近20年来黄河沿岸济南区段缓冲带景观格局梯度分析*

尹德洁 侯冰钰 王冬薇 王 皓 吴亚伟 刘大亮

山东建筑大学 济南 250101

景观格局是指景观组成单元的类型、数目以及空间分布与配置[1]。景观格局分析旨在对景观结构组成及其空间分布特征进行量化分析,是景观功能和动态分析的基础[2]。尺度是指在研究某一物体或现象时所采用的空间或时间单位,同时又指某一现象或过程在空间和时间上所涉及的范围和发生的频率[3]。目前,对景观格局尺度的研究多集中在景观的幅度和粒度,而忽略了梯度[4]。梯度是指沿某一方向景观特征有规律地逐渐变化的空间特征[3],梯度分析方法起源于植被科学研究,被广泛用于分析城市化对植物分布和生态系统的影响,后来梯度分析逐渐成为研究城市化对景观格局变化的有效方法[5]。河流缓冲带是指陆地与河流水域之间的连接带和过渡区[6]。目前,国内虽有一些学者基于河流缓冲带分析景观格局变化,并与景观生态学和梯度相结合[4,7-8],通过沿廊道设立缓冲带,研究梯度带内的变化规律,但将梯度分析与景观格局指数相结合,并针对河流沿岸区域尤其是典型的跨河地区进行景观格局梯度分析的研究较少。

济南是黄河流域重要的区域中心城市,其沿岸作为济南城镇适宜形成和发展的重要区位[9],在整体黄河流域生态系统研究中具有重要的战略地位。随着我国经济的高速发展,黄河沿线城市化进程加快,势必对沿岸生态环境造成干扰,对黄河流域生态系统带来重要影响,因此对其沿岸进行景观格局梯度分析,可以反映沿岸景观格局的总体特征及梯度变化趋势。基于此,本文以黄河沿岸济南区段为研究对象,借鉴景观生态学理论,以RS和GIS为基础,在黄河沿岸设立缓冲带,采用景观格局指数分析和梯度分析相结合的方法,分析2000—2020年各景观类型在黄河沿岸济南区段的梯度变化特征,探究黄河对沿岸区域发展的辐射效应以及城市建设对黄河沿岸景观格局的影响,以期为黄河流域高质量发展提供借鉴。

1 研究区概况

济南市(116°11′—117°44′E,36°01′—37°32′N)位于山东省中部,地处黄河下游,境内主要有黄河、小清河、大汶河3大河流水系[10]。黄河自西向东穿过济南,全长183 km,将市域划分为黄河以南和黄河以北两大部分,流经章丘区、济阳区、历城区、天桥区、槐荫区、长清区和平阴县。年平均气温13.6℃,属温带大陆性气候,地势北低南高[11],研究区域为济南市(对应2019年行政区划调整后的济南市域范围),研究区总面积增至10 244 km2。2020年济南常住人口920.24万,人均GDP为110 198元/人,辖区生产总值为10 140.91亿元[12]。

2 研究方法

2.1 数据来源

基础遥感影像数据来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/),其中2000年、2010年采用Landsat 5 TM的遥感影像数据,2020年采用Landsat 8 OLI的遥感影像数据,空间分辨率为30 m。经济、人口等数据资料来源于济南市统计年鉴(http://jntj.jinan.gov.cn/)。

2.2 缓冲带梯度分析

2.2.1 缓冲带梯度划分

参考前人[4,7-8,13]对城市景观和河流沿岸梯度分析的研究,采用ArcGIS10.6的Buffer工具,以黄河下游穿过济南区段的沿岸为边界,向两侧设立5 km长的缓冲带,分别距离黄河5 km、10 km、15 km、20 km、25 km、30 km、35 km、40 km和＞40 km,共包括18个景观格局缓冲带,构建黄河沿岸景观格局梯度(图1)。

图1 景观类型及缓冲带梯度划分(2000—2020年)

2.2.2 景观格局指数

景观指数是能高度浓缩景观格局信息的简单定量指标,反映景观结构特征和空间格局变化[3]。分别从类型水平和景观水平2个景观层次,分析黄河沿岸济南区段的景观格局梯度特征。借鉴相关文献[14-15],在类型水平上选取斑块面积(CA)、景观面积比例(PLAND)、斑块数量(NP)、最大斑块指数(LPI)和景观形状指数(LSI)5个景观指数；在景观水平上选取斑块密度(PD)、边缘密度(ED)、聚合度(AI)、蔓延度(CONTAG)、香农多样性指数(SHDI)和香农均匀度指数(SHEI)6个景观指数。

