楊文溱,陳玉婷
(廣州大學(xué)地理科學(xué)與遙感學(xué)院,廣東廣州 510006)
土地利用及其覆被的變化是自然環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況以及城市規(guī)劃共同作用的結(jié)果,人地關(guān)系的變化反映了不同時(shí)間和空間土地的使用方式和人類的活躍程度[1-3],城市的土地利用狀況之間的轉(zhuǎn)變,也影響著城市的森林景觀的變化。城市森林景觀是城市景觀的重要組成部分,維系著城市生態(tài)功能的運(yùn)轉(zhuǎn),影響著城市區(qū)域內(nèi)乃至全球環(huán)境的變化[4-5],是城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的重要保障之一。景觀連通性是指景觀要素在其特定空間上的一種相互聯(lián)系和相互作用的現(xiàn)象[6],在1984年首次應(yīng)用到景觀生態(tài)學(xué)之后,隨著生態(tài)學(xué)的發(fā)展以及景觀連通性對(duì)破碎景觀中的生物棲息地和物種多樣性保護(hù)等方面的重要指導(dǎo)意義,其在景觀生態(tài)學(xué)領(lǐng)域中得到了發(fā)展[7-8]。已有研究對(duì)連通性的表示方法有景觀連通性指數(shù)量化和景觀連通性模型2種[6],國內(nèi)外研究內(nèi)容主要集中在生物環(huán)境破碎化景觀斑塊的連通性[9]、人類對(duì)景觀的生物多樣性保護(hù)干擾[10]以及保護(hù)區(qū)的景觀規(guī)劃上[11];在研究方法上主要是利用遙感解譯得到的土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過景觀格局指數(shù)和移動(dòng)窗口的方法分析城市中森林景觀演變情況及其破碎化程度,進(jìn)而分析城市的擴(kuò)張幅度與城市森林景觀之間的關(guān)系[12-15];以往對(duì)森林景觀連通性的研究大都基于單個(gè)城市中某一時(shí)段內(nèi)小尺度[16-20],較少對(duì)城市群森林景觀連通性[12]及流域內(nèi)大尺度進(jìn)行研究[21],小尺度的研究范圍難以反映森林連通性的動(dòng)態(tài)變化趨勢,不利于城市森林景觀的檢測,同時(shí),其單個(gè)城市行政邊界的約束也限制了人們對(duì)城市森林景觀連通性變化的尺度效應(yīng)的理解。
珠三角的城市群經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)統(tǒng)一是當(dāng)前生態(tài)文明體系和生命共同體研究的熱點(diǎn)命題之一,隨著2016年8月,國家林業(yè)局正式批復(fù)珠三角地區(qū)為“國家森林城市群建設(shè)示范區(qū)”起,國家對(duì)森林城市群的建設(shè)越發(fā)重視,珠三角地區(qū)城市森林群的建設(shè)也對(duì)其他區(qū)域城市群森林景觀的建設(shè)有重要借鑒意義。因此,該研究以珠三角九大主要城市森林景觀為研究對(duì)象,基于ArcGIS平臺(tái)及景觀生態(tài)學(xué)定量評(píng)價(jià)Fragstats軟件進(jìn)行珠三角城市群的森林景觀結(jié)構(gòu)連通性分析以及各個(gè)市的森林景觀結(jié)構(gòu)連通性分析,旨在為合理開展珠三角區(qū)域的生態(tài)環(huán)境管理和提高城市居住質(zhì)量提供建議與依據(jù),為其他城市群森林景觀建設(shè)提供借鑒。
1.1 研究區(qū)概況珠三角位于中國廣東省中南部,包括廣州、佛山、肇慶、深圳、東莞、惠州、珠海、中山、江門9個(gè)城市,位于11°21′~115°28′E,21°30′~24°24′N。珠三角9市總面積為55 368.7 km2,聚集了國內(nèi)經(jīng)濟(jì)第一大省53.35%的人口,79.67%的經(jīng)濟(jì)總量,是我國重要的經(jīng)濟(jì)中心區(qū)域。珠三角大部分位于北回歸線以南,地處南亞熱帶區(qū),屬亞熱帶海洋季風(fēng)氣候,雨量充沛,熱量充足,雨熱同季,形成了多層次分布的森林群落垂直結(jié)構(gòu),森林的生態(tài)系統(tǒng)從上往下依次有林上的高大喬木以及林下的熱帶、亞熱帶種屬的灌木、藤木和草本植物。
