太原市近15年城市景觀格局時空變化及其驅動力

馬曉勇, 黨晉華, 李曉婷, 趙 娜

(山西省環境科學研究院, 山西 太原 030027)

景觀空間格局是指大小和形狀不一的景觀斑塊在空間上的排列[1]，是景觀異質性的重要體現，也是各類生態變化處于不同尺度下產生的結果[2]。隨著人類活動的增強、工業化和城市化進程的加快，城市景觀格局特征越來越復雜[3]，呈現出“高度破碎化”的顯著特征[4]，致使原本自然景觀由連續的地帶性分布變為不連續的混合斑塊鑲嵌體[5]，直接影響生態系統的結構、功能和動態[6]，甚至造成城市生物多樣性減少和棲息地破壞[7-8]、環境污染[9]、熱島效應[10]等一系列的生態環境問題。這些問題的出現已經成為制約城市健康發展的重要因素，也將成為我國今后建設小康社會、實現區域可持續發展所面臨的重大挑戰[8]。目前我國正處于城市化進程中，人類對建設用地的需求還將持續增長，城市景觀格局還將受到日益增強的干擾，系統研究城市化過程中景觀格局的時空變化特征及其驅動力，不僅成為理解中國快速城市化生態環境效應的先導環節[11]，還能為城市管理部門制定可持續的土地規劃策略以及生態城市的建設提供科學依據。

自《太原市城市總體規劃(1998—2010年)》以來，城市建成區面積不斷擴張，城鄉景觀格局也發生著激烈的變化。單一景觀尺度下，對城市景觀格局動態研究的研究有諸多文獻報道，但在城市景觀中，不同尺度下的格局可能完全不同，也可能自相似[4]。近年來，以太原市為例的研究成果不多，王滿等[12-13]分別以太原市杏花嶺區和婁煩縣兩期的土地利用現狀為基礎，定量分析了其景觀格局的動態變化特征；劉艷紅等[14]以太原市1986，1995，2001年3個時相的TM/ETM數據為基礎，分析了城市化過程中綠地景觀格局及其與熱環境的變化特征；雒峰等[15]以太原市2006，2015年TM遙感影像為數據源，分析了太原市城區綠地景觀格局動態變化特征。但均未對太原市整體的景觀格局特征進行分析，也未從不同尺度來比較分析太原市景觀格局的動態變化特征，更未進一步分析引起太原市景觀格局變化的驅動因素。近期，國務院批復的《太原市城市總體規劃(2011—2020年)》對太原市未來的規劃有了新定位，全市域的景觀變化和主城區的景觀變化可能存在很大差異。因此，本文選取太原市全市域和主城區兩個不同尺度的區域為研究對象，利用GIS，SPSS及景觀生態學的方法，比較和分析2000—2015年太原市不同尺度下城市景觀格局特征的差異性，并進一步探討其城市景觀格局變化的驅動力，以期為解釋城市化進程中景觀格局演變的時空規律、評估社會經濟發展對其的影響提供重要的科學依據。

1 研究區概況和研究方法

1.1 研究區概況

太原市位于山西省境中央，太原盆地的北端，瀕臨汾河，地理坐標為111°30′—113°09′E，37°27′—38°25′N。太原市現轄6個市轄區、3個縣，代管1個縣市級，區域輪廓呈蝙蝠形，東西橫距約144 km，南北縱約107 km，全市面積為6 904.52 km2，其中主城區面積約1 416.28 km2。區域海拔最高點為2 702 m，最低點為749 m，相對高差1 953 m，地形以山地、丘陵為主，東、西、北三面環山，中南部為汾河沖擊扇平原，整個地形北高南低呈簸箕形。太原屬北溫帶大陸性氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，年平均氣溫9.6 ℃，1月份最冷，平均溫度6.8 ℃，7月份最熱，平均溫度23.5 ℃。年均降水量580.2 mm，主要集中在7，8，9月，占全年降雨量的65%～75%。太原工業發展迅速，是一個以冶金、機械、化工、煤炭為主的重工業城市，在快速的城市化進程中，隨著城市景觀格局的變化產生了一系列城市生態環境問題[14]。

