長(zhǎng)沙地區(qū)景觀格局演變對(duì)空氣質(zhì)量的影響及優(yōu)化策略研究

盧 嵐，陳 軍，劉 牛

(1.長(zhǎng)沙環(huán)境保護(hù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410004；2.長(zhǎng)沙市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，湖南 長(zhǎng)沙410000；3.長(zhǎng)沙市規(guī)劃信息服務(wù)中心，湖南 長(zhǎng)沙410000)

1 引言

特征與生態(tài)過(guò)程是景觀生態(tài)學(xué)研究的核心內(nèi)容之一。通過(guò)建立景觀格局特征與各種生態(tài)過(guò)程之間的相互聯(lián)系，可了解景觀結(jié)構(gòu)發(fā)生和發(fā)展的內(nèi)在機(jī)制，揭示景觀演化的機(jī)制和方向，能夠解釋人類活動(dòng)和景觀變化的交互關(guān)系，進(jìn)而預(yù)測(cè)景觀變化的趨勢(shì)，并為人工干預(yù)改善生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)。目前，遙感和地理信息系統(tǒng)已成為景觀格局分析的通用手段，從遙感影像獲取的土地利用/覆被信息有助于更準(zhǔn)確地理解景觀變化、對(duì)景觀空間格局進(jìn)行定量化研究。當(dāng)前，理論界關(guān)于景觀格局的環(huán)境響應(yīng)研究也多圍繞土地利用時(shí)空變化引起的生態(tài)環(huán)境變化展開，研究結(jié)果表明，土地利用/覆被變化作為全球變化重要內(nèi)容，對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境因子的耦合、景觀格局的整體演化以及生態(tài)系統(tǒng)的功能產(chǎn)生了深刻影響，并在10年甚至百年的尺度內(nèi)，超過(guò)自然因素的作用強(qiáng)度成為驅(qū)動(dòng)環(huán)境變化的主要因素。

長(zhǎng)沙是湖南省省會(huì)，湖南省的政治、經(jīng)濟(jì)、文化、交通和科教中心，中南地區(qū)重要的交通和航運(yùn)中心，也是全國(guó)文明城市。2007年12月14日，國(guó)家發(fā)改委正式批準(zhǔn)長(zhǎng)株潭城市群為我國(guó)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)建設(shè)綜合配套改革試驗(yàn)區(qū)，經(jīng)過(guò)一系列努力，城市面貌得到了綜合改善，環(huán)境質(zhì)量也趨于穩(wěn)定。但與此同時(shí)，不可忽視的是，隨著長(zhǎng)沙市近年來(lái)的持續(xù)高速發(fā)展，整個(gè)城市所需要承載的各種社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)也越來(lái)越密集，老城區(qū)面臨的人地矛盾問(wèn)題，長(zhǎng)沙城市發(fā)展模式所帶來(lái)的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、能源消耗以及環(huán)境污染等等一系列問(wèn)題越顯突出，日益成為制約長(zhǎng)沙市整體城市功能發(fā)展的緊迫問(wèn)題。

本研究以長(zhǎng)沙地區(qū)景觀格局演變與空氣質(zhì)量的關(guān)系作為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)長(zhǎng)沙市近十年的景觀格局指數(shù)和環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)的分析研究，從宏觀尺度上來(lái)分析長(zhǎng)沙市大氣環(huán)境質(zhì)量的基本狀況和變化特征，然后探究景觀格局演變對(duì)其的影響，在此基礎(chǔ)上，提出基于降低大氣污染的城市景觀格局優(yōu)化策略。因此，本研究的結(jié)果對(duì)構(gòu)建長(zhǎng)沙景觀安全格局和改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境，防止大氣環(huán)境惡化，提出生態(tài)防治對(duì)策都具有重要的理論與實(shí)踐意義，對(duì)促進(jìn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)與重建也有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 研究概述

2.1 研究?jī)?nèi)容

(1)建立長(zhǎng)沙市生態(tài)景觀格局空間數(shù)據(jù)庫(kù)，包括地形、用地類型、水系、居民區(qū)、大氣污染源、空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)位等基礎(chǔ)信息。

