長沙市城市濕地景觀格局空間梯度變化的分析

恭映璧，胡曰利

（1.長沙市林業(yè)局，湖南 長沙 410205；2.中南林業(yè)科技大學(xué) 林學(xué)院，湖南 長沙 410004）

長沙市城市濕地景觀格局空間梯度變化的分析

恭映璧1,2，胡曰利2

（1.長沙市林業(yè)局，湖南 長沙 410205；2.中南林業(yè)科技大學(xué) 林學(xué)院，湖南 長沙 410004）

城市濕地具有水源涵養(yǎng)、環(huán)境凈化、氣候調(diào)節(jié)、生物多樣性保護(hù)、教育科普等生態(tài)服務(wù)功能，是城市功能評價的重要指標(biāo)。利用景觀格局指數(shù)分析方法，選取5個景觀指數(shù)對1955年、1972年、1990年、2007年四個時期建成區(qū)、近郊、遠(yuǎn)郊的濕地景觀格局進(jìn)行對比分析. 結(jié)果表明：（1）長沙市城市濕地分布空間梯度較大；（2）在1955年至1972年間，濕地面積增長率大于建成區(qū)面積增長率，濕地在這段時間內(nèi)呈現(xiàn)正向增長，在1972年至2007年建成區(qū)面積增長率都大于濕地面積增長率，濕地在建成區(qū)上呈現(xiàn)出退化現(xiàn)象；（3）1972年與1990年長沙市城市濕地的景觀格局指數(shù)在建成區(qū)、近郊區(qū)和遠(yuǎn)郊區(qū)上的變化趨勢相同。將景觀格局指數(shù)和梯度分析相結(jié)合，能夠較全面地反映城市景觀格局與結(jié)構(gòu)的變化特點。

城市濕地；景觀格局；異質(zhì)性分析；長沙市

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化的加劇，自然生態(tài)系統(tǒng)越來越重要，濕地作為水陸結(jié)合的生態(tài)系統(tǒng)具有特殊的水文和生態(tài)位條件[1]。很多學(xué)者已經(jīng)對濕地的大小、分布、水質(zhì)條件和功能等進(jìn)行了研究[2]。約翰斯頓研究發(fā)現(xiàn)濕地都不是孤立的，它們由較多的景觀共同影響累計組成的[3]。對濕地密度的研究顯示，人口密度和濕地密度不存在直接關(guān)系，濕地密度的變化規(guī)律是從農(nóng)村到城市逐漸的孤立化[4]。

梯度分析一般應(yīng)用于植物在不同環(huán)境梯度下的研究[5]，此外，梯度可以對影響城市化的不同生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行研究[6]。Medley等人對森林景觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，對自然區(qū)域進(jìn)行梯度研究是一種有效的管理方法[7]。對濕地生態(tài)系統(tǒng)的城鄉(xiāng)梯度進(jìn)行研究，表明城市和自然生態(tài)系統(tǒng)共同影響著濕地生態(tài)系統(tǒng)，可以直接量化這些影響因子對人類的影響[8]。

近幾十年來，在氣候變化和人類活動的綜合影響下，長沙城市濕地出現(xiàn)了明顯的變化。本文從建成區(qū)、近郊區(qū)和遠(yuǎn)郊區(qū)3個不同的空間梯度對濕地景觀格局在1995年、1972年、1990年、2007年4個時期的景觀指數(shù)進(jìn)行分析，得出濕地景觀在不同梯度下的變化規(guī)律。

1 研究區(qū)域和研究方法

1.1 研究區(qū)域

本文選取1955年、1972年、1990年、2007年4個時期的濕地數(shù)據(jù)，應(yīng)用ARCGIS9.3結(jié)合長沙市城市現(xiàn)狀圖把這四個時期的濕地數(shù)據(jù)劃分為建成區(qū)、近郊區(qū)和遠(yuǎn)郊區(qū)3個區(qū)域進(jìn)行分析。圖1為長沙市在1955年、1972年、1990年、2007年4個時期的建成區(qū)，圖2為長沙市2007年的建成區(qū)、近郊區(qū)、遠(yuǎn)郊區(qū)。

圖1 長沙市城市建成區(qū)的變化Fig. 1 Changes of built-up area of Changsha city

1.2 景觀指數(shù)的算法

景觀指數(shù)是指能夠高度濃縮景觀格局信息，反映其結(jié)構(gòu)組成和空間配置某些方面的簡單定量指標(biāo)。通過景觀指數(shù)可以對景觀的組成特征、空間配置、動態(tài)變化等就行定量研究。景觀格局特征是對景觀結(jié)構(gòu)、功能及過程的描述，景觀指數(shù)反映景觀格局的信息，本研究選取以下景觀指標(biāo)（見表1）[9-10]。

