西宁市土地利用动态变化与景观破碎化时空演变

西宁市土地利用动态变化与景观破碎化时空演变

景观破碎化是指由自然或人为因素引起的，在外部影响下，原连续的景观元素逐渐变化为许多相互分离的不连续性区块，表现为区块数量增加、平均面积缩小、形状不规则、异质性改善等生态空间现象。这是土地利用的外部表现。景观破碎化在城市扩张的前沿地带和城乡过渡地带表现最为显著和剧烈,其实质是人为因素与非人为因素长期协同作用的结果。随着信息科学的发展及遥感等空间技术的广泛应用,对景观破碎化定量化、多尺度、时空相结合的研究成为国内外学者研究的热点［1－6］。应用景观生态学原理进行区域土地利用的景观破碎化研究,对认识区域生态环境的稳定性、景观变异特征、人类活动干扰的强度提供了有效的手段;为区域资源的合理利用提供科学依据,最终实现景观的可持续利用。现有的景观破碎化问题的研究主要集中在长江三角洲、吉林省、北京、天津、深圳、广州、郑州等东部和中部经济较为发达的地区和城市［7－15］,针对西北部欠发达地区和城市的研究尚显不足［16－19］。西部地区城市多处于我国的第一与第二阶梯过渡带,属于生态脆弱区。在快速城市化过程中,西部城市的景观破碎化问题更值得关注。文中以青海省省会西宁市城区为例,基于Landsat遥感影像解译,获取城区土地利用数据,应用Fragstats3.3以及SPSS16.0进行城市景观动态度和破碎化的空间格局和内部水平差异研究,并以此为基础,探讨景观动态度和破碎化程度与城市发展之间的关系,为该地区各种景观斑块的合理利用及可持续发展等奠定基础。1材料与研究方法1.1原过渡带中部高原城市群研究区范围根据西宁市2000-2020年城市总体规划以及2030年城市空间总体发展规划范围确定。西宁市位于青藏高原过渡带,湟水流域中部西宁盆地,是青藏高原的门户城市,也是黄河重要支流湟水河流域最主要的城市之一,是典型的河谷城市;由于高原自然生态系统较脆弱,易受外界因素干扰破坏。西宁是青海第一大城市,是全省政治、经济、文化、教育、科教、交通和通讯中心,平均海拔2261m,属于大陆性高原半干旱气候。全市常住人口达到222.80万人,城镇化率达到65.44%。1.2基于erdasi9.2方法的景观分类方法在城市轨道交通中的应用选用西宁市3期LandsatTM/ETM遥感图像作为主数据源,影像的成像时间分别为TM影像1995年6月11日、ETM影像2003年5月24日和TM影像2010年7月22日,研究区域的成像质量和成像时的天气状况都比较理想。利用Erdas9.2软件,以西宁市1:50000地形图为基准进行几何精纠正和光谱增强处理,土地利用分类体系参照全国土地利用分类方法并结合西宁市的具体情况,为研究反映城市化进程的因素,减少划分过细带来的数据冗余和细节干扰,应用Erdas9.2软件非监督分类方法进行遥感图像分类时,初始聚类方法运用InitializefromStatistics法,分类数确定为40个类别。为了避免程序运行时间太长或由于没有达到聚类标准而导致死循环,定义最大循环次数为24。在获得一个初始分类结果以后,将初始分类定义的40个类别进行过滤、分析,结合实际地类数据,最后重编码为水体、林地、耕地、建设用地、裸地5种景观类型(图1)。利用Fragstats3.3计算研究区域各项景观指数,并利用SPSS16.0对历年斑块水平景观指数做主成分分析(图2)。1.3各类景观指数reg景观指标高度浓缩了景观的各类信息,利用景观指标研究景观问题是景观生态学界广泛使用的一种定量研究方法。通常,景观指数包括斑块水平(patch-level)、斑块类型水平(class-level)、景观水平(landscape-level)不同层次的指数类型。各类景观指数根据包含的信息不同,又可以分为面积指标、密度大小及差异指标、边缘指标、形状指标、多样性指标、聚散性指标、核心面积指标和邻近度指标等多种类型。许多学者应用统计学方法筛选出了一些一致性比较好的指标［20－22］,根据文中的研究需要选取了斑块类型水平和景观水平上的部分指数(表1)。2土地利用类型2.115年间建设用地和林地面积持续增长,耕地和裸地面积持续减少,水体面积基本保持不变1995年、2003年、2010年15年间,建设用地和林地持续增长,建设用地面积由6054.12hm2、8440.83hm2增长至10122.21hm2,净增长4068.09hm2;林地由6080.13hm2、7268.49hm2增长至7553.52hm2,净增长1473.39hm2。