成都市近15年景觀格局演變特征及其影響因素

徐婧琳,張軍梅,陳 凡,張洪森

(云南師范大學地理學部,云南昆明 650500)

景觀格局表征了景觀元素的空間布局特征,定量分析景觀格局的時空演變不僅是格局與過程相互關系研究的基礎,也可以揭示生態過程的驅動機制和發展趨勢[1]。20世紀80年代以來,我國逐步進入城市化快速發展時期,城市景觀呈現出高度破碎化的顯著特征,并趨向于復雜、異質和不連續的混合斑塊鑲嵌體,且隨著城市建設規模的不斷擴大,景觀格局還將受到日益增強的干擾,其演變將更加復雜化,由此帶來的社會與生態環境影響將更為突出[2-5]。為了促進城市的可持續發展,從景觀格局的角度理解和解決快速城市化進程中因景觀格局變化帶來的一系列城市問題已經成為生態學與地理學研究領域的熱點之一[6]。

快速城市化背景下,景觀格局動態變化特征、過程及其影響因素已受到國內外學者的普遍關注。國外學者多側重于城市景觀格局動態變化對生態效應的影響[7-8],分析表明城市化是景觀格局動態變化的主要影響因素[4,9]。我國學者從區域[10]、城市[3,11]、城市群[12-13]等不同空間尺度,采用景觀格局指數法[14-15]、轉移矩陣法[16-17]等方法來分析城市景觀格局的演變特征,并運用相關分析法[18]、Binary Logit回歸模型[3]等方法定性定量地研究了景觀格局演變的影響因素,認為城市景觀格局演變受到地理條件、人口、社會經濟、國家政策等方面的影響[19-20];也有學者側重于分析生態格局演變[21]及其所帶來的生態效應[22-24]。目前,國內學者的研究區域多關注東部高速發展的城市,對于中西部城市的研究成果較少。

成都市作為長江經濟帶上游的中心城市[21]、中西部核心發展城市[25]和全國公園城市示范區[26],其城市的高質量發展在區域經濟發展和生態環境的保護方面占據重要地位。肖況等[27]、羅艷等[28]關注成都市的景觀時空變化、植被景觀格局,歐定華等[29]基于粒子群算法對成都市郊區景觀格局優化進行研究,隆世良等[30]、周爽等[31]側重研究成都市景觀安全格局、生態系統服務關聯效應。以上研究多側重于分析成都市景觀格局的生態效應,在影響因素研究的層面上,注重自然和人文因素對成都市景觀格局演變的影響,而對城市化進程的關注較少,尤其是政策因素的影響鮮少涉及。因此,筆者采用景觀格局指數、回歸分析等方法對成都市2005—2020年城市景觀格局演變特征及其影響因素進行研究,以定量和定性相結合的方法分析了包括城市化水平、政策因素與景觀格局之間的相關關系;最后,討論了在城市化進程中城市發展政策對景觀格局合理優化及其生態功能發揮的積極作用。

1 資料與方法

1.1 研究區概況成都市(30°05′～31°26′N,102°54′～104°53′E)位于四川省中部,全域總面積約為13 930 km2。地勢西北高、東南低,西部屬于四川盆地邊緣地區,以丘陵和山地為主;東部位于四川盆地腹心地帶,以平原和低山丘陵為主,全域海拔1 000～3 000 m,成都市屬亞熱帶濕潤季風氣候,夏季高溫多雨,冬季溫和少雨,四季分明。2020年年末常住人口約2 094萬人,城鎮化率78.77%,是成渝雙城經濟圈的重要一極。

1.2 數據來源該研究采用成都市2005、2010、2015、2020年共4期土地利用數據,劃分為耕地、森林、草地、灌木、冰雪、水體、荒地、人工建設用地8種景觀類型,景觀類型時序圖如圖1所示,該數據來源于武漢大學黃昕教授團隊,為30 m分辨率年度土地利用數據(annual China land cover dataset,CLCD,https://engine.piesat.cn/),分類精度為79.31%。城鎮化率和綠化覆蓋率數據均來源于《四川省統計年鑒》(2005—2020年)。

圖1 2005—2020年成都市景觀類型分布Fig.1 Distribution of landscape types in Chengdu City during 2005-2020

