基于MSPA的城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施景觀格局時空變化分析

周士鋒， 唐蒲霞， 郭 悅， 張雪瑩， 孔德政

（1.河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，鄭州 451450； 2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)風(fēng)景園林與藝術(shù)學(xué)院，鄭州 450000）

隨著城市的快速發(fā)展，城市建設(shè)用地和人口規(guī)模不斷擴(kuò)張，人類的活動空間日益侵占著生物的活動空間，景觀破碎化、熱島效應(yīng)、大氣污染、生物多樣性減少等各種城市發(fā)展問題不斷顯現(xiàn)［1-2］. 綠色基礎(chǔ)設(shè)施（Green Infrastructure，GI）是以自然生命系統(tǒng)為支撐，將城市內(nèi)部及其周邊具有生態(tài)系統(tǒng)功能的自然、半自然綠色開放性空間相互連接而構(gòu)成的綠色空間網(wǎng)絡(luò). GI由生態(tài)源地、生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點(diǎn)組成，它能夠改善生態(tài)環(huán)境、提升景觀功能、促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展［3-5］. 由于GI中的景觀類型和景觀結(jié)構(gòu)的變化都會對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的發(fā)揮產(chǎn)生影響，因此有必要對其景觀類型和景觀結(jié)構(gòu)的時空變化進(jìn)行研究.

國內(nèi)外學(xué)者對GI的研究涵蓋了GI網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建及優(yōu)化［6-8］、GI的內(nèi)涵和特征［9］、不同年份GI網(wǎng)絡(luò)的演變趨勢［10］等方面. 近年來較多學(xué)者開始采用形態(tài)學(xué)空間格局分析（Morphological Spatial Pattern Analysis，MSPA）方法對GI 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析. MSPA 法是一種基于腐蝕、膨脹等數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)原理的數(shù)字圖像處理方法，它將林地、草地等自然生態(tài)要素作為前景，建設(shè)用地等非生態(tài)要素作為背景，經(jīng)過處理后將GI景觀分為7種互不重疊的景觀類型［11］. 與傳統(tǒng)景觀格局指數(shù)分析方法相比，MSPA法可以從單一的土地利用類型圖中識別出景觀的類型和結(jié)構(gòu)特征，具有要求數(shù)據(jù)量少、分析簡單、分析結(jié)果可視化等優(yōu)點(diǎn)，因此其在景觀生態(tài)等方面的研究中具有較強(qiáng)的適用性［12-13］. 黃河等［14］使用MSPA 法、連通性分析法和最小累積阻力模型對福州市的生態(tài)源地和廊道進(jìn)行了提取，并構(gòu)建了GI網(wǎng)絡(luò). 謝于松等［15］基于MSPA法對四川省13個城市的GI網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀進(jìn)行分級和評估，并對不同GI網(wǎng)絡(luò)等級提出針對性保護(hù)建議. 于亞平等［16］采用MSPA法對南京市3個時期的GI網(wǎng)絡(luò)時空格局變化進(jìn)行了定量分析和評價. 邱瑤等［17］運(yùn)用MSPA法對深圳市GI網(wǎng)絡(luò)要素功能及等級進(jìn)行識別，并對GI網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分級規(guī)劃和建設(shè).

近年來，隨著鄭州市城鎮(zhèn)化水平的提高以及城市人口的快速增長，鄭州市越來越多的耕地被占用，生物多樣性逐漸減少，生態(tài)安全也逐漸受到威脅，城市化發(fā)展進(jìn)程面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn). 鄭州市沿黃河南岸六區(qū)縣是鄭州市北部重要的生態(tài)屏障，承擔(dān)著國家政府層面針對黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的戰(zhàn)略任務(wù)，也是河南省“1+4”鄭州大都市區(qū)建設(shè)的核心發(fā)展區(qū)域. 故本研究以鄭州市沿黃河南岸六區(qū)縣為研究區(qū)，基于景觀生態(tài)學(xué)理論，運(yùn)用MSPA方法和景觀格局指數(shù)法，對研究區(qū)1997年、2009年、2019年的綠色基礎(chǔ)設(shè)施景觀格局進(jìn)行了定量比較分析，以探究其時空演變趨勢. 本研究可為研究區(qū)未來GI景觀格局的規(guī)劃提供新的思路.