1.2 數據來源及處理

研究所使用的覆被分類系統和DEM數據均來源于2000，2010，2015年3個時期空間分辨率為30 m的Landsat TM影像數據和高分辨率的高分1，2號遙感影像在Erdas 9.2和ArcGIS 10.0中進行監督分類和目視修改，獲得太原市各地類土地利用類型，進行實地驗證后，對解譯結果進行精度判定與修正，確保覆被數據的精確度[16]，將景觀類型分為耕地、林地、草地、水域、城鄉、工礦、居民用地以及未利用地等，獲得不同時期景觀類型分類圖后，在ArcGIS 10.0中進行計算和分析。

太原市全市域和主城區內地區總人口、農業人口、地區生產GDP總值、第一、二、三產業值、城鎮從業人員、固定資產投入等基礎數據全部來源于2001，2011，2016年3 a的山西統計年鑒。

1.3 研究方法

1.3.1 景觀類型構成及變化分析 采用ArcGIS 10.0軟件分別統計太原市全市域和主城區不同類型景觀的面積，計算2000，2010，2015年不同景觀類型的面積比例。為了解不同景觀類型之間的轉化情況，通過對研究區2000，2010，2015年3 a的景觀類型數據的疊加，計算出2000—2015年太原市全市域和主城區各景觀類型的轉移矩陣。

1.3.2 景觀格局分析 采用Fragstats 3.4軟件，從類型水平和景觀水平兩個層次對太原市全市域和主城區的景觀格局進行分析。在類型水平上選取的指數有斑塊密度(PD)、邊緣密度(ED)、最大斑塊指數(LPI)、景觀形狀指數(LSI)；在景觀水平上選取香農多樣性指數(SHDI)、香農均勻度指數(SHEI)、蔓延度指數(CONTAG)、分布聚合性指數(AI)，共計8個指標[1,12]。

1.3.3 驅動力分析 景觀格局變化驅動力研究為問題導向型，還未形成固定的研究方法。城市景觀動態變化的驅動因子主要包括自然和人文兩方面的因素，在較小的時空尺度下，比較穩定的自然因子對景觀格局變化起到約束作用，而經常變化的人為驅動因子則是景觀變化的直接驅動力[17]。本研究采用定量和定性的綜合方法，從社會經濟因素、政策因素、城市規劃與發展理念等方面來分析景觀格局變化的驅動力。參照其他學者的研究[1,18]，選取該地區2000，2010，2015年3個年份10個區/縣的總人口(X1)、農業人口(X2)、地區生產GDP總值(X3)、第一、第二、第三產業值(X4—X6)、城鎮從業人員(X7)、固定資產投入(X8)等8個指標，在SPSS 21.0軟件中，利用主成分分析法篩選引起景觀格局變化的因素。

2 結果與分析

2.1 景觀類型構成及變化

2.1.1 景觀類型構成 對比全市域尺度上的景觀類型分布格局圖(附圖8)以及景觀類型構成(表1)可以發現，2000年太原市主要景觀類型為林地、耕地和草地，分別占總面積的33.60%，31.80%和27.47%，合計92.87%；2015年其主要景觀類型仍為林地、耕地和草地，但三者的比例有所變化，分別占總面積的35.18%，27.97%和25.49%，合計88.64%。2000—2015年，全市域各景觀類型的面積發生了不同程度的改變，其中變化最為明顯的是城鄉、工礦、居民用地，占總面積的比例由5.86%增至10.27%，總量增加4.41%，且2010年之后的增長速度為2010年之前增長速度的9倍；耕地、草地的比例大幅減少，尤其是耕地的比例呈單調的下降趨勢，由31.80%下降到27.97%，總量減少3.83%，耕地、草地成為城鄉、工礦、居民用地擴展的主要來源；林地的比例在2010年之前變化較小，隨著城市對環境改善的需求增加，林地面積在2010—2015年期間呈上升趨勢，由33.94%增至35.18%，總量增加1.24%。

