馬超楠 周敏 馬宇翔

摘要：城市建設用地的快速擴張侵占其他土地利用類型，較大程度地影響了景觀生態(tài)安全，隨之出現(xiàn)的不合理景觀制約著城市可持續(xù)發(fā)展。以武漢市為例，基于2000年、2010年、2020年的影像數(shù)據(jù)，通過ArcGIS 10.3、Fragstats4.2軟件對一級地類的土地利用覆被變化、轉(zhuǎn)移，城市景觀格局指數(shù)以及景觀擴張指數(shù)等數(shù)據(jù)進行提取，對土地利用的景觀格局動態(tài)變化和景觀擴張指數(shù)變化進行研究，旨在促進城市土地利用的科學化和合理化，為城市規(guī)劃提供有益指導。

關鍵詞：土地利用;城市擴張模式;景觀格局;武漢

中圖分類號：F293 文獻標識碼：A

文章編號：1001-9138-（2021）09-0030-36 收稿日期：2021-07-10

作者簡介：馬超楠，華中科技大學公共管理學院碩士研究生。

周敏，通訊作者，華中科技大學公共管理學院副教授。

馬宇翔，華中科技大學公共管理學院碩士研究生。

基金項目：國家自然科學基金項目，資助編號：41401631。

1 引言

伴隨社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，中國的城市化保持加速發(fā)展態(tài)勢，城鎮(zhèn)用地擴展迅猛，這不僅顯著影響著城市原有景觀格局，甚至導致如生物多樣性減少和棲息地破壞，熱島效應增強、環(huán)境污染、水土流失等一系列環(huán)境問題。城市基礎設施和道路等建設用地不斷擴張，占用生態(tài)用地和未利用的土地，使原有自然生態(tài)景觀遭到破壞，呈現(xiàn)破碎趨勢，失去了原本能夠承載更多物種和景觀的作用，嚴重制約了城市原有生態(tài)調(diào)節(jié)功能的發(fā)揮。城市環(huán)境的惡化已成為我國大中城市發(fā)展所面臨突出環(huán)境問題的縮影。因此，城市建設用地擴張模式研究和景觀格局演變分析對于我國大中城市的規(guī)劃管理和環(huán)境保護工作具有廣泛的借鑒意義。

景觀格局（Landscape pattern）是指景觀的空間結構特征，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果，具有顯著的時空特征。目前，大多在大尺度、宏觀方面采用多樣化的方法和模式：通過GIS技術獲取影像數(shù)據(jù)中土地利用數(shù)據(jù)，通過矩陣轉(zhuǎn)化反映土地景觀格局的變化，應用生態(tài)學景觀指數(shù)方法定量分析LUCC的規(guī)律，從而為區(qū)域尺度上LUCC的研究積累了豐富的成果和可以借鑒的經(jīng)驗。例如，張飛飛等對廈門市從1987-2007年的景觀格局演變進行了研究，馬曉勇等、韓錦濤等、哈孜亞·包浪提將等、陽文銳等、何丹等分別對太原市、烏魯木齊市、北京市、京津冀都市圈的城市景觀格局變化進行了研究。張立強等對土地利用景觀格局的生態(tài)環(huán)境效應進行了研究。此外，對城市建設用地的研究經(jīng)歷了城市發(fā)展的宏觀模式到內(nèi)部土地利用布局的微觀模式的深入變化。目前，描述城市建設用地擴張時空特征的指標主要有擴張強度指數(shù)、擴張核心度指數(shù)、土地利用動態(tài)度、擴張程度指數(shù)、緊湊度以及景觀格局指數(shù)等。由劉小平提出的基于最小包圍盒或緩沖區(qū)計算的景觀擴張指數(shù)（Landscape Expansion Index， LEI）被廣泛應用于城市景觀擴張模式研究中。

