朱依蕊，陳澤宇，李唯唯，丁 錚，鄭祈全

(1.福建農(nóng)林大學藝術(shù)學院園林學院(合署)，福建 福州 350002；2.中國文化大學環(huán)境設計學院，中國 臺北 11149)

景觀格局(Landscape pattern)是指景觀的空間結(jié)構(gòu)特征，是景觀組成單元的類型、數(shù)目及空間分布與配置，是景觀異質(zhì)性在空間上的綜合表現(xiàn)[1]。其中，景觀格局是指不同大小和形狀的斑塊在空間上的排列狀況，是人為因素和自然因素共同作用的結(jié)果，具有顯著的時空特征[2-3]。目前，國內(nèi)外學者主要采用遙感影像作為信息源，通過建立土地利用覆蓋空間數(shù)據(jù)，計算和分析景觀格局特征指數(shù)，研究城市景觀格局時空變化特征及其驅(qū)動機制。如M.S.Rafael[4]、何華春等[5]、趙麗紅[6]、陽文銳[7]分別對墨西哥森林、鹽城海岸帶、南昌市、北京市的土地利用及其景觀格局變化進行了研究。張敏等[8]、劉吉平等[9]分別對白洋淀濕地與三江平原的景觀格局變化及其驅(qū)動機制進行了研究。此外，黃碩等[10]、陳利頂?shù)萚11]、李鋮等[12]分別對城市景觀格局的水環(huán)境、生態(tài)環(huán)境效益進行了研究。本研究結(jié)合景觀格局特征指數(shù)與Shannon多樣性t檢驗方法對鄭州市土地利用景觀格局變化進行分析，以期為相關(guān)規(guī)劃人員提供更科學、更具有借鑒意義的基礎資料，以避免鄭州市在今后的現(xiàn)代化進程中因不合理規(guī)劃和過度擴張而帶來的一系列都市生態(tài)問題。

1 研究區(qū)概況

鄭州市是河南省省會，在河南省中部偏北地區(qū)，下轄6個市轄區(qū)、1個縣，代管5個縣級市(圖1)。鄭州市是我國中原地區(qū)重要的政治、經(jīng)濟、文化中心城市，同時也是中部地區(qū)重要的交通樞紐。自從21世紀以來，城市經(jīng)濟迅速發(fā)展，鄭州市城市人口由2001年的不足700萬人增長至2016年的972萬人；2016年，鄭州市的GDP完成8114億元，且第三產(chǎn)業(yè)成為拉動鄭州市經(jīng)濟增長的主要動力。由于城市人口、經(jīng)濟發(fā)展方式等社會結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化，景觀生態(tài)格局也因此受到了一定程度的影響。

圖1 研究區(qū)域—鄭州市市轄區(qū)及下屬5市1縣

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與數(shù)據(jù)預處理

本研究采用2001-05-10、2008-05-05、2016-05-24的3期Landsat衛(wèi)星影像(衛(wèi)星影像解像力為30 m×30 m)作為基礎材料，分析鄭州市15 a間的土地利用變化。利用 ERDAS IMAGINE 9.3軟件，對3期衛(wèi)星影像進行幾何精校正、大氣校正與配準、區(qū)域裁剪。在進行土地利用類型劃分時，通過查閱GB/T 21010—2017 土地利用現(xiàn)狀分類[13]相關(guān)規(guī)定，并結(jié)合鄭州市現(xiàn)有土地利用情況，利用 ERDAS IMAGINE 9.3軟件的非監(jiān)督分類法(unsupervised classification)和目視解譯相結(jié)合的方法，將鄭州市的土地合并為耕地、林地、水域、建設用地和其它用地5種利用類型，分類結(jié)果見圖2。在此基礎上進行精度檢驗，其Kappa系數(shù)均為87%以上。同時參考國土資源部門土地利用現(xiàn)狀圖，證明其分類結(jié)果科學可信。

