城鎮(zhèn)空間擴展與景觀生態(tài)風險時空耦合機理研究
——以廣州市為例

馮兆華 賴煥明 吳大放＊ 林添華 陳春利

（1.湖南省第二測繪院，湖南長沙 410004；2.廣州大學地理科學與遙感學院，廣東廣州 510006）

城鎮(zhèn)化及城市工業(yè)化會對區(qū)域生態(tài)安全和社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生不利影響，導致資源消耗強度增大、城鎮(zhèn)建設用地增加、耕地減少等連鎖問題，引起城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境變化。生態(tài)風險評價研究成為現(xiàn)代社會的重要議題。生態(tài)風險評價的研究已形成比較系統(tǒng)化、規(guī)范化的成熟理論體系[1-4]。現(xiàn)有研究更多地對城鎮(zhèn)化過程中的生態(tài)風險效應進行評價，對城鎮(zhèn)空間擴展過程中景觀生態(tài)風險評價的耦合關系研究較少。本文對廣州市的城鎮(zhèn)空間拓展與景觀生態(tài)建設現(xiàn)狀開展分析，探討其在城鎮(zhèn)空間擴張過程面臨的問題及產(chǎn)生的耦合效應，以廣州市自然環(huán)境數(shù)據(jù)和社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎，構建廣州市景觀生態(tài)風險評價體系，探究城鎮(zhèn)空間拓展與廣州市景觀生態(tài)風險時空耦合機理，為進一步開展國土空間開發(fā)建設適宜性評價研究提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

廣州市位于珠三角地區(qū)，是廣東省的省會城市（東經(jīng)112°57′～114°30′，北緯22°26′～23°56′），氣候特點為夏季多雨期、冬季干旱少風，是典型的暖溫帶大陸性季風氣候。研究區(qū)土質(zhì)疏松且多丘陵，地勢呈南北方向，北靠山地，東南方向為珠江三角洲平原，東部為山區(qū)地帶。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究從全國地理信息資源服務系統(tǒng)獲取廣州市行政邊界矢量數(shù)據(jù)；通過全球30 m地表覆蓋數(shù)據(jù)官網(wǎng)和清華大學地球系統(tǒng)科學系研發(fā)的FROMGLC10產(chǎn)品獲取原始數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)經(jīng)處理分析，得到2000年、2015年的廣州市土地利用數(shù)據(jù)。

2 廣州市城鎮(zhèn)空間擴展特征

2.1 城鎮(zhèn)用地空間擴展來源

本研究選取廣州市2000—2015年的土地利用數(shù)據(jù)，土地利用類型、規(guī)模和空間擴展方式等不同導致土地數(shù)據(jù)變化情況存在差異，利用ArcGIS 10.2的數(shù)據(jù)處理功能，將處理后的廣州市土地利用數(shù)據(jù)分為7種，分別為耕地、林地、草地，濕地、城鎮(zhèn)用地、水域和未利用地?；趶V州市2000—2015年的土地利用轉移矩陣，針對城鎮(zhèn)土地空間擴展的土地來源及所占面積和比例，開展統(tǒng)計與分析。

2000—2015年，廣州市城鎮(zhèn)用地的主要擴展來源為耕地和林地。其中，約70%的擴展土地來源為耕地；其次為林地，占比約21%。城鎮(zhèn)用地擴展來源占比由大到小依次為耕地、林地、水域、草地、濕地、未利用地。

廣州市2000、2015年城鎮(zhèn)用地擴展來源及百分比如表1所示。

表1 廣州市2000、2015年城鎮(zhèn)用地擴展來源及百分比

城鎮(zhèn)空間擴展由城鎮(zhèn)擴展強度指數(shù)和城鎮(zhèn)建設用地相對變化率衡量，城鎮(zhèn)擴展強度指數(shù)能夠反映地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平和城鎮(zhèn)建設規(guī)模擴大程度。

式中：Er——城鎮(zhèn)擴展強度指數(shù)；Ub、Ua——末期和初期的城鎮(zhèn)用地面積（km2）；U——土地總面積（km2）；ΔT——時段。

2000年，廣州市城鎮(zhèn)用地面積為823.76 km2，2015年增至1 445.65 km2，城鎮(zhèn)擴展強度指數(shù)0.57。城鎮(zhèn)土地呈快速擴張態(tài)勢，城市發(fā)展空間不斷擴大。廣州市經(jīng)濟快速增長促進城市化進程和工業(yè)化發(fā)展，產(chǎn)業(yè)結構升級帶動工業(yè)部門生產(chǎn)效率提升，居民生活方式改善等現(xiàn)象均對土地利用產(chǎn)生影響。

