中国东西部中小城市景观格局及其驱动力

齐 杨, 邬建国, 李建龙,于 洋, 彭福利, 孙 聪

(1. 中国环境监测总站，北京 100012； 2. 南京大学生命科学学院，南京 210093；3. 亚利桑那州立大学生命科学学院/全球可持续性科学研究所，美国亚利桑那州 85281；4. 内蒙古大学生态、能源和可持续性科学研究中心，呼和浩特 010021)

20世纪80年代以来，土地利用/覆被变化(Land Use and Cover Change，LUCC)成为全球关注的热点问题[1]，其中快速的城市增长作为LUCC的重要内容也受到人们的广泛关注。21世纪城市化及其土地利用变化将是对环境影响最大的因素之一，城市化的生态学影响也逐渐受到人们的关注[2-3]。世界上已有超过半数左右的人口居住在城市[4]，到2025年可能达到65%[5]，并且在以后的30a中几乎所有的人口增长都将发生在城市地区[4]。但这并非意味着人口增长都发生在大型城市，或人口都将集中于大型城市。实际上，城市人口分布于不同大小的城市区域，甚至包括很小的集镇和人口不超过1000的行政区[6]。更多的世界城市人口分布在较小的城市里。有研究指出未来25a内的城市化并非主要发生在巨型城市地区而是发生在更小的城市或者城镇地区，而且主要集中于人均收入处于中低水平的发展中国家[7]。但是，现有的城市景观格局研究多集中于大型城市，而大型城市城市化发展规律是否适用于中小城市，中小城市的发展是否具有独特的规律？而且城市本身具有复杂性和动态性等特点，城市土地利用、城市政策与城市生态系统功能之间的关系尚不清楚。中国自改革开放以后经济快速增长，并一直以“控制大城市规模，发展中小城市”为主要都市发展策略[8]，1978—1998年间中小城市数量增加了432个[9]。到2050年我国城市化水平将达到75%，将有1—1.2亿人口涌向各大小城市[10]。因此，对我国快速城市化地区中小城市景观格局变化及其驱动力的研究至关重要。

城市化导致生态学格局和过程的多样性下降[11-14]。Jenerette和Potere[15]将这个描述物种和基因多样性的假设推广到景观层次，其研究表明城市景观结构也有异质性下降的趋势。但对于中小城市间的景观异质性是否也将趋于下降，不同地区的城市间景观异质性变化有何差异？仍需要进一步研究。景观格局发生变化的原因在于内、外驱动力对景观组成要素的干扰作用，这些综合性的干扰作用包括各种自然的、生物的以及人类活动之间复杂的相互作用，其结果使得景观稳定性及其空间结构发生变化，从而使景观格局发生变化[16]。那么造成中小城市景观格局变化的主要驱动力是什么，不同地区间中小城市的景观格局差异在哪里，其成因是什么，也需深入研究。

本研究通过对长三角地区和新疆地区共计24个中小城市城市的景观格局分析，结合人口经济数据，探究城市化下中国东西部地区中小城市城市间景观格局的差异性变化，景观格局变化及其驱动力，同时对两地区间景观格局变化及其驱动力进行了对比分析，以期为快速城市化下的中国中小城市可持续发展提供参考。

1 研究方法

1.1 研究地简介

新疆维吾尔自治区地处73°40′—96°18′E，34°25′—48°10′N之间，行政区包括23个市、7个地区、5个自治州、68个县，全区总面积166.04万km2，为中国最大的省级行政区。新疆远离海洋，深居内陆，四周有高山阻隔，海洋湿气不易进入，形成明显的温带大陆性气候。气温变化大，日照时间长(年日照时间达2500—3500 h)，降水量少，空气干燥。新疆年平均降水量为150 mm左右，但各地降水量相差很大。一般说，冬季气温北疆高于南疆，夏季气温南疆高于北疆。

长江三角洲地区北起通扬运河，南抵杭州湾，西至镇江，东到海边，范围包括江苏、浙江两省的15个地级市及上海市，面积约9.9万km2，人口7500多万。该地区是我国工业化和城市化最发达的地区，人口稠密，经济发达。长江三角洲地区地势低平坦荡，河网如织，湖泊众多。该地区在气候上属于亚热带季风气候，常遭受梅雨、台风暴雨、风暴潮以及长江中下游地区洪水的袭击，容易出现外洪、内涝或外洪内涝并发的水灾。

本研究所选研究地为新疆维吾尔自治区12县市(图1)和江苏省长三角地区的12县市(图2)，共计24个城市，城市人口均在50万以下，均为中小型城市，2000年各城市人口数据，如表1示。

表1 两地区中小城市人口状况[17]

