基于空間梯度的珠三角城市群森林景觀格局分析

楊文溱,陳玉婷

(廣州大學地理科學與遙感學院,廣東廣州 510006)

土地利用及其覆被的變化是自然環(huán)境、社會經濟狀況以及城市規(guī)劃共同作用的結果,人地關系的變化反映了不同時間和空間土地的使用方式和人類的活躍程度[1-3],城市的土地利用狀況之間的轉變,也影響著城市的森林景觀的變化。城市森林景觀是城市景觀的重要組成部分,維系著城市生態(tài)功能的運轉,影響著城市區(qū)域內乃至全球環(huán)境的變化[4-5],是城市生態(tài)系統(tǒng)服務的重要保障之一。景觀連通性是指景觀要素在其特定空間上的一種相互聯系和相互作用的現象[6],在1984年首次應用到景觀生態(tài)學之后,隨著生態(tài)學的發(fā)展以及景觀連通性對破碎景觀中的生物棲息地和物種多樣性保護等方面的重要指導意義,其在景觀生態(tài)學領域中得到了發(fā)展[7-8]。已有研究對連通性的表示方法有景觀連通性指數量化和景觀連通性模型2種[6],國內外研究內容主要集中在生物環(huán)境破碎化景觀斑塊的連通性[9]、人類對景觀的生物多樣性保護干擾[10]以及保護區(qū)的景觀規(guī)劃上[11]；在研究方法上主要是利用遙感解譯得到的土地利用數據為基礎,通過景觀格局指數和移動窗口的方法分析城市中森林景觀演變情況及其破碎化程度,進而分析城市的擴張幅度與城市森林景觀之間的關系[12-15]；以往對森林景觀連通性的研究大都基于單個城市中某一時段內小尺度[16-20],較少對城市群森林景觀連通性[12]及流域內大尺度進行研究[21],小尺度的研究范圍難以反映森林連通性的動態(tài)變化趨勢,不利于城市森林景觀的檢測,同時,其單個城市行政邊界的約束也限制了人們對城市森林景觀連通性變化的尺度效應的理解。

珠三角的城市群經濟發(fā)展迅速,經濟的快速發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的協調統(tǒng)一是當前生態(tài)文明體系和生命共同體研究的熱點命題之一,隨著2016年8月,國家林業(yè)局正式批復珠三角地區(qū)為“國家森林城市群建設示范區(qū)”起,國家對森林城市群的建設越發(fā)重視,珠三角地區(qū)城市森林群的建設也對其他區(qū)域城市群森林景觀的建設有重要借鑒意義。因此,該研究以珠三角九大主要城市森林景觀為研究對象,基于ArcGIS平臺及景觀生態(tài)學定量評價Fragstats軟件進行珠三角城市群的森林景觀結構連通性分析以及各個市的森林景觀結構連通性分析,旨在為合理開展珠三角區(qū)域的生態(tài)環(huán)境管理和提高城市居住質量提供建議與依據,為其他城市群森林景觀建設提供借鑒。

1 研究區(qū)概況與數據處理

1.1 研究區(qū)概況珠三角位于中國廣東省中南部,包括廣州、佛山、肇慶、深圳、東莞、惠州、珠海、中山、江門9個城市,位于11°21′～115°28′E,21°30′～24°24′N。珠三角9市總面積為55 368.7 km2,聚集了國內經濟第一大省53.35%的人口,79.67%的經濟總量,是我國重要的經濟中心區(qū)域。珠三角大部分位于北回歸線以南,地處南亞熱帶區(qū),屬亞熱帶海洋季風氣候,雨量充沛,熱量充足,雨熱同季,形成了多層次分布的森林群落垂直結構,森林的生態(tài)系統(tǒng)從上往下依次有林上的高大喬木以及林下的熱帶、亞熱帶種屬的灌木、藤木和草本植物。