2000—2015 年廣州市城鎮(zhèn)土地擴展面積為621.89 km2，擴展貢獻率為0.59，年均擴展速率為41.46 km2/a，擴展強度指數(shù)為0.57。

2.2 城鎮(zhèn)用地的擴展方向

分析2000—2015年研究區(qū)城鎮(zhèn)用地擴展情況發(fā)現(xiàn)，廣州市城鎮(zhèn)用地擴展方向主要為中部地區(qū)的西北、正東和正南。2000—2015年，黃埔區(qū)、花都區(qū)和番禺區(qū)等區(qū)域的城鎮(zhèn)空間擴展較快，主要受廣州市中心城區(qū)的輻射影響，導致城市化進程較快，城鎮(zhèn)用地擴展較劇烈。廣州大學城最初定址在番禺區(qū)，教育事業(yè)發(fā)展聚集了大量人口，在一定限度上推動了番禺區(qū)的城市化進程；從化、增城、南沙等地區(qū)的城鎮(zhèn)用地擴展較緩慢，人口數(shù)量基數(shù)較小，受制于自然地理條件，擴展速度相對較慢。

3 基于景觀格局的廣州市生態(tài)風險評價

3.1 景觀生態(tài)風險小區(qū)

生態(tài)風險面積達到研究區(qū)景觀斑塊平均面積的2～5倍時，能夠充分反映采樣點周邊的景觀格局信息[5-6]。2000—2015年，研究區(qū)平均面積為3.490 8～3.392 5 km2，風險小區(qū)面積為6.785 0～11.943 5 km2，考慮單元格劃分，應確保單元格的數(shù)量能夠充分體現(xiàn)研究區(qū)的景觀格局，避免計算強度、精度出現(xiàn)問題。本研究選取3 km×3 km的風險小區(qū)作為評估單元，運用等間距采樣方法，研究區(qū)具有819個風險小區(qū)，以網(wǎng)格中心點作為景觀生態(tài)指數(shù)的樣本點。

3.2 生態(tài)風險模型參數(shù)分析

結合廣州市2000年、2015年的景觀類型圖和生態(tài)風險模型，利用Fragstats 4.2計算生態(tài)風險模型參數(shù)。2000—2015年，廣州市不同景觀斑塊數(shù)量增加，由2 107個增至2 168個，整體破碎度呈上升趨勢，從1.139 1增至1.278 9。其中，耕地面積減少460.25 km2，從2 603.31 km2降至2 143.06 km2，斑塊數(shù)量增加，景觀分離度增大，優(yōu)勢度增加，表明廣州市耕地完整性逐漸減弱。2000年，草地是廣州市最具優(yōu)勢的景觀類型，受人口增加、城市化等因素影響，優(yōu)勢逐漸消失；2000年和2015年，水域的景觀格局指數(shù)基本重疊，表明水域的完整性保持良好；林地面積由3 184.58 km2減至2 598.28 km2，人為干預使林地破碎度持續(xù)升高，優(yōu)勢度不斷降低，破壞程度加劇。城鎮(zhèn)用地占土地總面積的比重不斷增加，城鎮(zhèn)用地空間擴展速率上升，景觀格局的影響持續(xù)增大，景觀優(yōu)勢度在研究期內(nèi)基本穩(wěn)定，城鎮(zhèn)用地斑塊數(shù)量呈遞增趨勢，干擾度和損失度均下降；濕地的斑塊數(shù)和面積均減少，景觀優(yōu)勢度下降，干擾度和損失度提升，未來廣州市應加強對濕地資源的保護。

廣州市2000年和2015年的生態(tài)風險模型參數(shù)如表2所示。

表2 廣州市2000年和2015年的生態(tài)風險模型參數(shù)

3.3 生態(tài)風險組成結構分析

2000年廣州市土地利用景觀生態(tài)風險指數(shù)的理論半變異函數(shù)的基臺值為0.276 5，表明廣州市內(nèi)局部地區(qū)存在較高的生態(tài)風險，且較高的生態(tài)風險區(qū)呈不均勻分布，整個景觀內(nèi)生態(tài)風險程度的差異性較大；2015年的基臺值減至0.162，各處基本存在生態(tài)風險，隨人類改造活動的影響程度加劇，風險程度的差異減小，但局部范圍內(nèi)的值仍很高。

