城市化对成都市植被景观格局影响研究

罗艳,杨一川,沈松平,罗晓波,张洪吉

1.四川省自然资源科学研究院，四川成都 610024；

2.四川省地质调查院，四川成都 610081

城市化(Urbanization)是经济社会发展的必然产物。城市化过程中伴随的土地利用带来地表景观结构的巨大变化：大量的自然覆盖向人工覆盖迅速转化，不透水表面不断增加，而植被、水域等具有较高生态价值的景观斑块日益萎缩、破碎[1]，深刻影响城市生态系统的供给、调节、文化、支持等服务功能[2]，引起了城市热岛效应加剧、生物多样性下降、生态系统退化、环境污染加重等诸多城市病，直接影响了城市人居环境质量和城市可持续发展[3]。城市植被景观作为一种特殊的城市景观类型，对改善和美化城市景观生态环境起着重要的作用[4]。作为西部中心城市，成都市常住人口城镇化率在2000—2017年期间，从53.72%上升到71.85%①。研究城市化进程中成都市植被景观格局的变化情况，有助于了解城市化对城市生态安全可能造成影响，可以为城市的可持续发展提供科学依据。有鉴于此，本研究采用目前比较成熟的景观多样性指标，分析了2002—2017年期间成都市植被景观格局的主要特征和变化，以期为成都市的生物多样性保护以及城市生态安全等提供科学支撑。

1 研究区概况

成都市位于四川省中偏西部，四川盆地西部，介于东经102°54'—104°53'，北纬30°05'—31°26'之间，全市轮廓似一片肥厚的树叶，东西纵长192 km，南北宽162 km。面积达14 335 km2。成都市在水平地带上属我国中亚热带润湿性地区，但由于区域内海拔高差大（最低处与最高处海拔高差达5 005 m），垂直地带性明显，由低向高呈现出常绿阔叶林带、常绿与落叶阔叶混交林带、落叶阔叶林带、针叶与阔叶混交林带、暗针叶林带、亚高山灌丛草甸、高山草甸、冰雪永冻带等天然植被类型。然而，受人类活动影响，天然植被大量被破坏，取而代之的是农田栽培植被、人工林、天然次生林和次生灌丛等植被类型，仅在西部山地尚有原生性天然植被分布。

2 研究方法

2.1 数据来源

基于2002年10月—2002年11月的Landsat-7（ETM）数据和2017年10月—2017年11月的美国陆地卫星Landsat-8（OLI）数据，以及部分区域2017年11月的高分1号（GF1）高分卫星数据，根据遥感图像反映的地物波谱特征和空间信息，建立植被类型的遥感解译标志，采用以自动监督分类解译为主辅以人机交互解译方式，通过植被类型及其他地表覆盖类型详细解译和综合解译，并经野外实地检查、验证（两期遥感影像解译精度均在93%以上，分类精度达到要求），最后获得成都市2002年和2017年植被类型图。具体而言，本研究将成都市植被遥感类型划分为天然植被、人工植被和其他地表覆盖三个大类，参照《中国植被》和《四川植被》的原则、单位及系统并考虑遥感解译的特殊性，将成都市的天然植被划分为5个植被型组，8个植被型；人工植被划分为5个植被型组，5个植被型；其他地表覆盖有城镇、水库、河流、滩涂和裸岩石砾地等5类（见表1），以此为基础确定遥感解译的植被类型主要包括亚高山暗针叶林、山地针阔叶混交林、亚热带山地常绿-落叶阔叶混交林、亚热带常绿阔叶林、灌草丛、低山丘陵常绿阔叶灌丛、高山灌丛、高山流石滩稀疏植被、高山草甸、人工针叶林、人工阔叶林、水田、旱地和园地等14个类型。本研究以14个遥感解译植被类型为基础，在ArcMap10.6软件的支持下，提取面积和周长等基本斑块信息，进行植被景观生态学分析。

表1 成都市植被及其他地表覆盖类型遥感解译划分表Tab.1 Classification of vegetation and land cover types in Chengdu by remotesensing interpretation

