基于景觀生態(tài)學(xué)的遼寧中部城市群綠色基礎(chǔ)設(shè)施20年時(shí)空格局演變

李空明,李春林,曹建軍,王 昊,劉 淼,呂久俊,郝 真

1 西北師范大學(xué),地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,蘭州 730070 2 中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所,中國科學(xué)院森林生態(tài)與管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,沈陽 110016 3 航天宏圖信息技術(shù)股份有限公司,北京 100195 4 遼寧省生態(tài)環(huán)境保護(hù)科技中心,沈陽 110016 5 日照市生態(tài)環(huán)境保護(hù)服務(wù)中心,日照 276800

改革開放以來,我國城市化進(jìn)程不斷加快[1]。快速城市化導(dǎo)致城市內(nèi)部生態(tài)用地破碎化、景觀連通性降低,極大削弱了生態(tài)空間的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,導(dǎo)致并加劇了一系列城市環(huán)境問題,如城市內(nèi)澇[2- 3]、水體污染[4- 5]、空氣污染[6- 7]、熱島效應(yīng)[8- 10]和生物多樣性減少[11-12]等,進(jìn)而嚴(yán)重威脅城市的可持續(xù)發(fā)展。近年來,以自然生命系統(tǒng)為支撐的城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施 (UGI)受到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注[8, 13-14]。UGI指城市內(nèi)部及其周邊具有生態(tài)系統(tǒng)功能的自然、半自然開放性空間,及其相互連接而構(gòu)成的綠色空間網(wǎng)絡(luò)[15],是城市綠色生態(tài)空間發(fā)展到高級階段的產(chǎn)物[16]。相比城市綠地空間、生態(tài)用地和生態(tài)空間,UGI的概念內(nèi)涵與外延更豐富,且功能更全面,構(gòu)成要素更加多樣[16]。UGI能夠提供廣泛和全面的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),緩解日益嚴(yán)重的城市化問題[17- 19],被視為改善城市環(huán)境、維護(hù)城市生態(tài)安全的重要途徑。研究快速城市化背景下UGI時(shí)空分布格局及形態(tài)演變,對于優(yōu)化城市綠色空間網(wǎng)絡(luò),改善城市人居環(huán)境具有重要意義。

目前,關(guān)于UGI時(shí)空格局演化的國內(nèi)外研究主要涵蓋了不同時(shí)空尺度上UGI景觀構(gòu)成及形態(tài)[20- 23]、UGI網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與優(yōu)化[23-26],UGI景觀格局變化的環(huán)境效應(yīng)及其對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響[17-18, 27- 31]等內(nèi)容。在方法上,以遙感(RS)和地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)為支撐的景觀格局指數(shù)分析與形態(tài)學(xué)空間格局分析(Morphological spatial pattern analysis, MSPA)的運(yùn)用最為廣泛。景觀格局指數(shù)是量化景觀格局變化的傳統(tǒng)經(jīng)典方法,被較早地應(yīng)用到UGI時(shí)空格局演變的研究之中[32-33]。景觀格局指數(shù)能從景觀面積邊緣特性、形態(tài)復(fù)雜性、空間聚散性和類型多樣性等多個(gè)方面有效量化UGI景觀格局的時(shí)空變化[21],但無法識別不同形態(tài)與結(jié)構(gòu)的UGI類型及其變化狀況。近年來,MSPA方法受到關(guān)注并開始被運(yùn)用于UGI時(shí)空格局變化與網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的研究之中[20]。MSPA是一種基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)原理對柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行量化、識別、分割的數(shù)字圖像處理方法[34-35],可將UGI景觀分為核心區(qū)、環(huán)島區(qū)、孤島區(qū)、橋接區(qū)、孔隙、邊緣區(qū)和分支等7種互不重疊且具有不同生態(tài)學(xué)意義的景觀類型[20]。與傳統(tǒng)景觀格局指數(shù)相比,MSPA方法能準(zhǔn)確識別UGI的類型組分和結(jié)構(gòu)特征,并反映UGI網(wǎng)絡(luò)中的物質(zhì)流、信息流和功能流[36-37],因而在UGI景觀形態(tài)變化的相關(guān)研究中表現(xiàn)出了較強(qiáng)的適用性[38]。此外,在運(yùn)用MSPA方法識別UGI要素的基礎(chǔ)上,結(jié)合景觀連通性分析,可進(jìn)一步進(jìn)行城市生態(tài)廊道的構(gòu)建及UGI網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化,這對基于UGI網(wǎng)絡(luò)的城市生態(tài)安全格局構(gòu)建具有重要意義和價(jià)值[24, 36]。

