趙新正,梁家寧

(1.西北大學 城市與環(huán)境學院,陜西 西安 710127;2.西北大學 陜西省黃河研究院,陜西 西安 710127;3.陜西省情研究院,陜西 西安 710127;4.陜西省地表系統(tǒng)與環(huán)境承載力重點實驗室,陜西 西安 710127)

黃河發(fā)源于青藏高原,流經(jīng)9個省(自治區(qū)),流域面積極為廣泛,然而黃河流域整體發(fā)展低于我國平均水平[1]。2019年,習近平總書記提出黃河流域生態(tài)保護與高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略[2]。其核心是堅持生態(tài)保護與生態(tài)治理優(yōu)先,以中心城市、都市圈、城市群建設為重點,促進黃河流域高質(zhì)量發(fā)展與生態(tài)保護的協(xié)同發(fā)展[3]。西安作為黃河流域僅有的兩大國家中心城市之一,承載著輻射帶動西安都市圈、關中平原城市群發(fā)展的作用,然而西安地區(qū)生態(tài)環(huán)境復雜,市域河流密集,屬于黃河流域渭河水系的河流多達40余條[4],市域南部與我國中部最重要的生態(tài)安全屏障秦嶺相接,城市空間擴張與生態(tài)環(huán)境保護之間矛盾明顯[5],科學識別城市空間擴張?zhí)卣鞑⒆R別其對景觀格局的影響是促進二者協(xié)調(diào)發(fā)展的前提。

研究城市空間擴張與景觀格局的關系是探究城市擴張的景觀生態(tài)效應的有效手段[6-11]。國外學者針對用地擴張帶來的景觀格局變化及其生態(tài)效應開展了大量研究。Estoque和Murayama基于遙感數(shù)據(jù),通過曼谷和馬尼拉兩座城市2年間的城市用地擴張變化研究了城市擴張和用地空間格局的變化的關系[12]。Boori等學者利用遙感數(shù)據(jù)研究了新加坡、馬尼拉和吉隆坡3個城市群1989—2014年的城市擴張速度和城市擴張對植被分布格局的影響[13]。Heusinkveld等人分析了鹿特丹的土地利用變化對熱島空間格局的影響[14]。Navarro-cerrillo等學者利用Fragstats軟件從微觀角度分析了西班牙南部城市公園用地變化對植被變化的影響[15]。Sklenicka選取大小形狀、邊緣密度等景觀指數(shù)評價了捷克土地利用的生態(tài)效應[16]。Burak以地中海城市為研究對象發(fā)現(xiàn)城市擴張會對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定程度的消極作用[17]。Bounoua等分析了美國城市化中城市植被與城市溫度的關系,發(fā)現(xiàn)植被數(shù)量和植被類型是影響城市地表溫度的重要因素。Wang等對建設用地退耕還林的現(xiàn)象,利用相關分析方法進行了生態(tài)效應評估[18]。Liu和Yang以重慶市為對象,研究了土地利用與熱島效應的時空特征之間的關系[19]。國內(nèi)關于二者關系的研究主要集中在城市發(fā)展與生態(tài)耦合的基礎理論[20]、城市發(fā)展與生態(tài)耦合評價[21-23]和景觀生態(tài)效應的定量研究等方面。劉耀彬等建立模型來判斷城市化與生態(tài)環(huán)境是否協(xié)調(diào)發(fā)展,認為生態(tài)環(huán)境對城市發(fā)展產(chǎn)生制約和反饋作用[24];黃金川等指出生態(tài)環(huán)境在受到城市化快速發(fā)展影響的同時,制約著城市化水平的發(fā)展[25]。藺雪芹等在研究北京市土地利用變化后認為建設用地高速擴張導致的生態(tài)用地總量減少對北京市生態(tài)環(huán)境的負向影響顯著[26]。崔木花基于耦合協(xié)調(diào)度模型對中原城市群的城鎮(zhèn)化和生態(tài)環(huán)境的影響程度進行了評價[22]。鄧婉君采用景觀指數(shù)對土地整理的景觀生態(tài)效應進行分析,發(fā)現(xiàn)景觀類型和斑塊分布向單一化和非均衡化發(fā)展[27]。

