城鎮(zhèn)化背景下城市擴(kuò)張模式與土地利用景觀格局

馬超楠 周敏 馬宇翔

摘要：城市建設(shè)用地的快速擴(kuò)張侵占其他土地利用類(lèi)型，較大程度地影響了景觀生態(tài)安全，隨之出現(xiàn)的不合理景觀制約著城市可持續(xù)發(fā)展。以武漢市為例，基于2000年、2010年、2020年的影像數(shù)據(jù)，通過(guò)ArcGIS 10.3、Fragstats4.2軟件對(duì)一級(jí)地類(lèi)的土地利用覆被變化、轉(zhuǎn)移，城市景觀格局指數(shù)以及景觀擴(kuò)張指數(shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，對(duì)土地利用的景觀格局動(dòng)態(tài)變化和景觀擴(kuò)張指數(shù)變化進(jìn)行研究，旨在促進(jìn)城市土地利用的科學(xué)化和合理化，為城市規(guī)劃提供有益指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：土地利用;城市擴(kuò)張模式;景觀格局;武漢

中圖分類(lèi)號(hào)：F293 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-9138-（2021）09-0030-36 收稿日期：2021-07-10

作者簡(jiǎn)介：馬超楠，華中科技大學(xué)公共管理學(xué)院碩士研究生。

周敏，通訊作者，華中科技大學(xué)公共管理學(xué)院副教授。

馬宇翔，華中科技大學(xué)公共管理學(xué)院碩士研究生。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，資助編號(hào)：41401631。

1 引言

伴隨社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，中國(guó)的城市化保持加速發(fā)展態(tài)勢(shì)，城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)展迅猛，這不僅顯著影響著城市原有景觀格局，甚至導(dǎo)致如生物多樣性減少和棲息地破壞，熱島效應(yīng)增強(qiáng)、環(huán)境污染、水土流失等一系列環(huán)境問(wèn)題。城市基礎(chǔ)設(shè)施和道路等建設(shè)用地不斷擴(kuò)張，占用生態(tài)用地和未利用的土地，使原有自然生態(tài)景觀遭到破壞，呈現(xiàn)破碎趨勢(shì)，失去了原本能夠承載更多物種和景觀的作用，嚴(yán)重制約了城市原有生態(tài)調(diào)節(jié)功能的發(fā)揮。城市環(huán)境的惡化已成為我國(guó)大中城市發(fā)展所面臨突出環(huán)境問(wèn)題的縮影。因此，城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張模式研究和景觀格局演變分析對(duì)于我國(guó)大中城市的規(guī)劃管理和環(huán)境保護(hù)工作具有廣泛的借鑒意義。

景觀格局（Landscape pattern）是指景觀的空間結(jié)構(gòu)特征，是指不同大小和形狀的斑塊在空間上的排列狀況，是人為因素和自然因素共同作用的結(jié)果，具有顯著的時(shí)空特征。目前，大多在大尺度、宏觀方面采用多樣化的方法和模式：通過(guò)GIS技術(shù)獲取影像數(shù)據(jù)中土地利用數(shù)據(jù)，通過(guò)矩陣轉(zhuǎn)化反映土地景觀格局的變化，應(yīng)用生態(tài)學(xué)景觀指數(shù)方法定量分析LUCC的規(guī)律，從而為區(qū)域尺度上LUCC的研究積累了豐富的成果和可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)。例如，張飛飛等對(duì)廈門(mén)市從1987-2007年的景觀格局演變進(jìn)行了研究，馬曉勇等、韓錦濤等、哈孜亞·包浪提將等、陽(yáng)文銳等、何丹等分別對(duì)太原市、烏魯木齊市、北京市、京津冀都市圈的城市景觀格局變化進(jìn)行了研究。張立強(qiáng)等對(duì)土地利用景觀格局的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行了研究。此外，對(duì)城市建設(shè)用地的研究經(jīng)歷了城市發(fā)展的宏觀模式到內(nèi)部土地利用布局的微觀模式的深入變化。目前，描述城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張時(shí)空特征的指標(biāo)主要有擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù)、擴(kuò)張核心度指數(shù)、土地利用動(dòng)態(tài)度、擴(kuò)張程度指數(shù)、緊湊度以及景觀格局指數(shù)等。由劉小平提出的基于最小包圍盒或緩沖區(qū)計(jì)算的景觀擴(kuò)張指數(shù)（Landscape Expansion Index， LEI）被廣泛應(yīng)用于城市景觀擴(kuò)張模式研究中。