從主變程角度分析，2015年變程遠超2000年，可能因為隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展，人類活動加強，外界干擾對生態(tài)系統(tǒng)的影響范圍加大，各區(qū)域內(nèi)土地利用類型的差異性變小，風險指數(shù)的空間相關距離增大，風險源的影響范圍加大。

2000—2015年，塊金值/基臺值（N）≤25%，表明土地利用景觀生態(tài)風險存在明顯的空間相關關系。塊金、基臺的比值能夠反映塊金值方差在整體空間異質(zhì)性變異中的作用。2015年生態(tài)風險半變異函數(shù)的塊金與基臺比高于2000年，表明由隨機因素引起的空間變異的比重上升。

土地利用景觀生態(tài)風險指數(shù)的理論半變異函數(shù)如表3所示。

表3 土地利用景觀生態(tài)風險指數(shù)的理論半變異函數(shù)

3.4 生態(tài)風險空間分布特征

利用ArcGIS 10.3軟件，根據(jù)半方差函數(shù)的模型及其參數(shù)，采用克里格插值法對廣州市的生態(tài)風險空間進行插值。采用自然斷點法將風險等級劃分為5個等級，即低風險區(qū)、較低風險區(qū)、中風險區(qū)、較高風險區(qū)、高風險區(qū)。對2000年和2015年的生態(tài)風險指數(shù)進行高斯模型、穩(wěn)定模型擬合，采用Kriging插值繪制廣州市2000年和2015年的生態(tài)風險分布圖。

將采樣數(shù)據(jù)分成5個等級，分別為高級生態(tài)風險區(qū)（ERI≥0.54）、較高生態(tài)風險區(qū)（0.26≤ERI＜0.54）、中等生態(tài)風險區(qū)（0.12≤ERI＜0.26）、較低級生態(tài)風險區(qū)（0.05≤ERI＜0.12）和低級生態(tài)風險區(qū)（ERI＜0.05）。

景觀生態(tài)風險等級面積統(tǒng)計如表4所示。

表4 景觀生態(tài)風險等級面積統(tǒng)計

從空間分布角度分析，2000年低生態(tài)風險區(qū)的面積占整個廣州市面積的40%，以從化、增城、越秀、海珠等廣州市北部地區(qū)為主，主要為林地，且集中連片，連通性較高，破碎度較小，生態(tài)損失度較小，故生態(tài)風險值小。較低生態(tài)風險區(qū)和中等風險區(qū)比重相近，約26%。較低生態(tài)風險區(qū)大多緊鄰低生態(tài)風險區(qū)，中等生態(tài)風險區(qū)主要集中在廣州市的南部，如番禺區(qū)、南沙區(qū)、白云區(qū)西部以及增城區(qū)西南部。較高生態(tài)風險區(qū)占總面積的8.48%，主要位于廣州市花都區(qū)、白云區(qū)和佛山市的交界處以及增城區(qū)東南部，高生態(tài)風險區(qū)所占比幾乎為0。

與2000年廣州市生態(tài)風險的空間分布相比，2015年低生態(tài)風險區(qū)、中生態(tài)風險較區(qū)面積占比降低，較低生態(tài)風險區(qū)、較高生態(tài)風險區(qū)和高生態(tài)風險區(qū)面積比重提高。從化區(qū)以低生態(tài)危險區(qū)為主，與2000年相比，較高生態(tài)風險區(qū)面積增長一倍，主要位于花都區(qū)西部、白云區(qū)和黃浦區(qū)北部交界處。增城區(qū)由原來的低、較低風險區(qū)向中等、較高生態(tài)風險區(qū)轉移，主要因為增城區(qū)引進工業(yè)和信息化領域的重大項目，大片土地被規(guī)劃為工業(yè)園區(qū)。隨著城鎮(zhèn)建設規(guī)模擴大，人口數(shù)量不斷增加，城鎮(zhèn)用地需求的增加給土地資源帶來巨大壓力，景觀生態(tài)風險值上升。

