西寧市土地利用動(dòng)態(tài)變化與景觀破碎化時(shí)空演變

西寧市土地利用動(dòng)態(tài)變化與景觀破碎化時(shí)空演變

景觀破碎化是指由自然或人為因素引起的，在外部影響下，原連續(xù)的景觀元素逐漸變化為許多相互分離的不連續(xù)性區(qū)塊，表現(xiàn)為區(qū)塊數(shù)量增加、平均面積縮小、形狀不規(guī)則、異質(zhì)性改善等生態(tài)空間現(xiàn)象。這是土地利用的外部表現(xiàn)。景觀破碎化在城市擴(kuò)張的前沿地帶和城鄉(xiāng)過(guò)渡地帶表現(xiàn)最為顯著和劇烈,其實(shí)質(zhì)是人為因素與非人為因素長(zhǎng)期協(xié)同作用的結(jié)果。隨著信息科學(xué)的發(fā)展及遙感等空間技術(shù)的廣泛應(yīng)用,對(duì)景觀破碎化定量化、多尺度、時(shí)空相結(jié)合的研究成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)［1－6］。應(yīng)用景觀生態(tài)學(xué)原理進(jìn)行區(qū)域土地利用的景觀破碎化研究,對(duì)認(rèn)識(shí)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性、景觀變異特征、人類(lèi)活動(dòng)干擾的強(qiáng)度提供了有效的手段;為區(qū)域資源的合理利用提供科學(xué)依據(jù),最終實(shí)現(xiàn)景觀的可持續(xù)利用?，F(xiàn)有的景觀破碎化問(wèn)題的研究主要集中在長(zhǎng)江三角洲、吉林省、北京、天津、深圳、廣州、鄭州等東部和中部經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的地區(qū)和城市［7－15］,針對(duì)西北部欠發(fā)達(dá)地區(qū)和城市的研究尚顯不足［16－19］。西部地區(qū)城市多處于我國(guó)的第一與第二階梯過(guò)渡帶,屬于生態(tài)脆弱區(qū)。在快速城市化過(guò)程中,西部城市的景觀破碎化問(wèn)題更值得關(guān)注。文中以青海省省會(huì)西寧市城區(qū)為例,基于Landsat遙感影像解譯,獲取城區(qū)土地利用數(shù)據(jù),應(yīng)用Fragstats3.3以及SPSS16.0進(jìn)行城市景觀動(dòng)態(tài)度和破碎化的空間格局和內(nèi)部水平差異研究,并以此為基礎(chǔ),探討景觀動(dòng)態(tài)度和破碎化程度與城市發(fā)展之間的關(guān)系,為該地區(qū)各種景觀斑塊的合理利用及可持續(xù)發(fā)展等奠定基礎(chǔ)。1材料與研究方法1.1原過(guò)渡帶中部高原城市群研究區(qū)范圍根據(jù)西寧市2000-2020年城市總體規(guī)劃以及2030年城市空間總體發(fā)展規(guī)劃范圍確定。西寧市位于青藏高原過(guò)渡帶,湟水流域中部西寧盆地,是青藏高原的門(mén)戶城市,也是黃河重要支流湟水河流域最主要的城市之一,是典型的河谷城市;由于高原自然生態(tài)系統(tǒng)較脆弱,易受外界因素干擾破壞。西寧是青海第一大城市,是全省政治、經(jīng)濟(jì)、文化、教育、科教、交通和通訊中心,平均海拔2261m,屬于大陸性高原半干旱氣候。全市常住人口達(dá)到222.80萬(wàn)人,城鎮(zhèn)化率達(dá)到65.44%。1.2基于erdasi9.2方法的景觀分類(lèi)方法在城市軌道交通中的應(yīng)用選用西寧市3期LandsatTM/ETM遙感圖像作為主數(shù)據(jù)源,影像的成像時(shí)間分別為T(mén)M影像1995年6月11日、ETM影像2003年5月24日和TM影像2010年7月22日,研究區(qū)域的成像質(zhì)量和成像時(shí)的天氣狀況都比較理想。利用Erdas9.2軟件,以西寧市1:50000地形圖為基準(zhǔn)進(jìn)行幾何精糾正和光譜增強(qiáng)處理,土地利用分類(lèi)體系參照全國(guó)土地利用分類(lèi)方法并結(jié)合西寧市的具體情況,為研究反映城市化進(jìn)程的因素,減少劃分過(guò)細(xì)帶來(lái)的數(shù)據(jù)冗余和細(xì)節(jié)干擾,應(yīng)用Erdas9.2軟件非監(jiān)督分類(lèi)方法進(jìn)行遙感圖像分類(lèi)時(shí),初始聚類(lèi)方法運(yùn)用InitializefromStatistics法,分類(lèi)數(shù)確定為40個(gè)類(lèi)別。