2.2 研究方法

本研究主要是應用遙測影像處理軟件(ERDAS IMAGINE 9.3)、地理資訊系統(tǒng)軟件(ArcGIS 9.3)及McGarigal and Marks(1995)提出的FRAGSTATS 3.3軟件。先應用遙測技術(shù)進行衛(wèi)星影像分類從而獲取到鄭州市3期的土地利用類型資料后，再通過景觀指數(shù)分析軟件對景觀指數(shù)進行計算，供分析鄭州市土地空間結(jié)構(gòu)和配置時空變化之用。

圖2 不同時間的鄭州市土地利用現(xiàn)狀(2001年、2008年、2016年)

2.2.1 景觀格局指數(shù)選取與計算 通過運用景觀指數(shù)的計算使景觀格局數(shù)量化，并使景觀格局獲得一定統(tǒng)計和比較性質(zhì)[14]。這是研究景觀格局變化的首要任務[15]。本研究的景觀指數(shù)層級參考已有的研究成果[16-18]，選取類型層級(Class level)和景觀層級(Landscape level)2個層次的指標：嵌塊體類型面積(CA)、景觀百分比(PLAND)、嵌塊體總數(shù)(NP)、面積加權(quán)平均旋轉(zhuǎn)半徑指數(shù)(GYRATE_AM)、平均嵌塊體大小(MPS)、面積加權(quán)平均形狀指數(shù)(SHAPE_AM)、最大嵌塊體指數(shù)(LPI)、聚合度指數(shù)(COHESION)、Shannon多樣性指數(shù)(SHDI)、聚集度指數(shù)(CONTAG)、邊緣密度(ED)、Shannon均勻度指數(shù)(SHEI)。各景觀指數(shù)計算公式和描述詳見文獻[19]。

2.2.2 景觀格局變化分析與檢驗 本研究采用Shannon多樣性t檢定法，該檢定法為前人研究所常用[20]，同時較具信息論(Information theory)。Shannon多樣性t檢定的計算公式：

(1)

(2)

(3)

式中：Hi為i時期之Shannon多樣性指數(shù)；VarHi為變異數(shù)；Pi為i類型的斑塊在總體景觀中占的比例；ni為斑塊在第i期占的總數(shù)量；mi為在第i期時斑塊類型數(shù)量；df(degree of freedom)為自由度。在顯著水平(α=0.05或0.01)下，若得出的t值大于自由度查表值，則代表顯著。

3 結(jié)果與分析

3.1 鄭州市土地利用面積動態(tài)變化特征

借助GIS工具及FRAGSTATS 3.3工具，進行鄭州市15 a來土地利用動態(tài)變化趨勢分析。由表1～表3看出，2001—2016年鄭州市土地利用發(fā)生了劇烈變化，主要表現(xiàn)為耕地、林地、水域呈顯著減少趨勢，建設用地和其它用地呈極顯著增多趨勢。

表1 2001—2008年鄭州市土地利用面積動態(tài)變動

表2 2008—2016年鄭州市土地利用面積動態(tài)變動

表3 2001—2016年鄭州市土地利用面積動態(tài)變動

2001年，耕地面積在鄭州市總面積中占首要地位，占總面積的65.88%；其次是林地，占總面積的20.36%。2001—2016年間，耕地面積呈顯著減少趨勢，15 a間面積減少了86738.13 hm2。主要是由于以往粗放的經(jīng)濟發(fā)展方式和快速城鎮(zhèn)化等，導致工業(yè)用地、辦公商業(yè)用地、居住用地等需求急劇增加，從而引發(fā)城市無序、過度擴張，建設用地侵占了大量的耕地。15 a間林地面積減少了92194.07 hm2，根據(jù)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)顯示，一部分林地轉(zhuǎn)化為建設用地和耕地。2008—2016年林地的變化率與2001—2008年相比減少速度稍有放緩，變化率由39.06%降至38.18%。主要是由于在國家政策的調(diào)控和導向下，地方的生態(tài)保護意識逐漸提高。水域面積在2008—2016年間呈下降趨勢，且下降速度遠高于2001—2008年間的增長速度，總減少水域面積已達3035 hm2。2008—2016年間的建設用地呈高速增長狀態(tài)，2016年的建設用地面積將近達到2001年建筑面積的3倍。其它用地也顯著增加。建設用地與其它用地高速增加的現(xiàn)象反映鄭州市已從新工業(yè)城市成長為大規(guī)模城市，而城市各項職能也逐漸完善。至2016年，鄭州全域用地類型主要為耕地用地與建設用地，面積最大仍為耕地用地。