RS和GIS是研究城市景觀格局和環(huán)境變化的重要技術(shù)手段[7]。傳統(tǒng)的RS平臺(tái)對計(jì)算機(jī)軟硬件要求較高,數(shù)據(jù)解譯和分析工作量較大。受限于此,以前有關(guān)UGI景觀格局的研究多集中于單一時(shí)間尺度上的UGI網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、或者不同時(shí)間斷面上UGI的時(shí)空格局差異分析,缺乏長時(shí)間尺度上連續(xù)時(shí)間序列的UGI時(shí)空格局演變分析。谷歌地球引擎(Google Earth Engine, GEE)是集地理信息數(shù)據(jù)獲取、處理與分析于一體的云數(shù)據(jù)處理平臺(tái),基于Java或Python語言對數(shù)據(jù)進(jìn)行在線調(diào)用和處理分析,對計(jì)算機(jī)軟硬件要求較低且工作量較小,自其開發(fā)以來就得到了廣泛運(yùn)用[39]。GEE平臺(tái)為連續(xù)時(shí)間尺度上的UGI時(shí)空格局變化研究提供了更好的技術(shù)支撐。

本文以快速城市化的遼寧中部城市群為研究對象,基于GEE大數(shù)據(jù)平臺(tái),運(yùn)用傳統(tǒng)經(jīng)典景觀格局指數(shù)分析方法和目前較為流行的MSPA方法探討近20年間連續(xù)時(shí)間序列上的UGI時(shí)空格局演變趨勢及城市群內(nèi)部各城市UGI變化差異。研究旨在揭示快速城市化背景下UGI時(shí)空格局演變的一般規(guī)律并彌補(bǔ)連續(xù)時(shí)間序列的UGI時(shí)空格局分析較少的不足,進(jìn)而為典型城市化區(qū)域UGI空間網(wǎng)絡(luò)布局與優(yōu)化和基于UGI的城市生態(tài)安全格局構(gòu)建提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

圖1 遼寧中部城市群位置Fig.1 The location of central Liaoning urban agglomeration

遼寧中部城市群位于遼寧省中北部地區(qū),包括了沈陽、鞍山、撫順、鐵嶺、營口、盤錦、本溪和遼陽8個(gè)城市(圖1),是我國工業(yè)化和城市化進(jìn)程較快的地區(qū)之一,也是環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)帶的重要組成部分[40-41]。該地區(qū)屬溫帶季風(fēng)氣候區(qū),年均降水500—800 mm,年均氣溫在5—10℃之間。近年來,快速城市化使該地區(qū)城市景觀和土地利用發(fā)生劇烈變化,城市環(huán)境也受到一定程度的破壞。

1.2 城市邊界及UGI提取

本研究中,UGI主要包括城市內(nèi)部的綠色開放空間,如公園、綠化帶等植被覆蓋區(qū)以及河流、湖泊等城市水體?；贕EE平臺(tái),運(yùn)用空間分辨率為30 m的Landsat 5、7和8影像提取了2000—2019年遼寧中部城市群UGI和城市邊界,并利用谷歌高分辨率歷史影像對結(jié)果進(jìn)行了精度評價(jià)。具體過程為：首先,在GEE平臺(tái)獲取了Landsat 5 TM(2000—2012年)、Landsat 7 ETM(2013年)和Landsat 8 OLI(2014—2019年)影像共約4800景,去云處理后計(jì)算歸一化植被指數(shù)(NDVI)和修正歸一化水體指數(shù)(MNDWI),采用最大值合成和平均值合成法得到年最大NDVI和年平均MNDWI；然后,運(yùn)用三次滑動(dòng)平均法[42]對年最大NDVI和年均MNDWI進(jìn)行了平滑處理,重構(gòu)時(shí)間序列上的NDVI和MNDWI數(shù)據(jù),以降低噪聲的影響；最后,參考已有的分類方法[13, 43],運(yùn)用年最大NDVI和年均MNDWI閾值法劃分出綠地、水體和其他區(qū)域等三個(gè)地類。此外,結(jié)合谷歌高分辨率歷史影像進(jìn)行目視解譯,提取2000—2019年各城市邊界,以此作為掩模對分類結(jié)果進(jìn)行矢量裁剪。

