城市化對水域景觀格局的時空影響

李慶玲　劉艷芳

摘要：使用武漢市城市圈Landsat TM（1987、1995、2000、2005、2011年）五期遙感影像，采用機器和目視解譯相結合的方法得到土地利用信息，進而提取水域信息，分別從區域和市域尺度上探討了武漢城市圈1987-2011城市化過程中水域景觀格局的變化機制，對水域景觀格局及其動態變化進行分析，探討水域景觀格局對城市化因子的時空響應。結果表明，在城市圈尺度上，城市化率、總人口、GDP以及建筑物面積等城市化因子均可以較好的預測水域景觀格局的變化，但水域景觀總面積與城市化因子的相關性較弱；在市域尺度上，不同城市影響水域景觀格局變化的城市化因子不同，且影響程度存在差異；在城市圈和市域兩個尺度上，水域景觀變化與城市化的關系均呈現出隨著經濟發展、人口增加、非農人口比例增高、以及建設用地擴張（城市化強度提高），水域景觀面積先減少再增加，景觀破碎度降低，穩定性增強，形狀趨于規則，水域景觀聚集度增加的趨勢。

關鍵詞：水域；景觀格局；城市化；武漢城市圈

中圖分類號：Q149 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）08-1949-08

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.08.012

Abstract：In the paper，of land use information was obtained from five years of remote sensing images of Wuhan urban circle Landsat TM（1987，1995，2000，2005，2011） by combining machine and visual interpretation.Then water information was extracted.，The change mechanism of water landscape pattern in the process of the urbanization of Wuhan city circle during 1987 — 2011 was discussed from the scale of region and city， respectively. Water landscape pattern and its dynamic changes were also analyzed to explore the response of waters landscape pattern towards the factor of urbanization.the following conclusions were obtained：（1）In metropolitan scale，the factor of urbanization such as urbanization rate，the total population， GDP and urbanization building area can predict changes in water landscape pattern， but the correlation between the total area of water landscape and the urbanization factor was weak；（2）In the city region scale， the urbanization factor which affects the change of water landscape pattern is different in different cities，and there are differences in theimpact；（3）In metropolitan area and city scales，with the economic development，population increase，the proportion of non-agricultural population increased，as well as the expansion of construction land（urbanization strength increases），water landscape area firstly reduced and then increased，landscape fragmentation decreased but the stability increased，shape tends to be regular and the aggregation of water landscape increased.

Key words：water；landscape pattern；urbanization；Wuhan city circle

水域景觀是人類活動區域中最重要的開放空間，是自然要素最為密集、自然過程最為復雜的地域，對人類社會的發展起著重要作用[1]。目前的研究主要集中在對自然河道景觀的歷史演變上[2-6]，對城市水域景觀演變的研究相對較少，主要包括汪松年等[7]對上海市河流、湖泊淡水濕地歷史變遷的分析，范今朝等[8]對杭州運河功能的歷史變遷的研究。城市水域演變原因的分析，一般都認為城市水域景觀演變的原因主要是自然因子和人為干擾因素，包括地震、植被的有無、人類圍墾、城市化和城市發展的方針、政策等。張曉陽[9]認為洞庭湖的演變主要是泥沙沉積和人類圍墾引起的；崔秀麗等[10]認為白洋淀生態演變的主要原因是水源不足、水體富營養化、水生生物群結構簡單。陳堅[11]指出江南水鄉水面減少的主要原因是20世紀50～70年代的圍湖造田和城市化進程的加快。汪松年等[7]指出，由于城市化使上海的淡水河流、湖泊的河面率由80年代初的11.10%減少到最近的8.40%，減少了2.7個百分點，也就是說，近20年來減少水面積約1/4。

隨著經濟的高速發展，城市化過程對區域生態系統的影響日益嚴重，對自然生態系統的干擾無疑打破了原來生態系統的結構和平衡，因而研究城市化背景下區域水域景觀格局的演變具有十分重要的意義。而目前國內對于水域景觀格局及其動態變化的研究較少，鑒于此，以武漢城市圈為例，綜合分析了武漢城市圈1987 — 2011年城市化過程中水域景觀格局的演變情況，對水域景觀格局及其動態變化進行分析，進行城市化因子和水域景觀格局兩者耦合研究，探討水域景觀格局演變的原因以及影響因素，以期對該區未來景觀生態規劃提供依據。