為了避免程序運(yùn)行時(shí)間太長(zhǎng)或由于沒(méi)有達(dá)到聚類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)而導(dǎo)致死循環(huán),定義最大循環(huán)次數(shù)為24。在獲得一個(gè)初始分類(lèi)結(jié)果以后,將初始分類(lèi)定義的40個(gè)類(lèi)別進(jìn)行過(guò)濾、分析,結(jié)合實(shí)際地類(lèi)數(shù)據(jù),最后重編碼為水體、林地、耕地、建設(shè)用地、裸地5種景觀類(lèi)型(圖1)。利用Fragstats3.3計(jì)算研究區(qū)域各項(xiàng)景觀指數(shù),并利用SPSS16.0對(duì)歷年斑塊水平景觀指數(shù)做主成分分析(圖2)。1.3各類(lèi)景觀指數(shù)reg景觀指標(biāo)高度濃縮了景觀的各類(lèi)信息,利用景觀指標(biāo)研究景觀問(wèn)題是景觀生態(tài)學(xué)界廣泛使用的一種定量研究方法。通常,景觀指數(shù)包括斑塊水平(patch-level)、斑塊類(lèi)型水平(class-level)、景觀水平(landscape-level)不同層次的指數(shù)類(lèi)型。各類(lèi)景觀指數(shù)根據(jù)包含的信息不同,又可以分為面積指標(biāo)、密度大小及差異指標(biāo)、邊緣指標(biāo)、形狀指標(biāo)、多樣性指標(biāo)、聚散性指標(biāo)、核心面積指標(biāo)和鄰近度指標(biāo)等多種類(lèi)型。許多學(xué)者應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法篩選出了一些一致性比較好的指標(biāo)［20－22］,根據(jù)文中的研究需要選取了斑塊類(lèi)型水平和景觀水平上的部分指數(shù)(表1)。2土地利用類(lèi)型2.115年間建設(shè)用地和林地面積持續(xù)增長(zhǎng),耕地和裸地面積持續(xù)減少,水體面積基本保持不變1995年、2003年、2010年15年間,建設(shè)用地和林地持續(xù)增長(zhǎng),建設(shè)用地面積由6054.12hm2、8440.83hm2增長(zhǎng)至10122.21hm2,凈增長(zhǎng)4068.09hm2;林地由6080.13hm2、7268.49hm2增長(zhǎng)至7553.52hm2,凈增長(zhǎng)1473.39hm2。裸地、耕地和水體面積持續(xù)減少,裸地面積由4660.29hm2、4085.28hm2減少至3178.44hm2,凈減少1481.85hm2;耕地面積由9364.32hm2、6364.89hm2減少至5306.04hm2,凈減少4058.28hm2;水體由492.93hm2減少至491.58hm2,凈減少1.35hm2,變化幅度不大(圖3)。2.2土地利用動(dòng)態(tài)變化特征顯著,各土地利用類(lèi)型波動(dòng)明顯。對(duì)西寧市1995年、2003年和2010年景觀面積動(dòng)態(tài)度進(jìn)行比較研究(表2)。在各種景觀類(lèi)型中,1995-2003年期間,水體、裸地和耕地動(dòng)態(tài)度分別為-0.02%、-1.54%、-4.00%,呈減少趨勢(shì);與此相反,林地和建設(shè)用地的動(dòng)態(tài)度分別為2.44%、4.93%,呈增加趨勢(shì)。2003-2010年期間,水體、裸地和耕地動(dòng)態(tài)度分別為-0.02%、-3.17%和-2.38%,表現(xiàn)為依次減少趨勢(shì);與此相反,建設(shè)用地和林地的動(dòng)態(tài)度分別為2.85%和0.56%,呈增加趨勢(shì)。