长沙市城市湿地景观格局空间梯度变化的分析

恭映璧，胡曰利

（1.长沙市林业局，湖南 长沙 410205；2.中南林业科技大学 林学院，湖南 长沙 410004）

长沙市城市湿地景观格局空间梯度变化的分析

恭映璧1,2，胡曰利2

（1.长沙市林业局，湖南 长沙 410205；2.中南林业科技大学 林学院，湖南 长沙 410004）

城市湿地具有水源涵养、环境净化、气候调节、生物多样性保护、教育科普等生态服务功能，是城市功能评价的重要指标。利用景观格局指数分析方法，选取5个景观指数对1955年、1972年、1990年、2007年四个时期建成区、近郊、远郊的湿地景观格局进行对比分析. 结果表明：（1）长沙市城市湿地分布空间梯度较大；（2）在1955年至1972年间，湿地面积增长率大于建成区面积增长率，湿地在这段时间内呈现正向增长，在1972年至2007年建成区面积增长率都大于湿地面积增长率，湿地在建成区上呈现出退化现象；（3）1972年与1990年长沙市城市湿地的景观格局指数在建成区、近郊区和远郊区上的变化趋势相同。将景观格局指数和梯度分析相结合，能够较全面地反映城市景观格局与结构的变化特点。

城市湿地；景观格局；异质性分析；长沙市

随着经济发展和城市化的加剧，自然生态系统越来越重要，湿地作为水陆结合的生态系统具有特殊的水文和生态位条件[1]。很多学者已经对湿地的大小、分布、水质条件和功能等进行了研究[2]。约翰斯顿研究发现湿地都不是孤立的，它们由较多的景观共同影响累计组成的[3]。对湿地密度的研究显示，人口密度和湿地密度不存在直接关系，湿地密度的变化规律是从农村到城市逐渐的孤立化[4]。

梯度分析一般应用于植物在不同环境梯度下的研究[5]，此外，梯度可以对影响城市化的不同生态系统进行研究[6]。Medley等人对森林景观结构进行研究发现，对自然区域进行梯度研究是一种有效的管理方法[7]。对湿地生态系统的城乡梯度进行研究，表明城市和自然生态系统共同影响着湿地生态系统，可以直接量化这些影响因子对人类的影响[8]。

近几十年来，在气候变化和人类活动的综合影响下，长沙城市湿地出现了明显的变化。本文从建成区、近郊区和远郊区3个不同的空间梯度对湿地景观格局在1995年、1972年、1990年、2007年4个时期的景观指数进行分析，得出湿地景观在不同梯度下的变化规律。

1 研究区域和研究方法

1.1 研究区域

本文选取1955年、1972年、1990年、2007年4个时期的湿地数据，应用ARCGIS9.3结合长沙市城市现状图把这四个时期的湿地数据划分为建成区、近郊区和远郊区3个区域进行分析。图1为长沙市在1955年、1972年、1990年、2007年4个时期的建成区，图2为长沙市2007年的建成区、近郊区、远郊区。

图1 长沙市城市建成区的变化Fig. 1 Changes of built-up area of Changsha city

1.2 景观指数的算法

景观指数是指能够高度浓缩景观格局信息，反映其结构组成和空间配置某些方面的简单定量指标。通过景观指数可以对景观的组成特征、空间配置、动态变化等就行定量研究。景观格局特征是对景观结构、功能及过程的描述，景观指数反映景观格局的信息，本研究选取以下景观指标（见表1）[9-10]。

图2 长沙市2007年建成区、近郊区、远郊区分界Fig. 2 Boundary map of built-up area, suburb, outer suburbs of Changsha in 2007

表1 景观指数及其生态意义Table 1 Landscape metrics and its ecological indication

2 结果及分析

湿地景观格局动态变化分析，有助于人们从无序的景观中发现潜在的有序规律，揭示景观格局变化过程，有助于对景观变化的方向、过程、效应进行模拟、预测和调控[11-12]。本文选取了5个景观指数对长沙市1955年、1972年、1990年、2007年4个时期的建成区、近郊区及远郊区湿地的景观格局变化进行时空的动态变化分析。

