不同空间尺度下南京都市圈区域生态用地景观格局演变分析*

刘伟,王涵玉,李欢欣,赵一嘉,许浩

(1.南京林业大学 风景园林学院,江苏 南京 210037; 2.中国电建集团市政规划设计研究院有限公司,广东 珠海 519000)

我国已经进入城镇化中后期发展阶段,以核心城市及其周边区域构成的都市圈成为了城镇化发展格局的主体形态之一。然而,都市圈内快速的城镇扩张和高强度的人类活动导致区域生态环境遭到严重威胁。区域生态用地以天然山林草地、自然河流湖泊为主,具有分布广、规模大、生态效能突出的特点,被视为改善区域生态环境,促进都市圈可持续建设的重要载体[1]。区域生态用地格局的变化易对区域生态结构和生态环境产生长时间的影响[2],特别是在当前我国城镇区域化高速发展的背景下,揭示区域生态用地景观格局变化特征和发展趋势,对制定合理的生态用地保护策略具有重要意义。

基于多时相遥感影像数据提取生态用地信息,定量评价生态用地规模、斑块特征、景观结构等,进而探讨生态用地格局演变特点是国内外研究区域生态用地格局演变的主要思路。其中,影像数据多以中尺度系列遥感数据为主,如Landsat卫星数据[3-4];景观格局定量评价采用的方法相似,主要包括动态度模型、景观格局指数、土地利用转移矩阵、标准椭圆差分析等[5-6];研究对象既有对单一生态用地类型,如林地、湿地的景观格局时空变化的研究[7-8],也有对一定时期内生态用地整体变化的研究[9-10];研究尺度集中在市域、省域等行政单元[11-12],以及重要的流域或生态功能区[13-14]。总体来看,国内外学者对区域生态用地的景观格局开展了大量研究,但多聚焦于单一行政区划和地貌单元尺度上的探讨,以都市圈为基础进行多尺度景观格局演变分析的研究未见报道。作为城市群和中心城市的中间层级,都市圈突破了单个行政单元的束缚,具有跨区域配置资源和协同开展空间治理的能力[15],是有效治理大城市病、优化区域生态格局的重要空间场所。然而,受尺度依赖性影响,在都市圈不同空间层次下区域生态用地格局特征可能不尽相同。单一大尺度层次的分析容易忽视都市圈内部的景观异质性,单一小尺度层次的分析无法获得区域生态用地整体格局特征。因此,开展不同空间尺度下区域生态用地景观格局综合研究,对全面了解都市圈区域生态用地空间格局形成过程、动态规律及影响机制具有重要理论和现实意义。

南京都市圈是我国首个跨省建设的都市圈,全域以冲积平原和低山丘陵为主,生态资源丰富,在快速发展中亟需更加合理的区域生态用地布局,引导、协调生态保护与发展之间的关系。目前关于该都市圈区域生态用地格局仅有少量都市圈尺度的研究[16],缺乏多尺度之间的对比研究。因此,本研究尝试从“圈域—城市—区县”3个尺度探讨区域生态用地格局时空演变特征,以期为都市圈生态资源保护和生态空间规划提供依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

南京都市圈位于长江下游(29°57′～34°06′ N、117°09′～119°59′ E),以江苏省南京市为中心,包括镇江、扬州、淮安、常州(仅金坛区和溧阳市)以及安徽省滁州、马鞍山、芜湖、宣城,共9个城市,60个区县,总面积约6.6×104km2[17]。都市圈区位优势明显,是长三角城市群的重要组成部分,也是贯通我国中部和东部,衔接长江淮河流域的枢纽区域。研究区自然本地优良,襟江带河傍山,拥有省级及以上自然保护地116处[18]。自2000年南京都市圈开始建设,至2020年区域城镇化率已从36.4%上升至74.5%,发展速度明显高于全国平均水平。然而快速的城镇化进程是以高增长、高消耗、高扩张为基本特征,圈域内自然资源已迫近发展极限[19]。

1.2 数据来源及处理

本研究以2000、2010、2020年3期Landsat TM/OLI遥感影像数据为基础(来源于地理空间数据云),利用ENVI 5.3软件对其依次进行辐射定标、大气校正、图像镶嵌与裁剪等预处理后,以波段融合后的2020年Landsat8 OLI影像为基准对其他影像进行空间校正,配准误差控制在1.0个像元内。参考《国土空间调查、规划、用途管制用地用分类指南(试行)》及相关研究,使用人机互译方法,将研究区初步划分为林地、草地、建设用地、耕地、水域和其他用地6类。

