徐婧琳,張軍梅,陳 凡,張洪森

(云南師范大學(xué)地理學(xué)部,云南昆明 650500)

景觀格局表征了景觀元素的空間布局特征,定量分析景觀格局的時空演變不僅是格局與過程相互關(guān)系研究的基礎(chǔ),也可以揭示生態(tài)過程的驅(qū)動機制和發(fā)展趨勢[1]。20世紀80年代以來,我國逐步進入城市化快速發(fā)展時期,城市景觀呈現(xiàn)出高度破碎化的顯著特征,并趨向于復(fù)雜、異質(zhì)和不連續(xù)的混合斑塊鑲嵌體,且隨著城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴大,景觀格局還將受到日益增強的干擾,其演變將更加復(fù)雜化,由此帶來的社會與生態(tài)環(huán)境影響將更為突出[2-5]。為了促進城市的可持續(xù)發(fā)展,從景觀格局的角度理解和解決快速城市化進程中因景觀格局變化帶來的一系列城市問題已經(jīng)成為生態(tài)學(xué)與地理學(xué)研究領(lǐng)域的熱點之一[6]。

快速城市化背景下,景觀格局動態(tài)變化特征、過程及其影響因素已受到國內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān)注。國外學(xué)者多側(cè)重于城市景觀格局動態(tài)變化對生態(tài)效應(yīng)的影響[7-8],分析表明城市化是景觀格局動態(tài)變化的主要影響因素[4,9]。我國學(xué)者從區(qū)域[10]、城市[3,11]、城市群[12-13]等不同空間尺度,采用景觀格局指數(shù)法[14-15]、轉(zhuǎn)移矩陣法[16-17]等方法來分析城市景觀格局的演變特征,并運用相關(guān)分析法[18]、Binary Logit回歸模型[3]等方法定性定量地研究了景觀格局演變的影響因素,認為城市景觀格局演變受到地理條件、人口、社會經(jīng)濟、國家政策等方面的影響[19-20];也有學(xué)者側(cè)重于分析生態(tài)格局演變[21]及其所帶來的生態(tài)效應(yīng)[22-24]。目前,國內(nèi)學(xué)者的研究區(qū)域多關(guān)注東部高速發(fā)展的城市,對于中西部城市的研究成果較少。

成都市作為長江經(jīng)濟帶上游的中心城市[21]、中西部核心發(fā)展城市[25]和全國公園城市示范區(qū)[26],其城市的高質(zhì)量發(fā)展在區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的保護方面占據(jù)重要地位。肖況等[27]、羅艷等[28]關(guān)注成都市的景觀時空變化、植被景觀格局,歐定華等[29]基于粒子群算法對成都市郊區(qū)景觀格局優(yōu)化進行研究,隆世良等[30]、周爽等[31]側(cè)重研究成都市景觀安全格局、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)聯(lián)效應(yīng)。以上研究多側(cè)重于分析成都市景觀格局的生態(tài)效應(yīng),在影響因素研究的層面上,注重自然和人文因素對成都市景觀格局演變的影響,而對城市化進程的關(guān)注較少,尤其是政策因素的影響鮮少涉及。因此,筆者采用景觀格局指數(shù)、回歸分析等方法對成都市2005—2020年城市景觀格局演變特征及其影響因素進行研究,以定量和定性相結(jié)合的方法分析了包括城市化水平、政策因素與景觀格局之間的相關(guān)關(guān)系;最后,討論了在城市化進程中城市發(fā)展政策對景觀格局合理優(yōu)化及其生態(tài)功能發(fā)揮的積極作用。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況成都市(30°05′～31°26′N,102°54′～104°53′E)位于四川省中部,全域總面積約為13 930 km2。地勢西北高、東南低,西部屬于四川盆地邊緣地區(qū),以丘陵和山地為主;東部位于四川盆地腹心地帶,以平原和低山丘陵為主,全域海拔1 000～3 000 m,成都市屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候,夏季高溫多雨,冬季溫和少雨,四季分明。2020年年末常住人口約2 094萬人,城鎮(zhèn)化率78.77%,是成渝雙城經(jīng)濟圈的重要一極。

