尹德潔 侯冰鈺 王冬薇 王 皓 吳亞偉 劉大亮

山東建筑大學(xué) 濟(jì)南 250101

景觀格局是指景觀組成單元的類型、數(shù)目以及空間分布與配置[1]。景觀格局分析旨在對景觀結(jié)構(gòu)組成及其空間分布特征進(jìn)行量化分析,是景觀功能和動態(tài)分析的基礎(chǔ)[2]。尺度是指在研究某一物體或現(xiàn)象時所采用的空間或時間單位,同時又指某一現(xiàn)象或過程在空間和時間上所涉及的范圍和發(fā)生的頻率[3]。目前,對景觀格局尺度的研究多集中在景觀的幅度和粒度,而忽略了梯度[4]。梯度是指沿某一方向景觀特征有規(guī)律地逐漸變化的空間特征[3],梯度分析方法起源于植被科學(xué)研究,被廣泛用于分析城市化對植物分布和生態(tài)系統(tǒng)的影響,后來梯度分析逐漸成為研究城市化對景觀格局變化的有效方法[5]。河流緩沖帶是指陸地與河流水域之間的連接帶和過渡區(qū)[6]。目前,國內(nèi)雖有一些學(xué)者基于河流緩沖帶分析景觀格局變化,并與景觀生態(tài)學(xué)和梯度相結(jié)合[4,7-8],通過沿廊道設(shè)立緩沖帶,研究梯度帶內(nèi)的變化規(guī)律,但將梯度分析與景觀格局指數(shù)相結(jié)合,并針對河流沿岸區(qū)域尤其是典型的跨河地區(qū)進(jìn)行景觀格局梯度分析的研究較少。

濟(jì)南是黃河流域重要的區(qū)域中心城市,其沿岸作為濟(jì)南城鎮(zhèn)適宜形成和發(fā)展的重要區(qū)位[9],在整體黃河流域生態(tài)系統(tǒng)研究中具有重要的戰(zhàn)略地位。隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,黃河沿線城市化進(jìn)程加快,勢必對沿岸生態(tài)環(huán)境造成干擾,對黃河流域生態(tài)系統(tǒng)帶來重要影響,因此對其沿岸進(jìn)行景觀格局梯度分析,可以反映沿岸景觀格局的總體特征及梯度變化趨勢?；诖?本文以黃河沿岸濟(jì)南區(qū)段為研究對象,借鑒景觀生態(tài)學(xué)理論,以RS和GIS為基礎(chǔ),在黃河沿岸設(shè)立緩沖帶,采用景觀格局指數(shù)分析和梯度分析相結(jié)合的方法,分析2000—2020年各景觀類型在黃河沿岸濟(jì)南區(qū)段的梯度變化特征,探究黃河對沿岸區(qū)域發(fā)展的輻射效應(yīng)以及城市建設(shè)對黃河沿岸景觀格局的影響,以期為黃河流域高質(zhì)量發(fā)展提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

濟(jì)南市(116°11′—117°44′E,36°01′—37°32′N)位于山東省中部,地處黃河下游,境內(nèi)主要有黃河、小清河、大汶河3大河流水系[10]。黃河自西向東穿過濟(jì)南,全長183 km,將市域劃分為黃河以南和黃河以北兩大部分,流經(jīng)章丘區(qū)、濟(jì)陽區(qū)、歷城區(qū)、天橋區(qū)、槐蔭區(qū)、長清區(qū)和平陰縣。年平均氣溫13.6℃,屬溫帶大陸性氣候,地勢北低南高[11],研究區(qū)域為濟(jì)南市(對應(yīng)2019年行政區(qū)劃調(diào)整后的濟(jì)南市域范圍),研究區(qū)總面積增至10 244 km2。2020年濟(jì)南常住人口920.24萬,人均GDP為110 198元/人,轄區(qū)生產(chǎn)總值為10 140.91億元[12]。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

基礎(chǔ)遙感影像數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/),其中2000年、2010年采用Landsat 5 TM的遙感影像數(shù)據(jù),2020年采用Landsat 8 OLI的遙感影像數(shù)據(jù),空間分辨率為30 m。經(jīng)濟(jì)、人口等數(shù)據(jù)資料來源于濟(jì)南市統(tǒng)計年鑒(http://jntj.jinan.gov.cn/)。

2.2 緩沖帶梯度分析

2.2.1 緩沖帶梯度劃分

參考前人[4,7-8,13]對城市景觀和河流沿岸梯度分析的研究,采用ArcGIS10.6的Buffer工具,以黃河下游穿過濟(jì)南區(qū)段的沿岸為邊界,向兩側(cè)設(shè)立5 km長的緩沖帶,分別距離黃河5 km、10 km、15 km、20 km、25 km、30 km、35 km、40 km和＞40 km,共包括18個景觀格局緩沖帶,構(gòu)建黃河沿岸景觀格局梯度(圖1)。