目前学术界对于区域生态用地尚未有统一的定义,参考相关研究[20],将其定义为:城市建成区外具有重要生态服务功能的自然、近自然地域,以林地、草地和水域为主。3个时期城市建成区范围来源于清华大学宫鹏团队发布的全球建成区矢量数据集[21]。叠加已识别的土地利用类型信息和城市建成区范围,将位于建成区外的林地、草地、水域定义为区域生态用地,位于建成区内的定义为城市生态用地(图1)。最后,通过谷歌地球高精度历史影像和野外调查,对分类后结果进行精度验证,发现3期影像解译后总体精度均在80%以上,满足研究需求。

图1 2000—2020年南京都市圈土地利用分类结果

1.3 研究方法

1.3.1 动态度模型

使用动态度模型定量描述一定时间范围内区域生态用地规模变化的速率和差异[22]。计算公式如下:

①

式中:Lc表示区域生态用地类型c在T年内的动态度,Sa和Sb分别表示研究期初和研究期末c的面积。本研究分别提取2000年、2010年和2020年南京都市圈以及9个成员城市、60个区县的区域生态用地,利用上述公式考察不同尺度下区域生态用地规模变化情况。

1.3.2 转移矩阵模型

本研究基于GIS 10.6软件中的空间叠加功能,构建都市圈尺度上2000—2010年和2010—2020年两个时间段的区域生态用地转移矩阵,定量分析各类区域生态用地的转入来源与转出去向。转移矩阵的公式为[23]:

②

式中:S表示各用地类型面积,n为用地类型数量,Sij表示研究时段内由用地类型i转化为用地类型j的面积。

1.3.3 景观格局指数

景观格局指数能够高度浓缩景观格局信息,是定量分析景观格局演变的常用方法之一。本研究选择斑块数量(NP)、斑块密度(PD)、平均斑块面积(MPS)、最大斑块面积指数(LPI)、景观形状多样性指数(LSI)、聚集度指数(AI)6个指数量化分析区域生态用地景观格局。其中,NP和PD用来衡量区域生态用地斑块的数量特征,表征其破碎化程度;MPS和LPI用来评价区域生态用地中大型斑块占比情况,表征景观的优势性;LSI代表斑块形状的复杂程度,AI则与斑块聚集程度相关,反映了区域生态用地之间的连通性。各指数的具体含义详见文献[24]。使用Fragstats 4.2软件计算不同空间尺度下的区域生态用地景观格局指数。

2 结果与分析

2.1 都市圈尺度区域生态用地格局演变

2.1.1 区域生态用地规模演变分析

2000—2020年南京都市圈区域生态用地规模总体呈现“急剧下降”到“逐渐增加”的演变趋势(表1)。由于后10 a增长速度略低于前10 a减少速度,区域生态用地总量仍有所缩减,共减少97.57 km2。不同类型的区域生态用地规模变化存在较大差异性。其中,水域规模持续减小,且减少速率逐渐变缓;林地面积先减后增,2010年后增加速率加快,20 a间共增加354.36 km2;草地前10 a变化剧烈,下降趋势显著,后10 a略有上升,但上升幅度较小,总体仍呈减少趋势。

表1 2000—2020年南京都市圈区域生态用地动态度

2.1.2 区域生态用地转移变化分析

南京都市圈区域生态用地具有转入转出双向特征,前10 a转出面积远高于转入面积,后10 a转入面积略有增加,但转出面积显著下降。2000—2010年,三类区域生态用地保留率为水域(79.57%)>林地(78.49%)>草地(23.50%),其中水域主要转化为耕地和建设用地,林地主要转化为耕地、建设用地和草地,草地主要转化为耕地和林地。从转入贡献来看,该时期林地和水域的增加主要来源于耕地,草地主要来源于耕地和林地(表2)。自2002年开始,江苏省、安徽省相继实施“退耕还林(草)”“退田还水”等生态保护政策,低效耕地逐渐转化为区域生态用地。此外,2000—2010年南京都市圈林地经营管理相对宽松,个别地区仍存在较为严重的乱砍滥伐、毁林开矿行为,导致部分林地退化为草地[25]。

