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随着经济社会、城镇化的快速发展,加速了对地表环境造成的破坏程度,导致城市生态环境问题日益凸显,严重威胁城市的生态安全[1-4]。景观格局是景观异质性的具体体现,又是各种生态过程在不同尺度上作用的结果。它影响着生物动态和物质交换等多方面的生态过程[5,6]。陈利顶等[7]研究认为景观变化是人类社会经济活动与地域环境间相互干扰、相互作用的复杂动态过程。土地利用是人类活动最直接的表现形式,产业结构的转变、新兴经济的进入、地方政策等都能促使人类对土地的利用类型发生转变,直接影响景观格局的空间结构[8-10]。随着经济社会的发展和人类活动的不断增强,自然生态环境演变越来越剧烈[11-13]。徐涵秋研究发现近年来,利用多时期遥感影像研究分析城市景观格局演变以及驱动机制已成为主流[14]。
杨利,易阿岚和王钧等分别研究了湿地景观格局时空演变与驱动机制[15-19]。张潇,郭少壮等研究了景观格局变化对旅游等人为干扰的响应[20-22]。GIS技术和景观结构分析软件Fragstats的发展应用,为研究者从大尺度掌握区域生态质量、制定生态管理策略提供了有力的技术手段。
运用GIS技术,在分析土地利用/覆被格局时空变化特征的基础上,利用Fragstats评价中国西部地区重要的中心城市成都市景观格局的时空特征,剖析土地利用/覆被变化对生态环境质量的影响,揭示土地利用/覆被变化的生态效应,以期促进人与自然和谐,维护城市生态系统稳定性、国土空间格局优化和公园城市建设提供科学依据[23-25]。
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从不同时期土地利用/地表覆被类型面积特征可以看出(见表1和图1)。20年间成都市土地利用结构发生明显变化,农业用地占主导的土地利用格局逐渐转变为耕地、林地和人造地表占优势的局面。2000年成都市土地利用/地表覆被类型以耕地、林地占绝对优势,分别占研究区总面积的66.96%和21.42%;其次为草地和人造地表,分别占研究区总面积的6.26%和4.04%。到2010年,耕地、林地依然占绝对优势,分别占研究区总面积的66.17%和23.41%,林地面积较2000年增长了9.33%;其次为人造地表和草地,分别占研究区总面积的5.41%和3.84%,人造地表面积上升为第三位。到2020年,人造地表面积进一步扩大,土地利用格局转变为耕地、林地和人造地表占绝对优势,分别占研究区总面积的58.41%、23.28%和13.03%,草地面积进一步缩小,占研究区总面积的3.59%。20年间成都市土地利用结构由耕地>林地>草地>人造地表>水体>湿地>冰川和永久积雪>灌木地转变为耕地>林地>人造地表>草地>水体>湿地>灌木地>冰川和永久积雪,耕地、林地和人造地表约占94.71%,成为成都市的主导土地利用/地表覆被类型。从土地利用/地表覆被类型的变化速度来看,20年间增速最快的是人造地表,单一动态度达44.58%,其次为水体和林地;增速最慢的为草地和湿地。
表 1 成都市3期土地利用/地表覆盖类型面积比例及变化
Table 1. Area ratio and change of different land use/cover types in Chengdu (2000, 2010, 2020)
类型
Types2000年 2010年 2020年 单一动态度/%
Single dynamic degree面积
Area/hm2比例
Ratio/%面积
Area/hm2比例
Ratio/%面积
Area/hm2比例
Ratio/%2000—2010 2010—2020 2000—2020 耕地 Croplands 959529.87 66.96 948190.68 66.17 837013.95 58.41 −0.24 −2.35 −2.55 林地 Woodland 306893.07 21.42 335536.29 23.41 333545.94 23.28 1.87 −0.12 1.74 草地 Grassland 89652.69 6.26 55059.48 3.84 51471.45 3.59 −7.72 −1.30 −8.52 灌木地 Shrubland 0.00 0.00 130.59 0.01 103.41 0.01 / −4.16 / 湿地 Wetland 3934.17 0.27 789.30 0.06 2779.11 0.19 −15.99 50.42 −5.87 水体 Water body 15152.22 1.06 15727.14 1.10 21369.69 1.49 0.76 7.18 8.21 人造地表 Artificial surface 57823.56 4.04 77554.17 5.41 186702.03 13.03 6.82 28.15 44.58 冰川和永久积雪
Glaciers and permanent snow cover44.46 0.00 42.39 0.00 44.46 0.00 −0.93 0.98 0.00 -
叠加分析成都市3期土地利用的空间变化特征可以看出(见表2和图2):2000—2020年间,成都市土地利用空间变化面积达237303.17 hm2,占研究区总面积的16.56%,表现出耕地、草地和林地的大量转出和人造地表和林地大量转入的特征。其中:耕地主要转出为人造地表、林地和草地,分别占耕地总转出面积的84.06%、6.31%和4.99%;草地主要转出为林地、耕地和人造地表,分别占草地总转出面积的59.26%、18.92%和13.64%;林地主要转出为草地和耕地,分别占林地总转出面积的54.73%和39.87%。人造地表主要由耕地和草地转入,分别占人造地表总转入面积的92.94%和5.65%;林地主要由草地和耕地转入,分别占林地总转如面积的77.20%和21.94%。其他土地利用类型之间也有不同程度的转入转出,但转换率均相对较低。林地的正增长与草地的负增长可能与出台的政策有关[30,31]。
表 2 2000—2020年成都市土地利用/地表覆被类型转移矩阵
Table 2. Transition matrix of different land use/cover types in Chengdu from 2000 to 2020
