城市景觀格局與大氣顆粒物污染的關(guān)系研究

劉奇 王寧 楊瀲威 秦一文 趙娟 張鑫 張平

（西安工程大學(xué)，陜西西安 710048）

1 引言

因此，開展不同地域城市景觀格局與大氣顆粒物污染的研究具有理論和實(shí)踐上的重要意義。本研究選取西安市作為研究區(qū)，來分析不同時(shí)間和空間尺度下城市景觀格局與大氣顆粒物污染的關(guān)系。研究結(jié)果為中國西部內(nèi)陸城市大氣顆粒物污染控制、土地利用規(guī)劃以及生態(tài)建設(shè)提供參考。

2 研究區(qū)概況

西安市位于關(guān)中平原中部，是中國西部地區(qū)重要的中心城市，陜西省省會(huì)。西安市屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，冷暖干濕四季分明，2014 年全市PM10年平均濃度值為147 μg/m3，PM2.5年平均濃度值為76 μg/m3［15］。

3 數(shù)據(jù)與方法

3.1 研究數(shù)據(jù)

（1）研究區(qū)域內(nèi)土地利用類型柵格數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn）中下載的Landsat8 衛(wèi)星拍攝的西安市遙感影像，通過運(yùn)用ArcGIS 和ENVI 軟件，對遙感影像進(jìn)行解譯分類，得到西安市2014 年的土地利用空間分布圖。按照國家土地利用類型劃分標(biāo)準(zhǔn)，將土地利用類型劃分為林地、草地、耕地、建筑用地、水域、未利用地六大類。

（2）西安市空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)來自中國環(huán)境監(jiān)測總站的全國城市空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布平臺(tái)（http：//www.cnemc.cn/sssj/qgkqzlyb），西安市13 個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)（高壓開關(guān)廠、興慶小區(qū)、紡織城、小寨、人民體育場、高新區(qū)、經(jīng)開區(qū)、草灘、長安區(qū)、閻良區(qū)、臨潼區(qū)、曲江區(qū)和廣運(yùn)潭）見圖1。數(shù)據(jù)包括2014 年1—12 月的PM2.5和PM10濃度的日均值（剔除缺失及有誤數(shù)據(jù)）。

圖1 2014 年西安市土地利用及監(jiān)測站點(diǎn)

3.2 研究方法

3.2.1 基于Fragstats 的景觀格局指數(shù)計(jì)算

景觀格局指數(shù)可以反映景觀結(jié)構(gòu)組成及空間配置，是研究土地利用的重要指標(biāo)。結(jié)合Fragstats 軟件中常規(guī)景觀格局指數(shù)及前人研究［16-17］，選取反映類型水平特征的PLAND（斑塊面積百分比）指標(biāo)，以及反映景觀水平特征的CONTAG（蔓延度指數(shù)）、AI（聚合性指數(shù)）、IJI（散布與并列指數(shù)）、PAFRAC（周長面積分維度指數(shù)）、SHDI（香農(nóng)多樣性指數(shù)）指標(biāo)來量化區(qū)域土地利用景觀格局特征。各指數(shù)表達(dá)式見表1。

表1 景觀指數(shù)公式

續(xù)表

3.2.2 基于GIS 的IDW 插值法

IDW 插值法（反距離權(quán)重法）的原理是以距離進(jìn)行加權(quán)平均。它是一種全局插值法，即全部樣點(diǎn)都參與某一待估點(diǎn)的Z 值的估算。計(jì)算公式如下：

速度，本是科學(xué)上用來表示物體運(yùn)動(dòng)快慢的矢量，也被人們當(dāng)作衡量生活乃至?xí)r代發(fā)展的一個(gè)重要標(biāo)尺。提起速度，我們首先想到是“快”。然而速度是否就是越快越好呢？其實(shí)不然。速度重要是“度”。客觀事物都有其規(guī)律，在符合其規(guī)律的基礎(chǔ)上適當(dāng)加速，則事半功倍。否則只會(huì)揠苗助長，欲速則不達(dá)。