1.3 景觀指數選取與分析方法使用ArcGIS 10.7將土地利用數據轉化為tiff格式,導入到Fragstats 4.2軟件計算景觀格局指數,景觀指數類型及其意義如表1所示。根據研究地區的實際地理情況和景觀指數所代表的實際意義,同時在借鑒現有的城市景觀格局研究[2,6,21,31]的基礎上,該研究從類型水平和景觀水平2個方面選取指數。類型水平上選取斑塊類型面積(CA)、斑塊數量(NP)、斑塊密度(PD)、平均斑塊面積(AREA_MN)、最大斑塊指數(LPI);景觀水平上選取斑塊數量(NP)、平均斑塊面積(AREA_MN)、斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(LPI)、聚合度指數(AI)、分離度指數(DIVISION)、蔓延度指數(CONTAG)、香農多樣性指數(SHDI)。

表1 該研究所采用的景觀格局指數說明[32]

1.4 回歸分析法有研究表明,城市化會階段性地增加或降低城市中心的景觀多樣性和破碎化程度[3,6,19,33]。蔓延度指數可以描述景觀斑塊類型的破碎化程度、團聚程度或延展趨勢,景觀多樣性指數能夠反映景觀組分數量和各景觀組分所占比例的差異。因此,該研究以蔓延度指數和多樣性指數作為因變量來表征景觀格局的演變特征,以城鎮化率作為自變量來表征城市化水平。景觀多樣性指數和蔓延度指數由成都市2005—2020年的土地利用數據計算得出,結合15年城鎮化率數據,利用SPSS軟件對二者進行回歸分析,得到線性回歸模型以進一步分析相關性。

2 結果與分析

2.1 成都市景觀格局演變特征

2.1.1各景觀類型的時間變化特征。從成都市15年間各類景觀總體構成的變化情況(表2)可以看出,耕地、森林和人工建設用地占比較大,是成都市主要的景觀類型。其中,耕地面積占比最大,但斑塊面積(CA)逐年減小,占比從61.47%下降至52.05%,說明成都市在發展過程中對耕地保護的重視程度有所下降;同時森林面積明顯增加,占比從27.86%增加至30.37%,可見其景觀優勢度逐步增強,說明成都市對于綠地保護的持續重視;人工建設用地面積在15年間變化最為顯著,占比從7.17%增長至13.50%,相比其他用地類型增幅較大,反映出成都市在發展過程中對建設用地需求的持續增大;灌木、草地面積增加;荒地、冰雪景觀占比較小,變化幅度不大。

表2 2005—2020年成都市各類景觀面積及占總面積比例變化

2.1.2各景觀類型的格局變化特征。由圖2可知,2005—2020年成都市大部分景觀類型總體呈破碎化趨勢。其中,耕地斑塊數量(NP)不斷增加,平均斑塊面積(AREA_MN)減小,斑塊密度(PD)不斷增加,說明耕地景觀破碎化程度不斷上升、規模逐步減小;森林的斑塊數量逐年減小,平均斑塊面積增加,且斑塊密度逐年降低,反映出成都市森林景觀的破碎化程度降低;人工建設用地斑塊數量增加、平均斑塊面積增大、斑塊密度不斷上升,說明人工建設用地景觀總體趨于破碎化,但規模不斷增大;草地斑塊數量持續增多、斑塊密度增加、平均斑塊面積小幅度下降,呈現破碎化趨勢;灌木、荒地等斑塊指數略微波動,對于景觀格局總體影響較小。最大斑塊指數(LPI)可以反映最大斑塊類型對整個景觀或者類型的影響程度,即可以度量景觀類型的優勢度。從成都市2005—2020年景觀類型LPI變化統計(圖2)可以看出,耕地景觀在研究時段內始終占據最大優勢,其對整體景觀影響較大,但指數有持續下降的趨勢;其次森林景觀最大斑塊指數較大,是成都市城市景觀中的第二大優勢景觀,指數呈上漲態勢;人工建設用地最大斑塊指數逐年增加,其景觀優勢度逐漸增大;其余景觀類型由于本身基數較小,優勢度較小且趨于穩定,對整體景觀格局影響較小。

圖2 2005—2020年成都市類型水平指數變化Fig.2 Changes of patch type level index in Chengdu City during 2005-2020

