成都市城市景觀格局時空演變特征及生態(tài)效應驅(qū)動研究

黃琴, 何江林, 郭海銘, 余水, 孟常來, 王鑫*

1.四川省林業(yè)科學研究院，四川 成都 610081；

2.成都中成科創(chuàng)環(huán)?？萍加邢薰?，四川 成都 610081；

3.鄰水縣萬峰山國有林場，四川 廣安 638500

隨著經(jīng)濟社會、城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，加速了對地表環(huán)境造成的破壞程度，導致城市生態(tài)環(huán)境問題日益凸顯，嚴重威脅城市的生態(tài)安全[1-4]。景觀格局是景觀異質(zhì)性的具體體現(xiàn)，又是各種生態(tài)過程在不同尺度上作用的結果。它影響著生物動態(tài)和物質(zhì)交換等多方面的生態(tài)過程[5,6]。陳利頂?shù)萚7]研究認為景觀變化是人類社會經(jīng)濟活動與地域環(huán)境間相互干擾、相互作用的復雜動態(tài)過程。土地利用是人類活動最直接的表現(xiàn)形式，產(chǎn)業(yè)結構的轉變、新興經(jīng)濟的進入、地方政策等都能促使人類對土地的利用類型發(fā)生轉變，直接影響景觀格局的空間結構[8-10]。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展和人類活動的不斷增強，自然生態(tài)環(huán)境演變越來越劇烈[11-13]。徐涵秋研究發(fā)現(xiàn)近年來，利用多時期遙感影像研究分析城市景觀格局演變以及驅(qū)動機制已成為主流[14]。

楊利，易阿嵐和王鈞等分別研究了濕地景觀格局時空演變與驅(qū)動機制[15-19]。張瀟，郭少壯等研究了景觀格局變化對旅游等人為干擾的響應[20-22]。GIS技術和景觀結構分析軟件Fragstats的發(fā)展應用，為研究者從大尺度掌握區(qū)域生態(tài)質(zhì)量、制定生態(tài)管理策略提供了有力的技術手段。

運用GIS技術，在分析土地利用/覆被格局時空變化特征的基礎上，利用Fragstats評價中國西部地區(qū)重要的中心城市成都市景觀格局的時空特征，剖析土地利用/覆被變化對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響，揭示土地利用/覆被變化的生態(tài)效應，以期促進人與自然和諧，維護城市生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、國土空間格局優(yōu)化和公園城市建設提供科學依據(jù)[23-25]。

1 材料和方法

1.1 土地利用/地表覆被數(shù)據(jù)來源及處理

主要數(shù)據(jù)包括：①全球地表覆被數(shù)據(jù)GlobeLand 30（30 m分辨率）來源于國家基礎地理信息中心（http://http://www.ngcc.cn）提供的（2000年、2010年、2020年）3期土地利用/地表覆被解譯數(shù)據(jù)。根據(jù)研究需要，將土地利用數(shù)據(jù)分類為耕地、林地、草地、水體濕地、人造地表、冰川和永久積雪6類；②其他數(shù)據(jù)包括研究區(qū)行政邊界矢量數(shù)據(jù)、氣象情況、社會經(jīng)濟統(tǒng)計資料等。

在ArcGIS10.7中將矢量圖層轉出為30 m×30 m的柵格圖層待用。再利用Fragstats4.2.1計算景觀格局指數(shù)，將計算出的結果采用Excel2020軟件處理，提高結果的可視化。

1.2 景觀格局指標的選取

選取主要反映破碎化、形狀和異質(zhì)性特征等方面的相關指數(shù)，在類型水平上選取5種景觀格局指數(shù)，包括平均形狀指數(shù)（SHAPE_MN）、平均斑塊分維數(shù)（FRAC_MN）、聚集指數(shù)（AI）、整體性指數(shù)（COHESION）、分離度指數(shù)（SPLIT）；景觀水平上選取5種景觀格局指數(shù)，包括蔓延度（CONTAG）、散布與并列指數(shù)（IJI）、分離度指數(shù)（SPLIT）、香濃多樣性（SHDI）、香濃均勻度（SHEI）[26]。軟件為Fragstats4.2.1，基于ArcGIS10.7，采用景觀轉移矩陣分析研究區(qū)各景觀類型的面積轉移關系[26-29]。