總體來說,國內(nèi)外學者圍繞城市空間擴張與生態(tài)環(huán)境關系進行了大量研究,但還存在以下不足:研究對象上,范圍較大且集中在相對發(fā)達地區(qū),如京津冀、長三角、中原城市群等發(fā)達地區(qū),對生態(tài)環(huán)境較為脆弱、經(jīng)濟發(fā)展水平相對滯后的黃河流域尤其是黃河中上游地區(qū)缺乏關注。同時,研究內(nèi)容上既有的實證研究主要是對城市發(fā)展和生態(tài)環(huán)境耦合水平進行評價測度,大多數(shù)學者都更為注重生態(tài)環(huán)境表征體系的構建,對城市空間擴張的景觀格局變化缺乏動態(tài)的模擬?；诖?本文以黃河流域中游的中心城市西安市作為研究對象,依據(jù)西安區(qū)建設用地數(shù)據(jù),運用 ArcGIS 10.2空間分析西安建設用地在2000—2020年20年間的變化情況及分布特征,運用Fragstats 4.2軟件分析土地利用的景觀格局得到景觀格局指數(shù)。在此基礎上,分析建設用地擴張生態(tài)效應,探索城市擴張模式,對城市規(guī)劃、土地利用、資源環(huán)境保護具有重要意義,同時也為黃河流域生態(tài)保護與高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略實施和相關部門的國土空間治理決策拓寬思路。

1 研究區(qū)概況

西安作為國家中心城市, 關中平原城市群和連接絲綢之路經(jīng)濟帶與黃河經(jīng)濟帶的核心城市, 地理位置極為重要。 截止2020年底, 西安市域面積約為10 096.81 km2, 其中中心城區(qū)面積約為5 146.66 km2。 西安市下轄 11個區(qū)、 2個縣, 第七次全國人口普查數(shù)據(jù)顯示, 西安市全市總人口1 295.29萬人。從西安市2020年土地利用類型布局來看(見圖1),建設用地主要分布在行政區(qū)北側中部地區(qū),呈向外擴張趨勢,其東西方向的用地類型以耕地為主,行政區(qū)南側以林地和草地為主,即秦嶺山脈。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

建設用地變化和城市空間擴張的相關性已得到廣泛認同[28]。本文所用數(shù)據(jù)包括陜西省西安市的建設用地數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)及統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)。其中土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心基于美國陸地衛(wèi)星Landsat TM影像解譯生成的遙感監(jiān)測數(shù)據(jù),土地利用分類的矢量圖包括2000年、2005年、2010年、2015年和2020年共5期,分辨率為 30m×30m。結合高分辨率遙感數(shù)據(jù)對遙感解譯數(shù)據(jù)進行修正,確保精度。運用ERDAS軟件對數(shù)據(jù)進行校正、配準、裁剪等預處理,然后使用ArcGIS 10.2軟件的ArcToolbox的裁剪擦除工具,提取西安市2000—2020年20年間的建設用地數(shù)據(jù)。根據(jù)中國科學院土地資源分類系統(tǒng),將研究區(qū)土地利用類型分為6個一級類:耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地。其他相關基礎數(shù)據(jù)來源于《陜西省統(tǒng)計年鑒》和《西安市統(tǒng)計年鑒》。

2.2 研究方法

首先，對西安市20年間建設用地面積變化數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,量化建設用地擴張的大小、速度;運用ArcGIS 10.2軟件的空間分析功能將2000—2020年5期的西安市建設用地面積變化進行空間疊加得到變化圖斑,按照年份進行圖示并分析其面積變化以及與其他用地面積相互轉換的關系。

