林晉大 鄒自力

（東華理工大學測繪工程學院 江西南昌 330013）

城市的高速擴張與人類密集的經(jīng)濟活動不斷蠶食著區(qū)域內(nèi)的自然生態(tài)景觀，對區(qū)域內(nèi)不同景觀之間的有效連接產(chǎn)生了影響[1]，景觀破碎化程度不斷加劇。景觀連接度能有效地度量城市的生態(tài)調(diào)控能力，判斷區(qū)域間各景觀對于生態(tài)流的促進或阻礙程度，景觀的有效連接對于維持區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，生物多樣性的保護具有重要意義[2-3]，而耕地連通性對于規(guī)模生產(chǎn)，糧食安全有著密切的關(guān)系[4]。因此，研究建設(shè)用地的景觀破碎度與耕地景觀連接度之間的動態(tài)演變過程及耦合關(guān)系能為城市生態(tài)保護、合理規(guī)劃土地利用、實現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展提供重要依據(jù)。

過去對于城市景觀格局的研究側(cè)重于分析城市本身的格局變化，對于城市擴張對其周邊自然生態(tài)景觀的互相影響關(guān)系分析較少。建設(shè)用地的擴張蠶食著區(qū)域內(nèi)的其他景觀，對于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的連接起到了一定的阻礙作用，不利于物種間的物質(zhì)、能量、信息流動[5]。城市快速擴張造成的景觀破碎程度可以通過城市破碎指數(shù)（UFI）進行評估[6-7]，該指數(shù)能夠在景觀單元尺度上反映人類活動對于景觀格局的影響程度。

景觀連接度理論于1984 年由Merriam 引入景觀生態(tài)學中[8]，之后國內(nèi)外學者從不同的角度開展了廣泛的研究，如孔俞堅基于景觀連接度構(gòu)建了北京市景觀生態(tài)安全格局[9]，孔繁花等人基于結(jié)構(gòu)連接度構(gòu)建了巴中西部新城的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)[10]；劉世梁等人將景觀連接度引入土地整理中對貴州省道真縣土地整理項目的生態(tài)效應(yīng)進行了定量評價[11]；張宇等人從功能連接度出發(fā)運用景觀指數(shù)對滇金絲猴棲息地景觀連通性進行研究[12]。

1 研究地區(qū)與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

南昌市位于江西省中部偏北，與鄱陽湖西南岸相接，全境內(nèi)以平原為主要地形，占南昌市總面積的35.8%。全市雨水較豐富，光照時間充足，為作物的生長提供了有利條件。南昌市植被覆蓋率為42.96%。南昌市水文良好，湖泊眾多，具有“西山東水”的地勢。

1.2 研究數(shù)據(jù)來源

本研究主要采用南昌市2000 年、2005 年、2010年、2015 年四期土地利用數(shù)據(jù)，并依據(jù)研究目的參照土地利用分類方法，將土地利用類型劃分為建設(shè)用地、草地、耕地、林地、其他及水域。

2 研究思路與方法

2.1 城市破碎度指數(shù)(UFI)

城市破碎度指數(shù)（UFI）可以從速度和形態(tài)兩方面反映城市擴張對于景觀格局的改變，根據(jù)Romano和Zullo[13]，UFI 遵循以下等式：

式中，Si 為第i 個區(qū)域建設(shè)用地面積（m2）；Pi為第i個區(qū)域建設(shè)用地的周長（m）；A 為區(qū)域總面積（m2）。公式中的第一項表征了城市土地利用率；第二項表示城市邊界地區(qū)與等效圓的周長之比。將此公式用于定量評價建設(shè)用地所造成的景觀破碎程度，值越大表明破碎程度越高。

為更直觀地體現(xiàn)景觀的動態(tài)變化，計算第n 年到第m 年的的變化率，根據(jù)以下公式：

本文研究利用ArcGIS 軟件創(chuàng)建4km×4km 的漁網(wǎng)網(wǎng)格，計算包括景觀整體以及每個網(wǎng)格中的值，評價不同時期建設(shè)用地的景觀破碎度差異及變化規(guī)律。

2.2 形態(tài)學空間格局分析(MSPA)