1 研究區概況與數據處理

1.1 研究區概況

武漢城市圈是指以武漢為圓心，武漢周邊100 km范圍內的城市，即以武漢市為中心，涵蓋了鄂州市、黃石市、孝感市、黃岡市、咸寧市、仙桃市、天門市和潛江市等市的地域空間范圍（圖1）。武漢市為城市圈中心城市，黃石市為副中心城市。城市圈面積達6.00萬km2，是中國中部及長江中游最大、最密集的城市圈。該區域土地面積占湖北省的33.0%，人口占51.6%，環境自然條件優越，經濟基礎較好。武漢城市圈范圍約為2.45萬km2，人口1 640萬人。

1.2 數據來源與處理

本研究使用的遙感影像數據為Landsat TM（1987、1995、2000、2005、2011）。由于同一年份，不同景的遙感影像時相差別較大，所以本研究以景為單位進行解譯。考慮到Landsat的分辨率較粗，提取精細土地利用類型（二級分類）困難較大。根據實際土地利用特征，并考慮到生態系統的類型，本研究將武漢城市圈土地利用/覆蓋分為4個類型：農地、林地、建筑以及水體[12]。城市圈內土地利用類型空間異質性較大，因此采用分層的思想，采用機器自動解譯和人工目視解譯相結合的方法，提取土地利用信息。1987、1995、2000、2005、2011解譯的整體精度分別為83.5%、84.7%、87.3%、87.9%、86.5%。Kappa系數分別為0.83（1987）、0.81（1995）、0.82（2000）、0.81（2005）以及0.82（2011）。其他主要社會經濟數據主要來源于各城市的統計年鑒。

2 研究方法

2.1 景觀指數選擇

近年來，有關景觀指數的研究日趨成熟，一些學者也在運用景觀指數來說明生態過程[12-14]，以此來評價生態服務價值的變化。目前景觀格局分析的指數有很多，并且不斷有新的指數提出，但是許多指數并不具太好的有效性[15]。選擇景觀指數是基于4個標準：①通過對以往的文獻研究確定有可比性的景觀指數[12，16，17，18]；②能夠說明景觀格局和生態條件的相關關系[14，17，19]；③在一個生態區域范圍內，通過進行多重共線性檢驗計算所有的指標，選擇冗余度低的景觀指數[14，17]；④能夠反映研究區域的景觀格局特征[20]。選擇的景觀指數見表1，景觀指數之間不存在顯著相關關系。

2.2 空間自相關分析

通過借助Morans I指數，定量描述研究數據的空間自相關性。Morans I的值介于-1～1之間，其中-1代表絕對空間負相關，1代表絕對空間正相關，0代表隨機分布。其計算公式如下：

式中，n為樣本數；Yi和Yj分為樣點i和j的屬性值；Wij為空間權重矩陣；S2為屬性值的方差。i和j分別為Yi和Yj的均值。

3 結果與分析

3.1 區域尺度上水域景觀格局的變化機制

1987 — 2011年間武漢城市圈區域尺度上五個景觀指數的時間變化趨勢如圖2所示。由圖2可知，TA值先減少再增加；PD先增加再減少；ED1987 — 2000年變幅較小，2000 — 2011年減小較快；SHAPE_AM整體呈下降趨勢，AI的值呈微弱上升趨勢。其中，TA值從525 056 hm2（1987年）下降至447 966 hm2（1995年）又上升至536 433 hm2（2011年）。AI的上升率為1.05%，從93.15（1987）上升到94.58（2011）。SHAPE_AM值變化較大，分別為 20.01（1987）、8.04（1995）、7.29（2000）、9.83（2005）、7.55（2011）。ED的減少量也較大，5年的值分別為91.88（1987年）、88.49（1995年）、90.82（2000年）、77.14（2005年）、72.81（2011年）。結果表明，武漢城市圈區域水域景觀面積和聚集度增加，同時水域的破碎度降低，不穩定性提高，形狀趨于規則。