1.2 數(shù)據(jù)來源該研究采用成都市2005、2010、2015、2020年共4期土地利用數(shù)據(jù),劃分為耕地、森林、草地、灌木、冰雪、水體、荒地、人工建設(shè)用地8種景觀類型,景觀類型時序圖如圖1所示,該數(shù)據(jù)來源于武漢大學(xué)黃昕教授團隊,為30 m分辨率年度土地利用數(shù)據(jù)(annual China land cover dataset,CLCD,https://engine.piesat.cn/),分類精度為79.31%。城鎮(zhèn)化率和綠化覆蓋率數(shù)據(jù)均來源于《四川省統(tǒng)計年鑒》(2005—2020年)。

圖1 2005—2020年成都市景觀類型分布Fig.1 Distribution of landscape types in Chengdu City during 2005-2020

1.3 景觀指數(shù)選取與分析方法使用ArcGIS 10.7將土地利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為tiff格式,導(dǎo)入到Fragstats 4.2軟件計算景觀格局指數(shù),景觀指數(shù)類型及其意義如表1所示。根據(jù)研究地區(qū)的實際地理情況和景觀指數(shù)所代表的實際意義,同時在借鑒現(xiàn)有的城市景觀格局研究[2,6,21,31]的基礎(chǔ)上,該研究從類型水平和景觀水平2個方面選取指數(shù)。類型水平上選取斑塊類型面積(CA)、斑塊數(shù)量(NP)、斑塊密度(PD)、平均斑塊面積(AREA_MN)、最大斑塊指數(shù)(LPI);景觀水平上選取斑塊數(shù)量(NP)、平均斑塊面積(AREA_MN)、斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、聚合度指數(shù)(AI)、分離度指數(shù)(DIVISION)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)。

表1 該研究所采用的景觀格局指數(shù)說明[32]

1.4 回歸分析法有研究表明,城市化會階段性地增加或降低城市中心的景觀多樣性和破碎化程度[3,6,19,33]。蔓延度指數(shù)可以描述景觀斑塊類型的破碎化程度、團聚程度或延展趨勢,景觀多樣性指數(shù)能夠反映景觀組分數(shù)量和各景觀組分所占比例的差異。因此,該研究以蔓延度指數(shù)和多樣性指數(shù)作為因變量來表征景觀格局的演變特征,以城鎮(zhèn)化率作為自變量來表征城市化水平。景觀多樣性指數(shù)和蔓延度指數(shù)由成都市2005—2020年的土地利用數(shù)據(jù)計算得出,結(jié)合15年城鎮(zhèn)化率數(shù)據(jù),利用SPSS軟件對二者進行回歸分析,得到線性回歸模型以進一步分析相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 成都市景觀格局演變特征

2.1.1各景觀類型的時間變化特征。從成都市15年間各類景觀總體構(gòu)成的變化情況(表2)可以看出,耕地、森林和人工建設(shè)用地占比較大,是成都市主要的景觀類型。其中,耕地面積占比最大,但斑塊面積(CA)逐年減小,占比從61.47%下降至52.05%,說明成都市在發(fā)展過程中對耕地保護的重視程度有所下降;同時森林面積明顯增加,占比從27.86%增加至30.37%,可見其景觀優(yōu)勢度逐步增強,說明成都市對于綠地保護的持續(xù)重視;人工建設(shè)用地面積在15年間變化最為顯著,占比從7.17%增長至13.50%,相比其他用地類型增幅較大,反映出成都市在發(fā)展過程中對建設(shè)用地需求的持續(xù)增大;灌木、草地面積增加;荒地、冰雪景觀占比較小,變化幅度不大。

