陳昆侖,齊 漫,王 旭,黃耿志

1 中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)體育學(xué)院,武漢 430074 2 辛辛那提大學(xué)地理系,辛辛那提,45220,美國 3 中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地理與信息工程學(xué)院,武漢 430074 4 中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院,廣州 510275

濕地與森林、海洋并列為三大生態(tài)系統(tǒng),是自然界最富多樣性的生態(tài)景觀和人類最重要的生存環(huán)境之一[1],承擔(dān)著調(diào)蓄洪水、調(diào)節(jié)氣候、凈化水質(zhì)等生態(tài)功能,在城市、區(qū)域乃至全球尺度上對氣候變化、經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及人類生存環(huán)境產(chǎn)生重大影響,與人類的生存與發(fā)展密切相關(guān)[2]。城市湖泊是城市濕地系統(tǒng)的重要組成部分,對于城市發(fā)展、生態(tài)系統(tǒng)平衡和防洪蓄洪有著重要作用,然而隨著近年來城市化的快速發(fā)展,城市湖泊濕地系統(tǒng)面積急劇減少,水污染不斷加劇,防洪調(diào)汛能力不斷降低,生態(tài)安全不斷惡化,因此,對快速城市發(fā)展背景下湖泊濕地生態(tài)安全的研究十分必要。

目前城市湖泊濕地的研究較多關(guān)注了湖泊空間形態(tài)演變[3-4]、湖泊地區(qū)土地利用變化[5-6]、湖泊水環(huán)境變化及綜合治理[7-8]、湖泊濕地生態(tài)價(jià)值評價(jià)[9-10]、湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)[11-13]等方面。這些研究多從環(huán)境科學(xué)、土地管理、生態(tài)學(xué)等方面開展,研究認(rèn)為城市湖泊普遍受到城市化的深刻影響,萎縮趨勢明顯,生態(tài)功能顯著下降,重金屬污染、富營養(yǎng)化等是水環(huán)境面臨的主要威脅。近年來城市湖泊濕地生態(tài)安全與城市生態(tài)環(huán)境治理受到了更多重視,被認(rèn)為是保障城市可持續(xù)發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域之一,董云仙等在系統(tǒng)梳理云南高原湖泊的發(fā)展歷程基礎(chǔ)之上,提出預(yù)防型、控制型、治理型湖泊流域生態(tài)安全調(diào)控途徑[14],金相燦等將湖泊生態(tài)安全內(nèi)涵歸納為4個(gè)方面,建立了“4+1”湖泊生態(tài)安全評估方法框架[15]。武漢被譽(yù)為“百湖之市”,是城市湖泊研究的重要案例地,其研究涉及單一湖泊、湖泊群、中心城區(qū)湖泊及整個(gè)武漢市域湖泊體系,快速城市化背景下人類活動如人口快速增長、城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張被認(rèn)為是城市湖泊演變的關(guān)鍵影響因素[16-17]。相關(guān)研究從單一要素和側(cè)面對認(rèn)識未來城市湖泊生態(tài)安全和可持續(xù)發(fā)展提供了重要基礎(chǔ),但全面深入的湖泊系統(tǒng)景觀生態(tài)安全格局研究對理解城市可持續(xù)發(fā)展與湖泊生態(tài)安全維育同樣具有不可或缺的重要意義。

城市湖泊/湖泊系統(tǒng)景觀生態(tài)安全格局是維護(hù)城市湖泊/湖泊系統(tǒng)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和過程健康及完整的關(guān)鍵性格局[18]。湖泊景觀生態(tài)安全格局從景觀格局角度豐富了湖泊生態(tài)安全的研究,可以為全面理解湖泊生態(tài)安全演變過程奠定一定的基礎(chǔ)。因此,本文以景觀生態(tài)學(xué)相關(guān)理論與方法為基礎(chǔ),利用1995年、2005年、2015年的3期遙感數(shù)據(jù)提取武漢中心城區(qū)湖泊系統(tǒng)的空間分布數(shù)據(jù),并據(jù)此計(jì)算湖泊景觀指數(shù)以揭示武漢市城市湖泊系統(tǒng)的景觀格局特征及變化,進(jìn)而構(gòu)建湖泊景觀生態(tài)安全評價(jià)模型以評估武漢湖泊系統(tǒng)景觀生態(tài)安全格局的演化特征,并對其驅(qū)動因素進(jìn)行解讀。以期在較為系統(tǒng)全面地認(rèn)識武漢城市湖泊系統(tǒng)演化過程的基礎(chǔ)上,為提升湖泊生態(tài)管理水平、增強(qiáng)湖泊環(huán)境治理效果、優(yōu)化湖泊生態(tài)安全格局提供深刻的背景性認(rèn)識,為制定行之有效的生態(tài)管理政策和環(huán)境治理措施提供重要支撐。

