馮 艷，郭 悅，王冬夢，許子賢，孔德政

(河南農業(yè)大學 風景園林與藝術學院，河南 鄭州 450000)

0 引言

景觀格局是景觀生態(tài)學研究的重要內容[1-2]，伴隨著城市化的快速發(fā)展和城市的不斷擴張，城市景觀格局變化尤為明顯，景觀格局的變化對生物多樣性和城市生態(tài)等產生了巨大影響[3-4]。城市生態(tài)空間是為城市提供生態(tài)系統(tǒng)服務、保障城市生態(tài)安全、提升居民生活質量不可或缺的城市空間[5]。目前國內對生態(tài)空間的概念尚未統(tǒng)一，不同領域的專家學者基于各自的立場對此作出了解釋[6-7]。本文基于人類的參與程度和生態(tài)系統(tǒng)服務功能，將生態(tài)空間定義為能夠維持生態(tài)安全、保障生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定提供生態(tài)服務的用地空間，包括林地、草地、耕地、水域等土地利用類型。

近年來，將景觀格局理論引入生態(tài)空間研究領域，探究土地利用演變過程的研究日益增多。目前，學者們較為關注景觀格局動態(tài)變化[8-9]、景觀格局變化的生態(tài)環(huán)境等效益[10]、景觀格局變化的驅動因素[11-12]等，研究方法多采用景觀格局指數(shù)法[13-14]、景觀動態(tài)變化模型法[15]和土地利用轉移矩陣[16]等。此外，相關學者對省域[17-18]、城市[19-20]的景觀格局時空變化及驅動力分析較多，但是針對其變化產生影響的相關研究還相對較少。以往研究成果為景觀格局的生態(tài)影響深入研究奠定了堅實的科研基礎。

黃河是鄭州城市北部最重要的天然生態(tài)屏障[21]，然而，在過去20年中，鄭州城市快速擴張，建設空間直逼黃河南岸，生態(tài)安全下的城市高質量發(fā)展問題亟待解決。目前鄭州市景觀格局方面的研究還較少，且主要集中在市域層面[22-23]，缺少對黃河生態(tài)空間的研究。為此，本文以鄭州黃河南岸6個區(qū)(縣)為研究區(qū)域，基于1997、2009、2019年3期衛(wèi)星遙感影像，對地表土地類型進行提取、歸并，利用景觀格局指數(shù)等方法分析研究區(qū)域景觀格局動態(tài)演變，在此基礎上分析了景觀格局的變化對黃河南岸生態(tài)空間擠占的影響，以期為研究區(qū)以及鄭州市與黃河高質量發(fā)展路徑的實施提供參考。

1 研究區(qū)域、數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

鄭州沿黃河區(qū)域自西向東包括：鞏義市、滎陽市、上街區(qū)、惠濟區(qū)、金水區(qū)和中牟縣(圖1)。位于東經129°08′33.7″～129°08′50.3″，北緯35°14′56.6″～35°09′13.0″之間,土地總面積約3868.47 km2。在該段范圍內黃河河床寬淺，沙洲密布，河勢變化頻繁，是典型的游蕩性河段。河道沖淤變化劇烈，屬于地上懸河段。研究區(qū)域位于黃河中下游交界處，緊鄰黃河南岸，是鄭州市北部重要的生態(tài)空間，承擔了鄭州市對黃河流域生態(tài)治理的重任。同時，研究區(qū)域開發(fā)強度高，人為干擾大，各區(qū)(縣)城鎮(zhèn)化發(fā)展不均衡，城市擴張對黃河南岸生態(tài)空間影響程度差別較大。

