城市化对地区景观格局的影响内蒙古鄂尔多斯市城市化时空格局变化及其驱动力

城市化对地区景观格局的影响内蒙古鄂尔多斯市城市化时空格局变化及其驱动力

城市化是20世纪最重要的特征之一。在此期间，世界城市的人口从14%增加到50%左右。预计从1930年，世界上60%的人口生活在城市。城市化是人类土地的最极端变化，从区域到全球，对生物多样性和生态系统的影响深远。从区域的角度来看，生态和生态系统的功能是影响全球城市及其周边地区的。从城市空间模式的分析来看，可以更好地理解城市及其周边地区的自然、生态和社会经济过程。景观模式变化的驱动因素是景观模式变化的各种动力，影响景观过程的各种动力。景观环境变化的驱动机制是景观环境变化的原因、基本过程、内部机制、预测未来变化的方向以及制定相应的管理对策。资源城市发展具有强烈的资源方向性，其发展趋势受到资源条件和社会经济条件的双重限制。这是人地关系影响最大的地区之一。许多科学家倾向于城市化，而忽视了中心城市。对于中国这样的发展中国家来说，研究中心城市具有重要的现实意义。鄂尔多斯市是一个典型的资源型中型城市,城市发展深受资源、工业化经济、城市人口等多因素的影响.自20世纪90年代以来,鄂尔多斯市步入快速城市化时期,表现为经济和人口高速增长,城市人口从1990年的81.2万增加到2007年的102.9万,其人口城市化率达到48%.鄂尔多斯市具有典型的代表性,代表着内蒙古地区的经济发展水平以及城市化发展特点.本研究应用1990、2000和2007年3个时期遥感解译的土地利用数据,分析了鄂尔多斯城市化下土地景观格局及其演变的主要驱动因子,并探讨了城市化对区域生态环境的影响,旨在为城市的可持续发展提供科学依据.1研究领域和方法1.1土地利用标准研究区位于蒙中经济区——“金三角”的一极、鄂尔多斯市东北部,包括东胜区、准格尔旗、达拉特旗、伊金霍洛旗,即东四旗(图1).土地利用数据来源于中国西部环境与生态科学数据中心(1990、2000年)和内蒙古大学遥感中心(2007年),通过人工目视解译、野外实地调查和数据校正得到1∶10万、分辨率为30m的土地利用数据.参照2007年《土地利用现状分类》国家标准,结合研究区特点,建立土地利用类型数据库;在此基础上,将研究区土地利用类型分为草地、耕地、林地、城市、水体和沙地.1.2学习方法1.2.1土地利用类型动态变化率为了说明土地利用状态的时间变化,引入土地利用动态变化率,即研究土地利用的数量、结构、方式和强度随时间发生的变化.它是一定时间范围内某种土地利用类型数量变化快慢的指标,对比较土地利用变化的时间差异和预测未来土地利用变化趋势具有重要作用.式中:K为研究时段内某一土地利用类型动态变化率;Ua、Ub分别为研究初期和研究末期某一种土地利用类型的数量;T为研究时长.1.2.2城市景观格局变化的梯度分析景观格局指数是景观格局结构和空间配置的定量指标,能够高度浓缩景观格局信息.景观指数很多,但每个指数都有其局限性,根据需要,本研究选择6个景观格局指数,分别为景观比例、斑块密度、平均斑块面积、最大斑块指数、Shannon均匀度指数和景观聚集度(表1).梯度分析近年来被广泛应用于城市景观格局变化的研究.本研究以中心城区为中心,依次设立边长分别为20、30、40、60、80km的5个正方形,应用Fragstats3.3分别计算0~20、20~30、30~40、40~60、60~80km5个不同幅度下在景观和斑块类型水平上的格局指数(图1).在0~80km范围内形成依次为城市中心区、耕地与草地的混合景观、草地景观、沙地景观、各类型混合镶嵌景观,即城乡梯度.2结果2.1土地利用类型的动态变化率从景观结构类型的比例来看(图2),研究区草地面积比例最大,占其总面积的50%以上,其次是耕地和沙地,最后是林地和城市用地.