MSPA 可以識別目標像元集和結(jié)構(gòu)要素之間的空間拓撲關(guān)系，將目標像元集分為七類不同的景觀要素[14-15]。研究利用重分類的土地利用數(shù)據(jù)，將耕地作為前景，其他用地利用類型作為背景，將邊緣寬度設(shè)置為4，采用8 鄰域算法進行分析，得到七類互不重疊的要素。根據(jù)分析得到的七類景觀要素，提取其中對景觀連通具有重要意義的核心區(qū)，并研究其在景觀連接度中的作用。

2.3 景觀連接度分析

景觀連接度反映了不同景觀類型的斑塊在生態(tài)流之間能量、信息的促進或阻礙作用。指數(shù)能反映景觀的連通性，指數(shù)能反映斑塊對于景觀保持連通性的重要性，計算公式如下：

式中：n 為景觀中斑塊總數(shù)；ai、aj代表i 斑塊和j 斑塊的面積、AL為景觀基質(zhì)面積，PCremove代表去除單個斑塊后剩余斑塊的整體指數(shù)值。本文利用Conefor 軟件，將距離閾值設(shè)置為1500m，連通概率設(shè)置為0.5[16]。采用來評價斑塊結(jié)構(gòu)的重要性，在得到各斑塊重要值后，按照自然斷點法進行分級，將核心區(qū)斑塊重要值分為5 級：極高、高、中等、低、極低。依據(jù)核心區(qū)斑塊重要值的比值賦權(quán)重，同樣計算每個漁網(wǎng)網(wǎng)格的平均斑塊重要值來表征連接度。

3 結(jié)果分析

3.1 城市擴張對于景觀破碎度的影響分析

南昌市2000—2015 年土地利用狀況如表1 所示，2000 年和2015 年相比，南昌市建設(shè)用地面積顯著增加，其中占用最多的地類為耕地，其次為林地，共有273.26km2的耕地和42.10 km2的林地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地。與2000 年相比，建設(shè)用地占南昌市總面積的比例由4.17%上升至8.43%，耕地面積占比由54.93%下降至52.31%，林地面積占比由16.45%下降至15.81%，水域面積占比由18.31%下降至17.44%，其他用地面積變化較小。

表1 南昌市2000-2015 年土地利用結(jié)構(gòu)表

城市的高速擴張造成了建設(shè)用地破碎化程度不斷加深，由表2 可知，南昌市城市破碎指數(shù)由2000年的2.27 上升至2015 年的4.94，2000 至2005 年、2010 至2015 年間的平均城市破碎指數(shù)分別為47.83%、45.30%，2005 至2010 年由于南昌市城市化速率放緩，建設(shè)用地向外擴張強度減弱，平均城市破碎指數(shù)為1.36%。建設(shè)用地的破碎化造成了土地利用類型的劇烈變化，影響和改變著周圍的自然景觀。通過圖1 格網(wǎng)分析可知，南昌市景觀破碎化逐年由贛江向兩岸延伸，城市化初期破碎化較高的斑塊主要分布在贛江東側(cè)的東湖區(qū)一帶，隨著南昌市城市化進程的不斷提升，建設(shè)用地以贛江為軸心，向南北方向擴散?？傮w來看，景觀破碎化程度主要集中在城市中心區(qū)域，且整體向北偏移，主要原因是紅谷灘新區(qū)的開發(fā)，該區(qū)域人口密度和經(jīng)濟活動高度集中，加深了區(qū)域內(nèi)的景觀破碎度。

圖1 南昌市2000-2015 年UFI 空間分布圖

表2 南昌市2000-2015 年整體UFI 指數(shù)

3.2 基于MSPA 的耕地景觀格局分析

從圖2 中可以看出，耕地核心區(qū)在15 年間占前景的比例較為平穩(wěn)，沒有發(fā)生大幅度的變化，2005-2010 年間核心區(qū)面積小幅上升，但其頻次逐年下降且變化幅度明顯，說明在研究期內(nèi)，越來越多面積較小的斑塊消失，伴隨著小斑塊的消失，在景觀中起連接作用的橋接區(qū)一并減少，表明耕地之間的連通性逐漸降低。同時隨著建設(shè)用地與耕地景觀的相互作用愈加激烈，耕地與建設(shè)用地擴張間起到緩沖作用的邊緣區(qū)其頻次及比例均不斷減少，耕地受建設(shè)用地影響程度不斷加深，島狀斑塊的頻率在不斷增加，耕地面積減少，集中連片度降低，耕地質(zhì)量不斷惡化。

