成都市近15年景觀格局演變特征及其影響因素

徐婧琳,張軍梅,陳 凡,張洪森

(云南師范大學(xué)地理學(xué)部,云南昆明 650500)

景觀格局表征了景觀元素的空間布局特征,定量分析景觀格局的時(shí)空演變不僅是格局與過(guò)程相互關(guān)系研究的基礎(chǔ),也可以揭示生態(tài)過(guò)程的驅(qū)動(dòng)機(jī)制和發(fā)展趨勢(shì)[1]。20世紀(jì)80年代以來(lái),我國(guó)逐步進(jìn)入城市化快速發(fā)展時(shí)期,城市景觀呈現(xiàn)出高度破碎化的顯著特征,并趨向于復(fù)雜、異質(zhì)和不連續(xù)的混合斑塊鑲嵌體,且隨著城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,景觀格局還將受到日益增強(qiáng)的干擾,其演變將更加復(fù)雜化,由此帶來(lái)的社會(huì)與生態(tài)環(huán)境影響將更為突出[2-5]。為了促進(jìn)城市的可持續(xù)發(fā)展,從景觀格局的角度理解和解決快速城市化進(jìn)程中因景觀格局變化帶來(lái)的一系列城市問(wèn)題已經(jīng)成為生態(tài)學(xué)與地理學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一[6]。

快速城市化背景下,景觀格局動(dòng)態(tài)變化特征、過(guò)程及其影響因素已受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān)注。國(guó)外學(xué)者多側(cè)重于城市景觀格局動(dòng)態(tài)變化對(duì)生態(tài)效應(yīng)的影響[7-8],分析表明城市化是景觀格局動(dòng)態(tài)變化的主要影響因素[4,9]。我國(guó)學(xué)者從區(qū)域[10]、城市[3,11]、城市群[12-13]等不同空間尺度,采用景觀格局指數(shù)法[14-15]、轉(zhuǎn)移矩陣法[16-17]等方法來(lái)分析城市景觀格局的演變特征,并運(yùn)用相關(guān)分析法[18]、Binary Logit回歸模型[3]等方法定性定量地研究了景觀格局演變的影響因素,認(rèn)為城市景觀格局演變受到地理?xiàng)l件、人口、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、國(guó)家政策等方面的影響[19-20];也有學(xué)者側(cè)重于分析生態(tài)格局演變[21]及其所帶來(lái)的生態(tài)效應(yīng)[22-24]。目前,國(guó)內(nèi)學(xué)者的研究區(qū)域多關(guān)注東部高速發(fā)展的城市,對(duì)于中西部城市的研究成果較少。

成都市作為長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶上游的中心城市[21]、中西部核心發(fā)展城市[25]和全國(guó)公園城市示范區(qū)[26],其城市的高質(zhì)量發(fā)展在區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的保護(hù)方面占據(jù)重要地位。肖況等[27]、羅艷等[28]關(guān)注成都市的景觀時(shí)空變化、植被景觀格局,歐定華等[29]基于粒子群算法對(duì)成都市郊區(qū)景觀格局優(yōu)化進(jìn)行研究,隆世良等[30]、周爽等[31]側(cè)重研究成都市景觀安全格局、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)聯(lián)效應(yīng)。以上研究多側(cè)重于分析成都市景觀格局的生態(tài)效應(yīng),在影響因素研究的層面上,注重自然和人文因素對(duì)成都市景觀格局演變的影響,而對(duì)城市化進(jìn)程的關(guān)注較少,尤其是政策因素的影響鮮少涉及。因此,筆者采用景觀格局指數(shù)、回歸分析等方法對(duì)成都市2005—2020年城市景觀格局演變特征及其影響因素進(jìn)行研究,以定量和定性相結(jié)合的方法分析了包括城市化水平、政策因素與景觀格局之間的相關(guān)關(guān)系;最后,討論了在城市化進(jìn)程中城市發(fā)展政策對(duì)景觀格局合理優(yōu)化及其生態(tài)功能發(fā)揮的積極作用。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況成都市(30°05′～31°26′N,102°54′～104°53′E)位于四川省中部,全域總面積約為13 930 km2。地勢(shì)西北高、東南低,西部屬于四川盆地邊緣地區(qū),以丘陵和山地為主;東部位于四川盆地腹心地帶,以平原和低山丘陵為主,全域海拔1 000～3 000 m,成都市屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,夏季高溫多雨,冬季溫和少雨,四季分明。2020年年末常住人口約2 094萬(wàn)人,城鎮(zhèn)化率78.77%,是成渝雙城經(jīng)濟(jì)圈的重要一極。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源該研究采用成都市2005、2010、2015、2020年共4期土地利用數(shù)據(jù),劃分為耕地、森林、草地、灌木、冰雪、水體、荒地、人工建設(shè)用地8種景觀類型,景觀類型時(shí)序圖如圖1所示,該數(shù)據(jù)來(lái)源于武漢大學(xué)黃昕教授團(tuán)隊(duì),為30 m分辨率年度土地利用數(shù)據(jù)(annual China land cover dataset,CLCD,https://engine.piesat.cn/),分類精度為79.31%。城鎮(zhèn)化率和綠化覆蓋率數(shù)據(jù)均來(lái)源于《四川省統(tǒng)計(jì)年鑒》(2005—2020年)。

