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        快速城市化地區(qū)景觀生態(tài)格局演變特征分析
        ——以廣州市黃埔區(qū)為例

        2018-11-28 03:23:40李伯華郭欣欣
        石家莊學院學報 2018年6期
        關鍵詞:黃埔區(qū)廣州市林地

        李伯華 ,郭欣欣 ,曾 燦

        (1.湖南省人居環(huán)境學研究基地,湖南 衡陽 421002;2.衡陽師范學院 城市與旅游學院,湖南 衡陽 421002;3.韶山市城鄉(xiāng)規(guī)劃局,廣州 韶山 411300)

        0 引言

        20世紀90年代我國開始進入快速城市化發(fā)展階段,城市建設用地擴張成為全社會廣泛關注的問題[1-3].眾多學者對城市空間擴張模式、景觀生態(tài)用地演變特征等進行了研究.從表面看,快速城市化現(xiàn)象主要表現(xiàn)為農村人口往城市聚居,城市人口數量增加,但實質上快速城市化發(fā)展對生態(tài)、社會和經濟等方面都帶來了巨大的影響.2016年末廣州市黃埔區(qū)城鎮(zhèn)化率已經達到91.58%,高于2016年末全國、廣州市57.35%、86.06%的城鎮(zhèn)化率,在城市快速發(fā)展的同時,景觀生態(tài)格局變化問題亟待關注.

        在景觀格局分析方法方面,運用最多的是數學模型法.如劉照程等[4]通過粒度反推法計算生態(tài)系統(tǒng)的核心組成結構;馬爾柯夫通過轉移矩陣計算不同時間尺度下土地利用變化情況[5];通過元胞自動機景觀模擬法,將小尺度的數據模擬景觀格局放大尺度范圍反映變化規(guī)律.景觀格局指數分析法最常用的軟件為Fragstats軟件和Apack軟件[6],從斑塊、類型、景觀3個層次出發(fā),基于景觀相似數、斑塊、斑塊密度、分維度等58個景觀指數分析景觀格局變化情況.但目前在眾多的景觀指數中,受外界影響存在尺度干擾較大、景觀信息重疊、生態(tài)學過程指示性不足等方面的不足[7-9].在生態(tài)安全格局研究尺度上,大部分研究集中在中尺度上,研究區(qū)域集中在城鎮(zhèn)、河流、耕地等.如刁菲菲[10]對杭州市景觀格局的演變及優(yōu)化作了相關的研究;宋明曉[11]對遼河流域(吉林省段)景觀格局演變及關鍵性生態(tài)空間辨識方面作了相關研究;彭文君等[12]對喀斯特山區(qū)縣域耕地景觀生態(tài)安全及演變過程作了相關研究.但目前,針對快速城市化區(qū)域且景觀生態(tài)良好的研究相對匱乏.

        廣州市黃埔區(qū)作為中國第三大城市廣州中心城區(qū)的重要節(jié)點,擁有長洲島、港口碼頭、天鹿湖森林公園等豐富的景觀和良好的生態(tài)本底.本研究以廣州市黃埔區(qū)為例,以景觀生態(tài)學理論為基礎,借助RS、GIS等“3S”技術,結合Fragstats 4.2景觀分析軟件,旨在對廣州市黃埔區(qū)26年來景觀生態(tài)格局的演變特征進行探索和實證研究,掌握快速城市化地區(qū)景觀生態(tài)格局的變化規(guī)律.

        1 研究區(qū)域概況

        黃埔區(qū)(包含蘿崗區(qū))位于廣州市東部①2014年2月13日,廣州市發(fā)布行政區(qū)劃重大調整方案:原蘿崗區(qū)和原黃埔區(qū)合并為新黃埔區(qū),2015年9月1日黃埔區(qū)舉行掛牌儀式,本研究區(qū)域為合并之后的新黃埔區(qū).,屬廣州市山水新城核心區(qū),總面積484.17 km2,如圖1所示.黃浦區(qū)下轄14個街道和1個鎮(zhèn),分別為:文沖、黃埔、南崗、大沙、紅山、蘿崗、穂東、荔聯(lián)、夏港、長洲、東區(qū)、聯(lián)合、永和、魚珠街道以及九龍鎮(zhèn).2016年末,廣州市黃埔區(qū)常住人口108.26萬人,城鎮(zhèn)化率高達91.58%,地區(qū)生產總值2 941.49億元,同比增長5.6%,其中規(guī)模以上工業(yè)總產值7 141億元,增長2.3%.擁有國家級研發(fā)機構17個,國家級產業(yè)基地10個,國家級園區(qū)1個,省級產業(yè)基地4個,市戰(zhàn)略新興產業(yè)基地6個,是國家循環(huán)化改造示范試點園區(qū)和國家產城融合示范區(qū).區(qū)內形成了“八橫八縱”主干路網,地鐵、新型有軌電車、快速公交系統(tǒng)、疏港道路全面建成.