表1 太原市2000-2015年全市域景觀類型構成

對比主城區尺度上的景觀類型分布格局圖(附圖8)以及景觀類型構成變化(表2)可以發現，2000年太原市主城區面積最大的景觀類型為耕地，其次為城鄉、工礦、居民用地，二者分別占總面積的37.54%和21.65%；而2015年主城區面積最大的景觀類型為城鄉、工礦、居民用地，其次為耕地，二者分別占總面積的33.82%和27.04%，說明主城區城市化進程較快，耕地成為城鄉、工礦、居民用地擴展的主要來源。主城區是太原快速城市化的典型區域，隨著其社會經濟的發展，土地利用強度逐年加大。表2分析結果表明，主城區城鄉、工礦、居民用地的增長在研究時段內一直保持較高的增長率，總量增加8.96%，與全市域的增長趨勢類似，在2010年之后的增長速度要明顯快于2010年之前，約為2010年之前增長速度的5.6倍；與之對應的耕地、草地的比例則明顯下降，總量分別減少7.15%和5.61%，隨著城市化進程的加快，城市耕地、草地都呈現出明顯縮小的變化趨勢[1,5,18]；林地總量在2010年之后呈現明顯的增加趨勢，占總面積的比例由19.93%增至23.66%，總量增加3.74%；水域景觀類型保持了下降的趨勢，與相關研究類似[18]，即隨著城市化進程的加快，城市水體都呈現縮小的變化趨勢。

整體而言，相比2000年，2015年城鄉、工礦、居民用地的比例增加了近9%，相應的耕地景觀類型的比例下降了約7%，城鄉、工礦、居民用地的耕地占比相比全市域而言更為顯著。

表2 太原市2000-2015年主城區景觀類型構成

2.1.2 景觀格局變化 從2000—2010年和2010—2015年2個時段分析太原市全市域和主城區景觀格局的轉移方向。由表3可知，耕地景觀類型的縮減面積主要轉換為草地和城鄉、工礦、居民用地，并在2010—2015年期間轉移面積最大，分別達到250.28和196.88 km2，尤其是耕地向城鄉、工礦、居民用地的轉移在短短5 a內增長了3倍多；除耕地向其他景觀類型的轉換外，草地向耕地、林地的轉移也較為激烈，其中草地向耕地的轉換最為明顯，2010年之后草地向林地的轉換面積為210.36 km2，也呈現出近5 a轉移速率大幅增長的趨勢。總體來看，全市域景觀類型的轉化主要為耕地向城鄉、工礦、居民用地以及草地向林地的轉移，并在2010—2015年期間轉移面積最大(圖1)，說明耕地成為太原市城鄉、工礦、居民用地擴張的主要來源，且隨著城市化進程的發展，人們對生態環境保護的意識增強，大面積植樹造林，尤其是在2010年之后林地面積大幅度增加。

由表4可知，研究時間段內主城區尺度上的景觀類型變化主要為耕地向城鄉、工礦、居民用地的轉移，2010年之前轉移46.63 km2，2010年之后轉移量遠大于2010年之前，為107.23 km2，說明近5 a來太原市主城區城市化進程明顯加快，耕地成為城鄉、工礦、居民用地擴張過程中減少最快、最多的景觀類型，這與陽文銳的研究結果相吻合[18]。

