城市擴張背景下景觀破碎化動態演變及空間自相關分析
——以南昌市為例

林晉大, 多玲花, 鄒自力

(1.東華理工大學 江西生態文明建設制度研究中心， 南昌 330013;2.東華理工大學 測繪工程學院, 南昌 330013； 3.自然資源部環鄱陽湖區域礦山環境監測與治理重點實驗室， 南昌 330013)

城市的高速擴張與人類密集的經濟活動不斷蠶食著區域內的自然生態景觀，對區域內不同景觀之間的有效連接產生了影響[1]，景觀破碎化程度不斷加劇。景觀連接度能有效度量城市的生態調控能力[2]，判斷區域間各景觀對于生態流的促進或阻礙程度[3]。自然景觀的有效連接對于維持區域內生態系統的穩定、生物多樣性的保護具有重要意義[4]，而耕地連通性與規模生產、糧食安全有著密切的關系[5]。因此，研究建設用地的景觀破碎度與自然生境、耕地的景觀連接度三者之間的動態演變過程及空間自相關變化特征能為城市生態保護、合理規劃土地利用、實現城市可持續發展提供重要依據。

當前，景觀破碎化與孤島化現象日益嚴重[6-7]，城市和城市周邊的景觀呈現出“高度破碎化”和“空間異質性顯著”的特征[8]，致使原來相對均衡的各景觀要素變為彼此隔離的不連續斑塊鑲嵌體[9-10]，重構景觀的有效連接能夠維持景觀的連續性和完整性。近年來，國內外學者致力于景觀破碎化的研究，其中有學者運用景觀格局指數[11-12]定量表征景觀破碎化信息，也有學者從形態學[13]，有效格網評估[14-15]，移動窗口法[16-17]，地理探測器等[18]方法進行景觀破碎化空間格局研究。然而過去的研究側重于景觀破碎化演變過程的分析，鮮有對景觀破碎化與城市擴張空間相關性的研究，本文從景觀破碎度與連接度出發探究城市擴張對于自然生境及耕地斑塊連接度變化的影響及三者之間的空間自相關動態特征，識別景觀破碎度與連接度變化呈現空間相關性的區域，為南昌市優化城市發展方針、緩解經濟發展和城市生態環境二者沖突提供參考。

本文以南昌市為例，分析城市擴張造成的景觀破碎化及自然生境、耕地連接度的動態演變過程，并探究三者之間的空間相關性。旨在探討以下幾個方面：(1) 城市擴張對于景觀破碎度及景觀連接性的影響。(2) 景觀連接度的變化如何響應景觀破碎化。(3) 城市化過程中，建設用地與自然生境、耕地之間的變化是否存在空間相關性。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

南昌市位于江西省中部偏北，與鄱陽湖西南岸相接，在東經115°27′—116°35′，北緯28°10′—29°11′。境內以平原為主要地形，平均海拔為25 m，東南部地形較為平緩，西北部為丘陵地帶，全境山、丘、崗、平原相間，具有“西山東水”的地勢。全市總面積為7 384 km2，土地利用以耕地和林地為主，其中耕地3 862 km2，林地1 168 km2，因其雨水充沛，光照時間充足，南昌市植被覆蓋率達到42.96%，為國家森林城市。

1.2 研究數據來源

本文所使用的土地利用數據來源于美國地質調查局平臺(https:∥www.usgs.gov/)獲取的Landsat TM/STM+影像，分辨率為30 m，時段分別為2000年、2005年、2010年、2015年。通過ENVI軟件對4期遙感影像進行輻射校正、幾何校正等預處理，獲得土地利用數據，解譯精度大于90%。依據研究目的，參照土地利用分類方法，將區內用地類別劃分為建設用地、草地、耕地、林地、水域及其他。

2 研究思路與方法

2.1 城市破碎指數

城市破碎指數(UFI)可以從速度和形態兩方面反映城市擴張對于景觀格局的改變，根據Garcia等[19]的研究，UFI遵循以下等式：

(1)

式中:Si為第i個區域建設用地面積(m2);Pi為第i個區域建設用地的周長(m);A為區域總面積(m2)。式中的第一項表征了城市土地利用率;第二項表示城市邊界地區與等效圓的周長之比。將此公式用于定量評價建設用地所造成的景觀破碎程度,值越大表明破碎程度越高。