表2 2005—2020年成都市各類景觀面積及占總面積比例變化

2.1.2各景觀類型的格局變化特征。由圖2可知,2005—2020年成都市大部分景觀類型總體呈破碎化趨勢。其中,耕地斑塊數(shù)量(NP)不斷增加,平均斑塊面積(AREA_MN)減小,斑塊密度(PD)不斷增加,說明耕地景觀破碎化程度不斷上升、規(guī)模逐步減小;森林的斑塊數(shù)量逐年減小,平均斑塊面積增加,且斑塊密度逐年降低,反映出成都市森林景觀的破碎化程度降低;人工建設(shè)用地斑塊數(shù)量增加、平均斑塊面積增大、斑塊密度不斷上升,說明人工建設(shè)用地景觀總體趨于破碎化,但規(guī)模不斷增大;草地斑塊數(shù)量持續(xù)增多、斑塊密度增加、平均斑塊面積小幅度下降,呈現(xiàn)破碎化趨勢;灌木、荒地等斑塊指數(shù)略微波動,對于景觀格局總體影響較小。最大斑塊指數(shù)(LPI)可以反映最大斑塊類型對整個景觀或者類型的影響程度,即可以度量景觀類型的優(yōu)勢度。從成都市2005—2020年景觀類型LPI變化統(tǒng)計(圖2)可以看出,耕地景觀在研究時段內(nèi)始終占據(jù)最大優(yōu)勢,其對整體景觀影響較大,但指數(shù)有持續(xù)下降的趨勢;其次森林景觀最大斑塊指數(shù)較大,是成都市城市景觀中的第二大優(yōu)勢景觀,指數(shù)呈上漲態(tài)勢;人工建設(shè)用地最大斑塊指數(shù)逐年增加,其景觀優(yōu)勢度逐漸增大;其余景觀類型由于本身基數(shù)較小,優(yōu)勢度較小且趨于穩(wěn)定,對整體景觀格局影響較小。

圖2 2005—2020年成都市類型水平指數(shù)變化Fig.2 Changes of patch type level index in Chengdu City during 2005-2020

2.1.3景觀尺度的格局變化特征。由圖3可知,2005—2020年成都市景觀斑塊數(shù)量(NP)和多樣性指數(shù)(SHDI)穩(wěn)步增加;平均斑塊面積(AREA_MN)和聚合度指數(shù)(AI)先減小后增加,2015年為轉(zhuǎn)折點,總體呈減小趨勢;最大斑塊指數(shù)(LPI)先增加后減小,2010年為轉(zhuǎn)折點;斑塊密度(PD)先增加后減小,2015年為轉(zhuǎn)折點,總體上呈增加趨勢;蔓延度指數(shù)(CONTAG)穩(wěn)步下降;景觀分離度指數(shù)(DIVISION)先減小后增加,2010年為轉(zhuǎn)折點。景觀格局總體特征:景觀總體呈破碎化趨勢,優(yōu)勢景觀類型連接度逐漸降低,各景觀團聚度下降,景觀多樣性指數(shù)逐年增大,表明各景觀類型數(shù)量增多、復(fù)雜性增加,景觀內(nèi)各組分所占比例越均勻。

圖3 2005—2020年成都市景觀水平指數(shù)變化Fig.3 Changes of landscape level index in Chengdu City during 2005-2020

2.2 城市化進程對成都市景觀格局變化的影響

2.2.1城市化發(fā)展進程對景觀格局的影響。盡管影響城市景觀格局特征演變的因素具有復(fù)雜性和多樣性,但GDP、人口作為影響城市景觀格局演變的主要社會經(jīng)濟因素[3],其帶來的城市擴張可以用城鎮(zhèn)化率作為表征。 2000年以前成都市城市化水平較低,處于緩慢發(fā)展階段[34];2000—2020年,成都市中央城區(qū)到邊緣區(qū)縣不斷擴張,城市化水平不斷升高,屬于快速城市化階段[25]。從研究時段內(nèi)成都市城鎮(zhèn)化率變化(圖4)可以看出,2005—2020年成都市城鎮(zhèn)化率穩(wěn)步增長,由2005年的59.90%增加至2020年的78.77%,其中,2015—2016年城鎮(zhèn)化率有所下降,2019—2020年增速最快,增加了約4百分點。

圖4 2005—2020年成都市城鎮(zhèn)化率Fig.4 Urbanization rate of Chengdu City during 2005-2020