2.1.3景觀尺度的格局變化特征。由圖3可知,2005—2020年成都市景觀斑塊數量(NP)和多樣性指數(SHDI)穩步增加;平均斑塊面積(AREA_MN)和聚合度指數(AI)先減小后增加,2015年為轉折點,總體呈減小趨勢;最大斑塊指數(LPI)先增加后減小,2010年為轉折點;斑塊密度(PD)先增加后減小,2015年為轉折點,總體上呈增加趨勢;蔓延度指數(CONTAG)穩步下降;景觀分離度指數(DIVISION)先減小后增加,2010年為轉折點。景觀格局總體特征:景觀總體呈破碎化趨勢,優勢景觀類型連接度逐漸降低,各景觀團聚度下降,景觀多樣性指數逐年增大,表明各景觀類型數量增多、復雜性增加,景觀內各組分所占比例越均勻。

圖3 2005—2020年成都市景觀水平指數變化Fig.3 Changes of landscape level index in Chengdu City during 2005-2020

2.2 城市化進程對成都市景觀格局變化的影響

2.2.1城市化發展進程對景觀格局的影響。盡管影響城市景觀格局特征演變的因素具有復雜性和多樣性,但GDP、人口作為影響城市景觀格局演變的主要社會經濟因素[3],其帶來的城市擴張可以用城鎮化率作為表征。 2000年以前成都市城市化水平較低,處于緩慢發展階段[34];2000—2020年,成都市中央城區到邊緣區縣不斷擴張,城市化水平不斷升高,屬于快速城市化階段[25]。從研究時段內成都市城鎮化率變化(圖4)可以看出,2005—2020年成都市城鎮化率穩步增長,由2005年的59.90%增加至2020年的78.77%,其中,2015—2016年城鎮化率有所下降,2019—2020年增速最快,增加了約4百分點。

圖4 2005—2020年成都市城鎮化率Fig.4 Urbanization rate of Chengdu City during 2005-2020

為了探索成都市城市化水平對景觀格局的影響,對城市化水平與景觀格局進行相關分析。景觀水平上,城鎮化率與景觀格局指數之間的決定系數(R2)均在0.9左右,兩者之間具有顯著的相關性(圖5)。圖5a顯示城鎮化率與蔓延度指數之間呈較強的負相關,即隨著城鎮化率的上升,景觀蔓延度指數下降,一定程度上反映了各類景觀團聚度和延展趨勢下降,表明耕地作為優勢景觀的連接度下降。圖5b顯示,城鎮化率與景觀多樣性指數之間呈較強的正相關,即隨著城鎮化率的上升,各景觀的類型數量增多、復雜性增加,各類型景觀所占比例越均勻。城市化的實質使得城市生態用地以及農業用地不斷轉化為建設用地,從而形成以人工景觀為主的高度破碎化的異質性景觀[6]。結合表2和圖4分析發現,景觀類型水平上格局變化的主要特征是人工建設用地擴張,且2005—2020年成都市人工建設用地面積隨著城鎮化率穩步升高逐年增加,表明城市化水平的提高是成都市人工建設用地演變的主要影響因素。

圖5 2005—2020年成都市城鎮化率與蔓延度指數(a)、多樣性指數(b)的關系Fig.5 Relationship between urbanization rate and spread index(a)and diversity index(b)of Chengdu City during 2005-2020

2.2.2城市發展政策對景觀格局變化的影響。政策因素也是影響城市景觀格局演變的重要因素之一[2,35]。2018年,成都市首次提出“公園城市”發展理念,建設踐行貫徹新發展理念的“公園城市示范區”[36]。從2016—2020年成都市建成區綠化覆蓋率變化情況(圖6)可以看出,成都市建成區綠化覆蓋率從2018年開始顯著增加,由41.5%上升至2020年的44.0%。由表2可知,在該階段森林、草地這2類綠地景觀面積穩步增加,其中森林增長趨勢最為顯著,2015—2020年由3 901.1 km2增長至4 230.4 km2,占總面積比例由28.01%增長至30.37%,破碎化程度處于不斷下降的態勢,可見“公園城市”城市發展目標的確立和相關政策對成都市的綠地景觀格局具有積極影響。其次,《成都市土地利用戰略研究報告》(2003—2020年)預測規劃期內,各類建設用地總規模將達到2 393.0 km2,比2002年增加595.3 km2;同時成都市國土資源局耕地保護處研究指出,這一輪規劃期內,建設用地將占用耕地3.96萬hm2[37],而成都市2005—2020年出現了耕地面積持續減小、人工建設用地面積穩步增大的現象,可見政策對人工建設用地、耕地景觀的變化也具有較大影響。由此表明政策是成都市景觀格局演變的主要影響因素,這與肖況等[27]的研究結果相符。