注：景觀類型代碼：1耕地轉林地； 2耕地轉草地； 3耕地轉城鄉、工礦、居民用地； 4林地轉耕地； 5林地轉草地； 6草地轉耕地； 7草地轉林地。

圖1太原市全市域和主城區主要景觀類型變化對比

與全市域尺度相比，主城區尺度上主要景觀類型的變化趨勢相類似，均呈現2010年之后翻倍增長的趨勢(圖1)。主城區尺度上耕地與林地、耕地與草地間相互轉化的比例較小，且兩類景觀類型間相互轉化的轉化量差別較小；主城區尺度上草地與林地相互轉化的差別相對較大，由草地向林地的轉移量明顯高于林地向草地的轉移量，這種現象在2010年之后更為明顯；主城區尺度上耕地向城鄉、工礦、居民用地轉移的比例占到全市域的1/2以上，是整個研究區面積增長最快的景觀類型，與胡東雪等的研究結果相吻合[1]。相比周邊地區，主城區經濟發展更為迅速，城市化進程更快，土地利用強度更大，人們對城鄉、工礦、居民用地的需求量更高，而主城區內土地利用緊張，因而耕地成為主城區內城市化擴張的基本來源。

表3 太原市2000-2015年全市域各時段景觀類型轉移矩陣 km2

表4 太原市2000-2015年主城區各時段景觀類型轉移矩陣 km2

2.2 景觀格局變化特征分析

2.2.1 類型水平 斑塊密度(PD)、邊緣密度(ED)和景觀形狀指數(LSI)可以很好地反映景觀的破碎化程度。

從圖2可以看出，各景觀類型在全市域尺度與主城區尺度略有差別，全市域尺度上耕地和草地的PD，ED和LSI指標均為最大，表明耕地和草地的斑塊數量最大，斑塊邊界較長且不規則，景觀破碎化程度較高，城鄉、工礦、居民用地的PD，ED和LSI指標正在逐年上升，景觀破碎化程度正在逐年增加；在主城區尺度上城鄉、工礦、居民用地和未利用地的ED和LSI指標顯著上升，說明相較于全市域，在主城區的城市化進程更快，其景觀破碎化程度更高。從最大斑塊指數(LPI)的動態特征來看，在研究時段內，耕地、林地一直是全市域尺度上的優勢景觀，但城鄉、工礦、居民用地的優勢度正逐年上升，其最大斑塊的比例不斷增加，說明在城市化進程中城鄉、工礦、居民用地增長的態勢；在主城區尺度上，優勢景觀為耕地和城鄉、工礦、居民用地，城鄉、工礦、居民用地的LPI指標增長趨勢十分明顯，說明其小型斑塊向大型斑塊整合，更趨向于大型化和集中化，優勢度不斷增加，而耕地和草地的最大斑塊比例不斷減少。

圖2 太原市各類型水平的景觀指數變化

2.2.2 景觀水平 香農多樣性指數(SHDI)和香農均勻度指數(SHEI)均為反映景觀多樣性的指標，但前者強調稀有斑塊類型對信息的貢獻，反映景觀異質性，后者可以與優勢度指標相互轉換，反映出景觀受到一種或少數幾種優勢拼塊類型所支配的程度。近15 a間，太原市全市域尺度與主城區尺度的SHDI與SHEI指數變化趨勢相似，均呈現出全市域尺度上先增加后減少而主城區尺度持續增加的趨勢(圖3)。整體而言，全市域尺度上SHDI和SHEI指數均低于主城區尺度，說明相較于全市域尺度，主城區尺度各斑塊類型在景觀類型所占比例呈均衡化趨勢分布。從時間角度而言，全市域尺度上SHDI和SHEI指數一直上升，尤以2010—2015年上升明顯，說明這段時間內太原市土地利用豐富，破碎化程度逐漸增加，各景觀類型所占比例呈均衡化趨勢分布；而在主城區尺度上，2000—2010年呈現與全市域尺度相似的趨勢，但在2010—2015年SHDI和SHEI指數略有下降，說明主城區尺度上有明顯小型斑塊向大型斑塊整合的趨勢，景觀逐漸受到一種或少數幾種優勢拼塊類型所支配，景觀豐富度呈降低趨勢。