2020年 耕地
Croplands林地
Woodland草地
Grassland灌木地
Shrubland湿地
Wetland水体
Water body人造地表
Artificial surface冰川和永久积雪
Glaciers and permanent
snow cover2000年总计
2000 Total流出合计
Total outflow2000年 耕地Croplands 809433.89 9456.87 7477.76 29.06 272.98 6639.13 125922.18 0.00 959231.86 149797.97 林地Woodland 6562.92 290338.45 9008.00 4.68 8.28 267.04 608.39 0.00 306797.76 16459.31 草地Grassland 10621.74 33274.81 33473.38 68.11 1143.27 3386.55 7656.98 0.00 89624.85 56151.47 灌木地Shrubland 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 湿地Wetland 1533.57 18.71 347.38 0.00 969.63 903.14 160.51 0.00 3932.95 2963.32 水体Water body 3065.17 264.52 429.89 1.53 369.52 9871.46 1145.43 0.00 15147.51 5276.05 人造地表Artificial surface 5536.70 88.98 719.06 0.00 14.58 295.74 51150.55 0.00 57805.60 6655.05 冰川和永久积雪
Glaciers and permanent snow cover0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 44.45 44.45 0.00 2020年总计Total 836753.99 333442.35 51455.46 103.38 2778.25 21363.05 186644.05 44.45 流入合计Total inflow 27320.10 43103.90 17982.08 103.38 1808.62 11491.59 135493.50 0.00 净流入Net inflow −122477.87 26644.59 −38169.38 103.38 −1154.70 6215.54 128838.44 0.00 -
研究区域景观类型以耕地为主,2000—2020年整体占比均超过50%,但耕地面积总体上呈现波动下降趋势;林地为区域内第二大景观类型,2000—2020年整体占比均超过20%;草地、人造地表、水体、湿地、灌木地及冰川和永久积雪景观类型占比均较小。人造地表景观类型是2000—2020年变化最大的景观类型,以市内5区为中心向周边15区县辐射带动,形成了较大的集聚斑块且逐年扩大。水体、草地和湿地受气候与人类活动影响较大,占比波动幅度显著,斑块分布较为零散。
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从类型水平景观格局指数计算结果来看(见表3),耕地的COHESION和AI最高,SPLIT最低,体现出耕地作为区域内的优势景观分布最为集中、连片,但COHESION和AI均呈下降趋势,说明耕地的景观优势度和完整性受到一定破坏;林地和草地的SHAPE_MN和FRAC_MN值最低,表明其形状最为简单,这与其人工起源性质有很大关系,另外草地的COHESION和AI最低,SPLIT较高,反映出草地景观斑块较为破碎,易受外界环境影响;由于市域内有岷江、沱江等12条干流及几十条支流及都江堰水利工程等,湿地水体的SHAPE_MN和FRAC_MN值最高,表明其斑块形状最为复杂,另外湿地水体的SPLIT最高,反映出湿地水体景观斑块最为破碎,库、塘、堰、渠星罗棋布。人造地表的COHESION和AI曲线上升,SPLIT下降趋势显著,表明其在近20年中迅速扩张,且表现为集聚化、连片化的发展趋势。
表 3 研究区类型水平的景观格局指数分析表
Table 3. Analysis of landscape pattern index at type level of the study area
类型
Types平均形状指数SHAPE_MN 平均斑块分维数FRAC_MN 整体性指数COHESION 聚集指数AI 分离度指数SPLIT 2000 2010 2020 2000 2010 2020 2000 2010 2020 2000 2010 2020 2000 2010 2020 cls_10 1.79 1.72 1.67 1.09 1.08 1.08 99.98 99.98 99.94 97.90 98.05 97.42 4.07 4.04 13.57 cls_20 1.31 1.38 1.38 1.05 1.06 1.06 99.82 99.81 99.82 96.08 94.56 94.65 51.32 53.45 53.48 cls_30 1.36 1.28 1.27 1.06 1.05 1.05 95.54 93.29 92.10 80.08 72.97 73.00 38124.46 49878.38 52796.22 cls_40 – – – – – – – – – – – – – – – cls_50 2.23 2.42 1.55 1.10 1.13 1.07 99.07 96.61 97.04 91.53 89.72 85.91 420864.94 28273379.47 3061336.82 cls_60 1.44 1.51 1.54 1.07 1.07 1.07 95.73 96.66 98.38 72.11 77.72 82.50 316279.96 256302.70 71670.97 cls_80 1.44 1.58 1.72 1.07 1.07 1.07 98.99 99.49 99.83 93.98 97.15 96.72 2782.72 1410.97 144.44 cls_100 – – – – – – – – – – – – – – – ①cls_10,耕地Croplands; cls_20,林地Woodland;cls_30,草地Grassland;cls_40,灌木地Shrubland;cls_50,湿地Wetland;cls_60,水体Water body;cls_80,人造地表Artificial surface;cls_100,冰川和永久积雪Glaciers and permanent snow cover;②灌木地划入林地统计,冰川和永久积雪主要集中分布在西岭雪山未纳入统计。