其次，參考前人研究[29],借用景觀生態(tài)學原理中對生態(tài)景觀結構空間方面統(tǒng)計指標[30],選取對土地利用類型變化響應可預測性較強的景觀格局指數(shù)10個:斑塊個數(shù)NP、景觀邊緣密度ED、斑塊形狀指數(shù)LSI、最大斑塊所占景觀面積比例LPI、蔓延度指數(shù)CONTAG、凝聚度指數(shù)COHESION、面積加權平均形狀指數(shù) AWMSI、面積加權平均斑塊分形指數(shù)AWMPFD、Shannon多樣性指數(shù)SHDI和Shannon均度指數(shù)SHEI。

表1 用地擴張的景觀格局指數(shù)體系Tab.1 Landscape pattern index system for land expansion

景觀特征層中的基礎數(shù)據(jù)參照西安市土地利用類型數(shù)據(jù),為其逐一建立標識字段,再利用ArcGIS 10.2的空間分析工具,將矢量圖柵格化,將30 m×30 m的數(shù)據(jù)輸入Fragstats 4.2軟件平臺進行分析,得到區(qū)域景觀層面的景觀格局指數(shù)。

最后，使用西安建設用地面積變化數(shù)據(jù)作為自變量,景觀格局指數(shù)作為因變量,運用Stata14.0軟件對建設用地面積變化與景觀格局相關指數(shù)分別進行回歸分析,得到建設用地擴張對景觀格局的影響情況,即建設用地擴張的生態(tài)效益。

3 城市用地擴張?zhí)卣?/h2>

3.1 建設用地規(guī)模變化

“先快后慢”的擴張規(guī)律。對2000—2020年的5期土地利用數(shù)據(jù)進行探究,計算其建設面積及其變化情況(見表2)。結果得出,西安市建設用地總體呈不斷增長的趨勢,其中2005—2010年區(qū)間內(nèi),建設用地增長速率最快,達19.48%,其次為2005—2010年的12.28%、2015—2020年的7.88%和2010—2015年的5.71%。西安市建設用地面積,自2000年起初緩慢增長,后加速至2010年達到擴張速率頂峰,2010年以后,增長速率開始下降,2015—2020年又有所增長。此外,2010年之前,建設用地面積占西安市總用地面積的占比不超過10%,但2010年之后,其占比均高于10%且逐年緩慢增加。

表2 2000—2020年西安市建設用地面積及其變化情況Tab.2 The area of construction land and its changes in Xi′an from 2000 to 2020

3.2 建設用地擴張的空間演變

西安市位于渭河以南二級階地上,建設用地集中分布在該區(qū)域,并呈向東西擴散的形式(見圖2)。2000年以來,西安市的城市性質(zhì)逐漸從生產(chǎn)型向生活型轉變,城市規(guī)模不斷擴大,受地形等因素的限制,南部區(qū)域的擴張較為突出。

圖2 2000—2020西安市建設用地擴張情況Fig.2 Expansion of construction land in Xi′an from 2000 to 2020

隨著城市人口增長,2000—2005年,市區(qū)整體上在西南、東北方向有較為突出的擴張,長安區(qū)方向擴展明顯,呈現(xiàn)“軸向擴張”的特征。2005—2010年,建設用地進一步擴張,但范圍較為分散,出現(xiàn)“圈層擴張”的初步特征,值得注意的是,這一階段秦嶺生態(tài)保護區(qū)內(nèi)新增了建設用地。2010—2015年主要向東南方向拓展,仍然處于“圈層擴張”階段。2015—2020年在東西南北四個方向上均有所拓展,主要分布在長安、灞橋、臨潼、西咸新區(qū)及渭北地區(qū),呈現(xiàn)“帶狀+塊狀”的分散組團形態(tài)擴張。

