成都市近15年景观格局演变特征及其影响因素

徐婧琳,张军梅,陈 凡,张洪森

(云南师范大学地理学部,云南昆明 650500)

景观格局表征了景观元素的空间布局特征,定量分析景观格局的时空演变不仅是格局与过程相互关系研究的基础,也可以揭示生态过程的驱动机制和发展趋势[1]。20世纪80年代以来,我国逐步进入城市化快速发展时期,城市景观呈现出高度破碎化的显著特征,并趋向于复杂、异质和不连续的混合斑块镶嵌体,且随着城市建设规模的不断扩大,景观格局还将受到日益增强的干扰,其演变将更加复杂化,由此带来的社会与生态环境影响将更为突出[2-5]。为了促进城市的可持续发展,从景观格局的角度理解和解决快速城市化进程中因景观格局变化带来的一系列城市问题已经成为生态学与地理学研究领域的热点之一[6]。

快速城市化背景下,景观格局动态变化特征、过程及其影响因素已受到国内外学者的普遍关注。国外学者多侧重于城市景观格局动态变化对生态效应的影响[7-8],分析表明城市化是景观格局动态变化的主要影响因素[4,9]。我国学者从区域[10]、城市[3,11]、城市群[12-13]等不同空间尺度,采用景观格局指数法[14-15]、转移矩阵法[16-17]等方法来分析城市景观格局的演变特征,并运用相关分析法[18]、Binary Logit回归模型[3]等方法定性定量地研究了景观格局演变的影响因素,认为城市景观格局演变受到地理条件、人口、社会经济、国家政策等方面的影响[19-20];也有学者侧重于分析生态格局演变[21]及其所带来的生态效应[22-24]。目前,国内学者的研究区域多关注东部高速发展的城市,对于中西部城市的研究成果较少。

成都市作为长江经济带上游的中心城市[21]、中西部核心发展城市[25]和全国公园城市示范区[26],其城市的高质量发展在区域经济发展和生态环境的保护方面占据重要地位。肖况等[27]、罗艳等[28]关注成都市的景观时空变化、植被景观格局,欧定华等[29]基于粒子群算法对成都市郊区景观格局优化进行研究,隆世良等[30]、周爽等[31]侧重研究成都市景观安全格局、生态系统服务关联效应。以上研究多侧重于分析成都市景观格局的生态效应,在影响因素研究的层面上,注重自然和人文因素对成都市景观格局演变的影响,而对城市化进程的关注较少,尤其是政策因素的影响鲜少涉及。因此,笔者采用景观格局指数、回归分析等方法对成都市2005—2020年城市景观格局演变特征及其影响因素进行研究,以定量和定性相结合的方法分析了包括城市化水平、政策因素与景观格局之间的相关关系;最后,讨论了在城市化进程中城市发展政策对景观格局合理优化及其生态功能发挥的积极作用。

1 资料与方法

1.1 研究区概况成都市(30°05′～31°26′N,102°54′～104°53′E)位于四川省中部,全域总面积约为13 930 km2。地势西北高、东南低,西部属于四川盆地边缘地区,以丘陵和山地为主;东部位于四川盆地腹心地带,以平原和低山丘陵为主,全域海拔1 000～3 000 m,成都市属亚热带湿润季风气候,夏季高温多雨,冬季温和少雨,四季分明。2020年年末常住人口约2 094万人,城镇化率78.77%,是成渝双城经济圈的重要一极。

1.2 数据来源该研究采用成都市2005、2010、2015、2020年共4期土地利用数据,划分为耕地、森林、草地、灌木、冰雪、水体、荒地、人工建设用地8种景观类型,景观类型时序图如图1所示,该数据来源于武汉大学黄昕教授团队,为30 m分辨率年度土地利用数据(annual China land cover dataset,CLCD,https://engine.piesat.cn/),分类精度为79.31%。城镇化率和绿化覆盖率数据均来源于《四川省统计年鉴》(2005—2020年)。

图1 2005—2020年成都市景观类型分布Fig.1 Distribution of landscape types in Chengdu City during 2005-2020

