城市河岸帶土地利用和景觀格局演變研究

魏雯，李哲惠，黃貞珍

昆明理工大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，云南 昆明 650500

河流是城市中重要的自然資源，可以提供防洪排澇、凈化環(huán)境、調(diào)節(jié)小氣候、休閑游憩等多種生態(tài)服務(wù)功能（干曉宇等，2014；付飛等，2012）。而河岸帶作為連接陸地生態(tài)系統(tǒng)和水生生態(tài)系統(tǒng)的紐帶，是能量流動和物質(zhì)循環(huán)的重要通道，不僅承載了大量的人類活動，為魚類和鳥類提供棲息地，還是水體保護(hù)的最后屏障，可以有效凈化水體中的污染物，具有改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、豐富地域文化的重要作用（王建華等，2008；岳雋等，2005）。近年來，隨著城市化進(jìn)程的加快，為了滿足城市建設(shè)和防洪的需要，人們不斷改變河岸帶的土地利用方式，導(dǎo)致河岸帶原有的綠色植被大量減少（Al-Chokhachy et al.，2013）。由于人類活動的強(qiáng)烈干擾，影響了河流的自然演進(jìn)過程，使城市中的河流普遍呈現(xiàn)河道直、水量小和流速慢等特征，生態(tài)系統(tǒng)十分脆弱（張建春等，2003）。因此，分析城市化進(jìn)程中河岸帶土地利用的時空分異特征，探討城市河岸帶景觀格局的演變規(guī)律，對于維持城市河流生態(tài)系統(tǒng)健康、改善城市河流污染具有重要的意義。

在快速城市化過程中，景觀環(huán)境演變與人類對地表的改造利用有著密切的關(guān)系，尤其在人類干擾較為強(qiáng)烈的城市地區(qū)，其影響更加明顯（Zhang et al.，2007；袁藝等，2003；李瑩瑩等，2016）。近年來，不同研究領(lǐng)域的學(xué)者借助 3S技術(shù)，更多地從宏觀視角研究土地利用/土地覆被的時空分異規(guī)律、驅(qū)動機(jī)制以及土地利用變化對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的影響（王芳等，2017；魏雯，2014；嚴(yán)珅等，2018），然而目前針對河岸帶尺度的土地利用和景觀格局空間特征的研究相對較少。本研究以高原湖泊城市——昆明為研究對象，提取城市中與河流相毗鄰的陸域空間作為研究區(qū)域，借助土地利用類型特征參數(shù)、景觀格局指數(shù)等，分析河岸帶土地利用和景觀格局的時空分異特征，以期為河岸帶景觀資源的保護(hù)和合理開發(fā)利用提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

昆明市位于云南省中部（102°10′～103°40′E，24°23′～26°33′N），南北長 237.5 km，東西寬 152 km，總面積21012 km2。地勢北高南低，海拔1500～2800 m，年均氣溫14.7 ℃，年均降水量1006.5 mm，每年的6—8月為雨季，11月—次年4月為旱季，屬干濕季分明的亞熱帶高原季風(fēng)氣候區(qū)。本研究范圍是昆明市主城區(qū)，包括五華區(qū)、盤龍區(qū)、西山區(qū)、官渡區(qū)4個市轄區(qū)，城區(qū)坐落在滇池壩子，三面環(huán)山，南瀕滇池，總面積2239.55 km2，人口數(shù)量336.10萬。昆明城市水系隸屬于金沙江流域，由滇池湖泊及周圍河流水體共同組成，水網(wǎng)發(fā)達(dá)但水資源短缺，匯入滇池的河流共30余條，主要有盤龍江、烏龍河、大觀河、運(yùn)糧河、船房河、西壩河、清水河、海河、玉帶河、寶象河等，位于西山區(qū)的螳螂川是滇池唯一的出水口。昆明市的河流水系主要集中分布于滇池湖泊沿岸，尤其以滇池草海東北方向較為集中，湖泊上游分布的河流較多，由于流經(jīng)主城區(qū)，受人為干擾較為嚴(yán)重。本研究在參考相關(guān)研究（Sparovek et al.，2002；劉萍等，2015）對河岸帶影響范圍界定的基礎(chǔ)上，以河流岸帶向兩側(cè)延伸500 m的范圍作為研究區(qū)域，區(qū)域面積215 km2。（圖1）

