城市化背景下景觀破碎化及連接度動(dòng)態(tài)變化研究
——以昆明市為例

史芳寧,劉世梁,安 毅,孫永秀,董世魁,武 雪

北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院水環(huán)境模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100875

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展,城市化進(jìn)程不斷推進(jìn),致使景觀空間形態(tài)發(fā)生變化,破碎化日益嚴(yán)重,進(jìn)而改變景觀連接度[1]。因此,高度破碎化不僅影響整體的景觀格局,還可能對(duì)城市功能產(chǎn)生影響。自然生境的連接度對(duì)生態(tài)過(guò)程起著至關(guān)重要的作用,它能夠維持生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)的健康完整,而耕地的連片度對(duì)耕地質(zhì)量和糧食產(chǎn)量都密切相關(guān)[2],我國(guó)作為人口大國(guó)更應(yīng)加以重視。因此,以景觀破碎化和景觀連接度為指標(biāo),研究人工表面與耕地、自然生境的空間格局變化及耦合關(guān)系為合理規(guī)劃土地利用、科學(xué)管理城市建設(shè)提供了依據(jù),并對(duì)促進(jìn)城市的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

過(guò)去對(duì)于城市化的一些研究都局限于城市本身的格局變化,忽略了周圍受影響區(qū)域,及城市與周邊生態(tài)系統(tǒng)的空間交互關(guān)系的分析[3-4],實(shí)際上,城市化對(duì)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生影響并導(dǎo)致破碎過(guò)程和土地占用[5],從而對(duì)棲息地和動(dòng)植物群落產(chǎn)生直接或間接的影響[6]。城市化造成的景觀破碎程度可以通過(guò)城市破碎指數(shù)(UFI)進(jìn)行評(píng)估[6-7],能夠在景觀單元尺度上反映人類活動(dòng)對(duì)景觀格局的影響程度。

景觀連接度的概念由Merriam[8]于1984年首次引入景觀生態(tài)學(xué)領(lǐng)域,被認(rèn)為是描述景觀單元之間相互聯(lián)系和作用的一種測(cè)定指標(biāo)。目前對(duì)連通性的認(rèn)識(shí)已經(jīng)達(dá)到較高水平,并提出了許多研究方法,例如電流理論[9-10]、最小耗費(fèi)距離法[11- 13]以及基于圖論的景觀指數(shù)法[10,14- 16]等,其中,基于圖論理論的研究方法在近年來(lái)被廣泛應(yīng)用,通過(guò)更直觀的方式反映景觀破碎化程度、識(shí)別重要斑塊[17]。2011年,Baranyi等[18]發(fā)現(xiàn),在13個(gè)基于圖論的常用景觀連接度指數(shù)中,適用性最佳的是IIC(整體連接度指數(shù),integral index of connectivity)、PC(概率連接度指數(shù),probability of connectivity)、BC(中介度,betweenness centrality)。這些指數(shù)在之后被廣泛應(yīng)用,但在取得一定成果的同時(shí),也存在一些問題：如數(shù)據(jù)冗余,所得結(jié)果精確度不夠,缺少空間分布信息[19]等。

為更準(zhǔn)確地從空間形態(tài)上描述斑塊連通性功能,引入基于形態(tài)學(xué)空間格局分析方法[20](morphological spatial pattern analysis,MSPA),不同于傳統(tǒng)的景觀連接度分析方法,MSPA基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的概念[21],將二進(jìn)制像素圖像劃分為表示特定幾何特征的類別,例如大小、形狀、連接性[20,22],從像元層面上識(shí)別出具有重要連通性意義的區(qū)域,例如作為主要用地的核心區(qū)和維持景觀連接度的橋接區(qū)[23-24]。近年來(lái),MSPA被應(yīng)用到綠色基礎(chǔ)設(shè)施及生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建[25- 27],以及林地和濕地等自然生境連通性的研究中[28- 30],但是在耕地的研究中應(yīng)用較少,而耕地的連片性和連通性對(duì)于區(qū)域生態(tài)環(huán)境也具有重要影響[31-32],因此同時(shí)考慮自然生境和耕地能夠更好地反映景觀的整體變化。