2.2 景观指数选择

景观要素是地面上相对同质的生态要素或单元[5]，可分成斑块（patch）、廊道（corridor）和基质（matrix）三种类型。本研究从植被景观要素的基本特征、景观要素的多样性、景观要素斑块基本特征以及景观的形状特征四个方面，选取景观格局指数对成都市植被景观格局进行研究（见表2），并利用arcmap10.6和excel共同进行相关计算。由于景观生态学强调尺度问题，在不同的尺度下研究同一类问题时往往会得到不同的结果。因此数据的单位不同，各类指数的大小也可能不相同。本文如无特别说明，周长的单位用km，而面积的单位用km2。

表2 景观格局指数及其计算公式Tab.2 Landscape pattern index and itscalculation formula

3 结果与分析

通过分析2002年和2017年成都市土地利用类型的变化，建立了2002—2017年土地利用转换矩阵（见表3）。与2002年相比，2017年没有低山丘陵常绿阔叶灌丛和灌草丛2大植被类型，其中低山丘陵常绿阔叶灌丛主要转变为亚热带常绿阔叶林（34.09%），这主要是自然演替的结果；灌草丛主要转变为旱地（34.09%）；此外，还有大量低山丘陵常绿阔叶灌丛转变为水田（18.39%）和园地（16.83%），这主要是因为这两类植被生长于平原、地或浅丘区等低海拔地带，主要处于人类活动影响强烈区，故由人类工程活动影响所致。总之，由于自然演替和人类活动的共同作用，使得2017年没有低山丘陵常绿阔叶灌丛和灌草丛2大植被类型

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3.1 成都市植被景观要素的基本特征

2002年成都市植被景观总面积为13757.59 km2，占成都市总面积的95.97%；景观要素的平均面积为982.69 km2；面积最大的植被景观要素是水田景观，占成都市总面积的45.01%；面积最小的植被景观要素是高山流石滩稀疏植被，仅6.20 km2；景观要素的标准差与极差分别为1 771.60 km2和6 446.68 km2。2017年成都市植被景观总面积为11 947.32 km2，占成都市总面积的83.34%；景观要素的平均面积略增，为995.61 km2；面积最大的植被景观要素仍旧是水田景观，但占成都市面积比例有所下降（31.47%）；面积最小的植被景观要素仍旧是高山流石滩稀疏植被，但面积略减（5.55 km2）；景观要素的标准差与极差分别为1 309.38 km2和4 506.35 km2。可见随着城市化程度提高，成都市植被景观比例明显下降，降幅达13.15%；非植被景观比例明显增加，增幅达313.47%；这种差异主要是由于城镇景观面积大幅度增加造成的（见表4，表5）。从植被起源看，成都市天然植被（包括高山流石滩稀疏植被、高山草甸、高山灌丛、亚高山暗针叶林、山地针阔叶混交林、亚热带山地常绿-落叶阔叶混交林、亚热带常绿阔叶林、低山丘陵常绿阔叶灌丛、灌草丛）和人工植被（人工针叶林、人工阔叶林、水田、旱地、园地）在2002年分别占成都市总面积的22.97%和73.00%，2017年则分别变为22.33%和61.02%。可见2002—2017年期间，成都市天然植被面积变化不大，但人工植被面积明显减少（见表4）。

表4 各景观要素面积对比Tab.4 Comparison of thearea of each landscapeelement in 2002 and 2017

表5 植被景观要素面积特征Tab.5 Area characteristicsof vegetation landscapeelements in 2002 and 2017

景观要素的周长在一定程度上可以指示与外界的作用程度[6]。从表5和表6中可以看出，景观要素面积特征与周长特征具有较高的一致性。进一步开展相关性检验发现：2002年和2017年成都市植被景观周长与面积的相关系数分别为0.878和0.894(P<0.05)，二者呈显著相关关系。

表6 植被景观要素周长特征Tab.6 Circumferencecharacteristicsof vegetation landscape elements in 2002 and 2017

