城市化對成都市植被景觀格局影響研究

羅艷,楊一川,沈松平,羅曉波,張洪吉

1.四川省自然資源科學(xué)研究院，四川成都 610024；

2.四川省地質(zhì)調(diào)查院，四川成都 610081

城市化(Urbanization)是經(jīng)濟社會發(fā)展的必然產(chǎn)物。城市化過程中伴隨的土地利用帶來地表景觀結(jié)構(gòu)的巨大變化：大量的自然覆蓋向人工覆蓋迅速轉(zhuǎn)化，不透水表面不斷增加，而植被、水域等具有較高生態(tài)價值的景觀斑塊日益萎縮、破碎[1]，深刻影響城市生態(tài)系統(tǒng)的供給、調(diào)節(jié)、文化、支持等服務(wù)功能[2]，引起了城市熱島效應(yīng)加劇、生物多樣性下降、生態(tài)系統(tǒng)退化、環(huán)境污染加重等諸多城市病，直接影響了城市人居環(huán)境質(zhì)量和城市可持續(xù)發(fā)展[3]。城市植被景觀作為一種特殊的城市景觀類型，對改善和美化城市景觀生態(tài)環(huán)境起著重要的作用[4]。作為西部中心城市，成都市常住人口城鎮(zhèn)化率在2000—2017年期間，從53.72%上升到71.85%①。研究城市化進程中成都市植被景觀格局的變化情況，有助于了解城市化對城市生態(tài)安全可能造成影響，可以為城市的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。有鑒于此，本研究采用目前比較成熟的景觀多樣性指標(biāo)，分析了2002—2017年期間成都市植被景觀格局的主要特征和變化，以期為成都市的生物多樣性保護以及城市生態(tài)安全等提供科學(xué)支撐。

1 研究區(qū)概況

成都市位于四川省中偏西部，四川盆地西部，介于東經(jīng)102°54'—104°53'，北緯30°05'—31°26'之間，全市輪廓似一片肥厚的樹葉，東西縱長192 km，南北寬162 km。面積達14 335 km2。成都市在水平地帶上屬我國中亞熱帶潤濕性地區(qū)，但由于區(qū)域內(nèi)海拔高差大（最低處與最高處海拔高差達5 005 m），垂直地帶性明顯，由低向高呈現(xiàn)出常綠闊葉林帶、常綠與落葉闊葉混交林帶、落葉闊葉林帶、針葉與闊葉混交林帶、暗針葉林帶、亞高山灌叢草甸、高山草甸、冰雪永凍帶等天然植被類型。然而，受人類活動影響，天然植被大量被破壞，取而代之的是農(nóng)田栽培植被、人工林、天然次生林和次生灌叢等植被類型，僅在西部山地尚有原生性天然植被分布。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

基于2002年10月—2002年11月的Landsat-7（ETM）數(shù)據(jù)和2017年10月—2017年11月的美國陸地衛(wèi)星Landsat-8（OLI）數(shù)據(jù)，以及部分區(qū)域2017年11月的高分1號（GF1）高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)，根據(jù)遙感圖像反映的地物波譜特征和空間信息，建立植被類型的遙感解譯標(biāo)志，采用以自動監(jiān)督分類解譯為主輔以人機交互解譯方式，通過植被類型及其他地表覆蓋類型詳細解譯和綜合解譯，并經(jīng)野外實地檢查、驗證（兩期遙感影像解譯精度均在93%以上，分類精度達到要求），最后獲得成都市2002年和2017年植被類型圖。具體而言，本研究將成都市植被遙感類型劃分為天然植被、人工植被和其他地表覆蓋三個大類，參照《中國植被》和《四川植被》的原則、單位及系統(tǒng)并考慮遙感解譯的特殊性，將成都市的天然植被劃分為5個植被型組，8個植被型；人工植被劃分為5個植被型組，5個植被型；其他地表覆蓋有城鎮(zhèn)、水庫、河流、灘涂和裸巖石礫地等5類（見表1），以此為基礎(chǔ)確定遙感解譯的植被類型主要包括亞高山暗針葉林、山地針闊葉混交林、亞熱帶山地常綠-落葉闊葉混交林、亞熱帶常綠闊葉林、灌草叢、低山丘陵常綠闊葉灌叢、高山灌叢、高山流石灘稀疏植被、高山草甸、人工針葉林、人工闊葉林、水田、旱地和園地等14個類型。本研究以14個遙感解譯植被類型為基礎(chǔ)，在ArcMap10.6軟件的支持下，提取面積和周長等基本斑塊信息，進行植被景觀生態(tài)學(xué)分析。