為更直觀地體現景觀的動態變化，計算第n年到第m年的UFI的變化率，公式為：

(2)

本文參考已有研究[20-21]，利用ArcGIS軟件創建4 km×4 km的漁網網格，計算包括景觀整體以及每個網格中的UFI值，評價不同時期建設用地的景觀破碎度差異及變化規律。

2.2 形態學空間格局分析

形態學空間格局分析(MSPA)可以識別目標像元集和結構要素之間的空間拓撲關系，將目標像元集分為7類不同的景觀要素[22]。利用重分類得到的土地利用數據，將林地和草地合并為自然生境，分別將耕地和自然生境作為前景，其他景觀類型做為背景值，采用8鄰域算法進行分析。在MSPA分析中，不同邊緣寬度的設置對于斑塊的面積和形態將產生較大的影響[23-25]，為比較不同邊緣寬度對于斑塊內部及斑塊連接度的影響，選擇適宜的邊緣寬度進行分析，本文選取1，4，8三種不同的邊緣寬度進行比較，分別對應了30，120，240 m的實際距離，經分析后最終選取4為邊緣寬度。根據MSPA分析得到的7類景觀要素，提取其中對景觀連通具有重要意義的核心區，并研究其在景觀連接度中的作用。

2.3 景觀連接度分析

景觀連接度反映了不同景觀類型的斑塊在生態流之間能量、信息的促進或阻礙作用[26]。PC指數能反映景觀的連通性，dPC指數能反映斑塊對于景觀保持連通性的重要性，計算公式如下：

(3)

(4)

式中:n為景觀中斑塊總數;ai,aj為i斑塊和j斑塊的面積；AL為景觀基質面積；PCremove為去除單個斑塊后剩余斑塊的整體指數值。本文采用dPC來評價斑塊結構的重要性,距離閾值設置為1 500 m,連接概率為0.5[20,24]。在得到各斑塊重要值后,按照自然斷點法進行分級,將核心區斑塊重要值分為5級:極高、高、中等、低、極低。依據核心區斑塊重要值的比值賦權重,同樣計算每個漁網網格的平均斑塊重要值來表征連接度。

2.4 空間自相關分析

空間自相關分析可分為全局空間自相關(Global Moran′sI)和局部空間自相關(Local Indicators of Spatial Association,LISA)，LISA將Global Moran′sI分解到各空間單元[27]，本文主要通過局部空間自相關分析景觀破碎度、自然生境平均連接度、耕地平均連接度三者之間的空間關系，局部空間自相關公式為：

(5)

式中：Ii為局部Moran指數；xi，xj是變量x在相鄰配對空間單元的取值或屬性；wij是空間權重矩陣。

3 結果與分析

3.1 城市擴張對于景觀破碎度的影響分析

南昌市2000—2015年土地利用狀況如圖1和表1所示，2015年和2000年相比，南昌市建設用地面積顯著增加，其中占用最多的地類為耕地其次為林地，共有273.26 km2的耕地，42.10 km2的林地轉為建設用地。與2000年相比建設用地占南昌市總面積的比例由4.17%上升至8.43%，耕地面積由54.93%下降至52.31%，林地面積由16.45%下降至15.81%。草地、其他、水域面積變化情況較小。

圖1 南昌市2000-2015年土地利用類型

城市的高速擴張造成了建設用地破碎化程度不斷加深，由表2可知，南昌市城市破碎指數由2000年的2.27上升至2015年的4.94，建設用地的破碎化程度造成了土地利用類型的劇烈變化，影響和改變著周圍的自然景觀。通過圖2格網分析可知，南昌市景觀破碎化逐年由贛江向兩岸延伸，城市化初期破碎化較高的斑塊主要分布在贛江東側的東湖區一帶，隨著城市化進程的加快，建設用地以贛江為軸心，向南北方向擴散。總體來看，景觀破碎化程度主要集中在城市中心區域，且整體向北偏移，主要原因是紅谷灘新區的開發，該區域的建設用地迅速向外擴張，區域內人口密度和經濟活動高度集中，加深了區域內的景觀破碎度。