1 區(qū)域概況和研究方法

1.1 研究區(qū)域

武漢位于湖北省東部,處于長江與漢江交匯之處,地理位置為29°59′—31°22′N,113°41′—115°05′E,市域面積8596 km2。地處北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候帶,常年雨量充沛,雨熱同期,降水多集中在6—8月,冬冷夏熱,四季分明,平均氣溫16.3℃,年均降水量達(dá)1240 mm。地形以沖積平原為主,兼有低山丘陵和崗地。地勢北高南低,中部低平,山丘、湖泊與平陸相間。

武漢地處古云夢澤范圍內(nèi),境內(nèi)湖泊眾多,河網(wǎng)縱橫,享有“百湖之市”的美譽(yù)。湖泊主要為河流沉積湖,武漢湖泊群是長江中下游濕地系統(tǒng)的重要組成部分。至2012年市域范圍內(nèi)共有大小湖泊166個(gè),其中中心城區(qū)湖泊40個(gè),占總量的24%。湖泊總匯水面積達(dá)到5925.2 km2,共分為東湖-沙湖水系、湯遜湖水系等12大水系,其中有5大水系位于中心城區(qū)。近年來隨著城市建設(shè)用地的不斷擴(kuò)張,武漢中心城區(qū)五大湖泊水系不斷受到侵占,湖泊面積萎縮嚴(yán)重,屬動態(tài)變化最為顯著的區(qū)域。因此,本研究選擇武漢中心城區(qū)的湖泊系統(tǒng)為研究對象,包含東湖-沙湖水系、湯遜湖水系、北湖水系、后湖水系、墨水湖-龍陽湖-南(北)太子湖水系(圖1)。

圖1 武漢中心城區(qū)湖泊水系劃分Fig.1 Division of urban lake system of WuhanHS: 后湖水系Hou Lake System; BS: 北湖水系North Lake System；DSS：東湖-沙湖水系East-Sha Lake System； MLNBS：墨水湖-龍陽湖-(南)北太子湖水系Moshui-Longyang-Nan and Beitaizi Lake System；TS：湯遜湖水系Tangxun Lake System

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

本研究數(shù)據(jù)包括Landsat影像數(shù)據(jù)、Google Earth歷史衛(wèi)星地圖、IKONOS高分辨影像數(shù)據(jù)、武漢市1∶50000地形圖、武漢市行政區(qū)劃圖、社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)和環(huán)境保護(hù)規(guī)劃等相關(guān)數(shù)據(jù)。其中Landsat數(shù)據(jù)從美國地質(zhì)調(diào)查局官網(wǎng)下載((http://www.usgs.gov/),主要用于提取不同時(shí)期面積大于30 m×30 m的湖泊信息；2005和2015年的IKONOS數(shù)據(jù)主要用于修正提取的湖泊信息。由于該區(qū)春夏受雨季影響降水頻繁,獲取的遙感影像云量較大,且在強(qiáng)降雨作用下易造成湖泊水體邊界的不確定,而選用秋冬少雨季節(jié)獲取的遙感數(shù)據(jù)能有效回避這些影響。因此本研究選取了1995/12/05(TM)、2005/12/08(ETM+)和2015/11/26(TM)3期Landsat影像數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)武漢城市湖泊水體信息的提取。