上述文獻(xiàn)在景觀格局、城市擴(kuò)張模式及驅(qū)動(dòng)力的研究中得到了豐富的研究成果。然而，目前研究城市擴(kuò)張模式與景觀生態(tài)之間關(guān)系的相關(guān)文獻(xiàn)還比較少。高原提出基于關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘方法，并以武漢市為例，研究2000-2020年間快速城市化進(jìn)程與景觀安全之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。研究認(rèn)為不同的城市擴(kuò)張速度、強(qiáng)度以及擴(kuò)張類(lèi)型，對(duì)城市生態(tài)安全有著不同程度的影響。本文基于武漢市重要的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展地位及其豐富的城市景觀環(huán)境，采用GIS技術(shù)與生態(tài)學(xué)景觀指數(shù)法相結(jié)合的方法，基于2000-2020年的土地利用和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，分析武漢市城市擴(kuò)張模式與景觀格局的變化，可以為城市的可持續(xù)健康發(fā)展提供參考，使土地利用更加合理、科學(xué)，并為其他快速城市化的城市提供借鑒。

2 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 研究區(qū)域

武漢市（29°58'-31°22'N，113°41'-115°05'E）地處江漢平原、長(zhǎng)江中游，坐擁長(zhǎng)江和漢江兩條重要水系，總面積8569.15平方公里，轄13個(gè)區(qū)。2019年武漢市常住人口達(dá)到常住人口1121.2萬(wàn)人，2020年地區(qū)生產(chǎn)總值1.56萬(wàn)億元。此外，武漢市內(nèi)有近百個(gè)湖泊，水域資源極為豐富，是城市發(fā)展建設(shè)的戰(zhàn)略性資源條件。然而，城鎮(zhèn)化快速發(fā)展的同時(shí)，在2000-2020年建設(shè)用地面積增長(zhǎng)了2.5倍，綠地和水域面積出現(xiàn)不同程度的下降，城市景觀格局發(fā)生深刻變化。探究武漢市城市增長(zhǎng)模式及景觀格局變化，為武漢市立足新發(fā)展階段，貫徹新發(fā)展理念，構(gòu)建新發(fā)展格局，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展和環(huán)境經(jīng)濟(jì)耦合發(fā)展助力。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本文的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院提供的2000年、2010年、2020年武漢市土地利用數(shù)據(jù)。通過(guò)解譯最終將景觀類(lèi)型分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地共6類(lèi)，在ArcGIS10.3軟件支持下，將矢量文件轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)文件，為保持?jǐn)?shù)據(jù)處理的精度將像元大小設(shè)置為60m。在Fragstats4.0軟件的支持下，將柵格數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入，選取景觀格局指數(shù)并計(jì)算。同時(shí)，提取2000-2010年、2010-2020年的新增建設(shè)用地斑塊，計(jì)算其擴(kuò)張指數(shù)。

3 研究方法

3.1 景觀格局研究方法

基于文獻(xiàn)閱讀綜述及對(duì)城市景觀指標(biāo)總結(jié)篩選，在景觀類(lèi)型變化方面選取結(jié)構(gòu)和變化幅度模型、土地利用轉(zhuǎn)移模型，在景觀格局方面選取景觀指數(shù)的方法，具體建立并選取以下模型和指標(biāo)來(lái)進(jìn)行分析。

3.1.1 景觀類(lèi)型動(dòng)態(tài)變化

（1）變化程度模型

景觀類(lèi)型結(jié)構(gòu)模型反映不同景觀類(lèi)型所占總面積的比例。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中Sm代表某景觀類(lèi)型的面積，S代表某時(shí)段區(qū)域總面積，Ua為某景觀結(jié)構(gòu)比例。