表1 成都市植被及其他地表覆蓋類型遙感解譯劃分表Tab.1 Classification of vegetation and land cover types in Chengdu by remotesensing interpretation

2.2 景觀指數(shù)選擇

景觀要素是地面上相對同質(zhì)的生態(tài)要素或單元[5]，可分成斑塊（patch）、廊道（corridor）和基質(zhì)（matrix）三種類型。本研究從植被景觀要素的基本特征、景觀要素的多樣性、景觀要素斑塊基本特征以及景觀的形狀特征四個方面，選取景觀格局指數(shù)對成都市植被景觀格局進行研究（見表2），并利用arcmap10.6和excel共同進行相關(guān)計算。由于景觀生態(tài)學(xué)強調(diào)尺度問題，在不同的尺度下研究同一類問題時往往會得到不同的結(jié)果。因此數(shù)據(jù)的單位不同，各類指數(shù)的大小也可能不相同。本文如無特別說明，周長的單位用km，而面積的單位用km2。

表2 景觀格局指數(shù)及其計算公式Tab.2 Landscape pattern index and itscalculation formula

3 結(jié)果與分析

通過分析2002年和2017年成都市土地利用類型的變化，建立了2002—2017年土地利用轉(zhuǎn)換矩陣（見表3）。與2002年相比，2017年沒有低山丘陵常綠闊葉灌叢和灌草叢2大植被類型，其中低山丘陵常綠闊葉灌叢主要轉(zhuǎn)變?yōu)閬啛釒С＞G闊葉林（34.09%），這主要是自然演替的結(jié)果；灌草叢主要轉(zhuǎn)變?yōu)楹档兀?4.09%）；此外，還有大量低山丘陵常綠闊葉灌叢轉(zhuǎn)變?yōu)樗铮?8.39%）和園地（16.83%），這主要是因為這兩類植被生長于平原、地或淺丘區(qū)等低海拔地帶，主要處于人類活動影響強烈區(qū)，故由人類工程活動影響所致?？傊?，由于自然演替和人類活動的共同作用，使得2017年沒有低山丘陵常綠闊葉灌叢和灌草叢2大植被類型

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3.1 成都市植被景觀要素的基本特征

2002年成都市植被景觀總面積為13757.59 km2，占成都市總面積的95.97%；景觀要素的平均面積為982.69 km2；面積最大的植被景觀要素是水田景觀，占成都市總面積的45.01%；面積最小的植被景觀要素是高山流石灘稀疏植被，僅6.20 km2；景觀要素的標(biāo)準(zhǔn)差與極差分別為1 771.60 km2和6 446.68 km2。2017年成都市植被景觀總面積為11 947.32 km2，占成都市總面積的83.34%；景觀要素的平均面積略增，為995.61 km2；面積最大的植被景觀要素仍舊是水田景觀，但占成都市面積比例有所下降（31.47%）；面積最小的植被景觀要素仍舊是高山流石灘稀疏植被，但面積略減（5.55 km2）；景觀要素的標(biāo)準(zhǔn)差與極差分別為1 309.38 km2和4 506.35 km2。可見隨著城市化程度提高，成都市植被景觀比例明顯下降，降幅達13.15%；非植被景觀比例明顯增加，增幅達313.47%；這種差異主要是由于城鎮(zhèn)景觀面積大幅度增加造成的（見表4，表5）。從植被起源看，成都市天然植被（包括高山流石灘稀疏植被、高山草甸、高山灌叢、亞高山暗針葉林、山地針闊葉混交林、亞熱帶山地常綠-落葉闊葉混交林、亞熱帶常綠闊葉林、低山丘陵常綠闊葉灌叢、灌草叢）和人工植被（人工針葉林、人工闊葉林、水田、旱地、園地）在2002年分別占成都市總面積的22.97%和73.00%，2017年則分別變?yōu)?2.33%和61.02%?？梢?002—2017年期間，成都市天然植被面積變化不大，但人工植被面積明顯減少（見表4）。