1.3 景观指数选取与分析方法使用ArcGIS 10.7将土地利用数据转化为tiff格式,导入到Fragstats 4.2软件计算景观格局指数,景观指数类型及其意义如表1所示。根据研究地区的实际地理情况和景观指数所代表的实际意义,同时在借鉴现有的城市景观格局研究[2,6,21,31]的基础上,该研究从类型水平和景观水平2个方面选取指数。类型水平上选取斑块类型面积(CA)、斑块数量(NP)、斑块密度(PD)、平均斑块面积(AREA_MN)、最大斑块指数(LPI);景观水平上选取斑块数量(NP)、平均斑块面积(AREA_MN)、斑块密度(PD)、最大斑块指数(LPI)、聚合度指数(AI)、分离度指数(DIVISION)、蔓延度指数(CONTAG)、香农多样性指数(SHDI)。

表1 该研究所采用的景观格局指数说明[32]

1.4 回归分析法有研究表明,城市化会阶段性地增加或降低城市中心的景观多样性和破碎化程度[3,6,19,33]。蔓延度指数可以描述景观斑块类型的破碎化程度、团聚程度或延展趋势,景观多样性指数能够反映景观组分数量和各景观组分所占比例的差异。因此,该研究以蔓延度指数和多样性指数作为因变量来表征景观格局的演变特征,以城镇化率作为自变量来表征城市化水平。景观多样性指数和蔓延度指数由成都市2005—2020年的土地利用数据计算得出,结合15年城镇化率数据,利用SPSS软件对二者进行回归分析,得到线性回归模型以进一步分析相关性。

2 结果与分析

2.1 成都市景观格局演变特征

2.1.1各景观类型的时间变化特征。从成都市15年间各类景观总体构成的变化情况(表2)可以看出,耕地、森林和人工建设用地占比较大,是成都市主要的景观类型。其中,耕地面积占比最大,但斑块面积(CA)逐年减小,占比从61.47%下降至52.05%,说明成都市在发展过程中对耕地保护的重视程度有所下降;同时森林面积明显增加,占比从27.86%增加至30.37%,可见其景观优势度逐步增强,说明成都市对于绿地保护的持续重视;人工建设用地面积在15年间变化最为显著,占比从7.17%增长至13.50%,相比其他用地类型增幅较大,反映出成都市在发展过程中对建设用地需求的持续增大;灌木、草地面积增加;荒地、冰雪景观占比较小,变化幅度不大。

表2 2005—2020年成都市各类景观面积及占总面积比例变化

2.1.2各景观类型的格局变化特征。由图2可知,2005—2020年成都市大部分景观类型总体呈破碎化趋势。其中,耕地斑块数量(NP)不断增加,平均斑块面积(AREA_MN)减小,斑块密度(PD)不断增加,说明耕地景观破碎化程度不断上升、规模逐步减小;森林的斑块数量逐年减小,平均斑块面积增加,且斑块密度逐年降低,反映出成都市森林景观的破碎化程度降低;人工建设用地斑块数量增加、平均斑块面积增大、斑块密度不断上升,说明人工建设用地景观总体趋于破碎化,但规模不断增大;草地斑块数量持续增多、斑块密度增加、平均斑块面积小幅度下降,呈现破碎化趋势;灌木、荒地等斑块指数略微波动,对于景观格局总体影响较小。最大斑块指数(LPI)可以反映最大斑块类型对整个景观或者类型的影响程度,即可以度量景观类型的优势度。从成都市2005—2020年景观类型LPI变化统计(图2)可以看出,耕地景观在研究时段内始终占据最大优势,其对整体景观影响较大,但指数有持续下降的趋势;其次森林景观最大斑块指数较大,是成都市城市景观中的第二大优势景观,指数呈上涨态势;人工建设用地最大斑块指数逐年增加,其景观优势度逐渐增大;其余景观类型由于本身基数较小,优势度较小且趋于稳定,对整体景观格局影响较小。

图2 2005—2020年成都市类型水平指数变化Fig.2 Changes of patch type level index in Chengdu City during 2005-2020