過(guò)去對(duì)于景觀空間變化關(guān)系的研究,往往局限于兩兩變量之間,很難反映整體的空間變換關(guān)系,本次研究以快速城市化的云南省昆明市為研究區(qū),采用三維曲面圖進(jìn)行分析,不僅考慮景觀破碎對(duì)耕地連片度和自然生境連接度造成的直接影響,同時(shí)考慮3個(gè)變量之間由于各自變化而導(dǎo)致的間接影響。研究結(jié)果可對(duì)城市化地區(qū)城市用地規(guī)劃和生境保護(hù)提供依據(jù)和參考。本文旨在探討以下問題:(1)分析城市化對(duì)昆明市景觀破碎度和景觀連通性的影響；(2)景觀連接度的變化如何響應(yīng)景觀破碎化；(3)在城市化進(jìn)程下,人工表面、耕地與自然生境的變化之間是否具有空間規(guī)律性。

1 研究地區(qū)與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

昆明市地處云貴高原中部,位于東經(jīng)102°10′—103°40′,北緯24°23′—26°33′(圖1),城市總面積2.10萬(wàn)km2,其中耕地面積44.9萬(wàn)hm2,林地面積102.6萬(wàn)hm2,南瀕滇池,三面環(huán)山,中心海拔約1891 m。昆明市以湖盆巖溶高原地貌形態(tài)為主,總體地勢(shì)由北向南呈階梯狀逐漸降低,屬北緯低緯度亞熱帶—高原山地季風(fēng)氣候,具有典型的溫帶氣候特點(diǎn),年平均氣溫15℃,年均降雨量1450 mm,因其氣候宜人,生物種類繁多,被譽(yù)為“動(dòng)植物王國(guó)”。作為云南省省會(huì),昆明是云南省唯一的特大城市和西南地區(qū)(僅次于成都、重慶)第三大城市,昆明市是云南省政治、經(jīng)濟(jì)、文化、科技、交通中心,西部地區(qū)重要的中心城市和旅游、商貿(mào)城市。

近幾十年來(lái),昆明市城鎮(zhèn)化水平顯著提高,城市人口快速增多,城市綜合實(shí)力持續(xù)增強(qiáng),城市建設(shè)取得了舉世矚目的成就。但空間布局混亂和無(wú)序發(fā)展現(xiàn)象依然存在,為了滿足發(fā)展要求,大面積耕地被占用；隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大,城市化所帶來(lái)的負(fù)面生態(tài)效應(yīng)逐漸顯露,景觀格局以前所未有的速度發(fā)生著劇烈變化,城市化發(fā)展進(jìn)程面臨巨大挑戰(zhàn)。本研究針對(duì)城市化中心區(qū)作為研究區(qū),主要包括五華區(qū)、盤龍區(qū)、官渡區(qū)、西山區(qū)和呈貢區(qū)。

圖1 研究區(qū)位置與土地利用現(xiàn)狀圖 Fig.1 Location of the study area and land use

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究主要采用昆明市1990年、2000年、2010年、2015年4期的TM 遙感影像數(shù)據(jù)及1∶25萬(wàn)土地利用圖?；贓NVI軟件,對(duì)影像進(jìn)行包括輻射校正、幾何校正等預(yù)處理,獲得分辨率為30 m的土地利用數(shù)據(jù)。最后,利用ArcGIS軟件,按研究區(qū)邊界對(duì)影像進(jìn)行裁剪。根據(jù)研究目的并參照土地利用分類方法,將土地利用類型劃分為人工表面、濕地、耕地、草地、林地和裸地6種景觀組分類型。結(jié)合實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù)及Google Earth進(jìn)行解譯精度檢驗(yàn),解譯精度達(dá)到90%,滿足研究區(qū)景觀分析精度要求。

2 研究方法

2.1 城市破碎指數(shù)(UFI)

城市化的速度和形態(tài)都會(huì)造成景觀破碎化,綜合考慮兩個(gè)因素的變化能更準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)景觀格局的改變,根據(jù)Romano和Zullo,UFI遵循以下等式：