圖6 2016—2020年成都市建成區綠化覆蓋率Fig.6 Green coverage rate of built-up areas in Chengdu City during 2016-2020

3 討論

該研究采用景觀格局指數、回歸分析等方法對景觀格局演變及其影響因素進行了研究。隨著成都市近15年來城市化水平不斷提高,人工建設用地面積持續增長,該現象也出現在北京市[2]、深圳市[3]、揚州市[33];人工建設用地破碎化程度加劇,而車通等[33]研究表明,隨著城市化進程加快,揚州市人工建設用地破碎化程度下降。同時,通過該研究可以發現近年來土地利用政策對成都市景觀格局演變的影響較大,耕地面積持續減小,這與肖況等[27]的研究結果一致,在此基礎上,該研究得出“公園城市”政策對成都市景觀格局的演變也具有重要影響,該政策以改善城市人居環境質量為目標,使得近年來成都市綠化覆蓋率上升,森林、草地、灌木等綠地景觀面積增加,且森林景觀破碎化程度下降,這與吳健生等[3]研究的深圳市在城市化進程中綠地景觀破碎化程度上升、規模逐步減小的情況有所不同。

揭示城市景觀格局演變特征及其影響因素可為城市化進程中城市的規劃建設提供科學依據。城市化快速發展時期應注重景觀格局連接度與完整性,延緩景觀格局總體呈破碎化的趨勢;同時,在開展國土空間規劃“三區三線”劃分工作時,應重視各景觀類型統籌安排的科學性和有序性,避免城鎮空間即人工建設用地占用基本農田和森林、草地、水體等生態用地,從而確保基本農田適度的規模和穩定性,保證生態功能系統的完整性[37],實現“山水林田湖草”和城市發展的有機融合。此外,具有前瞻性的規劃和發展政策對于城市景觀優化和城市高質量發展具有積極推動作用,在成都市未來的城市化進程中,政策應繼續保持對森林、草地、灌木等綠地景觀的關注,使其進一步發揮良好的生態系統服務功能。同時耕地作為農業生產的最重要生產要素,關系到農業的發展潛力和我國的糧食安全[38]。成都素有“天府之國”的美譽,具有適合農業發展的優越自然條件,土地利用規劃政策應加強對耕地保護的重視,堅守“十八億畝耕地紅線”,構建農業高質量發展體系,進一步促進成都市的可持續發展。

4 結論

該研究基于2005—2020年成都市土地利用數據,采用景觀格局指數與回歸分析相結合的方法對近15年成都市景觀格局演變特征及其影響因素進行了研究,主要研究結果如下:

(1)研究期內,成都市景觀類型以人工建設用地、耕地和森林為主,且三者動態變化顯著;其中,人工建設用地面積變化最為顯著,15年間增長6.33百分點,景觀優勢性逐步增強。各類型景觀中,人工建設用地斑塊數量、最大斑塊指數、平均斑塊面積和斑塊密度逐年增加,破碎化程度不斷上升;耕地平均斑塊面積和最大斑塊指數減小,優勢度不斷下降,破碎化程度上升;森林斑塊數量逐年減小,最大斑塊和平均斑塊面積逐年增加,斑塊密度逐年降低,破碎化程度下降,連接度不斷上升。景觀水平上,成都市景觀總體呈破碎化趨勢,景觀中的優勢景觀類型連接度逐漸較低,各景觀團聚度下降;景觀多樣性指數逐年增大,表明各景觀類型數量增多、復雜性增加,但各類型景觀所占比例越均勻。

(2)城市化發展水平和政策是成都市景觀格局演變的主要影響因素。2005—2020年城鎮化率穩步增長,2019—2020年增速最快,2020年達78.77%。隨著城市化進程不斷加快,各景觀類型數量增多、復雜性增加、團聚程度下降,優勢景觀連接度下降;在“公園城市”政策的影響下,成都市綠化覆蓋率明顯增加,森林面積增長、破碎化程度下降;在土地利用規劃政策的影響下,城市人工建設用地面積不斷增大,耕地面積有所減小,破碎化程度均上升。