圖1 2005—2020年成都市景觀類型分布Fig.1 Distribution of landscape types in Chengdu City during 2005-2020

1.3 景觀指數(shù)選取與分析方法使用ArcGIS 10.7將土地利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為tiff格式,導(dǎo)入到Fragstats 4.2軟件計(jì)算景觀格局指數(shù),景觀指數(shù)類型及其意義如表1所示。根據(jù)研究地區(qū)的實(shí)際地理情況和景觀指數(shù)所代表的實(shí)際意義,同時(shí)在借鑒現(xiàn)有的城市景觀格局研究[2,6,21,31]的基礎(chǔ)上,該研究從類型水平和景觀水平2個(gè)方面選取指數(shù)。類型水平上選取斑塊類型面積(CA)、斑塊數(shù)量(NP)、斑塊密度(PD)、平均斑塊面積(AREA_MN)、最大斑塊指數(shù)(LPI);景觀水平上選取斑塊數(shù)量(NP)、平均斑塊面積(AREA_MN)、斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、聚合度指數(shù)(AI)、分離度指數(shù)(DIVISION)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)。

表1 該研究所采用的景觀格局指數(shù)說(shuō)明[32]

1.4 回歸分析法有研究表明,城市化會(huì)階段性地增加或降低城市中心的景觀多樣性和破碎化程度[3,6,19,33]。蔓延度指數(shù)可以描述景觀斑塊類型的破碎化程度、團(tuán)聚程度或延展趨勢(shì),景觀多樣性指數(shù)能夠反映景觀組分?jǐn)?shù)量和各景觀組分所占比例的差異。因此,該研究以蔓延度指數(shù)和多樣性指數(shù)作為因變量來(lái)表征景觀格局的演變特征,以城鎮(zhèn)化率作為自變量來(lái)表征城市化水平。景觀多樣性指數(shù)和蔓延度指數(shù)由成都市2005—2020年的土地利用數(shù)據(jù)計(jì)算得出,結(jié)合15年城鎮(zhèn)化率數(shù)據(jù),利用SPSS軟件對(duì)二者進(jìn)行回歸分析,得到線性回歸模型以進(jìn)一步分析相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 成都市景觀格局演變特征

2.1.1各景觀類型的時(shí)間變化特征。從成都市15年間各類景觀總體構(gòu)成的變化情況(表2)可以看出,耕地、森林和人工建設(shè)用地占比較大,是成都市主要的景觀類型。其中,耕地面積占比最大,但斑塊面積(CA)逐年減小,占比從61.47%下降至52.05%,說(shuō)明成都市在發(fā)展過(guò)程中對(duì)耕地保護(hù)的重視程度有所下降;同時(shí)森林面積明顯增加,占比從27.86%增加至30.37%,可見(jiàn)其景觀優(yōu)勢(shì)度逐步增強(qiáng),說(shuō)明成都市對(duì)于綠地保護(hù)的持續(xù)重視;人工建設(shè)用地面積在15年間變化最為顯著,占比從7.17%增長(zhǎng)至13.50%,相比其他用地類型增幅較大,反映出成都市在發(fā)展過(guò)程中對(duì)建設(shè)用地需求的持續(xù)增大;灌木、草地面積增加;荒地、冰雪景觀占比較小,變化幅度不大。