        圖1 區(qū)位分析圖

        2 數據來源與研究方法

        2.1 數據來源與處理

        通過查閱黃埔區(qū)、蘿崗區(qū)1990~2016年統(tǒng)計年鑒和國民經濟與社會發(fā)展統(tǒng)計公報等,獲取了4個時期的土地利用面積、人口、地區(qū)生產總值、產業(yè)結構、城鎮(zhèn)化率等數據;通過百度地圖及實地調研,獲取了廣州市黃埔區(qū)各類用地位置和數據邊界;同時從地理空間數據云獲取了廣州市黃埔區(qū)1990年、2000年、2010年、2016年4個時期的Landsat TM影像,為了更好地區(qū)分出林地、水域、耕地和園地生態(tài)景觀用地,本研究選取Band5、Band4、Band3波段進行假彩色合成,得到圖2.

        遙感影像的預處理是遙感應用的第一步,現(xiàn)在該技術已經十分成熟[13].利用ENVI 5.0軟件對4期遙感影像進行用地分類處理,獲取廣州市黃埔區(qū)4個時期的土地利用圖.主要過程為:

        圖2 廣州市黃埔區(qū)4期遙感影像圖

        1)影像鑲嵌:利用ENVI 5.0軟件自帶的坐標定位Mosaic king方法,對遙感影像進行鑲嵌處理,運用Feathering功能進行邊緣化羽化[14].

        2)幾何校正:利用遙感影像自身攜帶的地理坐標,通過Cubic convolution方法進行重采樣.

        3)監(jiān)督分類:運用最小距離法,利用訓練樣本數據,計算每類均值向量和標準差向量,以均值向量為該景觀類型的特征空間中心位置,根據《土地利用現(xiàn)狀分類》GB/T21010-2017[15].將廣州市黃埔區(qū)各類用地劃分為6類,即:建設用地、園地、林地、耕地、水域、未利用地,結果如圖3所示.

        圖3 廣州市黃埔區(qū)4期土地利用圖

        2.2 研究方法

        景觀指數是指能夠監(jiān)測和定量描述景觀空間結構隨時間變化特征,建立生態(tài)過程和景觀結構聯(lián)系,為更好解釋景觀功能的定量化指標[16].景觀指數可分為3個層次:景觀水平指數、斑塊水平指數和斑塊類型水平指數,其中景觀水平指數可以用來研究區(qū)域整體景觀水平的變化情況,具體指標有景觀均勻度、聚合度和破碎化等;斑塊水平指數可以計算單個斑塊的指數,包括形狀、面積和邊界距離等指標;斑塊類型水平指數可以計算出斑塊密度、最大斑塊面積、斑塊面積和分維度等指標.斑塊水平指數對于了解整體景觀結構不具有較大的解釋價值,一般只作為研究景觀結構的基礎[17].參考前人的研究成果,選取景觀水平指數和斑塊類型水平指數進行分析.

        運用Fragstats 4.2景觀分析軟件選取5類景觀水平指標:最大斑塊占景觀面積所占比例、多樣性、均勻度、破碎化程度及斑塊個數;3類景觀類型水平指標:景觀各類型面積、斑塊個數及分維數.分別對廣州市黃埔區(qū)1990年、2000年、2010年、2016年4個時期的數據進行計算,計算公式見表1.

        3 廣州市黃埔區(qū)景觀生態(tài)格局演變分析

        3.1 景觀水平指數

        將廣州市黃埔區(qū)4期遙感影像數據源導入Fragstats 4.2軟件,在景觀水平上,根據表1中的公式,計算出廣州市黃埔區(qū)景觀多樣性和景觀斑塊個數以及景觀破碎化程度等指標,具體結果見表2.

