城市擴(kuò)張背景下景觀破碎化動(dòng)態(tài)演變及空間自相關(guān)分析
——以南昌市為例

林晉大, 多玲花, 鄒自力

(1.東華理工大學(xué) 江西生態(tài)文明建設(shè)制度研究中心， 南昌 330013;2.東華理工大學(xué) 測繪工程學(xué)院, 南昌 330013； 3.自然資源部環(huán)鄱陽湖區(qū)域礦山環(huán)境監(jiān)測與治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南昌 330013)

城市的高速擴(kuò)張與人類密集的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)不斷蠶食著區(qū)域內(nèi)的自然生態(tài)景觀，對區(qū)域內(nèi)不同景觀之間的有效連接產(chǎn)生了影響[1]，景觀破碎化程度不斷加劇。景觀連接度能有效度量城市的生態(tài)調(diào)控能力[2]，判斷區(qū)域間各景觀對于生態(tài)流的促進(jìn)或阻礙程度[3]。自然景觀的有效連接對于維持區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定、生物多樣性的保護(hù)具有重要意義[4]，而耕地連通性與規(guī)模生產(chǎn)、糧食安全有著密切的關(guān)系[5]。因此，研究建設(shè)用地的景觀破碎度與自然生境、耕地的景觀連接度三者之間的動(dòng)態(tài)演變過程及空間自相關(guān)變化特征能為城市生態(tài)保護(hù)、合理規(guī)劃土地利用、實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展提供重要依據(jù)。

當(dāng)前，景觀破碎化與孤島化現(xiàn)象日益嚴(yán)重[6-7]，城市和城市周邊的景觀呈現(xiàn)出“高度破碎化”和“空間異質(zhì)性顯著”的特征[8]，致使原來相對均衡的各景觀要素變?yōu)楸舜烁綦x的不連續(xù)斑塊鑲嵌體[9-10]，重構(gòu)景觀的有效連接能夠維持景觀的連續(xù)性和完整性。近年來，國內(nèi)外學(xué)者致力于景觀破碎化的研究，其中有學(xué)者運(yùn)用景觀格局指數(shù)[11-12]定量表征景觀破碎化信息，也有學(xué)者從形態(tài)學(xué)[13]，有效格網(wǎng)評(píng)估[14-15]，移動(dòng)窗口法[16-17]，地理探測器等[18]方法進(jìn)行景觀破碎化空間格局研究。然而過去的研究側(cè)重于景觀破碎化演變過程的分析，鮮有對景觀破碎化與城市擴(kuò)張空間相關(guān)性的研究，本文從景觀破碎度與連接度出發(fā)探究城市擴(kuò)張對于自然生境及耕地斑塊連接度變化的影響及三者之間的空間自相關(guān)動(dòng)態(tài)特征，識(shí)別景觀破碎度與連接度變化呈現(xiàn)空間相關(guān)性的區(qū)域，為南昌市優(yōu)化城市發(fā)展方針、緩解經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市生態(tài)環(huán)境二者沖突提供參考。

本文以南昌市為例，分析城市擴(kuò)張?jiān)斐傻木坝^破碎化及自然生境、耕地連接度的動(dòng)態(tài)演變過程，并探究三者之間的空間相關(guān)性。旨在探討以下幾個(gè)方面：(1) 城市擴(kuò)張對于景觀破碎度及景觀連接性的影響。(2) 景觀連接度的變化如何響應(yīng)景觀破碎化。(3) 城市化過程中，建設(shè)用地與自然生境、耕地之間的變化是否存在空間相關(guān)性。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

南昌市位于江西省中部偏北，與鄱陽湖西南岸相接，在東經(jīng)115°27′—116°35′，北緯28°10′—29°11′。境內(nèi)以平原為主要地形，平均海拔為25 m，東南部地形較為平緩，西北部為丘陵地帶，全境山、丘、崗、平原相間，具有“西山東水”的地勢。全市總面積為7 384 km2，土地利用以耕地和林地為主，其中耕地3 862 km2，林地1 168 km2，因其雨水充沛，光照時(shí)間充足，南昌市植被覆蓋率達(dá)到42.96%，為國家森林城市。