景觀類(lèi)型變化幅度模型反映不同景觀類(lèi)型面積變化的程度。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中Sm、Sn分別代表某景觀類(lèi)型的面積，Ud為某一景觀類(lèi)型的變化幅度。

（2）矩陣轉(zhuǎn)移模型

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣反映了某一區(qū)域某一時(shí)段初期和末期各景觀類(lèi)型面積之間相互轉(zhuǎn)化的動(dòng)態(tài)過(guò)程信息。

3.1.2 景觀格局變化

在類(lèi)型水平上，選取了PD （斑塊密度）、ED（邊界密度）、LPI （最大斑塊指數(shù)）、LSI （景觀形狀指數(shù)）、COHESION （斑塊類(lèi)型凝聚度指數(shù)）共5個(gè)指數(shù);在景觀水平上，選取了NP （斑塊數(shù)量）、CONTAG （蔓延度指數(shù)）、SHEI （香農(nóng)均勻度指數(shù)）、SHDI （香農(nóng)多樣性指數(shù)）、AI （分布聚合性指數(shù)）共5個(gè)指數(shù)（見(jiàn)表1）。

3.2 景觀擴(kuò)張指數(shù)

景觀擴(kuò)張指數(shù)（LEI）因其可進(jìn)行多時(shí)相景觀格局動(dòng)態(tài)變化分析而廣泛應(yīng)用于城市景觀格局演變、擴(kuò)張模式的相關(guān)研究，并可將城市景觀擴(kuò)張空間模式識(shí)別為填充式、邊緣式和飛地式。LEI指數(shù)是基于目標(biāo)景觀斑塊的緩沖區(qū)計(jì)算的，具體計(jì)算方法如下：

式中，LEI是新增城市建設(shè)用地斑塊的景觀擴(kuò)張指數(shù)，a0是新增斑塊的緩沖區(qū)與原有斑塊相交區(qū)域的面積，av是緩沖區(qū)與空白部分相交區(qū)域的面積。若LEI大于50，則認(rèn)為該新增斑塊為填充式擴(kuò)張;若LEI小于50但大于0，則認(rèn)為該新增斑塊為邊緣式擴(kuò)張;若LEI等于0，則認(rèn)為該新增斑塊為飛地式擴(kuò)張。

4 結(jié)果與分析

4.1 景觀類(lèi)型結(jié)構(gòu)組成與變化分析

4.1.1 景觀類(lèi)型結(jié)構(gòu)組成及變化分析

2000-2020年武漢市的主要景觀類(lèi)型為耕地、建設(shè)用地和水域。耕地和建設(shè)用地景觀呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，林地、草地和水域景觀在總體上表現(xiàn)為下降趨勢(shì)（見(jiàn)表2、圖1）。到2020年，建設(shè)用地面積增長(zhǎng)為2000年的2.5倍。

4.1.2 景觀類(lèi)型變化轉(zhuǎn)移矩陣

在2000-2010年時(shí)段內(nèi)，耕地和林地的轉(zhuǎn)換最為突出。其中耕地的來(lái)源主要是林地和水域，林地轉(zhuǎn)換為耕地和水域。在該時(shí)段內(nèi)，與建設(shè)用地景觀之間的轉(zhuǎn)換表現(xiàn)不突出。在2010-2020年時(shí)段內(nèi)，景觀類(lèi)型轉(zhuǎn)換較為突出的表現(xiàn)在耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，轉(zhuǎn)換面積為上一時(shí)段的4.7倍（見(jiàn)表3）。此外，林地和水域域轉(zhuǎn)為耕地的活動(dòng)表現(xiàn)突出。

4.1.3 景觀類(lèi)型指數(shù)