式中,Si為第i個(gè)城市區(qū)域的面積(m2)；pi為第i個(gè)城市區(qū)域的周長(zhǎng)(m)；A為領(lǐng)土面積(m2)。公式的第一項(xiàng)量化了城市的土地利用率；第二項(xiàng)表示城市地區(qū)邊界與等效圓的周長(zhǎng)之比。將此公式用于定量評(píng)價(jià)人工表面所造成的景觀破碎程度,值越大表明破碎程度越高。

為更直觀地體現(xiàn)景觀的動(dòng)態(tài)變化,計(jì)算第n年到第m年UFI的變化率,根據(jù)以下公式：

本次研究利用ArcGIS軟件中的“Create Fishnet”工具建立4 km×4 km的漁網(wǎng)網(wǎng)格,計(jì)算包括景觀整體及每個(gè)網(wǎng)格中的UFI值,評(píng)價(jià)景觀破碎的空間和時(shí)間上的差異和變化規(guī)律。

2.2 基于MSPA的景觀分類

圖2 MSPA結(jié)構(gòu)類別示意圖[20] Fig.2 MSPA structural categories[20]MSPA：形態(tài)學(xué)空間格局分析 Morphological spatial pattern analysis

為了更清晰地呈現(xiàn)景觀變化,從土地利用類型中提取出受城市化影響較大的耕地和自然生境,自然生境包括自然和半自然林地與草地。利用重分類的土地利用圖,將自然生境和耕地作為前景,其他用地類型作為背景,后采用8鄰域算法進(jìn)行分析,將前景像素分為七類互不重疊的要素,如圖2所示。在MSPA分析中,不同邊緣寬度的設(shè)置會(huì)對(duì)整個(gè)斑塊的面積和形態(tài)產(chǎn)生較大影響,斑塊邊緣區(qū)域由于受到相鄰斑塊和周圍環(huán)境的影響,通常具有較高的物種豐富度,尤其對(duì)一些生境敏感物種而言,邊緣區(qū)域的變化與其生存繁衍密切相關(guān)。邊緣寬度的增加能夠在不改變景觀格局的情況下觀察到更明顯的變化[26],為比較不同邊緣寬度對(duì)斑塊內(nèi)部及斑塊間連接度的影響,篩選出適宜的邊緣寬度進(jìn)行景觀連接度的分析,同時(shí)考慮到不同前景的面積差異,選取1、5、10三種邊緣寬度對(duì)自然生境進(jìn)行分析,分別對(duì)應(yīng)30、150、300 m的實(shí)際距離,耕地選取1、5兩種邊緣寬度。最后根據(jù)景觀類型的特征及其含義,識(shí)別出對(duì)研究區(qū)自然生境和耕地具有重要連通意義的核心區(qū)和橋接區(qū)兩類景觀要素,進(jìn)一步研究其在景觀連接度中的作用。

2.3 景觀連接度

2.3.1概率連接度指數(shù)(PC)

測(cè)量連通性的方法采用概率連接度指數(shù)(PC),計(jì)算公式如下：

式中,n為景觀中斑塊數(shù)量,ai和aj分別表示斑塊i和j的面積,AL為景觀總面積,pij表示斑塊i和j之間所有路徑中的最大連接概率。

利用Conefor 2.6軟件,將距離閾值設(shè)置為1500 m,連通概率設(shè)置為0.5。PC的值介于0到1之間,值越大表明斑塊之間連通的可能性越大。在MSPA分析所得的7個(gè)景觀類型中,只有核心和橋接與圖論理論相關(guān),其中核心對(duì)應(yīng)于節(jié)點(diǎn),橋接對(duì)應(yīng)于節(jié)點(diǎn)之間的鏈接[33],因此,采用核心區(qū)和橋接區(qū)的PC值可以評(píng)估每個(gè)單獨(dú)的景觀元素在潛在合適生境中保持連通的重要性。

2.3.2斑塊重要值(dPC)

每個(gè)斑塊維持景觀整體連接度的能力不同,為評(píng)價(jià)不同斑塊的重要程度,選用斑塊重要值(dPC),在整體概率連接度的基礎(chǔ)上分析每個(gè)斑塊的貢獻(xiàn),算式如下：