1995-2010年期間,水體、裸地和耕地的動(dòng)態(tài)度為-0.02%、-2.12%和-2.89%,表現(xiàn)為減少趨勢(shì);建設(shè)用地和林地的動(dòng)態(tài)度呈上升的趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)西寧市城區(qū)景觀面積動(dòng)態(tài)變化的分析可知,1995-2010年期間建設(shè)用地持續(xù)增長(zhǎng),在1995-2003年增幅較大,表明1995-2003年間城市的擴(kuò)張顯著,2003-2010年增幅較小,建設(shè)用地的增長(zhǎng)減緩;1995-2010年間林地也呈增長(zhǎng)的趨勢(shì);耕地在1995-2010年期間持續(xù)減少,1995-2003年減少幅度較大,2003-2010年減少幅度較小,由于這兩個(gè)時(shí)期城市的擴(kuò)張速度不同,且重點(diǎn)實(shí)施了退耕還林的政策,大量的耕地轉(zhuǎn)變?yōu)楦薪?jīng)濟(jì)價(jià)值的果園、菜園和經(jīng)濟(jì)作物用地;裸地在1995-2010年持續(xù)減少,城市擴(kuò)張明顯,裸地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地及林地;水體在15年間的變化并不顯著。2.3景觀破碎化的漸進(jìn)性差異很大，景觀呈現(xiàn)出多種形式和不平衡發(fā)展2.3.1景觀斑塊的主成分分析對(duì)1995年、2003年、2010年三期8個(gè)景觀指數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行了主成分分析(表3)。1995年數(shù)據(jù)提取了兩個(gè)主成分因子(第一主成分:X2、X3、X4、X5、X6、X8,第二主成分:X1、X7),分別命名為形狀與連通性因子和破碎性因子;2003年和2010年數(shù)據(jù)的主成分相同,分別提取了三個(gè)主成分因子(第一主成分:X1、X3、X7、X8,第二主成分:X2、X5,第三主成分:X4、X6),分別命名為形狀與破碎性因子、離散性因子和連通性因子。3期數(shù)據(jù)分析后,主成分的累積貢獻(xiàn)率分別為84.689%、96.617%、92.197%,累積貢獻(xiàn)率符合本研究的需要(X1-PLAND、X2-PD、X3-LPI、X4-IJI、X5-ENN_MN、X6-AWMSI、X7-MPS、X8-AWMPFD)。1995年各景觀類(lèi)型按照主成分得分排序如下:1)第一主成分(形狀與連通性因子):建設(shè)用地>耕地>林地>裸地>水體(表4)。建設(shè)用地斑塊間的連通性最高;耕地和林地在各自的景觀斑塊中連通性水平較低,斑塊之間的聯(lián)系比較分散;裸地和水體在第一主成分中表現(xiàn)出負(fù)值,說(shuō)明其斑塊間連通性很差,斑塊之間缺乏聯(lián)系。2)第二主成分(破碎性因子):建設(shè)用地>林地>水體>裸地>耕地。建設(shè)用地斑塊間的破碎化程度最高,雖然建設(shè)用地斑塊在第一主成分中表現(xiàn)出較好的連通性,但是第二主成分說(shuō)明在城市斑塊中細(xì)碎、零散的其他景觀斑塊較多;耕地在破碎化因子中表現(xiàn)出負(fù)值,說(shuō)明破碎化程度較低,斑塊比較完整。2003年各景觀類(lèi)型按照主成分得分排序如下:1)第一主成分(形狀與破碎性因子):林地>建設(shè)用地>裸地>耕地>水體。在城市發(fā)展過(guò)程中,林地面積雖然有所增加,但相對(duì)林地斑塊數(shù)量增多,平均斑塊面積減少,分散于其他景觀斑塊之間。城市較1995年破碎程度降低,說(shuō)明在城市快速增長(zhǎng)的過(guò)程中,城市斑塊間的其他類(lèi)型景觀斑塊轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘杏玫?減少了建設(shè)用地景觀內(nèi)部的破碎程度。2)第二主成分(離散性因子):水體>建設(shè)用地>林地>耕地>裸地。西寧市水體在自然地理上以河流和景觀人工湖泊為主,斑塊之間聯(lián)系較少,因而離散性最高。西寧在城市快速建設(shè)擴(kuò)張時(shí)期,以西寧市西部的擴(kuò)張最為明顯,在景觀上與原有斑塊較為分散。在城市內(nèi)部林地、耕地和裸地的分散斑塊逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地,斑塊之間的歐式距離減小。3)第三主成分(連通性因子):林地>裸地>建設(shè)用地>耕地>水體。