Shrub land is classified into forest land, and glaciers and permanent snow cover are mainly distributed in Xiling Snow Mountain, which is not included in the statistics. -
从景观水平来看(见表4),蔓延度CONTAG在近10年下降趋势显著,反映出景观多样性提升,景观破碎化程度加剧;散布与并列指数IJI先下降后微升,表明在2000年景观类型间的相邻程度和混合程度最高;分离度指数SPLIT值在2020年最高,表明景观中同类型斑块越来越分散破碎;SHDI和SHEI指数呈升高趋势,表明景观多样性与异质性增高,优势景观减弱,景观组分更趋均衡,这与人类活动增强,人工景观组分增多有关。
表 4 研究区景观水平的景观格局指数分析表
Table 4. Analysis of landscape pattern index at landscape level of the study area
类型 Types 蔓延度 CONTAG 散布与并列指数 IJI 分离度指数 SPLIT 香浓多样性 SHDI 香浓均匀度 SHEI 2000 70.27 57.60 3.77 0.97 0.50 2010 72.65 49.60 3.75 0.95 0.46 2020 68.18 53.16 10.06 1.11 0.54
Study on Spatio-temporal Evolution Characteristics and Ecological Effect Driving of Urban Landscape Pattern in Chengdu
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摘要: 景观变化是人类社会经济活动与地域环境间相互干扰、相互作用的复杂动态过程,分析和评价成都市景观格局的时空特征,景观格局变化对生态环境质量的影响,以期促进人与自然和谐,维护城市生态系统稳定性、国土空间格局优化和公园城市建设提供科学依据。基于2000—2020年成都市历史遥感数据,运用遥感、GIS技术和Fragstats软件,分析研究区土地利用/覆被类型,定量研究成都市景观格局变化及其生态效应。结果表明:(1)20年间成都市土地利用结构发生明显变化,由农业用地占主导的土地利用格局逐渐转变为耕地、林地和人造地表占优势的局面,约占研究区总面积的94.71%,成为成都市的主导土地利用/地表覆被类型。20年间增速最快的是人造地表,单一动态度达44.58%,其次为水体和林地;增速最慢的为草地和湿地。(2)20年间成都市土地利用空间变化面积达237303.17 hm2,占研究区总面积的16.56%,表现出耕地、草地和林地的大量转出和人造地表、林地大量转入的特征。(3)景观类型以耕地为主,人造地表景观类型是20年间变化最大的景观类型,形成了较大的集聚斑块且逐年扩大。整体景观格局受人为干扰程度逐年加剧,景观多样性、异质性提升,优势景观减弱,景观组分更趋于均衡发展。随着经济产业结构的转变,生态环保意识的增强,公园城市的建设,在较短的时间尺度上人为因素对成都市景观格局的影响力逐渐增强。Abstract: Landscape change is a complex dynamic process of mutual interference and interaction between human socio-economic activities and regional environment. With the development of economy and society and the continuous enhancement of human activities, the evolution of natural ecological environment is becoming more and more intense. This study analyzes and evaluates the temporal and spatial characteristics of landscape pattern in Chengdu and the impact of landscape pattern change on ecological environment quality, in order to promote the harmony between man and nature, maintain the stability of urban ecosystem, optimize land spatial pattern and provide scientific basis for park city construction. Based on the historical remote sensing data of Chengdu from 2000 to 2020, using remote sensing, GIS technology and FRAGSTATS software, this paper systematically analyzes the land use / cover types in the study area, and quantitatively studies the changes of landscape pattern and its ecological effects in Chengdu. (1) In the past 20 years, the