城市河岸带土地利用和景观格局演变研究

魏雯，李哲惠，黄贞珍

昆明理工大学建筑与城市规划学院，云南 昆明 650500

河流是城市中重要的自然资源，可以提供防洪排涝、净化环境、调节小气候、休闲游憩等多种生态服务功能（干晓宇等，2014；付飞等，2012）。而河岸带作为连接陆地生态系统和水生生态系统的纽带，是能量流动和物质循环的重要通道，不仅承载了大量的人类活动，为鱼类和鸟类提供栖息地，还是水体保护的最后屏障，可以有效净化水体中的污染物，具有改善生态环境质量、丰富地域文化的重要作用（王建华等，2008；岳隽等，2005）。近年来，随着城市化进程的加快，为了满足城市建设和防洪的需要，人们不断改变河岸带的土地利用方式，导致河岸带原有的绿色植被大量减少（Al-Chokhachy et al.，2013）。由于人类活动的强烈干扰，影响了河流的自然演进过程，使城市中的河流普遍呈现河道直、水量小和流速慢等特征，生态系统十分脆弱（张建春等，2003）。因此，分析城市化进程中河岸带土地利用的时空分异特征，探讨城市河岸带景观格局的演变规律，对于维持城市河流生态系统健康、改善城市河流污染具有重要的意义。

在快速城市化过程中，景观环境演变与人类对地表的改造利用有着密切的关系，尤其在人类干扰较为强烈的城市地区，其影响更加明显（Zhang et al.，2007；袁艺等，2003；李莹莹等，2016）。近年来，不同研究领域的学者借助 3S技术，更多地从宏观视角研究土地利用/土地覆被的时空分异规律、驱动机制以及土地利用变化对生态环境产生的影响（王芳等，2017；魏雯，2014；严珅等，2018），然而目前针对河岸带尺度的土地利用和景观格局空间特征的研究相对较少。本研究以高原湖泊城市——昆明为研究对象，提取城市中与河流相毗邻的陆域空间作为研究区域，借助土地利用类型特征参数、景观格局指数等，分析河岸带土地利用和景观格局的时空分异特征，以期为河岸带景观资源的保护和合理开发利用提供参考依据。

1 研究区概况

昆明市位于云南省中部（102°10′～103°40′E，24°23′～26°33′N），南北长 237.5 km，东西宽 152 km，总面积21012 km2。地势北高南低，海拔1500～2800 m，年均气温14.7 ℃，年均降水量1006.5 mm，每年的6—8月为雨季，11月—次年4月为旱季，属干湿季分明的亚热带高原季风气候区。本研究范围是昆明市主城区，包括五华区、盘龙区、西山区、官渡区4个市辖区，城区坐落在滇池坝子，三面环山，南濒滇池，总面积2239.55 km2，人口数量336.10万。昆明城市水系隶属于金沙江流域，由滇池湖泊及周围河流水体共同组成，水网发达但水资源短缺，汇入滇池的河流共30余条，主要有盘龙江、乌龙河、大观河、运粮河、船房河、西坝河、清水河、海河、玉带河、宝象河等，位于西山区的螳螂川是滇池唯一的出水口。昆明市的河流水系主要集中分布于滇池湖泊沿岸，尤其以滇池草海东北方向较为集中，湖泊上游分布的河流较多，由于流经主城区，受人为干扰较为严重。本研究在参考相关研究（Sparovek et al.，2002；刘萍等，2015）对河岸带影响范围界定的基础上，以河流岸带向两侧延伸500 m的范围作为研究区域，区域面积215 km2。（图1）

2 数据与方法

2.1 数据来源及处理

综合考虑研究目的和研究范围监测精度的要求，为便于掌握河岸带阶段性演变规律，兼顾影像质量，最终选取1996年、2007年和2015年3期分辨率为30 m的Landsat卫星遥感影像作为数据源（表1）。首先运用ENVI 5.1软件进行地理配准、几何校正和大气校正，然后在ArcGIS 10.2软件中，提取河流水体信息，并在河流两侧分别生成500 m宽的缓冲区，对3期遥感影像进行剪裁处理，获得3个年份的河岸带遥感影像图，再对影像进行监督分类处理，提取土地利用信息，3期影像分类精度都在97.5%以上，卡帕系数均高于0.95，表明数据较为准确，可以满足研究需求。根据全国遥感监测土地利用/覆盖分类体系，考虑到影像精度和主要景观类型构成，将河岸带景观划分为：水域、绿地、耕地、建设用地和未利用地等5个类型。

表1 提取土地利用信息的遥感影像数据Table 1 Remote sensing data for land use information extraction