2.1 景观指数空间分析

2.1.1 1955年湿地景观的分析

由图3可见，1955年长沙城市湿地景观格局按建成区、近郊和远郊3个梯度变化有明显的规律。1955年长沙市建成区内湘江外只有小面积的坑塘，湘江占据绝对优势，离市中心越远湘江的优势度越逐渐下降，即表现为最大斑块指数是沿着建成区、近郊、远郊空间梯度逐渐降低；沿着建成区、近郊、远郊空间梯度，景观总面积、斑块数量、斑块密度、景观形状指数都是增加的，1995年长沙城市湿地离市中心越近，湿地湿地数量和斑块密度越小，表明湿地在研究梯度上湿地面积逐渐增加，湿地斑块和斑块密度都是增加的，湿地斑块破碎化程度减低，湿地景观形状指数增加，聚集度增加。湿地在研究梯度上城市湿地整体景观是呈现优化趋势的。景观优势度在建成区高达97.691 5，使得湿地高度聚集，根据景观“聚集离析”原则，湿地要聚集中有离析才符合人类对湿地的需求。

2.1.2 1972年代湿地景观分析

从图4中可以看出，1972年沿着建成区、近郊、远郊空间梯度，景观总面积、最大斑块数是先减少后增加，斑块密度先增加后减小，斑块数量和景观形状指数一直增加。长沙城市湿地在近郊区面积最小，最大斑块数也是最小，是由于湘江在70年代近郊的面积较小，最大斑块指数较小，斑块较为零散。

图3 1955年长沙市城市湿地景观指数变化Fig. 3 Changes of Changsha city wetland landscape indexes in 1955

图4 1972年长沙城市湿地景观指数变化Fig. 4 Changes of Changsha city wetland landscape indexes in 1972

2.1.3 1990年景观指数分析

沿着建成区、近郊、远郊空间梯度，长沙城市湿地的景观格局的变化与城市湿地在城市的自然分布是相符的。长沙城市湿地在中心城区是以湘江为中心，在其他地区湿地斑块零星分散，导致湿地在中心城区湿地最大斑块面积较大，斑块密度、斑块数量和景观指数都较小；在近郊区内，远离了中心城区，城市湿地面积增加，湿地斑块数量增加，导致湘江的优势度下降，湿地最大斑块数减小，景观形状指数变大；而在离中心城区更远的城市远郊区，湿地斑块面积、斑块数量都增加。因此，沿着建成区、近郊、远郊空间梯度，景观总面积、最大斑块数是先减少后增加，斑块密度先增加后减小，斑块数量和景观形状指数一直增加。

2.1.4 2007年湿地景观指数分析

2007年，长沙市城市化发展已经达到一定的高度，湿地在建成区、近郊区、远郊区的湿地景观格局逐渐合理化。从图6中可以看出，沿着建成区、近郊、远郊最大斑块数是先减少后增加，景观总面积、斑块数量和景观形状指数先增加后减小，斑块密度一直增加。

图5 1990年长沙市城市湿地景观指数变化Fig. 5 Changes of Changsha city wetland landscape indexes in 1990

图6 2007年长沙市城市湿地景观指数变化Fig.6 Changes of Changsha city wetland landscape indexes in 2007

2.2 景观指数时间分析

2.2.1 建成区景观指数分析

图7揭示了长沙市建成区内1955年至2007年城市湿地的景观指数变化规律，景观总面积逐年增长，1955年至1990年增长速度大于1990年至2007年增长速率，这是由于城市建成区面积增大，而且城市扩展具有方向性，不同的区位湿地面积不同；最大斑块指数前期减小较快后期增长平缓，这意味着湿地中最大湿地面积相对其它湿地面积先减小后小幅度增长；斑块数量、斑块密度和景观形状指数都是前期增长较快后期缓慢下降，城市扩张湿地斑块数量增加从而导致斑块密度增加。

2.2.2 近郊区景观指数分析

图8表示了1955年至2007年4个时期近郊区城市湿地景观5个景观指数的变化规律，景观总面积先缓慢增长后迅速增长，是由于前期城市发展缓慢，近郊区向外延伸的速度较小，后期城市化进程加剧，近郊区面积急剧扩张。最大斑块指数先减小后增大，斑块数量和斑块密度先增加后减小，景观形状指数一直缓慢增长，由于建成区向外扩张，近郊区也会想外延伸，在各个时间段内，城市扩张速率不同，近郊区靠近建成区边缘减小的速率和向外扩张的速率就不同，湿地景观格局变化较大且分析难道较大，所以在研究时段内在近郊区长沙市城市湿地景观格局指数的变化没有规律。

图7 长沙市建成区内城市湿地景观指数Fig.7 Urban wetland landscape indexes of the built-up area in Changsha