以ENVI軟件為技術(shù)平臺,對案例地的3期影像信息進(jìn)行提取和計(jì)算,主要流程為：1)幾何校正 采用基于多項(xiàng)式的幾何校正,選取地面控制點(diǎn),構(gòu)建多項(xiàng)式校正模型,將影像間的誤差控制在一個(gè)像元之內(nèi)；2)圖像裁剪 采用武漢中心城區(qū)矢量邊界裁剪出研究興趣區(qū)域；3)監(jiān)督分類 定義湖泊訓(xùn)練樣本,評價(jià)訓(xùn)練樣本并對其進(jìn)行修正,采用Minimum Distance方法進(jìn)行監(jiān)督分類,3期影像的分類精度分別為95.8%,96.5%和96.3%；4)在ArcGIS10.0下參照Google Earth歷史影像數(shù)據(jù),對ENVI監(jiān)督分類得到的湖泊水體數(shù)據(jù)進(jìn)行目視解譯及修正處理(圖2),將得到的武漢中心城區(qū)湖泊信息進(jìn)行柵格化處理,輸出為Arc grid格式,以滿足湖泊景觀格局及演化分析的要求。

圖2 1995年、2005年和2015年武漢中心城區(qū)湖泊系統(tǒng)演變Fig.2 Urban lake change of Wuhan in 1995, 2005 and 2015

1.3 湖泊景觀生態(tài)安全評價(jià)模型構(gòu)建

隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的關(guān)系日益復(fù)雜,生態(tài)安全更是被提升到國家戰(zhàn)略高度[19],景觀生態(tài)安全格局研究也越來越受到重視。在景觀生態(tài)安全評價(jià)方面,主要方法有建立景觀生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)體系[20]、壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(PSR)模型[21]、最小費(fèi)用距離模型[22]、景觀指數(shù)評價(jià)方法[23]等。其中景觀指數(shù)是景觀格局的高度概括,是反映其結(jié)構(gòu)組成和空間配置等方面特征的定量指標(biāo)[24],景觀指數(shù)評價(jià)方法主要通過選取一定的景觀指數(shù),并對不同景觀指數(shù)賦予權(quán)重來量化評價(jià)區(qū)域景觀生態(tài)安全。例如相關(guān)學(xué)者利用破碎度、分離度、優(yōu)勢度、景觀類型脆弱度等評價(jià)指標(biāo)構(gòu)建的流域景觀生態(tài)安全評價(jià)模型[25-26],這些豐富了景觀生態(tài)安全的研究。

本文在已有研究基礎(chǔ)上,充分結(jié)合研究區(qū)特征,考慮湖泊景觀特點(diǎn),選取景觀類型斑塊密度(PD)、分維數(shù)(FRAC)、連接度(CONNECT)和斑塊所占景觀面積比例(PLAND)為指標(biāo),建立景觀指數(shù)與景觀生態(tài)安全度的定量化描述,研究武漢中心城區(qū)湖泊系統(tǒng)景觀生態(tài)安全格局的演化特征?？紤]到斑塊密度和分維數(shù)對湖泊景觀格局的影響程度,參考已有研究利用層次分析-德爾菲法確定評價(jià)因子權(quán)重,對斑塊密度PD、分維數(shù)F、連接度C分別賦權(quán)重為0.4、0.4和0.2[27]。武漢中心城區(qū)湖泊子系統(tǒng)景觀生態(tài)安全評價(jià)模型為：

ESi=(0.4PDi+0.4Fi+0.2Ci)*PLi

(1)

式中,ESi為i類型景觀生態(tài)安全度；i=1,…,m,是斑塊類型。PDi為i景觀類型斑塊密度,Fi為i景觀類型分維數(shù),Ci為i景觀類型連接度,PLi為i景觀類型斑塊所占景觀面積比例 。A是總的景觀面積(m2)；j=1,…,n,是斑塊數(shù)目；aij是斑塊ij的面積(m2),pij為斑塊ij的周長(m)；cijk表示拼塊類型i的斑塊j和k的連接。

武漢中心城區(qū)總體湖泊景觀生態(tài)安全評價(jià)模型為：

ES=(0.4PD+0.4F+0.2C)*PL

(2)

式中,ES是總體湖泊景觀生態(tài)安全度,PD為總體湖泊景觀的斑塊密度,F為總體湖泊景觀的分維數(shù),C為總體湖泊景觀的連接度,PL為湖泊景觀占中心城區(qū)面積比例。景觀指數(shù)的計(jì)算借助Fragstats3.2軟件。