表2 2000—2010年南京都市圈区域生态用地转移矩阵

2010—2020年,三类用地保留率为水域(83.88%)>林地(82.33%)>草地(47.85%),相比上一阶段各类型保留率均有一定提升,说明政府对区域生态用地资源保护、管控力度加大。该时期水域持续向耕地和建设用地转化,但转化面积减少;林地转出总面积降低,但转化为建设用地的面积增加,可见该时期城镇化发展给林地带来的威胁加大;草地转出仍剧烈,主要转化为耕地和林地。从转入贡献来看,耕地成为三类区域生态用地增加的主要来源。另外约36%的其他用地转化为区域生态用地,表明矿山修复、荒山荒地造林也成为了区域生态用地增加的重要来源(表3)。

表3 2010—2020年南京都市圈区域生态用地转移矩阵

2.1.3 区域生态用地景观格局分析

总体来看,研究期内区域生态用地的NP、PD值呈下降趋势,MPS、LPI、LSI和AI呈上升趋势,说明南京都市圈区域生态用地小斑块退化严重,大型斑块聚合,平均斑块面积增加,斑块形状趋于规整化,斑块之间连通性减弱(表4)。

表4 2000—2020年南京都市圈区域生态用地景观指数变化

从类型水平来看(图2),水域NP、PD、LSI值先降后升,MPS、LPI、AI值先升后降,说明前10 a小型水域斑块受到严重侵占,形状趋向规则化;后十年水域面积持续缩减,但斑块数量和密度增加,聚集度降低,表明已从小斑块退化转化为中大斑块分割。林地则表现出与水域不同的演变特征,其NP、PD、LPI值先升后降,MPS值先降后升,LSI值逐渐升高,说明前10 a林地景观破碎化严重,斑块密度增加;后10 a林地规模扩大,增加斑块与原有林地逐渐聚合,林地景观优势度提升,斑块形状复杂化。草地规模下降且各项指数呈上升趋势,说明草地景观破碎化程度持续加剧。

图2 2000—2020年南京都市圈各类区域生态用地景观格局指数

2.2 城市尺度区域生态用地格局演变

2.2.1 各城市区域生态用地规模变化分析

研究期内,城市尺度区域生态用地规模变化特征与都市圈基本一致,大部分城市表现出先降后升趋势。从类型来看,位于江苏的南京、镇江、常州、扬州、淮安五市林地规模大致呈增长态势。这是由于江苏城镇化程度较高,经济发展与生态环境的矛盾更加突出,更早认识到森林对于生态建设的重要性。相继实施了绿色江苏行动、绿色江苏现代林业工程、生态文明建设林业行动计划等,这些政策极大促进了江苏林业发展。水域方面,77%的城市前10 a有所缩减,后10 a情况有所缓解,但仍有55%的城市水域面积减少,其中淮安和滁州缩减最为显著。草地方面,城市尺度草地变化较为复杂,表现出先减后增、持续增加、先增后减、持续减少等多种形式,表明草地保护具有相对脆弱性、反复性和不确定性(图3)。

图3 2000—2020年南京都市圈城市尺度区域生态用地规模动态变化

2.2.2 各城市区域生态用地景观格局分析

研究期内宣城区域生态用地总规模增加,且6个指数均有一定增长,可见其区域生态用地连通性增强,景观格局趋向优化。一方面受到复杂多样的地形地貌限制,宣城城镇扩张规模相对较小,对区域生态用地干扰有限;另一方面宣城林地资源丰富,近年来建设了清凉峰自然保护区、板桥自然保护区等,生态保育、修复效果显著。常州和扬州区域生态用地规模增加,NP、PD、LSI值降低,其余指标升高,表明其区域生态用地格局以整合为主,生态用地斑块逐渐集中连片且形状趋向规整。滁州各指数变化趋势虽与常州、扬州相似,但由于区域生态用地规模减少,说明滁州主要表现为小型区域生态用地退化为非生态用地。南京、镇江的MPS值降低,其他指数均升高,可见这2个城市的小型区域生态用地严重分割,大型斑块优势增强。淮安、马鞍山、芜湖的景观指数变化类似,NP、PD值上升,MPS值下降,说明这3个城市的区域生态用地整体破碎化加剧(图4)。

图4 2000—2020年南京都市圈城市尺度区域生态用地景观指数变化

2.3 区县尺度区域生态用地格局演变

2.3.1 各区县区域生态用地规模变化分析

对都市圈60个区县的区域生态用地进行规模变化分析,发现约半数以上区县的区域生态用地规模下降(图5)。从类型来看,2/3的区县水域规模减少,减少显著区域分布在长江两侧,包括江宁区、浦口区、丹徒区、京口区、鸠江区等,近20年来该地带城镇化速度相对较快,建设用地快速扩张过程中侵占了大量的水域;研究期内65%的区县林地规模有不同程度增加,缩减较明显的区县多分布在研究区外围,如凤阳县、定远县、广德市等,主要由于大型自然植被边缘的人为活动增加,导致林地减少;约50%区县的草地规模下降,江宁区、溧水区、鸠江区以及明光市、洪泽区下降幅度较大,减少量在10 km2以上。