3.2 鄭州市景觀格局變化分析及檢驗

3.2.1 鄭州市類型層級水平變化特征 利用Fragstats 3.3軟件，得出2001—2016年鄭州市類型層級的景觀指數(shù)變化(圖3)。2001—2016年間，耕地嵌塊體總數(shù)(NP)減少，最大嵌塊體塊指數(shù)(LPI)降低，表明耕地正處于被其它用地類型逐漸吞噬的狀態(tài)，耕地抵抗外界干擾的能力降低，從而造成該區(qū)遭受蟲害、火災等災害的風險幾率增大；面積加權(quán)平均形狀指數(shù)(SHAPE_AM)隨著其面積的縮小而隨之下降，表明耕地嵌塊體的邊緣形狀趨向于規(guī)律簡單；面積加權(quán)平均旋轉(zhuǎn)半徑指數(shù)(GYRATE_AM)下降、平均嵌塊體大小指數(shù)(MPS)增加，這說明部分小嵌塊體耕地消失，耕地景觀的延展性下降；聚合度指數(shù)(COHESION)基本沒變，說明耕地的連接性較好。

2001—2016年間，林地的嵌塊體總數(shù)(NP)大幅度減少，最大嵌塊體指數(shù)(LPI)下降，平均嵌塊體大小指數(shù)(MPS)增加，這是由于部分面積較小的林地已消失；林地面積加權(quán)平均旋轉(zhuǎn)半徑指數(shù)(GYRATE_AM)和聚合度(COHESION)下降，說明延展性和連接性下降，動物遷徙、能量交換等功能受到負面影響；林地的形狀指數(shù)(SHAPE_AM)下降，對生態(tài)方面有極大負面影響。這是全球性常見的一種景觀變化，林地景觀被砍伐轉(zhuǎn)換為城市建設發(fā)展，導致景觀結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，而景觀結(jié)構(gòu)對景觀功能造成巨大沖擊，林地的蓄水、物種遷徙、物種多樣性等功能均受到負面影響。

在水域面積逐漸減少的情況下，水域的嵌塊體總數(shù)(NP)增加、最大嵌塊體指數(shù)(LPI)下降、平均嵌塊體大小(MPS)呈減少趨勢，說明水域破碎化情形嚴重、連接性變差；面積加權(quán)平均形狀指數(shù)(SHAPE_AM)逐年下降，表明鄭州市的水域也受到近年來水岸硬質(zhì)化的影響變得更加規(guī)律簡單，這對生活在水岸的物種造成極大的負面影響。

建設用地面積在15 a間發(fā)生了天翻地覆的變化，2016年的建設用地面積將近達到2001年面積的3倍。建設用地的嵌塊體總數(shù)(NP)下降，最大嵌塊體指數(shù)(LPI)上升，平均嵌塊體大小(MPS)上升，聚合度指數(shù)(COHESION)上升，面積加權(quán)平均形狀指數(shù)(SHAPE_AM)上升，面積加權(quán)平均旋轉(zhuǎn)半徑指數(shù)(GYRATE_AM)上升。這一系列指數(shù)變化均說明，鄭州市的城市建設已成一體式發(fā)展，距離主城區(qū)較近的小面積建設用地與一些非建設用地區(qū)域正逐漸被大面積的建設用地吞并，整個城市呈顯著外擴趨勢。其它用地總面積增加，嵌塊體總數(shù)(NP)上升，最大嵌塊體指數(shù)(LPI)下降，這說明其它用地正發(fā)生破碎化，需要整體規(guī)劃。