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

綜合考慮研究目的和研究范圍監(jiān)測精度的要求，為便于掌握河岸帶階段性演變規(guī)律，兼顧影像質(zhì)量，最終選取1996年、2007年和2015年3期分辨率為30 m的Landsat衛(wèi)星遙感影像作為數(shù)據(jù)源（表1）。首先運(yùn)用ENVI 5.1軟件進(jìn)行地理配準(zhǔn)、幾何校正和大氣校正，然后在ArcGIS 10.2軟件中，提取河流水體信息，并在河流兩側(cè)分別生成500 m寬的緩沖區(qū)，對3期遙感影像進(jìn)行剪裁處理，獲得3個年份的河岸帶遙感影像圖，再對影像進(jìn)行監(jiān)督分類處理，提取土地利用信息，3期影像分類精度都在97.5%以上，卡帕系數(shù)均高于0.95，表明數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確，可以滿足研究需求。根據(jù)全國遙感監(jiān)測土地利用/覆蓋分類體系，考慮到影像精度和主要景觀類型構(gòu)成，將河岸帶景觀劃分為：水域、綠地、耕地、建設(shè)用地和未利用地等5個類型。

表1 提取土地利用信息的遙感影像數(shù)據(jù)Table 1 Remote sensing data for land use information extraction

2.2 研究方法

2.2.1 緩沖區(qū)分析

本研究基于 ArcGIS的空間分析功能，在昆明市河流兩側(cè)分別建立寬度500 m的緩沖區(qū)作為研究區(qū)域，為了更準(zhǔn)確地反映河岸帶不同位置的景觀格局演變情況，進(jìn)一步將河岸帶劃分為5個100 m寬的緩沖區(qū)，從整體和局部兩個層面探討河岸帶的土地利用和景觀格局時空演變規(guī)律。

圖1 研究區(qū)區(qū)位圖Fig. 1 The location of the study area

2.2.2 土地利用變化

本研究主要通過動態(tài)度和土地利用轉(zhuǎn)移矩陣來描述河岸帶各用地類型之間的變化情況。其中，動態(tài)度可以定量表達(dá)一定時間范圍內(nèi)，不同土地利用類型的面積變化情況；土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可以定量分析系統(tǒng)內(nèi)各狀態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)移情況，對于任意兩期土地利用類型圖，通過土地利用轉(zhuǎn)移矩陣計算，可以求得由A時期到B時期各土地利用類型的數(shù)量變化和空間分布情況。兩個指標(biāo)的計算公式參見相關(guān)研究（劉英等，2017）。

2.2.3 景觀格局指數(shù)分析

通過景觀指數(shù)的計算，可以定量監(jiān)測和描述景觀空間格局的變化情況，本研究分別從斑塊類型和景觀水平兩個層面篩選指數(shù)，探討河岸帶的景觀格局演變規(guī)律。其中，斑塊類型水平的指數(shù)有斑塊數(shù)量（NP）、最大斑塊指數(shù)（LPI）和分離度指數(shù)（SPLIT）；景觀水平的指數(shù)有斑塊密度（PD）、景觀形狀指數(shù)（LSI）、多樣性指數(shù)（SHDI）和聚集度指數(shù)（AI）。各指數(shù)具體計算公式及景觀格局指數(shù)的生態(tài)學(xué)意義詳見參考文獻(xiàn)（張映雪等，2017；劉家福等，2009）。

