南京市江北地區景觀格局演變及驅動力分析

張 萌, 王讓會

(南京信息工程大學 應用氣象學院, 南京 210044)

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南京市江北地區景觀格局演變及驅動力分析

張 萌, 王讓會

(南京信息工程大學 應用氣象學院, 南京 210044)

以南京市江北地區為研究對象，基于遙感及地理信息技術，利用江北地區1988年、1995年、2000年和2006年TM5數據以及2013年TM8數據，運用景觀生態學原理，選取斑塊數量、平均斑塊面積、邊緣密度、平均分維度指數、香農多樣性指數、香農均勻度指數等進行分析，探討南京市江北地區近25年景觀格局演變特征及驅動力。結果表明:1988—2013年江北地區景觀格局發生較大變化，城建用地、林地面積增加，耕地面積減少，其他略有波動；在人類干擾作用下，斑塊聚合度與斑塊結合度呈現下降趨勢，多樣性指數與均勻度指數呈現上升趨勢，破碎化程度增加。人口增加、經濟增長、工業發展及產業結構調整是南京市江北地區景觀格局演變的主要驅動力。

景觀格局; 驅動因子; GIS; 江北地區

景觀格局演變是景觀生態學研究的核心問題之一[1]，景觀格局的改變能引發區域生態環境和生態過程的變化[2]。目前景觀格局的研究主要集中在空間異質性和時間異質性兩個方面[3-4]，即靜態的景觀格局分析和限定區域景觀格局隨時間的變化研究；而其研究方法主要有景觀格局指數分析、空間統計和矩陣轉移等[5]。3S技術日漸成熟及其在景觀生態學中的深入應用，為更直觀地研究景觀格局的時空變化提供了技術支撐。景觀格局演變的驅動因素是多方面的，而人為因素是小尺度景觀格局演變的主要驅動力，目前對景觀格局驅動力的分析方法主要包括統計分析[6]和多元回歸分析[7]等。城市景觀不斷外延、擴張是城市化進程中景觀格局演變的最明顯的特征，并使得其他景觀類型的結構發生改變。城市景觀格局的改變也帶來了一系列的生態環境問題，研究城市景觀格局結構特征的演變規律以及探討其發生改變的驅動因素對城市的可持續化發展意義重大。

南京市江北地區是南京市新一輪發展的重點區域，也是南京實現“跨江發展”、縮小城鄉差距的落腳點，有利于解決江南主城區發展中的諸多問題[8]，通過實施跨江發展，不斷優化南京市空間結構，提升江南江北融合互動能力，進而促進江北經濟發展[9]。而在江北地區經濟快速發展的同時，最大可能保護區域生態環境尤為重要。研究江北地區景觀格局演變，分析其變化趨勢，對實現江北地區可持續發展有重要作用。

本文在遙感及地理信息技術的支持下，利用南京市江北地區1988年、1995年、2000年和2006年Landsat TM5數據以及2013年Landsat TM8數據，對南京市江北地區近25年的景觀結構和變化特征進行研究，以期為江北地區的生態文明建設及可持續發展提供科學依據。

1 研究區概況

南京市江北地區以長江為界，包括浦口與六合兩個行政區，位于30°51′—32°27′N，118°21′—119°03′E，北接安徽省，是南京市的北大門。區域面積約為2 400 km2，約占南京市總面積的1/3，截至2013年，區域內人口約為150萬，國內生產總值超過1 000億元。江北地區屬于亞熱帶季風氣候，氣溫溫和，雨量充沛，四季分明。江北地區地貌大部分屬于寧鎮揚山區，總體地勢北高南低，區域內丘陵山崗地、河谷平原、沿江平原圩區均有分布[10]。區域內景觀類型豐富，包括國家級地質公園、老山國家森林公園、金牛湖風景區、長江濕地等，是南京市乃至江蘇省重要生態功能區，也是集山、水、城、林于一體的城市發展空間[11]。

江北地區一直是南京市農業生產的重要區域，耕地面積較大，但是隨著經濟發展，江北地區土地利用發生改變，主要表現為建成區面積不斷擴張，農業用地面積減小。

2 數據來源與研究方法

2.1 景觀類型劃分

對江北地區景觀格局演變及景觀格局指數的定量分析必須在景觀分類的基礎上進行，本研究基于《土地利用現狀分類》國家標準[12]，并結合浦口區與六合區土地利用現狀，對江北地區景觀進行分類，主要有以下6類:耕地(旱地和水田)、林地、草地、水域(河流、湖泊、水庫)、城建用地(城鎮建設用地、農村建設用地、工交建設用地)和未利用地。

2.2 數據來源與處理

本研究的基礎數據包括1988年、1995年、2000年、2006年和2013年5期涵蓋江北地區的地面衛星圖像(表1)，地面分辨率為30 m。同時搜集2006—2020年南京市、浦口區及六合區土地利用規劃圖、南京市最新行政區劃矢量圖、南京市及江北地區多年經濟統計數據以及實地調查數據。