3.2.2 景觀水平格局變化 通過利用Fragstats 3.3軟件，得出2001—2016年鄭州市景觀水平的景觀指數(shù)變化(圖4)。由圖4可知，聚集度指數(shù)(CONTAG)呈現(xiàn)逐年降低的變化趨勢，邊緣密度(ED)呈現(xiàn)下降趨勢，這表明在自然生態(tài)環(huán)境和人類活動的干擾下，林地、耕地面積大量減少，河岸廊道被截斷，景觀破碎化持續(xù)進行且某些生態(tài)功能均受到傷害；Shannon多樣性指數(shù)和Shannon均勻度指數(shù)呈上升的走向(表4)，表明鄭州市的景觀豐富度提升，這與城市化發(fā)展速度快，建設用地吞并其它類型的土地有直接的關(guān)系。

圖3 2001—2016年鄭州市類型層級景觀指數(shù)變化

圖4 2001—2016年鄭州市景觀水平景觀指數(shù)變化

3.3 鄭州市下轄行政分區(qū)景觀格局變化分析與檢定

為了更深入地分析哪些行政區(qū)對鄭州市的整體景觀格局變化造成影響，針對鄭州市轄區(qū)5市1縣分別進行顯著性檢定，結(jié)果見表5。2001—2016年鄭州市中有鞏義市、新鄭市、滎陽市、鄭州市轄區(qū)、登封市、中牟縣的景觀格局均發(fā)生了極顯著變化，新密市景觀格局發(fā)生顯著變化。在此基礎上，對鄭州市整區(qū)5市1縣分別進行詳細的景觀格局分析。

鄭州市轄區(qū)：耕地、建設用地逐年大幅度增加，其它用地無明顯變化。這一系列土地利用類型面積變化與鄭州市城市化高速發(fā)展的背景相一致。其中，由景觀百分比顯示的耕地面積下降11.94%，建設用地增加19.94%，以及建設用地的嵌塊體總數(shù)減少最多、最大嵌塊體指數(shù)上升、面積加權(quán)形狀指數(shù)大幅度上升這一系列變化反映出建設用地變化呈集中且擴大發(fā)展的趨勢。耕地的嵌塊體總數(shù)增加、最大嵌塊體指數(shù)下降、面積加權(quán)形狀指數(shù)下降，反映出耕地面積較少且處于破碎化趨勢中，且減少的耕地面積多被建設用地所侵占。

表4 鄭州市Shannon多樣性指數(shù)t檢驗結(jié)果

*：**為t值大于查表值幾率<0.01，即研究區(qū)的景觀變化呈極顯著性。

表5 鄭州市下轄行政區(qū)的Shannon多樣性指數(shù)t檢定結(jié)果

*：Hi值為第i時期的SHDI；*為t值大于查表值幾率<0.05，即研究區(qū)的景觀變化呈顯著性；**為研究區(qū)的景觀變化呈極顯著性。

鞏義市：作為一個以工業(yè)產(chǎn)業(yè)為主導的全國百強縣，需要開發(fā)大量的土地作為城市發(fā)展的基礎。主要表現(xiàn)是建設用地增加了13.39%，林地下降了20.55%，部分林地被征用為建設用地。林地的最大嵌塊體指數(shù)下降最多，同時嵌塊體總數(shù)、面積加權(quán)形狀指數(shù)下降，這表明林地的部分小嵌塊體消失、大嵌塊體趨向于面積減少的趨勢中；建設用地與鄭州整區(qū)的狀況一致，有集中擴大發(fā)展的趨勢。這一系列變化讓鞏義市的景觀格局有了相當大的改變。