3 結(jié)果與分析

3.1 河岸帶土地利用變化分析

3.1.1 土地利用的時序變化特征

由圖2可知，2年間河岸帶的土地利用方式發(fā)生了明顯改變，1996—2015年，面積持續(xù)增加的用地類型為建設(shè)用地，不斷減少的為耕地和水域，綠地和未利用地隨著時間的推移呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢。具體表現(xiàn)為：1996年，河岸帶的耕地占比最多，達(dá)到36.86%，其次為建設(shè)用地、綠地、未利用的和水域，占比分別為28.25%，19.05%，9.94%和5.9%；到2007年，建設(shè)用地的面積躍居首位，占到 42.73%，綠地的面積有所增加，占比增長至24.43%，耕地面積則大幅減少，降至17.44%，水域面積亦有所減少，未利用地的面積變化不大；2007—2015年，建設(shè)用地呈現(xiàn)快速增長的變化趨勢，到2015年其占比已高達(dá) 61.62%，成為整個河岸帶景觀的基質(zhì)，同期水域、綠地、耕地和未利用地的面積都有不同程度的減少，未利用地的占比更是降至 2.34%，表明這一階段人類對河岸帶的開發(fā)力度加大。

圖2 1996年、2007年和2015年河岸帶各土地利用類型面積比重Fig. 2 Area proportion of land use types in Riparian Zones in 1996, 2007 and 2015

為了深入分析各土地利用類型之間的轉(zhuǎn)化情況，分別計算1996—2007年和2007—2015年河岸帶的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，結(jié)果見表2和表3。由表2可知，1996—2007年，耕地、綠地、未利用地和水域轉(zhuǎn)出的面積較多，分別占 1996年各自面積的67.78%、31.83%，78.48%和 41.21%；從土地利用動態(tài)度結(jié)果來看，耕地和水域面積呈減少趨勢，建設(shè)用地、未利用地和綠地都有所增加，其中，建設(shè)用地的動態(tài)度為4.66，是這一階段面積增長最快的用地類型，究其來源，主要是來自33.06 km2的耕地轉(zhuǎn)入。同期，耕地、建設(shè)用地、未利用地和綠地的轉(zhuǎn)入面積也分別占到了 2007年各自面積的31.94%、45.47%、80.15%和 46.84%，其中，未利用地的主要來源是 11.85 km2的耕地轉(zhuǎn)入；綠地的主要來源有兩部分，一部分是8.6 km2的耕地轉(zhuǎn)入，這和 2002年以來國務(wù)院推行的“退耕還林”政策有關(guān)，另一部分是來自9.82 km2未利用地轉(zhuǎn)入，體現(xiàn)了這一階段人們對水岸帶生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重視；另外，各用地類型之間的轉(zhuǎn)移情況相對頻繁，也從側(cè)面反映出對河岸帶的景觀資源缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃管理。

表2 1996—2007年河岸帶土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Table 2 Land use transfer matrix in riparian zone from 1996 to 2007

表3 2007—2015年水岸帶土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Table 3 Land use transfer matrix in riparian zone from 2007 to 2015

由表3可知，2007—2015年，耕地和未利用地是主要的轉(zhuǎn)出類型，在土地利用類型轉(zhuǎn)移過程中，轉(zhuǎn)出面積分別占 2007年各自面積的 66.3%和91.68%，其中有20.18 km2耕地和14.72 km2未利用地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移；同期，各用地類型也有不同程度的轉(zhuǎn)入，建設(shè)用地的轉(zhuǎn)入面積最多，水域的轉(zhuǎn)入面積最少。從動態(tài)度結(jié)果來看，這一階段除了建設(shè)用地呈現(xiàn)穩(wěn)步增長的趨勢外，其他用地類型均有不同程度的減少。由此可見，這一階段河岸帶的土地類型發(fā)展存在一定的方向性，即土地利用變化以滿足城市擴(kuò)張需要為主。