表1 遙感數據詳細信息

注：1995年、2006年數據主要云量不集中在研究區。

在ArcGIS 9.3下，利用南京市矢量圖各轄區的行政邊界拼接出江北地區矢量邊界；在ENVI 4.8下利用已拼接的矢量邊界裁剪出江北地區子影像，對影像進行大氣輻射校正和幾何校正；并對校正后的影像進行監督分類，分類后驗證結果為總體分類精度為84.85%～89.69%，滿足研究需求，并形成tif格式圖像；隨后在ArcGIS 9.3中輸出圖像，得到分類結果；出圖后將數據格式變為grid格式，最后利用Fragstats 3.3對各期景觀類型圖進行景觀格局指數計算。

2.3 景觀格局指標的選取

目前，針對描述不同尺度、不同角度的景觀格局特征，已經出現大量的景觀格局指數，如何選取指標尤為重要[13]。基于研究區特點，并結合前人的研究經驗[14-16]，本文從景觀和景觀類型兩個尺度對江北地區景觀格局演變進行研究。具體指標包括斑塊數量(NP)、平均斑塊面積(AREA▁MN)、斑塊密度(PD)、邊緣密度(ED)、最大核心斑塊指數(LPI)、平均分維度指數(FRAC▁MN)、斑塊結合度指數(COHESION)、香農多樣性指數(SHDI)、香農均勻度指數(SHEI)、散布與并列指數(IJI)、聚合度(AI)等。

3 江北地區景觀格局演變及驅動力分析

3.1 江北地區景觀格局演變

3.1.1 景觀總體構成的變化 由表2可知，在近25年，南京市江北地區景觀構成發生了一系列變化，各景觀類型在總面積中的百分比隨著時間推移表現出了不同程度的增或減。其變化主要為：耕地面積比逐年下降，而城建用地和林地面積比增加明顯，水域、草地、未利用地面積比略有波動。隨著江北地區的快速發展，城建用地面積不斷擴張，從1988年的12.13%增加至2013年的26.42%；江北地區作為南京市乃至江蘇省重要的生態功能區，森林等生態系統得到了較好的保護，尤其進入21世紀，林地面積不斷增加；同時耕地面積單調減少，由70.79%減至50.91%，耕地為城建用地面積擴張貢獻最大。

表2 1988-2013年南京市江北地區景觀總體構成情況

3.1.2 景觀變化特征 南京市江北地區1988—2013年景觀尺度的格局指數均發生了較大變化(表3)。

首先斑塊數量先減少后增加，總體呈現增加趨勢，相應地，平均斑塊面積先增加后減少，說明景觀斑塊不斷分散；而邊緣密度先減小后增加，平均分形維數隨時間變化有一定波動，整體呈現下降趨勢，說明各類型景觀斑塊之間的相互作用增強。斑塊聚合度及斑塊結合度在波動變化中主要呈現下降趨勢，說明斑塊間連接性不斷減弱，景觀由大斑塊逐漸變為小斑塊；香農多樣性指數與香農均勻度指數總體呈現增加趨勢，分別從1.02，0.57增加至1.26，0.70，這主要由于江北地區的快速發展使得景觀破碎度不斷加大，整個區域中各景觀類型的分配趨于均勻，最大斑塊面積指數不斷減小，說明在人類干擾作用下，整體景觀格局愈發均衡，人類影響對景觀格局作用較大。

表3 1988-2013年南京市江北地區景觀尺度的格局指數

3.1.3 類型變化特征 從表4可以看出，1988—2013年江北地區各景觀類型內部格局特征也發生了較為明顯的變化。耕地作為江北地區最主要的景觀類型，其斑塊數量與斑塊密度整體呈增加趨勢，最大斑塊面積指數不斷減小，耕地景觀的優勢不斷減弱，邊緣密度不斷增加，耕地斑塊的分布趨于分散；城建用地是面積增長最多的景觀類型，由12.13%增加至26.42%，斑塊數量與斑塊密度不斷減小，最大斑塊面積指數不斷增大，這說明江北地區較小的城建用地斑塊不斷聚合形成較大的城建用地斑塊，且分布趨于集中；林地面積不斷增加，斑塊數量和斑塊密度隨時間不斷波動，邊緣密度總體呈增加趨勢；水域面積略有波動，最大面積指數和平均分形維數不斷減小，說明其斑塊自相似性增加，斑塊形狀隨時間變化越來越規則；草地及未利用地等自然景觀隨時間變化略有波動，整體變化不大，其景觀格局主要受人類活動而發生變化。

3.2 景觀格局演變驅動力分析

景觀格局的不斷變化是由自然因素與人為因素共同驅動的[17]。地形地貌、氣候等自然因素在較大的時空尺度上對景觀格局有較大影響，而在較小時空尺度，人為因素則作用顯著[18]。由于南京市江北地區范圍較小，本文僅將人為驅動力作為探討對象。