表2 2005—2020年成都市各類景觀面積及占總面積比例變化

2.1.2各景觀類型的格局變化特征。由圖2可知,2005—2020年成都市大部分景觀類型總體呈破碎化趨勢(shì)。其中,耕地斑塊數(shù)量(NP)不斷增加,平均斑塊面積(AREA_MN)減小,斑塊密度(PD)不斷增加,說(shuō)明耕地景觀破碎化程度不斷上升、規(guī)模逐步減小;森林的斑塊數(shù)量逐年減小,平均斑塊面積增加,且斑塊密度逐年降低,反映出成都市森林景觀的破碎化程度降低;人工建設(shè)用地斑塊數(shù)量增加、平均斑塊面積增大、斑塊密度不斷上升,說(shuō)明人工建設(shè)用地景觀總體趨于破碎化,但規(guī)模不斷增大;草地斑塊數(shù)量持續(xù)增多、斑塊密度增加、平均斑塊面積小幅度下降,呈現(xiàn)破碎化趨勢(shì);灌木、荒地等斑塊指數(shù)略微波動(dòng),對(duì)于景觀格局總體影響較小。最大斑塊指數(shù)(LPI)可以反映最大斑塊類型對(duì)整個(gè)景觀或者類型的影響程度,即可以度量景觀類型的優(yōu)勢(shì)度。從成都市2005—2020年景觀類型LPI變化統(tǒng)計(jì)(圖2)可以看出,耕地景觀在研究時(shí)段內(nèi)始終占據(jù)最大優(yōu)勢(shì),其對(duì)整體景觀影響較大,但指數(shù)有持續(xù)下降的趨勢(shì);其次森林景觀最大斑塊指數(shù)較大,是成都市城市景觀中的第二大優(yōu)勢(shì)景觀,指數(shù)呈上漲態(tài)勢(shì);人工建設(shè)用地最大斑塊指數(shù)逐年增加,其景觀優(yōu)勢(shì)度逐漸增大;其余景觀類型由于本身基數(shù)較小,優(yōu)勢(shì)度較小且趨于穩(wěn)定,對(duì)整體景觀格局影響較小。

圖2 2005—2020年成都市類型水平指數(shù)變化Fig.2 Changes of patch type level index in Chengdu City during 2005-2020

2.1.3景觀尺度的格局變化特征。由圖3可知,2005—2020年成都市景觀斑塊數(shù)量(NP)和多樣性指數(shù)(SHDI)穩(wěn)步增加;平均斑塊面積(AREA_MN)和聚合度指數(shù)(AI)先減小后增加,2015年為轉(zhuǎn)折點(diǎn),總體呈減小趨勢(shì);最大斑塊指數(shù)(LPI)先增加后減小,2010年為轉(zhuǎn)折點(diǎn);斑塊密度(PD)先增加后減小,2015年為轉(zhuǎn)折點(diǎn),總體上呈增加趨勢(shì);蔓延度指數(shù)(CONTAG)穩(wěn)步下降;景觀分離度指數(shù)(DIVISION)先減小后增加,2010年為轉(zhuǎn)折點(diǎn)。景觀格局總體特征:景觀總體呈破碎化趨勢(shì),優(yōu)勢(shì)景觀類型連接度逐漸降低,各景觀團(tuán)聚度下降,景觀多樣性指數(shù)逐年增大,表明各景觀類型數(shù)量增多、復(fù)雜性增加,景觀內(nèi)各組分所占比例越均勻。

圖3 2005—2020年成都市景觀水平指數(shù)變化Fig.3 Changes of landscape level index in Chengdu City during 2005-2020

2.2 城市化進(jìn)程對(duì)成都市景觀格局變化的影響

2.2.1城市化發(fā)展進(jìn)程對(duì)景觀格局的影響。盡管影響城市景觀格局特征演變的因素具有復(fù)雜性和多樣性,但GDP、人口作為影響城市景觀格局演變的主要社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素[3],其帶來(lái)的城市擴(kuò)張可以用城鎮(zhèn)化率作為表征。 2000年以前成都市城市化水平較低,處于緩慢發(fā)展階段[34];2000—2020年,成都市中央城區(qū)到邊緣區(qū)縣不斷擴(kuò)張,城市化水平不斷升高,屬于快速城市化階段[25]。從研究時(shí)段內(nèi)成都市城鎮(zhèn)化率變化(圖4)可以看出,2005—2020年成都市城鎮(zhèn)化率穩(wěn)步增長(zhǎng),由2005年的59.90%增加至2020年的78.77%,其中,2015—2016年城鎮(zhèn)化率有所下降,2019—2020年增速最快,增加了約4百分點(diǎn)。

圖4 2005—2020年成都市城鎮(zhèn)化率Fig.4 Urbanization rate of Chengdu City during 2005-2020