圖1 研究區(qū)地理位置

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究的基礎數(shù)據(jù)為1997、2009和2019年鄭州市的土地利用/覆被類型柵格數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m，數(shù)據(jù)來源于中國地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)。該數(shù)據(jù)集是基于1997年Landsat4-5、2009年Landsat-7ETM SLC-off和2019年的Landsat-8 OLI_TIRS遙感影像解譯得到，在ENVI 5.3遙感圖像處理軟件中進行波段提取、大氣校正、裁剪等預處理。為保證研究區(qū)土地利用類型解譯精度，采用人機交互目視解譯法，同時以高德地圖、Google Earth等影像數(shù)據(jù)為參照，重要地塊結合實地考察，將1997、2009和2019年3期鄭州市沿黃河6區(qū)(縣)土地利用分為耕地、林地、草地、水域、建設用地及未利用地6大類。參考相關研究成果，選取草地、耕地、林地和水體為生態(tài)用地，未利用地、建設用地為非生態(tài)用地(圖2)。結合2020年黃河流域河南段、鄭州市等相關上位規(guī)劃指導思想，提取黃河南岸5000 m內生態(tài)數(shù)據(jù)，分析在城市擴張過程中，該區(qū)域生態(tài)空間受影響程度。

圖2 不同時期研究區(qū)景觀類型

1.3 研究方法

1.3.1 景觀格局指數(shù)的選取 景觀指數(shù)是高度濃縮景觀格局信息的定量指標，反映了景觀結構特征和空間格局變化。本研究選取了景觀水平和景觀類別2個層次的指標用來分析研究區(qū)景觀格局的變化特征(表1)[24]。景觀水平指數(shù)的選擇中，斑塊密度(PD)、邊緣密度(ED)、平均斑塊面積(AREA-MN)和面積加權形狀指數(shù)(SHAPE-AM)作為景觀水平破碎化程度的指標，聚合度指數(shù)(AI)、散步并列指數(shù)(IJI)和結合度指數(shù)(COHESION)作為景觀水平連通性的指標；景觀類別指數(shù)選用斑塊密度(PD)和斑塊結合度(COHESION)，重點分析生態(tài)用地類型，即草地、耕地、林地和水體的景觀類別層次的景觀格局指數(shù)變化。相關計算借助Fragstats 4.2軟件完成。

表1 景觀格局指數(shù)定義及描述

1.3.2 景觀轉移矩陣 景觀轉移矩陣能夠全面反映景觀類型數(shù)量和方向等變化的細節(jié)結構特征[25-26]，可以進一步分析鄭州沿黃河南岸6個行政區(qū)(縣)某種景觀類型的轉入、轉出以及景觀類型時空演變過程與機制。景觀轉移矩陣通過在ArcGIS中對3期景觀類型圖兩兩間進行疊加相交分析，得到輸出結果圖層中各景觀類型的面積。通過導出屬性表，在Excel中運用數(shù)據(jù)透視表功能制作出景觀類型變化轉移矩陣。其計算公式為：