2 景觀格局演變分析

2.1 湖泊系統(tǒng)面積和結(jié)構(gòu)變化

近年來,武漢中心城區(qū)湖泊系統(tǒng)總面積呈現(xiàn)出不斷減少趨勢(表1),由1995年的134.39 km2縮減至2015年的87.97 km2。1995—2005年,湖泊景觀總面積以年均2.4%的速率減少,共計(jì)減少28.95 km2；2005—2015年,湖泊景觀總面積下降趨勢放緩,年均減少速度為1.8%,累計(jì)減少17.47 km2。2015年湖泊景觀面積僅為1995年的65.46%,湖泊萎縮趨勢較為嚴(yán)重。斑塊數(shù)量變化呈現(xiàn)出與湖泊面積相同的趨勢,1995—2015年間,湖泊景觀斑塊數(shù)量不斷減少,由1995年的576個(gè)下降至2015年的131個(gè),年均減少個(gè)數(shù)達(dá)22個(gè)。

表1 武漢中心城區(qū)湖泊水系結(jié)構(gòu)

HS：后湖水系,Hou Lake System；BS,北湖水系：North Lake System；DSS：東湖-沙湖水系,East-Sha Lake System； MLNBS：墨水湖-龍陽湖-(南)北太子湖水系,Moshui-Longyang-Nan and Beitaizi Lake System；TS：湯遜湖水系,Tangxun Lake System

各次級湖泊水系的湖泊面積和數(shù)量變化趨勢則呈現(xiàn)出分化特征。從湖泊面積減少總量來看,湯遜湖水系>東湖-沙湖水系>墨水湖-龍陽湖-南(北)太子湖水系>后湖水系>北湖水系,1995—2015年減少面積分別為14.20、10.59、9.94、5.93和5.77 km2；從湖泊面積減少幅度來看,后湖水系>墨水湖-龍陽湖-南(北)太子湖水系>湯遜湖水系>東湖-沙湖水系>北湖水系,面積下降幅度分別為85.41%、57.54%、36.61%、23.41%和22.03%。從湖泊減少數(shù)量來看,后湖水系>湯遜湖水系> 墨水湖-龍陽湖-南(北)太子湖水系>北湖水系>東湖-沙湖水系,減少個(gè)數(shù)分別為134、132、102、41和36個(gè)；從湖泊減少幅度來看,后湖水系>湯遜湖水系>墨水湖-龍陽湖-南(北)太子湖水系>東湖-沙湖水系>北湖水系,湖泊減少幅度分別為87.01%、86.84%、77.86%、61.01%、和51.25%。

2.2 湖泊系統(tǒng)的形狀特征變化

通過分維數(shù)來分析武漢中心城區(qū)湖泊系統(tǒng)的形狀特征(圖3),一般來說,分維數(shù)值越高表明湖泊形狀越復(fù)雜,反之則表明湖泊的幾何形狀趨于簡單化,景觀生態(tài)安全惡化。整體來看,1995—2015年研究區(qū)湖泊水系分維數(shù)呈現(xiàn)降低趨勢,表明隨著人為干擾程度不斷增加,武漢中心城區(qū)湖泊系統(tǒng)的斑塊自我相似性增強(qiáng),幾何形狀趨于簡化。二十年來分維數(shù)變化最大的是湯遜湖水系,由1995年的最高值1.4041下降至2015年的1.2517,這是由于該區(qū)域是武漢城市空間拓展的重點(diǎn)區(qū)域,大量湖汊隨著城市建成區(qū)擴(kuò)張而被填占,形狀趨于簡化。1995—2005年,為適應(yīng)漁業(yè)的發(fā)展,后湖水系、東湖-沙湖水系和墨水湖-龍陽湖-南(北)太子湖水系被湖泊改造分割成眾多小面積的魚塘,分維數(shù)呈現(xiàn)一定的增長趨勢,形狀趨于復(fù)雜；2005年之后,隨著城市建成區(qū)的不斷擴(kuò)張,這些水系的大量湖泊、魚塘被填占消失,分維數(shù)不斷降低,形狀趨于簡單化,而該時(shí)期位于城市西北方向的北湖水系為適應(yīng)漁業(yè)的大發(fā)展,湖泊被分割成眾多小面積的魚塘,分維數(shù)呈現(xiàn)一定增長。