2.3 数据分析

采用ENVI 5.3软件对遥感数据进行辐射定标、大气校正、波段融合以及图像镶嵌、裁剪和拼接等数据预处理,其中RGB合成选取的是第6、5、3波段。采用最大似然分类法进行遥感影像分类,并结合Google Earth的高分辨率视图进行人机交互目视解译修改,参照《土地利用现状分类》(GB/T21010—2017)标准和城市绿地系统用地分类标准,将研究区内的景观类型划分为耕地、水体、林地、建设用地、草地和未利用地共6种用地类型,最终得到济南市3期景观类型分类图(图1)。通过混淆矩阵法评价分类精度均在85%以上,满足研究精度的相关要求。在ArcGIS10.6软件中转换为30 m×30 m的栅格格式,导入Fragstats 4.2进行相关的景观格局指数计算与分析。

3 结果与分析

3.1 景观格局特征

由表1可知,在2000—2020年各景观类型中,耕地的PLAND最大,建设用地的PLAND逐年增加,林地的PLAND持续减少。耕地和草地的NP逐渐增加,建设用地的NP先增大后减小。建设用地的LPI不断增长,从2000年的1.62%增长至2020年的6.27%,表明随着建设用地不断扩张,景观优势逐渐增强,但在2010—2020年,建设用地的NP不断减少,又说明其斑块逐渐聚集化。

表1 研究区总体的类型水平景观指数(2000—2020年)

从表2可知,2000—2020年,面积转移变化最剧烈的是耕地、草地和建设用地,其中耕地主要转出类型为建设用地,且在2000—2010年转出面积最大为915.73 km2；耕地在2000—2010年、2010—2020年向水体转移面积分别是50.12 km2和22.1 km2,但其LPI始终为最大值,表明耕地依然是研究区内的景观优势斑块。此外,未利用地在2000—2010年向耕地类型转换了58.96 km2,表示存在未利用地被开垦的情况。

表2 济南市景观类型转移矩阵(2000—2020年) km2

3.2 景观格局梯度变化

3.2.1 类型水平的梯度变化

对于占比最大的景观,北岸耕地沿缓冲带呈上升趋势,在25～35 km缓冲带内突然下降,这与济南市总体规划(2011—2020)中的产业发展规划相吻合,其中,北岸主要分布济北民营经济园和商河经济开发区两大产业聚集区,近些年以发展第二产业为主,园区不断向南扩张,附近耕地被大量侵占(图2A)。南岸建设用地在0～15 km缓冲带内逐渐上升达到峰值后向外围急剧减少,原因在于济南南部地区的地形主要为山地丘陵,城市向南纵向发展受到限制,建设用地沿黄河廊道的东西方向进行扩展(图2B)。随着城市化进程加快,沿岸的建筑用地逐渐扩张,不透水面积增加将导致土壤渗透率降低,当暴雨来临时,流域的排水能力相对脆弱,有引发城市洪涝灾害的风险。同时,草地在此区域内也呈现上升趋势,表明南岸15 km范围内景观斑块多样,景观格局趋于复杂(图2D)。

在最大斑块指数中,北岸耕地的大斑块多于南岸,主要分布在0～15 km和30～40 km缓冲带内,景观优势度高于南岸(图2E)。水体分别在北岸第15 km和南岸第20 km缓冲带处出现峰值,这是由于近些年制定的《全国湿地保护工程计划(2002—2030年)》 《济南市黄河流域生态保护和高质量发展规划》等政策对黄河沿岸小流域的生态保护起到积极作用(图2G)。南岸的草地斑块沿缓冲带呈“M”型变化趋势,在10～25 km缓冲带内变化幅度显著,表明在此区域的草地斑块大小不均匀,受人类活动干扰程度大(图2H)。

从景观形状指数来看,耕地和草地变化趋势相似,在北岸均无明显波动变化；南岸的景观形状比北岸高,说明人类对于南岸的耕地和草地干扰活动较强(图2I、图2J)。南岸建设用地和水体沿缓冲带呈“降-升-降”的变化趋势,在0～20 km范围内波动幅度较大,表明在此区域内的地类变化剧烈。随着城市开发力度的增强,景观形状逐渐趋于破碎(图2K、图2L)。

图2 研究区景观格局缓冲带类型水平梯度变化

3.2.2 景观水平上的梯度变化

景观破碎化方面(图3A、图3B),2020年南岸的PD和ED整体呈上升趋势。其主要原因在于随着城市经济水平快速发展,大量人口迁入导致用于城市交通、生活、医疗等功能的建设用地不断向四周扩张,原有的耕地、草地等斑块被其侵占,斑块边缘逐渐复杂,景观趋于破碎化。

景观聚集性方面(图3C、图3D),在同一缓冲带内,北岸的CONTAG和AI均比南岸高,表明北岸优势斑块的分布状态、斑块间的连通性和团聚程度较强。南岸的CONTAG和AI均沿着缓冲带呈下降趋势,表明南岸景观斑块零星分布,连通度低。但在5～20 km缓冲带内有缓慢上升趋势,这与近些年扩建古城片区内大明湖、趵突泉、五龙潭等公园绿地,增补斑块间的空隙,使绿地的连通性增加有关。