為了探索成都市城市化水平對景觀格局的影響,對城市化水平與景觀格局進行相關(guān)分析。景觀水平上,城鎮(zhèn)化率與景觀格局指數(shù)之間的決定系數(shù)(R2)均在0.9左右,兩者之間具有顯著的相關(guān)性(圖5)。圖5a顯示城鎮(zhèn)化率與蔓延度指數(shù)之間呈較強的負相關(guān),即隨著城鎮(zhèn)化率的上升,景觀蔓延度指數(shù)下降,一定程度上反映了各類景觀團聚度和延展趨勢下降,表明耕地作為優(yōu)勢景觀的連接度下降。圖5b顯示,城鎮(zhèn)化率與景觀多樣性指數(shù)之間呈較強的正相關(guān),即隨著城鎮(zhèn)化率的上升,各景觀的類型數(shù)量增多、復(fù)雜性增加,各類型景觀所占比例越均勻。城市化的實質(zhì)使得城市生態(tài)用地以及農(nóng)業(yè)用地不斷轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地,從而形成以人工景觀為主的高度破碎化的異質(zhì)性景觀[6]。結(jié)合表2和圖4分析發(fā)現(xiàn),景觀類型水平上格局變化的主要特征是人工建設(shè)用地擴張,且2005—2020年成都市人工建設(shè)用地面積隨著城鎮(zhèn)化率穩(wěn)步升高逐年增加,表明城市化水平的提高是成都市人工建設(shè)用地演變的主要影響因素。

圖5 2005—2020年成都市城鎮(zhèn)化率與蔓延度指數(shù)(a)、多樣性指數(shù)(b)的關(guān)系Fig.5 Relationship between urbanization rate and spread index(a)and diversity index(b)of Chengdu City during 2005-2020

2.2.2城市發(fā)展政策對景觀格局變化的影響。政策因素也是影響城市景觀格局演變的重要因素之一[2,35]。2018年,成都市首次提出“公園城市”發(fā)展理念,建設(shè)踐行貫徹新發(fā)展理念的“公園城市示范區(qū)”[36]。從2016—2020年成都市建成區(qū)綠化覆蓋率變化情況(圖6)可以看出,成都市建成區(qū)綠化覆蓋率從2018年開始顯著增加,由41.5%上升至2020年的44.0%。由表2可知,在該階段森林、草地這2類綠地景觀面積穩(wěn)步增加,其中森林增長趨勢最為顯著,2015—2020年由3 901.1 km2增長至4 230.4 km2,占總面積比例由28.01%增長至30.37%,破碎化程度處于不斷下降的態(tài)勢,可見“公園城市”城市發(fā)展目標的確立和相關(guān)政策對成都市的綠地景觀格局具有積極影響。其次,《成都市土地利用戰(zhàn)略研究報告》(2003—2020年)預(yù)測規(guī)劃期內(nèi),各類建設(shè)用地總規(guī)模將達到2 393.0 km2,比2002年增加595.3 km2;同時成都市國土資源局耕地保護處研究指出,這一輪規(guī)劃期內(nèi),建設(shè)用地將占用耕地3.96萬hm2[37],而成都市2005—2020年出現(xiàn)了耕地面積持續(xù)減小、人工建設(shè)用地面積穩(wěn)步增大的現(xiàn)象,可見政策對人工建設(shè)用地、耕地景觀的變化也具有較大影響。由此表明政策是成都市景觀格局演變的主要影響因素,這與肖況等[27]的研究結(jié)果相符。

圖6 2016—2020年成都市建成區(qū)綠化覆蓋率Fig.6 Green coverage rate of built-up areas in Chengdu City during 2016-2020

3 討論

該研究采用景觀格局指數(shù)、回歸分析等方法對景觀格局演變及其影響因素進行了研究。隨著成都市近15年來城市化水平不斷提高,人工建設(shè)用地面積持續(xù)增長,該現(xiàn)象也出現(xiàn)在北京市[2]、深圳市[3]、揚州市[33];人工建設(shè)用地破碎化程度加劇,而車通等[33]研究表明,隨著城市化進程加快,揚州市人工建設(shè)用地破碎化程度下降。同時,通過該研究可以發(fā)現(xiàn)近年來土地利用政策對成都市景觀格局演變的影響較大,耕地面積持續(xù)減小,這與肖況等[27]的研究結(jié)果一致,在此基礎(chǔ)上,該研究得出“公園城市”政策對成都市景觀格局的演變也具有重要影響,該政策以改善城市人居環(huán)境質(zhì)量為目標,使得近年來成都市綠化覆蓋率上升,森林、草地、灌木等綠地景觀面積增加,且森林景觀破碎化程度下降,這與吳健生等[3]研究的深圳市在城市化進程中綠地景觀破碎化程度上升、規(guī)模逐步減小的情況有所不同。

