快速城市化地區(qū)景觀生態(tài)格局演變特征分析
——以廣州市黃埔區(qū)為例

李伯華 ，郭欣欣 ，曾 燦

（1.湖南省人居環(huán)境學(xué)研究基地，湖南 衡陽 421002；2.衡陽師范學(xué)院 城市與旅游學(xué)院，湖南 衡陽 421002；3.韶山市城鄉(xiāng)規(guī)劃局，廣州 韶山 411300）

0 引言

20世紀(jì)90年代我國開始進(jìn)入快速城市化發(fā)展階段，城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張成為全社會(huì)廣泛關(guān)注的問題[1-3].眾多學(xué)者對(duì)城市空間擴(kuò)張模式、景觀生態(tài)用地演變特征等進(jìn)行了研究.從表面看，快速城市化現(xiàn)象主要表現(xiàn)為農(nóng)村人口往城市聚居，城市人口數(shù)量增加，但實(shí)質(zhì)上快速城市化發(fā)展對(duì)生態(tài)、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)等方面都帶來了巨大的影響.2016年末廣州市黃埔區(qū)城鎮(zhèn)化率已經(jīng)達(dá)到91.58%，高于2016年末全國、廣州市57.35%、86.06%的城鎮(zhèn)化率，在城市快速發(fā)展的同時(shí)，景觀生態(tài)格局變化問題亟待關(guān)注.

在景觀格局分析方法方面，運(yùn)用最多的是數(shù)學(xué)模型法.如劉照程等[4]通過粒度反推法計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)的核心組成結(jié)構(gòu)；馬爾柯夫通過轉(zhuǎn)移矩陣計(jì)算不同時(shí)間尺度下土地利用變化情況[5]；通過元胞自動(dòng)機(jī)景觀模擬法，將小尺度的數(shù)據(jù)模擬景觀格局放大尺度范圍反映變化規(guī)律.景觀格局指數(shù)分析法最常用的軟件為Fragstats軟件和Apack軟件[6]，從斑塊、類型、景觀3個(gè)層次出發(fā)，基于景觀相似數(shù)、斑塊、斑塊密度、分維度等58個(gè)景觀指數(shù)分析景觀格局變化情況.但目前在眾多的景觀指數(shù)中，受外界影響存在尺度干擾較大、景觀信息重疊、生態(tài)學(xué)過程指示性不足等方面的不足[7-9].在生態(tài)安全格局研究尺度上，大部分研究集中在中尺度上，研究區(qū)域集中在城鎮(zhèn)、河流、耕地等.如刁菲菲[10]對(duì)杭州市景觀格局的演變及優(yōu)化作了相關(guān)的研究；宋明曉[11]對(duì)遼河流域（吉林省段）景觀格局演變及關(guān)鍵性生態(tài)空間辨識(shí)方面作了相關(guān)研究；彭文君等[12]對(duì)喀斯特山區(qū)縣域耕地景觀生態(tài)安全及演變過程作了相關(guān)研究.但目前，針對(duì)快速城市化區(qū)域且景觀生態(tài)良好的研究相對(duì)匱乏.

廣州市黃埔區(qū)作為中國第三大城市廣州中心城區(qū)的重要節(jié)點(diǎn)，擁有長(zhǎng)洲島、港口碼頭、天鹿湖森林公園等豐富的景觀和良好的生態(tài)本底.本研究以廣州市黃埔區(qū)為例，以景觀生態(tài)學(xué)理論為基礎(chǔ)，借助RS、GIS等“3S”技術(shù)，結(jié)合Fragstats 4.2景觀分析軟件，旨在對(duì)廣州市黃埔區(qū)26年來景觀生態(tài)格局的演變特征進(jìn)行探索和實(shí)證研究，掌握快速城市化地區(qū)景觀生態(tài)格局的變化規(guī)律.