1.3 UGI景觀格局指數(shù)分析

景觀格局指數(shù)是衡量景觀格局變化的有效方法,但由于其類型復(fù)雜多樣,合理選擇景觀格局指數(shù)對科學(xué)分析景觀格局就顯得非常重要[44-45]。為全面分析遼寧中部城市群UGI景觀格局變化,本文從面積邊緣、景觀形態(tài)、聚散性3個(gè)方面選取了斑塊密度(PD)、最大斑塊面積占景觀總面積比例(LPI)、景觀形態(tài)指數(shù)(LSI)、面積加權(quán)平均形狀指數(shù)(AWMSI)、聚集度指數(shù)(AI)以及結(jié)合度指數(shù)(COHESION)6個(gè)指標(biāo)量化分析其時(shí)空格局演變。運(yùn)用FRAGSTATS 4.2軟件計(jì)算各景觀指數(shù),各指數(shù)計(jì)算公式和生態(tài)學(xué)意義參見文獻(xiàn)[46]。

1.4 UGI形態(tài)學(xué)空間格局分析

運(yùn)用MSPA方法分析UGI景觀形態(tài)特征變化。首先,將綠地和水體合并作為UGI要素,并作為前景像元,設(shè)置像元值為2,以不透水區(qū)域和其他區(qū)域?yàn)楸尘跋裨?設(shè)置像元值為1,形成新的二值TIFF格式柵格數(shù)據(jù)。然后,將其導(dǎo)入Guidos Tool Box軟件,采用八鄰域規(guī)則,設(shè)置邊緣寬度為1,進(jìn)行MSPA分析,最終將UGI分為互不重疊的7個(gè)景觀類型(表1)。

表1 MSPA景觀類型及其生態(tài)學(xué)含義[34]

2 結(jié)果與分析

2.1 UGI解譯結(jié)果與精度評價(jià)

在參考已有研究成果[13, 43]的基礎(chǔ)上,為年最大NDVI和年均MNDWI設(shè)定初始閾值,然后不斷調(diào)試閾值大小,并利用谷歌高分辨率歷史影像對各閾值組合的解譯結(jié)果逐一進(jìn)行精度驗(yàn)證,在UGI分類總體精度大于90%的情況下,最終確定本研究區(qū)的年最大NDVI和年均MNDWI劃分閾值分別為0.45和0.25。

2000—2019年,遼寧中部城市群城市綠地和水體面積總體上呈增長趨勢,其中城市綠地從2000年的161.46 km2增長到2019年的249.89 km2,增幅達(dá)54.77%；城市水體面積增長近2倍,從2000年的8.83 km2增長到2019年的25.79 km2(圖2)。除沈陽外,各城市綠地和水體均呈增長趨勢。其中,撫順的城市綠地面積增幅最大,從2000年7.82 km2增長到2019年的32.73 km2,增加約3倍；遼陽的水體面積增幅最大,由2000年的0.012 km2增長到2019年的1.67 km2。近20年,各城市水體面積雖然總體呈增加趨勢,且增幅較大,但其占UGI面積的平均比例較小,均在10%以下(圖2)。

圖2 2000—2019年遼寧中部城市群城市綠地和水體面積變化Fig.2 Urban green land and water area changes in central Liaoning urban agglomeration from 2000 to 2019