其中草地、耕地和林地呈逐年增加趋势.2007年沙地面积百分比从17.0%迅速降低为5.4%,并呈逐年降低趋势.城市用地面积逐年上升,虽然所占比例最小,但对周围的其他景观产生巨大影响.从土地利用的动态变化率来看,1990—2000年,各土地利用类型动态变化率和变化幅度相对较小.2000—2007年,各土地利用类型的动态变化率较高,特别是沙地和城市用地K值接近10%;林地和耕地面积每年以5%左右的较高速率增加;尽管草地的动态度小,但由于其面积基数大,面积增加量也较大;耕地面积有较大增加,一个重要原因是黄河改道和灌溉设施的建设(表2).研究区土地利用变化明显分为两个阶段,前期变化缓慢,后期变化速度明显加快(图2).2.2城市化景观时空结构的变化特征2.2.1城市周边景观破碎化程度的变化有研究表明,斑块密度(PD)与城市化程度具有很好的正相关.从图3可知,随着空间幅度的不断减小,PD呈单峰曲线,其值不断增大;PD与城市化呈正相关关系,随着城市化进程的不断加剧,城市中心及其周围景观破碎化程度不断增加;PD呈逐年增加趋势,整体景观破碎化程度呈增加趋势.随着空间幅度的不断减小,平均斑块面积(MPS)不断减小,城市周边景观破碎化程度随着城市化的发展而不断增加;时间尺度上,MPS逐年下降,城市化加剧,景观破碎化程度增加.聚集度(CONT)沿城乡梯度先增加后减小,呈倒“V”型曲线,说明城市中心及城市边缘的景观破碎化和复杂性相对较高,在以草地为优势景观的中部地区具有较高的景观连接性;时间尺度上,CONT呈增加趋势,景观的复杂性呈增加趋势.通常随着景观均匀度指数(SHEI)值的增加,景观结构的复杂性趋于增加.沿城乡梯度,SHEI先减小后增加,呈“V”型曲线,说明城市周围景观具有较高的破碎化和复杂性程度.从上述分析可以看出,景观的破碎化和复杂程度与城市化程度有相关关系.随着城市化加剧,PD不断增加,MPS不断减小,整体景观变得更加破碎和复杂.沿城乡梯度,景观格局表现出独特的空间特征,城市边缘和刚刚成为城市的地区具有较高的景观破碎化和复杂程度.2.2.2城乡梯度对草地景观的影响景观比例(PLAND)是反映景观组成最重要的指标.在城乡梯度上,城市PLAND呈单峰曲线,特别是在单边幅度<40km范围内,PLAND增加迅速;PLAND呈逐年增加趋势,2007年PLAND随幅度增加呈指数增长,城市用地沿中心城区呈外延式扩张,2000—2009年城市用地迅速增加(图4).耕地PLAND值与城市景观的趋势相同,1990—2000年耕地主要集中分布在城市周边,随着城市化进程的加剧,城市周边的耕地类型不断向城市类型转化;同时黄河改道和农业灌溉设施的建立,使耕地分布的空间重心发生转移.草地PLAND沿城乡梯度呈倒“V”型曲线,草地主要呈聚集分布;在时间动态上,草地PLAND呈增加趋势.随城乡梯度,沙地PLAND呈增加趋势,沙地景观主要聚集分布在单边幅度>60km;在时间动态上,沙地PLAND呈逐年降低趋势.一般说来,人工景观比自然景观有相对高的斑块密度(PD).从图4可以看出,耕地和城市比草地、沙地具有相对较高的PD值.1990—2000年,沿着城乡梯度,城市和耕地PD都呈降低趋势,景观斑块破碎化程度降低.2000年以后,城市PD与城市化程度呈正相关关系,城市景观破碎化程度增加;同时年耕地表现出较高的斑块破碎化程度.草地PD值沿城乡梯度呈先减小后增加的“V”型曲线;PD值呈逐年增加趋势,草地景观破碎化程度逐年增加.沙地PD在城乡梯度上呈增加趋势,这主要与其空间分布有关;其PD值呈逐年降低趋势,斑块破碎化程度降低.除沙地斑块的破碎化程度逐年降低外,其他类型的斑块破碎化程度与城市化程度呈正相关关系,且变化与各类型的空间分布密切相关,表现出独特的空间特征.最大斑块指数(LPI)反映在景观范围内占主导地位的斑块.