Vε=Σnj=1wjvj

式中，Vε（j＝1，…，n）是點(diǎn)（xj，yj）的變量值；wj是其對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)。

3.2.3 相關(guān)性分析

相關(guān)分析是將變量之間相關(guān)關(guān)系進(jìn)行量化處理的過程，通過SPSS 軟件，對數(shù)據(jù)進(jìn)行雙變量相關(guān)分析，用Pearson（皮爾遜）相關(guān)系數(shù)來量化判定變量之間兩兩相關(guān)的強(qiáng)度。

4 結(jié)果與分析

4.1 土地利用面積占比分析

在GIS 中計(jì)算可知，西安市總體面積為11 761 km2，其中林地占32.2%、耕地占36.7%、草地占14.8%、建設(shè)用地占14.5%、水域占0.5%、未利用地占1.3%。相同土地利用類型分布較為集中，林地和耕地分布在建設(shè)用地外圍，占將近70%的面積。由于建設(shè)用地過于集中，林地?zé)o法有效排解由此帶來的污染問題，因此環(huán)境壓力依然很大。

4.2 土地利用景觀格局分析

利用Fragstats4.2 軟件進(jìn)行景觀格局指數(shù)分析，基于移動(dòng)窗口法對2014 年西安市土地利用類型圖進(jìn)行分析，得到類型級別的PLAND（斑塊面積百分比圖，圖1），景觀級別的CONTAG，AI，IJI，PAFRAC，SHDI 圖（圖2-6）。

圖2 景觀級別的CONTAG

圖3 景觀級別的AI

圖4 景觀級別的IJI

圖5 景觀級別的PAFRAC

圖6 景觀級別的SHDI

分析可知，西安市的景觀破碎度較低，優(yōu)勢斑塊類型連接良好；相同類型斑塊之間聚合度較高；景觀斑塊總體離散程度處于中間值；景觀形狀復(fù)雜程度較低；土地利用類型豐富程度較低。

4.3 不同大氣污染物濃度空間分布分析

基于GIS 軟件，利用IDW 插值法得到2014 年西安市PM10平均濃度空間分布，見圖7。

圖7 2014 年西安市PM10 年均濃度統(tǒng)計(jì)

PM2.5平均濃度空間分布見圖8。

圖8 2014 年西安市PM2.5 年均濃度統(tǒng)計(jì)

如圖7、圖8 所示，西安市PM10和PM2.5濃度的空間分布特征呈現(xiàn)出地區(qū)上的特異性，其濃度從市中心至城郊呈梯度遞減趨勢，除個(gè)別區(qū)域，PM2.5和PM10的質(zhì)量濃度在整體上西北高于東南，PM2.5和PM10的濃度峰值基本都集中出現(xiàn)在建設(shè)用地范圍內(nèi)。由以上初步分析可知，西安市污染物濃度與土地利用類型存在著一定的相關(guān)性。

4.3.1 土地利用類型與顆粒物濃度分析

圖9 為2014 年西安市空氣污染濃度月均值變化曲線。在整年的時(shí)間內(nèi)，PM10和PM2.5濃度變化趨勢一致，春、夏低，秋、冬高。分別在2 月達(dá)到峰值（PM10：213 μg/m3；PM2.5：164 μg/m3）；最小值均出現(xiàn)在7 月（PM10：68 μg/m3；PM2.5：47 μg/m3）。

圖9 西安市2014 年空氣污染濃度月均變化趨勢

圖10 表明，不同土地利用類型與PM10和PM2.5污染濃度間的響應(yīng)關(guān)系存在差異。綜合分析土地利用類型圖與PM10和PM2.5污染濃度空間分布格局，PM10濃度的空間分布與土地利用類型的關(guān)系較為復(fù)雜，在緊鄰建設(shè)用地零散分布的耕地以及水域周圍濃度較高；PM2.5濃度均值在夏季較小，PM2.5高濃度集中分布區(qū)域是建設(shè)用地。