3.1.2 土地利用的空間變化特征

為進(jìn)一步分析河岸帶內(nèi)土地利用的空間變化情況，以100 m為間隔，將河岸帶劃分為5個獨(dú)立的緩沖區(qū)，分別對3個年份不同土地利用類型占各緩沖區(qū)的面積比重進(jìn)行計算，結(jié)果如圖3所示。20年來，河岸帶不同緩沖區(qū)內(nèi)土地利用方式發(fā)生了較大變化。1996年，各緩沖區(qū)內(nèi)耕地均為主要用地類型，其中100 m緩沖帶內(nèi)耕地占39.49%，其次為建設(shè)用地和綠地，分別占28.84%和21.96%，100～200 m緩沖帶內(nèi)，耕地占比進(jìn)一步上升，占到42.54%，建設(shè)用地和綠地的占比有所下降，隨著與河道距離的增加，耕地的面積顯著減少，其余4種用地類型呈持續(xù)增加的趨勢，至500 m處，建設(shè)用地和耕地分別占28.96%和28.46%，其次依次為綠地、未利用地和水域，占比分別為19.58%、13.3%和9.69%。

2007年，建設(shè)用地已躍居為各緩沖區(qū)的主導(dǎo)用地類型，占比始終在40%以上，100 m緩沖區(qū)內(nèi)綠地和耕地的數(shù)量相當(dāng)，占比分別為 22.66%和22.19%，自100 m緩沖區(qū)以外，綠地逐漸增多，耕地面積持續(xù)減少，最終綠地占到26.75%，位居第二，這一比例與 1996年相比有所提升；耕地的占比降至 11.6%，僅次于未利用地，水域占比為8.78%，較1996年有所減少。

圖3 河岸帶不同土地利用類型占各緩沖區(qū)面積的比重Fig. 3 The area proportion of land use types in the riparian zone of each buffer zone

2015年，建設(shè)用地面積仍然位居各緩沖區(qū)排名的首位，且占比呈穩(wěn)步上升的趨勢，達(dá)到60%左右，成為各緩沖區(qū)的景觀基質(zhì)。在100 m緩沖區(qū)內(nèi)綠地占19.74%，位居第二，較之前兩期數(shù)據(jù)略有減少；隨著與河道距離的增加，綠地的占比呈先減少后增加的趨勢，耕地比重持續(xù)減少，水域占比有所增加，未利用地面積占比較少且變化不大。這一階段的總體特征表現(xiàn)為：每一個緩沖區(qū)內(nèi)均呈現(xiàn)出建設(shè)用地最多，綠地和耕地次之，水域和未利用地最少的空間分布特征。

3.2 河岸帶景觀格局指數(shù)變化分析

3.2.1 景觀類型水平的變化特征

景觀格局指數(shù)可以定量描述斑塊之間的特征，探索各景觀類型的時空演變規(guī)律。本研究選取斑塊數(shù)量（NP）、最大斑塊指數(shù)（LPI）和分離度指數(shù)（SPLIT）3個指標(biāo)對河岸帶的景觀格局進(jìn)行分析，結(jié)果如表4所示。綜合看來，1996—2015年，除耕地之外，其余各用地類型的斑塊數(shù)量都呈下降趨勢，且耕地的最大斑塊指數(shù)減少最快，反映出其破碎化發(fā)展的趨勢；綠地的斑塊數(shù)量有所減少，最大斑塊指數(shù)有所增加，表明綠地的完整性有所增加；建設(shè)用地斑塊數(shù)量減少最多，最大斑塊指數(shù)增長也最快，表明這一階段建設(shè)用地快速蔓延，呈現(xiàn)連片分布的發(fā)展趨勢；未利用地的斑塊數(shù)量明顯減少，最大斑塊指數(shù)也呈下降趨勢，說明未利用地減少的趨勢明顯，這一點(diǎn)和土地利用動態(tài)度分析的結(jié)果一致。從分離度指數(shù)的計算結(jié)果來看亦如此，1996—2015年，建設(shè)用地的分離度指快速減少，反映了其連片分布的趨勢；綠地的分離度指數(shù)在1996—2007年呈減少的趨勢，自 2007年以來又有所增加；耕地的分離度指數(shù)在 1996年是最小的，表明此時耕地是大面積成片分布的，而到了 2015年已經(jīng)呈現(xiàn)出明顯的破碎化分布形式。

