快速城市化进程中城市扩张对景观格局分异特征的影响

1、生态环境学报 2011, 20(1: 7-12 Ecology and Environmental Sciences E-mail: editor基金项目:国家“十一五”科技支撑计划课题(2008BAJ10B02作者简介:韦薇(1984年生,女,博士研究生,主要从事景观生态学方面研究。E-mail: princessya*通信作者:张银龙(1963年生,男,教授,博士生导师,主要从事环境生态学方面研究。E-mail: yinlongzhang 收稿日期:2010-12-12快速城市化进程中城市扩张对景观格局分异特征的影响韦薇1,张银龙1*,赵兵2,王浩21. 南京林业大学森林资环与环境学院,江

2、苏 南京 210037;2. 南京林业大学风景园林学院,江苏 南京 210037摘要:在中国快速城市化背景下,大部分研究仅是单一的利用景观指数分析城市景观格局,往往只侧重于对景观斑块或格局的几何特征进行简单分析和描述,忽略了城市扩张与城乡景观格局动态变化过程之间的内部联系,研究城市扩张与城乡景观格局动态变化过程之间的内部联系对揭示城市化规律有着重要意义。文章以江苏省昆山市(县范围为研究对象,基于全市19852008年间多期TM 影像图,在采用遥感与地理信息系统相结合的技术方法获取昆山市景观格局动态变化以及相关景观生态学指数分析的基础上,探讨城市扩张对城乡景观格局的影响。结果表明:23年间自然景

3、观类型的面积基本保持不变;人工景观面积显著增涨了4倍。斑块密度、景观斑块数量破碎度指数受人工景观类型影响基本呈上升趋势;斑块密度、景观破碎度、最大斑块、边缘密度等指数与建设用地增长之间存在明显相关性,表明城市扩张是城乡景观格局特征变化的重要驱动力。 关键词:城市化;景观格局;景观生态指标;相关性中图分类号:X21 文献标志码:A 文章编号:1674-5906(201101-0007-06随着我国城市化进程的快速发展,建筑、交通等人工景观用地规模不断扩大,城市人工景观特征逐步向城市外围自然及半自然景观渗透,正是快速城市化地区显著的景观动态变化特色1。目前,对城市化过程中土地扩展研究主要有3类方法

4、。其中,最主要的是基于RS 与GIS 技术分析城市空间扩展监测法,主要是利用遥感影像等信息资源,基于GIS 技术和单元自动演化方法等对城市扩张进行监测,并探讨城市扩张发展趋势等2-4。而针对城市人工景观扩展对城乡整体景观格局影响的研究并不深入,因为城市景观格局的变化受经济、人口、政策等多方面的影响,相关研究的重点大都放在这些外界影响因素上,忽略了城市扩张本身对城市的空间结构的影响5-8。其次,城市空间发展模式研究主要基于历史和现状总结得出,按主导因子法、几何形态法划分法等模式将城市划分为不同扩展模式,并通过综合性研究探讨城市空间扩展驱动力等9-11。此外,城市扩展模型分析法利用CA(Cellu

5、lar Automata,SD(System Dynamics等系统模型对城市扩展与经济发展、环境保护关系进行分析研究。同时,相关研究对象都集中在北京、上海、广州等特大型城市12-16,缺乏对中小型城市空间扩展的相关定量研究分析,在城市扩张研究中的新方法与新技术的研究与应用也是在当今快速城市化进程下需要解决的重要内容。昆山市(120°4821121°0904E 、31°063431°3236N ,地处江苏省东部、紧邻上海,属我国东部沿海经济发达区,2009年实现地区生产总值高居全国各县(县级市之首,是我国经济发展和城市化进程最快速的中小型城市之一。目前龙

6、花楼、丁日成等人已经对昆山市早期土地利用变化进行分析,并对城市空间发展现状及其增长动力进行了一定的研究17-18,但缺乏城乡一体化背景下对城市扩张与城市空间格局变化之间内在联系的探索。研究城市扩张对城市景观格局的影响,也是在看似简单无序的斑块镶嵌的景观上,发现潜在的有意义的规律性及其形成机制,对认识城乡景观格局的演变规律以及统筹城乡的协调发展有十分重要的意义19。本研究以江苏省昆山市为研究对象,在传统利用RS 与GIS 技术监测法的基础上提取、分析出昆山市19852008年23年间城乡景观格局变化以及城市扩展情况,并在两者间找寻其内在的联系性,从而探讨昆山城市化对城乡景观格局的影响情况。中小型