2.2 研究方法

2.2.1 缓冲区分析

本研究基于 ArcGIS的空间分析功能，在昆明市河流两侧分别建立宽度500 m的缓冲区作为研究区域，为了更准确地反映河岸带不同位置的景观格局演变情况，进一步将河岸带划分为5个100 m宽的缓冲区，从整体和局部两个层面探讨河岸带的土地利用和景观格局时空演变规律。

图1 研究区区位图Fig. 1 The location of the study area

2.2.2 土地利用变化

本研究主要通过动态度和土地利用转移矩阵来描述河岸带各用地类型之间的变化情况。其中，动态度可以定量表达一定时间范围内，不同土地利用类型的面积变化情况；土地利用转移矩阵可以定量分析系统内各状态之间的相互转移情况，对于任意两期土地利用类型图，通过土地利用转移矩阵计算，可以求得由A时期到B时期各土地利用类型的数量变化和空间分布情况。两个指标的计算公式参见相关研究（刘英等，2017）。

2.2.3 景观格局指数分析

通过景观指数的计算，可以定量监测和描述景观空间格局的变化情况，本研究分别从斑块类型和景观水平两个层面筛选指数，探讨河岸带的景观格局演变规律。其中，斑块类型水平的指数有斑块数量（NP）、最大斑块指数（LPI）和分离度指数（SPLIT）；景观水平的指数有斑块密度（PD）、景观形状指数（LSI）、多样性指数（SHDI）和聚集度指数（AI）。各指数具体计算公式及景观格局指数的生态学意义详见参考文献（张映雪等，2017；刘家福等，2009）。

3 结果与分析

3.1 河岸带土地利用变化分析

3.1.1 土地利用的时序变化特征

由图2可知，2年间河岸带的土地利用方式发生了明显改变，1996—2015年，面积持续增加的用地类型为建设用地，不断减少的为耕地和水域，绿地和未利用地随着时间的推移呈现出先增加后减少的趋势。具体表现为：1996年，河岸带的耕地占比最多，达到36.86%，其次为建设用地、绿地、未利用的和水域，占比分别为28.25%，19.05%，9.94%和5.9%；到2007年，建设用地的面积跃居首位，占到 42.73%，绿地的面积有所增加，占比增长至24.43%，耕地面积则大幅减少，降至17.44%，水域面积亦有所减少，未利用地的面积变化不大；2007—2015年，建设用地呈现快速增长的变化趋势，到2015年其占比已高达 61.62%，成为整个河岸带景观的基质，同期水域、绿地、耕地和未利用地的面积都有不同程度的减少，未利用地的占比更是降至 2.34%，表明这一阶段人类对河岸带的开发力度加大。

图2 1996年、2007年和2015年河岸带各土地利用类型面积比重Fig. 2 Area proportion of land use types in Riparian Zones in 1996, 2007 and 2015

为了深入分析各土地利用类型之间的转化情况，分别计算1996—2007年和2007—2015年河岸带的土地利用转移矩阵，结果见表2和表3。由表2可知，1996—2007年，耕地、绿地、未利用地和水域转出的面积较多，分别占 1996年各自面积的67.78%、31.83%，78.48%和 41.21%；从土地利用动态度结果来看，耕地和水域面积呈减少趋势，建设用地、未利用地和绿地都有所增加，其中，建设用地的动态度为4.66，是这一阶段面积增长最快的用地类型，究其来源，主要是来自33.06 km2的耕地转入。同期，耕地、建设用地、未利用地和绿地的转入面积也分别占到了 2007年各自面积的31.94%、45.47%、80.15%和 46.84%，其中，未利用地的主要来源是 11.85 km2的耕地转入；绿地的主要来源有两部分，一部分是8.6 km2的耕地转入，这和 2002年以来国务院推行的“退耕还林”政策有关，另一部分是来自9.82 km2未利用地转入，体现了这一阶段人们对水岸带生态环境建设的重视；另外，各用地类型之间的转移情况相对频繁，也从侧面反映出对河岸带的景观资源缺乏统一的规划管理。

表2 1996—2007年河岸带土地利用转移矩阵Table 2 Land use transfer matrix in riparian zone from 1996 to 2007

表3 2007—2015年水岸带土地利用转移矩阵Table 3 Land use transfer matrix in riparian zone from 2007 to 2015

由表3可知，2007—2015年，耕地和未利用地是主要的转出类型，在土地利用类型转移过程中，转出面积分别占 2007年各自面积的 66.3%和91.68%，其中有20.18 km2耕地和14.72 km2未利用地向建设用地转移；同期，各用地类型也有不同程度的转入，建设用地的转入面积最多，水域的转入面积最少。从动态度结果来看，这一阶段除了建设用地呈现稳步增长的趋势外，其他用地类型均有不同程度的减少。由此可见，这一阶段河岸带的土地类型发展存在一定的方向性，即土地利用变化以满足城市扩张需要为主。