景观多样性方面(图3E、图3F),SHDI和SHEI变化趋势相似,南岸的SHDI和SHEI均显著高于北岸,说明南岸景观的异质性强,景观分布均匀,更有利于缓解城市热岛效应。北岸的SHDI和SHEI在5～20 km缓冲带内呈缓慢降低趋势,在25～35 km缓冲带内上升且出现峰值,原因在于此区域内耕地和林地大量减少、建设用地大量增加、人类活动干扰较大,以及生态环境相对敏感。

图3 研究区景观格局缓冲带景观水平梯度变化

3.3 景观格局年际变化

由图2可知,耕地的PLAND和LPI整体在2000—2010年减少,至2010年后保持稳定,这与2002年《中华人民共和国农村土地承包法》颁布后,农民可以将承包的土地进行流转有关；在2008年后要求不得将耕地在流转中转变为其他用地,从根本上抑制了耕地的无限制流失。水体的PLAND和LPI在2010年增加,表明2000年后人们水土保持意识增强,黄河、小清河等流域治理初显成效,水体斑块逐渐恢复。2010—2020年,两岸建设用地的PLAND和LPI增长幅度减小,表明建设用地在原有斑块基础上进行了聚集式扩张与融合。2020年,草地的LSI均比前两个时期高,其中南岸草地的PLAND和LSI在0～15 km缓冲带内显著高于前两个时期,说明此区域在2010—2020年的开发建设力度远高于2000—2010年,虽然2010年后沿岸市区不断进行开发建设,但仍有绿地扩建。

由图4可知,研究区内PD和ED在2010—2020年上升趋势最为显著(图4A)；AI整体从2000年的96.1下降至2020年的94.4,景观连接度逐渐减弱(图4B)；SHDI和SHEI分别从2000年的1.17%和0.65%增至2010年的1.2%和0.67%,之后减少到2020年的1%和0.56%(图4C),说明2000—2010年研究区各景观类型正朝着多元化、异质化方向发展；反之2010—2020年各景观斑块向外逐渐扩张,蔓延度增加,景观多样性减少,连通性逐渐减弱。

图4 研究区2000—2020年的景观水平景观指数

4 结论与讨论

4.1 结论

本研究使用景观格局指数和梯度分析相结合的方法,分析了黄河沿岸济南区段景观格局时空演变和梯度变化特征,得出如下结论:1)2010—2020年济南区段景观格局变化明显,耕地为优势景观,建设用地和林地次之；建设用地面积大幅度增加,前10年的增幅是后10年的4.75倍；草地和林地的面积先减少后增加,水体和未利用地面积不断减小；土地利用类型转换主要通过占用耕地和未利用地转变为其他地类。2)类型水平上,各类景观表现为不同梯度特征。北岸耕地的景观面积比例、最大斑块指数显著高于南岸；南岸建设用地的景观形状指数远大于北岸；水体景观面积比例与最大斑块指数随缓冲带外扩呈下降趋势,且南岸水体景观形状指数要低于北岸。3)景观水平上,各缓冲带景观格局梯度变化显著。空间上,斑块密度、边缘密度、香农多样性和香农均匀度指数随着缓冲带的外扩整体呈增长趋势,蔓延度和聚合度则相反,同一距离,南岸整体的景观破碎化度和异质性均大于北岸,各景观指数的变化折射出南北两岸的经济建设发展差异；时间上,各指数在前10年的变化幅度远大于后10年。

4.2 讨论

黄河沿岸济南区段景观格局受城市化和人类活动的影响,其景观结构发生动态变化。城市建设和经济发展力度越大,对景观格局的影响越显著,主要表现在黄河南岸的景观破碎度和异质性远超北岸,而且城市建设使沿岸的生态环境遭受破坏,这一研究结果与河流沿岸地区[7,16]的景观格局梯度分析结果基本相符,主要体现在对黄河沿岸耕地、草地和林地等景观格局的干扰上。尽管研究区梯度带内整体的景观格局更破碎,但在基本农田保护情境下,各类景观分布逐渐均匀,景观破碎程度逐渐被控制,有利于减轻城市洪涝灾害的风险,改善城市热岛效应[17],这与济南市[18-20]景观格局动态变化与模拟预测的研究结果一致。

景观格局具有尺度依赖性,不同步长、形状的缓冲带会产生不同的景观指数计算结果,但整体变化规律是相似的[16]。本研究设置5 km缓冲区梯度带,有效揭示黄河沿岸济南区段沿缓冲带的演变过程,表明城市化进程和人类活动干扰是影响景观格局梯度差异的主要因素。此外,研究区内的样带设置仍具有一定的主观性,缺乏设置方法的系统研究,驱动机制也仅从城市化、人为因素等方面分析景观格局梯度差异,其他因素对黄河沿岸城市景观格局的影响需进一步研究完善。