長沙地區景觀格局演變對空氣質量的影響及優化策略研究

盧 嵐，陳 軍，劉 牛

(1.長沙環境保護職業技術學院，湖南 長沙410004；2.長沙市環境監測中心站，湖南 長沙410000；3.長沙市規劃信息服務中心，湖南 長沙410000)

1 引言

特征與生態過程是景觀生態學研究的核心內容之一。通過建立景觀格局特征與各種生態過程之間的相互聯系，可了解景觀結構發生和發展的內在機制，揭示景觀演化的機制和方向，能夠解釋人類活動和景觀變化的交互關系，進而預測景觀變化的趨勢，并為人工干預改善生態環境提供科學依據。目前，遙感和地理信息系統已成為景觀格局分析的通用手段，從遙感影像獲取的土地利用/覆被信息有助于更準確地理解景觀變化、對景觀空間格局進行定量化研究。當前，理論界關于景觀格局的環境響應研究也多圍繞土地利用時空變化引起的生態環境變化展開，研究結果表明，土地利用/覆被變化作為全球變化重要內容，對區域生態環境因子的耦合、景觀格局的整體演化以及生態系統的功能產生了深刻影響，并在10年甚至百年的尺度內，超過自然因素的作用強度成為驅動環境變化的主要因素。

長沙是湖南省省會，湖南省的政治、經濟、文化、交通和科教中心，中南地區重要的交通和航運中心，也是全國文明城市。2007年12月14日，國家發改委正式批準長株潭城市群為我國資源節約型和環境友好型社會建設綜合配套改革試驗區，經過一系列努力，城市面貌得到了綜合改善，環境質量也趨于穩定。但與此同時，不可忽視的是，隨著長沙市近年來的持續高速發展，整個城市所需要承載的各種社會經濟活動也越來越密集，老城區面臨的人地矛盾問題，長沙城市發展模式所帶來的產業轉型、能源消耗以及環境污染等等一系列問題越顯突出，日益成為制約長沙市整體城市功能發展的緊迫問題。

本研究以長沙地區景觀格局演變與空氣質量的關系作為研究對象，通過對長沙市近十年的景觀格局指數和環境質量指標的分析研究，從宏觀尺度上來分析長沙市大氣環境質量的基本狀況和變化特征，然后探究景觀格局演變對其的影響，在此基礎上，提出基于降低大氣污染的城市景觀格局優化策略。因此，本研究的結果對構建長沙景觀安全格局和改善區域生態環境，防止大氣環境惡化，提出生態防治對策都具有重要的理論與實踐意義，對促進區域生態環境的恢復與重建也有重要的現實意義。

2 研究概述

2.1 研究內容

(1)建立長沙市生態景觀格局空間數據庫，包括地形、用地類型、水系、居民區、大氣污染源、空氣質量監測點位等基礎信息。

(2)對長沙市近10年的TM/ETM遙感影像數據進行解譯。

(3)選取時間連續性較好的監測點位并外延5 km的區域為研究單元，利用Fragstats軟件進行各項景觀格局指數進行計算，

(4)將長沙市各監測指標的濃度分布與長沙市景觀信息進行相關性分析，結合長沙市地形地貌、大氣污染源排放情況等信息，得到城市格局指數對空氣質量的影響關系。

(5)對長沙市生態景觀格局優化策略進行探討。

2.2 研究方法

本研究在遙感理論、景觀生態學理論、地理信息系統理論、空間數據庫技術的指導下，以ERDAS IMAGING 9.1為技術平臺，利用Landsat TM/ETM＋遙感衛星影像數據(數據采集于2005～2015年間，空間分辨率30 m，來源自USGS和中國遙感衛星地面站)，采用監督分類和非監督分類相結合的方法對長沙市景觀覆蓋類型進行影像解譯，并對解譯結果進行人工修正。在ARCGIS 10.0操作平臺上，結合長沙市城市景觀覆蓋類型圖，以空氣質量監測點位為圓心再緩沖5 km的范圍為研究單元，逐單位提取景觀覆蓋類型。應用景觀生態學中的景觀格局分析方法，在FRAGSTATS3.3軟件的支持下，對各研究單元下的城市景觀覆蓋類型進行景觀水平和類型水平的格局指數的量化計算。在Access數據庫平臺上，并結合ARCGIS平臺，建立長沙市景觀格局數據庫。通過SPSS軟件，對各研究單元下的空氣質量指標與各景觀格局指數進行相關性分析，并綜合考慮地形及大氣污染源排放因素，從而找出各景觀指數對空氣質量的影響作用特點。最后綜合分析各年份的影響特點，探尋景觀格局演變對空氣質量的影響，并在此基礎上提出優化景觀格局策略。

