34%,人均GDP增長(zhǎng)了201.32%。曼谷城市建設(shè)用地與GDP和人均GDP均呈正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)分別為0.96(R2=0.92)和0.95(R2=0.90)?？梢?經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)是城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的驅(qū)動(dòng)力之一。

表4 曼谷建設(shè)用地面積與驅(qū)動(dòng)因子的相關(guān)性

數(shù)據(jù)來(lái)源：城市人口數(shù)據(jù)來(lái)自United Nations,GDP數(shù)據(jù)來(lái)自world Bank;因2015年GDP數(shù)據(jù)尚未公布,故用2014年代替;*因2015年GDP數(shù)據(jù)尚未公布，故用2014年代替;—:無(wú)數(shù)據(jù)

(3)城市布局 曼谷城市建設(shè)以大皇宮為中心,最接近中心的是寺廟和政府機(jī)構(gòu),向外為商業(yè)圈,再向外是居民住宅區(qū)。城市內(nèi)圈由于分布著大皇宮、寺廟等著名的旅游景點(diǎn)和政府機(jī)構(gòu)等,經(jīng)長(zhǎng)期發(fā)展建設(shè)用地密集,所以在近幾十年來(lái),城市中心的建設(shè)用地?cái)U(kuò)張并不明顯。此外,被冠于“東方威尼斯”稱號(hào)的曼谷城市水上交通十分發(fā)達(dá),伴隨著1999年運(yùn)營(yíng)的高架天車線路、2004年運(yùn)營(yíng)的地鐵線路、2010年運(yùn)營(yíng)的機(jī)場(chǎng)鐵路等交通線路的建設(shè),曼谷城市土地利用模式和城市空間發(fā)生了轉(zhuǎn)變[26]。從本研究新增斑塊的空間分布特征可以看出,曼谷城市擴(kuò)張具有分布在主要交通干線兩側(cè)的特征,尤其在中東部地區(qū)十分明顯(圖10)?？梢?交通干線是影響城市擴(kuò)張的又一驅(qū)動(dòng)因素。

圖10 交通對(duì)城市擴(kuò)張影響案例Fig.10 Case of the influence of traffic on urban expansion

3 結(jié)論與探討

港口是城市對(duì)外開放的門戶,對(duì)城市發(fā)展具有主導(dǎo)作用。港口在帶動(dòng)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí),也給城市生態(tài)環(huán)境帶來(lái)一些負(fù)面影響,如何協(xié)調(diào)港城經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境和諧可持續(xù)發(fā)展,已成為城市規(guī)劃考慮的重要問題。作為中國(guó)-東盟自由貿(mào)易區(qū)、中國(guó)-中南半島經(jīng)濟(jì)走廊、21世紀(jì)海上絲綢之路重要節(jié)點(diǎn)城市,曼谷具有不可替代的國(guó)際戰(zhàn)略地位和交通樞紐作用,位于其境內(nèi)的曼谷港作為泰國(guó)最大的港口,對(duì)曼谷城市發(fā)展起到巨大的推動(dòng)作用。本文利用多時(shí)相Landsat和MODIS遙感數(shù)據(jù)對(duì)曼谷城市擴(kuò)張生態(tài)環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行了研究,結(jié)果表明自20世紀(jì)90年代以來(lái),曼谷城市建設(shè)用地面積持續(xù)增長(zhǎng),經(jīng)歷了先快速后緩慢而后又快速增長(zhǎng)的過(guò)程。曼谷城市擴(kuò)張主要沿東北方向和城市外緣方向,城市擴(kuò)張模式以邊緣式和填充式為主。在城市化進(jìn)程中,植被綠度整體呈下降趨勢(shì),退化明顯的地區(qū)與建成區(qū)擴(kuò)張顯著的地區(qū)相吻合；熱島分布與建成區(qū)分布也具有空間一致性,呈整體增強(qiáng)趨勢(shì)。通過(guò)本研究分析得出,曼谷的社會(huì)經(jīng)濟(jì)、自然地理?xiàng)l件、城市布局等對(duì)城市擴(kuò)張具有重要影響。

與曼谷相似,我國(guó)港口城市(如廣州、上海、廈門、煙臺(tái)、大連、天津等)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張主要以占用耕地為代價(jià),導(dǎo)致農(nóng)業(yè)用地喪失。同時(shí)城市化加大了糧食需求,又使部分耕地受到污染,從而激化了人地矛盾[24,27- 29]。建設(shè)用地?cái)U(kuò)張是人類活動(dòng)對(duì)自然土地進(jìn)行干擾的最強(qiáng)烈的方式,具有不可逆性,須通過(guò)制定土地利用總體規(guī)劃,合理利用土地和保護(hù)耕地,提高耕地質(zhì)量,保持城市化與糧食供應(yīng)平衡。

