澳門城市生態系統格局變化研究

孟 楠,韓寶龍,王海洋,逯 非,許 超,3,歐陽志云

1 西南大學園藝園林學院,重慶 400715 2 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085 3 北京林業大學園林學院,北京 100083

由于四百多年來東西方文化交融及中葡多元文化背景,澳門特別行政區形成了以西方中世紀模式為主體,兼備中國傳統“里坊”思想的城市肌理[1]。城市格局由集中走向分散,逐漸演變為以澳門半島和離島為核心的雙城格局,是世界交通史、貿易史和文化史重疊交錯的歷史名城[2],被聯合國教科文組織列為世界遺產[3]。作為我國“一國兩制”方針范本和世界旅游休閑中心,澳門城市化率達到100%,是全球人口密度最高的城市之一。澳門半島這類“緊縮城市”的人口密度更是居世界之首,其建筑密度高、生態資源數量稀缺、分布零散、破碎化程度高[4],城市發展與挑戰并存。人口集聚及社會經濟發展使填海造地工程加速推進[5],從而改變城市規模、景觀組分和空間構型[6- 7],國際機場、港珠澳大橋及不斷外移的海岸線,有效改善城市交通狀況、形成發達的海陸空運輸體系[8]。在即將迎來澳門回歸祖國20年之際,系統梳理、精細調研澳門城市生態系統的格局變化,具有回顧過去建設經驗和教訓、展望未來發展方向的重大現實意義。

城市景觀格局的空間結構及其演變機制一直以來都是城市土地利用和城市發展的關鍵問題[9],其中,尺度效應研究是土地利用/覆被變化分析的基礎[10]。合理的城市內部結構,既有利于土地資源的高效配置,又有利于其社會經濟的健康有序發展[11- 12]。國內外眾多學者對景觀分析的最佳粒度[13- 14]進行探索,利用遙感、GIS技術,結合土地利用轉移矩陣、景觀格局指數及重心轉移狀況、數學統計分析等來進行景觀格局的變化研究[15- 17],并在城市景觀結構變化及其內外驅動機制[18]、趨勢模擬[19]及土地利用結構的合理性[9]等方面取得了豐碩成果。然而,對于澳門而言,僅有李金平等人[20- 22]關注全市尺度上景觀格局的變化情況,成果集中在2010年以前、缺乏近期研究及外文參考文獻。且研究基于遙感影像原始分辨率,未考慮粒度效應對景觀格局分析結果的影響及澳門半島和離島之間的發展差異。

鑒于此,本研究以兩期高分辨率遙感影像數據為基礎,通過遙感解譯對澳門城市生態系統進行分類,繪制完成迄今最新最細致的澳門城市生態系統類型圖,并通過尺度分析確定最佳分析粒度,利用土地利用轉移矩陣、景觀指數等進行澳門城市景觀結構、生態系統格局及其演變的空間分異研究。同時,比較澳門不同區域的發展差異,并針對不同區域特點提出差異化的優化方法。

1 研究區概況

圖1 澳門區位分析及調查樣點Fig.1 Location analysis and investigation spots of Macao

澳門特別行政區(22°06′39″—22°13′06″N,113°31′33″—113°35′43″E)位于我國大陸東南部沿海,北與廣東省珠海市相連,西跨蓮花大橋與珠海市橫琴島、灣仔隔水相對,東隔珠江口與香港相望。屬海洋性季風氣候,年平均氣溫為22.4℃,地貌類型簡單,主要由平地、臺地和丘陵構成。特殊的區位條件、人口增長和社會經濟發展需求,以及豐富的淺海和灘涂資源,使得近一百多年來澳門不斷采用填海造地工程來進行土地擴張,從1912年的11.60 km2逐步擴展到2017年的33.60 km2。其陸域區域主要由澳門半島、凼仔島、路環島以及路凼填海區組成,其中三座大橋(嘉樂庇總督大橋、友誼大橋、西灣大橋)及路凼填海區分別把澳門半島及凼仔島、路環及凼仔兩個離島連為一體(圖1)。