7、城市与特大城市在城市扩展的模式以及内部结构的关联性上存在一定的差别,但相关学者对我国城市扩张相关研究多集中于特大城市,而针对快速城市化的中小型城镇的定量研究较少,因而本研究选取昆山市作为研究区域具有一定的现实意义。1 材料与方法本研究采用Landsat 遥感数据TM 影像图,获取时间分别为1985、1995、2000、2004、2008年,成像时间分别为46月间(其中1985年和1995年两期8 生态环境学报 第20卷第1期(2011年1月1100000昆山市土地利用/覆盖(LUCC数据来源于中国科学院资源环境数据库。运用遥感图像处理软件Envi 4.0对遥感影像进行坐标变化、几何校正、影像增

8、强等数据预处理工作。采取计算机监督分类与人工实地调查相结合的方法,并在ArcGIS 9.0工作平台之上进行人工交互解译, 根据研究目的以及研究区域的特点将景观类型划分为人工景观(城镇居住区、农村居民点、工商交通用地、半自然景观(绿地景观、农业用地、人工水域、自然景观(林地、自然水体3大形式8类用地20-21。由于 城市扩张过程中景观格局的变化主要表现为景观破碎以及各类用地的扩散-集聚现象,因而将研究区域进行网格化划分(每个网格大小为1 km×1 km ,这样整个研究区域就可以被划分为26×36个网格,对每个网格分别计算其人工景观用地的扩张比率,从而得到1985年到2008年

9、间,各时间点城市扩张量的变化情况。再通过Fragstate 3.3与Image Analyzer 1.0景观生态指数分析软件,对研究区23年间多项景观生态指数进行分析(表1。最后对各项景观指标值与相对应的平均城市扩展量进行回归分析,探 讨它们之间的相关性。2 结果分析2.1 景观特征分析通过对1985、1995、2000、2004、2008年昆山市景观类型及面积变化的统计分析得出:以城镇居住区、农村居民点、工商交通用地等建设用地组成的人工景观类型主要由中部核心区向外辐射性扩展且面积增幅最大,由1985年占总面积的5.67%增加到2008年的30.64%(表2;绿地、人工水 域、农业用地等半自然

10、的景观类型占主要部分,且呈现递减的趋势,由86.52%减少到61.39%;林地、自然水域构成的自然景观类型占较小比例,在这23 a 间的面积变化基本保持稳定不变。一定程度上反映出,在自然景观较好的保护与被修复的情况下,半自然景观向人工建设用地转变,建设用地呈不断增长扩张的状态(下页图1和本页图2。23年间,城市斑块密度(PD与景观斑块数量破碎度指数(FN逐年加剧(表3,景观破碎化程度呈上升趋势,表明昆山市域景观演化过程中人为干扰强度的不断加大。最大斑块面积指数(LPI的下降,可以反映出耕地景观作为城镇主要景观类型的主导表2 人工-自然景观类型面积变化Table 2 Changes of Art

11、ificial - natural landscape area km 2景观类型 1985年 1995年 2000年 2004年 2008年人工景观 52.56 93.08 157.26 192.57 284.32 半自然景观 802.62 760.02 696.35 661.56 569.46 自然景观 72.4 74.49 74.07 73.55 73.9 合计 927.58 927.59 927.68 927.68 927.68表1 本研究所选用的景观生态指数说明Table 1 Explanation of landscape ecology index in this study名称

12、公式意义说明斑块密度指数 PDN f /A 比值愈大破碎化程度愈高,可比较不同类型景观的破碎化程度及整个景观的破碎化状况。N f 为某景观斑块类型的斑块数目;A 为该景观类型面积。景观斑块数量 破碎度指数FN=MPS(N f -1/N cFN 是指景观被分割的破碎程度,反映景观空间结构的复杂性。FN (0,1,0表示景观完全未被破坏,1表示景观被完全破坏。N f 为景观斑块总数,N c 为研究区的总面积与最小斑块面积的比值;MPS 为整个景观的平均斑块面积。边缘密度指数 ED =H /A 密度越大,表示斑块与外界物质能量的交换程度越高,斑块内部就越稳定。 H 表示不同斑块间的公共边长;A 为该

13、景观类型面积。最大斑块面积指数LPI =max a ij /A ×100% a ij 为斑块ij 的面积,A 为总景观面积。景观中最大斑块面积所占总面积的百分比。景观分离度指数FI FI 是指某一景观中不同斑块个体空间分布的离散(或集聚 程度。式中分离度用来分析景观要素的空间分布特征,分离度越大,表示斑块越离散,斑块之间距越大。FI 为景观类型i 的分离度指数,A 为研究区总面积,A i 为景观类型i 的面积,n 为景观类型i 的斑块数。表3 1985-2008年昆山市景观生态指标分析 Tab 3 Analysis of landscape ecological indicators