裸地、耕地和水体面积持续减少,裸地面积由4660.29hm2、4085.28hm2减少至3178.44hm2,净减少1481.85hm2;耕地面积由9364.32hm2、6364.89hm2减少至5306.04hm2,净减少4058.28hm2;水体由492.93hm2减少至491.58hm2,净减少1.35hm2,变化幅度不大(图3)。2.2土地利用动态变化特征显著,各土地利用类型波动明显。对西宁市1995年、2003年和2010年景观面积动态度进行比较研究(表2)。在各种景观类型中,1995-2003年期间,水体、裸地和耕地动态度分别为-0.02%、-1.54%、-4.00%,呈减少趋势;与此相反,林地和建设用地的动态度分别为2.44%、4.93%,呈增加趋势。2003-2010年期间,水体、裸地和耕地动态度分别为-0.02%、-3.17%和-2.38%,表现为依次减少趋势;与此相反,建设用地和林地的动态度分别为2.85%和0.56%,呈增加趋势。1995-2010年期间,水体、裸地和耕地的动态度为-0.02%、-2.12%和-2.89%,表现为减少趋势;建设用地和林地的动态度呈上升的趋势。通过对西宁市城区景观面积动态变化的分析可知,1995-2010年期间建设用地持续增长,在1995-2003年增幅较大,表明1995-2003年间城市的扩张显著,2003-2010年增幅较小,建设用地的增长减缓;1995-2010年间林地也呈增长的趋势;耕地在1995-2010年期间持续减少,1995-2003年减少幅度较大,2003-2010年减少幅度较小,由于这两个时期城市的扩张速度不同,且重点实施了退耕还林的政策,大量的耕地转变为更有经济价值的果园、菜园和经济作物用地;裸地在1995-2010年持续减少,城市扩张明显,裸地转变为建设用地及林地;水体在15年间的变化并不显著。2.3景观破碎化的渐进性差异很大，景观呈现出多种形式和不平衡发展2.3.1景观斑块的主成分分析对1995年、2003年、2010年三期8个景观指数数据进行了主成分分析(表3)。1995年数据提取了两个主成分因子(第一主成分:X2、X3、X4、X5、X6、X8,第二主成分:X1、X7),分别命名为形状与连通性因子和破碎性因子;2003年和2010年数据的主成分相同,分别提取了三个主成分因子(第一主成分:X1、X3、X7、X8,第二主成分:X2、X5,第三主成分:X4、X6),分别命名为形状与破碎性因子、离散性因子和连通性因子。3期数据分析后,主成分的累积贡献率分别为84.689%、96.617%、92.197%,累积贡献率符合本研究的需要(X1-PLAND、X2-PD、X3-LPI、X4-IJI、X5-ENN_MN、X6-AWMSI、X7-MPS、X8-AWMPFD)。1995年各景观类型按照主成分得分排序如下:1)第一主成分(形状与连通性因子):建设用地>耕地>林地>裸地>水体(表4)。建设用地斑块间的连通性最高;耕地和林地在各自的景观斑块中连通性水平较低,斑块之间的联系比较分散;裸地和水体在第一主成分中表现出负值,说明其斑块间连通性很差,斑块之间缺乏联系。2)第二主成分(破碎性因子):建设用地>林地>水体>裸地>耕地。建设用地斑块间的破碎化程度最高,虽然建设用地斑块在第一主成分中表现出较好的连通性,但是第二主成分说明在城市斑块中细碎、零散的其他景观斑块较多;耕地在破碎化因子中表现出负值,说明破碎化程度较低,斑块比较完整。2003年各景观类型按照主成分得分排序如下:1)第一主成分(形状与破碎性因子):林地>建设用地>裸地>耕地>水体。在城市发展过程中,林地面积虽然有所增加,但相对林地斑块数量增多,平均斑块面积减少,分散于其他景观斑块之间。城市较1995年破碎程度降低,说明在城市快速增长的过程中,城市斑块间的其他类型景观斑块转变为城市用地,减少了建设用地景观内部的破碎程度。2)第二主成分(离散性因子):水体>建设用地>林地>耕地>裸地。西宁市水体在自然地理上以河流和景观人工湖泊为主,斑块之间联系较少,因而离散性最高。西宁在城市快速建设扩张时期,以西宁市西部的扩张最为明显,在景观上与原有斑块较为分散。在城市内部林地、耕地和裸地的分散斑块逐渐转变为建设用地,斑块之间的欧式距离减小。3)第三主成分(连通性因子):林地>裸地>建设用地>耕地>水体。1995-2003年,林地总面积有所增加,部分裸地转化为林地分散与其他斑块之间,林地斑块的连通性有所增加。