4 廣州市城鎮(zhèn)空間擴展與耕地生態(tài)風險的耦合關系

采用地理加權回歸模型（GWR），以城鎮(zhèn)用地面積為自變量、景觀生態(tài)風險為因變量，建立城鎮(zhèn)用地面積與景觀生態(tài)風險指數(shù)間的關聯(lián)模型。利用固定帶寬模型獲取較高精度，采用AICc的方法計算模型帶寬。

地理加權回歸（GWR）模型參數(shù)估計及檢驗結果如表5所示。

表5 地理加權回歸（GWR）模型參數(shù)估計及檢驗結果

由表5可知，2000—2015年模型的擬合優(yōu)度R2具有上升趨勢，表明擬合效果越好，2015年模型擬合精度較好。由GWR標準化殘差分布圖可知，各個年份的局部回歸模型標準化殘值為[-2.50，2.50]，總體上具有良好的擬合結果。

GWR模型中，每個空間單元系數(shù)是定值，通過計算得到各個系數(shù)的平均值、最大值、最小值、上四分位值、下四分位值和中位值。

地理加權回歸（GWR）模型回歸系數(shù)統(tǒng)計量如表6所示。

表6 地理加權回歸（GWR）模型回歸系數(shù)統(tǒng)計量

用地面積與景觀生態(tài)風險指數(shù)間存在顯著相關性，回歸系數(shù)減小，表明城鎮(zhèn)用地面積對景觀生態(tài)風險的正相關效應逐漸減弱，原因可能是城市土地開發(fā)規(guī)模趨于平穩(wěn)，城鎮(zhèn)空間集中連片，破碎度和分離度降低，景觀損失度下降，在某種程度上造成景觀生態(tài)風險增加。同時，城鎮(zhèn)用地的擴展主要源自耕地、林地等生態(tài)用地，對區(qū)域生態(tài)安全產(chǎn)生一定的影響，可能引起生態(tài)問題。因此，應結合城鎮(zhèn)的空間拓展與可持續(xù)發(fā)展，制定科學的規(guī)劃，合理的生態(tài)環(huán)境保護是實現(xiàn)城市穩(wěn)定、健康發(fā)展的根本途徑。

隨著城市化加快，城鎮(zhèn)建設用地規(guī)模擴大，城市中心區(qū)出現(xiàn)較為密集的區(qū)域，景觀破碎度和分離度不斷下降，受制于城鎮(zhèn)用地狀況，城市的生態(tài)環(huán)境逐漸惡化。因此，推進城市化時，應控制城鎮(zhèn)建設用地的規(guī)模和數(shù)量。

5 結語

2000—2015 年，廣州市城鎮(zhèn)擴張面積達到621.89 km2，為2000年的1.75倍，城鎮(zhèn)擴展強度指數(shù)為0.57。城市空間由中心區(qū)向外發(fā)展，各方向均有不同程度的擴展，主要在黃埔區(qū)、花都區(qū)和番禺區(qū)，耕地和林地是城鎮(zhèn)土地總面積主要擴充資源，約70%來自耕地。2000—2015年，土地利用景觀格局發(fā)生劇烈變化，廣州市城市景觀斑塊數(shù)目增多，整體破碎程度增大，景觀生態(tài)風險增大，平均值從2000年的0.042 5升至2015年的0.046 9，具有逐步增大的趨勢。廣州市生態(tài)風險模型參數(shù)表明，2000年草地作為廣州市優(yōu)勢度最大的景觀類型正逐漸失去優(yōu)勢。通過構建地統(tǒng)計學方法的變異函數(shù)理論模型發(fā)現(xiàn)，外界干擾對生態(tài)系統(tǒng)的影響范圍加大，各區(qū)域內(nèi)土地利用類型的差異性變小，風險指數(shù)的空間相關距離變大，風險源的影響范圍加大。景觀生態(tài)風險具有顯著的空間相關性，由隨機因素引起的空間變異比重上升。低、中等生態(tài)風險區(qū)面積比重顯著下降，較低、較高、高生態(tài)風險區(qū)面積比重上升。較高生態(tài)風險區(qū)顯著上升，原因是人口增長和城鎮(zhèn)化推進，城鎮(zhèn)用地擴張，景觀生態(tài)風險度上升。采用地理加權回歸（GWR）方法，以景觀生態(tài)指標作為自變量、城鎮(zhèn)土地面積作為因變量進行耦合分析，兩者間均呈現(xiàn)正向相關影響。