1995-2003年,林地總面積有所增加,部分裸地轉(zhuǎn)化為林地分散與其他斑塊之間,林地斑塊的連通性有所增加。裸地由于轉(zhuǎn)化為其他類(lèi)型用地,斑塊數(shù)量減少,離散性降低而連通性增加。2010年數(shù)據(jù)主成分與2003年相同,各景觀類(lèi)型按照主成分得分排序如下:1)第一主成分(形狀與破碎性因子):建設(shè)用地>林地>裸地>耕地>水體。由于西寧市對(duì)城南新區(qū)以及經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)的建設(shè),建設(shè)用地有一定幅度的增加,在原有斑塊的基礎(chǔ)上加劇了斑塊間的破碎程度,使城市空間破碎更為明顯。其他景觀類(lèi)型與2003年第一主成分排序基本相同。2)第二主成分(離散性因子):水體>建設(shè)用地>耕地>裸地>林地。與2003年相比,裸地、耕地、林地的排序發(fā)生了變化,主成分得分上,三者得分相差不大。裸地沿研究區(qū)邊緣,分布較少,但是斑塊較集中。林地逐漸占據(jù)了研究區(qū)邊緣的裸地,使林地斑塊離散性削弱。3)第三主成分(連通性因子):林地>建設(shè)用地>水體>裸地>耕地。研究區(qū)的西部和北部一部分零散的耕地和裸地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地,填補(bǔ)了建設(shè)用地的斑塊,使得城市斑塊間的連通性加強(qiáng),耕地和裸地的連通性減弱。由于城市西部與北部的建設(shè),林地面積增加,與原有的林地形成較好的連通性。2.3.2小斑塊類(lèi)型的增加從景觀水平上選取了兩個(gè)指數(shù),分別為CONTAG(蔓延度指數(shù))、SHDI(香農(nóng)多樣性指數(shù))。應(yīng)用這兩個(gè)指數(shù)對(duì)整個(gè)研究區(qū)景觀進(jìn)行整體上的分析。蔓延度指數(shù)較小時(shí)表明景觀中存在許多小斑塊;趨于100時(shí)表明景觀中有連通度極高的優(yōu)勢(shì)斑塊類(lèi)型存在。1995年、2003年、2010年3期數(shù)據(jù)中(表5),蔓延度指數(shù)處于上升的態(tài)勢(shì),表明小斑塊的減少,逐漸形成優(yōu)勢(shì)斑塊類(lèi)型。在1995-2010年,香農(nóng)多樣性指數(shù)先增大后減小,表明1995-2003年建設(shè)用地和林地的增長(zhǎng),擾動(dòng)了整個(gè)景觀的發(fā)展,斑塊之間鑲嵌相對(duì)較多;但是2003-2010年建設(shè)用地的主要發(fā)展是填充建設(shè)用地之間的零散的其他斑塊,各斑塊增長(zhǎng)并不均衡,在這個(gè)階段多樣性有所降低。2.3.3建設(shè)用地斑塊的連通性分析(1)景觀增長(zhǎng)方式的改變導(dǎo)致主成分因子的變化。1995-2010年數(shù)據(jù)主成分分析之后,1995年兩個(gè)主成分變化為2003年的三個(gè)主成分,且主成分的類(lèi)別也發(fā)生了相應(yīng)的變化。1995年第一主成分表征了形狀與連通性,即對(duì)于該年份各景觀斑塊形狀趨于規(guī)則,連通性較好;第二主成分為破碎性因子,相對(duì)于形狀與連通性因子,1995年破碎性表現(xiàn)的并不明顯。2003年景觀破碎化加劇,破碎性因子成為第一主成分。這樣的變化說(shuō)明各類(lèi)景觀的應(yīng)用方式上發(fā)生了轉(zhuǎn)變,即在1995-2003年建設(shè)用地?cái)U(kuò)張比較明顯;2003-2010年用地是在各景觀內(nèi)部填充增長(zhǎng)。從斑塊類(lèi)型水平上,1995-2010年研究區(qū)景觀破碎化加強(qiáng);從景觀水平上研究區(qū)逐漸形成優(yōu)勢(shì)斑塊,導(dǎo)致多樣性降低。(2)各類(lèi)用地景觀破碎化綜合分析。對(duì)于建設(shè)用地,主成分分析后連通性因子(1995年形狀及連通性因子占據(jù)第一主成分,貢獻(xiàn)率為67.448%;2003年和2010年連通性因子為第三主成分,貢獻(xiàn)率分別為15.874%和18.775%),1995-2003年8年間連通性指標(biāo)顯著降低,表征了建設(shè)用地斑塊之間的連通性較差,斑塊的異質(zhì)性和破碎化程度較高。