圖1 景觀類型及緩沖帶梯度劃分(2000—2020年)

2.2.2 景觀格局指數(shù)

景觀指數(shù)是能高度濃縮景觀格局信息的簡單定量指標(biāo),反映景觀結(jié)構(gòu)特征和空間格局變化[3]。分別從類型水平和景觀水平2個景觀層次,分析黃河沿岸濟(jì)南區(qū)段的景觀格局梯度特征。借鑒相關(guān)文獻(xiàn)[14-15],在類型水平上選取斑塊面積(CA)、景觀面積比例(PLAND)、斑塊數(shù)量(NP)、最大斑塊指數(shù)(LPI)和景觀形狀指數(shù)(LSI)5個景觀指數(shù)；在景觀水平上選取斑塊密度(PD)、邊緣密度(ED)、聚合度(AI)、蔓延度(CONTAG)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)和香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)6個景觀指數(shù)。

2.3 數(shù)據(jù)分析

采用ENVI 5.3軟件對遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、波段融合以及圖像鑲嵌、裁剪和拼接等數(shù)據(jù)預(yù)處理,其中RGB合成選取的是第6、5、3波段。采用最大似然分類法進(jìn)行遙感影像分類,并結(jié)合Google Earth的高分辨率視圖進(jìn)行人機(jī)交互目視解譯修改,參照《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T21010—2017)標(biāo)準(zhǔn)和城市綠地系統(tǒng)用地分類標(biāo)準(zhǔn),將研究區(qū)內(nèi)的景觀類型劃分為耕地、水體、林地、建設(shè)用地、草地和未利用地共6種用地類型,最終得到濟(jì)南市3期景觀類型分類圖(圖1)。通過混淆矩陣法評價分類精度均在85%以上,滿足研究精度的相關(guān)要求。在ArcGIS10.6軟件中轉(zhuǎn)換為30 m×30 m的柵格格式,導(dǎo)入Fragstats 4.2進(jìn)行相關(guān)的景觀格局指數(shù)計算與分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 景觀格局特征

由表1可知,在2000—2020年各景觀類型中,耕地的PLAND最大,建設(shè)用地的PLAND逐年增加,林地的PLAND持續(xù)減少。耕地和草地的NP逐漸增加,建設(shè)用地的NP先增大后減小。建設(shè)用地的LPI不斷增長,從2000年的1.62%增長至2020年的6.27%,表明隨著建設(shè)用地不斷擴(kuò)張,景觀優(yōu)勢逐漸增強(qiáng),但在2010—2020年,建設(shè)用地的NP不斷減少,又說明其斑塊逐漸聚集化。

表1 研究區(qū)總體的類型水平景觀指數(shù)(2000—2020年)

從表2可知,2000—2020年,面積轉(zhuǎn)移變化最劇烈的是耕地、草地和建設(shè)用地,其中耕地主要轉(zhuǎn)出類型為建設(shè)用地,且在2000—2010年轉(zhuǎn)出面積最大為915.73 km2；耕地在2000—2010年、2010—2020年向水體轉(zhuǎn)移面積分別是50.12 km2和22.1 km2,但其LPI始終為最大值,表明耕地依然是研究區(qū)內(nèi)的景觀優(yōu)勢斑塊。此外,未利用地在2000—2010年向耕地類型轉(zhuǎn)換了58.96 km2,表示存在未利用地被開墾的情況。

表2 濟(jì)南市景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣(2000—2020年) km2

3.2 景觀格局梯度變化

3.2.1 類型水平的梯度變化

對于占比最大的景觀,北岸耕地沿緩沖帶呈上升趨勢,在25～35 km緩沖帶內(nèi)突然下降,這與濟(jì)南市總體規(guī)劃(2011—2020)中的產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃相吻合,其中,北岸主要分布濟(jì)北民營經(jīng)濟(jì)園和商河經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)兩大產(chǎn)業(yè)聚集區(qū),近些年以發(fā)展第二產(chǎn)業(yè)為主,園區(qū)不斷向南擴(kuò)張,附近耕地被大量侵占(圖2A)。南岸建設(shè)用地在0～15 km緩沖帶內(nèi)逐漸上升達(dá)到峰值后向外圍急劇減少,原因在于濟(jì)南南部地區(qū)的地形主要為山地丘陵,城市向南縱向發(fā)展受到限制,建設(shè)用地沿黃河廊道的東西方向進(jìn)行擴(kuò)展(圖2B)。隨著城市化進(jìn)程加快,沿岸的建筑用地逐漸擴(kuò)張,不透水面積增加將導(dǎo)致土壤滲透率降低,當(dāng)暴雨來臨時,流域的排水能力相對脆弱,有引發(fā)城市洪澇災(zāi)害的風(fēng)險。同時,草地在此區(qū)域內(nèi)也呈現(xiàn)上升趨勢,表明南岸15 km范圍內(nèi)景觀斑塊多樣,景觀格局趨于復(fù)雜(圖2D)。

