（生态学专业论文）重庆市主城区景观动态及格局特征分析.pdf

摘要 重庆市主城区景观动态及格局特征分析 生态学专业硕士研究生熊春妮 指导教师魏虹教授 摘要 城市化正对当今世界产生深刻的影响，中国的城市化已经进入加速发展时期。中国的城市 生态面临着严峻的挑战，城市景观受到越来越多的关注。重庆是长江中上游的经济、文化、 交通中心，自1 9 9 7 年设立直辖市以来，经济飞速发展，城市面貌日新月异，城市景观发生了 巨大的变化，以其主城区尤为明显。重庆市以建造“山水园林城市”为城市规划目标，城市绿地 既是解决城市生态环境问题的手段，也是城市建设的目标。 本文以重庆市主城区为研究对象，利用1 9 9 5 年和2 0 0 2 年两年的土地利用图，在g i s 软 件中进行重新分类，并且分别提取出城镇景观、非城镇景观、绿地景观。首先比较了直辖前 后主城区景观、城镇景观、非城镇景观、绿地景观的动态变化，分析城市化对主城区的影响。 然后在多个粒度下分析主城区景观、城镇景观、非城镇景观、绿地景观的格局特征，探讨各 个景观的粒度变化规律。利用移动步长法，在不同的幅度下分析了主城区景观的空间异质性。 最后，选用多个连通性指数分析主城区绿地景观的连通性，比较各指数的优劣，并且分析绿 地景观中的斑块对其连通性的重要性，找出对连通性最关键的斑块。主要得到以下结果： ( 1 ) 8 年间，主城区景观整体变化很小，但城镇景观变化较大。城镇景观变得简单、紧 凑、均匀。主城区景观的变化是由城镇景观引起。但城镇景观的面积占主城区比例较小，因 此对整体景观特征影响较弱。绿地景观几乎无变化，相对城镇景观的迅速增长，绿地建设已 经滞后，需要加强建设。 ( 2 ) 城镇景观、非城镇景观、主城区景观、绿地景观的粒度效应不尽相同。其中，非城 镇景观与主城区景观粒度效应一致，绿地景观与其它三类景观粒度效应差异较大。城镇景观、 非城镇景观、主城区景观在1 2 0 m 之前变化不大，绿地景观在2 4 0 m 出现明显的转折。 ( 3 ) 幅度变化影响着主城区景观格局特征空问异质性的表现。随着幅度增大，斑块密度、 分维数和多样性指数的最大值减少，聚集度指数的最小值增大。其中，斑块密度受幅度影响 最大。各指数最大值域由点状逐渐扩大为面状。在l k m 的小幅度下，可以发现主城区斑块密 度最高、多样性最高、聚集度最差、分维数最大的小范围区域。在4 k m 的分析幅度下，则能 较真实反映主城区的异质性全貌。 两南大学硕f j 学位论文 ( 4 ) 最大斑块密度在小幅度下分布于九龙坡区南部和北碚区东北部，在大幅度下位于沙 坪坝区和巴南区东南部。分维数最大的区域在巴南区的两北部和九龙坡区的南部、渝北区的 北部，说明这些地方斑块最不规则，景观复杂。聚集度最大的区域在巴南区和渝北区，主要 的士地利用类型是农业用地。多样性指数最高的区域分布于两江沿岸，土地利用类型主要是 城镇用地，但同时也有水体、绿地、农业用地，景观结构复杂。 ( 5 ) 通过连通性指数的比较，发现c o h e s i o n 、c o m 姬c t 、i i c 、p c 4 个指数值能反映 绿地景观连通性的实际状况。尤其是i i c 、p c ，具有可以实际应用等优越性。指数计算的结果 说明重庆市主城区绿地景观连通性较差。 ( 6 ) 重庆市主城区绿地景观主要由少数巨型斑块和大量小型斑块组成。巨型斑块之间相 互分离，小斑块分散。重庆市主城区的绿地景观连通性较差与景观组成密切相关。对于绿地 景观的连通性而言，巨型斑块的重要性最大，但是小型斑块的重要性也不容忽视。 ( 7 ) 对绿地景观连通性重要值最大的斑块主要分布于主城区的几大山脉上，具有较好的 生态系统服务功能。因此，在进行绿地规划时，首先要保护重要斑块，同时要考虑在巨型斑 块之间构建小斑块，形成连通性廊道。 