曼谷早期城市發(fā)展缺乏合理規(guī)劃,產(chǎn)生了城市功能區(qū)劃混亂、交通堵塞、環(huán)境污染、人口過(guò)度膨脹等問題。面對(duì)這些問題,曼谷采取了一系列的措施,如在城市外圍修建住房、建立二級(jí)城鎮(zhèn)、在次發(fā)展地區(qū)發(fā)展工業(yè)、改善配套設(shè)施、興建交通道路等；此外還通過(guò)嚴(yán)格控制車輛數(shù)量和機(jī)動(dòng)車燃油質(zhì)量降低汽車尾氣帶來(lái)的空氣污染；通過(guò)將城市中心固體垃圾運(yùn)往老港填埋以減少城市環(huán)境污染等。在諸多政策的引導(dǎo)下,曼谷城市中心的周邊形成了多個(gè)城市次中心,如今的曼谷城市早已突破行政界線,發(fā)展成為以“曼谷中心城市、曼谷大都市、曼谷都市圈”為核心的特大城市群。該城市群具有強(qiáng)大的輻射能力,凸顯出巨大的經(jīng)濟(jì)創(chuàng)造力和潛力。隨著“21世紀(jì)海上絲綢之路”戰(zhàn)略實(shí)施,我國(guó)沿海城市和港口(如上海、廣州、福州、寧波、深圳、?？诘?正在做出積極響應(yīng),試圖從政策、交通、貿(mào)易、科技等方面進(jìn)行改革[30- 31]。如廣東省政府頒布《廣東省參與建設(shè)“一帶一路”的實(shí)施方案》,欲將廣東打造成為戰(zhàn)略交通樞紐[30],寧波市發(fā)改委制定《寧波參與“一帶一路”建設(shè)行動(dòng)綱要》,積極建設(shè)寧波港口經(jīng)濟(jì)圈[32]等。其中,加強(qiáng)港口及腹地群的建設(shè)成為主要措施。相比于內(nèi)陸城市,港口城市具有優(yōu)越的地理位置,但由于受海岸線的轄制,土地資源十分珍貴。在城市規(guī)劃中,國(guó)內(nèi)城市或可汲取曼谷城市發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),在以港口為依托,打造以港口、港區(qū)為核心的產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)的基礎(chǔ)上,通過(guò)優(yōu)化配置城市土地利用結(jié)構(gòu),合理布置交通網(wǎng)絡(luò)體系,努力提高港口對(duì)經(jīng)濟(jì)腹地的輻射帶動(dòng)作用和核心城市對(duì)區(qū)域小城市的帶動(dòng)作用,打造共同繁榮的港口群和城市群。

總之,曼谷城市化不僅導(dǎo)致城市植被綠度降低、地表溫度升高等生態(tài)環(huán)境問題,同時(shí)過(guò)度城市化也帶來(lái)了住房擁擠、交通擁擠、基礎(chǔ)設(shè)施不足、失業(yè)率高等社會(huì)問題,這種“虛假城市化”的現(xiàn)象應(yīng)引起所有發(fā)展中國(guó)家重視?；诼忍摷俪鞘谢统鞘惺孜欢然叩慕逃?xùn),我國(guó)港口城市應(yīng)充分重視城市化和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的同步發(fā)展,重視核心港口、城市與區(qū)域小港口、小城市的共同發(fā)展,在提高港口群、城市群的經(jīng)濟(jì)創(chuàng)造能力和輻射帶動(dòng)能力時(shí),也應(yīng)避免出現(xiàn)類似于曼谷首位度畸高、區(qū)域發(fā)展不平衡等問題。

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UrbanexpansionanditsecologicalenvironmentaleffectsinBangkok,Thailand

HAN Ruidan1, 2, ZHANG Li2,3,*, ZHENG Yi3, WANG Heng3, ZHANG Jing3

1CollegeofInformationScienceandEngineeringofShandongAgriculturalUniversity,Tai′an271018,China2HainanKeyLaboratoryofEarthObservation,Sanya572029,China3KeyLaboratoryofDigitalEarthScience,InstituteofRemoteSensingandDigitalEarth,ChineseAcademyofSciences,Beijing100094,China

On the basis of Landsat images acquired in 1990, 2000, 2010, and 2015 and MODIS NDVI datasets acquired from 2010 to 2015, we analyzed urban expansion in Bangkok, including the spatio-temporal characteristics of built-up land, ecological-environmental effects (including vegetation greenness and land surface temperature), and the main driving factors of urban expansion. The results showed that (1) the built-up land areas in Bangkok has expanded continuously since 1990, showing a rapid-slow-rapid change trajectory. Urban expansion occurred mainly in the northeast direction and within the range of 14—20 km from the city center. The expansion patterns followed infilling pattern and edge-expansion pattern. (2) Urbanization affected vegetation greenness and heat island. Vegetation greenness declined overall, and a significantly decreased area was in the range of 10—20 km from the city center, which was in accordance with the main urban expansion area. Similarly, the spatial distribution of the heat island was coincident with urban expansion. The heat island increased overall, although local variations were less obvious. (3) Geographical conditions, social economy, and city layout were the main driving factors in urban expansion.

urban expansion; vegetation greenness; heat island; driving factors

海南省科技合作專項(xiàng)資金項(xiàng)目(KJHZ2015- 14);海南省重大科技計(jì)劃項(xiàng)目(ZDKJ2016021)

2016- 07- 19; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 05- 27

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhangli@radi.ac.cn

10.5846/stxb201607191470

韓瑞丹,張麗,鄭藝,王恒,張靜.曼谷城市擴(kuò)張生態(tài)環(huán)境效應(yīng).生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(19):6322- 6334.

Han R D, Zhang L, Zheng Y, Wang H, Zhang J.Urban expansion and its ecological environmental effects in Bangkok, Thailand.Acta Ecologica Sinica,2017,37(19):6322- 6334.