揭示城市景觀格局演變特征及其影響因素可為城市化進程中城市的規(guī)劃建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。城市化快速發(fā)展時期應(yīng)注重景觀格局連接度與完整性,延緩景觀格局總體呈破碎化的趨勢;同時,在開展國土空間規(guī)劃“三區(qū)三線”劃分工作時,應(yīng)重視各景觀類型統(tǒng)籌安排的科學(xué)性和有序性,避免城鎮(zhèn)空間即人工建設(shè)用地占用基本農(nóng)田和森林、草地、水體等生態(tài)用地,從而確保基本農(nóng)田適度的規(guī)模和穩(wěn)定性,保證生態(tài)功能系統(tǒng)的完整性[37],實現(xiàn)“山水林田湖草”和城市發(fā)展的有機融合。此外,具有前瞻性的規(guī)劃和發(fā)展政策對于城市景觀優(yōu)化和城市高質(zhì)量發(fā)展具有積極推動作用,在成都市未來的城市化進程中,政策應(yīng)繼續(xù)保持對森林、草地、灌木等綠地景觀的關(guān)注,使其進一步發(fā)揮良好的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。同時耕地作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的最重要生產(chǎn)要素,關(guān)系到農(nóng)業(yè)的發(fā)展?jié)摿臀覈募Z食安全[38]。成都素有“天府之國”的美譽,具有適合農(nóng)業(yè)發(fā)展的優(yōu)越自然條件,土地利用規(guī)劃政策應(yīng)加強對耕地保護的重視,堅守“十八億畝耕地紅線”,構(gòu)建農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展體系,進一步促進成都市的可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)論

該研究基于2005—2020年成都市土地利用數(shù)據(jù),采用景觀格局指數(shù)與回歸分析相結(jié)合的方法對近15年成都市景觀格局演變特征及其影響因素進行了研究,主要研究結(jié)果如下:

(1)研究期內(nèi),成都市景觀類型以人工建設(shè)用地、耕地和森林為主,且三者動態(tài)變化顯著;其中,人工建設(shè)用地面積變化最為顯著,15年間增長6.33百分點,景觀優(yōu)勢性逐步增強。各類型景觀中,人工建設(shè)用地斑塊數(shù)量、最大斑塊指數(shù)、平均斑塊面積和斑塊密度逐年增加,破碎化程度不斷上升;耕地平均斑塊面積和最大斑塊指數(shù)減小,優(yōu)勢度不斷下降,破碎化程度上升;森林斑塊數(shù)量逐年減小,最大斑塊和平均斑塊面積逐年增加,斑塊密度逐年降低,破碎化程度下降,連接度不斷上升。景觀水平上,成都市景觀總體呈破碎化趨勢,景觀中的優(yōu)勢景觀類型連接度逐漸較低,各景觀團聚度下降;景觀多樣性指數(shù)逐年增大,表明各景觀類型數(shù)量增多、復(fù)雜性增加,但各類型景觀所占比例越均勻。

(2)城市化發(fā)展水平和政策是成都市景觀格局演變的主要影響因素。2005—2020年城鎮(zhèn)化率穩(wěn)步增長,2019—2020年增速最快,2020年達78.77%。隨著城市化進程不斷加快,各景觀類型數(shù)量增多、復(fù)雜性增加、團聚程度下降,優(yōu)勢景觀連接度下降;在“公園城市”政策的影響下,成都市綠化覆蓋率明顯增加,森林面積增長、破碎化程度下降;在土地利用規(guī)劃政策的影響下,城市人工建設(shè)用地面積不斷增大,耕地面積有所減小,破碎化程度均上升。