回歸結果顯示，景觀指數PD、ED、SHAPE-AM和AI與4個城市化因子均存在顯著線性關系（表2），景觀指數TA則與城市圈城鎮化因子線性關系不明顯，城市化率、GDP、總人口以及建筑物面積等城市化因子可以較好的預測水域景觀格局的變化。比較回歸的決定系數（R2）可知，建設用地面積和斑塊密度更能有效地預測農地景觀格局的變化。比較回歸系數可知，在城市化進程中，隨著經濟發展、人口增加、非農人口比例增高以及建設用地擴張，武漢城市圈水域景觀破碎度降低，趨于穩定，形狀規則度會隨之增加，而水域的面積在早期會出現減少的趨勢，但最終會增加，這與圍湖造田和增加耕地數量的政策有關，但在1987 — 2011年間水域的景觀聚集度增加，斑塊形狀趨于規則，水域生態系統更穩定。

3.2 行政區尺度上水域景觀格局的變化機制

3.2.1 水域景觀格局的時空變化 武漢1+8城市圈各縣市TA在四個時間段內呈波動趨勢（圖2），但總體來看，大多數縣市的水域面積呈先減少后緩慢增加的趨勢。比較不同時間段內各城市的TA變化率可知，1987 — 1995年間，水域景觀面積下降較快的縣市為武漢市、咸寧市、孝感市、仙桃市、天門市、黃石市和黃岡市，鄂州市和潛江市水域景觀面積增加，潛江市面積增加的幅度更大。1995 — 2000年間，TA下降率較快的縣市為鄂州市、潛江市和天門市，黃岡市和黃石市的水域景觀面積也在減少，但幅度較小，孝感市、咸寧市和仙桃市的TA增加幅度較大。2000 — 2005年間潛江市和咸寧市的水域面積減少較多，仙桃市、孝感市、武漢市、黃石市和鄂州市的TA出現較大幅度的增長。潛江市在2005 — 2011年間水域面積下降速度較快，仙桃市則增長較快，其他地區的增長或減小幅度較為平緩。這主要是由于20世紀70年代以來，由于人口的增多，在中國各湖泊的圍湖造田現象越來越普遍，使得1998年以前各城市水域面積大幅減少。而1998年長江特大洪水期間，原來對長江洪水具有調節能力的湖泊，都因圍湖造田而失去調節能力。此后中共中央國務院提出了“退田還湖、加固干堤、疏浚河道”的政策，因此在2000年以后各城市的水域面積出現了一定幅度的增加。

1987 — 2011年間，武漢城市圈除鄂州和黃岡外各市PD總體呈減少趨勢，而且在早期1987 — 2000年間呈上升趨勢，2000 — 2011年呈下降趨勢，表明在城市化進程中，行政區尺度上水域景觀破碎度會減小。比較不同時間段內各縣市的PD變化率可知，1987 — 1995年鄂州市、黃岡市、黃石市、潛江市和天門市PD增加率較高，武漢市、孝感市、咸寧市和仙桃市下降較快，而到了1995 — 2000年之前PD下降較快的城市也出現了大幅度增長，增長較快的城市增長幅度出現了大幅下降。2000 — 2005和2005 — 2011年間除潛江市的PD仍在增長，鄂州市和咸寧市先減少再增加，其他各個城市PD均大幅度減少。這說明在城市化過程中，水域斑塊密度隨著社會經濟發展而減小，生態系統趨于穩定。比較各縣市PD增加率的空間格局可知，在1987 — 1995、2000 — 2005以及2005 — 2011年間，區域中部和北部的市水域景觀破碎度下降較快，而在1995 — 2000年間，鄂州市、黃岡市和天門市等市的PD減少率較高。這主要是由于1998年以前圍湖造田使得湖泊面積減小，大湖泊被分割成小的水域斑塊，水域景觀斑塊密度增大，而在1998年后，由于中央政策的引導，各地認識到湖泊水域景觀在生態系統中的重要性，逐步退田還湖，湖泊面積增大，小湖泊建設成大水庫，斑塊密度減小，水域景觀穩定性增加。