3.2.2 景觀尺度的空間變化特征

為了進(jìn)一步探討河岸帶不同寬度的景觀格局演變過程，分別以5個緩沖區(qū)為獨(dú)立研究對象，選取斑塊密度（PD）、景觀形狀指數(shù)（LSI）、多樣性指數(shù)（SHDI）和聚集度指數(shù)（AI）4個指標(biāo)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4所示。由圖可知，20年來，斑塊密度在0～200 m范圍內(nèi)均呈顯著上升趨勢，之后隨著與河流的距離增加而緩慢增長，其中 2007年的斑塊密度略有不同，呈快速上升直到距河道300 m處，斑塊密度達(dá)到最大值后趨于穩(wěn)定，300 m后3個年份的斑塊密度變化不大?？傮w上，1996年各緩沖區(qū)內(nèi)的斑塊密度均高于2015年，表明2015年各緩沖區(qū)內(nèi)景觀的完整性更好一些。從景觀形狀指數(shù)的結(jié)果來看，3個年份景觀形狀指數(shù)均在0～200 m范圍內(nèi)顯著升高，之后隨著與河道距離的增加指數(shù)又呈持續(xù)下降的變化趨勢，且最終3個年份的景觀形狀指數(shù)幾乎匯聚于一點(diǎn)。從香農(nóng)多樣性指數(shù)的變化情況來看，隨著與河道距離的增加，景觀多樣性指數(shù)持續(xù)上升，且 2015年的景觀多樣性指數(shù)明顯低于前兩期。聚集度指數(shù)曲線在0～200 m范圍內(nèi)快速下降，表明隨著距離的增加，斑塊內(nèi)部的景觀連接度降低而破碎度有所增加（張娜，2014），200 m之后3個年份的聚集度指數(shù)曲線基本趨于穩(wěn)定。由此可見，隨著與河流距離的增加，各緩沖區(qū)內(nèi)景觀格局指數(shù)呈現(xiàn)一定的變化趨勢，并且在距河流200 m處變化最為明顯，因此可以推斷昆明市河流生態(tài)廊道的影響范圍是在河流兩側(cè)200 m以內(nèi)，而200 m以外的岸帶受城市化影響較大，導(dǎo)致景觀連接度降低，破碎化程度加劇。

4 討論

河岸帶是陸地與水體之間的過渡帶，是重要的生態(tài)交錯帶。不同學(xué)者從定性的角度對河岸帶進(jìn)行了描述（李莉等，2014；Anbumozhi et al.，2005），但是對其寬度缺乏統(tǒng)一界定。在用地緊張的形勢下保護(hù)河岸生態(tài)系統(tǒng)，明確河岸帶的合理寬度至關(guān)重要。為此，國內(nèi)外學(xué)者基于不同的功能需求，對河岸帶的適宜寬度開展了研究，如 Sparovek et al.（2002）以改善水質(zhì)為主要目的，計算出較理想的河岸林帶寬度為52 m；劉萍等（2015）分別以河流0～150、150～300和 300～500 m為岸線緩沖帶，通過計算對比分析了7年間不同水岸緩沖帶土地利用的時空格局變化，并估算了生態(tài)服務(wù)價值。本研究在以上研究的基礎(chǔ)上，以昆明市主城區(qū)河流兩側(cè) 500 m的范圍作為研究對象，通過梯度分析法建立5個百米寬的緩沖帶，分別進(jìn)行各緩沖區(qū)的土地利用和景觀格局演變分析，得出昆明市河流生態(tài)廊道功能的影響范圍為距離河道200 m寬的緩沖區(qū)范圍，這與相關(guān)研究的結(jié)論具有一致性（趙菲等，2013）。因此，在今后河岸帶景觀資源的保護(hù)和合理開發(fā)利用中，應(yīng)劃定河流綠色廊道的保護(hù)紅線，并重點(diǎn)保護(hù)河道兩側(cè) 200 m寬范圍內(nèi)岸帶景觀資源的完整性，以保障河流廊道生態(tài)環(huán)境效益的發(fā)揮。

