城市擴(kuò)張對城鄉(xiāng)景觀格局的影響快速城市化進(jìn)程中城市擴(kuò)張對景觀格局分異特征的影響

城市擴(kuò)張對城鄉(xiāng)景觀格局的影響快速城市化進(jìn)程中城市擴(kuò)張對景觀格局分異特征的影響

隨著我國城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，建筑、交通等人工景觀區(qū)的規(guī)模不斷擴(kuò)大。城市人工景觀的特征逐漸滲透到城市周邊的自然和半自然景觀。這是快速城市化地區(qū)景觀的顯著變化特征。目前,對城市化過程中土地?cái)U(kuò)展研究主要有3類方法。其中,最主要的是基于RS與GIS技術(shù)分析城市空間擴(kuò)展監(jiān)測法,主要是利用遙感影像等信息資源,基于GIS技術(shù)和單元自動演化方法等對城市擴(kuò)張進(jìn)行監(jiān)測,并探討城市擴(kuò)張發(fā)展趨勢等。而針對城市人工景觀擴(kuò)展對城鄉(xiāng)整體景觀格局影響的研究并不深入,因?yàn)槌鞘芯坝^格局的變化受經(jīng)濟(jì)、人口、政策等多方面的影響,相關(guān)研究的重點(diǎn)大都放在這些外界影響因素上,忽略了城市擴(kuò)張本身對城市的空間結(jié)構(gòu)的影響。其次,城市空間發(fā)展模式研究主要基于歷史和現(xiàn)狀總結(jié)得出,按主導(dǎo)因子法、幾何形態(tài)法劃分法等模式將城市劃分為不同擴(kuò)展模式,并通過綜合性研究探討城市空間擴(kuò)展驅(qū)動力等。此外,城市擴(kuò)展模型分析法利用CA(CellularAutomata),SD(SystemDynamics)等系統(tǒng)模型對城市擴(kuò)展與經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)關(guān)系進(jìn)行分析研究。同時,相關(guān)研究對象都集中在北京、上海、廣州等特大型城市,缺乏對中小型城市空間擴(kuò)展的相關(guān)定量研究分析,在城市擴(kuò)張研究中的新方法與新技術(shù)的研究與應(yīng)用也是在當(dāng)今快速城市化進(jìn)程下需要解決的重要內(nèi)容。昆山市(120°48′21″—121°09′04″E、31°06′34″—31°32′36″N),地處江蘇省東部、緊鄰上海,屬我國東部沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū),2009年實(shí)現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)總值高居全國各縣(縣級市)之首,是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)程最快速的中小型城市之一。目前龍花樓、丁日成等人已經(jīng)對昆山市早期土地利用變化進(jìn)行分析,并對城市空間發(fā)展現(xiàn)狀及其增長動力進(jìn)行了一定的研究,但缺乏城鄉(xiāng)一體化背景下對城市擴(kuò)張與城市空間格局變化之間內(nèi)在聯(lián)系的探索。研究城市擴(kuò)張對城市景觀格局的影響,也是在看似簡單無序的斑塊鑲嵌的景觀上,發(fā)現(xiàn)潛在的有意義的規(guī)律性及其形成機(jī)制,對認(rèn)識城鄉(xiāng)景觀格局的演變規(guī)律以及統(tǒng)籌城鄉(xiāng)的協(xié)調(diào)發(fā)展有十分重要的意義。本研究以江蘇省昆山市為研究對象,在傳統(tǒng)利用RS與GIS技術(shù)監(jiān)測法的基礎(chǔ)上提取、分析出昆山市1985—2008年23年間城鄉(xiāng)景觀格局變化以及城市擴(kuò)展情況,并在兩者間找尋其內(nèi)在的聯(lián)系性,從而探討昆山城市化對城鄉(xiāng)景觀格局的影響情況。