1.2 研究數(shù)據(jù)來源

本文所使用的土地利用數(shù)據(jù)來源于美國地質(zhì)調(diào)查局平臺(tái)(https:∥www.usgs.gov/)獲取的Landsat TM/STM+影像，分辨率為30 m，時(shí)段分別為2000年、2005年、2010年、2015年。通過ENVI軟件對4期遙感影像進(jìn)行輻射校正、幾何校正等預(yù)處理，獲得土地利用數(shù)據(jù)，解譯精度大于90%。依據(jù)研究目的，參照土地利用分類方法，將區(qū)內(nèi)用地類別劃分為建設(shè)用地、草地、耕地、林地、水域及其他。

2 研究思路與方法

2.1 城市破碎指數(shù)

城市破碎指數(shù)(UFI)可以從速度和形態(tài)兩方面反映城市擴(kuò)張對于景觀格局的改變，根據(jù)Garcia等[19]的研究，UFI遵循以下等式：

(1)

式中:Si為第i個(gè)區(qū)域建設(shè)用地面積(m2);Pi為第i個(gè)區(qū)域建設(shè)用地的周長(m);A為區(qū)域總面積(m2)。式中的第一項(xiàng)表征了城市土地利用率;第二項(xiàng)表示城市邊界地區(qū)與等效圓的周長之比。將此公式用于定量評(píng)價(jià)建設(shè)用地所造成的景觀破碎程度,值越大表明破碎程度越高。

為更直觀地體現(xiàn)景觀的動(dòng)態(tài)變化，計(jì)算第n年到第m年的UFI的變化率，公式為：

(2)

本文參考已有研究[20-21]，利用ArcGIS軟件創(chuàng)建4 km×4 km的漁網(wǎng)網(wǎng)格，計(jì)算包括景觀整體以及每個(gè)網(wǎng)格中的UFI值，評(píng)價(jià)不同時(shí)期建設(shè)用地的景觀破碎度差異及變化規(guī)律。

2.2 形態(tài)學(xué)空間格局分析

形態(tài)學(xué)空間格局分析(MSPA)可以識(shí)別目標(biāo)像元集和結(jié)構(gòu)要素之間的空間拓?fù)潢P(guān)系，將目標(biāo)像元集分為7類不同的景觀要素[22]。利用重分類得到的土地利用數(shù)據(jù)，將林地和草地合并為自然生境，分別將耕地和自然生境作為前景，其他景觀類型做為背景值，采用8鄰域算法進(jìn)行分析。在MSPA分析中，不同邊緣寬度的設(shè)置對于斑塊的面積和形態(tài)將產(chǎn)生較大的影響[23-25]，為比較不同邊緣寬度對于斑塊內(nèi)部及斑塊連接度的影響，選擇適宜的邊緣寬度進(jìn)行分析，本文選取1，4，8三種不同的邊緣寬度進(jìn)行比較，分別對應(yīng)了30，120，240 m的實(shí)際距離，經(jīng)分析后最終選取4為邊緣寬度。根據(jù)MSPA分析得到的7類景觀要素，提取其中對景觀連通具有重要意義的核心區(qū)，并研究其在景觀連接度中的作用。

2.3 景觀連接度分析

景觀連接度反映了不同景觀類型的斑塊在生態(tài)流之間能量、信息的促進(jìn)或阻礙作用[26]。PC指數(shù)能反映景觀的連通性，dPC指數(shù)能反映斑塊對于景觀保持連通性的重要性，計(jì)算公式如下：

(3)

(4)

式中:n為景觀中斑塊總數(shù);ai,aj為i斑塊和j斑塊的面積；AL為景觀基質(zhì)面積；PCremove為去除單個(gè)斑塊后剩余斑塊的整體指數(shù)值。本文采用dPC來評(píng)價(jià)斑塊結(jié)構(gòu)的重要性,距離閾值設(shè)置為1 500 m,連接概率為0.5[20,24]。在得到各斑塊重要值后,按照自然斷點(diǎn)法進(jìn)行分級(jí),將核心區(qū)斑塊重要值分為5級(jí):極高、高、中等、低、極低。依據(jù)核心區(qū)斑塊重要值的比值賦權(quán)重,同樣計(jì)算每個(gè)漁網(wǎng)網(wǎng)格的平均斑塊重要值來表征連接度。

2.4 空間自相關(guān)分析

空間自相關(guān)分析可分為全局空間自相關(guān)(Global Moran′sI)和局部空間自相關(guān)(Local Indicators of Spatial Association,LISA)，LISA將Global Moran′sI分解到各空間單元[27]，本文主要通過局部空間自相關(guān)分析景觀破碎度、自然生境平均連接度、耕地平均連接度三者之間的空間關(guān)系，局部空間自相關(guān)公式為：