圖2 長沙市2007年建成區(qū)、近郊區(qū)、遠(yuǎn)郊區(qū)分界Fig. 2 Boundary map of built-up area, suburb, outer suburbs of Changsha in 2007

表1 景觀指數(shù)及其生態(tài)意義Table 1 Landscape metrics and its ecological indication

2 結(jié)果及分析

濕地景觀格局動態(tài)變化分析，有助于人們從無序的景觀中發(fā)現(xiàn)潛在的有序規(guī)律，揭示景觀格局變化過程，有助于對景觀變化的方向、過程、效應(yīng)進(jìn)行模擬、預(yù)測和調(diào)控[11-12]。本文選取了5個景觀指數(shù)對長沙市1955年、1972年、1990年、2007年4個時期的建成區(qū)、近郊區(qū)及遠(yuǎn)郊區(qū)濕地的景觀格局變化進(jìn)行時空的動態(tài)變化分析。

2.1 景觀指數(shù)空間分析

2.1.1 1955年濕地景觀的分析

由圖3可見，1955年長沙城市濕地景觀格局按建成區(qū)、近郊和遠(yuǎn)郊3個梯度變化有明顯的規(guī)律。1955年長沙市建成區(qū)內(nèi)湘江外只有小面積的坑塘，湘江占據(jù)絕對優(yōu)勢，離市中心越遠(yuǎn)湘江的優(yōu)勢度越逐漸下降，即表現(xiàn)為最大斑塊指數(shù)是沿著建成區(qū)、近郊、遠(yuǎn)郊空間梯度逐漸降低；沿著建成區(qū)、近郊、遠(yuǎn)郊空間梯度，景觀總面積、斑塊數(shù)量、斑塊密度、景觀形狀指數(shù)都是增加的，1995年長沙城市濕地離市中心越近，濕地濕地數(shù)量和斑塊密度越小，表明濕地在研究梯度上濕地面積逐漸增加，濕地斑塊和斑塊密度都是增加的，濕地斑塊破碎化程度減低，濕地景觀形狀指數(shù)增加，聚集度增加。濕地在研究梯度上城市濕地整體景觀是呈現(xiàn)優(yōu)化趨勢的。景觀優(yōu)勢度在建成區(qū)高達(dá)97.691 5，使得濕地高度聚集，根據(jù)景觀“聚集離析”原則，濕地要聚集中有離析才符合人類對濕地的需求。

2.1.2 1972年代濕地景觀分析

從圖4中可以看出，1972年沿著建成區(qū)、近郊、遠(yuǎn)郊空間梯度，景觀總面積、最大斑塊數(shù)是先減少后增加，斑塊密度先增加后減小，斑塊數(shù)量和景觀形狀指數(shù)一直增加。長沙城市濕地在近郊區(qū)面積最小，最大斑塊數(shù)也是最小，是由于湘江在70年代近郊的面積較小，最大斑塊指數(shù)較小，斑塊較為零散。

圖3 1955年長沙市城市濕地景觀指數(shù)變化Fig. 3 Changes of Changsha city wetland landscape indexes in 1955

圖4 1972年長沙城市濕地景觀指數(shù)變化Fig. 4 Changes of Changsha city wetland landscape indexes in 1972

2.1.3 1990年景觀指數(shù)分析

沿著建成區(qū)、近郊、遠(yuǎn)郊空間梯度，長沙城市濕地的景觀格局的變化與城市濕地在城市的自然分布是相符的。長沙城市濕地在中心城區(qū)是以湘江為中心，在其他地區(qū)濕地斑塊零星分散，導(dǎo)致濕地在中心城區(qū)濕地最大斑塊面積較大，斑塊密度、斑塊數(shù)量和景觀指數(shù)都較小；在近郊區(qū)內(nèi)，遠(yuǎn)離了中心城區(qū)，城市濕地面積增加，濕地斑塊數(shù)量增加，導(dǎo)致湘江的優(yōu)勢度下降，濕地最大斑塊數(shù)減小，景觀形狀指數(shù)變大；而在離中心城區(qū)更遠(yuǎn)的城市遠(yuǎn)郊區(qū)，濕地斑塊面積、斑塊數(shù)量都增加。因此，沿著建成區(qū)、近郊、遠(yuǎn)郊空間梯度，景觀總面積、最大斑塊數(shù)是先減少后增加，斑塊密度先增加后減小，斑塊數(shù)量和景觀形狀指數(shù)一直增加。