表1 南昌市2000-2015年土地利用轉移矩陣 km2

圖2 南昌市2000-2015年UFI空間分布

表2 南昌市2000-2015年整體UFI指數

3.2 基于MSPA的自然生境和耕地景觀格局分析

由圖3可知，自然生境主要分布在南昌市的西北及東南方向，西北部的景觀連通性較好，自然生境斑塊面積較大且分布集中連片；東南部核心區分布零散且斑塊面積較小。在15 a間，南昌市西北部自然生境核心區保護情況優于東南部，梅嶺及安義縣北部地區始終保持著較為完整的大面積斑塊，東南部地區斑塊則顯現逐年破碎化的趨勢。自然生境的變化趨勢與南昌市地形密切相關，南昌市西北部地區為南昌市全境海拔的最高峰，不利于土地開發利用，而東南部地區地勢較為平坦，且水文條件良好，較易于受到人類活動影響。由圖4可知，耕地是南昌市景觀的主要組成部分，同時也是建設用地擴張侵占的主要用地類型，15 a間耕地主要沿贛江兩岸迅速減少，2000—2005年減少的耕地核心區主要分布在贛江東側一帶，2005—2015年隨著城市發展方向的改變，贛江西側新建區一帶成為耕地核心區減少的主要區域。

圖3 南昌市2000-2015年自然生境MSPA類型分布

從土地利用轉移情況來看，自然生境受到的影響較小，但建設用地的擴張必然對自然生境的景觀格局產生影響。根據圖5可知，自然生境中面積占比最大的是核心區，其次是邊緣區和島狀斑塊，2000—2015年間各類景觀類型總體上變化趨勢較為平緩，2000—2005年核心區面積有小幅的上升，但其頻次并未發生變化，說明此時核心區面積增加且分布更為集中，2005—2015年間核心區占前景的比例及面積都在降低，且頻次變化更為劇烈，更多面積較小核心區消失，表明建設用地與自然景觀之間的相互作用在不斷加強。從圖6中可以看出，耕地核心區在15 a間占前景的比例較為平穩，但其頻次逐年下降且變化幅度明顯，說明在研究期內，越來越多面積較小的斑塊消失，在景觀中起連接作用的橋接區一并減少，表明耕地之間的連通性逐漸降低。同時隨著建設用地與耕地景觀的相互作用愈加激烈，島狀斑塊的頻率在不斷增加，耕地面積減少，集中連片度降低，耕地質量不斷惡化。

圖4 南昌市2000—2015年耕地MSPA類型分布

圖5 南昌市2000-2015年自然生境MSPA數據

圖6 南昌市2000-2015年耕地MSPA數據

3.3 景觀連接度分析

由圖7可知，分布在南昌市西北部的大型林地斑塊始終是區域內維持景觀連通性中最重要的一環，其不僅是區域內重要森林生態系統，也是貫穿南昌市西部的一條重要廊道和生態屏障。分布在東南部的自然生境斑塊則由于小型斑塊的滅失，區域內部的景觀結構產生了改變，面積更小的斑塊在維持區域連通性中承擔更為重要的作用，對于東南部的自然生境保護及改造應是南昌市未來生態修復中亟需關注的一部分。

耕地作為南昌市景觀類型的基質，其對于維持區域內景觀的連接度同樣具有重要意義，分析圖8可知，核心區中對于維持景觀連通具有極高和高重要性的斑塊主要分布在南部及北部的鄱陽湖一帶，而靠近城市區域的耕地斑塊重要值以低和極低為主，耕地連通性受城市擴張的影響更為顯著，快速的城市擴張造成了耕地集中連片度降低，可長期利用的穩定耕地數量減少，對區域內的糧食安全產生了負面影響。