在最大斑塊指數(shù)中,北岸耕地的大斑塊多于南岸,主要分布在0～15 km和30～40 km緩沖帶內(nèi),景觀優(yōu)勢度高于南岸(圖2E)。水體分別在北岸第15 km和南岸第20 km緩沖帶處出現(xiàn)峰值,這是由于近些年制定的《全國濕地保護(hù)工程計劃(2002—2030年)》 《濟(jì)南市黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃》等政策對黃河沿岸小流域的生態(tài)保護(hù)起到積極作用(圖2G)。南岸的草地斑塊沿緩沖帶呈“M”型變化趨勢,在10～25 km緩沖帶內(nèi)變化幅度顯著,表明在此區(qū)域的草地斑塊大小不均勻,受人類活動干擾程度大(圖2H)。

從景觀形狀指數(shù)來看,耕地和草地變化趨勢相似,在北岸均無明顯波動變化；南岸的景觀形狀比北岸高,說明人類對于南岸的耕地和草地干擾活動較強(qiáng)(圖2I、圖2J)。南岸建設(shè)用地和水體沿緩沖帶呈“降-升-降”的變化趨勢,在0～20 km范圍內(nèi)波動幅度較大,表明在此區(qū)域內(nèi)的地類變化劇烈。隨著城市開發(fā)力度的增強(qiáng),景觀形狀逐漸趨于破碎(圖2K、圖2L)。

圖2 研究區(qū)景觀格局緩沖帶類型水平梯度變化

3.2.2 景觀水平上的梯度變化

景觀破碎化方面(圖3A、圖3B),2020年南岸的PD和ED整體呈上升趨勢。其主要原因在于隨著城市經(jīng)濟(jì)水平快速發(fā)展,大量人口遷入導(dǎo)致用于城市交通、生活、醫(yī)療等功能的建設(shè)用地不斷向四周擴(kuò)張,原有的耕地、草地等斑塊被其侵占,斑塊邊緣逐漸復(fù)雜,景觀趨于破碎化。

景觀聚集性方面(圖3C、圖3D),在同一緩沖帶內(nèi),北岸的CONTAG和AI均比南岸高,表明北岸優(yōu)勢斑塊的分布狀態(tài)、斑塊間的連通性和團(tuán)聚程度較強(qiáng)。南岸的CONTAG和AI均沿著緩沖帶呈下降趨勢,表明南岸景觀斑塊零星分布,連通度低。但在5～20 km緩沖帶內(nèi)有緩慢上升趨勢,這與近些年擴(kuò)建古城片區(qū)內(nèi)大明湖、趵突泉、五龍?zhí)兜裙珗@綠地,增補(bǔ)斑塊間的空隙,使綠地的連通性增加有關(guān)。

景觀多樣性方面(圖3E、圖3F),SHDI和SHEI變化趨勢相似,南岸的SHDI和SHEI均顯著高于北岸,說明南岸景觀的異質(zhì)性強(qiáng),景觀分布均勻,更有利于緩解城市熱島效應(yīng)。北岸的SHDI和SHEI在5～20 km緩沖帶內(nèi)呈緩慢降低趨勢,在25～35 km緩沖帶內(nèi)上升且出現(xiàn)峰值,原因在于此區(qū)域內(nèi)耕地和林地大量減少、建設(shè)用地大量增加、人類活動干擾較大,以及生態(tài)環(huán)境相對敏感。

圖3 研究區(qū)景觀格局緩沖帶景觀水平梯度變化

3.3 景觀格局年際變化

由圖2可知,耕地的PLAND和LPI整體在2000—2010年減少,至2010年后保持穩(wěn)定,這與2002年《中華人民共和國農(nóng)村土地承包法》頒布后,農(nóng)民可以將承包的土地進(jìn)行流轉(zhuǎn)有關(guān)；在2008年后要求不得將耕地在流轉(zhuǎn)中轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌玫?從根本上抑制了耕地的無限制流失。水體的PLAND和LPI在2010年增加,表明2000年后人們水土保持意識增強(qiáng),黃河、小清河等流域治理初顯成效,水體斑塊逐漸恢復(fù)。2010—2020年,兩岸建設(shè)用地的PLAND和LPI增長幅度減小,表明建設(shè)用地在原有斑塊基礎(chǔ)上進(jìn)行了聚集式擴(kuò)張與融合。2020年,草地的LSI均比前兩個時期高,其中南岸草地的PLAND和LSI在0～15 km緩沖帶內(nèi)顯著高于前兩個時期,說明此區(qū)域在2010—2020年的開發(fā)建設(shè)力度遠(yuǎn)高于2000—2010年,雖然2010年后沿岸市區(qū)不斷進(jìn)行開發(fā)建設(shè),但仍有綠地擴(kuò)建。