边界密度表示景观被边界分割的程度，是片断化植被的边缘效应指标，直接反映了景观要素的破碎化程度[5]。在一定程度上其值越大，景观要素的破碎化程度越高，连通性越低；反之则破碎化程度低，连通性高[6]。2002年和2017年，成都市植被景观要素中分别以旱地和水田的边界密度为最高，且明显大于其他植被类型，反映其破碎化程度高，连通程度较低；边界密度最低的分别是山地针阔叶混交林和亚热带常绿阔叶林，其平均边界密度分别为3.270和3.031，反映其破碎化程度较低，连通程度高（见表7）；总体上，天然植被的破碎化程度低于人工植被，具有较好的连通性，2002年和2017年期间，前者的平均边界密度分别为9.767和4.182，后者的平均边界密度分别为55.789和185.537；可见2017年人工植被明显比2002年的破碎化程度高。

表7 植被景观要素边界密度特征Tab.7 Boundary density characteristicsof vegetation landscape elementsin 2002 and 2017

3.2 植被景观要素多样性分析

景观多样性是指景观单元在结构和功能方面的多样性[7]，是景观要素丰富性及其分布特性的综合反映[8]。本文分别采用Margalef丰富度指数（简称丰富度指数）、Pielou均匀度指数（简称均匀度指数）、Shannon-Weaver多样性指数（简称多样性指数）和景观优势度指数（简称优势度指数）对景观要素的多样性进行分析，结果如下。

丰富度指数方面，2017年成都市植被景观总体丰富度指数略降；均匀度指数方面，2017年较2002年略增；多样性指数方面，2017年的最大多样性指数低于2002年，但多样性指数则略增；优势度指数方面，2017年略降；优势度指数方面，2017年较2002年略降；总体上，2002年和2017年成都市植被景观总体的丰富度指数、均匀度指数和多样性指数均处于较低水平，而景观优势度则处于较高水平（见表8）。

表8 植被景观要素多样性指数Tab.8 Diversity index of vegetation landscape elements in 2002 and 2017

由于多样性指数是景观要素丰富程度和均匀程度的综合反映[8]，受景观组分数量及其所占面积比例影响。这种植被景观多样性和均匀度较低的现象与成都市各植被景观要素分配极端不平均有关：首先，人工植被中，仅水田景观和旱地景观在2002年和2017年合计均就占了成都市植被景观总面积的50%以上，而种类众多的自然植被各景观要素仅占成都市植被景观总面积的25%左右；其次，各植被景观要素面积极差达分别达到了6 446.68 km2和4 506.35 km2，两者相差悬殊（见表5）。与多样性指数不同，景观要素优势度反应的是某一类景观要素占优势的程度。一般而言，有少数景观要素居主导地位的地区，通常呈现出优势度高而均匀度、多样性低的特征[5]。成都市植被景观优势度指数在2002年和2017年分别为4.362和4.328（见表8），景观要素的优势度比较高，这种现象主要由成都市以水田和旱地为主的植被景观特征造成。此外，对比2002年和2017年的结果，成都市的景观多样性略有下降，虽然降幅很低，但景观要素多样性的下降将会降低物种的总的生物多样性[5]，因此在今后的景观规划中有必要防患于未然，确保现有的自然植被景观的面积和数量不在下降。

3.3 景观要素斑块基本特征分析

景观中斑块大小对于景观的生态功能维持具有重要作用。一般来讲，斑块中物种的多样性和生产力水平随面积的增加而增加[7]，斑块的联通性也与斑块的平均面积呈正相关关系[9]。2002年和2017对比发现，2002年，亚热带山地常绿-落叶阔叶混交林景观斑块的平均面积最大（72.16 km2），灌草丛景观的则最小（0.47 km2）；2017年，亚热带山地常绿-落叶阔叶混交林景观斑块的平均面积最大（88.51 km2）；人工针叶林景观的则最小（0.82 km2）（见表9和表10）。斑块平均面积排序结果显示：2002年和2017年成都市的亚热带常绿阔叶林景观、亚高山暗针叶林景观以及亚热带山地常绿-落叶阔叶混交林景观的连通性较好，且这2个时间段总体连通性差异不大。各景观要素斑块平均周长的变化规律与面积变化规律类似，即斑块平均周长随着斑块平均面积的增大而增大，且这2个时间段总体周长的差异不大。斑块面积标准差和极差分析结果显示：（1）面积标准差和极差最小的景观要素2002年和2017年均为高山流石滩稀疏植被。（2）面积标准差和极差最大的景观要素，2002年为水田；2017年则分别为亚高山暗针叶林和水田（见表9和表10）。由于景观要素斑块面积的标准差与极差反映了在同一景观要素中斑块面积的变动程度大小[5]，可见亚高山暗针叶林和水田均出现较大程度的变化。