2 研究方法

2.1 遙感影像數據來源及處理

本文研究以澳門城市范圍為研究對象,由于該研究區內早期遙感影像數據獲取條件有限,并有云層遮擋情況,本研究以2001年IKONOS數據為基礎的同時,輔以部分2003年QuickBird數據(澳門半島北部),解譯出2001年土地利用分類數據;以2017年GF2遙感影像數據為基礎,解譯出2017年土地利用分類數據。

根據澳門土地利用景觀類型結構特點及研究目的,參考《土地利用現狀分類》(GB/T21010—2017)分類標準和生態用地相關分類體系[23],對澳門進行景觀類型的劃分。首先,采用 ENVI5.3對影像進行坐標轉換、幾何精校正、圖像鑲嵌、裁剪以及圖像融合等預處理,并將IKONOS和QuickBird兩景影像鑲嵌后數據重采樣為1 m空間分辨率;其次,利用eCognition對影像進行面向對象的監督分類,并結合野外采樣得到的479個樣本點進行分類后處理,經驗證,分類結果滿足精度要求;最后,運用ArGIS 10.4制作兩期景觀類型專題圖并進行分析。

2.2 景觀結構及其變化分析

2.2.1 景觀結構的數量變化規律

景觀結構的數量變化規律可以用土地利用類型動態度和土地利用轉移矩陣來表示,前者能夠展現研究區某一時間范圍內某種土地利用類型的數量變化情況[24],而后者可以有效反映研究區該時間范圍內各土地利用類型來源、結構特征及轉移變化情況[25]。因此,本文采用ArGIS10.4分別統計兩期分類圖中不同類型景觀的面積、比例及土地動態度,詳見公式(1)。并運用ArGIS10.4空間分析模塊中的Tabulate Area工具來計算研究區各景觀類型的馬爾科夫轉移矩陣,分析研究期內澳門不同景觀類型之間的轉化情況。

K=(Ub-Ua)/Ua× 1/T×100%

(1)

式中,K為研究時段某一土地利用類型動態度;Ua和Ub分別為研究初期和末期某一土地利用類型的數量(單位：km2);T為研究時長(單位：年)。

2.2.2 景觀結構的空間變化趨勢

本文利用重心遷移定量模型[26]來研究澳門景觀結構的空間變化情況,通過研究初期和末期景觀分布重心的轉移方向,來分析研究時段內景觀結構空間變化情況,詳見公式(2)。主要通過ArGIS10.4數據管理模塊中的Feature to Point工具進行重心計算來獲得其轉移規律的研究。

(2)

式中,Xt和Yt分別表示第t年景觀類型分布重心的經緯度坐標;Cti表示第i個斑塊該種景觀類型的面積;Xi和Yi分別表示該種景觀類型第i個斑塊的幾何重心的經緯度坐標。

同時,利用重心轉移距離模型模型定量測度各景觀類型重心轉移距離[27],詳見公式(3)。

(3)

式中,Dit2t1為第i種類型景觀由起始年t1到終止年t2重心轉移距離;Xit1Yit1和Xit2Yit2分別為起始年t1和終止年t2的經緯度坐標。

2.3 關鍵景觀格局指數變化

景觀格局指數是指在空間尺度上,量化景觀格局和結構、定量監測生態現象的一種簡單定量指標[28],可以研究不同景觀之間的差異、描述和監測景觀結構動態變化情況、辨識生態學特征空間梯度[29],對于研究城市景觀生態過程和生態功能變化具有重要意義。景觀指數數目繁多、相關性很高,且具有明顯的尺度依賴性,根據景觀指數內涵和研究區特點,分別從簡單統計學指標類型、面積與周長比類型、信息論類型和分維類型4方面選取斑塊數量、景觀形狀指數及最大斑塊指數、蔓延度指數及香農多樣性指數、分維數6個指標(表1)。

表1 景觀指數及其生態學意義

首先,以2017年土地利用分類圖為基礎,按照5 m步長合并柵格單元,并選取對尺度效應較為明顯的LPI、PAFRAC和MoranI指數進行最佳粒度分析。在此基礎上,運用Fragstats4.2軟件對上述六個指標進行分析;同時,利用移動窗口法,選取CONTAG、FRAC和LSI,進行城市空間格局異質性的梯度分析,并與時間序列上景觀指數特征相結合,從而實現景觀格局變化與過程的精確銜接[33- 34]。