蔓延度指數(CONTAG)和分布聚合性指數(AI)均為反應景觀斑塊類型團聚程度的指標。整體而言(圖3)，全市域尺度的CONTAG指數高于主城區尺度，而AI指數低于主城區尺度，說明相較于全市域尺度，主城區尺度上景觀中存在較多小斑塊，且各景觀類型斑塊的集中程度較高，而全市域尺度上景觀中有連通度較高優勢斑塊類型存在。從時間角度而言，2000—2010年，全市域尺度和主城區尺度的CONTAG和AI指數變化相對較小，且呈現相似的趨勢，說明這段時間內，不同斑塊類型的分散度略有降低；在2010—2015年，全市域尺度和主城區尺度的AI指數均呈現降低趨勢，而CONTAG指數卻呈現出不同的變化趨勢，說明主城區尺度上景觀類型斑塊的分布更為分散，小斑塊逐步向大型斑塊整合，景觀中的某種優勢拼塊類型形成了良好的連接性，優勢度不斷增大。

圖3 太原市各景觀水平的景觀指數變化

2.3 太原市景觀格局變化驅動因素

2.3.1 社會經濟因素 對3個年份的數據進行主成分分析后，均提取出2個主成分，第一主成分中總人口、地區生產總值、第二產業值、第三產業值、城鎮從業人員和固定資產投入這6個指標的系數較大(其中總人口、地區生產總值的系數最大)，第二主成分中農業人口和第一產業值的系數較大(表5)。

進一步分析總人口、地區生產總值對景觀格局變化的影響，可以發現太原市總人口呈不斷增長的趨勢，由2000年的334.4萬人增長至2015年的431.87萬人，增長率為29.15%；農業人口反而呈不斷減少的趨勢，由2000年的104.83萬人減少至2015年的67.35萬人，減少率為35.75%(圖4a)。總人口的大幅增加和農業人口的大幅減少，一方面會導致部分耕地因無人管理而逐漸荒蕪，最終演替為草地；另一方面，城市人口必然大量增加，從而導致居住地面積的增加，但太原市大部分為耕地、林地、草地所覆蓋，可利用地有限，這使得人口增長所致的土地壓力加大，進而引起城市范圍的擴大，進一步加劇城市化的進程。由此可見，人口增加和人口結構的變動是引起太原市景觀格局變化的原因之一。

2000—2015年，太原市經濟發展迅速，地區生產總值由2000年的346.53億元增長至2015年的2 479.61億元，增長率為615.55%。從各產業產值來看，第一產業發展相對緩慢，15 a間產值增加150.04%；第二產業發展迅速，但近5 a發展速度明顯下降，15 a間產值增加457.12%；第三產業呈高速發展的態勢，占據主導地位，15 a間產值增加825.90%，形成了“三、二、一”的產業格局(圖4b)。第二、三產業的蓬勃發展吸引了大量就業人口，引起城鄉、工礦、居民用地面積的增加和未利用地的減少，所以經濟因子也是引起景觀格局變化的因素。

表5 太原市各年份主成分分析結果

圖4 太原市人口與各產業產值

2.3.2 政策因素 政策因素對太原市景觀格局最直接的影響表現為林地面積的增加、耕地面積的減少。2010年，山西省提出“推進城鄉生態化”，林業生態建設被擺在了全省轉型跨越發展基礎和前提的突出位置。2010年太原市造林面積為18 979 hm2，建城區綠化覆蓋率36.8%，綠地率32.0%，人均公園綠地面積9.59 m2；2015年造林面積為17 880 hm2，建成區綠化覆蓋率41.00%，綠地率36.07%，人均公園綠地面積11.56 m2。耕地面積的減少除了受“退耕還林”政策的影響外，還受到農業結構調整、糧食收購等政策的影響[1]，2000年太原市糧食播種面積為999.60 km2，到2010年下降為847.82 km2，2015年持續下降為755.71 km2；再加上城市化進程的加速發展，城市經濟得到飛速發展，促使大量農村勞動力向城市轉移，城市人口增長、工業及服務業的飛速發展對城鄉、工礦、居民用地需求的增加，由于城市土地利用緊張，耕地成為城鄉、工礦、居民用地擴張的主要來源，大量耕地被占用，導致耕地面積急劇下降。