2.1.3景观尺度的格局变化特征。由图3可知,2005—2020年成都市景观斑块数量(NP)和多样性指数(SHDI)稳步增加;平均斑块面积(AREA_MN)和聚合度指数(AI)先减小后增加,2015年为转折点,总体呈减小趋势;最大斑块指数(LPI)先增加后减小,2010年为转折点;斑块密度(PD)先增加后减小,2015年为转折点,总体上呈增加趋势;蔓延度指数(CONTAG)稳步下降;景观分离度指数(DIVISION)先减小后增加,2010年为转折点。景观格局总体特征:景观总体呈破碎化趋势,优势景观类型连接度逐渐降低,各景观团聚度下降,景观多样性指数逐年增大,表明各景观类型数量增多、复杂性增加,景观内各组分所占比例越均匀。

图3 2005—2020年成都市景观水平指数变化Fig.3 Changes of landscape level index in Chengdu City during 2005-2020

2.2 城市化进程对成都市景观格局变化的影响

2.2.1城市化发展进程对景观格局的影响。尽管影响城市景观格局特征演变的因素具有复杂性和多样性,但GDP、人口作为影响城市景观格局演变的主要社会经济因素[3],其带来的城市扩张可以用城镇化率作为表征。 2000年以前成都市城市化水平较低,处于缓慢发展阶段[34];2000—2020年,成都市中央城区到边缘区县不断扩张,城市化水平不断升高,属于快速城市化阶段[25]。从研究时段内成都市城镇化率变化(图4)可以看出,2005—2020年成都市城镇化率稳步增长,由2005年的59.90%增加至2020年的78.77%,其中,2015—2016年城镇化率有所下降,2019—2020年增速最快,增加了约4百分点。

图4 2005—2020年成都市城镇化率Fig.4 Urbanization rate of Chengdu City during 2005-2020

为了探索成都市城市化水平对景观格局的影响,对城市化水平与景观格局进行相关分析。景观水平上,城镇化率与景观格局指数之间的决定系数(R2)均在0.9左右,两者之间具有显著的相关性(图5)。图5a显示城镇化率与蔓延度指数之间呈较强的负相关,即随着城镇化率的上升,景观蔓延度指数下降,一定程度上反映了各类景观团聚度和延展趋势下降,表明耕地作为优势景观的连接度下降。图5b显示,城镇化率与景观多样性指数之间呈较强的正相关,即随着城镇化率的上升,各景观的类型数量增多、复杂性增加,各类型景观所占比例越均匀。城市化的实质使得城市生态用地以及农业用地不断转化为建设用地,从而形成以人工景观为主的高度破碎化的异质性景观[6]。结合表2和图4分析发现,景观类型水平上格局变化的主要特征是人工建设用地扩张,且2005—2020年成都市人工建设用地面积随着城镇化率稳步升高逐年增加,表明城市化水平的提高是成都市人工建设用地演变的主要影响因素。

图5 2005—2020年成都市城镇化率与蔓延度指数(a)、多样性指数(b)的关系Fig.5 Relationship between urbanization rate and spread index(a)and diversity index(b)of Chengdu City during 2005-2020

2.2.2城市发展政策对景观格局变化的影响。政策因素也是影响城市景观格局演变的重要因素之一[2,35]。2018年,成都市首次提出“公园城市”发展理念,建设践行贯彻新发展理念的“公园城市示范区”[36]。从2016—2020年成都市建成区绿化覆盖率变化情况(图6)可以看出,成都市建成区绿化覆盖率从2018年开始显著增加,由41.5%上升至2020年的44.0%。由表2可知,在该阶段森林、草地这2类绿地景观面积稳步增加,其中森林增长趋势最为显著,2015—2020年由3 901.1 km2增长至4 230.4 km2,占总面积比例由28.01%增长至30.37%,破碎化程度处于不断下降的态势,可见“公园城市”城市发展目标的确立和相关政策对成都市的绿地景观格局具有积极影响。其次,《成都市土地利用战略研究报告》(2003—2020年)预测规划期内,各类建设用地总规模将达到2 393.0 km2,比2002年增加595.3 km2;同时成都市国土资源局耕地保护处研究指出,这一轮规划期内,建设用地将占用耕地3.96万hm2[37],而成都市2005—2020年出现了耕地面积持续减小、人工建设用地面积稳步增大的现象,可见政策对人工建设用地、耕地景观的变化也具有较大影响。由此表明政策是成都市景观格局演变的主要影响因素,这与肖况等[27]的研究结果相符。