1.2 數據處理采用珠三角九大城市2000、2010與2020年3個時段的30 m空間分辨率的全球地表覆蓋數據,在研究范圍內共包括8個一級地類,分別為耕地、森林、草地、灌木地、濕地、水體、人造地表及裸地,為柵格數據。該柵格數據研制所使用的分類影像主要是30 m的多光譜影像,包括了美國陸地資源衛(wèi)星(Landsat)的TM5、ETM+、OLI多光譜影像與中國環(huán)境減災衛(wèi)星(HJ-1)的多光譜影像。在選取影像時,盡量保障在無云或少云的天氣環(huán)境下,擇優(yōu)選取植被生長季內的多光譜影像,并通過樣本檢驗,總體精度達80%以上,2010與2020年數據的Kappa系數分別為0.78與0.82,有助于對于珠三角景觀格局及森林景觀連通性的相關研究。

2 研究方法

2.1 空間梯度分析空間梯度分析方法同時也被稱為環(huán)形系統(tǒng)分析方法,是通過建立一個圍繞城市中心圈外等距擴散的緩沖帶,同時將這些緩沖帶作為分析城市功能用地擴展空間分異的基本單元,以此用來計算有關的空間度量指標,并分析不同時期城市化的過程所體現出來的空間行為特征,空間梯度分析法有助于對森林景觀分布的形象化表達[22]。該研究基于研究區(qū)的實際狀況,參照已有研究經驗,依據珠江三角洲的幾何中心為中心,選擇半徑為6、15、30 km對珠江三角洲地區(qū)各時期主要功能用地進行分區(qū),通過數據統(tǒng)計得到最后各空間梯度的主要功能用地分布狀況,并從時間和空間2個方面對主要功能用地類型進行空間梯度分析及其變化特征分析,從而分析總結出珠三角地區(qū)主要功能用地的時空規(guī)律。

2.2 景觀格局分析

2.2.1景觀格局指數分析。為分析刻畫景觀的破碎化特征與分析森林的連通性,選取2個景觀格局指數進行分析(表1),分別為：斑塊密度(patch density,PD)與平均斑塊大小(mean patch area,MPS)。并依據所選取的景觀格局指數首先分析2000、2010及2020年珠三角全域景觀格局的演變特征及其破碎化的程度分析,再對珠三角范圍內的森林景觀連通性進行著重分析。

表1 景觀格局指數及其生態(tài)學含義[12]Table 1 Landscape pattern index and its ecological implications[12]

2.2.2基于移動窗口的時空格局分析。因總體景觀格局指數著重于分析研究區(qū)域的整體景觀特征,但是較難從數據上反映出景觀格局在內部空間中的變化與差異,而利用移動窗口,可以將景觀格局指數空間可視化,更加精細地分析指數的變化及空間趨勢。根據前人研究成果[21],選用3 500 m大小的移動窗口,從研究區(qū)域的左上角開始,逐個柵格進行移動,移動到當前每個“窗口”內的景觀格局指數,并將指數賦值在其中心柵格,以獲得上述3個景觀指數的空間分布特征圖。

3 結果與分析

3.1 基于空間梯度的森林動態(tài)變化由圖1可知，在數量上看,肇慶市空間梯度內森林面積最大,主要是由于肇慶市處于丘陵地帶,市內多山區(qū)地貌；其次是惠州和廣州。從數量變化上看,東莞、惠州、深圳、珠海、肇慶、中山6市的森林在2000—2020年呈現先增后減的趨勢,而廣州和江門在2000—2020年森林一直處于下降的趨勢,佛山市是珠三角城市群中唯一一個在2000—2020年森林呈現上升趨勢的城市,主要原因是從2004年起,佛山市認真貫徹黨中央《關于加快林業(yè)發(fā)展的決定》大力進行植樹造林活動,僅2004年全市就完成植樹造林面積2 640 hm2。

3.2 珠三角景觀格局分析

3.2.1珠三角森林景觀斑塊密度分析。根據珠三角森林斑塊密度的計算結果可以得出,2000、2010和2020年的斑塊密度分別為0.390 4、0.390 2和0.362 7個/km2。2000—2020年森林的斑塊密度呈下降趨勢,在2010—2020年中,森林的斑塊密度下降幅度增大,珠三角的森林呈現連通性逐漸改善的情況(圖2)。結合珠三角森林的斑塊密度移動窗口結果來看,在珠三角中部地區(qū),森林斑塊較2010與2000年少,該部分區(qū)域可能由于城市發(fā)展,侵占該地區(qū)的森林,導致森林斑塊減少；在肇慶市與惠州市,原有的連片大規(guī)模的森林板塊中,斑塊密度變化不大；在珠三角東西側同樣體現出斑塊密度下降的情況?？傮w來看,珠三角森林斑塊的斑塊密度沒有大規(guī)模的高值區(qū),總體處于低水平?？梢?珠三角森林城市群的建設效果良好,森林的連通性在不斷改善。