表4 各景觀要素面積對比Tab.4 Comparison of thearea of each landscapeelement in 2002 and 2017

表5 植被景觀要素面積特征Tab.5 Area characteristicsof vegetation landscapeelements in 2002 and 2017

景觀要素的周長在一定程度上可以指示與外界的作用程度[6]。從表5和表6中可以看出，景觀要素面積特征與周長特征具有較高的一致性。進一步開展相關(guān)性檢驗發(fā)現(xiàn)：2002年和2017年成都市植被景觀周長與面積的相關(guān)系數(shù)分別為0.878和0.894(P<0.05)，二者呈顯著相關(guān)關(guān)系。

表6 植被景觀要素周長特征Tab.6 Circumferencecharacteristicsof vegetation landscape elements in 2002 and 2017

邊界密度表示景觀被邊界分割的程度，是片斷化植被的邊緣效應(yīng)指標(biāo)，直接反映了景觀要素的破碎化程度[5]。在一定程度上其值越大，景觀要素的破碎化程度越高，連通性越低；反之則破碎化程度低，連通性高[6]。2002年和2017年，成都市植被景觀要素中分別以旱地和水田的邊界密度為最高，且明顯大于其他植被類型，反映其破碎化程度高，連通程度較低；邊界密度最低的分別是山地針闊葉混交林和亞熱帶常綠闊葉林，其平均邊界密度分別為3.270和3.031，反映其破碎化程度較低，連通程度高（見表7）；總體上，天然植被的破碎化程度低于人工植被，具有較好的連通性，2002年和2017年期間，前者的平均邊界密度分別為9.767和4.182，后者的平均邊界密度分別為55.789和185.537；可見2017年人工植被明顯比2002年的破碎化程度高。

表7 植被景觀要素邊界密度特征Tab.7 Boundary density characteristicsof vegetation landscape elementsin 2002 and 2017

3.2 植被景觀要素多樣性分析

景觀多樣性是指景觀單元在結(jié)構(gòu)和功能方面的多樣性[7]，是景觀要素豐富性及其分布特性的綜合反映[8]。本文分別采用Margalef豐富度指數(shù)（簡稱豐富度指數(shù)）、Pielou均勻度指數(shù)（簡稱均勻度指數(shù)）、Shannon-Weaver多樣性指數(shù)（簡稱多樣性指數(shù)）和景觀優(yōu)勢度指數(shù)（簡稱優(yōu)勢度指數(shù)）對景觀要素的多樣性進行分析，結(jié)果如下。

豐富度指數(shù)方面，2017年成都市植被景觀總體豐富度指數(shù)略降；均勻度指數(shù)方面，2017年較2002年略增；多樣性指數(shù)方面，2017年的最大多樣性指數(shù)低于2002年，但多樣性指數(shù)則略增；優(yōu)勢度指數(shù)方面，2017年略降；優(yōu)勢度指數(shù)方面，2017年較2002年略降；總體上，2002年和2017年成都市植被景觀總體的豐富度指數(shù)、均勻度指數(shù)和多樣性指數(shù)均處于較低水平，而景觀優(yōu)勢度則處于較高水平（見表8）。

表8 植被景觀要素多樣性指數(shù)Tab.8 Diversity index of vegetation landscape elements in 2002 and 2017