3 結果

3.1 2001至2017年澳門景觀組成和結構變化

針對澳門城市特點,對其陸域生態系統進行基于生態過程的城市景觀類型劃分,其中,一級分類2類,二級分類5類,三級分類12類(圖2,表2)。在此基礎上,針對二級分類上澳門城市生態系統類型的變化情況及土地利用轉移狀況進行詳細說明(圖3,表3)。

圖2 澳門2001—2017年城市景觀類型分布圖Fig.2 Distributions of landscape type in Macao from 2001 to 2017

類型ⅠTypes類型ⅡSubtypes類型ⅢSubtypes2001年2017年全域Macao澳門半島Macao peninsula離島Island全域Macao澳門半島Macao peninsula離島Island動態度Dynamic degree/%不透水地表建設用地建筑7.524.373.1511.234.756.482.61Impervious surface道路2.491.441.053.161.411.75廣場0.050.040.010.130.070.06透水地表有林地人工林4.321.203.124.911.623.291.21Pervious surface自然林4.640.294.355.170.324.85人工灌叢0.010.000.010.090.040.05自然灌叢0.050.010.040.720.110.61草地草地3.460.303.162.770.192.58-1.17裸地裸地1.800.251.553.051.481.574.08濕地湖/塘/庫1.201.020.181.130.950.18-0.94濕地0.590.010.580.290.010.28人工水面0.070.010.060.150.010.14總面積Total area/km226.198.9417.2532.7710.9521.82

3.1.1 澳門全市域景觀組成及變化

2001至2017年期間,澳門全域總面積由26.19 km2增加到32.77 km2,增加幅度為6.58 km2。其中,建設用地和有林地是澳門優勢景觀類型,構成城市景觀基質(75%左右);除草地和濕地外,其余3種景觀類型面積都呈現增加趨勢,其中裸地和建設用地變化最未劇烈,動態度分別為4.08%和2.61%。由于城市建設的發展需要,各類景觀主要向建設用地轉化,其中裸地轉化率最高,為44.44%;同時,隨著人們對城市生態環境質量需求的提高,也存在建設用地向有林地轉化的情況,轉化率為14.12%。2001至2017年期間,新填海造陸區域土地主要是轉化為建設用地及裸地,二者占新填海區域的72.34%。

圖3 2001—2017年澳門景觀類型變化及景觀重心轉移狀況圖 Fig.3 Changes of landscape types and center transfer of landscape gravity in Macao from 2001 to 20171—6分別代表6種景觀類型(建設用地、有林地、草地、裸地、濕地和海域),其中12代表由景觀類型1轉換為景觀類型2

年份Year地類Land Use Types2017年建設用地Construction land有林地 Forestland草地Grassland裸地 Bare land濕地Wetland總面積 Total area建設用地Construction land8.211.420.300.080.0510.06有林地Forestland1.746.840.310.070.059.01草地Grassland1.300.731.260.070.103.462001年裸地Bare land0.800.470.260.210.061.80濕地Wetland0.270.200.100.061.231.8612.329.662.230.491.4926.19填海造地Sea reclamation2.201.220.542.560.076.58總面積 Total area14.5210.882.773.051.5632.77

3.1.2 澳門半島和離島景觀組成及變化

為研究不同區域景觀結構變化情況,將新城A區納入澳門半島區域,并和由凼仔島、路環島、路凼填海區和新城E1區組成的離島區域(圖1)進行對比分析(表2)。在2001至2017年期間,澳門半島面積增加2.01 km2,建設用地和有林地面積增加趨勢明顯,優勢景觀類型為建設用地。由于新城E1區和路凼填海區范圍不斷擴張,導致離島總面積增加達4.57 km2,優勢景觀類型為有林地。

此外,澳門半島和離島填海方式也有顯著區別。2001至2017年期間,澳門半島區域的填海方式以離島圍填為主(新城A區,1.21 km2),海濱圍填為輔(大堂區東部和南部、花地瑪堂區西部及風順堂區西南部),而離島區域則完全采用海濱圍填(新城E1區、路凼填海區,0.92 km2)。