2.3 湖泊系統(tǒng)的破碎度變化

通過斑塊密度反映湖泊景觀破碎度變化(圖3),斑塊密度值越高,湖泊景觀的破碎度就越大,反之破碎度就越低,湖泊景觀破碎度與湖泊景觀生態(tài)安全呈正向作用。二十年來研究區(qū)湖泊水系斑塊密度總體呈現(xiàn)不斷降低趨勢,表明湖泊破碎化程度不斷降低。1995年斑塊密度格局為湯遜湖水系>后湖水系>墨水湖-龍陽湖-南(北)太子湖水系>北湖水系>東湖-沙湖水系,這與湖泊規(guī)模密切相關(guān),單體湖泊面積小、數(shù)量多的水系斑塊密度越高；反之,斑塊密度越低。在變化幅度上,后湖水系斑塊密度呈現(xiàn)急劇下降的趨勢,由1995年的1.1459急劇降低至2015年的0.2283,這一趨勢與其特殊的空間特征密切相關(guān),其緊鄰中心城區(qū)且是城市北向拓展的重要方向,因而后湖水系小面積湖泊被大量填占,造成斑塊密度的急劇下降。2005年之后,墨水湖-龍陽湖-南(北)太子湖水系和湯遜湖水系受城市拓展的影響,斑塊密度下降幅度較大,而北湖水系斑塊密度下降幅度則較小,是由于該區(qū)域湖泊個(gè)數(shù)較少,且距離中心城區(qū)相對較遠(yuǎn),受城市化影響相對較小,同時(shí)湖泊面積變化也相對較小,故其破碎化程度下降幅度較小。

2.4 湖泊系統(tǒng)的連接度變化

連接度能較好描述湖泊景觀分布特征(圖3),值越大表明湖泊個(gè)體聚集程度越大,空間結(jié)構(gòu)越緊湊,值越小表明聚集程度越低,空間結(jié)構(gòu)越松散。研究期內(nèi),武漢中心城區(qū)湖泊水系的景觀連接度總體呈現(xiàn)不斷增加趨勢,表明湖泊水系空間結(jié)構(gòu)趨于緊湊,湖泊分布聚集趨勢增強(qiáng)。各次級湖泊水系的景觀連接度變化趨勢則呈現(xiàn)分化,東湖-沙湖水系和墨水湖-龍陽湖-南(北)太子湖水系呈先降低后增加趨勢,北湖水系呈先增加后降低趨勢,后湖水系和湯遜湖水系與總體趨勢保持一致。各次級湖泊水系中景觀連接度最高的是東湖-沙湖水系,該水系中東湖規(guī)模較大且占據(jù)主導(dǎo)地位,小面積湖泊很少,湖泊分布呈現(xiàn)集聚狀態(tài),空間結(jié)構(gòu)較為緊湊,故而連接度較高。2005—2015年湯遜湖水系、墨水湖-龍陽湖-南(北)太子湖水系的景觀連接度增加幅度顯著大于前十年,這與武漢城市發(fā)展階段和拓展方向密切相關(guān),2005—2015年上述兩大水系所在區(qū)域是武漢城市發(fā)展重點(diǎn),眾多小面積湖泊因城市建設(shè)填占的速度遠(yuǎn)超過去。

3 景觀生態(tài)安全格局

3.1 總體湖泊系統(tǒng)景觀生態(tài)安全度

根據(jù)前文構(gòu)建的景觀生態(tài)安全評價(jià)模型對研究區(qū)湖泊系統(tǒng)總體景觀生態(tài)安全狀況以及5大次級湖泊水系的景觀生態(tài)安全狀況進(jìn)行評價(jià)(表2)?？傮w來看研究期內(nèi)武漢市中心城區(qū)湖泊系統(tǒng)生態(tài)安全度由1995年的0.336下降至2015年的0.137,呈現(xiàn)不斷下降趨勢且下降幅度較大。這表明武漢中心城區(qū)湖泊生態(tài)安全一定程度上出現(xiàn)惡化情勢,近年來武漢城市建設(shè)的快速發(fā)展對湖泊造成了較為嚴(yán)重的擾動。