由于多樣性指數(shù)是景觀要素豐富程度和均勻程度的綜合反映[8]，受景觀組分?jǐn)?shù)量及其所占面積比例影響。這種植被景觀多樣性和均勻度較低的現(xiàn)象與成都市各植被景觀要素分配極端不平均有關(guān)：首先，人工植被中，僅水田景觀和旱地景觀在2002年和2017年合計均就占了成都市植被景觀總面積的50%以上，而種類眾多的自然植被各景觀要素僅占成都市植被景觀總面積的25%左右；其次，各植被景觀要素面積極差達分別達到了6 446.68 km2和4 506.35 km2，兩者相差懸殊（見表5）。與多樣性指數(shù)不同，景觀要素優(yōu)勢度反應(yīng)的是某一類景觀要素占優(yōu)勢的程度。一般而言，有少數(shù)景觀要素居主導(dǎo)地位的地區(qū)，通常呈現(xiàn)出優(yōu)勢度高而均勻度、多樣性低的特征[5]。成都市植被景觀優(yōu)勢度指數(shù)在2002年和2017年分別為4.362和4.328（見表8），景觀要素的優(yōu)勢度比較高，這種現(xiàn)象主要由成都市以水田和旱地為主的植被景觀特征造成。此外，對比2002年和2017年的結(jié)果，成都市的景觀多樣性略有下降，雖然降幅很低，但景觀要素多樣性的下降將會降低物種的總的生物多樣性[5]，因此在今后的景觀規(guī)劃中有必要防患于未然，確?，F(xiàn)有的自然植被景觀的面積和數(shù)量不在下降。

3.3 景觀要素斑塊基本特征分析

景觀中斑塊大小對于景觀的生態(tài)功能維持具有重要作用。一般來講，斑塊中物種的多樣性和生產(chǎn)力水平隨面積的增加而增加[7]，斑塊的聯(lián)通性也與斑塊的平均面積呈正相關(guān)關(guān)系[9]。2002年和2017對比發(fā)現(xiàn)，2002年，亞熱帶山地常綠-落葉闊葉混交林景觀斑塊的平均面積最大（72.16 km2），灌草叢景觀的則最?。?.47 km2）；2017年，亞熱帶山地常綠-落葉闊葉混交林景觀斑塊的平均面積最大（88.51 km2）；人工針葉林景觀的則最?。?.82 km2）（見表9和表10）。斑塊平均面積排序結(jié)果顯示：2002年和2017年成都市的亞熱帶常綠闊葉林景觀、亞高山暗針葉林景觀以及亞熱帶山地常綠-落葉闊葉混交林景觀的連通性較好，且這2個時間段總體連通性差異不大。各景觀要素斑塊平均周長的變化規(guī)律與面積變化規(guī)律類似，即斑塊平均周長隨著斑塊平均面積的增大而增大，且這2個時間段總體周長的差異不大。斑塊面積標(biāo)準(zhǔn)差和極差分析結(jié)果顯示：（1）面積標(biāo)準(zhǔn)差和極差最小的景觀要素2002年和2017年均為高山流石灘稀疏植被。（2）面積標(biāo)準(zhǔn)差和極差最大的景觀要素，2002年為水田；2017年則分別為亞高山暗針葉林和水田（見表9和表10）。由于景觀要素斑塊面積的標(biāo)準(zhǔn)差與極差反映了在同一景觀要素中斑塊面積的變動程度大小[5]，可見亞高山暗針葉林和水田均出現(xiàn)較大程度的變化。

表9 2002年植被景觀斑塊特征Tab.9 Characteristicsof vegetation landscape patchesin 2002

從破碎度指數(shù)可以看出（見表9和表10），成都市2002年和2017年破碎度均以高山流石灘稀疏植被景觀為最低（分別為0.000338和0.000349），可能表明該區(qū)域植被分布較為集中，破碎化程度較低；而破碎度指數(shù)最高的水田則分別為0.468705和0.377344，說明該景觀要素的分布較分散，破碎化程度較高；總體上，天然植被的景觀破碎度指數(shù)小于人工植被。而整個地區(qū)的景觀破碎度指數(shù)均分別為0.000049和0.000237，一方面這兩個數(shù)值均較低，顯示成都市整體植被景觀的破碎度較低；另一方面，2017年的景觀破碎度指數(shù)約為2002年景觀破碎度指數(shù)的5倍，顯示出隨著城市化的發(fā)展，成都市植被景觀總體破碎程度在增加。由于景觀的破碎度是指景觀被分割的破碎程度，它在一定程度上可以反映人為活動對景觀要素的干擾程度，將直接影響到物種的繁殖、擴散、遷移和保護[9]，因此我們有必要防患于未然，盡早做好成都市植被的保護規(guī)劃。