1 研究區(qū)域概況

黃埔區(qū)（包含蘿崗區(qū)）位于廣州市東部①2014年2月13日，廣州市發(fā)布行政區(qū)劃重大調(diào)整方案：原蘿崗區(qū)和原黃埔區(qū)合并為新黃埔區(qū)，2015年9月1日黃埔區(qū)舉行掛牌儀式，本研究區(qū)域?yàn)楹喜⒅蟮男曼S埔區(qū).，屬廣州市山水新城核心區(qū)，總面積484.17 km2，如圖1所示.黃浦區(qū)下轄14個(gè)街道和1個(gè)鎮(zhèn)，分別為：文沖、黃埔、南崗、大沙、紅山、蘿崗、穂東、荔聯(lián)、夏港、長(zhǎng)洲、東區(qū)、聯(lián)合、永和、魚珠街道以及九龍鎮(zhèn).2016年末，廣州市黃埔區(qū)常住人口108.26萬人，城鎮(zhèn)化率高達(dá)91.58%，地區(qū)生產(chǎn)總值2 941.49億元，同比增長(zhǎng)5.6%，其中規(guī)模以上工業(yè)總產(chǎn)值7 141億元，增長(zhǎng)2.3%.擁有國家級(jí)研發(fā)機(jī)構(gòu)17個(gè)，國家級(jí)產(chǎn)業(yè)基地10個(gè)，國家級(jí)園區(qū)1個(gè)，省級(jí)產(chǎn)業(yè)基地4個(gè)，市戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)基地6個(gè)，是國家循環(huán)化改造示范試點(diǎn)園區(qū)和國家產(chǎn)城融合示范區(qū).區(qū)內(nèi)形成了“八橫八縱”主干路網(wǎng)，地鐵、新型有軌電車、快速公交系統(tǒng)、疏港道路全面建成.

圖1 區(qū)位分析圖

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

通過查閱黃埔區(qū)、蘿崗區(qū)1990～2016年統(tǒng)計(jì)年鑒和國民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)等，獲取了4個(gè)時(shí)期的土地利用面積、人口、地區(qū)生產(chǎn)總值、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、城鎮(zhèn)化率等數(shù)據(jù)；通過百度地圖及實(shí)地調(diào)研，獲取了廣州市黃埔區(qū)各類用地位置和數(shù)據(jù)邊界；同時(shí)從地理空間數(shù)據(jù)云獲取了廣州市黃埔區(qū)1990年、2000年、2010年、2016年4個(gè)時(shí)期的Landsat TM影像，為了更好地區(qū)分出林地、水域、耕地和園地生態(tài)景觀用地，本研究選取Band5、Band4、Band3波段進(jìn)行假彩色合成，得到圖2.

遙感影像的預(yù)處理是遙感應(yīng)用的第一步，現(xiàn)在該技術(shù)已經(jīng)十分成熟[13].利用ENVI 5.0軟件對(duì)4期遙感影像進(jìn)行用地分類處理，獲取廣州市黃埔區(qū)4個(gè)時(shí)期的土地利用圖.主要過程為：

圖2 廣州市黃埔區(qū)4期遙感影像圖

1）影像鑲嵌：利用ENVI 5.0軟件自帶的坐標(biāo)定位Mosaic king方法，對(duì)遙感影像進(jìn)行鑲嵌處理，運(yùn)用Feathering功能進(jìn)行邊緣化羽化[14].

2）幾何校正：利用遙感影像自身攜帶的地理坐標(biāo)，通過Cubic convolution方法進(jìn)行重采樣.

3）監(jiān)督分類：運(yùn)用最小距離法，利用訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)，計(jì)算每類均值向量和標(biāo)準(zhǔn)差向量，以均值向量為該景觀類型的特征空間中心位置，根據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類》GB/T21010-2017[15].將廣州市黃埔區(qū)各類用地劃分為6類，即：建設(shè)用地、園地、林地、耕地、水域、未利用地，結(jié)果如圖3所示.