中小型城市與特大城市在城市擴(kuò)展的模式以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)性上存在一定的差別,但相關(guān)學(xué)者對我國城市擴(kuò)張相關(guān)研究多集中于特大城市,而針對快速城市化的中小型城鎮(zhèn)的定量研究較少,因而本研究選取昆山市作為研究區(qū)域具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。1基于遙感影像的城市擴(kuò)張測量本研究采用Landsat遙感數(shù)據(jù)TM影像圖,獲取時間分別為1985、1995、2000、2004、2008年,成像時間分別為4—6月間(其中1985年和1995年兩期1∶100000昆山市土地利用/覆蓋(LUCC)數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)庫)。運(yùn)用遙感圖像處理軟件Envi4.0對遙感影像進(jìn)行坐標(biāo)變化、幾何校正、影像增強(qiáng)等數(shù)據(jù)預(yù)處理工作。采取計(jì)算機(jī)監(jiān)督分類與人工實(shí)地調(diào)查相結(jié)合的方法,并在ArcGIS9.0工作平臺之上進(jìn)行人工交互解譯,根據(jù)研究目的以及研究區(qū)域的特點(diǎn)將景觀類型劃分為人工景觀(城鎮(zhèn)居住區(qū)、農(nóng)村居民點(diǎn)、工商交通用地)、半自然景觀(綠地景觀、農(nóng)業(yè)用地、人工水域)、自然景觀(林地、自然水體)3大形式8類用地。由于城市擴(kuò)張過程中景觀格局的變化主要表現(xiàn)為景觀破碎以及各類用地的擴(kuò)散-集聚現(xiàn)象,因而將研究區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格化劃分(每個網(wǎng)格大小為1km×1km),這樣整個研究區(qū)域就可以被劃分為26×36個網(wǎng)格,對每個網(wǎng)格分別計(jì)算其人工景觀用地的擴(kuò)張比率,從而得到1985年到2008年間,各時間點(diǎn)城市擴(kuò)張量的變化情況。再通過Fragstate3.3與ImageAnalyzer1.0景觀生態(tài)指數(shù)分析軟件,對研究區(qū)23年間多項(xiàng)景觀生態(tài)指數(shù)進(jìn)行分析(表1)。最后對各項(xiàng)景觀指標(biāo)值與相對應(yīng)的平均城市擴(kuò)展量進(jìn)行回歸分析,探討它們之間的相關(guān)性。2結(jié)果分析2.1不同景觀類型的斑塊變化通過對1985、1995、2000、2004、2008年昆山市景觀類型及面積變化的統(tǒng)計(jì)分析得出:以城鎮(zhèn)居住區(qū)、農(nóng)村居民點(diǎn)、工商交通用地等建設(shè)用地組成的人工景觀類型主要由中部核心區(qū)向外輻射性擴(kuò)展且面積增幅最大,由1985年占總面積的5.67%增加到2008年的30.64%(表2);綠地、人工水域、農(nóng)業(yè)用地等半自然的景觀類型占主要部分,且呈現(xiàn)遞減的趨勢,由86.52%減少到61.39%;林地、自然水域構(gòu)成的自然景觀類型占較小比例,在這23a間的面積變化基本保持穩(wěn)定不變。一定程度上反映出,在自然景觀較好的保護(hù)與被修復(fù)的情況下,半自然景觀向人工建設(shè)用地轉(zhuǎn)變,建設(shè)用地呈不斷增長擴(kuò)張的狀態(tài)(下頁圖1和本頁圖2)。23年間,城市斑塊密度(PD)與景觀斑塊數(shù)量破碎度指數(shù)(FN)逐年加劇(表3),景觀破碎化程度呈上升趨勢,表明昆山市域景觀演化過程中人為干擾強(qiáng)度的不斷加大。最大斑塊面積指數(shù)(LPI)的下降,可以反映出耕地景觀作為城鎮(zhèn)主要景觀類型的主導(dǎo)地位正在弱化。邊緣密度(ED)整體處于下降趨勢,但人工景觀類型基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。自然景觀類型的景觀分離度(FI)的增加,說明自然景觀斑塊呈離散的狀態(tài)。