表2 1995—2015年武漢中心城區(qū)湖泊系統(tǒng)景觀生態(tài)安全度變化

3.2 湖泊系統(tǒng)景觀生態(tài)安全格局

利用ArcGIS10.0軟件平臺繪制1995—2015年武漢中心城區(qū)湖泊系統(tǒng)景觀生態(tài)安全格局(圖4),為深入理解湖泊系統(tǒng)景觀生態(tài)安全格局演變差異,采用自然斷點(diǎn)法(Natural Breaks)將湖泊系統(tǒng)的景觀生態(tài)安全度劃分為5個(gè)等級：Ⅰ級(00.4)。由于地理位置和空間特征不同,各次級湖泊水系受到城市化不同程度的影響和不同類型人類活動的擾動,景觀生態(tài)安全格局和演化特征呈現(xiàn)較大差異。

圖4 1995、2005和2015年武漢中心城區(qū)湖泊系統(tǒng)生態(tài)安全格局演變Fig.4 Evolution of urban lake system ecological security pattern of Wuhan, 1995—2015

總的來看,在變化趨勢上,后湖水系、墨水湖-龍陽湖-南(北)太子湖水系的景觀生態(tài)安全度在研究期內(nèi)呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢,北湖水系景觀生態(tài)安全度呈現(xiàn)平穩(wěn)上升趨勢,湯遜湖水系景觀生態(tài)安全度先略有增加后下降,東湖-沙湖水系景觀生態(tài)安全先略有下降后有較大幅度提升。在空間格局上,東湖-沙湖水系和湯遜湖水系景觀生態(tài)安全度相對較高；其次是北湖水系、墨水湖-龍陽湖-南(北)太子湖水系和后湖水系。在空間格局演變方面,湯遜湖水系和后湖水系比較穩(wěn)定,湯遜湖水系湖泊景觀生態(tài)安全度處于比較安全地位,而后湖水系景觀生態(tài)安全一直處于Ⅰ級；墨水湖-龍陽湖-南(北)太子湖水系景觀生態(tài)安全度由Ⅱ級降為Ⅰ級；東湖-沙湖水系和北湖水系景觀生態(tài)安全不斷強(qiáng)化,分別由Ⅳ級上升為Ⅴ級、Ⅱ級上升為Ⅲ級。此外,還具有如下特點(diǎn)：

(1)湖泊景觀生態(tài)安全度與湖泊規(guī)模呈正相關(guān),湖泊規(guī)模越大,景觀生態(tài)優(yōu)勢度越大,生態(tài)系統(tǒng)就越穩(wěn)定,景觀生態(tài)安全度也就越高；面積越小的湖泊越容易被侵占或自然萎縮,相應(yīng)區(qū)域的景觀生態(tài)安全度下降就會越快。東湖-沙湖水系和湯遜湖水系的湖泊規(guī)模較大,湖泊面積合計(jì)約占武漢中心城區(qū)水系湖泊總面積的60%,因此景觀生態(tài)安全度較高,而以小規(guī)模湖泊為主的后湖水系,湖泊消失和萎縮的速度較快,景觀生態(tài)安全度一直處于較低水平。

(2)湖泊景觀生態(tài)安全與湖泊空間位置強(qiáng)相關(guān),湖泊距離城市中心越近越容易受到人類活動的干擾,湖泊生態(tài)系統(tǒng)越不穩(wěn)定,景觀生態(tài)安全度也就越低。后湖水系臨近城市中心且是城市擴(kuò)展的重要區(qū)域,近年隨著武漢城市化的推進(jìn),湖泊數(shù)量不斷減少,面積萎縮嚴(yán)重；生態(tài)安全度不斷下降；北湖水系距離城市中心相對較遠(yuǎn)且不是城市擴(kuò)展的重點(diǎn)方向,受到的干擾程度也相對較小,斑塊破碎度、面積變化幅度較小,因而景觀生態(tài)安全度相對較高,甚至呈現(xiàn)平穩(wěn)上升趨勢。

(3)湖泊景觀生態(tài)安全還與城市發(fā)展階段密切相關(guān),城市發(fā)展不同階段居民生活水平、生態(tài)資源需求、生態(tài)工程技術(shù)以及生態(tài)價(jià)值觀都會影響到人類活動對湖泊系統(tǒng)的利用和影響強(qiáng)度,從而影響湖泊生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和生態(tài)安全,湖泊景觀生態(tài)安全惡化隨城市發(fā)展向外擴(kuò)張呈現(xiàn)出擴(kuò)散趨勢。