總體看來,2000年以來的20年間,西安市在空間擴張呈現(xiàn)以中心城區(qū)為核心,從核心到外圍的圈層式擴張模式,目前正向組團擴張轉變。

3.3 建設用地與其他用地之間的轉換特征

運用ArcGIS 10.2中ArcToolbox的裁剪及擦除工具,計算得到西安市建設用地擴張占各類用地的面積變化情況(見表3),及其轉變?yōu)槠渌玫氐拿娣e(見表4)。2000—2010年建設用地擴張占其他用地面積逐漸增加,2005—2010年間占用其他地類面積達2.12%, 2010—2015年間緩和至0.48%, 2015—2020年間又增大到1.95%。 在其他5種用地類型中, 建設用地擴張占耕地面積始終最大, 同樣在2005—2010年間達到頂峰。 此外, 西安市建設用地擴張占林地和草地面積也較大。

表3 西安市建設用地擴張占用各類用地面積Tab.3 Expansion of construction land in Xi′an takes up various land areas

除建設用地擴張占用其他地類面積,也出現(xiàn)了部分建設用地轉變?yōu)槠渌玫仡愋偷默F(xiàn)象(見圖3)。由表4中看出,建設用地轉化為耕地、林地、草地的面積占比同樣較大。其中2005—2010年的轉換總面積最大,約占總面積的0.33%。西安市在2010—2015年和2015—2020年間建設用地轉換為其他用地的面積占比都極小,說明已形成的建設用地在2010—2020年間很少再改動為其他用地類型,反應出西安市建設用地較為缺乏。其中,2010—2015年縮減的建設用地主要用于擴張水域面積,轉換為其他用地類型的占比很小。2015—2020年縮減的建設用地主要用于草地和水域面積的擴張。

圖3 2000—2020西安市建設用地轉換情況Fig.3 Conversion of construction land in Xi′an from 2000 to 2020

表4 西安市建設用地轉換為其他各類用地面積Tab.4 The area of construction land converted to other types of land in Xi′an

4 建設用地擴張的景觀生態(tài)效應

4.1 景觀生態(tài)格局特征分析

由于人類活動等的時空變化,過去的20年西安市景觀格局也發(fā)生了顯著變化(見圖4)。

圖4 西安市景觀格局指數(shù)變化趨勢圖Fig.4 Trend map of landscape pattern index in Xi′an

斑塊個數(shù)(NP)的變化結果顯示,在2000—2005年NP較大,且略微增大,即景觀破碎度較大。2010年NP 減小明顯,至2015年又逐漸增大,但未高于之前的水平,2015—2020年,NP進一步減小,這在一定程度上表明城市各類功能用地在逐漸整合。景觀邊緣性指數(shù)(ED)分析結果表明,在2000—2005年間不斷增大,至2010年略有一定的減小,2015—2020年持續(xù)增大,但增速減緩。ED 整體上仍處于較高水平,這體現(xiàn)出單位面積內(nèi)的邊緣長度較大,反映出了景觀格局趨于破碎化的趨勢,導致了生境的破碎化。

斑塊形狀指數(shù)(LSI)變化方面,2000—2005年LSI均呈現(xiàn)增大趨勢,即斑塊復雜度增大,2005—2010年指數(shù)有所下降,2015—2020年又呈現(xiàn)繼續(xù)增大趨勢。最大斑塊所占面積比例(LPI)近20年變化不大,說明景觀類型的主導性較為穩(wěn)定,即人類活動對景觀的干擾強度和頻率較為穩(wěn)定，呈現(xiàn)緩慢減少的態(tài)勢。

從景觀蔓延度指數(shù)(CONTAG)看,2000—2020年CONTAG變化趨勢逐年減小,說明景觀向多要素密集布局轉移,破碎化程度變高。景觀凝聚指數(shù)(COHESION)整體呈減小趨勢,2005—2010年略微增大,說明景觀內(nèi)的斑塊在空間分布上越來越聚集,相應結合度也越來越高,隨后逐年減小。