        表1 景觀指數的計算原理

        表2 景觀水平指數

        3.1.1 景觀斑塊受干擾程度越來越大

        景觀斑塊面積的大小變化與社會經濟、人口活動以及相關政策等因素有著密切聯(lián)系,1990年、2000年、2010年、2016年廣州市黃埔區(qū)地區(qū)生產總值分別為11.35,405.41,1 948.93,2 941.49億元.1990~2000年、2000~2010年、2010~2016年年均增長率分別為43%,47%,31%,2000~2010年增長速率最快.由表2可知,廣州市黃埔區(qū)景觀斑塊數量不斷增加,由1990年的406個增加到2016年的257 1個,增加了5.33倍;景觀破碎化程度不斷上升,由1990年的0.008 4個/ha到2016年轉變?yōu)?.053 4個/ha;從遙感影像中可以明顯看出4個時期最大的景觀斑塊為林地.最大斑塊面積占景觀面積的比例先上升后下降,1990~2000年最大斑塊占景觀面積比例增加,受1999年“退耕還林”政策的影響,部分地區(qū)耕地轉化為林地,導致林地連續(xù)性增加.2000~2016年由于城市經濟的快速發(fā)展,人口數量的增加,建設用地不斷增加,導致景觀斑塊受干擾的程度越來越大,優(yōu)勢斑塊面積不斷減小.以上數據說明近26年以來,廣州市黃埔區(qū)隨著人口活動的不斷加強,地區(qū)生產總值不斷增長以及相關政策的實施,導致斑塊數量不斷增加,景觀破碎化程度不斷上升.

        3.1.2 景觀異質化程度增加

        由表2可知,1990~2016年間,廣州市黃埔區(qū)景觀多樣性指標和均勻程度指標總體呈現(xiàn)增長趨勢,景觀多樣性指標由1990年的1.264 5增加為2016年的1.347 3,增加了6.55%,其中景觀多樣性指標2000年數值最大,為1.356 2;均勻度指數由1990年0.705 7持續(xù)增長到2016年為0.837 2,增加了18.63%.近26年來,廣州市黃埔區(qū)隨著城鎮(zhèn)化率不斷增加,經濟的快速發(fā)展,城市建設用地不斷擴張,占用了大量的耕地、園地、林地等景觀生態(tài)用地.由于城市擴張不斷分割耕地、園地、林地等景觀生態(tài)用地,導致城市景觀斑塊類型連續(xù)性越來越弱,景觀斑塊類型越來越豐富,景觀斑塊越來越復雜,景觀異質化程度增加.

        3.2 景觀類型水平指數

        運用Fragstats 4.2軟件,根據表1中的公式計算出廣州市黃埔區(qū)景觀類型水平指數的特征指標值,具體見表3.

        表3 景觀類型水平指數

        3.2.1 景觀生態(tài)用地面積逐年減小

        在耕地、園地、水域和林地景觀生態(tài)用地中,26年間廣州市黃埔區(qū)景觀生態(tài)用地總面積由原來的438.85 km2減少為298.98 km2,減少了139.87 km2.1990年,廣州市黃埔區(qū)各類用地排序為林地>耕地>建設用地>園地>水域>未利用地.林地、耕地用地總面積分別居第一、第二,1990年廣州市黃埔區(qū)主導景觀類型為林地、耕地,景觀生態(tài)用地.到2016年各類用地排序為建設用地>林地>耕地>園地>水域>未利用地,建設用地面積超過林地面積,用地面積居第一.而未利用地從1990年到2010年均被開發(fā)為不同類型的土地.從用地面積大小來看,1990~2016年,從總體排序上來看,廣州市黃埔區(qū)各類型用地排序名次變化較小,除建設用地發(fā)生較大變化外,其他排序名次基本不變.

        從研究時段看,1990~2010年,耕地、園地面積在不同程度減少,其中耕地面積不及1990年面積的1/2;2010~2016年,耕地、園地面積有所增加;1990~2016年,建設用地面積一直趨于直線上升狀態(tài),由1990年的39.53 km2到2016年增加為182.20 km2,增加了142.67 km2,26年間建設用地面積年均增長5.49 km2.林地面積一直趨于下降狀態(tài),在所有類型的用地中林地總面積減少最多,減少了85.45 km2.

