城市擴(kuò)張背景下景觀破碎度與耕地連接度演變分析

林晉大 鄒自力

（東華理工大學(xué)測(cè)繪工程學(xué)院 江西南昌 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(duì)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。景觀連接度能有效地度量城市的生態(tài)調(diào)控能力，判斷區(qū)域間各景觀對(duì)于生態(tài)流的促進(jìn)或阻礙程度，景觀的有效連接對(duì)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[2-3]，而耕地連通性對(duì)于規(guī)模生產(chǎn)，糧食安全有著密切的關(guān)系[4]。因此，研究建設(shè)用地的景觀破碎度與耕地景觀連接度之間的動(dòng)態(tài)演變過(guò)程及耦合關(guān)系能為城市生態(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)。

過(guò)去對(duì)于城市景觀格局的研究側(cè)重于分析城市本身的格局變化，對(duì)于城市擴(kuò)張對(duì)其周邊自然生態(tài)景觀的互相影響關(guān)系分析較少。建設(shè)用地的擴(kuò)張蠶食著區(qū)域內(nèi)的其他景觀，對(duì)于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的連接起到了一定的阻礙作用，不利于物種間的物質(zhì)、能量、信息流動(dòng)[5]。城市快速擴(kuò)張?jiān)斐傻木坝^破碎程度可以通過(guò)城市破碎指數(shù)（UFI）進(jìn)行評(píng)估[6-7]，該指數(shù)能夠在景觀單元尺度上反映人類活動(dòng)對(duì)于景觀格局的影響程度。

景觀連接度理論于1984 年由Merriam 引入景觀生態(tài)學(xué)中[8]，之后國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同的角度開(kāi)展了廣泛的研究，如孔俞堅(jiān)基于景觀連接度構(gòu)建了北京市景觀生態(tài)安全格局[9]，孔繁花等人基于結(jié)構(gòu)連接度構(gòu)建了巴中西部新城的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)[10]；劉世梁等人將景觀連接度引入土地整理中對(duì)貴州省道真縣土地整理項(xiàng)目的生態(tài)效應(yīng)進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)[11]；張宇等人從功能連接度出發(fā)運(yùn)用景觀指數(shù)對(duì)滇金絲猴棲息地景觀連通性進(jìn)行研究[12]。

1 研究地區(qū)與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

南昌市位于江西省中部偏北，與鄱陽(yáng)湖西南岸相接，全境內(nèi)以平原為主要地形，占南昌市總面積的35.8%。全市雨水較豐富，光照時(shí)間充足，為作物的生長(zhǎng)提供了有利條件。南昌市植被覆蓋率為42.96%。南昌市水文良好，湖泊眾多，具有“西山東水”的地勢(shì)。

1.2 研究數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究主要采用南昌市2000 年、2005 年、2010年、2015 年四期土地利用數(shù)據(jù)，并依據(jù)研究目的參照土地利用分類方法，將土地利用類型劃分為建設(shè)用地、草地、耕地、林地、其他及水域。

2 研究思路與方法

2.1 城市破碎度指數(shù)(UFI)

城市破碎度指數(shù)（UFI）可以從速度和形態(tài)兩方面反映城市擴(kuò)張對(duì)于景觀格局的改變，根據(jù)Romano和Zullo[13]，UFI 遵循以下等式：

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(zhǎng)（m）；A 為區(qū)域總面積（m2）。公式中的第一項(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(zhǎng)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 年的的變化率，根據(jù)以下公式：

本文研究利用ArcGIS 軟件創(chuàng)建4km×4km 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(MSPA)

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)像元集分為七類不同的景觀要素[14-15]。研究利用重分類的土地利用數(shù)據(jù)，將耕地作為前景，其他用地利用類型作為背景，將邊緣寬度設(shè)置為4，采用8 鄰域算法進(jìn)行分析，得到七類互不重疊的要素。根據(jù)分析得到的七類景觀要素，提取其中對(duì)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。指數(shù)能反映景觀的連通性，指數(shù)能反映斑塊對(duì)于景觀保持連通性的重要性，計(jì)算公式如下：

式中：n 為景觀中斑塊總數(shù)；ai、aj代表i 斑塊和j 斑塊的面積、AL為景觀基質(zhì)面積，PCremove代表去除單個(gè)斑塊后剩余斑塊的整體指數(shù)值。本文利用Conefor 軟件，將距離閾值設(shè)置為1500m，連通概率設(shè)置為0.5[16]。采用來(lái)評(píng)價(jià)斑塊結(jié)構(gòu)的重要性，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(lái)表征連接度。

3 結(jié)果分析

3.1 城市擴(kuò)張對(duì)于景觀破碎度的影響分析

南昌市2000—2015 年土地利用狀況如表1 所示，2000 年和2015 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273.26km2的耕地和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%，耕地面積占比由54.93%下降至52.31%，林地面積占比由16.45%下降至15.81%，水域面積占比由18.31%下降至17.44%，其他用地面積變化較小。

表1 南昌市2000-2015 年土地利用結(jié)構(gòu)表

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4.94，2000 至2005 年、2010 至2015 年間的平均城市破碎指數(shù)分別為47.83%、45.30%，2005 至2010 年由于南昌市城市化速率放緩，建設(shè)用地向外擴(kuò)張強(qiáng)度減弱，平均城市破碎指數(shù)為1.36%。建設(shè)用地的破碎化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(guò)圖1 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，隨著南昌市城市化進(jìn)程的不斷提升，建設(shè)用地以贛江為軸心，向南北方向擴(kuò)散。總體來(lái)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(kāi)發(fā)，該區(qū)域人口密度和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)高度集中，加深了區(qū)域內(nèi)的景觀破碎度。