(2)對(duì)長(zhǎng)沙市近10年的TM/ETM遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯。

(3)選取時(shí)間連續(xù)性較好的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位并外延5 km的區(qū)域?yàn)檠芯繂卧?，利用Fragstats軟件進(jìn)行各項(xiàng)景觀格局指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，

(4)將長(zhǎng)沙市各監(jiān)測(cè)指標(biāo)的濃度分布與長(zhǎng)沙市景觀信息進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)合長(zhǎng)沙市地形地貌、大氣污染源排放情況等信息，得到城市格局指數(shù)對(duì)空氣質(zhì)量的影響關(guān)系。

(5)對(duì)長(zhǎng)沙市生態(tài)景觀格局優(yōu)化策略進(jìn)行探討。

2.2 研究方法

本研究在遙感理論、景觀生態(tài)學(xué)理論、地理信息系統(tǒng)理論、空間數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的指導(dǎo)下，以ERDAS IMAGING 9.1為技術(shù)平臺(tái)，利用Landsat TM/ETM＋遙感衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)采集于2005～2015年間，空間分辨率30 m，來(lái)源自USGS和中國(guó)遙感衛(wèi)星地面站)，采用監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類相結(jié)合的方法對(duì)長(zhǎng)沙市景觀覆蓋類型進(jìn)行影像解譯，并對(duì)解譯結(jié)果進(jìn)行人工修正。在ARCGIS 10.0操作平臺(tái)上，結(jié)合長(zhǎng)沙市城市景觀覆蓋類型圖，以空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)位為圓心再緩沖5 km的范圍為研究單元，逐單位提取景觀覆蓋類型。應(yīng)用景觀生態(tài)學(xué)中的景觀格局分析方法，在FRAGSTATS3.3軟件的支持下，對(duì)各研究單元下的城市景觀覆蓋類型進(jìn)行景觀水平和類型水平的格局指數(shù)的量化計(jì)算。在Access數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)上，并結(jié)合ARCGIS平臺(tái)，建立長(zhǎng)沙市景觀格局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)SPSS軟件，對(duì)各研究單元下的空氣質(zhì)量指標(biāo)與各景觀格局指數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，并綜合考慮地形及大氣污染源排放因素，從而找出各景觀指數(shù)對(duì)空氣質(zhì)量的影響作用特點(diǎn)。最后綜合分析各年份的影響特點(diǎn)，探尋景觀格局演變對(duì)空氣質(zhì)量的影響，并在此基礎(chǔ)上提出優(yōu)化景觀格局策略。

2.3 技術(shù)路線

具體技術(shù)路線見圖1。

圖1 技術(shù)路線

3 土地利用結(jié)構(gòu)演化的PM 2.5/PM 10污染效應(yīng)分析

著重對(duì)土地利用結(jié)構(gòu)演化的PM2.5/PM10污染效應(yīng)進(jìn)行分析。

3.1 土地利用結(jié)構(gòu)演化的PM2.5污染效應(yīng)分析

長(zhǎng)沙主城區(qū)2014年建設(shè)用地PM2.5濃度均值為72 μg/m3，水域PM2.5濃度均值為69μg/m3，未利用地PM2.5濃度均值為68μg/m3，草地與林地PM2.5濃度均值均為64μg/m3。2016年各土地利用類型按照PM2.5濃度均值由高到低依次為建設(shè)用地(54μg/m3)和水域(54μg/m3)、未利用地(52μg/m3)、耕地(50μg/m3)、林地(46μg/m3)。長(zhǎng)沙市土地利用的PM2.5污染特征與主城區(qū)相似，都是建設(shè)用地與水域污染相對(duì)較重、園林地PM2.5濃度均值相對(duì)最低。其中，長(zhǎng)沙市建設(shè)用地2014、2016年P(guān)M2.5濃度均值分別為76和54μg/m3；水域2014、2016年P(guān)M2.5濃度均值分別為73和55μg/m3；園林地2014、2016年P(guān)M2.5濃度均值分別為68和46 μg/m3。