林地景觀自然衰退或遭破壞后會斷轉(zhuǎn)化為其它景觀類型,同類型斑塊分散程度就降低。而在快速城市化這一背景下,人工景觀的斑塊逐步呈集聚狀的發(fā)展趨勢。城鎮(zhèn)居住區(qū)與農(nóng)村居民點(diǎn)的不斷增加,受可開發(fā)利用土地資源量的限制,斑塊之間距離縮進(jìn),其景觀分離度也成下降趨勢。2.2斑塊密度的比較圖3顯示的是城市斑塊密度指數(shù)與城市擴(kuò)張量之間的線性相關(guān)性。由圖可見,利用簡單的直線方程可較好的表達(dá)兩者的相關(guān)性,且二次方程式結(jié)果與直線方程一樣也有很好的擬合性,兩組方程式R2均大于0.99。說明斑塊密度的變化水平對非人工景觀向建設(shè)用地轉(zhuǎn)化比率的影響行為具有較強(qiáng)的普遍意義。城市擴(kuò)張量在0到0.15間,斑塊密度取值在0.5至0.25間,相對較為穩(wěn)定集中;當(dāng)城市擴(kuò)張量達(dá)到0.2到0.25時,斑塊密度較高且取值在2至4間。這是因?yàn)樵诔鞘袛U(kuò)張的初期主要是圍繞城市核心發(fā)展,到2000年以后出現(xiàn)了跳躍式發(fā)展。由圖4可見,自然景觀類型斑塊密度的變化趨勢基本同于城市斑塊密度與城市擴(kuò)張量之間的相關(guān)性。比較圖3與圖4中的線性方程,可以看出城市景觀斑塊密度的傾斜度11.117大于自然景觀的6.202,說明城市自然景觀類型的斑塊密度破碎化程度及速率要小于城市整體斑塊密度破碎化趨勢。通過比較自然與城市整體兩次方程式可以看出,城市斑塊密度方程式系數(shù)k為-10.261,函數(shù)式呈上升狀反映出城市斑塊密度開始呈穩(wěn)步上升趨勢且到接近高點(diǎn)時呈快速上升趨勢,經(jīng)過最高點(diǎn)后則呈下降趨勢,說明目前城市斑塊密度還處于逐步增加的過程,但當(dāng)城市擴(kuò)張量接近頂點(diǎn)坐標(biāo)(-b/2a=0.65)時,斑塊破碎度則呈下降趨勢;自然景觀類型的斑塊密度系數(shù)k為25.228,函數(shù)式也呈上升狀反映出自然景觀斑塊密度、破碎化程度呈增長趨勢。2.3城市景觀類型的利用景觀破碎度能反映出景觀被破碎分割的程度。城市整體景觀破碎度逐年增加,從1985年的0.0369增加到2004年的0.0843,但在2004年到2008年這4年間,城市斑塊自然景觀類型FN值急速增加到0.1715。主要是由于城市建設(shè)的快速發(fā)展,城市中各種景觀類型的相互滲入以及小斑塊的聚集、合并。在城市化的發(fā)展過程中,對自然景觀類型的合理利用與保護(hù)是尤為重要的。在圖5中R2均低于0.9,說明城市擴(kuò)張量與自然景斑塊破碎度相關(guān)性不高,且反映出昆山1985至2008年間自然景觀斑塊破碎程度不高,區(qū)間范圍在0.003到0.006之間。當(dāng)城市擴(kuò)張量在0到0.15的區(qū)間內(nèi)FN呈上升趨勢且最高值達(dá)0.006,反映出隨著城市建設(shè)的擴(kuò)展,城市自然資源也同樣受到影響,破碎程度逐年增加。當(dāng)城市擴(kuò)張量達(dá)到0.2時,自然景觀破碎度表現(xiàn)出下降趨勢,反映出在城市化快速發(fā)展的過程中,對自然資源、自然環(huán)境通過人工干預(yù)、人工恢復(fù)等途徑起到了積極的作用。如對林地的人工恢復(fù)與保護(hù)措施、拆除人工侵占湖泊水域的圍堰等,加強(qiáng)了相關(guān)的陸地生態(tài)系統(tǒng)與水生態(tài)系統(tǒng)等生態(tài)恢復(fù)工作,因而增加了自然水面、林地等斑塊的完整性。2.4次相關(guān)性的分析圖6顯示的人工景觀最大斑塊指標(biāo)與城市擴(kuò)張量之間的相關(guān)性。分析發(fā)現(xiàn)其與城市增長量的線性與二次相關(guān)性函數(shù)式的R2分別為0.9337、0.9849。二次相關(guān)性要高于簡單的線性關(guān)性。