西安市2000—2015 年景觀格局時空變化研究

馬文杰 張平

（西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，陜西西安 710600）

1 引言

土地是人類生產(chǎn)和發(fā)展的基石，是人與自然關(guān)系的重要反映，土地利用可以揭示區(qū)域環(huán)境質(zhì)量，是21 世紀景觀生態(tài)學(xué)研究的新熱點［1］，景觀格局是土地利用變化的最顯著反映［2］，對景觀格局的研究是景觀生態(tài)學(xué)研究的重要領(lǐng)域之一［3］，對于城市發(fā)展過程中土地的可持續(xù)利用以及政策制定具有重要參考意義。已有學(xué)者開展了大量相關(guān)研究［4-6］，運用地理空間技術(shù)和景觀格局指數(shù)，分析區(qū)域景觀結(jié)構(gòu)及時空變化規(guī)律，是目前國內(nèi)外探討景觀格局的主要途徑［7］，而以地理信息系統(tǒng)（GIS）與Fragstats 結(jié)合是目前應(yīng)用最廣泛的方法。方行等［8］選取6 種景觀水平的格局指數(shù)，分析了1988 年以來的東莞市城市空間格局特征和變化；角媛梅等［9］應(yīng)用GIS 與Fragstats，選取了9 個斑塊類型指標和13 個景觀水平指標，分析了干旱區(qū)農(nóng)業(yè)綠洲的景觀格局；黃孟勤等［10］通過選取景觀格局指數(shù)，從整體和區(qū)域角度解析了三峽庫區(qū)山區(qū)農(nóng)業(yè)景觀格局的演變特征。

本文充分借鑒以往研究經(jīng)驗，以LUCC 遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用GIS 和Fragstats 結(jié)合的方法分析西安市景觀格局時空變化，評估2000—2015 年西安市景觀格局時空演變規(guī)律，為西安市未來景觀規(guī)劃和可持續(xù)發(fā)展提供參考依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

西安市處在陜西省關(guān)中平原渭河流域，107°40′～109°49′E，33°42′～34°45′N，是我國西北地區(qū)的中心城市，其下轄13 個區(qū)縣，東西長約204 km，南北寬約116 km，總面積約10 014 km2。西安處于暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，冷暖干濕四季分明，年平均氣溫13.3 ℃，多年平均降雨量740 mm。地勢北低南高，北部為渭河平原，地勢平坦，平均海拔400～700 m，南部為連綿山地，秦嶺山脈橫亙于西安以南，其中太白山最高峰高3 800 m，為我國中部最高峰。

3 數(shù)據(jù)來源與研究方法

3.1 土地利用數(shù)據(jù)

本研究使用的LUCC 數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院基于Landsat TM/ETM 數(shù)據(jù)，在國家資源環(huán)境數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上發(fā)展而來的1 ∶10 比例尺土地利用/覆蓋專題數(shù)據(jù)庫，選取時間為2000 年、2005 年、2010 年和2015年，空間分辨率30 m，通過ArcGIS 10.3 將整個研究區(qū)分為耕地、林地、草地、建設(shè)用地、水域、未利用地6 種景觀類型。

3.2 景觀格局指數(shù)選取

景觀格局指數(shù)是對各景觀斑塊的排列分布情況進行計算的結(jié)果，是定量化表述景觀特征的重要分析手段，參照有關(guān)學(xué)者的相關(guān)工作［11］，并結(jié)合本研究區(qū)概況，選取類型和景觀兩種水平的格局指數(shù)進行分析。包括類型水平上的景觀百分比指數(shù)（PLAND）、邊緣密度指數(shù)（ED）、聚集度指數(shù)（AI）和景觀水平上的蔓延度指數(shù)（CONTAG）、香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）、聚集度指數(shù)（AI*），總共6 個衡量指標，通過Fragstats 軟件進行計算，分析景觀格局特征。

