城市土地利用景觀格局演變及驅(qū)動力研究進(jìn)展

徐艷芳　王浩天　李鑫　趙迅　張婷婷

摘要：城市土地利用景觀格局的演變反映了人類潛在的活動對城市生態(tài)環(huán)境的影響，也反映了城市化的發(fā)展進(jìn)程。文章借助CiteSpace研究工具，將2007—2023年在WOS數(shù)據(jù)庫中與城市土地利用景觀格局相關(guān)的703篇文獻(xiàn)作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)進(jìn)行分析，量化解析出“景觀指數(shù)”“生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)”“驅(qū)動力機(jī)制”“城市熱島效應(yīng)”等研究熱點，歸納出三個主要研究方向：一是利用3S技術(shù)與景觀生態(tài)學(xué)對景觀格局進(jìn)行量化分析；二是利用多模型對景觀格局動態(tài)演變進(jìn)行預(yù)測；三是探究不同驅(qū)動因素在土地利用景觀格局演變中的作用。并提出風(fēng)景園林學(xué)科應(yīng)深入研究城市景觀生態(tài)理論與風(fēng)景園林規(guī)劃的過程耦合機(jī)制，為城市用地結(jié)構(gòu)優(yōu)化、城市景觀規(guī)劃等工作提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：城市土地利用；景觀格局；驅(qū)動力；CiteSpace；風(fēng)景園林

中圖分類號：TU984.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-9436（2023）18-00-03

0 引言

在風(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計中，人地關(guān)系互為依存、互為影響，土地資源作為設(shè)計的本底，兩者聯(lián)系緊密。在景觀生態(tài)學(xué)中，景觀是地貌、植被、土地利用和人類居住格局的特殊動態(tài)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)和功能隨時間而發(fā)生變化。其中，城市景觀類型可以按照土地利用類型劃分為耕地、園地、林地、草地、水域等［1］。景觀格局的變化是由多個驅(qū)動因素在多尺度時空上共同運(yùn)作并發(fā)生相互作用形成，常見有自然因素和人文因素這兩類。研究者利用多種技術(shù)模型識別驅(qū)動因素并探究其機(jī)制，旨在對城市景觀格局動態(tài)演變趨勢進(jìn)行模擬預(yù)測，從而實現(xiàn)對景觀格局變化過程的控制。

利用可視化軟件CiteSpace對城市土地利用景觀格局演變與驅(qū)動力的相關(guān)研究文獻(xiàn)進(jìn)行梳理、分析和評價，可歸納總結(jié)出城市土地利用景觀格局的研究視角與手段，將研究成果應(yīng)用于城市景觀生態(tài)研究和風(fēng)景園林規(guī)劃，能為制定科學(xué)、有效的土地利用管理策略提供支持和借鑒。

1 數(shù)據(jù)處理

1.1 研究方法

選用CiteSpace軟件將Web of Science數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化轉(zhuǎn)換，繪制各類知識圖譜，針對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行合作網(wǎng)絡(luò)、共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、共被引分析和突現(xiàn)分析等。時間分片間隔為1年。

1.2 數(shù)據(jù)來源

以WOS數(shù)據(jù)庫中的核心數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)來源，檢索時間為2023年4月6日，檢索主題詞為TS=（Landscape

pattern of land use） AND TS=（Driving forces），時間跨度為所有年份，共檢索到相關(guān)文獻(xiàn)708篇，包含研究性論文、綜述、社評、會議論文和書籍章節(jié)這五種類型。篩選出研究性論文、綜述與會議論文這三類有效樣本共703篇。

2 外部特征分析

分析樣本發(fā)現(xiàn)，關(guān)于土地利用景觀格局演變及驅(qū)動力的文獻(xiàn)最早發(fā)表于2007年，隨后發(fā)文數(shù)量逐漸增加，平穩(wěn)上升至2023年，相關(guān)文獻(xiàn)總被引次數(shù)高達(dá)20 394次，研究規(guī)模不斷擴(kuò)大。這些文獻(xiàn)出自83個國家和地區(qū)，其中來自我國的學(xué)者及研究機(jī)構(gòu)以415篇的發(fā)文量占據(jù)第一；發(fā)文量前20的研究機(jī)構(gòu)中，中國有12所高校入圍，說明其在國內(nèi)研究中受到關(guān)注。從出版物角度分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)表期刊涉及環(huán)境科學(xué)與工程、生態(tài)學(xué)、地理學(xué)、城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)、風(fēng)景園林學(xué)等眾多學(xué)科，學(xué)科擴(kuò)散性良好。