新鄭市：耕地大量減少，建設用地和其它用地增加。其土地利用變化符合鄭州市社會經(jīng)濟向南向東發(fā)展的基本格局，新鄭機場與港區(qū)的建設占用了部分耕地。從景觀百分比顯示，耕地減少23.39%，建設用地增加24.45%。耕地面積變小、破碎化，建設用地的發(fā)展也是趨向于集中擴大態(tài)勢，新鄭市只擁有較少的林地，因此林地基本無變化。

登封市：登封市擁有優(yōu)越的旅游資源，同時也儲備著豐富的地下資源，此地降雨量少，造林難度很大。登封市15 a來的景觀格局表現(xiàn)為耕地面積增加16.31%、建設用地增加14.19%、林地減少30.94%。林地的嵌塊體總數(shù)、最大斑塊指數(shù)、面積加權(quán)形狀指數(shù)均大幅度下降，這說明林地面積正處于急劇減少中。林地大量減少的原因一方面是由于開采地下資源對林地進行了大規(guī)模破壞；另一方面是登封市的土地貧瘠、耕地產(chǎn)量不能滿足人們需要，所以占用部分林地開墾為耕地。建設用地集中擴大化發(fā)展。

滎陽市：耕地面積減少16.58%，林地減少4.34%，建設用地增加17.51%，水域減少2.23%，其它用地并無明顯變化。耕地與登封市耕地狀態(tài)一致，呈破碎化的傾向發(fā)展，林地也以同樣趨勢發(fā)展。水域的嵌塊體總數(shù)增加，最大嵌塊體面積指數(shù)增加，形狀指數(shù)增加，說明一部分面積較小的水域已消失，對生態(tài)造成負面影響。

中牟縣：此地坐擁鄭汴港“黃金三角”的區(qū)位優(yōu)勢，工業(yè)發(fā)展推動經(jīng)濟增長，需要大量的工業(yè)用地作為發(fā)展基礎。耕地減少25.55%，水域減少1.59%，建設用地增加21.68%。耕地趨向于破碎化、縮減的狀態(tài)，建設用地呈集中擴大式發(fā)展。從土地覆蓋類型圖上發(fā)現(xiàn)河道面積減少，河道形狀由彎曲變筆直，河岸兩側(cè)多出很多建設用地。

新密市：2001—2016年間新密市的景觀格局呈顯著變化，主要表現(xiàn)為林地下降14.65%，建設用地增加6.5%，其它用地增加9.03%。建設用地的指數(shù)表明其呈集中擴大式發(fā)展，其它用地呈組團式發(fā)展。水域形狀未發(fā)生明顯變化。

4 結(jié)論與討論

從鄭州市各土地利用類型面積變化數(shù)據(jù)中看出，2001—2016年間鄭州市的建設用地面積增加144852.66 hm2，其它用地面積增加37115.24 hm2，耕地面積減少86738.13 hm2、林地減少92194.07 hm2、水域減少3035.70 hm2。通過類型層級指數(shù)發(fā)現(xiàn)：15 a間，耕地、林地、水域的面積加權(quán)平均形狀指數(shù)、最大嵌塊體指數(shù)、面積加權(quán)平均旋轉(zhuǎn)半徑指數(shù)、聚合度指數(shù)均呈下降趨勢，反映出耕地、林地、水域的嵌塊體形狀趨向簡單化、連接度變差、面積減少的趨勢；而建設用地則優(yōu)勢度增加，形狀復雜且呈一體化發(fā)展；其它用地呈現(xiàn)破碎格局。景觀層級指數(shù)研究表明：景觀豐富度提升，景觀趨向于受多種景觀類型均勻支配，而不再受某一種景觀類型的主導。