上述文獻在景觀格局、城市擴張模式及驅(qū)動力的研究中得到了豐富的研究成果。然而，目前研究城市擴張模式與景觀生態(tài)之間關系的相關文獻還比較少。高原提出基于關聯(lián)規(guī)則挖掘方法，并以武漢市為例，研究2000-2020年間快速城市化進程與景觀安全之間的關聯(lián)關系。研究認為不同的城市擴張速度、強度以及擴張類型，對城市生態(tài)安全有著不同程度的影響。本文基于武漢市重要的社會、經(jīng)濟發(fā)展地位及其豐富的城市景觀環(huán)境，采用GIS技術與生態(tài)學景觀指數(shù)法相結合的方法，基于2000-2020年的土地利用和社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)，分析武漢市城市擴張模式與景觀格局的變化，可以為城市的可持續(xù)健康發(fā)展提供參考，使土地利用更加合理、科學，并為其他快速城市化的城市提供借鑒。

2 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

2.1 研究區(qū)域

武漢市（29°58'-31°22'N，113°41'-115°05'E）地處江漢平原、長江中游，坐擁長江和漢江兩條重要水系，總面積8569.15平方公里，轄13個區(qū)。2019年武漢市常住人口達到常住人口1121.2萬人，2020年地區(qū)生產(chǎn)總值1.56萬億元。此外，武漢市內(nèi)有近百個湖泊，水域資源極為豐富，是城市發(fā)展建設的戰(zhàn)略性資源條件。然而，城鎮(zhèn)化快速發(fā)展的同時，在2000-2020年建設用地面積增長了2.5倍，綠地和水域面積出現(xiàn)不同程度的下降，城市景觀格局發(fā)生深刻變化。探究武漢市城市增長模式及景觀格局變化，為武漢市立足新發(fā)展階段，貫徹新發(fā)展理念，構建新發(fā)展格局，推動經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展和環(huán)境經(jīng)濟耦合發(fā)展助力。

2.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本文的基礎數(shù)據(jù)來源于中國科學院提供的2000年、2010年、2020年武漢市土地利用數(shù)據(jù)。通過解譯最終將景觀類型分為耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地共6類，在ArcGIS10.3軟件支持下，將矢量文件轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)文件，為保持數(shù)據(jù)處理的精度將像元大小設置為60m。在Fragstats4.0軟件的支持下，將柵格數(shù)據(jù)文件導入，選取景觀格局指數(shù)并計算。同時，提取2000-2010年、2010-2020年的新增建設用地斑塊，計算其擴張指數(shù)。

3 研究方法

3.1 景觀格局研究方法

基于文獻閱讀綜述及對城市景觀指標總結篩選，在景觀類型變化方面選取結構和變化幅度模型、土地利用轉(zhuǎn)移模型，在景觀格局方面選取景觀指數(shù)的方法，具體建立并選取以下模型和指標來進行分析。

3.1.1 景觀類型動態(tài)變化

（1）變化程度模型

景觀類型結構模型反映不同景觀類型所占總面積的比例。其數(shù)學表達式為：

式中Sm代表某景觀類型的面積，S代表某時段區(qū)域總面積，Ua為某景觀結構比例。

景觀類型變化幅度模型反映不同景觀類型面積變化的程度。其數(shù)學表達式為：

式中Sm、Sn分別代表某景觀類型的面積，Ud為某一景觀類型的變化幅度。

（2）矩陣轉(zhuǎn)移模型

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣反映了某一區(qū)域某一時段初期和末期各景觀類型面積之間相互轉(zhuǎn)化的動態(tài)過程信息。

3.1.2 景觀格局變化

在類型水平上，選取了PD （斑塊密度）、ED（邊界密度）、LPI （最大斑塊指數(shù)）、LSI （景觀形狀指數(shù)）、COHESION （斑塊類型凝聚度指數(shù)）共5個指數(shù);在景觀水平上，選取了NP （斑塊數(shù)量）、CONTAG （蔓延度指數(shù)）、SHEI （香農(nóng)均勻度指數(shù)）、SHDI （香農(nóng)多樣性指數(shù)）、AI （分布聚合性指數(shù)）共5個指數(shù)（見表1）。

3.2 景觀擴張指數(shù)

景觀擴張指數(shù)（LEI）因其可進行多時相景觀格局動態(tài)變化分析而廣泛應用于城市景觀格局演變、擴張模式的相關研究，并可將城市景觀擴張空間模式識別為填充式、邊緣式和飛地式。LEI指數(shù)是基于目標景觀斑塊的緩沖區(qū)計算的，具體計算方法如下：