面積加權平均形狀指數(shù)(AWMSI)2000—2010年斑塊復雜性逐漸增加,2010年以后該值逐漸降低,2020年略有浮動。AWMSI對很多生態(tài)過程都有影響,對自然景觀的形態(tài)分析有另一顯著的生態(tài)意義,即邊緣效應。面積加權平均斑塊分形指數(shù)(AWMPFD)在2000—2010年間處于相對穩(wěn)定的水平,2010—2015年減小明顯。景觀分數(shù)維度值與人類活動呈負相關,即干擾越大,數(shù)值越小。因此,西安市景觀格局受人類活動影響總體呈增大趨勢。

Shannon多樣性指數(shù)(SHDI)2000—2020年增大,表明斑塊類型增加或各斑塊類型在景觀中呈均衡化趨勢分布,景觀內(nèi)土地利用類型逐漸豐富。Shannon均度指數(shù)(SHEI)大體上同樣呈現(xiàn)增加趨勢,說明逐漸向沒有明顯的優(yōu)勢類型發(fā)展,各類拼塊類型在景觀中逐漸均勻分布,對景觀多樣性具有顯著的影響。

4.2 城市空間擴張的景觀生態(tài)效應分析

使用西安市建設用地面積大小變化對城市擴張現(xiàn)象進行量化,作為自變量,使用西安市的各類景觀格局分析結果數(shù)據(jù)表現(xiàn)其生態(tài)變化情況,作為因變量,運用Stata14.0軟件,對5個年份面板數(shù)據(jù)進行回歸分析,得到建設用地對各類景觀格局指數(shù)變化的解釋程度數(shù)據(jù),分析得到建設用地擴張的景觀生態(tài)效應。

由分析結果看出(見表5),西安市建設用地面積自2000年以來的擴張變化情況,對ED、LSI、SHDI、SHEI的變化趨勢有正向的促進作用,對NP、LPI、CONTAG、COHESION基本上呈現(xiàn)制約作用。說明隨著建設用地擴張,西安市整體上各區(qū)域景觀破碎化程度增高。城市建設用地的擴張也會帶來SHEI的增長趨勢,SHEI是比較不同時期不同景觀和同一景觀多樣性變化的重要方法。SHEI可以利用優(yōu)勢指數(shù)進行轉換。當SHEI很小的時候,這種優(yōu)勢通常很高。而隨著建設用地擴張,SHEI相應增大,趨近于1,說明景觀中優(yōu)勢類型逐漸不明顯,各斑塊類型趨于均勻分布。因此,隨著建設用地面積的擴張,對西安市景觀多樣性的影響體現(xiàn)在促進了景觀破碎度增高,景觀中的優(yōu)勢類型相對減弱,趨于均勻。

表5 回歸分析結果Tab.5 Regression analysis results

建設用地面積變化對 ED、LSI 存在較為顯著的正向促進作用,且t均約為0.011 7,回歸結果達到了5%的顯著性水平。隨著城市建設用地面積的增大,ED與 LSI 基本上相應呈現(xiàn)增大趨勢。該現(xiàn)象說明西安市建設用地擴張的同時,景觀范圍內(nèi)各類斑塊的邊緣長度相應增大,建設用地的發(fā)展帶來了生境的破碎化。同時,隨城市建設用地變化,斑塊形狀特征趨于不規(guī)則,景觀趨于復雜化。綜上,隨著建設用地面積的擴張,對西安市景觀邊緣性的影響體現(xiàn)在促進了斑塊邊緣長度增大,斑塊形狀趨于復雜。

建設用地面積擴張對CONTAG存在較顯著的制約作用,回歸結果達到了1%的顯著性水平。意味著建設用地增大導致CONTAG減小,而低聚集度體現(xiàn)在景觀中具有優(yōu)勢類型連接性的斑塊數(shù)量減少,即破碎化程度增高。綜上,建設用地面積的擴張對景觀聚集度的影響體現(xiàn)在聚集度降低,景觀破碎度增高。