式中,PCremove,k指除去第k個(gè)斑塊后,景觀概率連接度的值。本文將斑塊重要值按照自然斷點(diǎn)法進(jìn)行分級(jí),自然生境核心區(qū)分為5級(jí)：極高(dPC>20),高(1010),高(5

依據(jù)網(wǎng)格數(shù)據(jù),構(gòu)建景觀破碎度與耕地、自然生境連接度之間的三維曲面圖,該步驟由SigmaPlot軟件實(shí)現(xiàn),描述3個(gè)變量之間隨時(shí)間的空間變化及交互關(guān)系。

3 結(jié)果分析

3.1 城市化對(duì)景觀破碎度的影響分析

圖3是研究區(qū)1990、2000、2010、2015年4期的土地利用變化。1990年和2015年相比,昆明市人工表面的面積迅速增加,占用大量耕地,人工表面與耕地過(guò)渡地區(qū)景觀變化劇烈,自然生境面積變化不明顯。因此,快速城市化會(huì)導(dǎo)致原有的景觀格局發(fā)生變化,從而對(duì)自然生境和生態(tài)過(guò)程產(chǎn)生直接或間接的影響。

圖3 1990—2015年昆明市土地利用圖 Fig.3 Land use in Kunming City from 1990 to 2015

進(jìn)行轉(zhuǎn)移矩陣分析并利用網(wǎng)絡(luò)圖表達(dá)(圖4),數(shù)據(jù)表明,在1990—2000年,耕地變化最為劇烈,有12.63%流入人工表面,5.67%流入自然生境,同時(shí)有7.38%的人工表面轉(zhuǎn)化為耕地；2000—2010年,四種土地利用類型均或多或少地流入自然生境和人工表面,另外有2.5%的自然生境和1.82%的人工表面轉(zhuǎn)化為耕地；2010—2015年,轉(zhuǎn)化強(qiáng)度有所減緩,但仍有2.2%的自然生境和8.01%的耕地流入人工表面?？梢钥闯鲈谌斯け砻娲蠓秶鷶U(kuò)張的情況下,土地利用受到較大的影響,尤其在2010年前后干擾和破壞最為劇烈,這與昆明市近幾十年的城市化發(fā)展密切相關(guān)。

城市化對(duì)研究區(qū)景觀格局產(chǎn)生了顯著影響,通過(guò)計(jì)算UFI指數(shù)可知(表 1),研究區(qū)整體UFI值逐年增加,景觀趨于破碎。在2010—2015五年的時(shí)間內(nèi)變化速率加快,UFI指數(shù)比2000年增加了近一倍。

圖4 1990—2015年昆明市4種土地利用動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化 Fig.4 The dynamic transformation of 4 categories of land uses in Kunming City from 1990 to 2015

表1 1990—2015昆明市整體UFI指數(shù)

進(jìn)一步網(wǎng)格分析表明(圖5),景觀破碎化較為嚴(yán)重的是城市中心部分,人工表面附近的UFI值較高,說(shuō)明城市化確實(shí)對(duì)于景觀破碎程度產(chǎn)生明顯影響,隨著人工表面的蔓延,景觀破碎度也在逐年增加?？傮w來(lái)看,破碎度呈現(xiàn)出逐年向東北方向蔓延的趨勢(shì),這主要是受機(jī)場(chǎng)等交通樞紐建設(shè)的影響,該地區(qū)成為人流、物流、資金流的重要集散地,無(wú)論是經(jīng)濟(jì)還是人文自然方面都有很大的發(fā)展空間。

圖5 1990—2015年昆明市UFI空間分布 Fig.5 Spatial distribution of UFI in Kunming City from 1990 to 2015UFI：城市破碎指數(shù) Urban fragmentation index

圖6 1990—2015年昆明市自然生境MSPA類型分布圖 Fig.6 MSPA classes distribution maps of natural habitat in Kunming City from 1990 to 2015MSPA: 形態(tài)學(xué)空間格局分析方法Morphological spatial pattern analysis

圖7 1990—2015年昆明市耕地MSPA類型分布圖 Fig.7 MSPA classes distribution maps of arable land of Kunming City from 1990 to 2015