2000—2019年,遼寧中部城市群UGI總面積總體呈增長趨勢,由2000年的170.28 km2增長到2019年的275.68 km2,增幅達(dá)62%,但其占城市建成區(qū)比例在不斷下降,由25.73%下降到19.72%(圖3),表明城市群UGI增長總體滯后于城市擴(kuò)張,城市綠化狀況變差。從各城市的UGI面積變化看,研究期內(nèi),除沈陽市外,城市群其余7個(gè)城市UGI面積均呈波動(dòng)增加趨勢,其中撫順的UGI面積從2000年的9.46 km2增加到2019年的37.26 km2,增加近3倍。從UGI占城市面積比例變化看,盤錦、沈陽和營口三個(gè)城市的UGI占比總體呈下降趨勢,其中沈陽市的降幅最大,由2000年的31.95%下降到2019年的18.69%；鞍山、撫順、鐵嶺的UGI占比呈微弱地波動(dòng)上升趨勢,而本溪和遼陽的UGI占比整體上變化不大。分階段看,2008年前后,城市群UGI面積及其占比變化存在差異。2000—2008年間,城市群整體及各城市UGI面積均存在顯著的增加趨勢,且UGI占城市面積比例經(jīng)歷了較大波動(dòng)。2008年以后,UGI面積及其占比變化較為平緩,總體變化不大(圖3)。

圖3 2000—2019年遼寧中部城市群UGI面積及占城區(qū)總面積比例變化Fig.3 UGI area and it′s proportions of the total built-up area in central Liaoning urban agglomeration from 2000 to 2019

2.2 UGI景觀格局指數(shù)特征

2000—2019年,遼寧中部城市群UGI景觀格局指數(shù)發(fā)生了顯著變化(圖4)。從面積邊緣特征看(圖4),城市群總體及內(nèi)部各城市PD指數(shù)呈顯著增大趨勢,而LPI指數(shù)呈顯著減小趨勢,這表明城市群內(nèi)部UGI景觀斑塊數(shù)量增多且優(yōu)勢斑塊的主導(dǎo)性減弱,同時(shí)UGI斑塊邊緣長度增加,UGI景觀趨于破碎化。從景觀形態(tài)特征看(圖4),研究期內(nèi)城市群及各城市的LSI指數(shù)呈顯著升高趨勢,而AWMSI指數(shù)則呈顯著下降趨勢,表明城市群及各城市UGI景觀形態(tài)復(fù)雜度增大,景觀斑塊趨于不規(guī)則化。從景觀聚散性特征看(圖4),AI和COHESION指數(shù)均呈顯著下降趨勢,表明城市群UGI在空間上呈逐漸分散的分布特征,景觀斑塊聚集性和結(jié)合度都降低。

2000—2019年各城市UGI各類景觀格局指數(shù)隨時(shí)間變化的回歸分析結(jié)果如表2所示。從斑塊面積邊緣特征看,鞍山和遼陽的PD和LPI指數(shù)變化不顯著,說明兩城市UGI斑塊數(shù)量和主導(dǎo)型斑塊面積在該時(shí)期基本穩(wěn)定；本溪、撫順、鐵嶺和營口的PD指數(shù)顯著增加,但LPI指數(shù)變化不明顯,說明這四個(gè)城市的UGI斑塊數(shù)量顯著增加,但主導(dǎo)型斑塊的面積未發(fā)生明顯變化；撫順的LPI指數(shù)顯著下降,但PD指數(shù)變化不顯著,表明該市UGI主導(dǎo)性斑塊的面積占比減少,但斑塊數(shù)量未明顯增加；沈陽市UGI的PD指數(shù)顯著增加且LPI指數(shù)顯著下降,表明沈陽UGI板塊數(shù)量增加,而主導(dǎo)性斑塊的面積占比下降。從景觀形態(tài)復(fù)雜度看,8個(gè)城市LSI指數(shù)都顯著上升,表明所有城市的UGI形態(tài)復(fù)雜度趨于增加；此外,沈陽的AWMSI指數(shù)顯著下降,表明該市UGI景觀形態(tài)復(fù)雜化,且各斑塊規(guī)模大小趨于均衡。從景觀集聚度和結(jié)合度看,鞍山、撫順、鐵嶺、遼陽和營口等城市的AI和COHESION指數(shù)變化不顯著,表明這些城市UGI景觀在空間上的分布未發(fā)生明顯變化；本溪、盤錦和沈陽三個(gè)城市的AI和COHESION指數(shù)均呈顯著下降趨勢,說明這三個(gè)城市UGI景觀在空間上的分布趨于分散,斑塊間連接性下降。