关键词：尺度效应景观动态城市绿地连通性重庆 t h e a n a l y s i so fl a n d a c a p ed y n a m i c s a n d d a t t e r nc h a r a c t e r i s t i ci nt h em e t r o d o l i t a n 1 r e g i o no fc h o n g q i n gc i t y p o s t g r a d u a t e ：x i o n gc h u n n i s u p e r v i s o r ：p i d fw b ih o n g a b s t r a c t u r b 卸【i z a t i o nl l a sp r o f o u l 】u d l y 劬_ i l s f o 加舱d 舳t l i r a ll a n d s c a p e sm r o u g l l o 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c a l ee 髓c tl a l l d s c a p ed y l l a i i l i c sg | e i l l 锄dl 锄d s c a p ec o 加e c t i v 时c h o n g q i n g v 独创性声明 学位论文题目：一重廛立圭遮区量理边态丞整屋挂征佥盘 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。论文中引用他人已经发表或出版过的研究成果，文中己加了 特别标注町对本研究及学位论文撰写曾做出贡献的老师、朋友、同仁 在文中作了明确说明并表示衷心感谢。 学位论文作者：仍荡妣签字日期：瑚年年月纠 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生院( 筹) 可以将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：口不保密，口 保密期限至年月止) 。 学位论文作者签名：似嚣玩 签字日期：矽多年4 月j 日 导师签名：熬愚 签字日期：矽莎年孑月日 两南人学坝卜肇付论义 参考依据，也为城市化对山地城市景观格局影响的研究提供范例。 重庆市独特的地貌使主城区中保留有人面积的人工林和次生林，其城市绿地以自然生态 系统为主。城市化不可避免的对城市绿地格局造成影响，对绿地景观格局的动态分析是研究 这种影响的基础。城市绿地作为改善城市环境的重要组成，其格局与生态过程密切相关，而 连通性是与功能相联系的最重要格局特征之一。对重庆主城区城市绿地景观连通性的研究为 合理规划重庆市城市绿地的建设提供实践依据，为重庆兴建山水园林城市提供了理论指导。 1 2 研究进展综述 1 2 1 城市化研究进展 城市化是2 0 世纪最重要的社会经济现象之一。目前，国内外关于城市化的定义尚未统一， 各专业学者从不同的角度出发分别有不同的理解。中国大百科全书将城市化定义为：“城市 化通常是指人口向城市地域集中和乡村地域转化为城市地域的过程”。作为全球范围内的社会 现象，城市化引起全人类的普遍关注。城市化问题一直是社会科学家关注的重点领域，人们 对城市化过程中的社会变迁、人口迁移、生活方式转变、经济活动的聚集规模、生长经营方 式的转变，以及社会结构、组织和文化的变迁等进行了较深入的研究。随着城市化进程不断 推进，环境问题日益突出。自从提出并实施全球可持续发展战略之后，对城市化的研究重点 逐渐转移到城市环境及城市化的环境影响上来。 城市中人类经济活动十分频繁、工业发展迅速，城市化对植被、土壤、大气等自然环境 影响甚大，一直备受关注。w 1 l i t e 和c b e r 通过调查美国加利福尼亚l 0 sp e n a s q u i t o s 溪水流速度 及流量特征和河岸植被种群，研究了城市化对水文和河岸植被的影响【5 】。