表10 2017年植被景觀斑塊特征Tab.10 Characteristicsof vegetation landscape patches in 2017

成都市植被景觀要素分離度指數(shù)大于10的植被景觀，2002年有人工闊葉林（27.467）、園地（98.628）、高山草甸（134.071）、低山丘陵常綠闊葉灌叢（317.414）、灌草叢（500.374）和高山流石灘稀疏植被（890.524）等6類；2017年則包括人工針葉林（13.133）、人工闊葉林（29.184）、高山草甸（149.692）和高山流石灘稀疏植被（912.999）等4類；最小的則均為水田（分別為0.409和0.531）（見表9和表10）。由于分離度越大，斑塊越離散。上述植被景觀之所以出現(xiàn)分離度較大現(xiàn)象，人工植被主要與人類活動有關(guān)；天然植被一方面受地形和氣候等因素影響，天然存在分隔，另一方面人類活動的干擾也可能加大這種分隔。

3.4 植被景觀要素形狀特征分析

在景觀生態(tài)學(xué)中，斑塊的形狀指數(shù)和分形研究是常用的斑塊形狀研究方法[10]。從成都市植被景觀斑塊形狀指數(shù)與斑塊面積關(guān)系圖(見圖1)可以看出，隨著斑塊面積增加，斑塊形狀指數(shù)增加。一般而言，斑塊的形狀越復(fù)雜或越扁長，形狀指數(shù)就越大[11]?？梢?，隨著斑塊面積的增加，斑塊的形狀越來越偏離緊湊而簡單的圓形，變得扁長或者復(fù)雜?？傮w上，成都市2002年和2017年各類植被景觀要素斑塊形狀指數(shù)均在1.4以上，表明該地區(qū)總體的總體偏離圓形；其中山地針闊葉混交林、亞熱帶山地常綠-落葉闊葉混交林和亞熱帶常綠闊葉林的形狀指數(shù)在2017年有較大幅度的下降（見表11），由于生物多樣性通常是朝著一個大斑塊的凸出部分的方向逐漸降低的[12]，據(jù)此推測這些植被景觀內(nèi)的生物多樣性有可能增加，但這一推論需要進一步的調(diào)查結(jié)果予以驗證。

圖1 斑塊形狀指數(shù)與斑塊面積關(guān)系Fig.1 Relationship between plaqueshape index and plaquearea in 2002 and 2017

表11 植被景觀要素形狀特征Tab.11 Shapecharacteristics of vegetation landscapeelementsin 2002 and 2017

分維數(shù)常用來測定斑塊形狀的復(fù)雜程度[5]。分析成都市各景觀要素的分維數(shù)（見表11）發(fā)現(xiàn)：（1）植被景觀的分維數(shù)總體均大于1，由于具有復(fù)雜邊界斑塊的分維數(shù)在1與2之間[11]，可見成都市的植被景觀總體屬于復(fù)雜邊界斑塊；（2）2017年的分維數(shù)總體高于2002年的分維數(shù)，可見2017年人為干擾程度較2002年有所增加。

4 討論與小結(jié)

通過系統(tǒng)的研究成都市植被景觀要素及其斑塊特征，基于2017年成都市景觀要素特征分析結(jié)果，確認(rèn)現(xiàn)階段成都市的植被景觀特征如下。

4.1 現(xiàn)狀特征

植被景觀要素基本特征方面：（1）成都市植被景觀要素中，水田景觀面積最大，高山流石灘稀疏植被景觀面積最小。（2）總體上成都市的植被景觀主要由人工植被組成（占植被總面積的73.21%）。（3）基于邊界密度分析發(fā)現(xiàn)，總體上天然植被景觀的破碎化程度低于人工植被，具有較好的連通性。

景觀要素的多樣性分析表明，成都市植被景觀總體的豐富度指數(shù)、均勻度指數(shù)和多樣性指數(shù)均處于較低水平，而景觀優(yōu)勢度則處于較高水平，這種植被景觀多樣性和均勻度較低的現(xiàn)象與成都市各植被景觀要素分配極端不平均有關(guān)，而較高的優(yōu)勢度水平說明成都市植被景觀呈現(xiàn)出少數(shù)景觀占主導(dǎo)地位的現(xiàn)象。