2.3 技術路線

具體技術路線見圖1。

圖1 技術路線

3 土地利用結構演化的PM 2.5/PM 10污染效應分析

著重對土地利用結構演化的PM2.5/PM10污染效應進行分析。

3.1 土地利用結構演化的PM2.5污染效應分析

長沙主城區2014年建設用地PM2.5濃度均值為72 μg/m3，水域PM2.5濃度均值為69μg/m3，未利用地PM2.5濃度均值為68μg/m3，草地與林地PM2.5濃度均值均為64μg/m3。2016年各土地利用類型按照PM2.5濃度均值由高到低依次為建設用地(54μg/m3)和水域(54μg/m3)、未利用地(52μg/m3)、耕地(50μg/m3)、林地(46μg/m3)。長沙市土地利用的PM2.5污染特征與主城區相似，都是建設用地與水域污染相對較重、園林地PM2.5濃度均值相對最低。其中，長沙市建設用地2014、2016年PM2.5濃度均值分別為76和54μg/m3；水域2014、2016年PM2.5濃度均值分別為73和55μg/m3；園林地2014、2016年PM2.5濃度均值分別為68和46 μg/m3。

3.2 土地利用結構演化的PM10污染效應分析

長沙主城區2007年和2016年建設用地PM10濃度均值最高，水域與未利用地次之，草地與林地PM10濃度均值相對最低。2007年各土地利用類型按照PM10濃度均值由高到低依次為建設用地(113μg/m3)、水域(112μg/m3)、耕地和未利用地(111μg/m3)、園林地(106μg/m3)、草地(104μg/m3)。2016年PM10濃度均值建設用地最高(84μg/m3)，園林地最低(78μg/m3)。長沙市的土地利用污染特征與主城區相似，都是建設用地與水域污染相對較重、園林地和草地PM10濃度均值相對低。其中，長沙市建設用地2007、2016年PM10濃度均值分別為：115、84μg/m3，長沙市水域2007、2016年PM10濃度均值分別為：113、82μg/m3，長沙市園林地2007、2016年PM10濃度均值分別為：107、79μg/m3，長沙市草地2007、2016年PM10濃度均值分別為：108、83 μg/m3。

4 主要結論與優化策略

4.1 主要結論

(1)長沙主城區PM10、PM2.5濃度空間差異與土地利用類型顯著相關。PM10/PM2.5濃度隨著建設用地和水域面積占比增加顯著升高，園林地對PM10/PM2.5濃度的“負效應”顯著。揚塵地表中的碾壓踩踏地表、建筑工地、露天采掘場面積占比是影響PM10/PM2.5濃度空間分布的主要因素。

(2)“兩型社會”建設以來，長株潭主城區PM10、PM2.5濃度總體超標嚴重，但呈好轉趨勢和明顯的季節性差異。高污染區主要集中在長沙市芙蓉區、雨花區和天心區，冬季和秋季污染嚴重、夏季和春季污染較輕。

4.2 優化策略

針對長沙城區現實狀況，可采用“中心小幅度調整，外圍大幅度優化”的策略來優化長沙市景觀格局，減緩城市灰霾污染。

(1)為有效改善長沙主城區空氣質量，建議重點關注長沙市芙蓉區、雨花區和天心區的PM10、PM2.5污染，加強區內燃煤設施、重點工業企業排放、機動車尾氣、施工工地和道路揚塵的管控與治理。

(2)為減少污染物濃度，建議減少工礦用地、交通用地和建設用地景觀面積，增加耕草地、水域景觀面積。增加區域景觀多樣性并均衡各類型景觀的面積比例。

(3)為保障長沙生態環境安全，應重點加強城市周邊地區林地、耕地和水域用地的保護，提升土地生態服務功能。

5 結語

本研究綜合考慮地形、大氣污染源排放等情況，對長沙市生態景觀格局與長沙市空氣質量的關系進行了定量化研究，提出了改善空氣質量的景觀格局優化策略。其結果可為其它同處在快速城市化進程中的城市生態保護提供科學依據和參考范例。