基于浦口區和六合區多年國民經濟和社會發展統計公報，并結合南京市歷年統計年鑒，得到南京市江北地區1988—2013年主要經濟指標變化，以南京市江北地區1988—2013年景觀香農多樣性指數(y1)和城建用地面積比(y2)作為因變量，選擇人口數(x1)、地區生產總值(x2)、工業總產值(x3)、三次產業比重(x4，x5，x6)、固定資產投資(x7)為自變量，進行多元回歸分析，探討影響多樣性指數和城建用地面積比的主要因子，結果如下：

y1=-0.0054x1+0.0001x2-0.0131x4+2.0376

(R2=0.9695，p<0.05)

(1)

y2=0.13296x2-0.05457x3+10.9004

(R2=0.9988，p<0.05)

(2)

表4 1988-2013年南京市江北地區類型尺度的格局指數

由結果可知，人口增加、經濟增長、工業發展及產業結構調整是南京市江北地區景觀格局演變的主要驅動因子。(1) 人口增加。南京市江北地區的人口數量在研究期內增長了約30萬人，這使得該地區資源環境壓力日漸增加，對住房的需求增大，導致城建用地不斷擴張；(2) 經濟增長。1988—2013年，南京市江北地區GDP由16.1億元增長至1 222.24億元，經濟的快速發展促進了房地產開發、基礎設施建設、休閑娛樂場所、消費服務場所等的發展，促使城建用地面積不斷增加，也間接影響了耕地面積的變化；(3) 工業發展。江北地區擁有眾多大型工業企業，是南京市工業聚集地之一，工業生產在地區生產總值中一直占據較大地位。研究期內，江北地區工業總產值由20.6億元增加至2 693.39億元，廠房面積擴大且交通等配套設施不斷發展也影響著該地區的景觀格局；(4) 產業結構調整。1988—2013年，南京市江北地區三產占比分別由28.44%，42.37%，29.19%變為6.66%，58.09%，35.25%，第二產業、第三產業發展迅速，促使城建用地沿長江不斷擴張，形成了以城鎮化為主的景觀格局演變特征。

4 結 論

(1) 本文在遙感和地理信息系統技術的基礎上，利用多源多期遙感數據，對南京市江北地區景觀格局進行分析。通過對景觀總體構成、斑塊數量、平均斑塊面積、邊緣密度、平均分維度指數、香農多樣性指數、香農均勻度指數等指標計算，得到了江北地區近25年景觀格局變化。城建用地等人造景觀面積不斷增大，由12.13%增加至26.42%，耕地面積不斷減少，70.79%減至50.91%；在人類干擾作用下，斑塊聚合度及斑塊結合度主要呈現下降趨勢，分別由69.65，99.87減少至65.66，99.59，斑塊間連接性不斷減弱，景觀由大斑塊逐漸變為小斑塊；多樣性指數與均勻度指數呈現上升趨勢，分別由1.02，0.57增至1.26，0.70，江北地區景觀破碎度不斷加大，整個區域中各景觀類型的分配趨于均勻，整體景觀格局愈發均衡。

(2) 人口增加、經濟增長、工業發展及產業結構調整是南京市江北地區景觀格局演變的主要驅動力。人口增長使建筑面積需求增加，同時經濟的快速發展促進了房地產開發、基礎設施建設、休閑娛樂場所、消費服務場所等的發展，亦促使城建用地面積不斷增加，而第二產業、第三產業發展迅速，促使城建用地沿長江不斷擴張，最終形成了江北地區以城鎮化為主的景觀格局演變特征。因此，對各驅動因子的調控是實現南京市江北地區景觀格局優化的重要途徑。

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Evolvement of Landscape Pattern and Its Driving Factors in Jiangbei District of Nanjing City

ZHANG Meng, WANG Ranghui

(CollegeofAppliedMeteorology,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China)

Using the data of Landsat TM5 (1988, 1995, 2000 and 2006) and Landsat TM8 (2013), the evolvement and its driving factors of landscape pattern in Jiangbei District of Nanjing City in the past 25 years were explored based on the technology of remote sensing and GIS and the theory of landscape ecology. Some indices were chosen to describe the changes of landscape pattern, such as the number of patches, the average area of patches, edge density, average dimension index, shannon diversity index, shannon evenness index and so on. The results showed that the landscape pattern in Jiangbei District changed greatly from 1988 to 2013. The woodland and construction land increased, while the farmland decreased, and the area of other types fluctuated slightly. Under the action of human disturbance, aggregation index and patch cohesion index decreased, while Shannon′s diversity index and Shannon′s evenness index increased in this area. The growth of population, economy and industry together with the adjustment of industrial structure are the main driving factors on the evolvement of landscape pattern in Jiangbei District of Nanjing City.

landscape pattern; driving factors; GIS; Jiangbei District

2014-11-06

2014-11-26

國家科技支撐計劃(2012BAD16B0305,2012BAC23B01);中國沙漠氣象科學研究基金(sqj2012006)

張萌(1989—),女,河北石家莊人,研究生,研究方向為環境生態。E-mail:zhangmeng1824@126.com

王讓會(1963—),男,陜西寶雞人,教授,博士生導師,主要從事景觀生態、3S應用、全球變化的區域響應、生態系統耦合關系研究。E-mail:rhwang@nuist.edu.cn

Q149; F301.24

1005-3409(2015)05-0229-05