圖1 南昌市2000-2015 年UFI 空間分布圖

表2 南昌市2000-2015 年整體UFI 指數(shù)

3.2 基于MSPA 的耕地景觀格局分析

從圖2 中可以看出，耕地核心區(qū)在15 年間占前景的比例較為平穩(wěn)，沒(méi)有發(fā)生大幅度的變化，2005-2010 年間核心區(qū)面積小幅上升，但其頻次逐年下降且變化幅度明顯，說(shuō)明在研究期內(nèi)，越來(lái)越多面積較小的斑塊消失，伴隨著小斑塊的消失，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，耕地與建設(shè)用地?cái)U(kuò)張間起到緩沖作用的邊緣區(qū)其頻次及比例均不斷減少，耕地受建設(shè)用地影響程度不斷加深，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2 南昌市2000-2015 年耕地MSPA 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖

3.3 景觀連接度分析

耕地作為南昌市景觀類型的基質(zhì)，其對(duì)于維持區(qū)域內(nèi)景觀的連接度具有重要意義?；贛SPA 分析，提取對(duì)于景觀連通具有重要意義的核心區(qū)，進(jìn)一步分析斑塊重要值，結(jié)果如圖3 所示。分析圖3 可知，對(duì)于維持耕地連通性起重要作用的斑塊主要分布在研究區(qū)南部的南昌縣及新建縣一帶，這一區(qū)域內(nèi)的耕地斑塊面積較大且集中連片，是未來(lái)城市耕地保護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域。市區(qū)范圍內(nèi)的耕地受城市擴(kuò)張的影響，斑塊逐漸消失，同時(shí)分布在市區(qū)周圍的耕地斑塊重要性值呈現(xiàn)逐年降低的趨勢(shì)。

圖3 南昌市2000-2015 年耕地重要斑塊分布圖

3.4 景觀破碎度與連接度演變分析

將景觀破碎度、耕地連接度按權(quán)重賦值到4km×4km 的格網(wǎng)中，并篩選其中建設(shè)用地與耕地相互作用較強(qiáng)的格網(wǎng)，結(jié)果如圖4 所示。圖4 中橫坐標(biāo)表示格網(wǎng)的編號(hào)，縱坐標(biāo)代表對(duì)應(yīng)的格網(wǎng)中的景觀破碎度與耕地斑塊重要值。從圖4 中可以看出建設(shè)用地?cái)U(kuò)張?jiān)斐傻木坝^破碎度與耕地連接度呈明顯的負(fù)相關(guān)。2005-2015 年間1-5、11-17、19-27 號(hào)格網(wǎng)景觀破碎度呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)，同時(shí)與之相對(duì)應(yīng)的格網(wǎng)中耕地斑塊重要值則隨時(shí)間變化則呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。伴隨著景觀破碎度的上升，格網(wǎng)內(nèi)的耕地斑塊逐漸喪失連通作用，早期對(duì)景觀連通有重要作用的斑塊變成了多個(gè)不連續(xù)斑塊鑲嵌體。建設(shè)用地的擴(kuò)張不僅造成了景觀破碎度加深，對(duì)其周邊的景觀類型也同樣產(chǎn)生了影響，建設(shè)用地?cái)U(kuò)張不僅直接造成了耕地?cái)?shù)量的減少，對(duì)耕地景觀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生了負(fù)面影響。

圖4 南昌市2000-2015 年UFI 與耕地連接度變化圖

4 研究結(jié)論

本文運(yùn)用城市破碎度指數(shù)、形態(tài)學(xué)格局分析與景觀連接度相結(jié)合的方法，分析了南昌市2000—2015 年城市擴(kuò)張與耕地景觀連接度的動(dòng)態(tài)演變關(guān)系。研究結(jié)果表明:

（1）近20 年來(lái)南昌市建設(shè)用地高速擴(kuò)張，期間大量耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，UFI 指數(shù)表明，城市擴(kuò)張對(duì)景觀破碎度造成顯著影響，建設(shè)用地沿贛江兩岸迅速向四周延伸。

（2）基于MSPA 分析，提取耕地中的核心、邊緣、橋接、及島狀斑塊，2000-2005 年間耕地核心區(qū)占前景比例出現(xiàn)了小幅的上升，但隨著城市化進(jìn)程的加快，核心區(qū)的數(shù)量及頻次開(kāi)始逐年減少，受周圍區(qū)域影響程度加深。

（3）分析斑塊重要值與UFI 指數(shù)，兩者之間表現(xiàn)出一定程度的響應(yīng)，且隨時(shí)間變化呈明顯負(fù)相關(guān)，隨著景觀破碎度上升，區(qū)域內(nèi)耕地斑塊重要性程度不斷降低。

城市的不斷擴(kuò)張?jiān)斐闪送恋乩妙愋偷淖兓觿×?，必然?duì)區(qū)域內(nèi)的景觀破碎度與連接度造成影響。對(duì)于不同景觀類型，城市化所造成的景觀破碎度對(duì)其影響程度有明顯差別，與城市經(jīng)濟(jì)活動(dòng)關(guān)系較為密切的區(qū)域更易受到破壞。本文通過(guò)分析南昌市建設(shè)用地與耕地、之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)景觀破碎度與景觀連接度之間存在一定程度的響應(yīng)關(guān)系，且隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，響應(yīng)關(guān)系呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)。因此，在未來(lái)的城市發(fā)展和規(guī)劃中需加強(qiáng)對(duì)于不同景觀類型結(jié)構(gòu)和功能的保護(hù)，注重景觀內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。