為了探索成都市城市化水平對(duì)景觀格局的影響,對(duì)城市化水平與景觀格局進(jìn)行相關(guān)分析。景觀水平上,城鎮(zhèn)化率與景觀格局指數(shù)之間的決定系數(shù)(R2)均在0.9左右,兩者之間具有顯著的相關(guān)性(圖5)。圖5a顯示城鎮(zhèn)化率與蔓延度指數(shù)之間呈較強(qiáng)的負(fù)相關(guān),即隨著城鎮(zhèn)化率的上升,景觀蔓延度指數(shù)下降,一定程度上反映了各類景觀團(tuán)聚度和延展趨勢(shì)下降,表明耕地作為優(yōu)勢(shì)景觀的連接度下降。圖5b顯示,城鎮(zhèn)化率與景觀多樣性指數(shù)之間呈較強(qiáng)的正相關(guān),即隨著城鎮(zhèn)化率的上升,各景觀的類型數(shù)量增多、復(fù)雜性增加,各類型景觀所占比例越均勻。城市化的實(shí)質(zhì)使得城市生態(tài)用地以及農(nóng)業(yè)用地不斷轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地,從而形成以人工景觀為主的高度破碎化的異質(zhì)性景觀[6]。結(jié)合表2和圖4分析發(fā)現(xiàn),景觀類型水平上格局變化的主要特征是人工建設(shè)用地?cái)U(kuò)張,且2005—2020年成都市人工建設(shè)用地面積隨著城鎮(zhèn)化率穩(wěn)步升高逐年增加,表明城市化水平的提高是成都市人工建設(shè)用地演變的主要影響因素。

圖5 2005—2020年成都市城鎮(zhèn)化率與蔓延度指數(shù)(a)、多樣性指數(shù)(b)的關(guān)系Fig.5 Relationship between urbanization rate and spread index(a)and diversity index(b)of Chengdu City during 2005-2020

2.2.2城市發(fā)展政策對(duì)景觀格局變化的影響。政策因素也是影響城市景觀格局演變的重要因素之一[2,35]。2018年,成都市首次提出“公園城市”發(fā)展理念,建設(shè)踐行貫徹新發(fā)展理念的“公園城市示范區(qū)”[36]。從2016—2020年成都市建成區(qū)綠化覆蓋率變化情況(圖6)可以看出,成都市建成區(qū)綠化覆蓋率從2018年開(kāi)始顯著增加,由41.5%上升至2020年的44.0%。由表2可知,在該階段森林、草地這2類綠地景觀面積穩(wěn)步增加,其中森林增長(zhǎng)趨勢(shì)最為顯著,2015—2020年由3 901.1 km2增長(zhǎng)至4 230.4 km2,占總面積比例由28.01%增長(zhǎng)至30.37%,破碎化程度處于不斷下降的態(tài)勢(shì),可見(jiàn)“公園城市”城市發(fā)展目標(biāo)的確立和相關(guān)政策對(duì)成都市的綠地景觀格局具有積極影響。其次,《成都市土地利用戰(zhàn)略研究報(bào)告》(2003—2020年)預(yù)測(cè)規(guī)劃期內(nèi),各類建設(shè)用地總規(guī)模將達(dá)到2 393.0 km2,比2002年增加595.3 km2;同時(shí)成都市國(guó)土資源局耕地保護(hù)處研究指出,這一輪規(guī)劃期內(nèi),建設(shè)用地將占用耕地3.96萬(wàn)hm2[37],而成都市2005—2020年出現(xiàn)了耕地面積持續(xù)減小、人工建設(shè)用地面積穩(wěn)步增大的現(xiàn)象,可見(jiàn)政策對(duì)人工建設(shè)用地、耕地景觀的變化也具有較大影響。由此表明政策是成都市景觀格局演變的主要影響因素,這與肖況等[27]的研究結(jié)果相符。

圖6 2016—2020年成都市建成區(qū)綠化覆蓋率Fig.6 Green coverage rate of built-up areas in Chengdu City during 2016-2020

3 討論

該研究采用景觀格局指數(shù)、回歸分析等方法對(duì)景觀格局演變及其影響因素進(jìn)行了研究。隨著成都市近15年來(lái)城市化水平不斷提高,人工建設(shè)用地面積持續(xù)增長(zhǎng),該現(xiàn)象也出現(xiàn)在北京市[2]、深圳市[3]、揚(yáng)州市[33];人工建設(shè)用地破碎化程度加劇,而車通等[33]研究表明,隨著城市化進(jìn)程加快,揚(yáng)州市人工建設(shè)用地破碎化程度下降。同時(shí),通過(guò)該研究可以發(fā)現(xiàn)近年來(lái)土地利用政策對(duì)成都市景觀格局演變的影響較大,耕地面積持續(xù)減小,這與肖況等[27]的研究結(jié)果一致,在此基礎(chǔ)上,該研究得出“公園城市”政策對(duì)成都市景觀格局的演變也具有重要影響,該政策以改善城市人居環(huán)境質(zhì)量為目標(biāo),使得近年來(lái)成都市綠化覆蓋率上升,森林、草地、灌木等綠地景觀面積增加,且森林景觀破碎化程度下降,這與吳健生等[3]研究的深圳市在城市化進(jìn)程中綠地景觀破碎化程度上升、規(guī)模逐步減小的情況有所不同。