2.3.3 城市規劃與發展理論 城市總體規劃是根據國民經濟和社會發展規劃制定的一定時期內各項用地安排和綜合部署，而城市景觀格局的變化與城市總體規劃的實施是緊密相關的[18]。在太原快速城市化進程中，全市域尺度的城市擴展與主城區尺度的城市擴展存在差異性，主城區以城鄉、工礦、居民用地向外推進延伸為主，而全市域尺度則呈現跳躍式擴展為主。城市總體規劃對于產業發展和布局的引導，促進城鄉、工礦、居民用地大幅增加。2000—2010年，城鄉、工礦、居民用地面積變化相對較小(圖2)，大多分布在主城區尺度上，其城鄉、工礦、居民用地面積增長45.43 km2，占全市域面積變化的82.58%，這與《太原市城市總體規劃(1998—2010)》中“主城區充分發揮對外輻射功能，以區帶鄉，促進城鄉共同發展”的理念相吻合；2010—2015年，城鄉、工礦、居民用地面積變化明顯，但主城區尺度上的變化面積僅為全市域尺度上的50.84%，即非主城區地區的城鄉、工礦、居民用地面積大幅增加，且增加幅度近于主城區的變化，這與新一輪總體規劃《太原市城市總體規劃(2011—2020年)》中“城市規劃范圍包括太原市轄6城區、清徐縣全部行政區劃范圍和陽曲縣侯村鄉等地區、引黃工程輸水管兩側20 m以及汾河一、二庫周圍500 m(后將范圍調整為太原市市域范圍)”相吻合，即在主城區飛速發展的同時，加大對其周邊地區的建設和發展，且周邊地區與主城區在職能上緊密銜接，但在空間上保持相對分離，因而出現全市域景觀格局變化與主城區不同的態勢。

3 結 論

在全市域和主城區尺度上，太原市的景觀格局呈現一定的差異性。總體上，二者呈現較為一致的趨勢，即在全市域和主城區尺度上，林地、耕地、草地始終是占比較大的景觀類型，城鄉、工礦、居民用地呈現較為明顯的增加趨勢，且耕地和草地的減少成為城鄉、工礦、居民用地擴展的主要來源；但主城區尺度上，2010年之前面積最大的景觀類型為耕地，到2015年變為城鄉、工礦、居民用地，作為太原快速城市化的典型區域，主城區土地利用的強度逐年加大，城鄉、工礦、居民用地的耕地占比相比全市域而言更為顯著，這與付剛等[5]的研究結果相一致。景觀格局指數的分析進一步表明，全市域尺度和主城區尺度的景觀格局變化表現出不同的特征。全市域尺度上耕地、林地斑塊破碎化程度高，景觀蔓延度下降，景觀多樣性增加，但城鄉、工礦、居民用地的優勢度正逐年上升，反映了隨著城市化進程的加快，太原市土地利用豐富，城鄉、工礦、居民用地面積不斷加大，景觀破碎化程度逐漸增加；在主城區尺度上，城鄉、工礦、居民用地斑塊破碎化程度顯著升高，城市化進程更快，但其小型斑塊逐漸向大型斑塊整合，優勢度不斷增加，因而景觀蔓延度呈先下降后上升的趨勢，景觀多樣性卻呈先上升后下降的趨勢。

在景觀格局演變的驅動力方面，社會經濟的發展、政策因素以及城市規劃與發展理論的實施的是太原市城市景觀格局演變的主要驅動力，這與胡冬雪和陽文銳等[1,18]的研究結果相一致。城市產業結構的調整、政策以及城市規劃與發展理論的實施對城市發展的引導，引起人口規模和人口結構的變動，進而引起城鄉、工礦、居民用地面積的增加和耕地等其他景觀類型的減少，生態空間出現不同程度的萎縮，進而改變城市的景觀格局。