各城市ED在4個時間段內也呈現出波動的趨勢，各城市均為先增加后減少，說明1987—2011年期間，武漢城市圈水域景觀前期不穩定性增加，到后期城市發展成熟，水域景觀穩定性增大。1987 — 1995時間段內鄂州市、黃岡市、黃石市、潛江市和天門市的ED處于增長狀態，這些城市的不穩定性增加，其他城市的ED不同程度地減少，水域景觀的穩定性增強。1995 — 2000年間武漢和咸寧地區的ED增長較明顯，水域的不穩定性增加較快。2000 — 2005年除黃岡和潛江出現了較小的增長外，其他城市的ED均出現了不同程度的減少，武漢市、孝感市和咸寧市的減少幅度較大。2005 — 2011年間除鄂州市和咸寧市外，各城市ED均出現了不同程度的下降。這說明在城市化過程中，水域景觀的穩定性整體增強，早期出現的不穩定性主要是由于國家在城市化早期，由于地少人多，采取“圍湖造田”的措施來增加耕地面積，但1998年以后認識到水域景觀在土壤保持和生物多樣性上的作用，實行了“退田還湖”政策，并進一步加強多湖泊水域的治理，使得水域景觀的穩定性增強。

各縣市的SHAPE-AM值也表現出減少的趨勢，表明農地景觀形狀隨著社會經濟的發展趨于規則。具體表現為，1987 — 1995和1995 — 2000年間武漢市、黃石市、孝感市、咸寧市和仙桃市的水域景觀SHAPE-AM下降幅度較大，斑塊形狀更加規則，這主要由于人們在土地整治規劃中，對水資源的重視，人類活動使得對水域景觀形狀更加規整。總的來看，只有在2000 — 2005期間各城市的水域景觀形狀不規則度在增加，而其他三個時間段SHAPE-AM出現較大幅度減少，水域景觀形狀更加規則。這說明隨著社會經濟的發展和土地規劃的實施，水域景觀也在人類活動的干擾下發生改變，對于水域的空間結構布局的優化調整都使得水域布局日趨規整，斑塊形狀更加規則。

AI值表現出先減小后增加的趨勢，1987 — 2000年各城市的聚集度減小，而在2000 — 2011年間各城市AI值增加，但總的來看水域景觀聚集度呈增加的趨勢。這主要是由于在1998年前，由于地少人多，各城市“圍湖造田”的現象比較嚴重，水域景觀斑塊密度增加，斑塊面積減小，水域景觀聚集度減小，而在1998年以后，國家出臺了“退湖還田”的政策來保護水域資源，疏浚河道，加強河流水域的規劃管理，水域景觀面積增加，形狀更加規則，各城市的水域景觀聚集度增加。

3.2.2 水域景觀格局的空間自相關分析 四個時間段內空間自相關的分析結果（表3）表明，TA、PD、ED、SHAPE、AI五個景觀指數變化的Morans I值均較小，并沒有表現出顯著的空間自相關性，說明水域景觀格局變化在空間上呈現出相對獨立的態勢。由于武漢城市圈各個城市的地域條件的差異，人類活動的干擾以及自然、社會、經濟因素發展差異，不同城市、不同城市化因子對水域景觀格局的影響程度有較大差異。

3.3 水域景觀格局與城市化的關系

選擇GDP（國內生產總值）、POP（總人口）、UR（城市化率）、UII（城市化強度）四個指數與景觀格局指數進行耦合分析，探討水域景觀格局與城市化因子的相關關系。比較線性回歸的R2（表4）可知，在1987 — 2011年間，武漢市的城市化因子對水域景觀格局變化影響顯著的是POP和UII，GDP、UR和景觀指數之間的聯系相對較小。表明人口和城市化強度在1987 — 2011年間可以有效預測武漢市水域景觀格局指數的變化，而GDP和城市化率因子不能有效解釋武漢市水域景觀格局指數的變化。其中，人口和城市化強度都與SHAPE-AM顯著相關，表明人口和城市化強度能夠有效預測武漢市水域景觀形狀的變化。比較線性回歸的標準化系數可知，隨著人口的增長、城市化強度的加強，武漢市水域景觀形狀會趨于不規則。