根據(jù)Shannon多樣性指數(shù)t檢驗結(jié)果表明，2001—2016年鄭州下轄行政區(qū)中鞏義市、新鄭市、滎陽市、鄭州整區(qū)、登封市、中牟縣的景觀格局均發(fā)生了極顯著變化，新密市景觀格局發(fā)生顯著變化。在檢驗結(jié)果的基礎上，對各區(qū)域的景觀格局變化進行了詳細分析，發(fā)現(xiàn)鄭州市各區(qū)域的景觀格局也成一致的變化趨勢，表明景觀格局的變化受自然、社會經(jīng)濟等驅(qū)動力因素的影響。本文在對2001—2016年鄭州統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)資料分析的基礎上，對景觀格局呈極顯著變化的原因進行定性分析，將鄭州市驅(qū)動力因素主要分為自然因素驅(qū)動力和人文因素驅(qū)動力。自然因素驅(qū)動力主要包括氣候、水文驅(qū)動因素。分析鄭州市年均降水量與年均溫變化得出，鄭州市近年來春、秋季降水減少，而夏、冬季降水顯著增加，降水的時空不均勻分布引發(fā)和加劇了干旱和洪澇災害的發(fā)生，導致該區(qū)的生態(tài)格局穩(wěn)定性降低。在全球氣候變暖的大背景下，鄭州地區(qū)的的氣溫明顯升高、極端天氣出現(xiàn)頻率升高，此現(xiàn)象一方面對各物種的物候期產(chǎn)生影響，另一方面也會加重自然災害的發(fā)生。全球氣候變暖、高頻的極端天氣以及降水的時空不均等現(xiàn)象都是影響該區(qū)景觀格局變化的主要自然因素。人文因素驅(qū)動力主要包括人口、經(jīng)濟、政治、交通等社會因素，鄭州市人口在15 a間增加了2954124人，人口急劇增加，城鎮(zhèn)化發(fā)展取得顯著成果；同時也引發(fā)出城市用地緊張、交通擁堵、公共設施缺乏等一系列問題，導致城市不得不往外擴張，這也是當今中國所有城市所面臨的問題，也是景觀格局指數(shù)中建設用地占比呈普遍上升趨勢的原因。同時社會經(jīng)濟因素也是引發(fā)景觀格局變化的一個非常重要的人文因素。近15 a的社會經(jīng)濟發(fā)展方式和經(jīng)濟結(jié)構(gòu)主要都是以粗放型的經(jīng)濟發(fā)展方式為主，其引發(fā)的工業(yè)用地增加、資源能源用地減少等現(xiàn)象也是引起景觀格局變化的主要原因。國家和地方政府政策、法規(guī)等政治因素也是引發(fā)景觀格局變化規(guī)律不盡相同的主要人文因素。每個城市都有自己的發(fā)展目標和發(fā)展定位，不同的城市發(fā)展目標決定著不同的國民經(jīng)濟規(guī)劃，直接影響不同的專項規(guī)劃，比如土地利用規(guī)劃等是造成景觀格局變化規(guī)律不同的最直接因素。例如：新鄭市大力發(fā)展公路、鐵路、航空港為一體的交通網(wǎng)絡，建設用地侵蝕耕地成為新鄭市優(yōu)勢景觀；滎陽市沒有優(yōu)越的經(jīng)濟地理位置，且發(fā)展緩慢，各景觀類型呈現(xiàn)破碎化分布。

基于鄭州市城市高速發(fā)展所帶來的各種負面生態(tài)問題，鄭州市城市規(guī)劃部門需要尋求城市發(fā)展和生態(tài)空間保護的平衡點，制定合理的土地利用規(guī)劃。建議嚴格控制建設用地侵占耕地、林地；保證耕地、林地連片發(fā)展，維持生態(tài)連接性；在政策導向下，推進城市與鄰近縣域的一體化發(fā)展，盡量達到不以犧牲耕地、林地為代價實現(xiàn)城市經(jīng)濟發(fā)展；確定并保護重要生態(tài)源地和生態(tài)廊道，提高景觀異質(zhì)性和連接度。