3.3 驅(qū)動因素分析

(1)城市建成區(qū)的擴(kuò)張。近年來武漢正處于快速城市化階段,城市建設(shè)以外拓和填充兩種方式同時(shí)推進(jìn),2007—2014年城市建成區(qū)面積由450.77 km2增至552.61 km2[28-29],建成區(qū)擴(kuò)張非常迅速。湖泊作為武漢中心城區(qū)最重要的景觀元素之一不斷遭受到侵占,主要侵占主體包括交通基礎(chǔ)設(shè)施用途、居住用途、工業(yè)用途、商業(yè)用途和公共設(shè)施用途等社會經(jīng)濟(jì)事業(yè)的建設(shè)用地,湖泊生態(tài)安全趨于惡化。據(jù)武漢市國土規(guī)劃局的數(shù)據(jù)顯示,2002—2013年,武漢城市湖泊面積減少約666.67 hm2,其中合法審批手續(xù)填占的約占53.3%。城市建成區(qū)擴(kuò)張是影響湖泊系統(tǒng)景觀生態(tài)安全格局的直接驅(qū)動因素,對湖泊景觀生態(tài)安全產(chǎn)生負(fù)向的影響。

(2)湖泊利用方式的演化。在城市發(fā)展不同階段,居民生活水平、生態(tài)資源需求、生態(tài)工程技術(shù)以及生態(tài)價(jià)值觀存在差異,對生態(tài)環(huán)境要素的認(rèn)識、態(tài)度、利用方式也是不斷變化的。武漢有著豐富的湖泊濕地資源,新中國成立之后,湖泊更多被視為重要的生產(chǎn)資源,水產(chǎn)養(yǎng)殖和漁業(yè)捕撈是湖泊利用的主要方式。20世紀(jì)末以來,隨著武漢城市化快速推進(jìn)和人口持續(xù)增長,城市不斷向外擴(kuò)展,大量湖泊被填占,轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼗蚴墙ㄔO(shè)用地,1995—2010年湖泊水域轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地和耕地面積分別為16.73 km2和6.44 km2[30]。湖泊利用方式演化是影響湖泊系統(tǒng)景觀生態(tài)安全格局的根本驅(qū)動因素,對湖泊景觀生態(tài)安全產(chǎn)生負(fù)向的影響。

圖5 1995—2015年武漢市戶籍人口和城鎮(zhèn)房地產(chǎn)開發(fā)投資增長 Fig.5 Population and real estate development of Wuhan, 1995—2015由于武漢市統(tǒng)計(jì)年鑒并未統(tǒng)計(jì)2009年之前武漢年末常住人口數(shù)據(jù),為了數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性,圖中人口數(shù)據(jù)采用的是城市戶籍人口數(shù)據(jù)

(3)房地產(chǎn)事業(yè)的大開發(fā)。1995—2015年,武漢正處于快速城市化階段,城市戶籍人口由710.01萬人增長至829.27萬人(圖5),2015年末城市常住人口突破1000萬人[31]。隨著武漢市經(jīng)濟(jì)和人口快速增長,居民住房需求也快速增加,房地產(chǎn)業(yè)市場繁榮發(fā)展,用地需求不斷增大,而城市可利用土地有限,因此圍湖造田成為重要的用地來源,加之湖泊周邊生態(tài)環(huán)境等區(qū)位優(yōu)勢明顯,在利益驅(qū)動下,房地產(chǎn)商也實(shí)施了大規(guī)模的占湖填湖行為。房地產(chǎn)業(yè)開發(fā)是影響湖泊系統(tǒng)景觀生態(tài)安全格局的關(guān)鍵驅(qū)動因素,對湖泊景觀生態(tài)安全產(chǎn)生負(fù)向的影響。

(4)市民環(huán)境意識的提高。隨著社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展以及生活水平提高,人們對居住環(huán)境的要求也越來越高。居民(以居住在湖泊周邊的為主體)自發(fā)開展抵制非法填占湖泊的抗?fàn)幓顒?興起了“愛我百湖志愿協(xié)會”等一批湖泊保護(hù)民間團(tuán)體,一定程度上發(fā)揮著重要的監(jiān)督作用,引起政府部門關(guān)注的同時(shí)促使他們加大處理力度。市民環(huán)境意識提高是影響湖泊系統(tǒng)景觀生態(tài)安全格局的重要驅(qū)動因素,對湖泊景觀生態(tài)安全產(chǎn)生正向的影響。