圖3 廣州市黃埔區(qū)4期土地利用圖

2.2 研究方法

景觀指數(shù)是指能夠監(jiān)測(cè)和定量描述景觀空間結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化特征，建立生態(tài)過程和景觀結(jié)構(gòu)聯(lián)系，為更好解釋景觀功能的定量化指標(biāo)[16].景觀指數(shù)可分為3個(gè)層次：景觀水平指數(shù)、斑塊水平指數(shù)和斑塊類型水平指數(shù)，其中景觀水平指數(shù)可以用來研究區(qū)域整體景觀水平的變化情況，具體指標(biāo)有景觀均勻度、聚合度和破碎化等；斑塊水平指數(shù)可以計(jì)算單個(gè)斑塊的指數(shù)，包括形狀、面積和邊界距離等指標(biāo)；斑塊類型水平指數(shù)可以計(jì)算出斑塊密度、最大斑塊面積、斑塊面積和分維度等指標(biāo).斑塊水平指數(shù)對(duì)于了解整體景觀結(jié)構(gòu)不具有較大的解釋價(jià)值，一般只作為研究景觀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)[17].參考前人的研究成果，選取景觀水平指數(shù)和斑塊類型水平指數(shù)進(jìn)行分析.

運(yùn)用Fragstats 4.2景觀分析軟件選取5類景觀水平指標(biāo)：最大斑塊占景觀面積所占比例、多樣性、均勻度、破碎化程度及斑塊個(gè)數(shù)；3類景觀類型水平指標(biāo)：景觀各類型面積、斑塊個(gè)數(shù)及分維數(shù).分別對(duì)廣州市黃埔區(qū)1990年、2000年、2010年、2016年4個(gè)時(shí)期的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式見表1.

3 廣州市黃埔區(qū)景觀生態(tài)格局演變分析

3.1 景觀水平指數(shù)

將廣州市黃埔區(qū)4期遙感影像數(shù)據(jù)源導(dǎo)入Fragstats 4.2軟件，在景觀水平上，根據(jù)表1中的公式，計(jì)算出廣州市黃埔區(qū)景觀多樣性和景觀斑塊個(gè)數(shù)以及景觀破碎化程度等指標(biāo)，具體結(jié)果見表2.

表1 景觀指數(shù)的計(jì)算原理

表2 景觀水平指數(shù)

3.1.1 景觀斑塊受干擾程度越來越大

景觀斑塊面積的大小變化與社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人口活動(dòng)以及相關(guān)政策等因素有著密切聯(lián)系，1990年、2000年、2010年、2016年廣州市黃埔區(qū)地區(qū)生產(chǎn)總值分別為11.35，405.41，1 948.93，2 941.49億元.1990～2000年、2000～2010年、2010～2016年年均增長(zhǎng)率分別為43%，47%，31%，2000～2010年增長(zhǎng)速率最快.由表2可知，廣州市黃埔區(qū)景觀斑塊數(shù)量不斷增加，由1990年的406個(gè)增加到2016年的257 1個(gè)，增加了5.33倍；景觀破碎化程度不斷上升，由1990年的0.008 4個(gè)/ha到2016年轉(zhuǎn)變?yōu)?.053 4個(gè)/ha；從遙感影像中可以明顯看出4個(gè)時(shí)期最大的景觀斑塊為林地.最大斑塊面積占景觀面積的比例先上升后下降，1990～2000年最大斑塊占景觀面積比例增加，受1999年“退耕還林”政策的影響，部分地區(qū)耕地轉(zhuǎn)化為林地，導(dǎo)致林地連續(xù)性增加.2000～2016年由于城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人口數(shù)量的增加，建設(shè)用地不斷增加，導(dǎo)致景觀斑塊受干擾的程度越來越大，優(yōu)勢(shì)斑塊面積不斷減小.以上數(shù)據(jù)說明近26年以來，廣州市黃埔區(qū)隨著人口活動(dòng)的不斷加強(qiáng)，地區(qū)生產(chǎn)總值不斷增長(zhǎng)以及相關(guān)政策的實(shí)施，導(dǎo)致斑塊數(shù)量不斷增加，景觀破碎化程度不斷上升.