近年来，城市化对水 污染的影响增加了对城市水体非点源污染的研究。国际上主要侧重于用模型来描述城市化对 城市非点源污染过程的影响，模拟预测非点源污染物的负荷等嘲。以美国纽约市的“城市一郊 区一农区”森林生态样带为基础，张金屯、p o u y a t 等研究了城市化对森林土壤重金属含量、森 林景观等的影响，并分析各种因子与变化之间的关系。发现随着距市中心距离的加大，森林 植被的类型、种类组成及结构有明显的不同；土壤重金属含量逐渐降低，这些变化与交通密 度、道路密度、人口密度以及城市土地利用率有显著的相关性【7 】。许多研究者认为改变自然环 境是引起大多数当地物种快速减少和灭绝最主要的驱动力之一。有关城市化对生物多样性的 影响和保护对策，国外开展了较多的基础理论研究【8 】，而我国9 l l l 缺乏相应的研究。 除群落学方法，许多研究者将景观生态学的原理和方法用于城市化对生态环境影响的研 究，从景观空间格局的角度分析了城市化带来的影响。h m 等以曼谷为例，研究了河口三角洲 大城市边缘原来的农业用地在城市化过程中迅速转化为城市住宅区，引起许多生态环境问题， 城市发展速度需要控制例。张涛等报道了城市化过程中余杭市森林景观空间格局的变化【1 0 1 ，章 家恩等报道了城市化过程中广州市白云区农业用地景观格局的变化1 1 1 1 ，曾辉等报道了深圳市 2 第1 币前哥 龙华地区城市化过程中农业川地和林地结构与异质性【l2 1 。但更多的是关于城市土地利用以及 城市景观格局变化的研究。 城市土地利用和城市景观格局的变化是城市化的具体体现。对城市景观格局的研究也可 以反映城市化过程的特征，城市发展方向等。m u r a k a i l l i 等对亚洲雅加达、曼谷、马尼拉等百 万人口的大城市城市化和土地利用格局的变化趋势进行了分析【1 3 】。我国的广州、深圳、北京、 上海等城市化开始较早，规模较人，城市化的影响研究也较多。郭乐等研究了1 9 8 5 年至2 0 0 0 年广州市景观格局的时空变化，分析各个区不同的城市化过程【l4 1 。王辉等研究了利用梯度分 析方法研究了城市化对平凉市景观格局的影响，研究发现人类活动对平凉市景观的影响依赖 于土地利用格局和土地利用类型l l5 1 。面对快速进行的城市化，研究者提出了对城市化地区进 行景观生态优化调控。基于城市景观生态调控方法，通过城市景观生态规划、城市景观生态 工程和城市景观生态管理，提出优化景观生态调控，改善、优化景观生态，避免景观破碎与 退化和生态环境恶化【1 6 】。在这些研究中，对景观格局的进行定量分析是基础内容和首要工作。 1 2 2 景观格局定量分析 1 2 2 1 景观格局及其分析方法 景观生态中格局是指空间格局，包括景观组成单元的类型、数目以及空间分布与配置1 1 7 1 。 景观格局分析是景观生态学的基础研究内容，通过描述这些单元的组合及结构特征，可以对 景观格局进行分析和量化。景观格局决定着生态过程，因此景观格局分析是研究生态过程的 基础，也是研究格局与过程之间的相互作用、相互影响的机理的第一步。 景观格局的定量分析主要包括景观指数法和空间统计学方法两大类。景观指数是指能够高 度浓缩景观格局信息，反映其结构组成和空间配置某些方面特征的简单定量指标。景观格局 特征可以在3 个层次上分析，对应的景观指数有三个水平，即斑块水平、类型水平以及景观 水平。空间统计学的目的是描述事物在空间上的分布特征( 如随机的、聚集的或有规则的) ， 以及确定空间自相关关系是否对这些格局有重要影响。空间统计学方法包括空间自相关分析、 趋势面分析、谱分析、半方差分析以及趾百n g 空间插值法等多种方法。相比较而言，景观指 数法是更简便的方法，也是目前景观生态学中使用最广泛的方法。