3.2.2珠三角森林景觀平均斑塊大小分析。根據珠三角森林的平均斑塊大小測算結果可以得出,2000、2010和2020年的平均斑塊大小分別為122.415、129.958、133.807 km2。

圖1 基于空間梯度的森林變化Fig.1 Forest change map based on spatial gradient

圖2 珠三角森林斑塊密度分布Fig.2 Distribution map of forest patch density in Pearl River Delta

在2000—2020年中,森林的平均斑塊大小在逐漸增加(圖3)。在2010—2020年,森林的平均斑塊大小增長幅度較大,增長率達到2.96%。可見在2010—2020年,珠三角對于森林源地等斑塊的保護較好,也提高了小斑塊之間的連通性,融合了破碎的小斑塊,使得森林的平均斑塊大小增加,連通性優(yōu)化。

結合森林平均斑塊大小的移動窗口結果分析,2010與2000年相較,珠三角中部破碎的斑塊有所減少,但2020年與2010、2000年相較,珠三角中部的森林斑塊較為破碎；同樣可以得出,分布在肇慶、江門與惠州等市的平均斑塊大小高值區(qū)較集中,在珠三角中部的多是平均斑塊大小的低值區(qū)?？梢?珠三角中部的森林較少,不連片分布,較為破碎；但肇慶、江門與惠州3市則存在連片大規(guī)模的森林,其中的森林連通性較好。

圖3 珠三角森林平均斑塊大小分布Fig.3 Distribution of mean forest patch size in the Pearl River Delta

根據珠三角森林斑塊類型比的移動窗口結果可知,2000—2020年的連片大規(guī)模森林區(qū)域并沒有發(fā)生大幅度的變化,在肇慶、江門及惠州等城市中的森林資源保持良好,沒有被侵占破壞,這些區(qū)域內的森林斑塊類型比也是珠三角全域內類型比較高的區(qū)域,避免了其他用地類型對森林的隔斷,森林的連通性良好；而在珠三角的中部區(qū)域,森林斑塊的類型比較低,且對比2020與2000年發(fā)現,空白值的區(qū)域呈斑塊狀零星增加,且中部區(qū)域內的森林斑塊類型比有所下降,其中的森林連通性也隨之下降,這一情況應與城市發(fā)展、用地需求增加等背景相關。總體來說,珠三角能在發(fā)展城市、發(fā)展經濟的同時,顧及連片大規(guī)模森林的保護,平衡經濟建設與生態(tài)文明保護。

4 結論

以2000—2020年的土地覆蓋數據為基礎,進行珠三角基于空間梯度的森林景觀格局分析,主要結論如下：

(1)2000—2020年,珠三角森林面積先增后減,人類的活動在不斷加強,城市也在不斷發(fā)展擴張,主要侵占了耕地、森林及草地等生態(tài)用地。

(2)從森林的空間梯度分析結果可得,在珠三角9市中,肇慶市的森林面積最大,其次為惠州與廣州；從數量變化上看,東莞、惠州、深圳等6市的森林在2000—2020年呈現先增后減的趨勢,而廣州和江門呈現下降的趨勢,佛山呈現上升趨勢,主要原因是佛山在研究年限內大力開展植樹造林活動并取得良好成效。

(3)景觀格局進行分析可得,珠三角的整體景觀呈破碎化的趨勢,但是珠三角中的森林景觀連通性總體呈不斷優(yōu)化的狀態(tài),可能是由于城市的擴張發(fā)展,侵占了小片的不成規(guī)模的森林斑塊,間接改善了珠三角中森林的連通性；但是森林景觀也有區(qū)域差異性,在珠三角的中部區(qū)域,由于城市的發(fā)展與人類活動的加強,其間的森林景觀呈破碎趨勢；但是肇慶、江門及惠州等城市中,由于原有連片大規(guī)模的森林資源,及近年來的森林城市規(guī)劃建設加強了對森林資源的保護力度,使得這部分區(qū)域的森林連通性不斷提升。