蘭州新區(qū)2010—2020年景觀格局動態(tài)變化研究

甘肅省生態(tài)環(huán)境科學設計研究院 李崇源

景觀格局變化是生態(tài)環(huán)境狀況評估的基礎底數(shù)，是當前城市化發(fā)展背景下生態(tài)環(huán)境狀況評估的重要評價依據(jù)［1］。景觀格局和生態(tài)系統(tǒng)相互作用、相互影響，它們的變化最終反映在生態(tài)系統(tǒng)服務功能的變化上［2-4］。景觀格局因土地利用和植被覆蓋狀況的改變而改變，這種改變不僅是景觀上的，還與區(qū)域土壤侵蝕、水文循環(huán)、物質(zhì)能量流動息息相關，并最終影響生態(tài)產(chǎn)品的供給［5-7］。不同的土地利用類型和生態(tài)系統(tǒng)形成的鑲嵌體就是景觀，而景觀格局是構成景觀的一種空間配置，它是因為在不同尺度上生態(tài)系統(tǒng)/土地利用和植被類型相關變化而形成的［8-9］。通過對區(qū)域土地利用和植被覆蓋時空變化的研究，對于揭示景觀格局和生態(tài)系統(tǒng)服務功能之間的關系有重要意義［10-11］。

蘭州新區(qū)位于祁連山東部邊緣，是蘭州市生態(tài)安全屏障區(qū)，是2012年國家批準的第五個國家級新區(qū)。近年來，隨著新區(qū)經(jīng)濟的不斷發(fā)展，區(qū)域景觀格局發(fā)生了明顯的變化，本文以蘭州新區(qū)景觀格局及其10年變化遙感調(diào)查以遙感數(shù)據(jù)為基礎，通過面積單元統(tǒng)計、動態(tài)度計算、轉移矩陣和景觀格局指數(shù)等指標和方法，全面分析了蘭州新區(qū)生態(tài)系統(tǒng)空間結構和2010—2020年之間的變化、生態(tài)系統(tǒng)景觀格局特征，揭示了蘭州新區(qū)生態(tài)環(huán)境的基本狀況，掌握了全區(qū)2010—2020年景觀格局變化的特點和規(guī)律。

一、研究區(qū)概況

蘭州新區(qū)地處蘭州市西北部、永登縣東南部、皋蘭縣西部，南接西固區(qū)，北接天祝縣。新區(qū)地處秦王川盆地，隴西黃土高原的西北部，是青藏高原、蒙古高原和黃土高原的交匯地，也是祁連山脈東延之余脈插入隴西盆地的交錯地帶。蘭州新區(qū)距離蘭州市中心城區(qū)約70km，距離永登縣城53km，距離白銀市約79km。2012年國務院批復設立蘭州新區(qū)，規(guī)劃面積1744km2，涉及中川鎮(zhèn)、秦川鎮(zhèn)、上川鎮(zhèn)、西岔鎮(zhèn)和水阜鎮(zhèn)，新增皋蘭縣的什川鎮(zhèn)、石洞鎮(zhèn)、黑石鎮(zhèn)，總計8個鎮(zhèn)，范圍面積為2843.67km2，不包括樹屏鎮(zhèn)。

二、研究材料與方法

（一）數(shù)據(jù)來源及處理

研究主要用到的數(shù)據(jù)有高分一號WFV數(shù)據(jù)、美國Landsat TM/ETM/OLI數(shù)據(jù)、歐空局Sentinel-2數(shù)據(jù)及MODIS數(shù)據(jù)，完成30m分辨率的2010-2020年3期蘭州新區(qū)生態(tài)系統(tǒng)分類數(shù)據(jù)生產(chǎn)。研究選擇初夏至初秋季節(jié)的衛(wèi)星影像。遙感數(shù)據(jù)源見表1。

表1 遙感數(shù)據(jù)源及時相一覽表

（二）研究方法

研究借助ArcGIS和Fragstat軟件，采用景觀指數(shù)和空間統(tǒng)計方法，對景觀格局進行了綜合分析［12］。

（1）斑塊數(shù)

研究區(qū)內(nèi)各類斑塊的數(shù)量，反映某生態(tài)系統(tǒng)在研究區(qū)域內(nèi)分布的規(guī)模。

式中，NP??斑塊數(shù)量指數(shù)；ni??第i類生態(tài)系統(tǒng)的斑塊數(shù)量。

（2）平均斑塊面積

研究區(qū)內(nèi)某類生態(tài)系統(tǒng)斑塊面積的算術平均值，反映該類生態(tài)系統(tǒng)斑塊規(guī)模的平均水平。采用如下計算方法：

式中，Ai─平均斑塊面積指數(shù)；Ni─第i類生態(tài)系統(tǒng)的斑塊總數(shù)；Aij─第i類生態(tài)系統(tǒng)第j個斑塊的面積。