對于咸寧市而言，在1987 — 2011年間POP和UII均與TA呈正相關，此外POP還與SHAPE-AM呈正相關，表明城市總人口以及城市化強度均能有效預測咸寧市水域景觀總面積的變化情況，城市總人口對于水域景觀形狀變化也能夠起到有效的預測作用。比較分析回歸的標準化系數可以看出，咸寧市水域景觀形狀指數和總面積的變化與POP、UII呈正相關，表明隨著人口增加以及城市化強度的增加咸寧水域景觀面積增加，而且水域景觀形狀趨于不規則。

對黃石市的回歸情況進行分析可知，在1987 — 2011年間，黃石市水域景觀總面積均與城市總人口和城市化強度呈正相關，景觀斑塊密度PD和景觀邊緣密度ED與城市總人口呈顯著負相關，此外總人口還與水域景觀聚集度呈正相關，而UII則與景觀形狀指數顯著相關。而GDP和UR對所有景觀指數均無顯著相關性，表明POP可有效預測黃石市水域景觀總面積、斑塊密度、不穩定性和聚集度的變化，城市化強度可以有效預測水域景觀面積、水域景觀形狀的變化，而GDP和城市化率對于黃石市水域景觀格局的變化不能起到有效的預測作用。由回歸的標準化系數來看，隨著人口的增長，城市化強度的增加，黃石市水域景觀面積、形狀指數和聚集度會持續增長，景觀不穩定性和破碎度會降低。

在1987 — 2011年間，對潛江市的回歸情況進行分析可知，潛江市GDP、城市總人口、城市化率和城市化強度均與TA、PD、ED、SHAPE-AM、AI相關。水域景觀總面積和不穩定性均與GDP、城市總人口和城市化強度呈負相關，景觀斑塊密度PD和景觀聚集度AI與GDP、POP、UR顯著相關，此外聚集度還與城市化強度呈顯著正相關，而景觀平均形狀SHAPE-AM則與GDP和城市總人口呈顯著負相關。表明GDP和POP可有效預測潛江市水域景觀總面積、斑塊密度、不穩定性、形狀指數和聚集度的變化，城市化率可有效預測水域景觀斑塊密度和聚集度變化，城市化強度可以有效預測水域景觀面積、水域景觀穩定性和聚集度的變化。由回歸的標準化系數來看，隨著經濟的發展、人口的增長、城市化率和城市化強度的增加，黃石市水域景觀面積和不穩定性會降低，景觀形狀會趨于規則，破碎度會降低，景觀聚集度會增加。

對孝感市的回歸情況進行分析可知，在1987 — 2011年間，孝感市水域景觀總面積與城市總人口呈正相關。而GDP、UR以及UII對所有景觀指數均無顯著相關，表明POP可有效預測孝感市水域景觀總面積的變化，而GDP、城市化率和城市化強度對于孝感市水域景觀格局的變化不能起到有效的預測作用。由回歸的標準化系數來看，隨著人口的增長，黃石市水域景觀面積會持續增長。

在1987 — 2011年間，鄂州市水域景觀不穩定性與城市化強度呈顯著負相關。而GDP、POP以及UR對所有景觀指數無顯著相關關系，表明UII可有效預測鄂州市水域景觀不穩定性的變化，而GDP、總人口和城市化率對于鄂州市水域景觀格局的變化不能起到有效的預測作用。由回歸的標準化系數來看，隨著城市化強度的增強，鄂州市水域景觀穩定性會增強。