3.3 劃分分析網(wǎng)格

為研究西安市景觀格局時空分布，本研究采用漁網(wǎng)法將整個研究區(qū)劃分為若干網(wǎng)格。為避免網(wǎng)格過小造成內(nèi)部景觀類型單一，或因網(wǎng)格過大導(dǎo)致研究區(qū)網(wǎng)格數(shù)量較少，無法反映空間差異［12］，選取5 km×5 km 的漁網(wǎng)網(wǎng)格，將西安市劃分為479 個獨立的區(qū)域，分別計算其景觀格局指數(shù)。

4 結(jié)果與分析

4.1 土地類型景觀分布

2000—2015 年西安市土地景觀分布示意圖見圖1。土地景觀分布顯現(xiàn)出明顯的區(qū)域異質(zhì)性，以秦嶺為界限，北方是平坦的關(guān)中平原地區(qū)，耕地和建設(shè)用地為該區(qū)域主要景觀類型，其中又以耕地為主，隨著城市的發(fā)展和人口的快速增長，2000—2015 年建設(shè)用地加速擴張，耕地景觀趨于破碎化，同時水域面積有所增長，南方多為溝壑縱橫的山地，土地景觀以林地和草地為主，耕地網(wǎng)脈狀分布。15 年間景觀類型未有明顯改變，邊緣地帶少量受到建設(shè)用地侵蝕。西安未利用地面積較小且變化不明顯。

圖1 2000—2015 年西安市景觀分布示意圖

4.2 景觀格局指數(shù)分析

4.2.1 類型水平

2000—2015 年西安市各類型景觀水平指數(shù)見表1。

表1 2000—2015 年西安市各類型景觀水平指數(shù)

PLAND 指示景觀面積所占的百分比，可衡量研究區(qū)整體景觀組成以及變化情況。耕地是西安市PLAND 最大的地類景觀，林地居第2 位，然后是草地、建設(shè)用地、水域和未利用地。建設(shè)用地PLAND 持續(xù)增加，2015 年達到12.69%。耕地PLAND 不斷縮減，2000 年為39.41%，到2015 年僅有35.04%。林地PLAND 緩慢增長，草地PLAND 有所下降，總體變化不大。水域和未利用地PLAND 有所增加，但由于占比較小，對生態(tài)和景觀格局影響較小。

AI 反映景觀聚集情況，西安市林地AI 一直維持在97%以上，景觀具有高聚集度，其次是耕地，AI在96%上下，耕地分布較為集中，2010 年以后，耕地AI 小幅下降，農(nóng)用地趨于分散和破碎化。草地AI 為95%左右，從2005 年起逐漸退化，但總體趨于平緩。建設(shè)用地和水域AI 變化顯著，建設(shè)用地AI 在2000年為93.22%，到2015 年變?yōu)?4.97%，說明建設(shè)用地擴張，由原來的分散演變?yōu)榫奂?，而水域AI 波動較明顯，由2000 年的91.17%先增長到2005 年的92.46%，再逐漸下降為2015 年的91.61%。未利用地景觀聚合度最低，15 年間無明顯變化，AI 在89%左右。

ED 是景觀斑塊邊界長度與景觀總面積的比值，體現(xiàn)了景觀破碎程度。西安市耕地ED 最高，在18 m/hm2以上，草地為14 m/hm2左右，林地為10 m/hm2左右，而建設(shè)用地則在8 m/hm2左右。說明耕地與其他景觀相比割裂程度更高，在2010 年以后，耕地ED 繼續(xù)增加，整體性被進一步破壞。此外，通過ED 還可以看出，草地的破碎度高于林地，林地的連通度更強，水域和未利用地景觀的ED 值較低，整體性好。