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處黃河下游，鄭州市北部，位于東經(jīng)112°49′～114°12′，北緯34°26′～34°59′，主要包括鞏義市、滎陽市、上街區(qū)、金水區(qū)、惠濟(jì)區(qū)和中牟縣境內(nèi)全部區(qū)域（圖1）. 研究區(qū)總面積約3 868.47 km2，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫14 ℃，年均降雨量640 mm，汛期主要集中在每年的6—9月. 研究區(qū)的自然環(huán)境良好，動植物資源豐富.

圖1 研究區(qū)范圍Fig.1 Scope of the study area

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

研究區(qū)1997年、2009年和2019年這3期的遙感影像數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn）.在遙感圖像處理軟件中進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、波段提取等預(yù)處理，得到分辨率為30 m的土地利用數(shù)據(jù). 參考Google Earth高分辨影像，采用人機(jī)交互目視解譯法，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《土地利用現(xiàn)狀分類》（GB/T 2010—2017）將研究區(qū)土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地及未利用地六大類. 監(jiān)督分類方法選用最大似然法.

2.2 基于形態(tài)學(xué)空間格局分析（MSPA）方法的GI景觀格局時空變化分析

首先通過ArcMap 中的重分類工具，將研究區(qū)耕地、林地、草地、水域重新賦值為2，作為前景；其他土地利用類型重新賦值為1，作為背景，通過一系列處理后得到柵格單元大小為30 m×30 m的研究區(qū)土地利用類型圖（圖2）. 然后通過Guidos 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行八鄰域MSPA 分析，MSPA的景觀類型及其生態(tài)學(xué)含義如表1所示. 最后基于研究區(qū)1997年、2009年、2019年這3期的土地利用類型圖，提取出林地、草地等自然生態(tài)要素作為前景，建設(shè)用地等非自然生態(tài)要素作為背景，繪制出研究區(qū)的MSPA景觀類型圖，并對研究區(qū)的GI景觀時空格局變化進(jìn)行定量分析.

圖2 1997—2019年研究區(qū)土地利用類型圖Fig.2 Land use types of the study area from 1997 to 2019

表1 MSPA的景觀類型及其生態(tài)學(xué)含義Tab.1 Landscape types of MSPA and their ecological implications

2.3 基于景觀格局指數(shù)法的GI景觀格局時空變化分析

景觀格局指數(shù)法是對區(qū)域景觀格局的變化進(jìn)行分析的一種方法［18-20］. 結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況，最終選取斑塊數(shù)量（NP）、最大斑塊指數(shù)（LPI）、景觀形態(tài)指數(shù)（LSI）、蔓延度指數(shù)（CONTAG）、香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）和香農(nóng)均勻度指數(shù)（SHEI）這6個指標(biāo)來對研究區(qū)的GI景觀格局時空變化進(jìn)行定量分析，相關(guān)計(jì)算借助Fragstats4.2軟件完成.

2.4 GI核心區(qū)景觀連通性分析

GI斑塊的重要程度主要從GI斑塊面積和GI斑塊景觀連通性兩方面來判斷. 景觀連通性是衡量GI斑塊是否有利于物種遷移的一項(xiàng)指標(biāo). 利用Conefor 2.6軟件，以整體連通性（IIC）、可能連通性（PC）和斑塊重要性（dPC）為評價指標(biāo)，參考相關(guān)文獻(xiàn)將連接距離閾值設(shè)為1000 m，連接概率設(shè)為0.5，以分析研究區(qū)GI核心區(qū)的景觀連通性. 根據(jù)對研究區(qū)GI核心區(qū)各斑塊的景觀連通性評價結(jié)果，結(jié)合GI核心區(qū)各斑塊的面積，提取出面積大于5 km2且dPC≥1的斑塊作為一級GI斑塊，面積大于1 km2且dPC≥0.1的斑塊作為二級GI斑塊，剩下的GI核心區(qū)斑塊作為三級GI斑塊.