式中：P表示某種景觀類型的面積；Pii是指時段內該景觀類型保持不變的面積；Pij指時段內由i種景觀類型轉化為j種景觀類型的面積；n為景觀類型的種類。

2 研究結果與分析

2.1 景觀變化特征分析

2.1.1 景觀總體變化特征分析 根據(jù)研究區(qū)1997～2019年3期土地利用遙感解譯數(shù)據(jù)，得到研究區(qū)景觀總體變化特征(表2)，自1997年以來，研究區(qū)各景觀類型的數(shù)量和結構都發(fā)生了不同程度的變化。從數(shù)量上來看，受城鎮(zhèn)化和自然生態(tài)環(huán)境因素的影響，景觀類型變化最大的是建設用地、耕地和未利用地。建設用地的面積逐年增大，其面積從1997年的207.81 km2到2009年的841.58 km2，增加了3.05倍，又從2009年的841.58 km2到2019年的1103.41 km2，增加了261.83 km2，建設用地的持續(xù)增加，除了人口增加的原因外，還與政府規(guī)劃、土地開發(fā)、市場調節(jié)等社會經濟有關，快速擴張在一定程度上導致出現(xiàn)了城市“虛胖”的現(xiàn)象。此外，建設用地的變化體現(xiàn)了城市擴張的2個階段，1997～2009年，建設用地呈現(xiàn)爆發(fā)式擴張狀態(tài)，2009～2019年，建設用地在原有基礎上有序地向外擴展。與之相反，耕地面積逐年遞減，1997年耕地面積為1903.66 km2，在所有用地類型中面積數(shù)量最大，2009年耕地面積下降了375.16 km2，到2019年，耕地面積再次下降了700.69 km2，近20年中，耕地面積總體下降了1075.85 km2，且在2009～2019年間其面積驟減。耕地面積的不斷減少是由于工業(yè)化的快速發(fā)展、產業(yè)結構的調整和鄭州市2002年以來退耕還草工程實施的結果。未利用地從1997年的1155.58 km2到2009年的84.33 km2，驟減了1071.25 km2，而從2009～2019年，其面積增加了483.62 km2，未利用地的面積變化體現(xiàn)了研究區(qū)的環(huán)境特殊性。除了緊鄰黃河地區(qū)因水位變化導致的未利用地變化以及其他氣候因素環(huán)境因素外，主要原因是對土地資源利用不當導致的生態(tài)環(huán)境的退化?？傮w來看，1997～1999年景觀變化強度高于2009～2019年，體現(xiàn)了城市從無序蔓延到有序擴張的狀態(tài)。

表2 1997～2019年研究區(qū)各景觀類型面積變化

從結構上來看，1997～2019年研究區(qū)最為突出的變化是各景觀類型結構趨于均衡。1997年面積占比最多的是耕地和未利用地，分別達到49.2%和29.87%，景觀結構單一，體現(xiàn)了當時研究區(qū)內尚未進入城鎮(zhèn)化的狀態(tài)。2009年景觀結構突出表現(xiàn)為耕地和未利用地的減少以及建設用地和草地的大幅增加，此時耕地、草地和建設用地占比分別為39.51%、29.43%和21.75%。2019年，景觀面積比例位于前3的分別是建設用地、草地和耕地，其次，未利用地面積比例顯著上升，整體結構上體現(xiàn)了城鎮(zhèn)化的典型特征?？傮w來看，1997～2019年，耕地的大幅減少和建設用地、草地的大幅增加體現(xiàn)了鄭州市向北擴張的城市發(fā)展態(tài)勢，林地結構相對穩(wěn)定且稍有增加，而未利用地和水體的結構占比從減少到增加是研究本區(qū)域黃河水域環(huán)境演變和城市擴張的關注點之一。

2.1.2 景觀類型轉移特征分析 通過景觀類型轉移特征(表3)和相關資料查閱分析得出：1997～2009年間，研究區(qū)內變化最大的是耕地，轉出面積為922.98 km2，主要轉出為草地和建設用地，分別占總轉出面積的57.95%和33.74%。變化規(guī)模居于第二位的是未利用地，在這期間，未利用土地得到了開發(fā)，主要轉出為草地、耕地和建設用地，轉出面積分別為413.04、334.85和315.2 km2。草地的主要轉移方向為耕地，主要分布在少量村莊建成區(qū)周邊；而轉換為草地的耕地和未利用地的面積分別是534.85和413.04 km2，其數(shù)量是草地轉為耕地數(shù)量的3～5倍。建設用地轉入的主要來源是未利用地和耕地，兩者向其總轉入面積為626.64 km2，占建設用地增加總面積的90.64%；這一時期建設用地向其他類型用地轉出甚少。此外，水體面積明顯減少，除了向建設用地和草地的少量轉出，另一方面受自然環(huán)境影響較大，2009年黃河流域遭遇了特大干旱，河南更是遭遇了50年來罕見的秋冬連旱，天氣干燥、降水稀少進一步導致地表水枯竭，是水體大規(guī)模減少的自然因素。林地規(guī)模相對穩(wěn)定，主要集中在西南山地?？傮w來看，1997～2009年，研究區(qū)內鄭州城市化的發(fā)展向北蔓延，占用了大量的農田和未利用地，沿黃河生態(tài)空間受到擠占。另一方面，受退耕還林、退耕還濕等政策的影響，一部分耕地轉換為林地、草地和水體，這對生態(tài)環(huán)境起到了一定的積極作用，但會減弱生態(tài)服務對糧食供給的貢獻。