在整個(gè)城市發(fā)展過(guò)程中可以看出城市的快速發(fā)展和城市化現(xiàn)象加劇,使得城市景觀破碎化加劇。2003-2010年指標(biāo)有所回升,說(shuō)明城市景觀內(nèi)部斑塊得到填充,城市內(nèi)部的耕地和裸地斑塊部分轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地。1995年破碎性因子作為第二主成分,貢獻(xiàn)率為19.941%,表明在1995年建設(shè)用地斑塊呈現(xiàn)破碎化,但是不是最重要的指標(biāo);2003年,形狀與破碎性因子作為第一主成分,貢獻(xiàn)率為55.047%,表明建設(shè)用地斑塊破碎化加劇;2010年形狀與破碎性因子作為第一主成分,貢獻(xiàn)率為49.808%,說(shuō)明建設(shè)用地的破碎化過(guò)程仍在繼續(xù),但是比2003年有所減小。對(duì)于林地來(lái)說(shuō),15年間面積有一定程度的增加。1995年林地的連通性較差,僅高于第一主成分得分為負(fù)值的裸地和水體,斑塊之間比較分散;在第二主成分破碎性因子中僅次于建設(shè)用地,破碎化程度較高。2003年第一主成分形狀與破碎性因子中,林地得分最高,即破碎化程度最高,林地面積增加的同時(shí),林地斑塊增長(zhǎng)比較分散;第二主成分中林地的離散性較弱;裸地一部分轉(zhuǎn)化為林地,使得林地在第三主成分連通性上排名第一。2010年建設(shè)用地在原有的城市外圍增長(zhǎng)使得破碎性超過(guò)林地;城市內(nèi)部和外圍的林地增長(zhǎng)較快,林地斑塊的離散性變差,連通性增強(qiáng)。耕地的面積逐年減少。1995年耕地斑塊的連通性較好;破碎性較差,主成分得分表現(xiàn)為負(fù)值。2003年形狀與破碎性因子、離散性因子和連通性因子均排名第四,破碎化表現(xiàn)不明顯。2010年,耕地斑塊的離散性增強(qiáng),連通性變差,相對(duì)來(lái)說(shuō)破碎化程度增強(qiáng),部分耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地。裸地主要分布于研究區(qū)的邊緣地帶,15年來(lái)面積變化比較明顯。1995年裸地斑塊沿著研究區(qū)邊緣分布,斑塊之間的連通性較差,破碎化程度較低。2003年裸地部分轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地和林地,破碎化與1995年相比較高,離散性較差,連通性較好。2010年與2003年相比連通性變差,裸地斑塊持續(xù)轉(zhuǎn)化為其他斑塊類(lèi)型。水體在1995-2010年間面積變化不大,主要是湟水河和人工景觀湖泊。水體的連通性較低、離散性較高,15年中破碎化程度很低。3土地景觀現(xiàn)狀雖然在1995-2003年與2003-2010年兩個(gè)時(shí)段中建設(shè)用地和林地面積一直保持增長(zhǎng),耕地與裸地面積持續(xù)減少,水體面積基本不變;但是在西寧市城市化過(guò)程中各類(lèi)景觀在兩個(gè)時(shí)段中的土地利用動(dòng)態(tài)度各有差異,建設(shè)用地、林地和耕地的動(dòng)態(tài)度先增大后減小;裸地的動(dòng)態(tài)度持續(xù)增大,水體的動(dòng)態(tài)度保持不變。與部分城市用地增長(zhǎng)規(guī)律不同的是,在建設(shè)用地顯著擴(kuò)張、耕地與裸地大量減少的基礎(chǔ)上,西寧市城區(qū)林地景觀的面積近15年間呈現(xiàn)增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì),西寧市城東區(qū)、城西區(qū)及城南區(qū)多個(gè)村積極實(shí)施退耕還林政策,并綠化城市周邊荒山裸地,使林地在15年間增長(zhǎng)了1473.39hm2,林地的連通性有所提高,離散性和破碎性減弱,破碎化現(xiàn)象在15年中先增大再減小,大面積的林地有效地改善了城市環(huán)境。通過(guò)對(duì)兩類(lèi)景觀指數(shù)的計(jì)算與分析可得,對(duì)于單一的景觀類(lèi)型而言,建設(shè)用地、耕地和裸地破碎化程度