14、from 1985 to 2008 in Kunshan指数/年份斑块密度指数PD景观破碎度指数FN 最大斑块面积指数LPI(%边缘密度指数ED 景观分离度指数FI19850.7406 0.0369 2.7391 0.0340 10.46401995 1.2924 0.0472 2.0393 0.0200 7.08172000 1.8734 0.0608 1.6196 0.0220 5.94132004 2.3435 0.0843 1.6041 0.0170 6.177220083.3082 0.1715 1.6032 0.0120 5.76340%20%40%60%80%100%198519

15、95200020042008图2 近20年昆山市人工-自然景观面积变化 Fig.2 20 years Artificial-natural landscape change in Kunshan面积比例韦薇等:快速城市化进程中城市扩张对景观格局分异特征的影响 9 地位正在弱化。边缘密度(ED整体处于下降趋势,但人工景观类型基本处于稳定状态。自然景观类型的景观分离度(FI的增加,说明自然景观斑块呈离散的状态。林地景观自然衰退或遭破坏后会断转化为其它景观类型,同类型斑块分散程度就降低。而在快速城市化这一背景下,人工景观的斑块逐步呈集聚状的发展趋势。城镇居住区与农村居民点的不断增加,受可开发利用土地

16、资源量的限制,斑块之间距离缩进,其景观分离度也成下降趋势。 2.2 斑块密度与城市扩张量相关性分析图3显示的是城市斑块密度指数与城市扩张量之间的线性相关性。由图可见,利用简单的直线方程可较好的表达两者的相关性,且二次方程式结果与直线方程一样也有很好的拟合性,两组方程式R 2均大于0.99。说明斑块密度的变化水平对非人工景观向建设用地转化比率的影响行为具有较强的普遍意义。城市扩张量在0到0.15间,斑块密度取值在0.5至0.25间,相对较为稳定集中;当城市扩张量达到0.2到0.25时,斑块密度较高且取值在2至4间。这是因为在城市扩张的初期主要是围绕城市核心发展,到2000年以后出现了跳跃式发展。

17、 由图4可见,自然景观类型斑块密度的变化趋势基本同于城市斑块密度与城市扩张量之间的相关性。比较图3与图4中的线性方程,可以看出城市景观斑块密度的倾斜度11.117大于自然景观的6.202,说明城市自然景观类型的斑块密度破碎化程度及速率要小于城市整体斑块密度破碎化趋势。通过比较自然与城市整体两次方程式可以看出,城市斑块密度方程式系数k 为-10.261,函数式呈上升状反映出城市斑块密度开始呈稳步上升趋势且到接近高点时呈快速上升趋势,经过最高点后则呈下降趋势,说明目前城市斑块密度还处于逐步增加的过程,但当城市扩张量接近顶点坐标(-b /2a =0.65时,斑块破碎度则呈下降趋势;自然景观类型的斑块

18、密度系数k 为25.228,函数式也呈上升状反映出自然景图3 昆山市1985-2008年城市斑块密度与城市扩张量相关性Fig.3 Correlation of patch density and built-up expansion from 1985 to 2008 in Kunshan图1 1985年-2008年昆山市域景观类型分布图Fig.1 The map of landscape types in Kunshan City from 1985 to 200810 生态环境学报 第20卷第1期(2011年1月 观斑块密度、破碎化程度呈增长趋势。2.3 自然斑块破碎度与城市扩张量相关性分

19、析景观破碎度能反映出景观被破碎分割的程度。城市整体景观破碎度逐年增加,从1985年的0.0369增加到2004年的0.0843,但在2004年到2008年这4年间,城市斑块自然景观类型FN 值急速增加到0.1715。主要是由于城市建设的快速发展,城市中各种景观类型的相互渗入以及小斑块的聚集、合并。在城市化的发展过程中,对自然景观类型的合理利用与保护是尤为重要的。在图5中R 2均低于0.9,说明城市扩张量与自然景斑块破碎度相关性不高,且反映出昆山1985至2008年间自然景观斑块破碎程度不高,区间范围在0.003到0.006之间。当城市扩张量在0到0.15的区间内FN 呈上升趋势且最高值达0.0

20、06,反映出随着城市建设的扩展,城市自然资源也同样受到影响,破碎程度逐年增加。当城市扩张量达到0.2时,自然景观破碎度表现出下降趋势,反映出在城市化快速发展的过程中,对自然资源、自然环境通过人工干预、人工恢复等途径起到了积极的作用。如对林地的人工恢复与保护措施、拆除 人工侵占湖泊水域的围堰等,加强了相关的陆地生态系统与水生态系统等生态恢复工作,因而增加了自然水面、林地等斑块的完整性。2.4 人工景观最大斑块指数与城市扩张量相关性分析图6显示的人工景观最大斑块指标与城市扩张量之间的相关性。分析发现其与城市增长量的线性与二次相关性函数式的R 2分别为0.9337、0.9849。二次相关性要高于简单