图1 新疆地区12县市地理位置

图2 长三角地区12县市地理位置

1.2 数据获取与处理

使用1986年和2000年1∶10万土地利用图(数据来源：中国西部环境与生态科学数据中心，中国科学院资源环境科学数据中心)。分别将长三角地区和新疆地区各城市的土地利用图归并为6类(耕地、林地、草地、水域、城乡工矿居民用地和未利用地)。将两地区的栅格数据分辨率分别重采样到为30，60，100，250 m和500 m。

大量的研究表明，大多数的景观格局指数以及其他的空间分析方法都会受到尺度变化的显著影响。根据以往对尺度和景观格局的研究[18-22]，通过对尺度的讨论确定长三角地区和新疆地区的中小城市分别在30 m和60 m的粒度下最能够显示出景观格局的特征，因此本研究对长三角地区和新疆地区的中小城市分别在30 m和60 m的粒度下进行研究。

1.3 城市化景观空间格局的量化方法

城市生态系统具有比其他任何的生态系统更高的空间异质性，分析城市景观的时空格局对于研究城市化过程及其带来的生态后果具有重要意义[23-24]。在众多景观格局的分析方法中，景观指数的应用最为广泛。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等方面特征的简单定量指标[25]。

描述格局特征的景观指数很多，且相关性较强[26]。本研究在选择景观指数时考虑了总体性原则——景观水平与类型水平的景观指数兼备，常用性原则——选择常用的景观指数易于理解与交流，简化原则——研究中充分考虑了景观指数的相关性与替代性，选择那些能说明城市化过程的指数[27-28]。综合考虑以上原则，在研究中选用了景观比例(PL)、斑块密度(PD)、边缘密度(ED)、景观形状指数(LSI)、聚集度指数(AI)、蔓延度指数(CONTAG)以及香农多样性指数(Shannon′s Diversity Index，SHDI)等7个指标来量化城市的景观格局，分析研究区景观格局的变化[23-29]。这些指数的概念、计算方法、阈值以及生态学意义参见有关文献[30-31]，并借助FRAGSTATS 3.3软件来完成其计算过程。

1.4 景观格局变化驱动因子的选取

根据目前相关研究结果[31-32]，选取人口密度、城市化水平(城市人口比例)、GDP、农业GDP比重和工业GDP比重(数据来源于《2000年中国城市统计年鉴》)，将它们与景观指数分别在SPSS(16.0)软件下进行相关性分析，找出影响景观格局变化的主要驱动因子，并分析两个地区间驱动力的差异。

2 研究结果

2.1 东西部中小城市景观类型组分变化分析

利用GIS软件的面积统计功能，江苏省长三角地区和新疆地区景观类型面积变化如表2所示。1986年至2000年，长三角地区景观类型组分变化的总体趋势是耕地和林地面积减少，草地、水域和未利用地面积增加，城市用地大幅度增加。就绝对数量变化而言，长三角地区12个中小城市1986—2000年15a间面积减少的最多的是耕地，年均减少62.87 km2，其次为林地；就面积变化的相对数量而言，增加最快的是城市用地，年均增加5.15%，远远高出其他土地利用景观面积变化的速度。新疆地区1986—2000年景观类型组分变化的总体趋势是草地和未利用地面积减少，水域、耕地和林地增加，城市用地大幅度增加。就绝对数量变化而言，该地区面积减少最多的是未利用地和草地，年均减少分别为123.6 km2和90.2 km2，面积增加最多的是林地，其次是水域，城市和耕地；就面积变化，该地区增加最快的也是城市用地，年均增加5.53%，其次为林地。

表2 长三角地区和新疆地区1986—2000年土地利用/覆盖类型变化

2.2 东西部中小城市景观格局总体变化差异

Sharpio-Wilk检验结果证明，本研究所选景观指数在各城市的分布呈正态分布，显著值均大于0.05[34]。通过计算24个城市两个时期的景观指数，对比分析了两个地区景观格局多样性变化的差异。从景观指数的平均值方面看，1986年到2000年，长三角地区城市PD和SHDI小幅上升，ED和LSI大幅上升，CONTAG和AI下降；新疆地区PD、ED和LSI均大幅上升，SHDI基本没有变化，CONTAG和AI下降(图3)。从变异度方面看，1986年到2000年，长三角地区变异幅度总体较小，除了ED和CONTAG的变异度出现明显下降外，其余指数均变化较小；新疆地区变异幅度相对较大，而且除了SHDI微降外，其他指数都在上升(图3)。

图3 1986年至2000年两地区景观格局变化

2.3 东西部中小城市景观格局变化的驱动力对比分析

利用获得的人口经济数据，分别对两个地区各城市的景观格局指数和人口经济数据进行了相关性分析。景观水平上，长三角地区城市的景观的破碎化程度随城市人口比重和GDP的增长而下降，和农业GDP比重呈正相关，景观斑块不规则程度也随城市人口比重的增长而下降，景观多样性与人口密度呈负相关；新疆地区城市的景观的破碎化程度和斑块不规则程度均只与农业GDP比重呈正相关，没有与香农多样性指数(SHDI)显著相关的人口经济数据(表3)。