3.2 基于MSPA的自然生境和耕地景觀格局分析

單從土地利用情況來(lái)看,自然和半自然的林草地面積幾乎沒有受到影響。但景觀格局的改變必然會(huì)影響自然生境的整體情況,利用MSPA得到自然生境和耕地景觀類型的變化(圖6和圖7)及相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖(圖8和圖9)。

圖8 1990—2015年昆明市耕地MSPA數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖 Fig.8 MSPA Statistical charts of arable land in Kunming City from 1990 to 2015

圖9 1990—2015年昆明市自然生境MSPA數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖 Fig.9 MSPA Statistical charts of natural habitat in Kunming City from 1990 to 2015

自然生境核心區(qū)主要分布在研究區(qū)周邊,西部空間連通性較好,東部核心區(qū)較西部分散,數(shù)量少且面積小,隨時(shí)間變化不大；橋接區(qū)多分布在東部,與人工表面的擴(kuò)張呈現(xiàn)出一致性,表明其對(duì)維持景觀連通性起到了重要作用；耕地大面積斑塊主要分布在研究區(qū)中部和東南部,隨著近幾十年的城市化發(fā)展,核心區(qū)面積大幅度縮小且趨于破碎化。

不同邊緣寬度對(duì)斑塊的形態(tài)有很大影響。隨著邊緣寬度的增加,核心區(qū)面積迅速減小,更多的非核心區(qū)域被識(shí)別,尤其是面積較小的斑塊,幾乎甚至全部被非核心區(qū)占據(jù)。從圖6中可以看出,自然生境中橋接和環(huán)島的面積明顯增加,其在景觀中都起到連接的作用,表明邊緣區(qū)域的變化無(wú)論是在斑塊周邊還是斑塊內(nèi)部,都會(huì)對(duì)景觀連通性造成較大影響；耕地景觀類型變化幅度更為明顯(圖7),由于其分布在人工表面周圍,受城市化影響更大,其核心區(qū)的減少速率明顯快于非核心區(qū)的增加速率,斑塊面積和連通性都出現(xiàn)較大變化。

總體來(lái)看,人工表面的擴(kuò)張對(duì)面積較小的自然生境斑塊有影響,大面積集中連片地區(qū)仍可以保持一定的面積,但邊緣寬度分析表明,外界作用即使不會(huì)造成斑塊面積的變化,但在一定程度上影響生境邊緣地區(qū),從而改變景觀的內(nèi)部結(jié)構(gòu),降低其連接度和穩(wěn)定性；耕地的分布特點(diǎn)使其對(duì)周圍環(huán)境的變化更為敏感,受到城市化較為強(qiáng)烈且持續(xù)的破壞,幾乎失去大面積的連片性斑塊。

圖8是耕地七種景觀類型占前景比例以及核心和邊緣頻率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),結(jié)果顯示,核心面積占比在25年間減少了12.44%,但其頻率在逐年增加,表明較大面積的耕地破碎為小面積的斑塊；邊緣和孔隙在耕地中可以看作與其他景觀類型的過(guò)渡,在1990—2015年間,邊緣占前景比例增加了11.05%,同時(shí)頻率也呈增長(zhǎng)趨勢(shì),核心區(qū)大部分轉(zhuǎn)化為邊緣區(qū),孔隙作為內(nèi)部過(guò)渡區(qū)隨著核心面積的減少而減少,且2015年其數(shù)量比1990年減少了一半還要多；支線和橋接在耕地中不同于自然景觀的連通作用,在本研究區(qū)內(nèi)更多的是類似于島狀斑塊,這類景觀類型的持續(xù)增加表明,耕地連片度減小,耕地大面積喪失,耕地質(zhì)量受到影響。