表9 2002年植被景观斑块特征Tab.9 Characteristicsof vegetation landscape patchesin 2002

从破碎度指数可以看出（见表9和表10），成都市2002年和2017年破碎度均以高山流石滩稀疏植被景观为最低（分别为0.000338和0.000349），可能表明该区域植被分布较为集中，破碎化程度较低；而破碎度指数最高的水田则分别为0.468705和0.377344，说明该景观要素的分布较分散，破碎化程度较高；总体上，天然植被的景观破碎度指数小于人工植被。而整个地区的景观破碎度指数均分别为0.000049和0.000237，一方面这两个数值均较低，显示成都市整体植被景观的破碎度较低；另一方面，2017年的景观破碎度指数约为2002年景观破碎度指数的5倍，显示出随着城市化的发展，成都市植被景观总体破碎程度在增加。由于景观的破碎度是指景观被分割的破碎程度，它在一定程度上可以反映人为活动对景观要素的干扰程度，将直接影响到物种的繁殖、扩散、迁移和保护[9]，因此我们有必要防患于未然，尽早做好成都市植被的保护规划。

表10 2017年植被景观斑块特征Tab.10 Characteristicsof vegetation landscape patches in 2017

成都市植被景观要素分离度指数大于10的植被景观，2002年有人工阔叶林（27.467）、园地（98.628）、高山草甸（134.071）、低山丘陵常绿阔叶灌丛（317.414）、灌草丛（500.374）和高山流石滩稀疏植被（890.524）等6类；2017年则包括人工针叶林（13.133）、人工阔叶林（29.184）、高山草甸（149.692）和高山流石滩稀疏植被（912.999）等4类；最小的则均为水田（分别为0.409和0.531）（见表9和表10）。由于分离度越大，斑块越离散。上述植被景观之所以出现分离度较大现象，人工植被主要与人类活动有关；天然植被一方面受地形和气候等因素影响，天然存在分隔，另一方面人类活动的干扰也可能加大这种分隔。

3.4 植被景观要素形状特征分析

在景观生态学中，斑块的形状指数和分形研究是常用的斑块形状研究方法[10]。从成都市植被景观斑块形状指数与斑块面积关系图(见图1)可以看出，随着斑块面积增加，斑块形状指数增加。一般而言，斑块的形状越复杂或越扁长，形状指数就越大[11]。可见，随着斑块面积的增加，斑块的形状越来越偏离紧凑而简单的圆形，变得扁长或者复杂。总体上，成都市2002年和2017年各类植被景观要素斑块形状指数均在1.4以上，表明该地区总体的总体偏离圆形；其中山地针阔叶混交林、亚热带山地常绿-落叶阔叶混交林和亚热带常绿阔叶林的形状指数在2017年有较大幅度的下降（见表11），由于生物多样性通常是朝着一个大斑块的凸出部分的方向逐渐降低的[12]，据此推测这些植被景观内的生物多样性有可能增加，但这一推论需要进一步的调查结果予以验证。

图1 斑块形状指数与斑块面积关系Fig.1 Relationship between plaqueshape index and plaquearea in 2002 and 2017

表11 植被景观要素形状特征Tab.11 Shapecharacteristics of vegetation landscapeelementsin 2002 and 2017

分维数常用来测定斑块形状的复杂程度[5]。分析成都市各景观要素的分维数（见表11）发现：（1）植被景观的分维数总体均大于1，由于具有复杂边界斑块的分维数在1与2之间[11]，可见成都市的植被景观总体属于复杂边界斑块；（2）2017年的分维数总体高于2002年的分维数，可见2017年人为干扰程度较2002年有所增加。