圖4 2000—2019年遼寧中部城市群UGI景觀格局指數(shù)變化Fig.4 Landscape metrics changes of UGI in central Liaoning urban agglomeration from 2000 to 2019

2.3 UGI形態(tài)學(xué)空間格局特征

基于MSPA方法,遼寧中部城市群UGI被劃分為7種類型(圖5)。從各景觀類型的比例構(gòu)成看,在城市群尺度上,2000—2019年核心區(qū)占比最大,20年平均占比為40.97%,是占據(jù)絕對優(yōu)勢地位的UGI景觀類型,其次為邊緣區(qū)(28.63%)、孤島區(qū)(10.79%)和分支(10.54%),而孔隙的占比最小,約為0.76%(圖5)。在市域尺度上,研究期內(nèi)本溪、撫順、盤錦、沈陽及營口等多數(shù)城市的UGI景觀比例構(gòu)成與城市群整體保持基本一致,核心區(qū)是具有絕對優(yōu)勢的景觀類型,各年份占比均在30%以上,邊緣區(qū)占比在各年份均達(dá)20%,是僅次于核心區(qū)的主要景觀類型,而其他類型占比較小,各年份累計(jì)占比均低于50%；鞍山、遼陽、鐵嶺的核心區(qū)占比在部分年份略低于其他景觀類型,但研究期內(nèi)總體上仍是絕對的優(yōu)勢景觀類型,各個(gè)年份核心區(qū)和邊緣區(qū)的占比均在50%以上(圖5)。

從各景觀類型占比的時(shí)間變化趨勢看,研究期內(nèi)城市群整體核心區(qū)占比不斷下降,從2000年的46.2%下降到2019年的37.26%；而孤島區(qū)、邊緣區(qū),其中孤島區(qū)占比從2000年的5.56%增加到2019年的13.57%,表明核心區(qū)的主導(dǎo)地位和優(yōu)勢度不斷下降,各類景觀類型比例趨于均衡化(圖5)。在市域尺度上,研究期內(nèi)鞍山、沈陽UGI核心區(qū)比例總體呈下降趨勢,其中沈陽從2000年的52.46%下降到2019年的38.86%,下降趨勢最明顯,其他景觀類型的占比則呈不同程度的上升趨勢,表明核心區(qū)逐漸轉(zhuǎn)化為了其他景觀類型；盤錦和營口UGI核心區(qū)占比在此期間經(jīng)歷了先增后減的變化過程,其占比自2000年開始逐漸增加,在2008年分別達(dá)到57.65%和48.37%的最大值,隨后開始下降,而孤島區(qū)和分支則呈先增后減的變化趨勢,這表明UGI景觀主要在核心區(qū)、孤島區(qū)和分支之間轉(zhuǎn)化；遼陽UGI核心區(qū)占比從2000年的29.65%上升到2019年的35.68%,而邊緣區(qū)占比則從32.42%下降到28.31%,其他類型占比變化不大；鐵嶺、本溪以及撫順的UGI各景觀類型占比在該時(shí)期變化趨勢不明顯,均在一定數(shù)值范圍內(nèi)上下波動(dòng),其中鐵嶺UGI核心區(qū)和孤島區(qū)占比的年際變化相對劇烈(圖5)。

城市邊緣區(qū)是UGI變化較為劇烈的區(qū)域。隨著城市化進(jìn)程,城市邊緣向外圍擴(kuò)張,部分城市原城市邊緣區(qū)的UGI逐漸成為城市內(nèi)部景觀,其核心區(qū)逐漸被蠶食并轉(zhuǎn)化為其他UGI類型或非UGI區(qū)域,核心區(qū)斑塊面積減少,斑塊數(shù)量增多,景觀趨于破碎化,其中以沈陽、盤錦和營口等城市較為典型。也有部分城市的邊緣區(qū)UGI面積呈增加趨勢,但新增的UGI景觀破碎化程度較高,如撫順、鐵嶺、本溪和遼陽等(圖6)。