1.2 數(shù)據(jù)處理采用珠三角九大城市2000、2010與2020年3個(gè)時(shí)段的30 m空間分辨率的全球地表覆蓋數(shù)據(jù),在研究范圍內(nèi)共包括8個(gè)一級(jí)地類,分別為耕地、森林、草地、灌木地、濕地、水體、人造地表及裸地,為柵格數(shù)據(jù)。該柵格數(shù)據(jù)研制所使用的分類影像主要是30 m的多光譜影像,包括了美國陸地資源衛(wèi)星(Landsat)的TM5、ETM+、OLI多光譜影像與中國環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星(HJ-1)的多光譜影像。在選取影像時(shí),盡量保障在無云或少云的天氣環(huán)境下,擇優(yōu)選取植被生長季內(nèi)的多光譜影像,并通過樣本檢驗(yàn),總體精度達(dá)80%以上,2010與2020年數(shù)據(jù)的Kappa系數(shù)分別為0.78與0.82,有助于對(duì)于珠三角景觀格局及森林景觀連通性的相關(guān)研究。
2.1 空間梯度分析空間梯度分析方法同時(shí)也被稱為環(huán)形系統(tǒng)分析方法,是通過建立一個(gè)圍繞城市中心圈外等距擴(kuò)散的緩沖帶,同時(shí)將這些緩沖帶作為分析城市功能用地?cái)U(kuò)展空間分異的基本單元,以此用來計(jì)算有關(guān)的空間度量指標(biāo),并分析不同時(shí)期城市化的過程所體現(xiàn)出來的空間行為特征,空間梯度分析法有助于對(duì)森林景觀分布的形象化表達(dá)[22]。該研究基于研究區(qū)的實(shí)際狀況,參照已有研究經(jīng)驗(yàn),依據(jù)珠江三角洲的幾何中心為中心,選擇半徑為6、15、30 km對(duì)珠江三角洲地區(qū)各時(shí)期主要功能用地進(jìn)行分區(qū),通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到最后各空間梯度的主要功能用地分布狀況,并從時(shí)間和空間2個(gè)方面對(duì)主要功能用地類型進(jìn)行空間梯度分析及其變化特征分析,從而分析總結(jié)出珠三角地區(qū)主要功能用地的時(shí)空規(guī)律。
2.2 景觀格局分析
2.2.1景觀格局指數(shù)分析。為分析刻畫景觀的破碎化特征與分析森林的連通性,選取2個(gè)景觀格局指數(shù)進(jìn)行分析(表1),分別為:斑塊密度(patch density,PD)與平均斑塊大小(mean patch area,MPS)。并依據(jù)所選取的景觀格局指數(shù)首先分析2000、2010及2020年珠三角全域景觀格局的演變特征及其破碎化的程度分析,再對(duì)珠三角范圍內(nèi)的森林景觀連通性進(jìn)行著重分析。
表1 景觀格局指數(shù)及其生態(tài)學(xué)含義[12]Table 1 Landscape pattern index and its ecological implications[12]
2.2.2基于移動(dòng)窗口的時(shí)空格局分析。因總體景觀格局指數(shù)著重于分析研究區(qū)域的整體景觀特征,但是較難從數(shù)據(jù)上反映出景觀格局在內(nèi)部空間中的變化與差異,而利用移動(dòng)窗口,可以將景觀格局指數(shù)空間可視化,更加精細(xì)地分析指數(shù)的變化及空間趨勢。根據(jù)前人研究成果[21],選用3 500 m大小的移動(dòng)窗口,從研究區(qū)域的左上角開始,逐個(gè)柵格進(jìn)行移動(dòng),移動(dòng)到當(dāng)前每個(gè)“窗口”內(nèi)的景觀格局指數(shù),并將指數(shù)賦值在其中心柵格,以獲得上述3個(gè)景觀指數(shù)的空間分布特征圖。
3.1 基于空間梯度的森林動(dòng)態(tài)變化由圖1可知,在數(shù)量上看,肇慶市空間梯度內(nèi)森林面積最大,主要是由于肇慶市處于丘陵地帶,市內(nèi)多山區(qū)地貌;其次是惠州和廣州。從數(shù)量變化上看,東莞、惠州、深圳、珠海、肇慶、中山6市的森林在2000—2020年呈現(xiàn)先增后減的趨勢,而廣州和江門在2000—2020年森林一直處于下降的趨勢,佛山市是珠三角城市群中唯一一個(gè)在2000—2020年森林呈現(xiàn)上升趨勢的城市,主要原因是從2004年起,佛山市認(rèn)真貫徹黨中央《關(guān)于加快林業(yè)發(fā)展的決定》大力進(jìn)行植樹造林活動(dòng),僅2004年全市就完成植樹造林面積2 640 hm2。
3.2 珠三角景觀格局分析
3.2.1珠三角森林景觀斑塊密度分析。根據(jù)珠三角森林斑塊密度的計(jì)算結(jié)果可以得出,2000、2010和2020年的斑塊密度分別為0.390 4、0.390 2和0.362 7個(gè)/km2。2000—2020年森林的斑塊密度呈下降趨勢,在2010—2020年中,森林的斑塊密度下降幅度增大,珠三角的森林呈現(xiàn)連通性逐漸改善的情況(圖2)。結(jié)合珠三角森林的斑塊密度移動(dòng)窗口結(jié)果來看,在珠三角中部地區(qū),森林斑塊較2010與2000年少,該部分區(qū)域可能由于城市發(fā)展,侵占該地區(qū)的森林,導(dǎo)致森林斑塊減少;在肇慶市與惠州市,原有的連片大規(guī)模的森林板塊中,斑塊密度變化不大;在珠三角東西側(cè)同樣體現(xiàn)出斑塊密度下降的情況??傮w來看,珠三角森林斑塊的斑塊密度沒有大規(guī)模的高值區(qū),總體處于低水平。可見,珠三角森林城市群的建設(shè)效果良好,森林的連通性在不斷改善。