(5)

式中：Ii為局部Moran指數(shù)；xi，xj是變量x在相鄰配對空間單元的取值或?qū)傩裕粀ij是空間權(quán)重矩陣。

3 結(jié)果與分析

3.1 城市擴(kuò)張對于景觀破碎度的影響分析

南昌市2000—2015年土地利用狀況如圖1和表1所示，2015年和2000年相比，南昌市建設(shè)用地面積顯著增加，其中占用最多的地類為耕地其次為林地，共有273.26 km2的耕地，42.10 km2的林地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地。與2000年相比建設(shè)用地占南昌市總面積的比例由4.17%上升至8.43%，耕地面積由54.93%下降至52.31%，林地面積由16.45%下降至15.81%。草地、其他、水域面積變化情況較小。

圖1 南昌市2000-2015年土地利用類型

城市的高速擴(kuò)張?jiān)斐闪私ㄔO(shè)用地破碎化程度不斷加深，由表2可知，南昌市城市破碎指數(shù)由2000年的2.27上升至2015年的4.94，建設(shè)用地的破碎化程度造成了土地利用類型的劇烈變化，影響和改變著周圍的自然景觀。通過圖2格網(wǎng)分析可知，南昌市景觀破碎化逐年由贛江向兩岸延伸，城市化初期破碎化較高的斑塊主要分布在贛江東側(cè)的東湖區(qū)一帶，隨著城市化進(jìn)程的加快，建設(shè)用地以贛江為軸心，向南北方向擴(kuò)散?？傮w來看，景觀破碎化程度主要集中在城市中心區(qū)域，且整體向北偏移，主要原因是紅谷灘新區(qū)的開發(fā)，該區(qū)域的建設(shè)用地迅速向外擴(kuò)張，區(qū)域內(nèi)人口密度和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)高度集中，加深了區(qū)域內(nèi)的景觀破碎度。

表1 南昌市2000-2015年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 km2

圖2 南昌市2000-2015年UFI空間分布

表2 南昌市2000-2015年整體UFI指數(shù)

3.2 基于MSPA的自然生境和耕地景觀格局分析

由圖3可知，自然生境主要分布在南昌市的西北及東南方向，西北部的景觀連通性較好，自然生境斑塊面積較大且分布集中連片；東南部核心區(qū)分布零散且斑塊面積較小。在15 a間，南昌市西北部自然生境核心區(qū)保護(hù)情況優(yōu)于東南部，梅嶺及安義縣北部地區(qū)始終保持著較為完整的大面積斑塊，東南部地區(qū)斑塊則顯現(xiàn)逐年破碎化的趨勢。自然生境的變化趨勢與南昌市地形密切相關(guān)，南昌市西北部地區(qū)為南昌市全境海拔的最高峰，不利于土地開發(fā)利用，而東南部地區(qū)地勢較為平坦，且水文條件良好，較易于受到人類活動(dòng)影響。由圖4可知，耕地是南昌市景觀的主要組成部分，同時(shí)也是建設(shè)用地?cái)U(kuò)張侵占的主要用地類型，15 a間耕地主要沿贛江兩岸迅速減少，2000—2005年減少的耕地核心區(qū)主要分布在贛江東側(cè)一帶，2005—2015年隨著城市發(fā)展方向的改變，贛江西側(cè)新建區(qū)一帶成為耕地核心區(qū)減少的主要區(qū)域。

圖3 南昌市2000-2015年自然生境MSPA類型分布

從土地利用轉(zhuǎn)移情況來看，自然生境受到的影響較小，但建設(shè)用地的擴(kuò)張必然對自然生境的景觀格局產(chǎn)生影響。根據(jù)圖5可知，自然生境中面積占比最大的是核心區(qū)，其次是邊緣區(qū)和島狀斑塊，2000—2015年間各類景觀類型總體上變化趨勢較為平緩，2000—2005年核心區(qū)面積有小幅的上升，但其頻次并未發(fā)生變化，說明此時(shí)核心區(qū)面積增加且分布更為集中，2005—2015年間核心區(qū)占前景的比例及面積都在降低，且頻次變化更為劇烈，更多面積較小核心區(qū)消失，表明建設(shè)用地與自然景觀之間的相互作用在不斷加強(qiáng)。從圖6中可以看出，耕地核心區(qū)在15 a間占前景的比例較為平穩(wěn)，但其頻次逐年下降且變化幅度明顯，說明在研究期內(nèi)，越來越多面積較小的斑塊消失，在景觀中起連接作用的橋接區(qū)一并減少，表明耕地之間的連通性逐漸降低。同時(shí)隨著建設(shè)用地與耕地景觀的相互作用愈加激烈，島狀斑塊的頻率在不斷增加，耕地面積減少，集中連片度降低，耕地質(zhì)量不斷惡化。