但二者不透水地表(東南方向)和透水地表(東北方向)的重心轉移方向表現出明顯一致性,前者重心轉移距離明顯大于后者(圖3)。由于城市東北方向進行大面積填海造陸,且存在大量裸地,導致城市整體重心向東擴展。其中,澳門半島區域透水地表重心轉移距離最大,高達0.80 km;離島區域不透水地表重心轉移距離最小,僅為0.09 km。填海造地區域多是不透水地表和裸地,其城市擴張壓力和生態壓力遠大于其他地區。

3.2 景觀格局變化分析

3.2.1 景觀指數對粒度效應變化的響應

不同粒度下Moran′I、PAFRAC和LPI對尺度變化表現出明顯的依賴性(圖4)。在各個粒度水平下,MoranI值遠大于0,表明研究區內景觀格局存在明顯空間正相關,在0—55 m粒度范圍內,景觀類型存在空間聚集現象,且呈下降趨勢;當粒度較大時(60—100 m),景觀類型分布的空間依賴性降低、波動明顯且無規律。PAFRAC和LPI隨粒度變化分別呈增加和下降趨勢,且都在25 m前后表現出明顯的變速差異性。由此得出,25 m可能比較接近本征尺度,在后續景觀指數和空間格局的分析過程中應選取25 m作為最佳分析粒度。

圖4 景觀指數的粒度效應Fig.4 The granularity effect of landscape index

3.2.2 澳門景觀格局指數變化分析

在景觀水平上(表4),NP由1668增加到2257,增加趨勢顯著;CONTAG由2001年的35.21變為2017年的36.08,但SHDI呈現微弱降低趨勢,表明研究區景觀破碎化程度顯著增加,景觀多樣性降低,各斑塊類型在景觀中趨于均衡分布。LSI、LPI和PAFRAC能夠在一定程度上反應研究區景觀水平上土地利用受人類活動的影響程度,在2001至2017年期間,三者分別由26.67變為33.55、21.29變為20.44、1.50變為1.54,說明研究區受到的人為干擾作用越來越明顯,景觀形狀趨于復雜和不規則。建設用地和有林地是澳門的優勢景觀類型,二者NP、LSI增大,LPI值減少,則表明景觀斑塊破碎度程度加劇,形狀趨于復雜和不規則,建設用地和有林地斑塊在景觀中趨于均衡分布;PAFRAC值增加,且愈加偏離布朗隨機運動狀態值1.5,表明其穩定性增加。

3.2.3 澳門景觀格局變化分析

以景觀形狀指數和分維數表征澳門城市景觀的破碎化及人為擾動情況,澳門城市景觀空間變化特征明顯(圖5)。2001至2017年期間,分維數和景觀形狀指數高值區域明顯增加,離島區域變化程度明顯高于澳門半島,中部路凼填海區及南部路環島東北部區域尤為明顯,說明該區域存在主導景觀類型,受人為干擾嚴重,斑塊形狀較為復雜;而半島區域中歷史城區由于特殊的歷史地位,受人為干擾程度較低,分維數和景觀形狀指數明顯低于其他地區。

表4 不同年份景觀特征指數

圖5 澳門2001—2017年分維數(FRAC-MN) 和景觀形狀指數(LSI) 的空間分布圖Fig.5 Spatial distribution of fractal dimension index and landscape shape index in Macao from 2001 to 2017

4 討論

(1)填海造地推動澳門城市面積快速增長,生境質量存在下降風險

澳門本地生產總值年均增長率為10.72%,高于全國平均水平9.50%,且山多平地少,現有土地狀況難以滿足社會經濟的發展需要。因此,澳門以城市發展需求為導向,通過填海造地來平衡土地供需關系,陸域面積由26.19 km2增加到32.77 km2。人工建筑干擾強度大幅度提高,景觀組分破碎化程度和斑塊形狀規則化程度增加,景觀組分趨于均衡分布,區域景觀生態壓力增大,存在生境質量下降風險[35]。

(2)景觀破碎化程度加劇,澳門生態空間與社會經濟空間融合程度增加

為延續原有城市機理、保護城市歷史文脈,針對建筑密度高的特點,城市建設采用大量小型生態空間,見縫插針地增加城市綠地,由此導致城市景觀破碎化程度加深。澳門半島屬于人類活動較頻繁的居民地、交通、商業等建設用地區域,功能較為單純[36],采用小而分散的綠地布局模式來滿足居民日常休憩需求;而離島區域開發相對較晚,主要發展有利促進經濟多元進程的相關產業[37],有高爾夫球場和保護區等中大型綠地,輔以街區公園等小型綠地,使生態空間與經濟空間融合程度更高。