3.2.2珠三角森林景觀平均斑塊大小分析。根據(jù)珠三角森林的平均斑塊大小測算結(jié)果可以得出,2000、2010和2020年的平均斑塊大小分別為122.415、129.958、133.807 km2。
圖1 基于空間梯度的森林變化Fig.1 Forest change map based on spatial gradient
圖2 珠三角森林斑塊密度分布Fig.2 Distribution map of forest patch density in Pearl River Delta
在2000—2020年中,森林的平均斑塊大小在逐漸增加(圖3)。在2010—2020年,森林的平均斑塊大小增長幅度較大,增長率達(dá)到2.96%??梢娫?010—2020年,珠三角對(duì)于森林源地等斑塊的保護(hù)較好,也提高了小斑塊之間的連通性,融合了破碎的小斑塊,使得森林的平均斑塊大小增加,連通性優(yōu)化。
結(jié)合森林平均斑塊大小的移動(dòng)窗口結(jié)果分析,2010與2000年相較,珠三角中部破碎的斑塊有所減少,但2020年與2010、2000年相較,珠三角中部的森林斑塊較為破碎;同樣可以得出,分布在肇慶、江門與惠州等市的平均斑塊大小高值區(qū)較集中,在珠三角中部的多是平均斑塊大小的低值區(qū)??梢?珠三角中部的森林較少,不連片分布,較為破碎;但肇慶、江門與惠州3市則存在連片大規(guī)模的森林,其中的森林連通性較好。
圖3 珠三角森林平均斑塊大小分布Fig.3 Distribution of mean forest patch size in the Pearl River Delta
根據(jù)珠三角森林斑塊類型比的移動(dòng)窗口結(jié)果可知,2000—2020年的連片大規(guī)模森林區(qū)域并沒有發(fā)生大幅度的變化,在肇慶、江門及惠州等城市中的森林資源保持良好,沒有被侵占破壞,這些區(qū)域內(nèi)的森林斑塊類型比也是珠三角全域內(nèi)類型比較高的區(qū)域,避免了其他用地類型對(duì)森林的隔斷,森林的連通性良好;而在珠三角的中部區(qū)域,森林斑塊的類型比較低,且對(duì)比2020與2000年發(fā)現(xiàn),空白值的區(qū)域呈斑塊狀零星增加,且中部區(qū)域內(nèi)的森林斑塊類型比有所下降,其中的森林連通性也隨之下降,這一情況應(yīng)與城市發(fā)展、用地需求增加等背景相關(guān)。總體來說,珠三角能在發(fā)展城市、發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí),顧及連片大規(guī)模森林的保護(hù),平衡經(jīng)濟(jì)建設(shè)與生態(tài)文明保護(hù)。
以2000—2020年的土地覆蓋數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),進(jìn)行珠三角基于空間梯度的森林景觀格局分析,主要結(jié)論如下:
(1)2000—2020年,珠三角森林面積先增后減,人類的活動(dòng)在不斷加強(qiáng),城市也在不斷發(fā)展擴(kuò)張,主要侵占了耕地、森林及草地等生態(tài)用地。
(2)從森林的空間梯度分析結(jié)果可得,在珠三角9市中,肇慶市的森林面積最大,其次為惠州與廣州;從數(shù)量變化上看,東莞、惠州、深圳等6市的森林在2000—2020年呈現(xiàn)先增后減的趨勢,而廣州和江門呈現(xiàn)下降的趨勢,佛山呈現(xiàn)上升趨勢,主要原因是佛山在研究年限內(nèi)大力開展植樹造林活動(dòng)并取得良好成效。
(3)景觀格局進(jìn)行分析可得,珠三角的整體景觀呈破碎化的趨勢,但是珠三角中的森林景觀連通性總體呈不斷優(yōu)化的狀態(tài),可能是由于城市的擴(kuò)張發(fā)展,侵占了小片的不成規(guī)模的森林斑塊,間接改善了珠三角中森林的連通性;但是森林景觀也有區(qū)域差異性,在珠三角的中部區(qū)域,由于城市的發(fā)展與人類活動(dòng)的加強(qiáng),其間的森林景觀呈破碎趨勢;但是肇慶、江門及惠州等城市中,由于原有連片大規(guī)模的森林資源,及近年來的森林城市規(guī)劃建設(shè)加強(qiáng)了對(duì)森林資源的保護(hù)力度,使得這部分區(qū)域的森林連通性不斷提升。