3 研究結(jié)果與分析

3.1 基于MSPA方法的GI景觀格局時空變化分析

研究區(qū)1997年、2009年、2019年三個時期的MSPA景觀類型圖如圖3所示. 可以看出，由于建設(shè)用地的不斷增加，1997—2019年研究區(qū)的GI總面積先增加后減少，且總體上呈減少的趨勢. 研究期內(nèi)研究區(qū)的大型GI斑塊面積逐漸減少并逐漸趨于破碎化. GI核心區(qū)主要分布在研究區(qū)的東西兩側(cè)，兩極分化明顯，分析原因可能是：①研究區(qū)西南部是跨越鞏義和滎陽的嵩山山脈，林地為其主要景觀類型；②研究區(qū)東南部為中牟縣，其中有大面積耕地覆蓋；③研究區(qū)中部為惠濟(jì)區(qū)和金水區(qū)，屬于鄭州市中心城區(qū)范圍，1997—2019年隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，鄭州市中心城區(qū)內(nèi)建設(shè)用地的面積不斷增加. 受城市擴(kuò)張和大范圍分布的裸地的影響，1997—2019年研究區(qū)中部區(qū)域的GI斑塊破碎化程度加深，導(dǎo)致研究區(qū)東西部GI斑塊間的物種遷移和擴(kuò)散受阻，在今后需要注重對研究區(qū)中部區(qū)域GI網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充.

圖3 1997—2019年研究區(qū)MSPA景觀類型圖Fig.3 MSPA landscape type map of the study area from 1997 to 2019

由表2可知，1997—2019年研究區(qū)的GI總面積先增加后減少，且總體上呈減少趨勢. 2009年研究區(qū)的GI總面積最大，其主要原因是在城市擴(kuò)張中，研究區(qū)的未利用地被不斷開發(fā)利用并轉(zhuǎn)換為其他用地. 2019年研究區(qū)的GI總面積最小，說明隨著城市的快速發(fā)展，建設(shè)用地不斷擴(kuò)張，研究區(qū)內(nèi)大量的綠色空間被侵占.1997—2019年研究區(qū)GI核心區(qū)的面積也先增加后減少，且總體上呈減少的趨勢. 2009年研究區(qū)GI核心區(qū)的面積為2 325.29 km2，比1997 年增加了656.41 km2，這主要是因?yàn)樵诔鞘邪l(fā)展過程中，研究區(qū)內(nèi)未利用地被不斷開發(fā)和利用并轉(zhuǎn)換為耕地、草地等. 2019 年研究區(qū)GI 核心區(qū)的面積為1 259.12 km2，比2009 年減少了1 066.17 km2，分析原因可能是氣候環(huán)境變化及對土地資源的不合理利用導(dǎo)致研究區(qū)的生態(tài)退化.

表2 1997—2019年研究區(qū)MSPA景觀類型的面積變化Tab.2 Area changes of MSPA landscape types in the study area from 1997 to 2019

結(jié)合圖2 可知，雖然GI 核心區(qū)各土地利用類型中耕地的面積逐年遞減，但其始終是GI 核心區(qū)的主要土地利用類型，同時草地面積逐漸增加并成為GI 核心區(qū)的主要土地利用類型之一. 研究期內(nèi)研究區(qū)的橋接區(qū)面積先減少后增加，且總體上呈增加的趨勢，1997 年橋接區(qū)面積占研究區(qū)GI 總面積的5.21%，2019 年橋接區(qū)面積占研究區(qū)GI 總面積的7.77%，增加了2.56%. 邊緣區(qū)和孔隙分別是GI 斑塊的外部邊緣和內(nèi)部邊緣，均為起緩沖作用的區(qū)域. 邊緣區(qū)面積占研究區(qū)GI 總面積的比例從1997 年的10.75%增加到2019 年的17.79%，增加了7.04%；孔隙面積占研究區(qū)GI 總面積的比例從1997 年的6.93%減少到2019 年4.48%，減少了2.45%. 邊緣區(qū)面積的增加表明核心區(qū)域與外圍非綠色空間之間的過渡帶在增加，能夠在一定程度上減弱人類活動的干擾；孔隙為核心區(qū)內(nèi)部的非生態(tài)用地，孔隙面積的減少表明GI 斑塊內(nèi)部的生態(tài)空間得到改善. 1997—2019 年孤島面積占研究區(qū)GI 總面積的比例增加了0.47%，這說明研究區(qū)內(nèi)GI 斑塊的破碎化程度增加. 研究期內(nèi)研究區(qū)環(huán)道及支線面積均呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢，其中支線面積占研究區(qū)GI總面積的比例由1997 年的4.63%增加到2019年的6.47%，增加了1.84%，這說明研究區(qū)內(nèi)GI 斑塊間具有較差的連通性.

3.2 基于景觀格局指數(shù)法的GI景觀格局時空變化分析

1997—2019年研究區(qū)的景觀格局指數(shù)計(jì)算結(jié)果如表3所示.