表3 两地区景观指数和人口经济数据相关关系

续表

类型水平上，在长三角地区，耕地、林地、草地和未利用地景观类型的格局受到人口经济因子的影响较弱，无相关关系；水域景观类型的破碎化程度和斑块不规则程度随着人口密度和GDP的增加而减小；城市景观类型所占比例随人口密度和GDP的增加而增加，与农业GDP比重呈负相关，城市景观类型的破碎化程度和斑块不规则程度随城市人口比重的增加而减小，说明人口向城市的聚集可以使城市景观趋于聚合，也减少了城市景观对其他景观的破碎化作用。新疆地区耕地景观类型的景观百分比随人口密度的增加而增加，耕地斑块形状随人口密度的增加而更加不规则，但随农业GDP比重的增加而更加规则；林地景观的斑块形状同样随农业GDP的增加而更加规则；新疆地区的城市景观所占百分比与长三角地区相似，都是与人口密度呈正相关，与农业GDP比重呈负相关，但是不同的是新疆地区城市景观的破碎化程度和形状指数均与农业GDP比重关系密切；新疆地区未利用地类型所占百分比与人口密度呈负相关，其斑块形状随农业GDP比重的增加而更加规则(表3)。

3 讨论

3.1 中小城市总体景观格局变化分析

以上的研究结果表明，1986年至2000年15a间，两个地区中小城市的总体景观格局变化基本相似，景观的破碎化程度均不断上升，斑块形状更趋于不规则，景观多样性呈小幅增加。这与Forman和Godron在1986年出版的《Landscape Ecology》一书中的部分结论相悖，该书指出，随着人类活动强度的加剧，景观格局表现出以下趋势：1)斑块密度呈指数上升；2)景观连接度下降；3)斑块形状更加规则[35]。但是，在Wu等人[36]对比分析美国两大城市(凤凰城和拉斯维加斯)景观格局时空变化的研究，以及Schneider和Woodcock[37]的全球25个城市景观格局研究中，均得出了与本研究相似的景观格局变化趋势：景观多样性提高，景观结构更加破碎，斑块形状更加复杂。

城市化导致的景观格局破碎化程度提高将会影响该地区的生态学过程。生境的破碎化加剧和城市斑块的不断增加，不仅直接降低了核心生境的面积，而且也将增加了城市与生境的接触面(WUI)。WUI的增加已经在大陆尺度上被很多研究证实[38-40]。WUI的增加将会提高森林火险指数[41-42]，增加生态入侵机会[43]，更会进一步影响到物种保护[44]和遗传多样性[45]。新疆地区景观格局的破碎化将主要影响到草地资源：新疆地区12个中小城市1986—2000年景观类型组分变化结果显示，草地类型15a间减少了2.37%，年均减少分别为123.6 km2，草地大面积退化、沙化，草地生产力日趋降低；另一方面，城市用地(农村居住点)与草地接触面增加，也导致草地退化严重，可食牧草减少，有害牧草增加，总体生物多样性减少，环境恶化，这些都直接威胁着牧区经济的发展[46]。长三角地区景观格局的破碎化则主要影响到耕地资源：长三角地区12个中小城市1986—2000年15a间耕地面积减少了8.83%，年均减少62.87 km2；另外，破碎化也导致耕地受干扰的程度增加，单产下降，受到污染的可能增加，耕地总面积的减少和单产的下降都将使总体粮食产量和质量下降，对该地区的粮食安全造成威胁。

3.2 东西部中小城市城市化景观格局变异性分析

两个地区在景观格局变异性程度的变化方面表现出截然不同的特征。长三角地区中小城市的景观格局变异性总体趋于下降。这与Jenerrette等人[15]的研究结论相似。Jenerrette等人的研究结果表明，从全球范围内选取的120个城市在1990—2000的10a间，其景观指数变异度呈下降趋势，而且通过城市增长模型模拟后计算未来各城市景观指数，其变异度也呈下降趋势[15]。但是新疆地区与此相反，该地区中小城市各景观指数的变异性不仅幅度相对较大，而且均呈上升趋势。因此，在长三角地区各中小城市间景观格局趋于一致；而在新疆地区，随着城市化的推进，各中小城市间的景观格局差异更加明显。

Dietzel等人[47-48]提出的扩散-聚合理论指出城市的扩张是一个扩散和聚合交替进行的过程。根据上述理论，本研究认为造成东西部中小城市城市化景观格局变异性不同的原因主要有两个方面：