圖10 2014 年西安市各類土地利用類型PM2.5，PM10 年均濃度統(tǒng)計(jì)

表2 中PLAND 與PM10和PM2.5污染濃度相關(guān)性分析的結(jié)果，證實(shí)了土地利用類型對城市大氣顆粒物污染濃度的影響。而且在不同時(shí)間尺度下，土地利用類型與PM2.5和PM10污染物濃度的相關(guān)關(guān)系存在顯著差異。總體而言，西安城市建設(shè)用地面積占比與PM2.5濃度正相關(guān)，與PM10濃度顯著正相關(guān)；未利用地面積占比與大氣顆粒物濃度相關(guān)系數(shù)較小；林地、耕地面積占比與PM2.5濃度呈負(fù)相關(guān)；水域、耕地面積占比與PM10濃度呈負(fù)相關(guān)；耕地面積占比與大氣顆粒物濃度相關(guān)性不顯著。

表2 各類型土地占比（PLAND）與PM2.5，PM10 濃度的相關(guān)系數(shù)

4.3.2 景觀格局與顆粒物濃度分析

表3 為西安市2014 年月均和年均尺度空氣污染物濃度與景觀指數(shù)相關(guān)分析結(jié)果。SHDI 與PM10濃度的相關(guān)性較小。PAFRAC 與冬季PM2.5濃度相關(guān)系數(shù)僅為0.009，但其與PM10年均濃度顯著負(fù)相關(guān)。CONTAG 與PM10和PM2.5濃度正相關(guān)。

表3 土地利用景觀指數(shù)與空氣污染物濃度的相關(guān)系數(shù)

5 研究結(jié)論及討論

5.1 研究結(jié)論

西安市總體面積為11 761 km2，其中林地占32.2%、耕地占36.7%、草地占14.8%、建設(shè)用地占14.5%、水域占0.5%、未利用地占1.3%。相同土地利用類型分布較為集中，林地和耕地分布在建設(shè)用地外圍，占將近70%的面積。西安市大氣顆粒物濃度的空間分布特征為從市中心至城郊呈梯度遞減趨勢。PM2.5和PM10在整體上呈現(xiàn)西北高于東南的傾向，大氣顆粒物污染物濃度峰值基本都集中出現(xiàn)在建設(shè)用地范圍內(nèi)（PM10：102.7 μg/m3；PM2.5：99.7 μg/m3）。西安市土地利用對大氣顆粒物污染物濃度變化具有一定影響，且有明顯的時(shí)間效應(yīng)。相關(guān)性結(jié)果證實(shí)了城市景觀格局與大氣顆粒物濃度的空間分布特征，SHDI 與PM10濃度的相關(guān)性相較PM2.5濃度值較小。PAFRAC 與冬季PM2.5濃度相關(guān)系數(shù)僅為0.009，但其與PM10年均濃度顯著負(fù)相關(guān)。CONTAG 與PM10和PM2.5濃度正相關(guān)。

5.2 討論

本研究能夠一定程度上揭示城市景觀格局與大氣顆粒物污染的關(guān)系，但大氣顆粒物污染往往是氣象、人類活動(dòng)以及地表景觀結(jié)構(gòu)相互作用、相互影響的結(jié)果，應(yīng)將其看做一個(gè)整體來進(jìn)行研究。大氣污染是區(qū)域共有現(xiàn)象，因此需要考慮更合理的研究分區(qū)，而非嚴(yán)格按照行政分區(qū)，各城市治理大氣污染應(yīng)該區(qū)域聯(lián)防聯(lián)治。受限于數(shù)據(jù)獲取、技術(shù)手段等條件，本研究未能進(jìn)一步探究城市景觀格局與大氣顆粒物的響應(yīng)機(jī)制。后續(xù)研究應(yīng)進(jìn)一步綜合探究大氣顆粒物與氣象、人類活動(dòng)以及地表景觀結(jié)構(gòu)的響應(yīng)機(jī)制，研究區(qū)劃分也應(yīng)該更加合理。