2 結果與分析

2.1 景觀類型時空變化特征

從不同時期土地利用/地表覆被類型面積特征可以看出（見表1和圖1）。20年間成都市土地利用結構發(fā)生明顯變化，農(nóng)業(yè)用地占主導的土地利用格局逐漸轉變?yōu)楦亍⒘值睾腿嗽斓乇碚純?yōu)勢的局面。2000年成都市土地利用/地表覆被類型以耕地、林地占絕對優(yōu)勢，分別占研究區(qū)總面積的66.96%和21.42%；其次為草地和人造地表，分別占研究區(qū)總面積的6.26%和4.04%。到2010年，耕地、林地依然占絕對優(yōu)勢，分別占研究區(qū)總面積的66.17%和23.41%，林地面積較2000年增長了9.33%；其次為人造地表和草地，分別占研究區(qū)總面積的5.41%和3.84%，人造地表面積上升為第三位。到2020年，人造地表面積進一步擴大，土地利用格局轉變?yōu)楦亍⒘值睾腿嗽斓乇碚冀^對優(yōu)勢，分別占研究區(qū)總面積的58.41%、23.28%和13.03%，草地面積進一步縮小，占研究區(qū)總面積的3.59%。20年間成都市土地利用結構由耕地＞林地＞草地＞人造地表＞水體＞濕地＞冰川和永久積雪＞灌木地轉變?yōu)楦兀玖值兀救嗽斓乇恚静莸兀舅w＞濕地＞灌木地＞冰川和永久積雪，耕地、林地和人造地表約占94.71%，成為成都市的主導土地利用/地表覆被類型。從土地利用/地表覆被類型的變化速度來看，20年間增速最快的是人造地表，單一動態(tài)度達44.58%，其次為水體和林地；增速最慢的為草地和濕地。

表1 成都市3期土地利用/地表覆蓋類型面積比例及變化Tab.1 Area ratio and change of different land use/cover types in Chengdu （2000, 2010, 2020）

圖1 成都市3期土地利用/地表覆蓋類型空間分布圖Fig.1 Spatial distribution of land use/land cover types in Chengdu （2000, 2010, 2020）

2.2 土地利用/地表覆被轉移矩陣變化特征

疊加分析成都市3期土地利用的空間變化特征可以看出（見表2和圖2）：2000—2020年間，成都市土地利用空間變化面積達237 303.17 hm2，占研究區(qū)總面積的16.56%，表現(xiàn)出耕地、草地和林地的大量轉出和人造地表和林地大量轉入的特征。其中：耕地主要轉出為人造地表、林地和草地，分別占耕地總轉出面積的84.06%、6.31%和4.99%；草地主要轉出為林地、耕地和人造地表，分別占草地總轉出面積的59.26%、18.92%和13.64%；林地主要轉出為草地和耕地，分別占林地總轉出面積的54.73%和39.87%。人造地表主要由耕地和草地轉入，分別占人造地表總轉入面積的92.94%和5.65%；林地主要由草地和耕地轉入，分別占林地總轉如面積的77.20%和21.94%。其他土地利用類型之間也有不同程度的轉入轉出，但轉換率均相對較低。林地的正增長與草地的負增長可能與出臺的政策有關[30,31]。

2.3 景觀格局變化分析

研究區(qū)域景觀類型以耕地為主，2000—2020年整體占比均超過50%，但耕地面積總體上呈現(xiàn)波動下降趨勢；林地為區(qū)域內(nèi)第二大景觀類型，2000—2020年整體占比均超過20%；草地、人造地表、水體、濕地、灌木地及冰川和永久積雪景觀類型占比均較小。人造地表景觀類型是2000—2020年變化最大的景觀類型，以市內(nèi)5區(qū)為中心向周邊15區(qū)縣輻射帶動，形成了較大的集聚斑塊且逐年擴大。水體、草地和濕地受氣候與人類活動影響較大，占比波動幅度顯著，斑塊分布較為零散。