2.1.4 2007年濕地景觀指數(shù)分析

2007年，長沙市城市化發(fā)展已經(jīng)達(dá)到一定的高度，濕地在建成區(qū)、近郊區(qū)、遠(yuǎn)郊區(qū)的濕地景觀格局逐漸合理化。從圖6中可以看出，沿著建成區(qū)、近郊、遠(yuǎn)郊最大斑塊數(shù)是先減少后增加，景觀總面積、斑塊數(shù)量和景觀形狀指數(shù)先增加后減小，斑塊密度一直增加。

圖5 1990年長沙市城市濕地景觀指數(shù)變化Fig. 5 Changes of Changsha city wetland landscape indexes in 1990

圖6 2007年長沙市城市濕地景觀指數(shù)變化Fig.6 Changes of Changsha city wetland landscape indexes in 2007

2.2 景觀指數(shù)時間分析

2.2.1 建成區(qū)景觀指數(shù)分析

圖7揭示了長沙市建成區(qū)內(nèi)1955年至2007年城市濕地的景觀指數(shù)變化規(guī)律，景觀總面積逐年增長，1955年至1990年增長速度大于1990年至2007年增長速率，這是由于城市建成區(qū)面積增大，而且城市擴展具有方向性，不同的區(qū)位濕地面積不同；最大斑塊指數(shù)前期減小較快后期增長平緩，這意味著濕地中最大濕地面積相對其它濕地面積先減小后小幅度增長；斑塊數(shù)量、斑塊密度和景觀形狀指數(shù)都是前期增長較快后期緩慢下降，城市擴張濕地斑塊數(shù)量增加從而導(dǎo)致斑塊密度增加。

2.2.2 近郊區(qū)景觀指數(shù)分析

圖8表示了1955年至2007年4個時期近郊區(qū)城市濕地景觀5個景觀指數(shù)的變化規(guī)律，景觀總面積先緩慢增長后迅速增長，是由于前期城市發(fā)展緩慢，近郊區(qū)向外延伸的速度較小，后期城市化進(jìn)程加劇，近郊區(qū)面積急劇擴張。最大斑塊指數(shù)先減小后增大，斑塊數(shù)量和斑塊密度先增加后減小，景觀形狀指數(shù)一直緩慢增長，由于建成區(qū)向外擴張，近郊區(qū)也會想外延伸，在各個時間段內(nèi)，城市擴張速率不同，近郊區(qū)靠近建成區(qū)邊緣減小的速率和向外擴張的速率就不同，濕地景觀格局變化較大且分析難道較大，所以在研究時段內(nèi)在近郊區(qū)長沙市城市濕地景觀格局指數(shù)的變化沒有規(guī)律。

圖7 長沙市建成區(qū)內(nèi)城市濕地景觀指數(shù)Fig.7 Urban wetland landscape indexes of the built-up area in Changsha

圖8 長沙市近郊區(qū)內(nèi)城市濕地景觀指數(shù)Fig.8 Wetland landscape indexes of suburb area of Changsha

2.2.3 遠(yuǎn)郊區(qū)景觀指數(shù)分析

從圖9中可以看出，長沙市城市濕地在遠(yuǎn)郊區(qū)范圍內(nèi)是逐年減少的，這是由于城市建成區(qū)和近郊區(qū)逐年向外擴張，導(dǎo)致城市遠(yuǎn)郊區(qū)面積減小，城市濕地相應(yīng)減小，在1990年至2007年間，在遠(yuǎn)郊區(qū)城市濕地劇減，這是由于在這些年間，城市化擴張速度加劇和城市濕地保護(hù)不了導(dǎo)致城市濕地面積減小。在遠(yuǎn)郊區(qū)范圍內(nèi)城市濕地的斑塊密度越來越大，城市濕地破碎度增加，斑塊數(shù)量和景觀形狀指數(shù)與最大斑塊指數(shù)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性。

圖9 長沙市遠(yuǎn)郊區(qū)內(nèi)城市濕地景觀指數(shù)Fig.9 Wetland landscape indexes of outer suburbs of Changsha

3 結(jié)論及討論

3.1 結(jié)論

通過對1955年、1972年、1990年、2007年長沙市建成區(qū)、近郊區(qū)和遠(yuǎn)郊區(qū)濕地景觀格局的研究分析，得出以下結(jié)論：