在2000-2020年各時(shí)段中，從PD來(lái)看，建設(shè)用地PD指數(shù)最大，未利用地和耕地PD指數(shù)最小，耕地和建設(shè)用地PD指數(shù)呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。其中，建設(shè)用地在2010-2020年P(guān)D指數(shù)呈現(xiàn)較大幅度增長(zhǎng)。從ED指數(shù)來(lái)看，耕地、林地表現(xiàn)突出，其中在2010-2020年耕地和建設(shè)用地ED指數(shù)呈現(xiàn)較大程度上升。從LPI來(lái)看，耕地LPI優(yōu)勢(shì)突出，與其他景觀類(lèi)型存在斷層式差異。在LSI指數(shù)的表現(xiàn)上，各用地類(lèi)型的差異，從COHESION指數(shù)來(lái)看，各景觀類(lèi)型差異不大，且在2000-2020年維持穩(wěn)定，其中草地和未利用地在2020年出現(xiàn)較大程度下降（見(jiàn)圖2）。

4.1.4 景觀格局指數(shù)

NP指數(shù)在2000-2020年總體表現(xiàn)為增長(zhǎng)趨勢(shì)。在2000-2010年，維持在33000水平上，變化幅度較小，在2010-2020年，變化明顯，增長(zhǎng)率為58%。CONTAG指數(shù)總體表現(xiàn)為增長(zhǎng)趨勢(shì)，增長(zhǎng)率維持在4%左右。SHDI指數(shù)總體表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，在2000-2010年，下降率為3.05%，在2010-2020年下降趨勢(shì)較為明顯，下降率為11.74%。SHEI指數(shù)總體表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，在2000-2010年，下降率為3.05%，在2010-2020年，下降趨勢(shì)明顯，下降率為11.75%。AI指數(shù)總體上表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，且呈現(xiàn)了一定的波動(dòng)。在2000-2010年，增長(zhǎng)到90.1，在2010-2020年，降低到86.11 （見(jiàn)表4）。

4.2 景觀擴(kuò)張指數(shù)

在2000-2010年，武漢市的新增建設(shè)用地面積較少，邊緣式擴(kuò)張占比55%，填充式擴(kuò)張次之占比31%，飛地式擴(kuò)張占比最少為14%，在布局上較為分散。2010-2020年，新增建設(shè)用地面積較上一時(shí)段呈斷層式增長(zhǎng)，飛地式擴(kuò)張占比最多為74%，邊緣式擴(kuò)張次之為25%，填充式擴(kuò)張占比最少為0.03%，布局上較為集中地分布在原有建設(shè)用地四周。此外，邊緣式擴(kuò)張類(lèi)型的面積在兩個(gè)時(shí)段較為穩(wěn)定，填充式擴(kuò)張類(lèi)型在第二個(gè)時(shí)段出現(xiàn)較大程度的下降，飛地式擴(kuò)張類(lèi)型以900%增長(zhǎng)率呈現(xiàn)為大幅度增長(zhǎng)。

在空間布局上看，建設(shè)用地變化較為突出地表現(xiàn)在黃陂區(qū)、新洲區(qū)、江夏區(qū)、蔡甸區(qū)、東西湖區(qū)和洪山區(qū)（見(jiàn)圖3、圖4）。其中，在2000-2010年，武漢市新增建設(shè)用地主要分布在蔡甸區(qū)、洪山區(qū)、黃陂區(qū)、江夏區(qū)和硚口區(qū)。第一時(shí)段內(nèi)，邊緣式擴(kuò)張是新增建設(shè)用地的主要擴(kuò)張類(lèi)型，主要分布在蔡甸區(qū)、江夏區(qū)、硚口區(qū)，填充式擴(kuò)張主要分布在洪山區(qū)，飛地式擴(kuò)張主要分布在黃陂區(qū)和新洲區(qū)。在2010-2020年，新增建設(shè)用地主要分布在黃陂區(qū)、東西湖區(qū)、江夏區(qū)和蔡甸區(qū)。此外，飛地式擴(kuò)張為主要擴(kuò)張類(lèi)型，主要分布在新洲區(qū)、黃陂區(qū)和江夏區(qū);邊緣式擴(kuò)張次之，主要分布在黃陂區(qū)、新洲區(qū)和東西湖區(qū)，填充式擴(kuò)張主要分布在東西湖區(qū)和新洲區(qū)（見(jiàn)圖4、圖5）。