表3 1997—2019年研究區(qū)景觀格局指數(shù)的變化Tab.3 Changes of landscape pattern indices in the study area from 1997 to 2019

斑塊數(shù)量（NP）常用來表示景觀中某一景觀類型的斑塊總數(shù). 1997 年研究區(qū)的斑塊總數(shù)為5839 個，2009年為7664個，2019年為8110個，即1997—2019年研究區(qū)的斑塊數(shù)量呈不斷增加的趨勢，表明研究期間研究區(qū)的景觀破碎化程度不斷加深.

最大斑塊指數(shù)（LPI）可以反映出某一斑塊類型中的最大斑塊面積與斑塊總面積的比例. 1997—2019年研究區(qū)的LPI先減小后增加，但總體上呈減小趨勢，表明研究區(qū)的大斑塊面積趨于減小分散，GI斑塊破碎化程度增加. 從1997—2019年研究區(qū)的NP和LPI變化趨勢可以看出，隨著人類活動的加強(qiáng)，研究期內(nèi)研究區(qū)GI斑塊的破碎化程度加深.

景觀形態(tài)指數(shù)（LSI）用來描述景觀形狀的復(fù)雜程度. 1997—2019研究區(qū)的LSI明顯增加，說明研究區(qū)的GI斑塊邊界變長且趨于不規(guī)則，即研究區(qū)GI斑塊的景觀破碎化程度增加.

蔓延度指數(shù)（CONTAG）指各類景觀斑塊的凝聚程度. 研究期內(nèi)研究區(qū)的CONTAG 不斷減小，說明1997—2019年研究區(qū)GI斑塊的景觀聚集性、團(tuán)聚程度減弱.

香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）常用來反映景觀類型的豐富和復(fù)雜程度. 香農(nóng)均勻度指數(shù)（SHEI）主要用來反映景觀中各斑塊類型在面積上的分布均勻程度. 1997—2019年研究區(qū)的SHDI和SHEI均呈增加趨勢，表明研究期間研究區(qū)GI斑塊的景觀類型更加豐富，并趨于均勻分布，景觀異質(zhì)性增加，分析原因可能是：1997—2019年研究區(qū)內(nèi)建設(shè)用地和草地的面積增加，耕地和未利用地的面積減少，各類GI要素結(jié)構(gòu)趨于均衡且所占比例差異逐漸縮小. 研究區(qū)的SHDI和SHEI在1997年時最低，是因?yàn)榇藭r人類對研究區(qū)的開發(fā)利用強(qiáng)度還較小，對研究區(qū)的GI影響也相對較弱.

3.3 GI核心區(qū)景觀連通性分析

根據(jù)1997—2019年研究區(qū)GI核心區(qū)各斑塊的景觀連通性分析結(jié)果，結(jié)合GI核心區(qū)各斑塊的面積，對不同時期研究區(qū)GI核心區(qū)的斑塊進(jìn)行分級（圖4）. 一級GI斑塊是重要的綠色基礎(chǔ)設(shè)施生態(tài)保護(hù)區(qū)域. 由圖4可知，1997—2019年研究區(qū)內(nèi)的一級GI斑塊面積呈先增加后減少的趨勢，1997—2009年研究區(qū)內(nèi)一級GI斑塊的覆蓋范圍從黃河流域南岸逐漸擴(kuò)大到研究區(qū)東西部的大部分地區(qū)，2019年一級GI斑塊主要分布于研究區(qū)的東西部，少量分布于研究區(qū)西北部的嵩山山脈和邙嶺區(qū)域、東部的大面積農(nóng)田區(qū)域和觀鳥林森林公園區(qū)域內(nèi)、北部的黃河及鄭州黃河濕地公園區(qū)域. 1997—2019年研究區(qū)內(nèi)的二級GI斑塊面積和三級GI斑塊面積整體呈減少趨勢. 1997年研究區(qū)二級GI斑塊主要分布于中牟縣及滎陽市中部地區(qū)，到2019年則零散分布于研究區(qū)內(nèi)，二級GI斑塊主要由部分農(nóng)田、林地等大型自然開發(fā)空間構(gòu)成，雖然二級GI斑塊的面積和連通性弱于一級GI斑塊，但其同樣具有較高的生態(tài)功能. 1997—2019年研究區(qū)內(nèi)的三級GI斑塊分布較為均勻，在研究區(qū)內(nèi)的各區(qū)域均有分布，且面積較小、十分分散，不利于研究區(qū)內(nèi)東西兩側(cè)的生物交流與溝通，但可以作為居民日常休憩娛樂的空間. 總體上看，1997—2019年研究區(qū)GI核心區(qū)的斑塊數(shù)量呈下降趨勢，從而導(dǎo)致研究區(qū)東西部的景觀連通性較差.