式中，LEI是新增城市建設用地斑塊的景觀擴張指數(shù)，a0是新增斑塊的緩沖區(qū)與原有斑塊相交區(qū)域的面積，av是緩沖區(qū)與空白部分相交區(qū)域的面積。若LEI大于50，則認為該新增斑塊為填充式擴張;若LEI小于50但大于0，則認為該新增斑塊為邊緣式擴張;若LEI等于0，則認為該新增斑塊為飛地式擴張。

4 結果與分析

4.1 景觀類型結構組成與變化分析

4.1.1 景觀類型結構組成及變化分析

2000-2020年武漢市的主要景觀類型為耕地、建設用地和水域。耕地和建設用地景觀呈現(xiàn)增長的趨勢，林地、草地和水域景觀在總體上表現(xiàn)為下降趨勢（見表2、圖1）。到2020年，建設用地面積增長為2000年的2.5倍。

4.1.2 景觀類型變化轉(zhuǎn)移矩陣

在2000-2010年時段內(nèi)，耕地和林地的轉(zhuǎn)換最為突出。其中耕地的來源主要是林地和水域，林地轉(zhuǎn)換為耕地和水域。在該時段內(nèi)，與建設用地景觀之間的轉(zhuǎn)換表現(xiàn)不突出。在2010-2020年時段內(nèi)，景觀類型轉(zhuǎn)換較為突出的表現(xiàn)在耕地轉(zhuǎn)為建設用地，轉(zhuǎn)換面積為上一時段的4.7倍（見表3）。此外，林地和水域域轉(zhuǎn)為耕地的活動表現(xiàn)突出。

4.1.3 景觀類型指數(shù)

在2000-2020年各時段中，從PD來看，建設用地PD指數(shù)最大，未利用地和耕地PD指數(shù)最小，耕地和建設用地PD指數(shù)呈現(xiàn)增長趨勢。其中，建設用地在2010-2020年PD指數(shù)呈現(xiàn)較大幅度增長。從ED指數(shù)來看，耕地、林地表現(xiàn)突出，其中在2010-2020年耕地和建設用地ED指數(shù)呈現(xiàn)較大程度上升。從LPI來看，耕地LPI優(yōu)勢突出，與其他景觀類型存在斷層式差異。在LSI指數(shù)的表現(xiàn)上，各用地類型的差異，從COHESION指數(shù)來看，各景觀類型差異不大，且在2000-2020年維持穩(wěn)定，其中草地和未利用地在2020年出現(xiàn)較大程度下降（見圖2）。

4.1.4 景觀格局指數(shù)

NP指數(shù)在2000-2020年總體表現(xiàn)為增長趨勢。在2000-2010年，維持在33000水平上，變化幅度較小，在2010-2020年，變化明顯，增長率為58%。CONTAG指數(shù)總體表現(xiàn)為增長趨勢，增長率維持在4%左右。SHDI指數(shù)總體表現(xiàn)為下降趨勢，在2000-2010年，下降率為3.05%，在2010-2020年下降趨勢較為明顯，下降率為11.74%。SHEI指數(shù)總體表現(xiàn)為下降趨勢，在2000-2010年，下降率為3.05%，在2010-2020年，下降趨勢明顯，下降率為11.75%。AI指數(shù)總體上表現(xiàn)為下降趨勢，且呈現(xiàn)了一定的波動。在2000-2010年，增長到90.1，在2010-2020年，降低到86.11 （見表4）。

4.2 景觀擴張指數(shù)

在2000-2010年，武漢市的新增建設用地面積較少，邊緣式擴張占比55%，填充式擴張次之占比31%，飛地式擴張占比最少為14%，在布局上較為分散。2010-2020年，新增建設用地面積較上一時段呈斷層式增長，飛地式擴張占比最多為74%，邊緣式擴張次之為25%，填充式擴張占比最少為0.03%，布局上較為集中地分布在原有建設用地四周。此外，邊緣式擴張類型的面積在兩個時段較為穩(wěn)定，填充式擴張類型在第二個時段出現(xiàn)較大程度的下降，飛地式擴張類型以900%增長率呈現(xiàn)為大幅度增長。