5 討論與結(jié)論

5.1 討論

基于快速城鎮(zhèn)化背景下的城市擴(kuò)張和發(fā)展對(duì)建設(shè)用地需求的增加，其他土地利用類(lèi)型特別是耕地、水域向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移活動(dòng)突出，同時(shí)，耕地轉(zhuǎn)移活動(dòng)十分活躍，林地和水域的轉(zhuǎn)入使得總體維持增長(zhǎng)，進(jìn)一步表明城市景觀格局變化受到人為活動(dòng)的深刻影響。

5.1.1 景觀指數(shù)

從景觀類(lèi)型來(lái)看，耕地斑塊的面積大，破碎化程度小，斑塊邊界較長(zhǎng)且不規(guī)則，在景觀中表現(xiàn)為整體性景觀且凝聚度較高。林地的斑塊破碎化程度小，斑塊面積均不大，但大于草地和水域的斑塊面積，在形狀上表現(xiàn)為不規(guī)則，凝聚度較高。草地斑塊的斑塊邊界較長(zhǎng)且不規(guī)則，且出現(xiàn)了一定的破碎化現(xiàn)象。水域的各項(xiàng)指數(shù)說(shuō)明其破碎化現(xiàn)象有一定的增加。建設(shè)用地斑塊的破碎化程度高，其斑塊邊界不長(zhǎng)，且不規(guī)則程度高，在2020年建設(shè)用地斑塊表現(xiàn)為大面積，凝聚度有一定的增加。

5.1.2 擴(kuò)張指數(shù)-多中心協(xié)同發(fā)展

2000-2020年，武漢市城市化進(jìn)程蓬勃發(fā)展，新增建設(shè)用地面積持續(xù)增加。2010版武漢市城市總體規(guī)劃提出“以主城為核心，在重要出口通道構(gòu)筑六個(gè)方向的城市主要空間發(fā)展軸”，武漢市城市化呈現(xiàn)多中心發(fā)展趨勢(shì)。2010-2020年建設(shè)用地呈現(xiàn)斷層式增長(zhǎng)，同時(shí)飛地式增長(zhǎng)的比例顯著增加。在空間分布上，趨于分散。新增建設(shè)用地斑塊以主城區(qū)為中心，向四周輻射。在新洲區(qū)和黃陂區(qū)新增建設(shè)用地表現(xiàn)突出，出現(xiàn)多個(gè)新增建設(shè)用地增長(zhǎng)中心。

5.2 結(jié)論

（1）在2000-2020年的20年里，景觀整體保持著較好地連通性和凝聚度，同時(shí)破碎化程度有所增加，耕地保持其景觀優(yōu)勢(shì)且凝聚度較高，出現(xiàn)了破碎化的趨勢(shì)，建設(shè)用地呈現(xiàn)更加凝聚的特征。

（2）不充分考慮生態(tài)環(huán)境安全的城市擴(kuò)張模式，在獲得快速經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的同時(shí)，會(huì)增加對(duì)景觀生態(tài)安全的威脅，例如耕地、水域等大量轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，極大地破壞了景觀生態(tài)，造成景觀的破碎化程度升高，表明城市景觀結(jié)構(gòu)處于不穩(wěn)定中。

（3）在城市化進(jìn)程中，城市新增建設(shè)用地增長(zhǎng)，飛地式增長(zhǎng)加劇了景觀的破碎化程度和多樣性，但邊緣式和填充式擴(kuò)張能夠提高土地利用效率以及減少對(duì)景觀環(huán)境的破壞。飛地式增長(zhǎng)可以形成多個(gè)城市發(fā)展中心，但同時(shí)會(huì)加劇景觀破碎化程度，導(dǎo)致城市建成區(qū)的分散。邊緣式和填充式增長(zhǎng)，可以提高土地利用效率，增加景觀的緊湊性，提高資源利用效率。

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