（3）邊界密度

研究區(qū)內(nèi)某類生態(tài)系統(tǒng)邊界與總面積的比例，從該類邊形特征描述生態(tài)系統(tǒng)破碎化程度。采用如下計算方法：

式中，EDi─第i類生態(tài)系統(tǒng)邊界密度指數(shù)；Pij─第i類生態(tài)系統(tǒng)斑塊與相鄰第j類生態(tài)系統(tǒng)斑塊間的邊界長度；Ai─第i類生態(tài)系統(tǒng)的總面積。

（4）聚集度指數(shù)

研究區(qū)域內(nèi)所有類型生態(tài)系統(tǒng)斑塊的相鄰概率，反映各類生態(tài)系統(tǒng)斑塊的非隨機性或聚集程度。采用如下計算方法：

式中，C─區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)聚集度指數(shù)；Pij─斑塊類型i與j相鄰的概率；n─各類生態(tài)系統(tǒng)斑塊總數(shù)；Cmax─聚集度指數(shù)的最大值。

三、結果分析

（一）景觀格局破碎化程度

研究選取蘭州新區(qū)森林、灌叢、草地、濕地、農(nóng)田等8種景觀類型，對其斑塊數(shù)量、斑塊面積、斑塊密度3種景觀指數(shù)進行動態(tài)分析，結果見表2和表3。

表2 蘭州新區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類斑塊平均面積 單位：hm2

表3 蘭州新區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型景觀格局統(tǒng)計表

由表2可知，2010—2020年，森林生態(tài)系統(tǒng)、灌叢斑塊平均面積無變化，說明生態(tài)系統(tǒng)保持較穩(wěn)定狀態(tài)。草地生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)田類斑塊平均面積在2010—2020年之間逐年減小，特別是在2010—2015年期間，類斑塊面積減少明顯，說明生態(tài)系統(tǒng)的破碎化程度在2010—2015年間明顯加劇。裸地、濕地的破碎化程度在10年間波動穩(wěn)定。城鎮(zhèn)在2010—2020年間，類斑塊平均面積增加明顯，說明生態(tài)系統(tǒng)景觀格局的完整性增加，破碎化程度降低。

由表3可知，8類生態(tài)系統(tǒng)斑塊數(shù)量除裸地生態(tài)系統(tǒng)外，其余生態(tài)系統(tǒng)均呈不同幅度的增加；平均斑塊面積除草地和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)外，其余7類均呈不同程度的增加；城鎮(zhèn)和農(nóng)田、裸地生態(tài)系統(tǒng)邊界密度變化較大。表明在此10年間，蘭州新區(qū)各類生態(tài)系統(tǒng)景觀格局受到一定不利影響，生態(tài)系統(tǒng)破碎化程度上升。

（二）蘭州新區(qū)景觀格局轉換特征分析

本研究對蘭州新區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型轉移進行了分析，詳見表4。

表4 蘭州新區(qū)一級生態(tài)系統(tǒng)類型轉移矩陣 單位：hm2

2010—2020年：近10年來，生態(tài)系統(tǒng)主要在農(nóng)田、草地、城鎮(zhèn)及裸地之間轉化，轉出面積主要轉化為濕地、城鎮(zhèn)和裸地，轉入面積主要來源于草地和裸地。草地轉出類型主要轉化為濕地、農(nóng)田、城鎮(zhèn)和裸地，轉入面積主要來源于裸地。城鎮(zhèn)轉入主要來源于農(nóng)田和裸地。裸地轉出主要轉為農(nóng)田和城鎮(zhèn)，但轉化程度不大。

2010—2015年：轉化生態(tài)系統(tǒng)類型主要發(fā)生在草地、農(nóng)田、裸地和城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)之間。農(nóng)田轉出類型主要轉化為城鎮(zhèn)和裸地。草地轉出類型主要轉化為城鎮(zhèn)、荒漠和裸地。城鎮(zhèn)轉入主要來源于草地、農(nóng)田和裸地。

2015—2020年：近5年的生態(tài)系統(tǒng)轉移特征與近10年的轉移特征基本相似，但轉移幅度逐漸降低。農(nóng)田轉出面積主要轉化為濕地、城鎮(zhèn)和裸地，轉入面積主要來源于草地和裸地。草地轉出類型主要為濕地、農(nóng)田、城鎮(zhèn)和裸地。城鎮(zhèn)轉入主要來源于草地、農(nóng)田和裸地。

四、驅動因素分析及結論

(1)調(diào)查和數(shù)據(jù)分析表明，土地開發(fā)是蘭州新區(qū)景觀格局變化的重要驅動力。2000—2020年間，農(nóng)田轉為城鎮(zhèn)的面積最大，其次為草地轉為裸地，這都反映出蘭州新區(qū)土地開發(fā)的強度較大。(2)研究表明，蘭州新區(qū)主導景觀為草地和農(nóng)田，草地生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)田類斑塊平均面積在2010—2020年之間近乎呈逐年減少的趨勢；城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)斑塊面積在2010—2020年間平均面積增加明顯，這與蘭州新區(qū)近年來土地開發(fā)有直接關系。(3)通過景觀格局定量分析可以看出，在近10年間，蘭州新區(qū)各類生態(tài)系統(tǒng)景觀格局破碎化程度上升，區(qū)域城鎮(zhèn)面積增加來源主要為草地、農(nóng)田和裸地。