建設用地面積增大對AWMPED存在較顯著的制約作用,回歸結果在統(tǒng)計上達到1%的顯著性水平。隨著城市建設用地面積的增大,AWMPED很大可能隨之減小,即在建設用地變化的影響下,西安市景觀格局受人類活動影響增大。

建設用地面積變化對NP和COHESION存在基本顯著的制約作用,回歸結果達到了10%的顯著性水平。這說明NP隨建設用地面積減小可能性較大。而建設用地面積增大,帶來COHESION的減小,結合度降低,即斑塊在景觀上趨于分散。結合上述對CONTAG的分析,在城市建設用地變化的影響下,景觀的聚散性指數(shù)相應變化,主要體現(xiàn)為斑塊的破碎化加劇。

建設用地面積與LPI和AWMSI的制約作用不夠顯著。即隨著建設用地變化,不易看出最大斑塊面積的變化情況與景觀格局的復雜性情況。

5 結論與討論

5.1 結論

根據(jù)西安市2000—2020年中5個年份建設用地及土地利用數(shù)據(jù),本文分析了建設用地面積變化與空間演變情況,并結合得到的景觀格局指數(shù)的相關分析結論,探討了區(qū)域建設用地和景觀格局之間的作用情況,得到以下結論:

1)2000年以來,西安市建設用地面積總體不斷增長,2005—2010年達到擴張速率頂峰,2010年以后增長速率開始下降,總體呈現(xiàn)“先快后慢”的擴張規(guī)律。空間擴張模式上總體呈現(xiàn)以中心城區(qū)為核心的圈層式擴張模式。建設用地擴張占用其他用地面積在2000—2010年逐漸增加,2010—2015年間略微減少,2015—2020年又有所增加。建設用地擴張主要占用耕地面積,同時,轉換為耕地的建設用地面積占比也最大,2005—2010年的轉換總面積最大,說明耕地與建設用地的轉換關系產(chǎn)生的景觀影響相對較大。

2)自2000年來,西安市景觀格局受人類活動影響總體呈增大趨勢,西安市建設用地擴張與景觀格局變化存在一定的影響作用關系,說明區(qū)域建設用地擴張存在一定的生態(tài)效應。建設用地面積變化對SHDI、SHEI、ED、LSI 有正向促進作用,對 CONTAG、AWMPED 有制約作用,對LPI和AWMSI 的作用關系不夠明顯。

隨著建設用地面積的擴張,對西安市景觀多樣性和聚散性的影響體現(xiàn)在促進了景觀破碎度增高,景觀中的優(yōu)勢類型相對減弱。斑塊的破碎化加劇;對景觀邊緣性的影響體現(xiàn)在促進了斑塊邊緣長度增大更傾向于一個方向上長度的增加,斑塊形狀趨于復雜。因此,在城市擴張與發(fā)展時,也應充分考慮隨之帶來的生境破碎化的問題與地類合理分布的問題,科學統(tǒng)籌城市空間擴張與生態(tài)保護區(qū)域的空間協(xié)調(diào)性。

5.2 討論

城市化進程中,城市與生態(tài)環(huán)境存在較為復雜的關系,不同生態(tài)區(qū)域也存在較大差異。本文僅對黃河流域中游的中心城市西安的建設用地擴張導致的生態(tài)格局變化影響情況進行了初步討論,但是在城市發(fā)展擴張過程中,景觀生態(tài)效應同時受到地理區(qū)位、政策制度、自然條件、經(jīng)濟發(fā)展、社會文化等諸多方面因素影響,其具體情況根據(jù)不同時代背景下的人類活動特征而發(fā)生不同的變化。在進一步的研究中,如果能因地制宜,擴大數(shù)據(jù)量和時間跨度,對景觀生態(tài)效應的評價時增加多種影響因子,且在空間上分析建設用地的影響時考慮多因素相互影響,會得到更為客觀的城市擴張景觀生態(tài)效應結論,為黃河流域生態(tài)保護與高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略實施提供更為全面的理論支撐。