表3 1997、2009和2019年研究區(qū)景觀轉移矩陣 km2

2009～2019年間，研究區(qū)內變化規(guī)模最大的仍是耕地，其次是建設用地。耕地主要流向建設用地和草地，分別為319.66和499.68 km2，占耕地總轉出量的77.59%，另外有178.56 km2的耕地轉變?yōu)槲蠢玫?。轉入到耕地的景觀類型主要是草地，面積為268.74 km2，主要體現(xiàn)在村莊建成區(qū)周邊，中牟縣尤其明顯。這一時期，建設用地的轉入比例仍呈現(xiàn)極高的狀態(tài)，耕地和草地分別向建設用地轉入319.66和238.41 km2，表明這段時期由于研究區(qū)域經濟發(fā)展的需要，開展了大規(guī)模的城鎮(zhèn)建設；此外，建設用地向未利用地和草地分別轉出152.6和107.02 km2，主要體現(xiàn)在政府對村莊的拆、遷、合并,以及城市內部綠地的增加。未利用地有較大幅度增加，主要來源于草地、耕地和建設用地，變化主要在鞏義市內村鎮(zhèn)建成區(qū)周邊和緊臨黃河一帶。草地的面積與之前相比呈減少的趨勢，主要流向建設用地和耕地，分別為238.41和268.74 km2。總體來看，2009～2019年，研究區(qū)內鄭州城市化的發(fā)展向北擴張呈集中連片狀態(tài)，其中惠濟區(qū)和金水區(qū)建設用地的擴張最為突出，擠占了大面積的生態(tài)空間，但緊臨黃河南岸無序蔓延的村莊建設用地得到整合，轉為生態(tài)用地，則體現(xiàn)了城市發(fā)展中生態(tài)思維的轉變。另一方面，未利用地的增加體現(xiàn)了村莊農耕性質向城中村的轉變，水體的增加是人為和環(huán)境因素共同的結果，人為因素主要為城區(qū)內河湖水系的增加及黃河灘區(qū)的治理，環(huán)境因素主要為降水、氣候等對黃河的影響。

綜合1997～2019年景觀類型的變化，研究區(qū)內轉換規(guī)模位于前4位的是耕地轉為建設用地、耕地轉為草地、未利用地轉為草地和未利用地轉為建設用地。建設用地是景觀類型的主要轉出對象，建設用地的擴張使黃河南岸生態(tài)空間從大而連通變?yōu)樾《扑?；而耕地一方面受到城市擴張對空間的侵占，另一方面由于一大部分耕地轉為草地，為生態(tài)環(huán)境建設起到了一定的支撐作用。未利用地向草地和建設用地的轉出體現(xiàn)了城市發(fā)展中生產空間和生態(tài)空間共同發(fā)展的一面。林地主要分布于西南部山地，景觀格局相對穩(wěn)定。水體的減少，受環(huán)境影響主要體現(xiàn)為向未利用地和建設用地的轉化。

2.2 景觀格局變化分析

2.2.1 景觀水平格局變化特征 景觀水平上的格局指數(shù)分析，有利于更好地分析研究區(qū)整體景觀格局變化特征。從表4可知，1997～2019年研究區(qū)景觀格局發(fā)生顯著變化，PD和ED在1997年時均為較低值，說明此時斑塊還具有較高的完整性，之后呈現(xiàn)出增長趨勢，加之AREA-MN不斷減少，說明22年來研究區(qū)大而完整的斑塊被分割成小斑塊，主要是耕地不斷被建設用地分割，導致農田基質不斷退化，也使得景觀格局破碎化態(tài)勢愈加嚴重。SHAPE-AM的下降，說明研究區(qū)內的斑塊形狀受人為干擾不斷加大，趨向于人工景觀特征。此外，與1997～2009年相比，2009～2019年破碎化過程相對緩慢并且得到控制，但破碎化程度依然存在。以上情況表明當前城市發(fā)展速度仍然過快，經濟發(fā)展與生態(tài)發(fā)展不協(xié)調，會影響城市的可持續(xù)發(fā)展和生物多樣性的保護，應高度重視。