圖4 1997—2019年研究區(qū)GI核心區(qū)的GI斑塊分級結(jié)果Fig.4 GI patch classification results for the GI core area in the study area from 1997 to 2019

3.4 驅(qū)動力分析

3.4.1 社會經(jīng)濟(jì)因素

近幾年鄭州市經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，據(jù)統(tǒng)計(jì)，1997—2019 年鄭州市的國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）由566 億元提高到11 589.7億元. 經(jīng)濟(jì)水平的提升會促使人們對于物質(zhì)文化、精神文化的要求更高. 在此影響下，鄭州市大量的耕地、草地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地和未利用地，從而導(dǎo)致鄭州市GI景觀格局的改變. 2016年鄭州市開始進(jìn)行大都市區(qū)建設(shè)，研究區(qū)域則是鄭州市大都市區(qū)建設(shè)的中心區(qū)域，故研究區(qū)內(nèi)的建設(shè)用地面積開始迅速增加. 鄭州市在向北擴(kuò)張的同時，其基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也在不斷加強(qiáng)，耕地不斷向建設(shè)用地、草地等土地利用類型轉(zhuǎn)換.建設(shè)用地中道路的開發(fā)會破壞景觀的連通性，研究期間研究區(qū)內(nèi)快速路、主干路（如黃河公路大橋、鄭云高速等）的逐步建設(shè)，導(dǎo)致研究區(qū)GI斑塊的破碎化程度增加.

3.4.2 人口因素

人類活動會給自然生態(tài)、GI景觀格局直接造成影響，是GI景觀格局演變的主要驅(qū)動因素. 據(jù)統(tǒng)計(jì)，2001年研究區(qū)的人口為307.3萬人，2019年研究區(qū)的人口增加到384.5萬人. 人口的快速增長會加速城市的建設(shè)活動，迫使城市不斷向外擴(kuò)張以滿足人類活動的需要，而建設(shè)用地的日益增加會導(dǎo)致林地、草地等綠化用地的減少，進(jìn)而會影響研究區(qū)的GI景觀格局.

4 結(jié)論

以鄭州市沿黃河南岸六區(qū)縣為研究區(qū)，基于MSPA法和景觀格局指數(shù)法分析了1997—2019年研究區(qū)綠色基礎(chǔ)設(shè)施景觀格局的時空變化，得出結(jié)論如下：

1）1997—2019年，研究區(qū)GI核心區(qū)面積及GI總面積均先增加后減少，且總體呈減少趨勢，研究區(qū)東西部之間的GI斑塊連通性較弱，兩極分化明顯，GI斑塊趨于破碎化. GI核心區(qū)中的大型斑塊一般是GI網(wǎng)絡(luò)中的生態(tài)源地，對于生物的生存和繁衍具有重要意義，因此在城市發(fā)展過程中，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對GI核心區(qū)的保護(hù).

2）景觀格局指數(shù)分析結(jié)果表明，1997—2019年研究區(qū)GI斑塊的NP、SHDI、LSI和SHEI持續(xù)增長，CONTAG持續(xù)下降，LPI則先快速減少后緩慢回升，說明近23年來人類活動對研究區(qū)自然生態(tài)系統(tǒng)的干擾強(qiáng)度增大，研究區(qū)GI斑塊的景觀破碎化程度加深，景觀形態(tài)趨于復(fù)雜化，景觀異質(zhì)性增加，景觀連通性降低，這與MSPA分析結(jié)果一致.

3）根據(jù)GI核心區(qū)景觀連通性分析結(jié)果對研究區(qū)GI核心區(qū)的GI斑塊進(jìn)行了分級，并指出了各級GI斑塊的重要性. 在接下來的城市發(fā)展與城市規(guī)劃當(dāng)中，鄭州市應(yīng)以黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展為契機(jī)，加強(qiáng)對一級GI斑塊的保護(hù)，同時要對二級GI斑塊中的綠色開發(fā)空間進(jìn)行修復(fù)和建設(shè)，另外還可通過增加三級GI斑塊的面積來優(yōu)化景觀連通性，從而可對黃河沿岸的綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，以探尋城市發(fā)展與生態(tài)保護(hù)的平衡點(diǎn).