3.1.2 景觀異質(zhì)化程度增加

由表2可知，1990～2016年間，廣州市黃埔區(qū)景觀多樣性指標(biāo)和均勻程度指標(biāo)總體呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，景觀多樣性指標(biāo)由1990年的1.264 5增加為2016年的1.347 3，增加了6.55%，其中景觀多樣性指標(biāo)2000年數(shù)值最大，為1.356 2；均勻度指數(shù)由1990年0.705 7持續(xù)增長(zhǎng)到2016年為0.837 2，增加了18.63%.近26年來，廣州市黃埔區(qū)隨著城鎮(zhèn)化率不斷增加，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市建設(shè)用地不斷擴(kuò)張，占用了大量的耕地、園地、林地等景觀生態(tài)用地.由于城市擴(kuò)張不斷分割耕地、園地、林地等景觀生態(tài)用地，導(dǎo)致城市景觀斑塊類型連續(xù)性越來越弱，景觀斑塊類型越來越豐富，景觀斑塊越來越復(fù)雜，景觀異質(zhì)化程度增加.

3.2 景觀類型水平指數(shù)

運(yùn)用Fragstats 4.2軟件，根據(jù)表1中的公式計(jì)算出廣州市黃埔區(qū)景觀類型水平指數(shù)的特征指標(biāo)值，具體見表3.

表3 景觀類型水平指數(shù)

3.2.1 景觀生態(tài)用地面積逐年減小

在耕地、園地、水域和林地景觀生態(tài)用地中，26年間廣州市黃埔區(qū)景觀生態(tài)用地總面積由原來的438.85 km2減少為298.98 km2，減少了139.87 km2.1990年，廣州市黃埔區(qū)各類用地排序?yàn)榱值?耕地>建設(shè)用地>園地>水域>未利用地.林地、耕地用地總面積分別居第一、第二，1990年廣州市黃埔區(qū)主導(dǎo)景觀類型為林地、耕地，景觀生態(tài)用地.到2016年各類用地排序?yàn)榻ㄔO(shè)用地>林地>耕地>園地>水域>未利用地，建設(shè)用地面積超過林地面積，用地面積居第一.而未利用地從1990年到2010年均被開發(fā)為不同類型的土地.從用地面積大小來看，1990～2016年，從總體排序上來看，廣州市黃埔區(qū)各類型用地排序名次變化較小，除建設(shè)用地發(fā)生較大變化外，其他排序名次基本不變.

從研究時(shí)段看，1990～2010年，耕地、園地面積在不同程度減少，其中耕地面積不及1990年面積的1/2；2010～2016年，耕地、園地面積有所增加；1990～2016年，建設(shè)用地面積一直趨于直線上升狀態(tài)，由1990年的39.53 km2到2016年增加為182.20 km2，增加了142.67 km2，26年間建設(shè)用地面積年均增長(zhǎng)5.49 km2.林地面積一直趨于下降狀態(tài)，在所有類型的用地中林地總面積減少最多，減少了85.45 km2.

從景觀生態(tài)用地減少的范圍來看，原黃埔區(qū)大部分景觀生態(tài)用地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，原蘿崗區(qū)在2010～2016年期間建設(shè)用地面積明顯增加.具體演變特征為：1990～2000年廣州市黃埔區(qū)建設(shè)用地增加集中在原黃埔區(qū)，沿穂東街道往周圍擴(kuò)散.原蘿崗區(qū)建設(shè)用地僅沿S378省道有少部分增加；2000～2010年建設(shè)用地往北填充式擴(kuò)展，建設(shè)用地增加面積集中在黃埔區(qū)中部，特別是沿道路兩側(cè)增加最為明顯；2010～2016年黃埔區(qū)各街道（鎮(zhèn)）建設(shè)用地均有少部分增加，其中沿道路、地勢(shì)相對(duì)平坦的區(qū)域變化較大，九龍鎮(zhèn)新增了1個(gè)較大的居住組團(tuán)；此外，還有少部分建設(shè)用地1990～2016年間一直保留了原樣，主要集中在原黃埔區(qū)，具體見圖4.