對仙桃市的回歸情況進行分析可知，在1987 — 2011年間仙桃市GDP、城市總人口和城市化強度均與TA、SHAPE-AM、AI相關。水域景觀總面積和形狀指數均與GDP和城市總人口呈正相關，此外景觀總面積TA還與UII顯著相關，而景觀聚集度AI與POP顯著負相關。表明GDP和POP可有效預測潛江市水域景觀總面積以及形狀指數和聚集度的變化，城市化強度可有效預測水域景觀總面積的變化。由回歸的標準化系數來看，隨著經濟的發展、人口的增長和城市化強度的增加，仙桃市水域景觀面積會增加，景觀形狀會趨于規則，景觀聚集度會降低。

對天門市的回歸情況進行分析可知，在1987 — 2011年間，GDP、城市總人口和城市化強度均與PD、ED和AI相關。水域景觀斑塊密度與GDP和城市化強度呈負相關，并且景觀不穩定性與GDP、POP、UII顯著負相關，此外聚集度與GDP和總人口顯著正相關，而UR則與景觀指數無明顯相關關系。表明GDP可有效預測潛天門市水域景觀斑塊密度、不穩定性和聚集度的變化，城市總人口可有效預測水域景觀穩定性和聚集度變化，城市化強度可以有效預測水域景觀破碎度以及穩定性的變化。由回歸的標準化系數來看，隨著經濟的發展、人口的增長和城市化強度的增加，天門市水域景觀破碎度會降低，景觀穩定相增強，景觀聚集度會增加。

在1987 — 2011年間，對黃岡市的回歸情況進行分析可知，黃岡市GDP、城市總人口和城市化強度與景觀TA、PD、ED、SHAPE-AM相關。水域景觀總面積和形狀指數均與GDP、城市總人口和城市化強度顯著相關，景觀斑塊密度PD與GDP、POP顯著負相關，此外景觀穩定性指數ED還與城市總人口呈顯著負相關，而SHAPE-AM則與GDP和城市總人口顯著負相關。表明GDP可有效預測潛江市水域景觀總面積、斑塊密度和形狀指數的變化，城市總人口可預測水域總面積、斑塊密度、穩定性和形狀指數的變化，城市化強度可有效預測水域景觀總面積和形狀的變化，而城市化率不能有效預測景觀指數的變化。由回歸的標準化系數來看，隨著經濟的發展、人口的增長和城市化強度的增加，天門市水域景觀面積和穩定性會增加，破碎度降低，景觀形狀會趨于不規則。

4 小結

在不同尺度上，1987 — 2011年間水域景觀格局變化存在一定的差異，但總體變化趨勢基本相似，主要表現為水域景觀面積先減少再緩慢增加，破碎度降低，穩定性增強，形狀趨于規則。此外，通過空間自相關分析發現水域景觀變化在空間上呈現出相對獨立的態勢，并未呈現顯著空間自相關。另一方面，水域景觀變化與城市化存在著較明顯的定量關系，具體總結為以下幾點：

在城市圈尺度上，城市化率、總人口、GDP以及建筑物面積等城市化因子均可以較好預測水域景觀格局的變化，但水域景觀總面積與城市化因子的相關性較弱，這主要是由于水域景觀面積不僅因為人口的增加而增加，還與國家政策有很強的關系，前期政策制定未能考慮到水域對可持續發展的重要性。

在市域尺度上，不同城市影響水域景觀格局變化的城市化因子不同，且影響程度存在差異，城市總人口和城市化強度因子對主要城市的水域景觀格局的影響程度更為顯著。

在城市圈和市域兩個尺度上，水域景觀變化與城市化的關系均呈現出隨著經濟發展、人口增加、非農人口比例增高以及建設用地擴張（城市化強度提高），水域景觀面積先減少再增加，景觀破碎度降低，穩定性增強，形狀趨于規則，水域景觀聚集度增加的趨勢。

武漢城市圈涉及到九個城市，九個城市的社會經濟發展狀況各有特色，各個城市土地利用政策也存在差異，本研究在分析武漢城市圈水域景觀變化規律時，只對整體政策變化進行分析，沒有具體分析單個城市土地利用結構變化的驅動因素，進一步的研究應該更細化進行分析。

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