3.1.2 土地利用的空间变化特征

为进一步分析河岸带内土地利用的空间变化情况，以100 m为间隔，将河岸带划分为5个独立的缓冲区，分别对3个年份不同土地利用类型占各缓冲区的面积比重进行计算，结果如图3所示。20年来，河岸带不同缓冲区内土地利用方式发生了较大变化。1996年，各缓冲区内耕地均为主要用地类型，其中100 m缓冲带内耕地占39.49%，其次为建设用地和绿地，分别占28.84%和21.96%，100～200 m缓冲带内，耕地占比进一步上升，占到42.54%，建设用地和绿地的占比有所下降，随着与河道距离的增加，耕地的面积显著减少，其余4种用地类型呈持续增加的趋势，至500 m处，建设用地和耕地分别占28.96%和28.46%，其次依次为绿地、未利用地和水域，占比分别为19.58%、13.3%和9.69%。

2007年，建设用地已跃居为各缓冲区的主导用地类型，占比始终在40%以上，100 m缓冲区内绿地和耕地的数量相当，占比分别为 22.66%和22.19%，自100 m缓冲区以外，绿地逐渐增多，耕地面积持续减少，最终绿地占到26.75%，位居第二，这一比例与 1996年相比有所提升；耕地的占比降至 11.6%，仅次于未利用地，水域占比为8.78%，较1996年有所减少。

图3 河岸带不同土地利用类型占各缓冲区面积的比重Fig. 3 The area proportion of land use types in the riparian zone of each buffer zone

2015年，建设用地面积仍然位居各缓冲区排名的首位，且占比呈稳步上升的趋势，达到60%左右，成为各缓冲区的景观基质。在100 m缓冲区内绿地占19.74%，位居第二，较之前两期数据略有减少；随着与河道距离的增加，绿地的占比呈先减少后增加的趋势，耕地比重持续减少，水域占比有所增加，未利用地面积占比较少且变化不大。这一阶段的总体特征表现为：每一个缓冲区内均呈现出建设用地最多，绿地和耕地次之，水域和未利用地最少的空间分布特征。

3.2 河岸带景观格局指数变化分析

3.2.1 景观类型水平的变化特征

景观格局指数可以定量描述斑块之间的特征，探索各景观类型的时空演变规律。本研究选取斑块数量（NP）、最大斑块指数（LPI）和分离度指数（SPLIT）3个指标对河岸带的景观格局进行分析，结果如表4所示。综合看来，1996—2015年，除耕地之外，其余各用地类型的斑块数量都呈下降趋势，且耕地的最大斑块指数减少最快，反映出其破碎化发展的趋势；绿地的斑块数量有所减少，最大斑块指数有所增加，表明绿地的完整性有所增加；建设用地斑块数量减少最多，最大斑块指数增长也最快，表明这一阶段建设用地快速蔓延，呈现连片分布的发展趋势；未利用地的斑块数量明显减少，最大斑块指数也呈下降趋势，说明未利用地减少的趋势明显，这一点和土地利用动态度分析的结果一致。从分离度指数的计算结果来看亦如此，1996—2015年，建设用地的分离度指快速减少，反映了其连片分布的趋势；绿地的分离度指数在1996—2007年呈减少的趋势，自 2007年以来又有所增加；耕地的分离度指数在 1996年是最小的，表明此时耕地是大面积成片分布的，而到了 2015年已经呈现出明显的破碎化分布形式。

3.2.2 景观尺度的空间变化特征

为了进一步探讨河岸带不同宽度的景观格局演变过程，分别以5个缓冲区为独立研究对象，选取斑块密度（PD）、景观形状指数（LSI）、多样性指数（SHDI）和聚集度指数（AI）4个指标进行分析，结果如图4所示。由图可知，20年来，斑块密度在0～200 m范围内均呈显著上升趋势，之后随着与河流的距离增加而缓慢增长，其中 2007年的斑块密度略有不同，呈快速上升直到距河道300 m处，斑块密度达到最大值后趋于稳定，300 m后3个年份的斑块密度变化不大。总体上，1996年各缓冲区内的斑块密度均高于2015年，表明2015年各缓冲区内景观的完整性更好一些。从景观形状指数的结果来看，3个年份景观形状指数均在0～200 m范围内显著升高，之后随着与河道距离的增加指数又呈持续下降的变化趋势，且最终3个年份的景观形状指数几乎汇聚于一点。从香农多样性指数的变化情况来看，随着与河道距离的增加，景观多样性指数持续上升，且 2015年的景观多样性指数明显低于前两期。聚集度指数曲线在0～200 m范围内快速下降，表明随着距离的增加，斑块内部的景观连接度降低而破碎度有所增加（张娜，2014），200 m之后3个年份的聚集度指数曲线基本趋于稳定。由此可见，随着与河流距离的增加，各缓冲区内景观格局指数呈现一定的变化趋势，并且在距河流200 m处变化最为明显，因此可以推断昆明市河流生态廊道的影响范围是在河流两侧200 m以内，而200 m以外的岸带受城市化影响较大，导致景观连接度降低，破碎化程度加剧。