3 討論

3.1 UGI景觀格局變化

UGI是城市重要的生態(tài)屏障,其對城市環(huán)境改善具有重要的作用。大量研究表明,城市森林、草地、湖泊、河流和濕地等在內(nèi)的UGI能夠有效吸附PM2.5等大氣污染物[28, 30]、減少地表徑流以緩解城市內(nèi)澇[2, 47]、固碳釋氧[17]以及緩解熱島效應(yīng)[9],此外還能夠改善人體健康[48-49]以及提供休憩娛樂場所[50]。UGI景觀格局變化影響著其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的發(fā)揮,從而影響著城市環(huán)境質(zhì)量。

景觀格局指數(shù)揭示了遼寧中部城市群UGI時(shí)空格局的演變過程及規(guī)律。分析結(jié)果表明,近20年來,隨著城市化進(jìn)程的加快,遼寧中部城市群UGI景觀整體趨于破碎化,優(yōu)勢景觀斑塊的主導(dǎo)性減弱,景觀形態(tài)趨于不規(guī)整、復(fù)雜度增加,在空間分布上更加分散,景觀斑塊之間的結(jié)合度變差。這與陳康林等[45]對1979—2014年間廣州市綠色空間景觀格局變化的研究結(jié)果一致,表明快速城市化背景下人類活動(dòng)對城市自然生態(tài)系統(tǒng)的干擾強(qiáng)度增大,建設(shè)用地和交通網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)張侵占了生態(tài)用地[41, 51]。此外,各城市的UGI景觀格局變化過程存在差異,但總體上都趨于破碎化,景觀形態(tài)也趨于復(fù)雜化。其中,沈陽市UGI的景觀格局變化的強(qiáng)度與速度明顯高于城市群的其他城市。作為城市群的中心城市,沈陽市城市化進(jìn)程較快、水平較高,市內(nèi)道路交通網(wǎng)絡(luò)密集程度和各項(xiàng)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張強(qiáng)度較大[51-52],因此UGI斑塊更為細(xì)碎。UGI景觀破碎化是導(dǎo)致城市生態(tài)空間的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量下降和城市內(nèi)澇、空氣質(zhì)量降低以及熱島效應(yīng)增強(qiáng)等一系列城市環(huán)境問題的重要因素之一[2, 13, 28]。不過,有研究發(fā)現(xiàn),破碎化的UGI斑塊可使景觀邊緣效應(yīng)增強(qiáng),并創(chuàng)造出更加多樣化的微生境,在特定條件下,這可能有利于城市生物多樣性的提升和保護(hù)[44]。

表2 2000—2019年各城市的UGI景觀格局指數(shù)變化

圖5 2000—2019年遼寧中部城市群UGI景觀類型比例構(gòu)成變化Fig.5 Proportion changes of landscape class of the UGI in central Liaoning urban agglomeration from 2000 to 2019

圖6 2000—2019年各城市邊緣區(qū)UGI景觀形態(tài)特征演化Fig.6 Changes of morphological pattern of UGI landscape in urban fringe from 2000 to 2019

MSPA方法從形態(tài)學(xué)的角度深化了對UGI景觀格局的時(shí)空演變分析,進(jìn)一步揭示了UGI景觀形態(tài)隨城市化擴(kuò)張的演化趨勢。本研究的MSPA分析結(jié)果表明,2000—2019年間,無論是在城市群整體尺度,還是在市域尺度上,核心區(qū)均是該地區(qū)UGI的優(yōu)勢景觀類型,但其占總景觀面積的比例持續(xù)減少,主導(dǎo)地位不斷削弱,其斑塊也趨于破碎化,這與景觀格局指數(shù)分析結(jié)果一致,與該地區(qū)在這一時(shí)期的快速城市化進(jìn)程有關(guān)[41, 52]。于亞平等[21]的研究同樣表明,20世紀(jì)80年代以來,隨著城市化擴(kuò)張,南京市UGI核心區(qū)面積減少,其主導(dǎo)地位下降,UGI景觀趨于破碎化。核心區(qū)的破碎化意味著為動(dòng)植物生長繁衍提供場所的生態(tài)源地在減少,但隨著更多的核心區(qū)被分解為邊緣區(qū)、橋接區(qū)和分支,UGI網(wǎng)絡(luò)的連通性和邊緣效應(yīng)得以增強(qiáng),為不同生物在不同生境間的遷徙提供了途徑,反而有利于城市物種多樣性的保護(hù)和提升[21, 24-25]。本研究還表明,城市邊緣的UGI網(wǎng)絡(luò)更易受到城市化進(jìn)程的影響,而內(nèi)部老城區(qū)UGI得到了較好的保護(hù)。隨著城市化不斷向外擴(kuò)張,原城市邊緣區(qū)的UGI逐漸被蠶食,并被非UGI景觀所占據(jù)而趨于破碎化。與此同時(shí),在新的城市邊緣區(qū)會(huì)形成新的UGI網(wǎng)絡(luò),這一過程隨著城市化不斷向外圍擴(kuò)張周而復(fù)始,這同樣與于亞平等[21]的研究結(jié)果一致。