表4 1997、2009和2019年研究區(qū)景觀水平景觀指數(shù)

AI側重于表現(xiàn)研究區(qū)景觀層面斑塊分散程度，IJI側重從斑塊邊界出發(fā)，通過斑塊邊界的相互鄰接來表現(xiàn)斑塊的集聚特征，COHESION表征在特定的距離內某一斑塊的物理連通性。分析表4可知，1997～2009年AI、IJI和COHESION均呈減少趨勢，表明該段時間內景觀格局變化主要表現(xiàn)為研究區(qū)景觀空間分布不集中，結合度較低，景觀斑塊與多種其他斑塊鄰接度降低，景觀格局變得雜亂破碎。在2009～2019年間AI和IJI呈上升趨勢，COHESION呈減少趨勢，表明對環(huán)境的治理和保護取得了一定成效，斑塊聚集度和臨近度提高，但斑塊之間的連通性仍需改善。

2.2.2 生態(tài)用地景觀類別變化特征及影響 由圖3可知，在類型水平上，研究區(qū)生態(tài)用地的景觀指數(shù)呈現(xiàn)不同的變化趨勢。1997～2019年，草地、林地的PD值均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，表明景觀在1997～2009年間受人為干擾程度較深，斑塊被不斷分割，破碎化程度加強。2009～2019年呈減小趨勢，說明這期間我國生態(tài)文明建設取得了一定成效，破碎化程度有所改善。水體的PD值呈現(xiàn)先減少后增大的趨勢，主要是由于面積減少帶來的破碎化程度減弱。2009～2019年面積增加，破碎化程度隨之提高。耕地的面積雖在逐漸減少，但PD值持續(xù)上升，表明這期間耕地不斷受到其他景觀的分割，破碎化程度最為嚴重。

圖3 生態(tài)用地景觀類別層次特征變化

從COHESION指數(shù)可以看出，草地的COHESION值呈先增多后減少的趨勢，與PD值變化一致。林地COHESION值持續(xù)增加主要是由于鄭州市沿黃河生態(tài)廊道及防護林的建設。耕地COHESION值的不斷下降，表明隨著耕地破碎化程度的加深，連通性隨之逐漸減弱。水體COHESION值的變化與PD值一致，隨著面積的減少，破碎化程度降低，連通性降低。

2.3 景觀變化對黃河生態(tài)空間影響分析

人口增加、政策支撐[27-28]以及經濟社會發(fā)展是建設用地快速增長的主要原因，根據(jù)鄭州市統(tǒng)計局年度統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2001年研究區(qū)范圍內人口總數(shù)為307.3萬人，到2019年已經達到384.5萬人。建設用地的增長從中心城區(qū)逐漸向外侵占其他用地。依據(jù)《黃河干流(河南段)國土空間概念性規(guī)劃(2020)》(圖4)，本文將2019年鄭州市域黃河南岸大堤外5000 m范圍內作為本次研究的沿黃河生態(tài)空間，該區(qū)域是維護鄭州市北部生態(tài)安全的重要屏障，也是本文研究區(qū)內的核心生態(tài)用地(圖5)。其區(qū)域內建設用地從1997年的16.26 km2增長到2019年的118.78 km2，城市的大規(guī)模擴張導致生態(tài)空間被大量侵占，生境出現(xiàn)嚴重的破碎，東西向景觀連通功能被破壞，系統(tǒng)生態(tài)流無法正常發(fā)揮作用，據(jù)環(huán)境、氣象、水文等資料統(tǒng)計沙塵、霧霾、水污染和糧食安全等已經威脅到城市的可持續(xù)發(fā)展[29-30]。