由圖4可知,研究區(qū)內(nèi)PD和ED在2010—2020年上升趨勢最為顯著(圖4A)；AI整體從2000年的96.1下降至2020年的94.4,景觀連接度逐漸減弱(圖4B)；SHDI和SHEI分別從2000年的1.17%和0.65%增至2010年的1.2%和0.67%,之后減少到2020年的1%和0.56%(圖4C),說明2000—2010年研究區(qū)各景觀類型正朝著多元化、異質(zhì)化方向發(fā)展；反之2010—2020年各景觀斑塊向外逐漸擴(kuò)張,蔓延度增加,景觀多樣性減少,連通性逐漸減弱。

圖4 研究區(qū)2000—2020年的景觀水平景觀指數(shù)

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

本研究使用景觀格局指數(shù)和梯度分析相結(jié)合的方法,分析了黃河沿岸濟(jì)南區(qū)段景觀格局時空演變和梯度變化特征,得出如下結(jié)論:1)2010—2020年濟(jì)南區(qū)段景觀格局變化明顯,耕地為優(yōu)勢景觀,建設(shè)用地和林地次之；建設(shè)用地面積大幅度增加,前10年的增幅是后10年的4.75倍；草地和林地的面積先減少后增加,水體和未利用地面積不斷減??；土地利用類型轉(zhuǎn)換主要通過占用耕地和未利用地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌仡悺?)類型水平上,各類景觀表現(xiàn)為不同梯度特征。北岸耕地的景觀面積比例、最大斑塊指數(shù)顯著高于南岸；南岸建設(shè)用地的景觀形狀指數(shù)遠(yuǎn)大于北岸；水體景觀面積比例與最大斑塊指數(shù)隨緩沖帶外擴(kuò)呈下降趨勢,且南岸水體景觀形狀指數(shù)要低于北岸。3)景觀水平上,各緩沖帶景觀格局梯度變化顯著。空間上,斑塊密度、邊緣密度、香農(nóng)多樣性和香農(nóng)均勻度指數(shù)隨著緩沖帶的外擴(kuò)整體呈增長趨勢,蔓延度和聚合度則相反,同一距離,南岸整體的景觀破碎化度和異質(zhì)性均大于北岸,各景觀指數(shù)的變化折射出南北兩岸的經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展差異；時間上,各指數(shù)在前10年的變化幅度遠(yuǎn)大于后10年。

4.2 討論

黃河沿岸濟(jì)南區(qū)段景觀格局受城市化和人類活動的影響,其景觀結(jié)構(gòu)發(fā)生動態(tài)變化。城市建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展力度越大,對景觀格局的影響越顯著,主要表現(xiàn)在黃河南岸的景觀破碎度和異質(zhì)性遠(yuǎn)超北岸,而且城市建設(shè)使沿岸的生態(tài)環(huán)境遭受破壞,這一研究結(jié)果與河流沿岸地區(qū)[7,16]的景觀格局梯度分析結(jié)果基本相符,主要體現(xiàn)在對黃河沿岸耕地、草地和林地等景觀格局的干擾上。盡管研究區(qū)梯度帶內(nèi)整體的景觀格局更破碎,但在基本農(nóng)田保護(hù)情境下,各類景觀分布逐漸均勻,景觀破碎程度逐漸被控制,有利于減輕城市洪澇災(zāi)害的風(fēng)險,改善城市熱島效應(yīng)[17],這與濟(jì)南市[18-20]景觀格局動態(tài)變化與模擬預(yù)測的研究結(jié)果一致。

景觀格局具有尺度依賴性,不同步長、形狀的緩沖帶會產(chǎn)生不同的景觀指數(shù)計算結(jié)果,但整體變化規(guī)律是相似的[16]。本研究設(shè)置5 km緩沖區(qū)梯度帶,有效揭示黃河沿岸濟(jì)南區(qū)段沿緩沖帶的演變過程,表明城市化進(jìn)程和人類活動干擾是影響景觀格局梯度差異的主要因素。此外,研究區(qū)內(nèi)的樣帶設(shè)置仍具有一定的主觀性,缺乏設(shè)置方法的系統(tǒng)研究,驅(qū)動機(jī)制也僅從城市化、人為因素等方面分析景觀格局梯度差異,其他因素對黃河沿岸城市景觀格局的影響需進(jìn)一步研究完善。