景觀要素斑塊基本特征分析顯示：（1）成都市植被景觀總體破碎程度較小，且天然植被的景觀破碎度指數(shù)小于人工植被。（2）亞熱帶常綠闊葉林景觀、亞高山暗針葉林景觀以及亞熱帶山地常綠-落葉闊葉混交林景觀等具有較好的連通性。（3）人工林（包括人工針葉林和人工闊葉林）具有較高景觀分離度指數(shù)，顯示其受人類影響，斑塊之間的距離較大，景觀分布較復(fù)雜。

植被景觀要素形狀特征分析結(jié)果顯示，（1）成都市植被景觀的斑塊形狀指數(shù)隨著斑塊面積的增加有逐漸增大的趨勢，該地區(qū)各類景觀要素中斑塊形狀指數(shù)大多在1.5以上，形狀總體偏狹長。（2）成都市各類植被景觀要素植被景觀的分維數(shù)總體均大于1，可見該地區(qū)植被景觀總體屬于復(fù)雜邊界斑塊。

4.2 變化特征

2002年與2017年對比顯示，這2個階段成都市植被景觀發(fā)生了如下變化。（1）植被類型上，2002年比2017年多了低山丘陵常綠闊葉灌叢和灌草叢植被2個植被類型，根據(jù)土地利用轉(zhuǎn)換矩陣發(fā)現(xiàn)，這種轉(zhuǎn)變是自然演替與人類活動共同作用的結(jié)果。（2）與2002年相比，成都市植被景觀比例明顯下降（降幅為13.15%），非植被景觀比例明顯增加（增幅為313.47%）；這種差異主要是由城鎮(zhèn)面積大幅度增加造成。（3）根據(jù)植被起源分析發(fā)現(xiàn)，2017年與2002年相比，成都市天然植被面積變化不大，但人工植被面積明顯減少。據(jù)此推測成都市的天然植被總體得到了較好的保護，而人工植被主要位于人類活動區(qū)，受人為活動影響相對比較大所致。以人工針葉林為例，與2002年相比，2017年其面積減少了218.56 km2，其中轉(zhuǎn)變?yōu)閳@地的面積高達214.91 km2；但同時又分別由有85.25 km2的旱地和68.83 km2的水田轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯め樔~林。（4）植被景觀要素邊界密度特征分析顯示，2017年人工植被平均邊界密度明顯高于2002年的人工植被平均邊界密度，可見2017年人工植被明顯比2002年的破碎化程度高。（5）2002年和2017年，成都市天然植被景觀均存在各景觀要素之間面積差異較大，優(yōu)勢度高而均勻度、多樣性低的問題。（6）有關(guān)成都市景觀的未來變化趨勢，基于現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，如果按照線性模式變化的話，成都市2032年的植被面積比例將進一步下降到僅占總面積的70.78%。但如果需要更詳盡、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，需要進一步開展研究，挑選包括CAMarkov等在內(nèi)的模型進行預(yù)測分析。

綜上所述，當(dāng)前成都市植被景觀多樣性總體表現(xiàn)為人工景觀的破碎化程度較高，天然景觀的連通性較好，優(yōu)勢景觀占主導(dǎo)地位，多樣性較低。將2017年與2002年相比，主要差異表現(xiàn)為：城鎮(zhèn)面積大幅度增加，人工植被面積顯著下降，且人工植被存在破碎化程度增高的趨勢，上述變化主要是受人為活動影響的結(jié)果?？梢?，成都市植被景觀的變化是城市化和人為干擾共同作用的結(jié)果。當(dāng)前階段城鎮(zhèn)化進程無可避免，而人類的干擾則相對可控。因此，建議在國土空間規(guī)劃中，應(yīng)綜合考慮社會、經(jīng)濟以及生態(tài)環(huán)境因素的影響，通過制定科學(xué)合理的產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策和土地利用政策，增強生態(tài)斑塊間的連接度，避免出現(xiàn)高密度建設(shè)用地斑塊聚集，以促進生物多樣性保護，保證城市生態(tài)安全。