第一，两地区城市间差异程度不同。长三角地区地形、经济基础等差异较小，城市化起步的时间和城市化推进的速度基本一致，因此，在扩散聚合循环的过程中保持了基本一致的步伐；新疆地区地形复杂，各中小城市原有的景观组成成分和分布差异较大，社会经济方面也存在较大差异，致使城市化发展阶段参差不齐，造成了该地区城市间景观格局变异度上升的现状。

3.3 东西部中小城市景观格局变化驱动力对比分析

两地区中小城市的景观格局变化驱动力结果表明，长三角地区景观格局变化驱动力主要是人口的增加和流动引起的城市景观类型的格局变化，而在新疆地区则为人口因素引起的耕地景观类型面积的增加。

长三角地区是中国目前经济发展速度最快、经济总量规模最大、最具有发展潜力的经济板块。一方面，经济的增长和人口密度的增加，使该地区城市景观类型所占比例不断升高，景观水平上趋于破碎化。长三角地区12个中小城市的城市景观类型所占比例由1986年的7.59%增加到2000年的13.45%，城市景观类型的面积在15a间增加了856 km2，增幅为77.19%，而耕地景观类型的面积在15a间共减少了943 km2，耕地不断被城市用地代替；农村地区乡镇企业的快速发展以及土地规划与管理的不规范[48]，长三角地区中小型城市的耕地不断被工业用地和居住用地吞噬，乱占耕地的现象严重，这了导致整个地区破碎化程度持续上升。另一方面，城市人口比重的增加使城市景观类型趋于聚合，降低景观水平破碎化的速度。通过对长三角地区景观格局变化驱动力的分析得出，景观水平上和城市景观类型的破碎化程度与斑块不规则程度都随城市人口比重的增加而降低，说明人口向城市中心区域的聚集，使城市景观趋于聚合，在一定程度上降低了城市景观对其他景观的破碎化作用，减缓了景观水平上的破碎化。已有研究指出，人口向城市中心区域的聚集对于集约利用资源，降低人类活动对环境的影响，提高居民生活质量都具有重要作用[50]。

新疆地区作为我国经济发展相对落后的地区，具有与长三角地区不同的地理条件和经济发展模式，也形成了截然不同的城市化过程。新疆地区中小城市驱动力分析表明，农业GDP所占比重与很多景观指数呈显著相关关系，这说明在新疆地区的中小城市城市发展过程中，人类活动对整个城市和地区景观格局的影响主要表现在耕地景观类型的变化，而并非城市景观类型。新疆地区人口增长大多首先发生在宜耕地区，以开垦农田为目的的人类活动导致耕地景观类型的面积大量增加。尽管随着该地区矿产资源的开发和利用，经济不断发展，人口向城市集中，城市景观类型的面积在15a间增加了83%，但是由于新疆地区地广人稀，城市景观类型面积在区域尺度上的比重仍然很低，从1986年的0.53%到2000年的0.98%，城市景观对整个地区景观格局的影响很小。

两个地区的中小城市景观格局变化驱动力均表明，以耕地景观类型变化为鲜明特征的发展过程影响着区域中小城市的景观格局演变。在长三角地区，城市建设大量占用耕地，并导致景观格局的破碎化，严重威胁地区粮食安全。而在新疆地区，人类活动改变景观格局主要表现在耕地景观类型的增加，而城市景观影响较小；此外，耕地景观的扩张不仅占用了大量草地资源，而且加剧了对草地生态系统的干扰，也是造成草地退化的重要因素。

在对小型农田水利工程建设资金投入上，财政部门应当建立起相应的新机制来专门管理其资金分配，并逐渐加大资金的投入力度。同时，对于参与投资小型农田建设的民众，政府应适当地制定一些优惠政策。另外，政府部门应对其财政收入的分配进行一定的调整，使得新的分配制度中能够拿出更多的资金来开展小型农田水利建设。

4 结论

(1)1986年至2000年15a间，长三角地区和新疆地区中小城市的总体景观格局变化趋势基本相似：景观的破碎化程度均不断上升，斑块形状更趋于不规则，景观多样性呈小幅增加。

(2)1986年至2000年15a间，长三角地区中小城市间景观格局变异性下降，各城市的景观格局趋于一致；而在新疆地区，随着城市化的推进，各中小城市间的景观格局变异性程度上升，各城市的景观格局差异加大。

(3)1986年至2000年，长三角地区中小城市景观格局变化的驱动力主要是人口的增加和流动引起的城市景观类型的格局变化；新疆地区中小城市则为人口的增加和流动引起的耕地景观类型增加。

总之，通过对不同地区间中小城市景观格局及其驱动力的对比分析，进一步了解了中小城市在城市化过程中所隐藏着的生态过程和社会经济过程，可以为针对中小城市草地退化、粮食安全等问题应对策略的制订提供重要参考，对实现中小城市的土地资源可持续利用和缩小东西部城市化差距具有重要的理论意义。

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