4 讨论

河岸带是陆地与水体之间的过渡带，是重要的生态交错带。不同学者从定性的角度对河岸带进行了描述（李莉等，2014；Anbumozhi et al.，2005），但是对其宽度缺乏统一界定。在用地紧张的形势下保护河岸生态系统，明确河岸带的合理宽度至关重要。为此，国内外学者基于不同的功能需求，对河岸带的适宜宽度开展了研究，如 Sparovek et al.（2002）以改善水质为主要目的，计算出较理想的河岸林带宽度为52 m；刘萍等（2015）分别以河流0～150、150～300和 300～500 m为岸线缓冲带，通过计算对比分析了7年间不同水岸缓冲带土地利用的时空格局变化，并估算了生态服务价值。本研究在以上研究的基础上，以昆明市主城区河流两侧 500 m的范围作为研究对象，通过梯度分析法建立5个百米宽的缓冲带，分别进行各缓冲区的土地利用和景观格局演变分析，得出昆明市河流生态廊道功能的影响范围为距离河道200 m宽的缓冲区范围，这与相关研究的结论具有一致性（赵菲等，2013）。因此，在今后河岸带景观资源的保护和合理开发利用中，应划定河流绿色廊道的保护红线，并重点保护河道两侧 200 m宽范围内岸带景观资源的完整性，以保障河流廊道生态环境效益的发挥。

表4 1996—2015年河岸带500 m缓冲区景观类型指数Table 4 The 500 m buffer landscape type index for the riparian zone from 1996 to 2015

图4 1996—2015年河岸带不同缓冲区景观格局指数Fig. 4 The Landscape pattern index of different banks in the riparian zone from 1996 to 2015

滇池是云贵高原上第一大淡水湖，曽被誉为“高原明珠”。近年来，随着城市化进程的加快，滇池由原来的“城郊湖”逐渐转变为“城心湖”（魏雯等，2018），滇池水体也出现一系列生态问题，越来越多的学者以滇池流域为研究对象开展了景观格局演变方面的研究（Zhao et al.，2012；李志英等，2014；张珂等，2013）。然而，针对土地利用变化最为剧烈的入滇河流岸带的景观格局演变研究尚不多见。昆明是典型的高原湖泊城市，入滇河流流经主城区最终汇入滇池，河流水体的水质对于滇池保护具有重要作用。由本研究可知，20年来入滇河流岸带的景观发生了剧烈变化，尤其是自2007年以来，各用地类型均不同程度地转化为建设用地，表明这一阶段城市的发展以满足建设用地的扩张为主。从 1996—2015年，河岸带内建设用地面积快速增长，已取代耕地和绿地成为新的景观基质，河岸带的景观结构发生了明显的改变，景观总体向破碎化和人工化发展，这对于河流生态廊道效益的发挥极为不利，应当引起景观规划和管理部门的充分重视。在今后的城市发展中应限制建设用地的发展速度，促进林地、滨水湿地等绿地景观的建设；同时，应注意控制不同土地利用类型的斑块数量，加强土地的集约化利用，逐步形成完整性较好的河流绿色廊道景观。

5 结论

以 1996年、2007年和 2015年 3期昆明市Landsat TM遥感影像数据为基础，以河流水系外扩500 m的范围为研究区域，探讨了河岸带土地利用和景观格局演变的时空分异特征，结果表明：

（1）20年来河岸带的土地利用发生了明显的改变，建设用地取代耕地成为河岸带新的景观基质。尤其是 2007年以来，各用地类型均不同程度地转化为建设用地，反映出这一阶段城市的发展以满足建设用地的扩张为主。

（2）1996—2015年，各土地利用类型的景观格局变化明显，耕地面积减少，分布呈破碎化发展；绿地斑块的完整性有所提高，建设用地的面积快速增加并呈现大面积连片分布的趋势。

（3）昆明市河流生态廊道功能的影响范围为距离河道200 m宽的缓冲区范围，200 m以外的区域景观连接度降低，破碎化程度加剧。