表4 1996—2015年河岸帶500 m緩沖區(qū)景觀類型指數(shù)Table 4 The 500 m buffer landscape type index for the riparian zone from 1996 to 2015

圖4 1996—2015年河岸帶不同緩沖區(qū)景觀格局指數(shù)Fig. 4 The Landscape pattern index of different banks in the riparian zone from 1996 to 2015

滇池是云貴高原上第一大淡水湖，曽被譽(yù)為“高原明珠”。近年來，隨著城市化進(jìn)程的加快，滇池由原來的“城郊湖”逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤俺切暮保ㄎ忽┑龋?018），滇池水體也出現(xiàn)一系列生態(tài)問題，越來越多的學(xué)者以滇池流域為研究對象開展了景觀格局演變方面的研究（Zhao et al.，2012；李志英等，2014；張珂等，2013）。然而，針對土地利用變化最為劇烈的入滇河流岸帶的景觀格局演變研究尚不多見。昆明是典型的高原湖泊城市，入滇河流流經(jīng)主城區(qū)最終匯入滇池，河流水體的水質(zhì)對于滇池保護(hù)具有重要作用。由本研究可知，20年來入滇河流岸帶的景觀發(fā)生了劇烈變化，尤其是自2007年以來，各用地類型均不同程度地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，表明這一階段城市的發(fā)展以滿足建設(shè)用地的擴(kuò)張為主。從 1996—2015年，河岸帶內(nèi)建設(shè)用地面積快速增長，已取代耕地和綠地成為新的景觀基質(zhì)，河岸帶的景觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的改變，景觀總體向破碎化和人工化發(fā)展，這對于河流生態(tài)廊道效益的發(fā)揮極為不利，應(yīng)當(dāng)引起景觀規(guī)劃和管理部門的充分重視。在今后的城市發(fā)展中應(yīng)限制建設(shè)用地的發(fā)展速度，促進(jìn)林地、濱水濕地等綠地景觀的建設(shè)；同時，應(yīng)注意控制不同土地利用類型的斑塊數(shù)量，加強(qiáng)土地的集約化利用，逐步形成完整性較好的河流綠色廊道景觀。

5 結(jié)論

以 1996年、2007年和 2015年 3期昆明市Landsat TM遙感影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以河流水系外擴(kuò)500 m的范圍為研究區(qū)域，探討了河岸帶土地利用和景觀格局演變的時空分異特征，結(jié)果表明：

（1）20年來河岸帶的土地利用發(fā)生了明顯的改變，建設(shè)用地取代耕地成為河岸帶新的景觀基質(zhì)。尤其是 2007年以來，各用地類型均不同程度地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，反映出這一階段城市的發(fā)展以滿足建設(shè)用地的擴(kuò)張為主。

（2）1996—2015年，各土地利用類型的景觀格局變化明顯，耕地面積減少，分布呈破碎化發(fā)展；綠地斑塊的完整性有所提高，建設(shè)用地的面積快速增加并呈現(xiàn)大面積連片分布的趨勢。

（3）昆明市河流生態(tài)廊道功能的影響范圍為距離河道200 m寬的緩沖區(qū)范圍，200 m以外的區(qū)域景觀連接度降低，破碎化程度加劇。