随着景观指数的使用和发 展，许多景观格局分析软件被开发出来，包括f 罾队g s t a t s ，船a c k ，s i m m a p ，p a t c h a n a l v s t 等。其中应用最广泛的是马萨诸塞大学m c g 州g a l 等人制作的f r a g s t a t s 软件。这些软件的 广泛应用，大大简化了景观指数的计算，使其更方便地应用于景观格局分析。 1 2 2 2 景观格局研究内容 景观格局的研究内容十分广泛，包括农业景观、森林景观、荒漠景观、自然保护区等多 3 两南人学硕i 。学位论文 种自然景观以及城市景观地格局分析等。目前，仅对景观格局进行单一研究已经成为历史。 近年来国际上一直关注景观格局与生态过程、生态功能的耦合，尤其景观格局在各种干扰下 对生物种群动态、生态系统能流等方面的影响。s e l i i l g e r 等研究了法国东北部两个洪水冲积平 原草场的景观格局与植物种群结构，探讨洪水频率和农业压力对两个草场植物种群多样性和 景观多样性的影响 1 8 j 。b u e 哂利用景观生态原理和方法，研究了瑞士西南部低地的1 9 世纪和2 0 世纪的森林开发和森林利用管理的历史，划分了森林发展三个时期【l9 1 。s a v e m i d 等利用遥感、 景观、生境数据，在美国蒙大拿、怀俄明州草原，比较对1 1 种鸟类出现的预测的准确度【2 0 】。 由于国内景观生态起步较晚，景观格局分析仍然是主要研究内容之一。最常用的模式是， 利用卫星影像图或航空照片为基础，结合遥感和地理信息系统软件进行解译，得到矢量或栅 格的景观类型图，在景观格局分析软件中选取一些景观指数，对某一景观进行定量分析。通 过指数值来反映景观格局特征及变化。角嫒梅等研究了干旱区绿洲景观格局的特点，对金塔 县干旱区农业绿洲景观格局进行了分析f 2 。唐礼俊利用景观多样性、优势度、均匀度、破碎 度、分离度等景观指数对余山风景区景观空间格局进行了探i ：寸【2 2 1 。余世孝等对山东泰山风景 区景观结构变化及其分形进行了分析【2 3 】。刘红玉等对三江平原湿地景观结构及其5 0 年来的时 空变化进行了研究【2 4 】。曾辉等对卧龙自然保护区景观结构受人类活动影响进行了研究，发现 水电站和居民点对其影响最大1 2 5 1 。 从现有的报道来看，自然景观仍然是景观生态研究的主要对象。但随着全球变化的加剧， 环境问题日益突出，尤其是城市环境的恶化，城市景观引起了普遍的关注。城市生态的研究 迅速增加，城市景观也成为景观生态学的研究热点之一，对城市景观格局的研究成果显著增 加。景观格局分析已经成为城市生态学研究的重要手段之一，城市景观生态学也成为城市生 态学的一个重要分支。目前，城市景观方面的研究仍然以空间格局分析为主，但研究者已经 越来越关注空间格局与生态过程的联系。 t 哪盯最早分析了城市景观格局的变化【2 6 】。j e l l e 他仕e 和w u 等人对美国风凰城1 9 1 2 年 至1 9 9 5 年格局变化做了深入研究，发现8 3 年间城市区域呈指数增长，且与同时期的人口规 模相关。在分析美国凤凰城土地利用格局变化的基础上，利用马尔柯夫细胞自动机模型模拟 了这一变化过程【2 刀。l u c k 等人利用梯度分析方法研究了美国凤凰城城市景观格局的梯度变化 规律，展现城市化对景观格局的影响，结果发现城市景观格局有明显的梯度变化规律【2 引。a n 缸叩 对西欧城郊城市化的格局变化进行了研列2 9 1 。d i b 撕以美国亚利桑那州图森市为例，分析了 城市化对景观结构的影响，并且评价了5 个衡量这种影响的指数的优劣。w 醯g 对美国威斯 康星州d 0 n e 市景观格局受城市化影响的时空动态进行了研究【3 。y u 在中国广州中心城区切 取两条“城市一乡村”样带，对城市扩张的时空动态进行研究【3 2 】。 