图8 长沙市近郊区内城市湿地景观指数Fig.8 Wetland landscape indexes of suburb area of Changsha

2.2.3 远郊区景观指数分析

从图9中可以看出，长沙市城市湿地在远郊区范围内是逐年减少的，这是由于城市建成区和近郊区逐年向外扩张，导致城市远郊区面积减小，城市湿地相应减小，在1990年至2007年间，在远郊区城市湿地剧减，这是由于在这些年间，城市化扩张速度加剧和城市湿地保护不了导致城市湿地面积减小。在远郊区范围内城市湿地的斑块密度越来越大，城市湿地破碎度增加，斑块数量和景观形状指数与最大斑块指数呈现负相关性。

图9 长沙市远郊区内城市湿地景观指数Fig.9 Wetland landscape indexes of outer suburbs of Changsha

3 结论及讨论

3.1 结论

通过对1955年、1972年、1990年、2007年长沙市建成区、近郊区和远郊区湿地景观格局的研究分析，得出以下结论：

（1）长沙市城市湿地分布不均匀，随着建成区的扩张，建成区湿地面积逐渐增加，景观指数变化具有随机性，近郊湿地面积先减少后增加，而湿地斑块数量先增加后减少，远郊湿地面积一直减少，其余景观指数变化具有随机性。

（2）1955年、1972年、1990年、2007年长沙市建成区面积增长率分别为1.04、1.08、0.87，湿地面积增长率分别是1.19、0.51、0.14，在1955年至1972年间，湿地面积的增长率大于建成区面积增长率，湿地在这段时间内呈现正向增长，在1972年至2007年建成区面积增长率都大于湿地面积增长率，湿地在建成区上呈现出退化现象，在研究时段长沙市远郊区面积一直减小。

（3）1972年与1990年长沙市城市湿地的景观格局指数在建成区、近郊区和远郊区上的斑块趋势相同。沿着建成区、近郊、远郊景观总面积、最大斑块数是先减少后增加，斑块密度先增加后减小，斑块数量和景观形状指数一直增加。

3.2 讨论

城市湿地变化受到城市化过程的深刻影响，城市化影响湿地结构及功能的变化，以沟渠和河流湿地为例（见图10）。

图10 城市化对城市径流的影响Fig.10 Inf l uence of urbanization on urban runoff

城市化改变了城市区域降水和径流的状况，其重要影响途径是：（1）清除自然植被产生更高的径流量和峰值，更大的流动速度，在渠道和集水区增加土壤侵蚀和顺向沉积；（2）增加不通透性产生更高的径流量和峰值流动，更少的表面凹陷截留洪水和更大的速度流；（3）建设一个人工水系网，显著增加了流速达到峰值的时间；（4）占领河岸和泛滥平原，在自然的洪水泛滥区，人口直接暴露于周期性泛滥，淹没的地区不断的扩展，因为泄洪区范围缩小了；（5）在排水网处理固体废弃物和污水使水质恶化、疾病、排水网阻塞、通道沉积。这些措施直接导致城市区湿地水文状况的改变（见表2）。

表2 城市化对城市径流状况的改变Table 2 Changes of urban runoff status led by urbanization

沟渠及河流湿地就受到城市化的影响，从而景观格局在空间分布和时间变化上表现规律同自然湿地不同。

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An analysis on temporal and spatial heterogeneity of wetland landscape pattern changes in Changsha City

GONG Ying-bi1,2, HU Yue-li1
(1. Forestry Bureau of Changsha City, Changsha 410205, Hunan, China; 2 .School of Forestry, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004 , Hunan, China)

Urban wetland has the ecological functions such as water conservation, environmental purification, climate regulation,biodiversity protection, education and science popularization, is an important index of the city function evaluation. Through using landscape metrics method, the fi ve landscape indexes of the wetland landscape pattern in built up area, suburban, outer suburbs in the four periods in 1955, 1972, 1990, 2007 were analyzed. The results show that (1)it was not uniform of wetland distribution in Changsha city; (2) the wetland area growth rate was greater than the growth rate of the built-up area and wetland from 1955 to 1972, built area growth rate was greater than the growth rate of the wetland in the wetland area and built area showed a degradation phenomenon from 1972 to 2007; (3) changes in wetland landscape pattern index of built up area, suburb and the outer suburbs in Changsha city showed the same trend from 1972 to 1990. The gradient analysis combined with landscape pattern indices can quite completely ref l ects characteristics of the changes in urban landscape pattern and structure.

city wetland; landscape pattern; heterogeneity analysis; Changsha city

S714.7

A

1673-923X(2012)12-0001-06

2012-06-13

湖南省林业厅项目（2010-017）；长沙市科协项目（CX-2010-010）

恭映璧（1960-），男，云南曲靖人，高级工程师，研究方向：城市森林，城市湿地；E-mail：gyb19601025@yahoo.com.cn

[本文编校：罗 列]