land use structure of Chengdu has changed significantly. The land use pattern dominated by agricultural land has gradually changed to the situation dominated by cultivated land, forest land and man-made surface, accounting for about 94.71% of the total area of the study area, becoming the leading land use / surface cover type of Chengdu. And, man-made surface has the fastest growth rate, with a single dynamic degree of 44.58%, followed by water and forest land; The slowest growth rate is grassland and wetland. (2) In the past 20 years, the spatial change area of land use in Chengdu has reached 237303.17hm2, accounting for 16.56% of the total area of the study area, showing the characteristics of a large number of transfer out of cultivated land, grassland and forest land and a large number of transfer in of man-made surface and forest land. (3) The landscape type of the study area is mainly cultivated land, and the man-made surface landscape type is the landscape type with the greatest change in the past 20 years, forming a large agglomeration patch and expanding year by year. The degree of human disturbance to the overall landscape pattern has increased year by year, the diversity and heterogeneity of landscape have increased, the dominant landscape has weakened, and the landscape components tend to develop more evenly. In the future, with the transformation of economic and industrial structure, the enhancement of ecological and environmental protection awareness and the construction of Park City, the influence of human factors on landscape pattern will gradually increase in a short time scale.
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表 1 成都市3期土地利用/地表覆盖类型面积比例及变化
Tab. 1 Area ratio and change of different land use/cover types in Chengdu (2000, 2010, 2020)
类型
Types2000年 2010年 2020年 单一动态度/%
Single dynamic degree面积
Area/hm2比例
Ratio/%面积
Area/hm2比例
Ratio/%面积
Area/hm2比例
Ratio/%2000—2010 2010—2020 2000—2020 耕地 Croplands 959529.87 66.96 948190.68 66.17 837013.95 58.41 −0.24 −2.35 −2.55 林地 Woodland 306893.07 21.42 335536.29 23.41 333545.94 23.28 1.87 −0.12 1.74 草地 Grassland 89652.69 6.26 55059.48 3.84 51471.45 3.59 −7.72 −1.30 −8.52 灌木地 Shrubland 0.00 0.00 130.59 0.01 103.41 0.01 / −4.16 / 湿地 Wetland 3934.17 0.27 789.30 0.06 2779.11 0.19 −15.99 50.42 −5.87 水体 Water body 15152.22 1.06 15727.14 1.10 21369.69 1.49 0.76 7.18 8.21 人造地表 Artificial surface 57823.56 4.04 77554.17 5.41 186702.03 13.03 6.82 28.15 44.58 冰川和永久积雪
Glaciers and permanent snow cover44.46 0.00 42.39 0.00 44.46 0.00 −0.93 0.98 0.00 表 2 2000—2020年成都市土地利用/地表覆被类型转移矩阵
Tab. 2 Transition matrix of different land use/cover types in Chengdu from 2000 to 2020
2020年 耕地
Croplands林地
Woodland草地
Grassland灌木地