分析圖9可以看出,自然生境面積占比最大的是核心區(qū),其次是邊緣區(qū)和橋接區(qū),在4個(gè)時(shí)期內(nèi)七種景觀類型整體上沒有大幅度變化。核心區(qū)面積在2000年達(dá)到最低后反呈上升趨勢(shì),其頻率變化呈現(xiàn)出相反的下降趨勢(shì),說(shuō)明核心區(qū)分布在后期更加集中；1990—2015年間,自然生境邊緣區(qū)面積呈波動(dòng)變化,整體呈上升趨勢(shì),頻率逐年降低且速率逐漸加快,表明自然生境與周圍環(huán)境交互作用加強(qiáng),且在2010—2015年間最為頻繁；橋接和環(huán)島在維持自然生境連接度方面起到重要作用,圖中可以看出這2種景觀類型面積整體呈下降趨勢(shì),橋接區(qū)頻率前期減小,但在2010年出現(xiàn)轉(zhuǎn)折,環(huán)島頻率也在2010年后出現(xiàn)較大幅度的下降,說(shuō)明在2010年后景觀連接度發(fā)生較大改變。

3.3 景觀連接度分析

圖10 1990—2015年昆明市自然生境重要斑塊分布 Fig.10 Important patches distribution of natural habitat in Kunming City from 1990 to 2015

林地邊緣寬度較大會(huì)將部分核心區(qū)識(shí)別為橋接區(qū),造成橋接區(qū)冗余,而耕地邊緣寬度過(guò)小導(dǎo)致核心區(qū)較為瑣碎,無(wú)法識(shí)別面積較大的斑塊,因此采用邊緣寬度為5進(jìn)行景觀連接度的評(píng)價(jià)最為合適。圖10、圖11為核心區(qū)和橋接區(qū)的斑塊重要值分級(jí),可以看出自然生境較重要的核心區(qū)集中分布在研究區(qū)的北部,東部和西南地區(qū)的核心區(qū)較為分散且重要值相對(duì)較低,橋接區(qū)集中分布在核心區(qū)周圍,并且在東部和西南地區(qū)的重要性相對(duì)較高,表明其在景觀連接度較差的地區(qū)起到重要作用,2015年與1990年相比,自然生境東部核心區(qū)斑塊重要值持續(xù)下降,西部核心區(qū)雖保持較好的重要值,但出現(xiàn)了重要性極低的小型斑塊,橋接區(qū)也在逐年減少。

耕地核心區(qū)大多分布在東南地區(qū),周圍密集分布著大量橋接,整體斑塊數(shù)量多且面積小,近25年間,無(wú)論是核心區(qū)還是橋接區(qū)面積都呈現(xiàn)出明顯的減少趨勢(shì),到2015年重要核心區(qū)斑塊幾乎消失,橋接等小型斑塊重要值下降明顯,景觀高度破碎化,耕地連片度急劇下降,耕地質(zhì)量嚴(yán)重惡化。

圖11 1990—2015年昆明市耕地重要斑塊分布 Fig.11 Important patches distribution of arable land in Kunming City from 1990 to 2015

3.4 相關(guān)性分析

分析城市破碎指數(shù)、耕地和自然生境的平均概率連接度指數(shù)之間的變化關(guān)系(圖12)可知,1990年圖像大部分分布在同一水平面上,表明隨著UFI的增加,整體景觀連接度沒有大幅度變化,自然生境幾乎不受城市化影響,但耕地斑塊重要值變化出現(xiàn)較小幅度的波動(dòng)；2000年與1990年類似,三者之間沒有表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性,但自然生境連接度開始出現(xiàn)波動(dòng),耕地斑塊重要值變化更加顯著,連接度隨破碎度的增加表現(xiàn)出降低的趨勢(shì),表明隨著城市化的進(jìn)一步發(fā)展,人工表面擴(kuò)張?jiān)斐傻钠扑榛粌H加劇了對(duì)耕地的破壞,也已經(jīng)開始對(duì)自然生境連接度產(chǎn)生影響；2010年三者關(guān)系發(fā)生顯著變化,主要是由于耕地和自然生境之間的相互作用增強(qiáng),表明在此階段,耕地面積的喪失不僅受到人工表明的影響,也與自然生境的變化有關(guān),同時(shí)UFI增加導(dǎo)致耕地和自然生境連接度出現(xiàn)規(guī)律性的增加和減少,連接度趨于集中；到2015年,景觀連接度與景觀破碎度呈明顯的負(fù)相關(guān)性。整體來(lái)看,耕地和自然生境的平均概率連接度指數(shù)數(shù)值范圍逐年縮小,說(shuō)明其受影響的程度不斷加強(qiáng)。