3 文獻(xiàn)共被引聚類分析

對一個文獻(xiàn)空間數(shù)據(jù)集合進(jìn)行文獻(xiàn)高被引關(guān)系挖掘的過程稱為文獻(xiàn)共被引分析［2］，此分析可篩選出與多篇文獻(xiàn)形成共引關(guān)系的文獻(xiàn)，進(jìn)而反映出某個研究領(lǐng)域的論文被引情況和學(xué)術(shù)共同體。

利用CiteSpace對有效樣本進(jìn)行共被引分析，得到5個聚類，并按照其規(guī)模大小編號，最終得到文獻(xiàn)共被引圖譜。以下選擇前三個聚類展開分析。

3.1 #0聚類：驅(qū)動力（Driving forces）

城市景觀格局變化的驅(qū)動因素直接影響土地利用格局形成和演變進(jìn)程，是城市土地利用景觀格局演變研究中的重點。研究者多采用建立回歸模型定量確定驅(qū)動因素占比，并運(yùn)用CA-Markov模型模擬未來演變趨勢，有研究在對伊朗德黑蘭大都市區(qū)的郊區(qū)擴(kuò)張研究中應(yīng)用了上述雙模型，對不同驅(qū)動因素占比進(jìn)行了計算和預(yù)測模擬。該方法具有應(yīng)用范圍廣、數(shù)據(jù)精度高等優(yōu)勢，但政策等人文驅(qū)動因素涉及較少。

我國學(xué)者劉小平等在土地利用和土地覆蓋變化模擬模型中側(cè)重于自然因素中氣候因子的研究，利用系統(tǒng)動力學(xué)和元胞自動機(jī)在預(yù)測期間交互耦合構(gòu)建出“未來土地利用模擬模型FLUS”，提高了模擬未來土地利用模式的準(zhǔn)確度。FLUS模型彌補(bǔ)了驅(qū)動因素中對氣候因子影響研究的不足，使驅(qū)動力機(jī)制的研究更全面、更契合實際。

3.2 #1聚類：城市擴(kuò)張（Urban growth）

城市擴(kuò)張現(xiàn)在已經(jīng)成為一個全球性問題，作為一種“不受歡迎”的土地利用模式，城市擴(kuò)張的負(fù)面影響通常更為明顯。從城市擴(kuò)張成為人們關(guān)注的焦點以來，學(xué)者們已試圖從位置、密度、空間格局、土地利用、影響和驅(qū)動力等不同維度的特征來定義它。

政策因素對城市化進(jìn)程中的土地利用景觀格局具有顯著影響。有學(xué)者研究了1995—2005年杭州市城市土地利用景觀格局現(xiàn)狀與城市規(guī)劃的不一致性，討論了關(guān)鍵政策對杭州城市擴(kuò)張的作用，提出了以“城市蔓延指數(shù)”來確定城市蔓延特征的方法。該研究方法在定量研究景觀格局的同時，全面定性地描述了城市規(guī)劃政策對城市擴(kuò)張的驅(qū)動影響。

有學(xué)者以上海為例研究，確立了一個多維指數(shù)來衡量1990—2010年上海城市蔓延的時空特征。研究發(fā)現(xiàn)，21世紀(jì)的城市蔓延比20世紀(jì)90年代更為嚴(yán)重，而且城市不同地區(qū)的蔓延呈現(xiàn)出空間異質(zhì)性。在量化規(guī)劃在城市蔓延中的作用的同時，研究采用了基于地理層空間變化分析的地理檢測器來評估規(guī)劃對城市蔓延的影響，并發(fā)現(xiàn)規(guī)劃與城市蔓延密切相關(guān)，最后提出了實現(xiàn)更可持續(xù)、更緊湊的發(fā)展模式所需的未來規(guī)劃政策。