圖7 南昌市2000-2015年自然生境重要斑塊分布

圖8 南昌市2000-2015年耕地重要斑塊分布

3.4 空間自相關分析

景觀破碎度、耕地平均連通概率、自然生境平均連通概率全局莫蘭指數見表3，2000—2015年三者的全局莫蘭指數總體小于0，說明三者之間主要呈負相關趨勢，且隨著時間變化三者之間的空間差異性愈加明顯。圖9為景觀破碎度、耕地平均連通概率、自然生境平均連通概率三者之間的局部自相關聚類圖。分析圖9可知，景觀破碎度與耕地平均連通概率出現高低聚集的區域主要分布在城市中心，且隨著時間推移高低聚集區的范圍逐漸擴大，表明建設用地對于耕地連通性的影響逐漸增大，研究區南部則出現了大范圍的低高聚集區域，該區域耕地景觀受城市擴張的影響程度較小，是保持區域內耕地連通性中最重要的一環。景觀破碎度與自然生境之間的高低聚集區域則在早期分布較為分散，隨著城市化進程的加快逐漸集中到城市中心區域，低高聚集區域則始終分布在南昌市西北部梅嶺森林公園，高高聚集區域則主要分布在梅嶺森林公園外圍。自然生境與耕地連通性聚集圖分析可知，研究區南部是維護區域耕地連通的主要區域，而西北的梅嶺是維持區域自然生境連通的主要區域，城市中心則隨著建設用地的擴張出現了耕地與自然生境連接度的低低聚集區。

表3 景觀破碎度、耕地平均連通概率、自然生境平均連通概率全局莫蘭指數

4 討論與結論

4.1 討 論

城市的快速擴張造成了土地利用類型的變化愈加劇烈，勢必對區域內的整體景觀格局和生態過程產生影響。城市化過程中土地資源與其周邊環境不斷進行著物質能量交換，并不斷重構景觀要素之間的空間關系，通常與城市經濟活關系較為密切的區域更易遭到破壞。本文通過分析建設用地景觀破碎度與耕地、自然生境連接度的動態演變過程及三者之間的空間關系，發現景觀破碎度與景觀連接度之間呈負相關關系，且空間上存在負相關的區域隨著城市化進程不斷擴大。在城市化初期景觀結構由于整體結構性能維持其穩定的狀態，當城市化進行到一定階段，景觀破碎化在改變景觀形態的同時，內部的結構和功能也在變化，景觀整體的穩定性減弱，生態過程受影響程度加深。

注：A自變量為景觀破碎度，因變量為耕地平均連通概率；B自變量為景觀破碎度，因變量為自然生境平均連通概率；C自變量為自然生境平均連通概率，因變量為耕地平均連通概率。*代表p<0.05。

由于景觀動態演變是一個復雜的過程，受區域自然稟賦和政策法規的雙重影響，未來景觀破碎化的研究中需考慮政策的干預作用。此外不同的研究尺度對試驗結果同樣會產生影響，本文重點探討了市域尺度下的景觀破碎化演變過程，深入宏觀和微觀的尺度的探討能更加完善對于景觀破碎化的研究。盡管如此，本研究可為新時期國土綜合整治與生態修復、基本農田保護規劃、保障糧食安全提供有益參考。

4.2 結 論

(1) 研究區近15 a來城市高速擴張，建設用地需求量躍升，建設用地面積由2000年的308 km2上升至2015年的622 km2，而耕地及自然生境則呈現逐年減少的態勢，耕地及生態用地保護與建設用地擴張之間的沖突日益顯著。UFI指數表明，在城鎮規模不斷擴大，人口劇增的現實環境下，建設用地結構與形態迅速改變，破碎化程度加深。

(2) MSPA分析顯示，2000—2005年自然生境核心區出現了小幅的上升，但以2010年為轉折點，核心區的數量及頻次開始逐年減少，島狀斑塊數量呈上升趨勢，自然生境受周圍區域影響程度加深；耕地在2000—2015年，核心區頻次不斷減少，但核心區占前景比例相對穩定，表明研究期內主要為小面積的核心區減少。

(3) 景觀連接度分析顯示，耕地和自然景觀中小型斑塊的滅失將導致大型斑塊呈現孤島化，最終影響整體景觀連接度。西北部的大型林地斑塊連通性始終維持在較高水平，保護這一區域原有生態系統的完整性及結構功能的穩定性應作為南昌市未來生態保護的首要目標，而重構贛江東側耕地景觀的結構連接度則能促進南北部大型耕地斑塊的物質能量流通。

(4) 空間自相關分析顯示，城市的中心區域成為景觀整合與重構的主場地，自然景觀與建設用地的高低聚集區域呈現“分散—集中”的演變過程，而耕地與建設用地的聚集演變過程則呈現相反的趨勢。西北部為自然景觀的高值聚集區，而南部為耕地的高值聚集區。