圖4 南昌市2000—2015年耕地MSPA類型分布

圖5 南昌市2000-2015年自然生境MSPA數(shù)據(jù)

圖6 南昌市2000-2015年耕地MSPA數(shù)據(jù)

3.3 景觀連接度分析

由圖7可知，分布在南昌市西北部的大型林地斑塊始終是區(qū)域內(nèi)維持景觀連通性中最重要的一環(huán)，其不僅是區(qū)域內(nèi)重要森林生態(tài)系統(tǒng)，也是貫穿南昌市西部的一條重要廊道和生態(tài)屏障。分布在東南部的自然生境斑塊則由于小型斑塊的滅失，區(qū)域內(nèi)部的景觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了改變，面積更小的斑塊在維持區(qū)域連通性中承擔(dān)更為重要的作用，對于東南部的自然生境保護(hù)及改造應(yīng)是南昌市未來生態(tài)修復(fù)中亟需關(guān)注的一部分。

耕地作為南昌市景觀類型的基質(zhì)，其對于維持區(qū)域內(nèi)景觀的連接度同樣具有重要意義，分析圖8可知，核心區(qū)中對于維持景觀連通具有極高和高重要性的斑塊主要分布在南部及北部的鄱陽湖一帶，而靠近城市區(qū)域的耕地斑塊重要值以低和極低為主，耕地連通性受城市擴(kuò)張的影響更為顯著，快速的城市擴(kuò)張?jiān)斐闪烁丶羞B片度降低，可長期利用的穩(wěn)定耕地?cái)?shù)量減少，對區(qū)域內(nèi)的糧食安全產(chǎn)生了負(fù)面影響。

圖7 南昌市2000-2015年自然生境重要斑塊分布

圖8 南昌市2000-2015年耕地重要斑塊分布

3.4 空間自相關(guān)分析

景觀破碎度、耕地平均連通概率、自然生境平均連通概率全局莫蘭指數(shù)見表3，2000—2015年三者的全局莫蘭指數(shù)總體小于0，說明三者之間主要呈負(fù)相關(guān)趨勢，且隨著時(shí)間變化三者之間的空間差異性愈加明顯。圖9為景觀破碎度、耕地平均連通概率、自然生境平均連通概率三者之間的局部自相關(guān)聚類圖。分析圖9可知，景觀破碎度與耕地平均連通概率出現(xiàn)高低聚集的區(qū)域主要分布在城市中心，且隨著時(shí)間推移高低聚集區(qū)的范圍逐漸擴(kuò)大，表明建設(shè)用地對于耕地連通性的影響逐漸增大，研究區(qū)南部則出現(xiàn)了大范圍的低高聚集區(qū)域，該區(qū)域耕地景觀受城市擴(kuò)張的影響程度較小，是保持區(qū)域內(nèi)耕地連通性中最重要的一環(huán)。景觀破碎度與自然生境之間的高低聚集區(qū)域則在早期分布較為分散，隨著城市化進(jìn)程的加快逐漸集中到城市中心區(qū)域，低高聚集區(qū)域則始終分布在南昌市西北部梅嶺森林公園，高高聚集區(qū)域則主要分布在梅嶺森林公園外圍。自然生境與耕地連通性聚集圖分析可知，研究區(qū)南部是維護(hù)區(qū)域耕地連通的主要區(qū)域，而西北的梅嶺是維持區(qū)域自然生境連通的主要區(qū)域，城市中心則隨著建設(shè)用地的擴(kuò)張出現(xiàn)了耕地與自然生境連接度的低低聚集區(qū)。

表3 景觀破碎度、耕地平均連通概率、自然生境平均連通概率全局莫蘭指數(shù)