        從景觀生態(tài)用地減少的范圍來看,原黃埔區(qū)大部分景觀生態(tài)用地轉化為建設用地,原蘿崗區(qū)在2010~2016年期間建設用地面積明顯增加.具體演變特征為:1990~2000年廣州市黃埔區(qū)建設用地增加集中在原黃埔區(qū),沿穂東街道往周圍擴散.原蘿崗區(qū)建設用地僅沿S378省道有少部分增加;2000~2010年建設用地往北填充式擴展,建設用地增加面積集中在黃埔區(qū)中部,特別是沿道路兩側增加最為明顯;2010~2016年黃埔區(qū)各街道(鎮(zhèn))建設用地均有少部分增加,其中沿道路、地勢相對平坦的區(qū)域變化較大,九龍鎮(zhèn)新增了1個較大的居住組團;此外,還有少部分建設用地1990~2016年間一直保留了原樣,主要集中在原黃埔區(qū),具體見圖4.

        圖4 廣州市黃埔區(qū)1990~2016年建設用地變化情況

        3.2.2 耕地被干擾程度最大

        1990~2016年廣州市黃埔區(qū)景觀類型斑塊數量均有不同程度增加,數量變化較大(圖5).特別是1990~2000年景觀類型斑塊數量變化巨大,耕地斑塊數量增加了約6.62倍,建設用地斑塊數量增加了5.58倍.在26年間耕地、林地、建設用地、水域、園地斑塊個數分別增加了629個、447個、500個、321個、285個,其中耕地被干擾的程度最大.

        圖5 廣州市黃埔區(qū)1990~2016年景觀類型斑塊個數變化

        3.2.3 景觀生態(tài)斑塊形狀呈規(guī)則化趨勢,建設用地斑塊形狀復雜化

        從總體來看,林地的分維數值最大,說明林地的斑塊形狀最為復雜和最為不規(guī)則,但受人類活動的影響,林地的分維數不斷減小,形狀變得更加簡單和規(guī)則(圖6).園地、耕地、水域的分維數變化較小,但總體趨勢是減小了.建設用地分維數一直趨于增長趨勢,分維數變化最大,由1990年的1.51到2016年增長為1.78,增加了0.27,形狀指數越來越不規(guī)則和復雜,其主要原因是城市體系規(guī)劃是在對人口預測的基礎上對城市用地進行功能分區(qū)和基礎設施等的建設,但是由于經濟、政策等諸多因素的不確定性,導致到規(guī)劃期末最終城市人口規(guī)模難以預測,導致建設用地面積形狀越來越不規(guī)則.

        圖6 廣州市黃埔區(qū)1990~2016年景觀類型分維數

        4 結論

        1990~2016年,在這26年,廣州市黃埔區(qū)景觀生態(tài)格局受到快速城市化、政策、經濟、人口、氣候等自然因素和人文因素的影響.從景觀水平指數看,26年間建設用地面積增加了142.67 km2,且建設用地面積增加主要集中在原黃埔區(qū)和原蘿崗區(qū)交通較發(fā)達區(qū)域,這與人類對城市景觀改變干擾理論相符合.景觀斑塊數量增加,景觀整體破碎化有所加劇,景觀格局的穩(wěn)定性減弱.均勻度和多樣性指數總體提高,說明景觀格局整體結構逐步向多樣性和復制化方向發(fā)展;從景觀類型水平上看,林地、耕地和園地為廣州市黃埔區(qū)主要的景觀生態(tài)用地,但是由于建設用地不斷增加,導致林地、耕地和園地在26年間用地面積不斷減小,從而導致大斑塊的景觀生態(tài)用地瓦解,造成斑塊數量不斷增加.而景觀生態(tài)類型分布的內部,景觀生態(tài)類型斑塊變得更為規(guī)則;根據景觀生態(tài)格局演變的總趨勢可知,廣州市黃埔區(qū)景觀生態(tài)用地不斷轉為建設用地,主要是由于快速城市化進程的推進,導致廣州市黃埔區(qū)景觀生態(tài)面積不斷減少,景觀生態(tài)格局日趨復雜.

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