21、的线性关性。在二次函数式中曲线弧顶值为城市最大斑块指标与城市扩张量关系变化的转折点,当城市扩张量指标值大于弧顶值时(0.261,人工景观即建筑用地斑块最大值随建设用地扩张量增大而增大,当城市扩张量小于弧顶值时,情况相反。说明在一定时间范围内城市增长更加破碎化,新增建设用地的凝聚程度不断降低,但随城市建设的发展,人工最大景观斑块又会成增大的趋向。2.5 景观分离度、边缘密度指数与城市扩张量相关性分析景观分离度指数是指斑块个体空间分布的离散(或集聚程度,由图7(a可见,随着城市扩张量的增加城市景观分离度呈下降趋势,表示各类斑块之间的距离越来越来越小,斑块越聚集。人工景观在快速城市化这一背景下,景观

22、类型数量增加距离趋近,这是因为近二十年来昆山市二三产业的大力发展,农业等景观类型逐步向工商业及交通用地转图5 昆山市1985-2008年自然景观斑块破碎度与城市扩张量相关性Fig.5 Correlation of natural landscape patch fragmentation and built-up expansion from 1985 to 2008 in Kunshan图4 昆山市1985-2008年自然景观斑块密度与城市扩张量相关性Fig.4Correlation of natural landscape patch density and built-up expans

23、ion from 1985 to 2008 in Kunshan韦薇等:快速城市化进程中城市扩张对景观格局分异特征的影响 11 变,新的建设用地主要在原有的基础上向附近扩张。城镇居住区与农村居民点的不断增加,受可开发利用土地资源量的限制,斑块之间距离缩进,其景观分离度也成下降的趋势。林地等景观自然衰退或遭破坏后会断转化为其它景观类型,同类型斑块分散程度亦降低。由图7(b可见城市边缘密度与其扩张量具有一定的二次相关性。当城市扩张量增加时,城市边缘密度指数呈下降趋势,边缘密度指数密度越小,表示斑块与外界物质能量的交换程度越低,斑块内部就越不稳定。其中,人工景观类型却逐步趋于稳定状态。这反映了城市化

24、过程中工商业及交通用地的不断扩展且不断趋于最为稳定的景观结构,而农业用地及自然景观类型的ED 呈下降趋势,正体现农业生态系统和自然生态系统会向城市生态系统的转化。3 结论与讨论从1985年到2008年,昆山市域范围的半自然景观向人工景观、农田生态系统向城市生态系统逐年快速转变,主要表现在农业景观面积的大幅减少、工商业及交通用地的集聚增加,各景观类型的破碎度增加,分离度减小。城市人工景观面积由1985到2008年增长约5.41倍,城市扩张量由5.67%增长到30.65%;斑块密度指数增幅约4.47倍、景观破碎度指数增幅达4.65倍;最大斑块面积指数、边缘密度指数、景观分离度指数呈下降趋势,变幅分

25、别为41.47%、64.71%、44.92%。这一系列的较大变幅反映出由于城市人口的增长,城市建设的大规模发展,人工建筑以及生活设施的不断扩张,无序化的人类活动,使得城乡景观完整与连续性遭到破坏,产生诸多矛盾。研究还从探讨城市景观格局所反映的城市土地利用的空间结构对城市扩张影响出发,分析了多种景观指标与城市扩张相关性。研究发现景观格局指标中的斑块密度、景观破碎度、最大斑块、边缘密度等指标与建设用地增长之间存在明显相关性,其决定性系数R 2值分别达0.9945、0.9920、0.8616、0.9849、0.9654,其中斑块密度与城市扩张量的二次函数式决定性系数R 2高达0.9984,表明城市化

26、过程对城市景观格局的改变是一个重要驱动力。如何在城市化过程中保留良好的景观格局,这将是未来中小城市规划建设面临的重要挑战。本研究的结果表明,在一定的时间范围内可通过相关数据拟合数学函数了解随城市化发展过程中城乡景观格局变化的相应规律,从而为城市生态安全格局研究及规划提供参考依据,这无疑也可为今后探讨城市化过程中建设用地扩张机制研究提供一系列重要的线索。参考文献:1 谈明洪, 李秀彬, 吕昌河. 我国城市用地扩张的驱动力分析J. 经济地理, 2003, 23(5: 635-639.TAN Minghong, LI Xiubin, LIU Changhe. An analysis of drivi

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28、pansion from 1985 to 2008 in Kunshan图7 昆山市1985-2008年(a景观分离度(b边缘密度与城市扩张量相关性Fig.7 Correlation of (a landscape isolation (b edge density and built-up expansion from 1985 to 2008 in Kunshan12 ing multi-temporal TM imageJ. Remote Sensing Information, 2009, 3: 49-53. 刘盛和, 吴传钧, 沈洪泉. 基于GIS的北京城市土地利用扩展模式 J. 地

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