图5 2000—2020年南京都市圈区县尺度区域生态用地规模变化

2.3.2 各区县区域生态用地景观格局变化分析

研究期内南京都市圈半数以上区县的NP、PD值增加,说明这些区县区域生态用地景观破碎度提升。其中盱眙县、郎溪县和广德市上升幅度最为显著,前者一方面因围垦、淤积,导致县域内水域景观破碎,另一方面在2010年前,盱眙南部山区采石业兴盛,林草资源遭到严重破坏,近年来虽进行了部分矿区复绿,但林草破碎化仍较为严重;后两者则主要由于耕地的侵占,导致区域生态用地破碎程度加大。区县尺度MPS和LPI变化趋势相似,位于研究区东北部的区县数值增加明显,如高邮市、淮安区、广陵区等,而北部和西部区县数值下降显著,如盱眙县、洪泽区、含山县等,说明东北地带区域生态用地景观优势增强。LSI与AI变化基本呈相反趋势,涟水县、高邮市、宝应县等位于研究区东北部的区县LSI值下降,AI值上升明显,这些区县为典型的平原水网地貌,林地资源较为匮乏,坑塘、水渠等小型水域斑块较多,城镇化发展过程中易于连片围垦或开发,导致区域生态用地形状趋向规整,斑块聚集度上升(图6)。

图6 2000—2020南京都市圈区县尺度区域生态用地景观指数变化

3 讨论与结论

3.1 讨论

不同空间尺度下、不同类型的区域生态用地格局变化存在较大差异,这与各城市、区县的生态资源禀赋、城市扩张方式和环境保护政策等密切相关。研究期内都市圈林地规模总体增加,但在沿江开发战略实施和承接产业转移背景下,安徽四市经济增速迅猛,第二产业占比大幅增加,对林地利用程度加剧[26],致使安徽四市约半数区县的林地规模下降;而江苏因林地资源相对稀缺,较早开展林地保护行动,江苏五市林地规模总体呈增加态势。此外,南京、镇江沿长江扩张迅速,两市沿江区县侵占小型水域严重,区域生态用地连通性降低;淮安、扬州、常州长期以来在水产养殖高收益驱使下圈圩养殖、滩涂围垦活动剧烈[27],位于大型水域周边的涟水县、高邮市、宝应县等格局变化则更加明显。

多尺度分析是未来区域生态用地景观格局分析的重要发展方向之一[28]。相较于其他区域范围内的生态用地格局研究[5,16],本研究将动态度模型、景观格局指数同时运用到都市圈、城市、区县3个空间尺度上,得到了研究区从概况到详细的区域生态用地空间格局演变信息。都市圈尺度的研究揭示了研究区整体的区域生态用地景观格局特征,城市尺度的研究将区域生态用地的动态演变与地方发展、政策水平建立了关联,区县尺度的研究则有助于更为详细的了解区域生态空间变化的驱动差异[29]。多尺度研究结果对各级政府制定既符合区域生态要求,又满足其发展需求的差异化生态保护政策具有重要参考作用。

3.2 结论

本研究基于2000—2020年遥感影像数据,从多个尺度探讨了近20年南京都市圈区域生态用地景观格局时空演变情况。都市圈尺度上,区域生态用地规模呈先降后升、总体减少趋势,其中水域和草地规模减少,破碎化加剧,林地规模增加,景观优势度提升。加强水域与草地的保护是南京都市圈未来发展过程中关注的重点。城市尺度上,各城市区域生态用地规模的时间变化特征与都市圈基本一致,但景观格局变化表现出较大差异。宣城的区域生态用地景观格局趋向优化;扬州、常州则表现为整合;南京、镇江、滁州小型区域生态用地破碎化明显;淮安、马鞍山、芜湖整体破碎化加剧。建议重点规范淮安、马鞍山、芜湖三市的区域生态用地开发建设行为,有利于快速提升圈域生态用地的连通性。区县尺度上,约半数以上区县的区域生态用地总规模下降,其中盱眙县、郎溪县和广德市区域生态用地破碎化显著加剧。区县是实施和落实国土空间规划、生态空间规划的核心尺度,各区县应因地制宜,根据各自演变特点制定相应的生态保护措施。