以上分析表明,快速城市化背景下UGI景觀格局演變的一般特征為：城市化擴(kuò)張侵占了大量的UGI空間,并導(dǎo)致核心UGI斑塊的破碎化、離散化,斑塊間結(jié)合性變差。因此,在后續(xù)的城市規(guī)劃當(dāng)中,各城市需要進(jìn)一步探尋發(fā)展與生態(tài)保護(hù)的平衡點(diǎn),設(shè)定剛性的生態(tài)空間將城市內(nèi)部的核心生態(tài)源地加以保護(hù)[53]。當(dāng)然,UGI景觀的破碎化、離散化對其所提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的利弊影響還有待深入研究。此外,相較于傳統(tǒng)景觀格局指數(shù),MSPA方法進(jìn)一步量化了遼寧中部城市群UGI景觀形態(tài)特征和空間位置變化[20],為進(jìn)一步構(gòu)建城市群生態(tài)廊道和完善城市群UGI網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ),也為基于MSPA方法的城市化區(qū)域UGI景觀格局演變的研究提供了案例參考[24, 36]。

3.2 UGI變化的時(shí)空差異性特征

UGI是城市化進(jìn)程的產(chǎn)物,其空間分布格局及演化是城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市規(guī)劃政策、以及氣候條件等多重自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子綜合作用的結(jié)果[54]。通常,具有相同發(fā)展背景和發(fā)展階段的區(qū)域,其UGI的時(shí)空格局變化表現(xiàn)出一定相似性,而同一時(shí)間的不同區(qū)域以及同一區(qū)域的不同時(shí)間階段上,UGI時(shí)空格局演變往往呈現(xiàn)出區(qū)域性和階段性的特征[45]。

本研究表明,總體來看,2000—2019年遼寧中部城市群的UGI面積呈波動(dòng)增長趨勢,但其占城區(qū)比例不斷下降且UGI景觀趨于破碎化,表明該地區(qū)城市綠化網(wǎng)絡(luò)建設(shè)滯后于城市化擴(kuò)張速率,城市綠色空間增長與城市空間擴(kuò)張并不同步,UGI供需結(jié)構(gòu)失衡狀況加劇,城市環(huán)境保護(hù)讓位于經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市空間擴(kuò)張[3, 12, 51]。這符合當(dāng)前我國城市化發(fā)展及其內(nèi)部空間格局演變的普遍性特征。在過去相當(dāng)長一段時(shí)間,我國城市化進(jìn)程總體上處于無序空間擴(kuò)張且盲目追求速度的粗放型發(fā)展階段,城市空間擴(kuò)張往往以犧牲城市生態(tài)用地為代價(jià)[1, 44]。此外,作為整體,遼寧中部城市群具有相似的自然環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人文歷史背景,因此城市群UGI的時(shí)空演變規(guī)律具有一定程度的共性,但由于各城市處于不同發(fā)展階段,經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式和城市規(guī)劃政策也存在差異,各城市的UGI時(shí)空格局演變也表現(xiàn)出各自的個(gè)性特征。

因此,各城市在城市UGI規(guī)劃中,應(yīng)充分考慮自身自然、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等背景以及未來城市發(fā)展前景,制定符合當(dāng)前城市發(fā)展階段又具有前瞻性的城市規(guī)劃政策；同時(shí),各城市也可適當(dāng)借鑒其他處于同等發(fā)展階段或具有大體相似自然、社會(huì)經(jīng)濟(jì)背景的城市UGI規(guī)劃經(jīng)驗(yàn),從而規(guī)避城市規(guī)劃政策中的不合理性和不確定性[45]。