随着空间幅度的不断减小,城市斑块的LPI迅速增加,城市斑块主要聚集在空间幅度<30km,LPI呈逐年增加趋势,城市斑块有增大趋势.由于草地是优势景观类型,其LPI较大.2007年耕地LPI在空间幅度<40km达到最低值,而在>60km处的LPI呈逐年增加趋势,进一步说明随着城市化进程的加剧,中心城区的耕地不断向城市用地转化,其空间重心发生转移.沙地景观LPI呈逐年降低趋势,特别是在城市周边趋于消亡,沙地类型向其他用地类型转化(图4).2.3驱动土地利用变化自然条件是城市产业布局和空间发展的重要制约因素,是城市景观基本格局形成和演化的重要自然本底.研究区城市主要分布在地下水资源相对丰富和地形平坦的中部地区和沿黄河的城市带.自然因素的影响长期存在,却不是鄂尔多斯市城市化景观格局快速演变的根本原因.工业化和产业结构调整等经济因素对景观格局演化的内在主导作用持续增强,城市人口与经济发展的增长使城市化进程加快,必然要求更多的居住、交通、服务设施和工矿用地,而这些城市用地往往要侵占城市周围的耕地等用地类型.该地区总人口与城市人口迅速增加,乡村人口迅速下降,特别是2000年以后变化速率更明显(图5).城市规模的不断扩大,需要不断从乡村吸纳劳动力,人口不断从乡村向城市转变.早期第一产业占较大比重,土地利用主要以农牧用地为主,城镇工矿和交通用地所占比例较小,随着城市化和工业化的发展,农业劳动力不断向第二、三产业转移,城市边缘区其他类型逐步消亡.政策因素对城市用地的演化有着很强的指导和驱动作用,是不可或缺的重要调控力量.内蒙古自治区自2000年开始实施退耕还林、2003年实施退牧还草以来,各项生态建设重点工程进展顺利,取得了显著成效.草地,林地面积呈逐年增加趋势,这些增加主要是从沙地类型转化而来.煤炭资源开采及消费增长对城市土地规模扩张、土地利用结构及空间格局产生多重影响.研究区原煤产量逐年增加,特别是2000年以后,原煤产量以幂指数增长.矿产资源开发加速了当地城市化进程,城市用地在2000—2007年得到迅速扩张.这种趋势与城市人口、GDP和第二产业等社会经济因子的发展趋势一致,在一定程度上反映了煤炭对城市化景观发展的直接驱动力.资源因素、城市人口增长和经济发展是地区景观变化的重要驱动因子.3城市景观格局的生态影响城市系统是空间上的外延系统,它在物理、生态和社会经济过程上对地区景观空间格局有着深远的影响,城市化造成人口膨胀、土地资源紧缺、环境污染加剧.尽管城市化的生态学研究越来越多,但城市格局与生态系统功能、服务之间的相关关系研究却很少.3.1核心景观格局有时发现的特点.城市城市化过程中人类活动的强烈干扰,导致鄂尔多斯市景观格局发生了巨大变化.耕地景观受城市化的影响最严重,沿城乡梯度PLAND和LPI值持续下降,PD增加,随着城市用地的不断扩张,城市周边的耕地呈现消亡特征.水体景观本身面积很小,且分布零散.林地景观规模也很小,且以大面积斑块聚集分布,加之对其开发和利用受到严格限制,其景观格局对人为干扰的响应不敏感,斑块要素的变化不大.草地面积较大,且主要以大规模、聚集分布的斑块存在,该景观格局对人为干扰不是很敏感,所以景观变化幅度在所有景观类型中最小,斑块要素变化与其空间分布密切相关.城市用地是研究区中变化规模最大、变化速度最快的景观类型之一,其PD和LPI值迅速增加,在时空景观格局变化上与地区城市化程度表现出很强的正相关关系.城市用地对周围的其他景观产生巨大影响,城市边缘区的其他景观类型不断消亡,大块优势城市斑块的作用越来越明显.沙地也是土地利用变化幅度最大的景观类型之一,由于主要以大规模、聚集分布的斑块存在,其景观斑块形状要素变化不大.3.2关于本研究的历史回顾研究区草地和林地景观面积呈逐年增加趋势,沙地面积逐年锐减,草地和林地面积的增加主要是由沙地转化而来