4.2.2 景觀水平

2000 —2015 年西安市整體景觀水平指數(shù)見表2。

表2 2000—2015 年西安市整體景觀水平指數(shù) %

CONTAG 由2000 年的57.569 8%下降為2015年的55.753 5%，景觀總體連通性降低。SHDI 反映景觀異質(zhì)性和多樣性水平，2000—2015 年，SHDI 呈上升趨勢，研究區(qū)各景觀斑塊分布趨于平均，景觀多樣性增加。2000—2010 年AI* 由96.008 2%增長為96.027 5%，該時段小斑塊聚合成為大斑塊，優(yōu)勢景觀形成并發(fā)展，在2010 年后AI*下降，景觀朝著割裂和破碎化轉(zhuǎn)變，景觀連通性能下降，異質(zhì)性增加。

通過漁網(wǎng)分區(qū)計算2000 年和2015 年西安市景觀格局指數(shù)，示意圖見圖2。

西安市平原和山區(qū)CONTAG 值較高，連通度好，建設(shè)用地擴張使得研究期內(nèi)平原地區(qū)CONTAG有所下降，而以林草地為主的南部山區(qū)景觀保護較好，CONTAG 高值無明顯變化。SHDI 高值集中在藍田區(qū)和臨潼區(qū)南部，該區(qū)域主要景觀為林地、草地和耕地，景觀多樣性較高。SHDI 在南部山區(qū)和北部平原較低，而在山區(qū)與平原的過渡帶形成了條狀高值區(qū)。AI*高值主要分布在長安區(qū)、鄠邑區(qū)和周至縣，在西安市東北部閻良區(qū)、臨潼區(qū)、高陵區(qū)AI*較高，景觀較為聚集，到2015 年，上述地區(qū)AI*降低，景觀異質(zhì)性提升，連通度下降。平原地區(qū)AI*隨著城市的發(fā)展有所下降。

5 結(jié)論

本研究基于土地利用數(shù)據(jù)，結(jié)合Fragstats 和GIS，評估了2000—2015 年西安市4 個時間段的景觀分布和變化情況，通過計算2 種類型共6 個景觀格局指數(shù)，探究了西安市景觀格局的時空變化，結(jié)果顯示：

（1）西安市景觀分布具有明顯的空間異質(zhì)特征，北部以耕地和建設(shè)用地為主，南部則主要是山林和草地。2000—2015 年西安市耕地大量向外流出，主要轉(zhuǎn)出為建設(shè)用地和草地，西安市建設(shè)用地迅速擴張，2015 年達到128 258.28 hm2，占西安市面積的12.69%，增長幅度54.43%。林地景觀增長，草地減少，變化較平緩；未利用地和水域景觀面積占比較小，它們的增長主要來自耕地、草地和林地的轉(zhuǎn)移。

（2）通過西安市類型景觀格局指數(shù)可知，耕地最為破碎，其次是草地和林地，建設(shè)用地破碎程度15年間逐漸上升，水域和未利用地雖然景觀占比較小，但整體性較強。當景觀百分比較高時，景觀破碎的同時聚集度可以維持在較高水平，景觀聚集程度林地最大，其次是耕地、草地，建設(shè)用地聚集性增強的同時，破碎程度也在增加。耕地破碎度先降，2010 年后為增，聚集程度逐年下降。

（3）西安市整體景觀格局表現(xiàn)為多樣性指數(shù)上升，景觀連通度下降，景觀破碎化程度提高。景觀聚集度在2010 年后下降，主要是由耕地加速向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移引起的?？臻g上，以秦嶺山脈為界，北部的平原地區(qū)和南部的山區(qū)由于存在各自的優(yōu)勢景觀類型，因此連通度和聚集度較高，而交界地帶各類景觀較為割裂和分散，沒有占據(jù)最優(yōu)勢的景觀類型，斑塊破碎化程度較高，連通性能較差，具有景觀多樣性。時間上，隨著城市的發(fā)展和人口的增長，耕地作為平原地帶的優(yōu)勢景觀類型，受到建設(shè)用地斑塊的擴張侵蝕，趨于破碎和割裂，從而使該地區(qū)總體聚集度降低，連通性下降，而山區(qū)15 年來景觀格局無明顯變化。