4 結(jié)論

本文基于景觀生態(tài)學(xué)理論,利用遙感數(shù)據(jù)、景觀指數(shù)和GIS空間分析方法,計(jì)算景觀指數(shù),以探討1995—2015年間武漢中心城區(qū)湖泊系統(tǒng)景觀格局的演變特征,進(jìn)而在充分考慮湖泊系統(tǒng)特征的基礎(chǔ)上構(gòu)建湖泊景觀生態(tài)安全評價(jià)模型,分析城市快速發(fā)展下武漢中心城區(qū)湖泊系統(tǒng)景觀生態(tài)安全格局及演變特征,并對其驅(qū)動因素進(jìn)行了分析,得到主要結(jié)論如下：

(1)隨著武漢城市化進(jìn)程的快速推進(jìn),近年來武漢中心城區(qū)湖泊受到較大程度的擾動。湖泊系統(tǒng)面積總體上呈現(xiàn)出不斷萎縮的趨勢,湖泊斑塊數(shù)量不斷減少。次級湖泊水系的斑塊面積和數(shù)量變化呈現(xiàn)分化特征,湯遜湖水系湖泊面積萎縮量最大,后湖水系湖泊斑塊減少數(shù)量和幅度均為最大。

(2)武漢中心城區(qū)湖泊系統(tǒng)的斑塊密度、分維數(shù)均呈現(xiàn)出不斷降低的趨勢,與此同時(shí),研究區(qū)湖泊系統(tǒng)的連接度呈現(xiàn)出不斷增加的趨勢,表明湖泊水系空間結(jié)構(gòu)趨于緊湊,湖泊分布聚集趨勢不斷增強(qiáng),這是湖泊系統(tǒng)中遠(yuǎn)離大型湖泊的小面積湖泊水體大量消失,城市快速擴(kuò)張優(yōu)先侵占小面積湖泊的結(jié)果。

(3)研究期武漢中心城區(qū)湖泊系統(tǒng)景觀生態(tài)安全度總體呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢,由于地理位置和空間特征不同,各次級湖泊水系受到城市化的影響程度不同、受到人類活動的擾動方式也不同,湖泊系統(tǒng)景觀生態(tài)安全格局和演化特征均呈現(xiàn)較大差異,湖泊景觀生態(tài)安全與湖泊規(guī)模、空間位置和城市發(fā)展階段密切相關(guān)。城市建成區(qū)的擴(kuò)張、湖泊利用方式的演變及房地產(chǎn)事業(yè)的大發(fā)展對湖泊景觀生態(tài)安全產(chǎn)生負(fù)向的影響,市民環(huán)境意識的提高對湖泊景觀生態(tài)安全產(chǎn)生正向的影響。

綜上所述,湖泊系統(tǒng)景觀生態(tài)安全惡化呈現(xiàn)隨城市發(fā)展而向外擴(kuò)散的趨勢,湖泊景觀生態(tài)安全的惡化會導(dǎo)致湖泊凈化水質(zhì)及調(diào)蓄洪水等生態(tài)功能的削弱、生物數(shù)量的減少等生態(tài)問題。此外,小面積湖泊生態(tài)要素是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,發(fā)揮著提供水源、調(diào)蓄洪水、調(diào)節(jié)區(qū)域氣候等生態(tài)功能,對城市生態(tài)安全和人居環(huán)境改善起著關(guān)鍵作用,但確未能得到城市規(guī)劃建設(shè)及湖泊管理部門足夠的重視。未來武漢城市規(guī)劃建設(shè)與湖泊管理相關(guān)部門應(yīng)注意到以上趨勢及問題,發(fā)揮民眾的監(jiān)督作用,制定更為合理的湖泊生態(tài)管理策略,優(yōu)化武漢城市湖泊系統(tǒng)景觀生態(tài)安全格局,以更好地支撐城市可持續(xù)發(fā)展；未來學(xué)者們可以從城市規(guī)劃、城市布局、街區(qū)人口等社會經(jīng)濟(jì)因素進(jìn)一步探討湖泊景觀生態(tài)安全變化的驅(qū)動機(jī)制,以深化湖泊景觀生態(tài)安全的研究。