圖4 廣州市黃埔區(qū)1990～2016年建設(shè)用地變化情況

3.2.2 耕地被干擾程度最大

1990～2016年廣州市黃埔區(qū)景觀類型斑塊數(shù)量均有不同程度增加，數(shù)量變化較大（圖5）.特別是1990～2000年景觀類型斑塊數(shù)量變化巨大，耕地斑塊數(shù)量增加了約6.62倍，建設(shè)用地斑塊數(shù)量增加了5.58倍.在26年間耕地、林地、建設(shè)用地、水域、園地斑塊個(gè)數(shù)分別增加了629個(gè)、447個(gè)、500個(gè)、321個(gè)、285個(gè)，其中耕地被干擾的程度最大.

圖5 廣州市黃埔區(qū)1990～2016年景觀類型斑塊個(gè)數(shù)變化

3.2.3 景觀生態(tài)斑塊形狀呈規(guī)則化趨勢(shì)，建設(shè)用地斑塊形狀復(fù)雜化

從總體來看，林地的分維數(shù)值最大，說明林地的斑塊形狀最為復(fù)雜和最為不規(guī)則，但受人類活動(dòng)的影響，林地的分維數(shù)不斷減小，形狀變得更加簡(jiǎn)單和規(guī)則（圖6）.園地、耕地、水域的分維數(shù)變化較小，但總體趨勢(shì)是減小了.建設(shè)用地分維數(shù)一直趨于增長(zhǎng)趨勢(shì)，分維數(shù)變化最大，由1990年的1.51到2016年增長(zhǎng)為1.78，增加了0.27，形狀指數(shù)越來越不規(guī)則和復(fù)雜，其主要原因是城市體系規(guī)劃是在對(duì)人口預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上對(duì)城市用地進(jìn)行功能分區(qū)和基礎(chǔ)設(shè)施等的建設(shè)，但是由于經(jīng)濟(jì)、政策等諸多因素的不確定性，導(dǎo)致到規(guī)劃期末最終城市人口規(guī)模難以預(yù)測(cè)，導(dǎo)致建設(shè)用地面積形狀越來越不規(guī)則.

圖6 廣州市黃埔區(qū)1990～2016年景觀類型分維數(shù)

4 結(jié)論

1990～2016年，在這26年，廣州市黃埔區(qū)景觀生態(tài)格局受到快速城市化、政策、經(jīng)濟(jì)、人口、氣候等自然因素和人文因素的影響.從景觀水平指數(shù)看，26年間建設(shè)用地面積增加了142.67 km2，且建設(shè)用地面積增加主要集中在原黃埔區(qū)和原蘿崗區(qū)交通較發(fā)達(dá)區(qū)域，這與人類對(duì)城市景觀改變干擾理論相符合.景觀斑塊數(shù)量增加，景觀整體破碎化有所加劇，景觀格局的穩(wěn)定性減弱.均勻度和多樣性指數(shù)總體提高，說明景觀格局整體結(jié)構(gòu)逐步向多樣性和復(fù)制化方向發(fā)展；從景觀類型水平上看，林地、耕地和園地為廣州市黃埔區(qū)主要的景觀生態(tài)用地，但是由于建設(shè)用地不斷增加，導(dǎo)致林地、耕地和園地在26年間用地面積不斷減小，從而導(dǎo)致大斑塊的景觀生態(tài)用地瓦解，造成斑塊數(shù)量不斷增加.而景觀生態(tài)類型分布的內(nèi)部，景觀生態(tài)類型斑塊變得更為規(guī)則；根據(jù)景觀生態(tài)格局演變的總趨勢(shì)可知，廣州市黃埔區(qū)景觀生態(tài)用地不斷轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，主要是由于快速城市化進(jìn)程的推進(jìn)，導(dǎo)致廣州市黃埔區(qū)景觀生態(tài)面積不斷減少，景觀生態(tài)格局日趨復(fù)雜.