圖12 1990—2015年昆明市UFI與耕地、自然生境連接度關(guān)系變化 Fig.12 Trends of the relationships between UFI, connectivity of arable land and connectivity of natural habitat in Kunming City from 1990 to 2015

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

形態(tài)學(xué)空間格局分析方法和連接度方法結(jié)合,有針對(duì)性地對(duì)重要的景觀類型進(jìn)行連接度分析,很大程度上使數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)化,并且能得到空間分布信息,更直觀地反映景觀格局的變化。研究結(jié)果表明：

(1)近25年昆明市城市化發(fā)展迅速,表現(xiàn)為人工表面大范圍擴(kuò)張,侵占大面積耕地。UFI指數(shù)表明,城市化對(duì)景觀破碎影響顯著,城市整體有向東部蔓延的趨勢(shì)。

(2)基于MSPA方法,通過(guò)分析面積比例較大的核心、橋接、邊緣和環(huán)島,自然生境整體格局經(jīng)歷了穩(wěn)定、波動(dòng)到破碎的過(guò)程,以2010年為轉(zhuǎn)折點(diǎn),自然生境與周圍環(huán)境的相互作用更為密切；耕地在1990—2015年間持續(xù)消退,耕地連片度下降,耕地質(zhì)量遭到破壞。

(3)斑塊重要值變化結(jié)合UFI可以看出,景觀格局的變化主要集中于東部的官渡區(qū)、盤龍區(qū)和呈貢區(qū),景觀連接度與城市造成的景觀破碎變化表現(xiàn)出一定程度的響應(yīng)。

(4)借助三維曲面圖表明3種變量之間的相互關(guān)系,結(jié)果顯示隨著城市化發(fā)展,1990—2000年間耕地受到主要影響,自然生境處于相對(duì)穩(wěn)定的階段；以2010年為節(jié)點(diǎn),人工表面向外擴(kuò)張的影響增大,同時(shí)耕地和自然生境連接度處于此消彼長(zhǎng)的波動(dòng)階段,到2015年,景觀整體連接度隨著景觀破碎度的增加而下降。

4.2 討論

隨著城市化的發(fā)展,必然會(huì)對(duì)整體的景觀格局和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生直接或間接的影響,城市與周邊環(huán)境無(wú)論在物質(zhì)交換還是空間的關(guān)系都較為復(fù)雜。對(duì)于不同土地空間利用類型,城市化所造成的景觀破碎的影響強(qiáng)度有明顯差別,通常與城市活動(dòng)交互密切的區(qū)域更易受到破壞。通過(guò)刻畫人工表面、耕地與自然生境的空間關(guān)系,發(fā)現(xiàn)城市破碎度與整體景觀連接度之間確實(shí)存在著一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系,并且這種負(fù)相關(guān)隨著城市化的進(jìn)程不斷增強(qiáng)：在發(fā)展初期景觀格局由于整體結(jié)構(gòu)性能夠維持其穩(wěn)定的狀態(tài),隨著城市的進(jìn)一步發(fā)展,景觀破碎化已經(jīng)不僅僅局限于改變不同景觀的形態(tài),而是進(jìn)一步影響景觀內(nèi)部環(huán)境,最終導(dǎo)致景觀結(jié)構(gòu)和功能的變化。這就表明景觀格局以及內(nèi)部相互關(guān)系的變化是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程,不能單純地分析景觀破碎度和連接度,更重要的是要結(jié)合具體的時(shí)間和空間變化。因此,在昆明市城市空間管理和規(guī)劃中,要根據(jù)城市化的不同發(fā)展階段采取相應(yīng)的措施,不僅要協(xié)調(diào)土地利用矛盾,更要優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu),特別是對(duì)耕地質(zhì)量的改善；對(duì)于較為發(fā)達(dá)的官渡區(qū)、盤龍區(qū)和呈貢區(qū),可以重點(diǎn)發(fā)展社會(huì)經(jīng)濟(jì),同時(shí)對(duì)于自然生境集中的地區(qū),尤其是生境邊緣地區(qū)和廊道要加強(qiáng)保護(hù),從而達(dá)到自然、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的平衡,有利于城市的優(yōu)化和可持續(xù)發(fā)展。