在空間布局上看，建設用地變化較為突出地表現(xiàn)在黃陂區(qū)、新洲區(qū)、江夏區(qū)、蔡甸區(qū)、東西湖區(qū)和洪山區(qū)（見圖3、圖4）。其中，在2000-2010年，武漢市新增建設用地主要分布在蔡甸區(qū)、洪山區(qū)、黃陂區(qū)、江夏區(qū)和硚口區(qū)。第一時段內(nèi)，邊緣式擴張是新增建設用地的主要擴張類型，主要分布在蔡甸區(qū)、江夏區(qū)、硚口區(qū)，填充式擴張主要分布在洪山區(qū)，飛地式擴張主要分布在黃陂區(qū)和新洲區(qū)。在2010-2020年，新增建設用地主要分布在黃陂區(qū)、東西湖區(qū)、江夏區(qū)和蔡甸區(qū)。此外，飛地式擴張為主要擴張類型，主要分布在新洲區(qū)、黃陂區(qū)和江夏區(qū);邊緣式擴張次之，主要分布在黃陂區(qū)、新洲區(qū)和東西湖區(qū)，填充式擴張主要分布在東西湖區(qū)和新洲區(qū)（見圖4、圖5）。

5 討論與結論

5.1 討論

基于快速城鎮(zhèn)化背景下的城市擴張和發(fā)展對建設用地需求的增加，其他土地利用類型特別是耕地、水域向建設用地轉(zhuǎn)移活動突出，同時，耕地轉(zhuǎn)移活動十分活躍，林地和水域的轉(zhuǎn)入使得總體維持增長，進一步表明城市景觀格局變化受到人為活動的深刻影響。

5.1.1 景觀指數(shù)

從景觀類型來看，耕地斑塊的面積大，破碎化程度小，斑塊邊界較長且不規(guī)則，在景觀中表現(xiàn)為整體性景觀且凝聚度較高。林地的斑塊破碎化程度小，斑塊面積均不大，但大于草地和水域的斑塊面積，在形狀上表現(xiàn)為不規(guī)則，凝聚度較高。草地斑塊的斑塊邊界較長且不規(guī)則，且出現(xiàn)了一定的破碎化現(xiàn)象。水域的各項指數(shù)說明其破碎化現(xiàn)象有一定的增加。建設用地斑塊的破碎化程度高，其斑塊邊界不長，且不規(guī)則程度高，在2020年建設用地斑塊表現(xiàn)為大面積，凝聚度有一定的增加。

5.1.2 擴張指數(shù)-多中心協(xié)同發(fā)展

2000-2020年，武漢市城市化進程蓬勃發(fā)展，新增建設用地面積持續(xù)增加。2010版武漢市城市總體規(guī)劃提出“以主城為核心，在重要出口通道構筑六個方向的城市主要空間發(fā)展軸”，武漢市城市化呈現(xiàn)多中心發(fā)展趨勢。2010-2020年建設用地呈現(xiàn)斷層式增長，同時飛地式增長的比例顯著增加。在空間分布上，趨于分散。新增建設用地斑塊以主城區(qū)為中心，向四周輻射。在新洲區(qū)和黃陂區(qū)新增建設用地表現(xiàn)突出，出現(xiàn)多個新增建設用地增長中心。

5.2 結論

（1）在2000-2020年的20年里，景觀整體保持著較好地連通性和凝聚度，同時破碎化程度有所增加，耕地保持其景觀優(yōu)勢且凝聚度較高，出現(xiàn)了破碎化的趨勢，建設用地呈現(xiàn)更加凝聚的特征。

（2）不充分考慮生態(tài)環(huán)境安全的城市擴張模式，在獲得快速經(jīng)濟社會發(fā)展的同時，會增加對景觀生態(tài)安全的威脅，例如耕地、水域等大量轉(zhuǎn)化為建設用地，極大地破壞了景觀生態(tài)，造成景觀的破碎化程度升高，表明城市景觀結構處于不穩(wěn)定中。

（3）在城市化進程中，城市新增建設用地增長，飛地式增長加劇了景觀的破碎化程度和多樣性，但邊緣式和填充式擴張能夠提高土地利用效率以及減少對景觀環(huán)境的破壞。飛地式增長可以形成多個城市發(fā)展中心，但同時會加劇景觀破碎化程度，導致城市建成區(qū)的分散。邊緣式和填充式增長，可以提高土地利用效率，增加景觀的緊湊性，提高資源利用效率。

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