Shrubland湿地
Wetland水体
Water body人造地表
Artificial surface冰川和永久积雪
Glaciers and permanent
snow cover2000年总计
2000 Total流出合计
Total outflow2000年 耕地Croplands 809433.89 9456.87 7477.76 29.06 272.98 6639.13 125922.18 0.00 959231.86 149797.97 林地Woodland 6562.92 290338.45 9008.00 4.68 8.28 267.04 608.39 0.00 306797.76 16459.31 草地Grassland 10621.74 33274.81 33473.38 68.11 1143.27 3386.55 7656.98 0.00 89624.85 56151.47 灌木地Shrubland 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 湿地Wetland 1533.57 18.71 347.38 0.00 969.63 903.14 160.51 0.00 3932.95 2963.32 水体Water body 3065.17 264.52 429.89 1.53 369.52 9871.46 1145.43 0.00 15147.51 5276.05 人造地表Artificial surface 5536.70 88.98 719.06 0.00 14.58 295.74 51150.55 0.00 57805.60 6655.05 冰川和永久积雪
Glaciers and permanent snow cover0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 44.45 44.45 0.00 2020年总计Total 836753.99 333442.35 51455.46 103.38 2778.25 21363.05 186644.05 44.45 流入合计Total inflow 27320.10 43103.90 17982.08 103.38 1808.62 11491.59 135493.50 0.00 净流入Net inflow −122477.87 26644.59 −38169.38 103.38 −1154.70 6215.54 128838.44 0.00 表 3 研究区类型水平的景观格局指数分析表
Tab. 3 Analysis of landscape pattern index at type level of the study area
类型
Types平均形状指数SHAPE_MN 平均斑块分维数FRAC_MN 整体性指数COHESION 聚集指数AI 分离度指数SPLIT 2000 2010 2020 2000 2010 2020 2000 2010 2020 2000 2010 2020 2000 2010 2020 cls_10 1.79 1.72 1.67 1.09 1.08 1.08 99.98 99.98 99.94 97.90 98.05 97.42 4.07 4.04 13.57 cls_20 1.31 1.38 1.38 1.05 1.06 1.06 99.82 99.81 99.82 96.08 94.56 94.65 51.32 53.45 53.48 cls_30 1.36 1.28 1.27 1.06 1.05 1.05 95.54 93.29 92.10 80.08 72.97 73.00 38124.46 49878.38 52796.22 cls_40 – – – – – – – – – – – – – – – cls_50 2.23 2.42 1.55 1.10 1.13 1.07 99.07 96.61 97.04 91.53 89.72 85.91 420864.94 28273379.47 3061336.82 cls_60 1.44 1.51 1.54 1.07 1.07 1.07 95.73 96.66 98.38 72.11 77.72 82.50 316279.96 256302.70 71670.97 cls_80 1.44 1.58 1.72 1.07 1.07 1.07 98.99 99.49 99.83 93.98 97.15 96.72 2782.72 1410.97 144.44 cls_100 – – – – – – – – – – – – – – – ①cls_10,耕地Croplands; cls_20,林地Woodland;cls_30,草地Grassland;cls_40,灌木地Shrubland;cls_50,湿地Wetland;cls_60,水体Water body;cls_80,人造地表Artificial surface;cls_100,冰川和永久积雪Glaciers and permanent snow cover;②灌木地划入林地统计,冰川和永久积雪主要集中分布在西岭雪山未纳入统计。Shrub land is classified into forest land, and glaciers and permanent snow cover are mainly distributed in Xiling Snow Mountain, which is not included in the statistics. 表 4 研究区景观水平的景观格局指数分析表
Tab. 4 Analysis of landscape pattern index at landscape level of the study area
类型 Types 蔓延度 CONTAG 散布与并列指数 IJI 分离度指数 SPLIT 香浓多样性 SHDI 香浓均匀度 SHEI 2000 70.27 57.60 3.77 0.97 0.50 2010 72.65 49.60 3.75 0.95 0.46 2020 68.18 53.16 10.06 1.11 0.54 -
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