图6 2016—2020年成都市建成区绿化覆盖率Fig.6 Green coverage rate of built-up areas in Chengdu City during 2016-2020

3 讨论

该研究采用景观格局指数、回归分析等方法对景观格局演变及其影响因素进行了研究。随着成都市近15年来城市化水平不断提高,人工建设用地面积持续增长,该现象也出现在北京市[2]、深圳市[3]、扬州市[33];人工建设用地破碎化程度加剧,而车通等[33]研究表明,随着城市化进程加快,扬州市人工建设用地破碎化程度下降。同时,通过该研究可以发现近年来土地利用政策对成都市景观格局演变的影响较大,耕地面积持续减小,这与肖况等[27]的研究结果一致,在此基础上,该研究得出“公园城市”政策对成都市景观格局的演变也具有重要影响,该政策以改善城市人居环境质量为目标,使得近年来成都市绿化覆盖率上升,森林、草地、灌木等绿地景观面积增加,且森林景观破碎化程度下降,这与吴健生等[3]研究的深圳市在城市化进程中绿地景观破碎化程度上升、规模逐步减小的情况有所不同。

揭示城市景观格局演变特征及其影响因素可为城市化进程中城市的规划建设提供科学依据。城市化快速发展时期应注重景观格局连接度与完整性,延缓景观格局总体呈破碎化的趋势;同时,在开展国土空间规划“三区三线”划分工作时,应重视各景观类型统筹安排的科学性和有序性,避免城镇空间即人工建设用地占用基本农田和森林、草地、水体等生态用地,从而确保基本农田适度的规模和稳定性,保证生态功能系统的完整性[37],实现“山水林田湖草”和城市发展的有机融合。此外,具有前瞻性的规划和发展政策对于城市景观优化和城市高质量发展具有积极推动作用,在成都市未来的城市化进程中,政策应继续保持对森林、草地、灌木等绿地景观的关注,使其进一步发挥良好的生态系统服务功能。同时耕地作为农业生产的最重要生产要素,关系到农业的发展潜力和我国的粮食安全[38]。成都素有“天府之国”的美誉,具有适合农业发展的优越自然条件,土地利用规划政策应加强对耕地保护的重视,坚守“十八亿亩耕地红线”,构建农业高质量发展体系,进一步促进成都市的可持续发展。

4 结论

该研究基于2005—2020年成都市土地利用数据,采用景观格局指数与回归分析相结合的方法对近15年成都市景观格局演变特征及其影响因素进行了研究,主要研究结果如下:

(1)研究期内,成都市景观类型以人工建设用地、耕地和森林为主,且三者动态变化显著;其中,人工建设用地面积变化最为显著,15年间增长6.33百分点,景观优势性逐步增强。各类型景观中,人工建设用地斑块数量、最大斑块指数、平均斑块面积和斑块密度逐年增加,破碎化程度不断上升;耕地平均斑块面积和最大斑块指数减小,优势度不断下降,破碎化程度上升;森林斑块数量逐年减小,最大斑块和平均斑块面积逐年增加,斑块密度逐年降低,破碎化程度下降,连接度不断上升。景观水平上,成都市景观总体呈破碎化趋势,景观中的优势景观类型连接度逐渐较低,各景观团聚度下降;景观多样性指数逐年增大,表明各景观类型数量增多、复杂性增加,但各类型景观所占比例越均匀。

(2)城市化发展水平和政策是成都市景观格局演变的主要影响因素。2005—2020年城镇化率稳步增长,2019—2020年增速最快,2020年达78.77%。随着城市化进程不断加快,各景观类型数量增多、复杂性增加、团聚程度下降,优势景观连接度下降;在“公园城市”政策的影响下,成都市绿化覆盖率明显增加,森林面积增长、破碎化程度下降;在土地利用规划政策的影响下,城市人工建设用地面积不断增大,耕地面积有所减小,破碎化程度均上升。