在二次函數(shù)式中曲線弧頂值為城市最大斑塊指標(biāo)與城市擴(kuò)張量關(guān)系變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn),當(dāng)城市擴(kuò)張量指標(biāo)值大于弧頂值時(0.261),人工景觀即建筑用地斑塊最大值隨建設(shè)用地?cái)U(kuò)張量增大而增大,當(dāng)城市擴(kuò)張量小于弧頂值時,情況相反。說明在一定時間范圍內(nèi)城市增長更加破碎化,新增建設(shè)用地的凝聚程度不斷降低,但隨城市建設(shè)的發(fā)展,人工最大景觀斑塊又會成增大的趨向。2.5城市擴(kuò)張量對斑塊分散程度的影響景觀分離度指數(shù)是指斑塊個體空間分布的離散(或集聚)程度,由圖7(a)可見,隨著城市擴(kuò)張量的增加城市景觀分離度呈下降趨勢,表示各類斑塊之間的距離越來越來越小,斑塊越聚集。人工景觀在快速城市化這一背景下,景觀類型數(shù)量增加距離趨近,這是因?yàn)榻陙砝ド绞卸a(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展,農(nóng)業(yè)等景觀類型逐步向工商業(yè)及交通用地轉(zhuǎn)變,新的建設(shè)用地主要在原有的基礎(chǔ)上向附近擴(kuò)張。城鎮(zhèn)居住區(qū)與農(nóng)村居民點(diǎn)的不斷增加,受可開發(fā)利用土地資源量的限制,斑塊之間距離縮進(jìn),其景觀分離度也成下降的趨勢。林地等景觀自然衰退或遭破壞后會斷轉(zhuǎn)化為其它景觀類型,同類型斑塊分散程度亦降低。由圖7(b)可見城市邊緣密度與其擴(kuò)張量具有一定的二次相關(guān)性。當(dāng)城市擴(kuò)張量增加時,城市邊緣密度指數(shù)呈下降趨勢,邊緣密度指數(shù)密度越小,表示斑塊與外界物質(zhì)能量的交換程度越低,斑塊內(nèi)部就越不穩(wěn)定。其中,人工景觀類型卻逐步趨于穩(wěn)定狀態(tài)。這反映了城市化過程中工商業(yè)及交通用地的不斷擴(kuò)展且不斷趨于最為穩(wěn)定的景觀結(jié)構(gòu),而農(nóng)業(yè)用地及自然景觀類型的ED呈下降趨勢,正體現(xiàn)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)和自然生態(tài)系統(tǒng)會向城市生態(tài)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化。3強(qiáng)陣風(fēng)鋒的趨勢變化,主要表現(xiàn)為從1985年到2008年,昆山市域范圍的半自然景觀向人工景觀、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)向城市生態(tài)系統(tǒng)逐年快速轉(zhuǎn)變,主要表現(xiàn)在農(nóng)業(yè)景觀面積的大幅減少、工商業(yè)及交通用地的集聚增加,各景觀類型的破碎度增加,分離度減小。城市人工景觀面積由1985到2008年增長約5.41倍,城市擴(kuò)張量由5.67%增長到30.65%;斑塊密度指數(shù)增幅約4.47倍、景觀破碎度指數(shù)增幅達(dá)4.65倍;最大斑塊面積指數(shù)、邊緣密度指數(shù)、景觀分離度指數(shù)呈下降趨勢,變幅分別為41.47%、64.71%、44.92%。這一系列的較大變幅反映出由于城市人口的增長,城市建設(shè)的大規(guī)模發(fā)展,人工建筑以及生活設(shè)施的不斷擴(kuò)張,無序化的人類活動,使得城鄉(xiāng)景觀完整與連續(xù)性遭到破壞,產(chǎn)生諸多矛盾。研究還從探討城市景觀格局所反映的城市土地利用的空間結(jié)構(gòu)對城市擴(kuò)張影響出發(fā),分析了多種景觀指標(biāo)與城市擴(kuò)張相關(guān)性。研究發(fā)現(xiàn)景觀格局指標(biāo)中的斑塊密度、景觀破碎度、最大斑塊、邊緣密度等指標(biāo)與建設(shè)用地增長之間存在明顯相關(guān)性,其決定性系數(shù)R2值分別達(dá)0.9945、0.9