国内最早的城市景观格局异质性方面的研究是肖笃宁等对沈阳市的景观格局进行的全面 分析，首先提出了景观指数适合城市景观格局分析【3 3 】。之后，田光进等对海口市1 9 8 6 年至2 0 0 0 年间景观变化情况进行了分析，利用破碎度、分离度、多样性指数、孔隙度等指数描述了景 4 筇l 帝前i 市绿地具有多种功能，能够提供各项生态系统服务。城市绿地一直备受关注，而且关于城市 绿地生态环境功能的研究逐渐增加。城市绿地景观是城市景观研究不可或缺的部分。 1 2 3 1 城市绿地的定义 虽然目前有许多关于城市绿地的研究报道，但城市绿地的定义尚未统一。吴人韦认为绿 地是城市建成区或规划区范围内覆有人工或自然植被的用地【6 2 1 。车生泉认为绿地是城市的一 种景观，城市绿地是城市中保持自然景观，或自然景观得到恢复的地域，是城市自然景观和 人文景观的综合体现，是城市中最能体现生态性的生态空间，是构成城市景观的重要组成部 分【6 3 】。j i i l l 等认为城市绿地可以定义为具有一定数量植被，主要以半自然状态存在的户外空间 州。国外把城市绿地称为开敞空间，但开敝空间的定义也有所差异。a - u g e s t h e c k s c h e r 把美国 开敞空间定义为：“城市内一些保持自然景观的地域，或者自然景观得到恢复的地域，也就是 游憩地、保护地、风景区或者为调节城市建设而预留下来的土地，城市中尚未建设的土地并 不主城开敞空间，城市绿地具有娱乐价值、自然资源保护价值、历史文化价值、风景价值”【6 5 1 。 目前，我国对城市绿地最典型的定义是指城市中以绿化为主的各级公园、庭院、小游园、 街头绿地、道路绿地、居住区绿地、专用绿地、风景区绿地、生产防护绿地等。这个定义等 同于园林规划中城市园林绿地的概念。作者认为从生态系统服务的角度出发，城市绿地应该 是能提供净化空气，改善环境等生态功能和满足审美、休憩等需求的一类景观。本论文中研 究的城市绿地接近于a u g e s th e c k s c h e r 定义中的开敞空间。 1 2 3 2 城市绿地的景观格局分析 城市绿地景观格局及变化反映了人类活动和自然环境等多种因素的共同作用，同时对城 市生态环境、资源利用效率、居民社会生活及经济发展产生多种影响，因此对城市绿地景观 格局的变化及驱动机制的研究是城市景观生态研究的重点，也是城市景观生态规划的基础。 进入2 1 世纪以来，许多研究者开展了城市绿地景观格局方面的研究。郑淑颖等利用斑块密度 指数、廊道密度指数、斑块破碎化指数分析广州城市植被斑块的格局f 6 6 j 。高峻等人通过建立 上海绿化景观地理信息系统，将不同大小面积的绿色斑块分为四类，对上海城市绿地景观格 局进行分析嘲。何兴元等对沈阳城区绿地生态系统景观结构与异质性分析，并对沈阳的绿地 系统建设提出了建议【6 舯。肖荣波等从物种丰富度、群落结构、绿地类型斑块特征、景观异质 性等方面对武钢工业区绿地景观格局进行分析，并运用主成分分析法针对不同功能区的绿地 做了综合评价例。周志翔，邵天一等对武钢厂区绿地景观的空间结构及滞尘效应进行了研究， 结果体现了武钢厂区典型的工业区绿化特点【。周志翔，邵天一等人还对宜昌城区绿地景观 格局及其环境效应进行了研究【7 。周廷刚等人对宁波市城市绿地景观空间结构进行分析，按 宁波市行政单元进行了综合评价1 7 2 1 。尹海伟等采用梯度分析和景观指标相结合的方法，对济 7 p q 雨人掌坝 - j 1 、 ，沦_ 艾 南市城市绿地的时空变化进行分析7 3 1 。 这些对城市绿地景观格局的研究或多或少都是与绿地的功能相结合，或者是为城市绿地 规划提出意见或建议。欧阳志云等探讨了北京绿化隔离带的功能，提出了北京绿化隔离带的 总体结构，景观格局与生态规划控制指标7 4 j 。李锋、王如松以扬州市为例，对城市绿地系统 的生态服务功能评价、规划与预测进行了探讨7 5 1 。