2.3.1 類型水平

從類型水平景觀格局指數(shù)計算結果來看（見表3），耕地的COHESION和AI最高，SPLIT最低，體現(xiàn)出耕地作為區(qū)域內(nèi)的優(yōu)勢景觀分布最為集中、連片，但COHESION和AI均呈下降趨勢，說明耕地的景觀優(yōu)勢度和完整性受到一定破壞；林地和草地的SHAPE_MN和FRAC_MN值最低，表明其形狀最為簡單，這與其人工起源性質(zhì)有很大關系，另外草地的COHESION和AI最低，SPLIT較高，反映出草地景觀斑塊較為破碎，易受外界環(huán)境影響；由于市域內(nèi)有岷江、沱江等12條干流及幾十條支流及都江堰水利工程等，濕地水體的SHAPE_MN和FRAC_MN值最高，表明其斑塊形狀最為復雜，另外濕地水體的SPLIT最高，反映出濕地水體景觀斑塊最為破碎，庫、塘、堰、渠星羅棋布。人造地表的COHESION和AI曲線上升，SPLIT下降趨勢顯著，表明其在近20年中迅速擴張，且表現(xiàn)為集聚化、連片化的發(fā)展趨勢。

2.3.2 景觀水平

從景觀水平來看（見表4），蔓延度CONTAG在近10年下降趨勢顯著，反映出景觀多樣性提升，景觀破碎化程度加?。簧⒉寂c并列指數(shù)IJI先下降后微升，表明在2000年景觀類型間的相鄰程度和混合程度最高；分離度指數(shù)SPLIT值在2020年最高，表明景觀中同類型斑塊越來越分散破碎；SHDI和SHEI指數(shù)呈升高趨勢，表明景觀多樣性與異質(zhì)性增高，優(yōu)勢景觀減弱，景觀組分更趨均衡，這與人類活動增強，人工景觀組分增多有關。

表2 2000—2020年成都市土地利用/地表覆被類型轉移矩陣Tab.2 Transition matrix of different land use/cover types in Chengdu from 2000 to 2020

表3 研究區(qū)類型水平的景觀格局指數(shù)分析表Tab. 3 Analysis of landscape pattern index at type level of the study area

圖2 成都市3期土地利用/地表覆被類型轉移圖譜Fig.2 Transfer map of land use/land cover types in Chengdu （2000, 2010, 2020）

表4 研究區(qū)景觀水平的景觀格局指數(shù)分析表Tab.4 Analysis of landscape pattern index at landscape level of the study area

3 結論與討論

（1）2000—2020年，20年間成都市土地利用結構發(fā)生明顯變化，農(nóng)業(yè)用地占主導的土地利用格局逐漸轉變?yōu)楦亍⒘值睾腿嗽斓乇碚純?yōu)勢的局面。其中，耕地面積減少約122 516 hm2，林地面積增加約26 653 hm2，人造地表面積增加約128 878 hm2。20年間增速最快的是人造地表，其次為水體和林地；增速最慢的為草地和濕地。

（2）2000—2020年，20年間成都市土地利用空間變化明顯，總體表現(xiàn)為耕地、草地的大量轉出和人造地表、林地大量轉入的特征。土地利用時空格局的變化體現(xiàn)出生態(tài)保護與城市化發(fā)展雙重驅(qū)動的結果。

（3）成都市域以耕地為主要優(yōu)勢景觀，且景觀集聚度最高，但總體呈下降趨勢；林地和草地復雜性最為簡單，且草地景觀斑塊較為破碎，易受外界環(huán)境影響；濕地水體最為復雜，最為破碎；人造地表在近20年中迅速擴張，且表現(xiàn)為集聚化、連片化的發(fā)展趨勢。總體景觀格局受人為干擾的程度逐年加劇，優(yōu)勢景觀不斷受到侵蝕，景觀分離度增加，景觀異質(zhì)性提升，景觀組分趨于均衡發(fā)展。

但在景觀破碎化、空間異質(zhì)性趨勢以及快速旅游城鎮(zhèn)化對景觀生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性風險評價等方面的研究還需進一步深入探索。尤其在20年間成都市常住人口由1 110萬人增加到1 658萬人，城鎮(zhèn)化率由53.72%提高到74.41%，建成區(qū)面積由208 km2增加到950 km2，旅客運輸量由46 459萬人增加到164 563萬人。同時，本研究區(qū)巨大的垂直落差，復雜的小氣候效應更加劇了全面揭示影響因子的難度，未來可提高研究精度，考慮人文地理多方面因素，對局部環(huán)境指標進行監(jiān)測等。