(3)澳門半島發育已經成熟,離島仍在加速發展期

澳門半島和離島發展歷程不同,其空間形態的生長機制與演變存在一定差異性。澳門半島優勢景觀為建設用地,其建筑物及相鄰的八塊前地屬于澳門歷史城區,2005年被列入世界文化遺產名錄,澳門政府致力于歷史遺產的保護和利用[38],半島發展趨于飽和狀態;而離島優勢景觀為有林地,研究期內路凼填海區和新城E1區快速建設,存在大潭山、小潭山、九澳水庫、黑沙水庫等大面積自然生境及主要交通樞紐(澳門國際機場),其景觀格局組分優于澳門半島區域,具有較好的發展前景。

(4)澳門半島主要填海方式為離島圍填,離島區域則為海濱圍填

香港填海造地使城市商業區過度聚集、城市發展不均衡[39],而澳門則以分散市中心人口、發展城市產業為目標,進行分區規劃及城市空間擴展。半島北與珠海相連、西與橫琴對望,缺乏自主開發空間,因此,主要采用離島圍填的填海方式(新城A區)來緩解澳門半島住房和交通費壓力;而離島區域采用海濱圍填進行土地擴張,與城市服務業協同發展,與深圳城市發展極為類似[40],在機場附近的濱海區域,逐漸形成以旅游博彩業為主的都市功能核心區。

(5)對澳門陸域生態系統景觀格局優化的建議

未來澳門城市發展建設中,在控制不透水地表比例的同時,提高其綠地覆蓋率,改善區域生境質量,注重新舊城區協調發展,并針對不同特征區域實施差異化策略。在難以提高綠地供給面積的情況下,只有通過改善綠地質量、優化綠地網絡結構等來提升城市生態系統服務供給水平。就澳門半島而言,應注重通風廊道的構建,采用立體綠化、口袋公園和綠道網絡等綠化設施相結合的方法改善生態環境質量。而離島區域,在嚴格控制不透水地表對透水地表的侵占的同時,應加強濱海空間生態斑塊和生態廊道的保護,并注重與內陸之間的聯系,加強內外滲透、外圍連通,形成有機綠色網絡。例如可以將貯水塘的岸線步道和漁人碼頭進行串聯,同時也能延伸到宋玉生公園的最南端。此外,還應加強填海造地區域中裸地的生態建設,力求尋找城市發展和生態保護之間的平衡點,提升澳門城市生境質量。

5 結論

本文以澳門2001年和2017年遙感影像為基礎數據,利用遙感解譯手段對兩年的城市生態系統構成進行了精確解譯,并通過景觀格局分析研究澳門城市生態系統格局的變化特征,為澳門提升生態環境質量、優化生態系統格局提出建議。主要結論如下：

2001至2017年期間,澳門全市總面積由26.19 km2增加到32.77 km2,建設用地和裸地急劇擴張、草地和濕地快速減少,生態空間萎縮,各景觀類型空間演變差異性顯著;澳門生態系統格局分析的最佳粒度為25 m,其城市景觀破碎度增加,景觀斑塊形狀趨于復雜、不規則。半島屬于澳門歷史城區,發育較為成熟,基于小型綠地斑塊來豐富城市空間、滿足居民日常休憩需求,主要通過離島圍填的填海方式來緩解澳門半島住房和交通壓力;而離島發展迅速,土地面積不斷擴張,主要填海方式為海濱圍填。

澳門城市建設因具有文化路徑依賴性和土地利用制約性,使綠地面積難以大幅度增加,但可以通過提升綠地質量、改善綠地網絡結構來提升城市整體生態系統服務水平。針對不同區域特點,采用地表綠化和立體綠化相結合方式,注重通風廊道的構建,充分挖掘綠色空間建設潛力。加強濱海空間生態斑塊和生態廊道的保護,并注重與內陸之間的聯系,加強內外滲透、外圍聯通,形成有機綠色網絡。