3.3 #2聚類：土地利用變化（Land-use changes）

土地利用變化是景觀格局的表征，研究土地利用變化的本質(zhì)是對其潛在技術(shù)、體制和經(jīng)濟(jì)驅(qū)動因素的探討。有研究分析了1996—2016年大不里士都市區(qū)的土地利用變化、城市化對景觀格局變化的影響，利用普通最小二乘法和地理加權(quán)回歸法這兩種方法，歸納了土地利用變化、城市化和景觀格局演變之間的關(guān)系，為可持續(xù)區(qū)域規(guī)劃提供了科學(xué)支持。彭建［3］等研究了1990—2010年深圳市城市生態(tài)用地在數(shù)量、質(zhì)量和空間分布上發(fā)生的顯著變化，揭示出快速城市化進(jìn)程中城市生態(tài)用地的變化特征，為構(gòu)建城市景觀生態(tài)安全格局提供了依據(jù)。對土地利用變化各種驅(qū)動因素（包括突發(fā)事件）共同影響過程的研究，可為生態(tài)安全格局構(gòu)建及城市可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃提供幫助。

4 關(guān)鍵詞共現(xiàn)與突現(xiàn)分析

4.1 關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析

關(guān)鍵詞是作者對文獻(xiàn)核心內(nèi)容的提煉，在學(xué)科領(lǐng)域中高頻出現(xiàn)的關(guān)鍵詞常被視為熱點研究領(lǐng)域［4］。關(guān)鍵詞共現(xiàn)時間線圖譜可以直觀反映某一研究領(lǐng)域在特定時間的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，從而間接推演出該研究領(lǐng)域的研究熱點及發(fā)展趨勢。

通過對時間線圖譜的分析，2007—2012年“城市土地利用、覆蓋改變、驅(qū)動力、土地利用管理、空間格局”等關(guān)鍵詞高頻出現(xiàn)，表明該時段是城市土地利用景觀格局演變及驅(qū)動力研究的繁盛期。這些高頻詞與后期的研究形成了頻繁交接連線，反映出這些關(guān)鍵詞依然是后續(xù)的研究熱點。2012年起，高頻關(guān)鍵詞中增加了“景觀指數(shù)、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、城市熱島效應(yīng)、濕地與河流流域、景觀格局動態(tài)演變”等詞，標(biāo)志著研究進(jìn)入新活躍時期。

結(jié)合共被引文獻(xiàn)分析可見，近年來城市土地利用景觀格局演變及驅(qū)動力研究主要集中在三個方向：一是利用地理遙感信息技術(shù)與景觀生態(tài)學(xué)對景觀格局進(jìn)行量化分析；二是獲得土地利用變化的驅(qū)動因素，并利用多模型對景觀格局動態(tài)演變進(jìn)行預(yù)測；三是通過土地利用變化數(shù)據(jù)服務(wù)于生態(tài)系統(tǒng)測算。

4.2 關(guān)鍵詞突現(xiàn)分析

CiteSpace可以通過關(guān)鍵詞的時間分布，篩選出頻次變化較大的關(guān)鍵詞，以總結(jié)出研究前沿和發(fā)展趨勢。通過分析發(fā)現(xiàn)，2007—2015年，“GIS、遙感、景觀動態(tài)、景觀格局、景觀指數(shù)”等關(guān)鍵詞突現(xiàn)程度較高，表明當(dāng)時的研究重點在于如何量化城市土地利用變化格局。2017年之后，“隨機(jī)森林、城市擴(kuò)張、地理加權(quán)回歸、河流流域、城市熱島效應(yīng)”等關(guān)鍵詞相繼涌現(xiàn)。其中“隨機(jī)森林”與“地理加權(quán)回歸”的研究突現(xiàn)值最高，說明國內(nèi)外研究者使用現(xiàn)有土地利用數(shù)據(jù)來推測過去的驅(qū)動因素，并利用機(jī)器學(xué)習(xí)等方法訓(xùn)練樣本以預(yù)測未來的土地利用特征。從2021年至今，“河流流域”與“城市熱島效應(yīng)”的突現(xiàn)強(qiáng)度均為最高，說明分析城市土地利用格局已逐漸成為多樣化研究的基本手段，對其變化本身的研究已趨于成熟。

4.3 基于共現(xiàn)與突現(xiàn)的研究熱點分析

4.3.1 景觀格局動態(tài)演變模型預(yù)測

景觀格局可以直接表示景觀要素的空間分布，景觀要素不可避免地會受到人類或自然條件的干擾而產(chǎn)生變化，因此景觀格局是以動態(tài)形式表現(xiàn)，其動態(tài)變化體現(xiàn)了景觀的生態(tài)過程與功能。土地利用類型及結(jié)構(gòu)的差異性等同于景觀格局結(jié)構(gòu)及空間的差異性。運(yùn)用景觀生態(tài)學(xué)理論和方法，結(jié)合RS與GIS的技術(shù)手段分析土地利用/覆蓋變化、景觀格局等方面已成為近年來基本的研究模式。在快速城市化進(jìn)程中，深入研究土地利用變化特征并預(yù)測未來的發(fā)展具有重要意義，用多種模型預(yù)測土地利用變化的方法被廣泛運(yùn)用于景觀格局動態(tài)演變過程的研究中。