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

城市的快速擴(kuò)張?jiān)斐闪送恋乩妙愋偷淖兓觿×?，勢必對區(qū)域內(nèi)的整體景觀格局和生態(tài)過程產(chǎn)生影響。城市化過程中土地資源與其周邊環(huán)境不斷進(jìn)行著物質(zhì)能量交換，并不斷重構(gòu)景觀要素之間的空間關(guān)系，通常與城市經(jīng)濟(jì)活關(guān)系較為密切的區(qū)域更易遭到破壞。本文通過分析建設(shè)用地景觀破碎度與耕地、自然生境連接度的動(dòng)態(tài)演變過程及三者之間的空間關(guān)系，發(fā)現(xiàn)景觀破碎度與景觀連接度之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且空間上存在負(fù)相關(guān)的區(qū)域隨著城市化進(jìn)程不斷擴(kuò)大。在城市化初期景觀結(jié)構(gòu)由于整體結(jié)構(gòu)性能維持其穩(wěn)定的狀態(tài)，當(dāng)城市化進(jìn)行到一定階段，景觀破碎化在改變景觀形態(tài)的同時(shí)，內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和功能也在變化，景觀整體的穩(wěn)定性減弱，生態(tài)過程受影響程度加深。

注：A自變量為景觀破碎度，因變量為耕地平均連通概率；B自變量為景觀破碎度，因變量為自然生境平均連通概率；C自變量為自然生境平均連通概率，因變量為耕地平均連通概率。*代表p<0.05。

由于景觀動(dòng)態(tài)演變是一個(gè)復(fù)雜的過程，受區(qū)域自然稟賦和政策法規(guī)的雙重影響，未來景觀破碎化的研究中需考慮政策的干預(yù)作用。此外不同的研究尺度對試驗(yàn)結(jié)果同樣會(huì)產(chǎn)生影響，本文重點(diǎn)探討了市域尺度下的景觀破碎化演變過程，深入宏觀和微觀的尺度的探討能更加完善對于景觀破碎化的研究。盡管如此，本研究可為新時(shí)期國土綜合整治與生態(tài)修復(fù)、基本農(nóng)田保護(hù)規(guī)劃、保障糧食安全提供有益參考。

4.2 結(jié) 論

(1) 研究區(qū)近15 a來城市高速擴(kuò)張，建設(shè)用地需求量躍升，建設(shè)用地面積由2000年的308 km2上升至2015年的622 km2，而耕地及自然生境則呈現(xiàn)逐年減少的態(tài)勢，耕地及生態(tài)用地保護(hù)與建設(shè)用地?cái)U(kuò)張之間的沖突日益顯著。UFI指數(shù)表明，在城鎮(zhèn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，人口劇增的現(xiàn)實(shí)環(huán)境下，建設(shè)用地結(jié)構(gòu)與形態(tài)迅速改變，破碎化程度加深。

(2) MSPA分析顯示，2000—2005年自然生境核心區(qū)出現(xiàn)了小幅的上升，但以2010年為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，核心區(qū)的數(shù)量及頻次開始逐年減少，島狀斑塊數(shù)量呈上升趨勢，自然生境受周圍區(qū)域影響程度加深；耕地在2000—2015年，核心區(qū)頻次不斷減少，但核心區(qū)占前景比例相對穩(wěn)定，表明研究期內(nèi)主要為小面積的核心區(qū)減少。

(3) 景觀連接度分析顯示，耕地和自然景觀中小型斑塊的滅失將導(dǎo)致大型斑塊呈現(xiàn)孤島化，最終影響整體景觀連接度。西北部的大型林地斑塊連通性始終維持在較高水平，保護(hù)這一區(qū)域原有生態(tài)系統(tǒng)的完整性及結(jié)構(gòu)功能的穩(wěn)定性應(yīng)作為南昌市未來生態(tài)保護(hù)的首要目標(biāo)，而重構(gòu)贛江東側(cè)耕地景觀的結(jié)構(gòu)連接度則能促進(jìn)南北部大型耕地斑塊的物質(zhì)能量流通。

(4) 空間自相關(guān)分析顯示，城市的中心區(qū)域成為景觀整合與重構(gòu)的主場地，自然景觀與建設(shè)用地的高低聚集區(qū)域呈現(xiàn)“分散—集中”的演變過程，而耕地與建設(shè)用地的聚集演變過程則呈現(xiàn)相反的趨勢。西北部為自然景觀的高值聚集區(qū)，而南部為耕地的高值聚集區(qū)。