圖4 黃河南岸5000 m范圍內建設用地變化

圖5 黃河南岸5000 m范圍內生態(tài)用地

由表5可以看出，1997～2019年間，該區(qū)域耕地面積幾乎減少了一半，斑塊之間連通性降低，同時糧食供給也會受到影響。水體面積的變化不大，連通性較低。林地面積在2009年有了小幅度的提升，但2009～2019年間減少較多，僅剩下零星的小型林地斑塊。分階段看，該區(qū)域內生態(tài)空間被擠占主要發(fā)生在2009～2019這10年間，從2009年的556.76 km2下降到2019年的460.01 km2。此外，黃河灘區(qū)生境條件差，植被生長環(huán)境惡劣，特殊的地質土壤導致生態(tài)退化嚴重，部分草地、林地退化。

表5 黃河南岸5000 m范圍內生態(tài)用地面積變化 km2

多年來，因缺少有序開發(fā)和有效治理，沿黃河生態(tài)區(qū)域范圍內一直存在私改農田、粗放養(yǎng)殖、開礦采砂等行為，自然景觀被不斷取代、分割，進而導致區(qū)域斑塊破碎化嚴重，生境質量和景觀連通性的破壞不僅影響了城市外圍自然生態(tài)系統(tǒng)維育，同時，城市生態(tài)屏障的缺失極大地減弱了城市內部抵御自然災害的能力。

3 結論

本文以研究區(qū)景觀格局演變?yōu)橹?，利用Fragstats 4.2、ENVI 5.1、ArcGIS 10.2軟件，對鄭州市沿黃河6個區(qū)(縣)進行研究，得出以下結論。

(1)研究區(qū)景觀格局特征變化明顯，在地類上主要表現(xiàn)為建設用地的持續(xù)增加和耕地的持續(xù)減少。林地變化幅度不大。草地表現(xiàn)為先增加，之后又小幅度減少總體呈增加的趨勢。水體和未利用地則先減少后增多。整體景觀類型結構趨于均衡。此外，研究區(qū)內各類景觀用地類型都進行了不同程度的相互轉化，主要為各類用地向建設用地的轉化。說明在城市化發(fā)展過程中，通過不斷開發(fā)耕地、未利用地等生態(tài)用地從而轉化為建設用地。

(2)鄭州市景觀格局的發(fā)展演變體現(xiàn)了城市擴張期間不同階段的特點。1997～2009年研究區(qū)建設用地的擴張呈現(xiàn)爆發(fā)式無序的狀態(tài)。2009～2019年政府對生態(tài)建設的關注增加，研究區(qū)建設用地在原有基礎上有序地向外擴展，生態(tài)空間狀況也得到了改善。

(3)景觀格局指數(shù)分析結果顯示，1997～2019年研究區(qū)PD和ED都呈現(xiàn)了持續(xù)增加的變化趨勢，而AREA-MN和SHAPE-AM呈現(xiàn)了持續(xù)減少的趨勢。說明研究區(qū)域斑塊破碎化程度高，AI、IJI和COHESION的變化趨勢說明景觀空間分布不集中，連通性較差。在類型水平上，耕地破碎化程度不斷加深且連通性持續(xù)下降，林地的連通性得到了改善和提升。

(4)建設用地的大幅度擴張，造成生態(tài)空間被侵占，黃河南岸5000 m范圍內生態(tài)用地的變化，表明中心城區(qū)的蔓延擴張正日益威脅著城市北部的生態(tài)屏障，加之該區(qū)域原有的生態(tài)脆弱性導致生態(tài)退化嚴重，鄭州市北部區(qū)域的生態(tài)安全已受到極大威脅。

(5)生態(tài)文明建設和高質量發(fā)展背景下，鄭州市北部的發(fā)展需從景觀連通性、生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務3個方面出發(fā)，通過修補沿黃河生態(tài)網(wǎng)絡，構建完整的生態(tài)屏障以實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。