3.2 土地利用結(jié)構(gòu)演化的PM10污染效應(yīng)分析

長(zhǎng)沙主城區(qū)2007年和2016年建設(shè)用地PM10濃度均值最高，水域與未利用地次之，草地與林地PM10濃度均值相對(duì)最低。2007年各土地利用類型按照PM10濃度均值由高到低依次為建設(shè)用地(113μg/m3)、水域(112μg/m3)、耕地和未利用地(111μg/m3)、園林地(106μg/m3)、草地(104μg/m3)。2016年P(guān)M10濃度均值建設(shè)用地最高(84μg/m3)，園林地最低(78μg/m3)。長(zhǎng)沙市的土地利用污染特征與主城區(qū)相似，都是建設(shè)用地與水域污染相對(duì)較重、園林地和草地PM10濃度均值相對(duì)低。其中，長(zhǎng)沙市建設(shè)用地2007、2016年P(guān)M10濃度均值分別為：115、84μg/m3，長(zhǎng)沙市水域2007、2016年P(guān)M10濃度均值分別為：113、82μg/m3，長(zhǎng)沙市園林地2007、2016年P(guān)M10濃度均值分別為：107、79μg/m3，長(zhǎng)沙市草地2007、2016年P(guān)M10濃度均值分別為：108、83 μg/m3。

4 主要結(jié)論與優(yōu)化策略

4.1 主要結(jié)論

(1)長(zhǎng)沙主城區(qū)PM10、PM2.5濃度空間差異與土地利用類型顯著相關(guān)。PM10/PM2.5濃度隨著建設(shè)用地和水域面積占比增加顯著升高，園林地對(duì)PM10/PM2.5濃度的“負(fù)效應(yīng)”顯著。揚(yáng)塵地表中的碾壓踩踏地表、建筑工地、露天采掘場(chǎng)面積占比是影響PM10/PM2.5濃度空間分布的主要因素。

(2)“兩型社會(huì)”建設(shè)以來(lái)，長(zhǎng)株潭主城區(qū)PM10、PM2.5濃度總體超標(biāo)嚴(yán)重，但呈好轉(zhuǎn)趨勢(shì)和明顯的季節(jié)性差異。高污染區(qū)主要集中在長(zhǎng)沙市芙蓉區(qū)、雨花區(qū)和天心區(qū)，冬季和秋季污染嚴(yán)重、夏季和春季污染較輕。

4.2 優(yōu)化策略

針對(duì)長(zhǎng)沙城區(qū)現(xiàn)實(shí)狀況，可采用“中心小幅度調(diào)整，外圍大幅度優(yōu)化”的策略來(lái)優(yōu)化長(zhǎng)沙市景觀格局，減緩城市灰霾污染。

(1)為有效改善長(zhǎng)沙主城區(qū)空氣質(zhì)量，建議重點(diǎn)關(guān)注長(zhǎng)沙市芙蓉區(qū)、雨花區(qū)和天心區(qū)的PM10、PM2.5污染，加強(qiáng)區(qū)內(nèi)燃煤設(shè)施、重點(diǎn)工業(yè)企業(yè)排放、機(jī)動(dòng)車尾氣、施工工地和道路揚(yáng)塵的管控與治理。

(2)為減少污染物濃度，建議減少工礦用地、交通用地和建設(shè)用地景觀面積，增加耕草地、水域景觀面積。增加區(qū)域景觀多樣性并均衡各類型景觀的面積比例。

(3)為保障長(zhǎng)沙生態(tài)環(huán)境安全，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)城市周邊地區(qū)林地、耕地和水域用地的保護(hù)，提升土地生態(tài)服務(wù)功能。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究綜合考慮地形、大氣污染源排放等情況，對(duì)長(zhǎng)沙市生態(tài)景觀格局與長(zhǎng)沙市空氣質(zhì)量的關(guān)系進(jìn)行了定量化研究，提出了改善空氣質(zhì)量的景觀格局優(yōu)化策略。其結(jié)果可為其它同處在快速城市化進(jìn)程中的城市生態(tài)保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)和參考范例。