揭示城市景觀格局演變特征及其影響因素可為城市化進(jìn)程中城市的規(guī)劃建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。城市化快速發(fā)展時(shí)期應(yīng)注重景觀格局連接度與完整性,延緩景觀格局總體呈破碎化的趨勢(shì);同時(shí),在開(kāi)展國(guó)土空間規(guī)劃“三區(qū)三線”劃分工作時(shí),應(yīng)重視各景觀類型統(tǒng)籌安排的科學(xué)性和有序性,避免城鎮(zhèn)空間即人工建設(shè)用地占用基本農(nóng)田和森林、草地、水體等生態(tài)用地,從而確?；巨r(nóng)田適度的規(guī)模和穩(wěn)定性,保證生態(tài)功能系統(tǒng)的完整性[37],實(shí)現(xiàn)“山水林田湖草”和城市發(fā)展的有機(jī)融合。此外,具有前瞻性的規(guī)劃和發(fā)展政策對(duì)于城市景觀優(yōu)化和城市高質(zhì)量發(fā)展具有積極推動(dòng)作用,在成都市未來(lái)的城市化進(jìn)程中,政策應(yīng)繼續(xù)保持對(duì)森林、草地、灌木等綠地景觀的關(guān)注,使其進(jìn)一步發(fā)揮良好的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。同時(shí)耕地作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的最重要生產(chǎn)要素,關(guān)系到農(nóng)業(yè)的發(fā)展?jié)摿臀覈?guó)的糧食安全[38]。成都素有“天府之國(guó)”的美譽(yù),具有適合農(nóng)業(yè)發(fā)展的優(yōu)越自然條件,土地利用規(guī)劃政策應(yīng)加強(qiáng)對(duì)耕地保護(hù)的重視,堅(jiān)守“十八億畝耕地紅線”,構(gòu)建農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展體系,進(jìn)一步促進(jìn)成都市的可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)論

該研究基于2005—2020年成都市土地利用數(shù)據(jù),采用景觀格局指數(shù)與回歸分析相結(jié)合的方法對(duì)近15年成都市景觀格局演變特征及其影響因素進(jìn)行了研究,主要研究結(jié)果如下:

(1)研究期內(nèi),成都市景觀類型以人工建設(shè)用地、耕地和森林為主,且三者動(dòng)態(tài)變化顯著;其中,人工建設(shè)用地面積變化最為顯著,15年間增長(zhǎng)6.33百分點(diǎn),景觀優(yōu)勢(shì)性逐步增強(qiáng)。各類型景觀中,人工建設(shè)用地斑塊數(shù)量、最大斑塊指數(shù)、平均斑塊面積和斑塊密度逐年增加,破碎化程度不斷上升;耕地平均斑塊面積和最大斑塊指數(shù)減小,優(yōu)勢(shì)度不斷下降,破碎化程度上升;森林斑塊數(shù)量逐年減小,最大斑塊和平均斑塊面積逐年增加,斑塊密度逐年降低,破碎化程度下降,連接度不斷上升。景觀水平上,成都市景觀總體呈破碎化趨勢(shì),景觀中的優(yōu)勢(shì)景觀類型連接度逐漸較低,各景觀團(tuán)聚度下降;景觀多樣性指數(shù)逐年增大,表明各景觀類型數(shù)量增多、復(fù)雜性增加,但各類型景觀所占比例越均勻。

(2)城市化發(fā)展水平和政策是成都市景觀格局演變的主要影響因素。2005—2020年城鎮(zhèn)化率穩(wěn)步增長(zhǎng),2019—2020年增速最快,2020年達(dá)78.77%。隨著城市化進(jìn)程不斷加快,各景觀類型數(shù)量增多、復(fù)雜性增加、團(tuán)聚程度下降,優(yōu)勢(shì)景觀連接度下降;在“公園城市”政策的影響下,成都市綠化覆蓋率明顯增加,森林面積增長(zhǎng)、破碎化程度下降;在土地利用規(guī)劃政策的影響下,城市人工建設(shè)用地面積不斷增大,耕地面積有所減小,破碎化程度均上升。