4 讨论与小结

通过系统的研究成都市植被景观要素及其斑块特征，基于2017年成都市景观要素特征分析结果，确认现阶段成都市的植被景观特征如下。

4.1 现状特征

植被景观要素基本特征方面：（1）成都市植被景观要素中，水田景观面积最大，高山流石滩稀疏植被景观面积最小。（2）总体上成都市的植被景观主要由人工植被组成（占植被总面积的73.21%）。（3）基于边界密度分析发现，总体上天然植被景观的破碎化程度低于人工植被，具有较好的连通性。

景观要素的多样性分析表明，成都市植被景观总体的丰富度指数、均匀度指数和多样性指数均处于较低水平，而景观优势度则处于较高水平，这种植被景观多样性和均匀度较低的现象与成都市各植被景观要素分配极端不平均有关，而较高的优势度水平说明成都市植被景观呈现出少数景观占主导地位的现象。

景观要素斑块基本特征分析显示：（1）成都市植被景观总体破碎程度较小，且天然植被的景观破碎度指数小于人工植被。（2）亚热带常绿阔叶林景观、亚高山暗针叶林景观以及亚热带山地常绿-落叶阔叶混交林景观等具有较好的连通性。（3）人工林（包括人工针叶林和人工阔叶林）具有较高景观分离度指数，显示其受人类影响，斑块之间的距离较大，景观分布较复杂。

植被景观要素形状特征分析结果显示，（1）成都市植被景观的斑块形状指数随着斑块面积的增加有逐渐增大的趋势，该地区各类景观要素中斑块形状指数大多在1.5以上，形状总体偏狭长。（2）成都市各类植被景观要素植被景观的分维数总体均大于1，可见该地区植被景观总体属于复杂边界斑块。

4.2 变化特征

2002年与2017年对比显示，这2个阶段成都市植被景观发生了如下变化。（1）植被类型上，2002年比2017年多了低山丘陵常绿阔叶灌丛和灌草丛植被2个植被类型，根据土地利用转换矩阵发现，这种转变是自然演替与人类活动共同作用的结果。（2）与2002年相比，成都市植被景观比例明显下降（降幅为13.15%），非植被景观比例明显增加（增幅为313.47%）；这种差异主要是由城镇面积大幅度增加造成。（3）根据植被起源分析发现，2017年与2002年相比，成都市天然植被面积变化不大，但人工植被面积明显减少。据此推测成都市的天然植被总体得到了较好的保护，而人工植被主要位于人类活动区，受人为活动影响相对比较大所致。以人工针叶林为例，与2002年相比，2017年其面积减少了218.56 km2，其中转变为园地的面积高达214.91 km2；但同时又分别由有85.25 km2的旱地和68.83 km2的水田转变为人工针叶林。（4）植被景观要素边界密度特征分析显示，2017年人工植被平均边界密度明显高于2002年的人工植被平均边界密度，可见2017年人工植被明显比2002年的破碎化程度高。（5）2002年和2017年，成都市天然植被景观均存在各景观要素之间面积差异较大，优势度高而均匀度、多样性低的问题。（6）有关成都市景观的未来变化趋势，基于现有的数据，如果按照线性模式变化的话，成都市2032年的植被面积比例将进一步下降到仅占总面积的70.78%。但如果需要更详尽、准确的数据，需要进一步开展研究，挑选包括CAMarkov等在内的模型进行预测分析。

综上所述，当前成都市植被景观多样性总体表现为人工景观的破碎化程度较高，天然景观的连通性较好，优势景观占主导地位，多样性较低。将2017年与2002年相比，主要差异表现为：城镇面积大幅度增加，人工植被面积显著下降，且人工植被存在破碎化程度增高的趋势，上述变化主要是受人为活动影响的结果。可见，成都市植被景观的变化是城市化和人为干扰共同作用的结果。当前阶段城镇化进程无可避免，而人类的干扰则相对可控。因此，建议在国土空间规划中，应综合考虑社会、经济以及生态环境因素的影响，通过制定科学合理的产业发展政策和土地利用政策，增强生态斑块间的连接度，避免出现高密度建设用地斑块聚集，以促进生物多样性保护，保证城市生态安全。