（1）長沙市城市濕地分布不均勻，隨著建成區(qū)的擴張，建成區(qū)濕地面積逐漸增加，景觀指數(shù)變化具有隨機性，近郊濕地面積先減少后增加，而濕地斑塊數(shù)量先增加后減少，遠(yuǎn)郊濕地面積一直減少，其余景觀指數(shù)變化具有隨機性。

（2）1955年、1972年、1990年、2007年長沙市建成區(qū)面積增長率分別為1.04、1.08、0.87，濕地面積增長率分別是1.19、0.51、0.14，在1955年至1972年間，濕地面積的增長率大于建成區(qū)面積增長率，濕地在這段時間內(nèi)呈現(xiàn)正向增長，在1972年至2007年建成區(qū)面積增長率都大于濕地面積增長率，濕地在建成區(qū)上呈現(xiàn)出退化現(xiàn)象，在研究時段長沙市遠(yuǎn)郊區(qū)面積一直減小。

（3）1972年與1990年長沙市城市濕地的景觀格局指數(shù)在建成區(qū)、近郊區(qū)和遠(yuǎn)郊區(qū)上的斑塊趨勢相同。沿著建成區(qū)、近郊、遠(yuǎn)郊景觀總面積、最大斑塊數(shù)是先減少后增加，斑塊密度先增加后減小，斑塊數(shù)量和景觀形狀指數(shù)一直增加。

3.2 討論

城市濕地變化受到城市化過程的深刻影響，城市化影響濕地結(jié)構(gòu)及功能的變化，以溝渠和河流濕地為例（見圖10）。

圖10 城市化對城市徑流的影響Fig.10 Inf l uence of urbanization on urban runoff

城市化改變了城市區(qū)域降水和徑流的狀況，其重要影響途徑是：（1）清除自然植被產(chǎn)生更高的徑流量和峰值，更大的流動速度，在渠道和集水區(qū)增加土壤侵蝕和順向沉積；（2）增加不通透性產(chǎn)生更高的徑流量和峰值流動，更少的表面凹陷截留洪水和更大的速度流；（3）建設(shè)一個人工水系網(wǎng)，顯著增加了流速達(dá)到峰值的時間；（4）占領(lǐng)河岸和泛濫平原，在自然的洪水泛濫區(qū)，人口直接暴露于周期性泛濫，淹沒的地區(qū)不斷的擴展，因為泄洪區(qū)范圍縮小了；（5）在排水網(wǎng)處理固體廢棄物和污水使水質(zhì)惡化、疾病、排水網(wǎng)阻塞、通道沉積。這些措施直接導(dǎo)致城市區(qū)濕地水文狀況的改變（見表2）。

表2 城市化對城市徑流狀況的改變Table 2 Changes of urban runoff status led by urbanization

溝渠及河流濕地就受到城市化的影響，從而景觀格局在空間分布和時間變化上表現(xiàn)規(guī)律同自然濕地不同。

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An analysis on temporal and spatial heterogeneity of wetland landscape pattern changes in Changsha City

GONG Ying-bi1,2, HU Yue-li1
(1. Forestry Bureau of Changsha City, Changsha 410205, Hunan, China; 2 .School of Forestry, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004 , Hunan, China)

Urban wetland has the ecological functions such as water conservation, environmental purification, climate regulation,biodiversity protection, education and science popularization, is an important index of the city function evaluation. Through using landscape metrics method, the fi ve landscape indexes of the wetland landscape pattern in built up area, suburban, outer suburbs in the four periods in 1955, 1972, 1990, 2007 were analyzed. The results show that (1)it was not uniform of wetland distribution in Changsha city; (2) the wetland area growth rate was greater than the growth rate of the built-up area and wetland from 1955 to 1972, built area growth rate was greater than the growth rate of the wetland in the wetland area and built area showed a degradation phenomenon from 1972 to 2007; (3) changes in wetland landscape pattern index of built up area, suburb and the outer suburbs in Changsha city showed the same trend from 1972 to 1990. The gradient analysis combined with landscape pattern indices can quite completely ref l ects characteristics of the changes in urban landscape pattern and structure.

city wetland; landscape pattern; heterogeneity analysis; Changsha city

S714.7

A

1673-923X(2012)12-0001-06

2012-06-13

湖南省林業(yè)廳項目（2010-017）；長沙市科協(xié)項目（CX-2010-010）

恭映璧（1960-），男，云南曲靖人，高級工程師，研究方向：城市森林，城市濕地；E-mail：gyb19601025@yahoo.com.cn

[本文編校：羅 列]