4.3.2 驅(qū)動力研究

快速城市化進(jìn)程中，土地利用結(jié)構(gòu)和城市景觀布局的不合理變化造成了一系列城市病，降低了城市人居環(huán)境質(zhì)量的同時影響城市的可持續(xù)發(fā)展。系統(tǒng)分析城市中土地利用與景觀格局特征變化的驅(qū)動力是解決城市病的理論基礎(chǔ)，城市景觀格局受地理、社會、經(jīng)濟(jì)、政策等多重因子的共同制約。前期研究成果中學(xué)者們多使用地理加權(quán)回歸、相關(guān)數(shù)據(jù)分析等傳統(tǒng)統(tǒng)計方式確定驅(qū)動力，但這些以假設(shè)為前提的認(rèn)知方式影響了驅(qū)動力評估的權(quán)威性。近年來，基于決策樹的集成學(xué)習(xí)方式突破了傳統(tǒng)計算方式的局限，為景觀格局演變及驅(qū)動力研究提供了新的思維式樣，如增強(qiáng)回歸樹與隨機(jī)森林等方法被成功運(yùn)用于對多重因子影響的定量研究中［5］。

4.3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)

景觀生態(tài)學(xué)的“格局－過程耦合”理論，為生態(tài)安全的保護(hù)與生態(tài)系統(tǒng)的有效管理提供了重要的空間研究范式。針對生態(tài)安全研究以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)為導(dǎo)向及對生態(tài)過程的調(diào)控研究，研究者提出了“生態(tài)安全格局”的概念。構(gòu)建區(qū)域生態(tài)安全格局可以保障生態(tài)功能充分發(fā)揮，實現(xiàn)土地等自然資源及綠色基礎(chǔ)設(shè)施的合理配置，達(dá)到保障生態(tài)安全的終極目標(biāo)。風(fēng)景園林規(guī)劃遵循因地制宜的設(shè)計理念，需要對場地格局與生態(tài)過程有清晰認(rèn)知，對景觀格局內(nèi)在驅(qū)動力機(jī)制的研究也是對根源性動態(tài)的自然、社會、經(jīng)濟(jì)、文化過程的關(guān)注［6］。

5 結(jié)語

本文利用可視化軟件CiteSpace分析了城市土地利用景觀格局演變及驅(qū)動力研究的相關(guān)文獻(xiàn)，研究量化解析出“景觀指數(shù)”“生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)”“驅(qū)動力機(jī)制”“城市熱島效應(yīng)”等熱點，歸納出利用3S技術(shù)與景觀生態(tài)學(xué)對景觀格局進(jìn)行量化分析、利用多模型對景觀格局動態(tài)演變進(jìn)行模擬預(yù)測、探究不同驅(qū)動因素在土地利用景觀格局演變中的作用等三個主要研究方向。本研究在城市景觀生態(tài)理論與風(fēng)景園林規(guī)劃的過程耦合機(jī)制上還有所不足，需要在充分認(rèn)識景觀指數(shù)的自然、人文、社會內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，因地制宜地提出解決方案，為城市用地結(jié)構(gòu)優(yōu)化、城市綠色可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

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作者簡介：徐艷芳（1979—），女，山東濟(jì)南人，碩士，副教授，研究方向：風(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計及其理論、園林建筑設(shè)計。

王浩天（1999—），男，河北石家莊人，碩士在讀，研究方

向：風(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計與理論。

李鑫（1972—），女，山東濟(jì)南人，碩士，副教授，系本文通訊作者，研究方向：風(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計及理論。

趙迅（1999—），男，貴州畢節(jié)人，碩士在讀，研究方向：風(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計與理論。

張婷婷（1997—），女，山東臨沂人，碩士在讀，研究方向：風(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計與理論。

基金項目：本論文為2021年度山東省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳軟科學(xué)研究項目“基于3S技術(shù)的城市森林碳匯潛力與生態(tài)補(bǔ)償能力研究”成果，項目編號：2021-R2-1