吴丽娟等就北京城市绿地系统景观斑块的 等级与分布、空间结构的度量进行了研究【7 6 1 。 1 2 3 3 城市绿地格局与过程 城市绿地的生态功能很早就引起了生态学者的关注。研究者十分重视对城市绿地景观格 局的分析，但更关注城市绿地生态功能以及格局与功能的相互作用。城市绿地具有减轻城市 热岛效应、净化空气、保护生物多样性、防止水土流失、提供休闲娱乐场所、减轻城市人的 压力、影响房屋价格等重要作用。 陈芳，周志翔等人以武汉钢铁公司厂区绿地为对象，以城市绿地固定二氧化碳、释放氧 气、蒸腾吸热、减少污染物、滞尘、减噪等6 项生态服务功能作为城市工业区生态效益计量 评价的指标，对厂区绿地生态服务功能进行了定量研刭丌】。c l 姗gc h ir u 等人比较了台北市 不同的城市公园对热岛效应减轻程度，以证明不同公园对热岛效应的减轻程度不同，探讨公 园的特征是否与之相关【7 射。j i i l l 经研究提出在香港城市中通过选择行道树的种类来保持本土树 种的多样性f 聊。j u e 碴饥h b r e l l s t e 提出在城市发展过程中作出规划设计以保护本土植被8 0 1 。 u gs 粕d s 缸d e m 等研究了城市绿地结构与鸟类生物多样性的关系，并且讨论维持生物多样性 生境与城市绿地其他功能之间的冲突，提出可能需要通过划分不同功能区来控制冲突【引】。 c h r i s t i i l a 等利用g i s 方法研究城市绿地是否具有为不同的人群聚集提供场所的社会潜力 暇】。l i i s at y r v a i n e n 等人利用享乐价值思想对城市绿地的价值进行评价，享乐价值思想将城市 绿地与房屋价格相联系，房屋价格与城市绿地与之的距离、绿地质量直接相关【钉l 。t 0 mb i e r k e 等人研究了城市公园的植被密度与预期的适宜休闲娱乐关系畔】。岫j o 罂m s 饥等研究发现 了绿地设施是房屋适宜居住度和其对居民满度的重要因素p 卯。 总之，城市绿地景观格局与过程研究的最终目的是增强人们对城市绿地的重视，加强城 市绿地建设规划，合理布置城市绿地，让城市绿地能更好地提供生态功能服务。 为了实现这一目标，对城市绿地的研究更倾向与对绿地景观格局与过程，绿地生态功能 的研究。连通性是衡量景观格局与过程相互作用关系的重要指标之一。在自然保护区，生境 斑块的连通性是保护生物，维持生态系统稳定的需要考虑的重要方面。在城市绿地景观中， 良好的连通性同样对其生态系统的平衡、生态功能的发挥具有重要意义。 8 第1 币前看 1 2 4 景观连通性研究进展 连通性是指景观对生态流的便利或阻碍程度8 6 1 。连通性是衡量景观格局的一个重要指标， 密切关系景观功能的实现。良好的连通性有利于动物的迁移，种子扩散以及其它的许多生态 功能的实现。保持良好的连通性是保护生物多样性和维持生态系统稳定性和整体性的关键之 一【8 7 1 。 目前，国外已经开展了许多有关景观连通性的研究。j e 姐p 卸lm e t z g e r 等根据渗透理论和 生物灭绝模型，设想并检验了连通性对生物多样性的作用是否也存在结构上的连通性阈值， 如果这个阂值存在，就可以建立连通性与生物多样性之间关系的理想模型【8 3 】。a gb 咖等在 美国北卡罗琳娜州的海湾平原试验能否将“地图思想”的方法应用于景观连通性的研究，“地图 思想主要是基于信息技术，并且与高效的网络流动相关8 9 1 。连通性研究目前主要应用于自然 保护区规划及生物多样性的保护。j a i i l i em a s o n 等提出在城郊设计连通的绿色廊道来为需要在 森林中繁殖的鸟类提供生境即l 。m m a 唱a r e tb 巧孤t 研究了在乡村和主城区的生态绿色廊道在 城市景观保护中的重要作用【9 。另外，城市绿地廊道对城市居民生活质量的影响也有所研究。 m b e 的等通过比较了m u g a l