3.3 基于水體指數(shù)和植被指數(shù)的UGI提取方法

植被指數(shù)和水體指數(shù)被廣泛運(yùn)用于城市綠地空間的時(shí)空格局演變研究之中。例如,李婷婷[55]利用Landsat影像的NDVI和MNDWI提取了2001—2016年重慶市主城區(qū)綠色空間,并分析了其時(shí)空格局動(dòng)態(tài)變化；Huang等[56]利用Landsat影像的NDVI數(shù)據(jù)分析了1985—2015年間北京市主城區(qū)植被增加和損失的空間分布特征。本文利用GEE平臺(tái)構(gòu)建了基于植被指數(shù)和水體指數(shù)的閾值分割解譯方法,實(shí)現(xiàn)了對遼寧中部城市群近20年UGI的提取。精度驗(yàn)證結(jié)果表明該方法對UGI解譯效果較好,可用于大區(qū)域尺度長時(shí)間序列的UGI時(shí)空格局演變分析。然而,該方法存在以下兩個(gè)方面的不足。首先,有研究表明城市化背景下小斑塊的UGI變化更為劇烈[57],但本文使用的Landsat影像空間分辨率僅為30 m,無法精確地識別城市內(nèi)部小斑塊的UGI。其次,由于滑動(dòng)平均法對影像噪聲去除不完全,閾值分割產(chǎn)生的大量碎斑對局部區(qū)域的解譯效果具有一定影響。因此,使用更高空間分辨率的遙感數(shù)據(jù)及更好的降噪技術(shù)來提高遙感影像質(zhì)量,可進(jìn)一步提升該方法對UGI的提取效果。

4 結(jié)論

基于GEE平臺(tái),本文首先提取了2000—2019年連續(xù)時(shí)間序列上遼寧中部城市群UGI及各城市邊界,然后綜合運(yùn)用景觀格局指數(shù)和MSPA方法分析了該時(shí)期遼寧中部城市群UGI時(shí)空格局演變規(guī)律。研究表明,2000—2019年間,遼寧中部城市群UGI總面積呈波動(dòng)上升趨勢,但其占城市建成區(qū)比例在不斷下降,城市綠地空間建設(shè)滯后于城市空間擴(kuò)張。近20年間遼寧中部城市群UGI破碎化程度加劇,優(yōu)勢景觀斑塊的主導(dǎo)性減弱,景觀形態(tài)趨于不規(guī)整和復(fù)雜化,且空間布局上更加分散,景觀斑塊之間的結(jié)合度變差。MSPA分析進(jìn)一步表明,快速城市化背景下,作為城市群重要生態(tài)源地的UGI核心區(qū)逐漸被蠶食,并轉(zhuǎn)化為橋接區(qū)、分支和環(huán)島區(qū)等其他類型的UGI景觀或非UGI景觀；同時(shí),城市邊緣區(qū)的UGI變化最為劇烈,且更易受到城市化擴(kuò)張的影響。

本研究可為快速城市化區(qū)域UGI空間網(wǎng)絡(luò)布局與優(yōu)化和基于UGI的城市生態(tài)安全格局構(gòu)建提供技術(shù)支撐和決策依據(jù),對連續(xù)時(shí)間尺度上快速城市化區(qū)域UGI時(shí)空格局演變的研究也具有一定借鑒意義。但本文還存在以下方面的不足：首先,Landsat植被和水體指數(shù)閾值分割法的整體解譯精度較好,但產(chǎn)生的大量碎斑影響了局部地區(qū)的分類效果,且無法有效識別規(guī)模較小(空間規(guī)模小于30 m)的UGI景觀；此外,本研究僅將綠地和水體作為UGI的主體進(jìn)行識別,而沒有對其進(jìn)行進(jìn)一步類型細(xì)分,無法更精確地識別UGI的具體類型并分析其景觀格局和形態(tài)特征演變。因此,后續(xù)研究應(yīng)從以上兩個(gè)方面加以改進(jìn)和補(bǔ)充。另外,如何在MSPA識別UGI景觀類型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步構(gòu)建生態(tài)廊道和優(yōu)化UGI網(wǎng)絡(luò),也值得后續(xù)研究進(jìn)一步探究。