圖2 南昌市2000-2015 年耕地MSPA 數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖

3.3 景觀連接度分析

耕地作為南昌市景觀類型的基質(zhì)，其對于維持區(qū)域內(nèi)景觀的連接度具有重要意義?；贛SPA 分析，提取對于景觀連通具有重要意義的核心區(qū)，進一步分析斑塊重要值，結(jié)果如圖3 所示。分析圖3 可知，對于維持耕地連通性起重要作用的斑塊主要分布在研究區(qū)南部的南昌縣及新建縣一帶，這一區(qū)域內(nèi)的耕地斑塊面積較大且集中連片，是未來城市耕地保護的重點區(qū)域。市區(qū)范圍內(nèi)的耕地受城市擴張的影響，斑塊逐漸消失，同時分布在市區(qū)周圍的耕地斑塊重要性值呈現(xiàn)逐年降低的趨勢。

圖3 南昌市2000-2015 年耕地重要斑塊分布圖

3.4 景觀破碎度與連接度演變分析

將景觀破碎度、耕地連接度按權(quán)重賦值到4km×4km 的格網(wǎng)中，并篩選其中建設(shè)用地與耕地相互作用較強的格網(wǎng)，結(jié)果如圖4 所示。圖4 中橫坐標表示格網(wǎng)的編號，縱坐標代表對應(yīng)的格網(wǎng)中的景觀破碎度與耕地斑塊重要值。從圖4 中可以看出建設(shè)用地擴張造成的景觀破碎度與耕地連接度呈明顯的負相關(guān)。2005-2015 年間1-5、11-17、19-27 號格網(wǎng)景觀破碎度呈現(xiàn)明顯上升趨勢，同時與之相對應(yīng)的格網(wǎng)中耕地斑塊重要值則隨時間變化則呈現(xiàn)下降趨勢。伴隨著景觀破碎度的上升，格網(wǎng)內(nèi)的耕地斑塊逐漸喪失連通作用，早期對景觀連通有重要作用的斑塊變成了多個不連續(xù)斑塊鑲嵌體。建設(shè)用地的擴張不僅造成了景觀破碎度加深，對其周邊的景觀類型也同樣產(chǎn)生了影響，建設(shè)用地擴張不僅直接造成了耕地數(shù)量的減少，對耕地景觀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生了負面影響。

圖4 南昌市2000-2015 年UFI 與耕地連接度變化圖

4 研究結(jié)論

本文運用城市破碎度指數(shù)、形態(tài)學格局分析與景觀連接度相結(jié)合的方法，分析了南昌市2000—2015 年城市擴張與耕地景觀連接度的動態(tài)演變關(guān)系。研究結(jié)果表明:

（1）近20 年來南昌市建設(shè)用地高速擴張，期間大量耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，UFI 指數(shù)表明，城市擴張對景觀破碎度造成顯著影響，建設(shè)用地沿贛江兩岸迅速向四周延伸。

（2）基于MSPA 分析，提取耕地中的核心、邊緣、橋接、及島狀斑塊，2000-2005 年間耕地核心區(qū)占前景比例出現(xiàn)了小幅的上升，但隨著城市化進程的加快，核心區(qū)的數(shù)量及頻次開始逐年減少，受周圍區(qū)域影響程度加深。

（3）分析斑塊重要值與UFI 指數(shù)，兩者之間表現(xiàn)出一定程度的響應(yīng)，且隨時間變化呈明顯負相關(guān)，隨著景觀破碎度上升，區(qū)域內(nèi)耕地斑塊重要性程度不斷降低。

城市的不斷擴張造成了土地利用類型的變化愈加劇烈，必然對區(qū)域內(nèi)的景觀破碎度與連接度造成影響。對于不同景觀類型，城市化所造成的景觀破碎度對其影響程度有明顯差別，與城市經(jīng)濟活動關(guān)系較為密切的區(qū)域更易受到破壞。本文通過分析南昌市建設(shè)用地與耕地、之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)景觀破碎度與景觀連接度之間存在一定程度的響應(yīng)關(guān)系，且隨著城市化進程的推進，響應(yīng)關(guān)系呈現(xiàn)明顯的負相關(guān)。因此，在未來的城市發(fā)展和規(guī)劃中需加強對于不同景觀類型結(jié)構(gòu)和功能的保護，注重景觀內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。