裸地由于转化为其他类型用地,斑块数量减少,离散性降低而连通性增加。2010年数据主成分与2003年相同,各景观类型按照主成分得分排序如下:1)第一主成分(形状与破碎性因子):建设用地>林地>裸地>耕地>水体。由于西宁市对城南新区以及经济技术开发区的建设,建设用地有一定幅度的增加,在原有斑块的基础上加剧了斑块间的破碎程度,使城市空间破碎更为明显。其他景观类型与2003年第一主成分排序基本相同。2)第二主成分(离散性因子):水体>建设用地>耕地>裸地>林地。与2003年相比,裸地、耕地、林地的排序发生了变化,主成分得分上,三者得分相差不大。裸地沿研究区边缘,分布较少,但是斑块较集中。林地逐渐占据了研究区边缘的裸地,使林地斑块离散性削弱。3)第三主成分(连通性因子):林地>建设用地>水体>裸地>耕地。研究区的西部和北部一部分零散的耕地和裸地转化为建设用地,填补了建设用地的斑块,使得城市斑块间的连通性加强,耕地和裸地的连通性减弱。由于城市西部与北部的建设,林地面积增加,与原有的林地形成较好的连通性。2.3.2小斑块类型的增加从景观水平上选取了两个指数,分别为CONTAG(蔓延度指数)、SHDI(香农多样性指数)。应用这两个指数对整个研究区景观进行整体上的分析。蔓延度指数较小时表明景观中存在许多小斑块;趋于100时表明景观中有连通度极高的优势斑块类型存在。1995年、2003年、2010年3期数据中(表5),蔓延度指数处于上升的态势,表明小斑块的减少,逐渐形成优势斑块类型。在1995-2010年,香农多样性指数先增大后减小,表明1995-2003年建设用地和林地的增长,扰动了整个景观的发展,斑块之间镶嵌相对较多;但是2003-2010年建设用地的主要发展是填充建设用地之间的零散的其他斑块,各斑块增长并不均衡,在这个阶段多样性有所降低。2.3.3建设用地斑块的连通性分析(1)景观增长方式的改变导致主成分因子的变化。1995-2010年数据主成分分析之后,1995年两个主成分变化为2003年的三个主成分,且主成分的类别也发生了相应的变化。1995年第一主成分表征了形状与连通性,即对于该年份各景观斑块形状趋于规则,连通性较好;第二主成分为破碎性因子,相对于形状与连通性因子,1995年破碎性表现的并不明显。2003年景观破碎化加剧,破碎性因子成为第一主成分。这样的变化说明各类景观的应用方式上发生了转变,即在1995-2003年建设用地扩张比较明显;2003-2010年用地是在各景观内部填充增长。从斑块类型水平上,1995-2010年研究区景观破碎化加强;从景观水平上研究区逐渐形成优势斑块,导致多样性降低。(2)各类用地景观破碎化综合分析。对于建设用地,主成分分析后连通性因子(1995年形状及连通性因子占据第一主成分,贡献率为67.448%;2003年和2010年连通性因子为第三主成分,贡献率分别为15.874%和18.775%),1995-2003年8年间连通性指标显著降低,表征了建设用地斑块之间的连通性较差,斑块的异质性和破碎化程度较高。在整个城市发展过程中可以看出城市的快速发展和城市化现象加剧,使得城市景观破碎化加剧。2003-2010年指标有所回升,说明城市景观内部斑块得到填充,城市内部的耕地和裸地斑块部分转化为建设用地。1995年破碎性因子作为第二主成分,贡献率为19.941%,表明在1995年建设用地斑块呈现破碎化,但是不是最重要的指标;2003年,形状与破碎性因子作为第一主成分,贡献率为55.047%,表明建设用地斑块破碎化加剧;2010年形状与破碎性因子作为第一主成分,贡献率为49.808%,说明建设用地的破碎化过程仍在继续,但是比2003年有所减小。对于林地来说,15年间面积有一定程度的增加。1995年林地的连通性较差,仅高于第一主成分得分为负值的裸地和水体,斑块之间比较分散;在第二主成分破碎性因子中仅次于建设用地,破碎化程度较高。2003年第一主成分形状与破碎性因子中,林地得分最高,即破碎化程度最高,林地面积增加的同时,林地斑块增长比较分散;第二主成分中林地的离散性较弱;裸地一部分转化为林地,使得林地在第三主成分连通性上排名第一。2010年建设用地在原有的城市外围增长使得破碎性超过林地;城市内部和外围的林地增长较快,林地斑块的离散性变差,连通性增强。耕地的面积逐年减少。1995年耕地斑块的连通性较好;破碎性较差,主成分得分表现为负值。2003年形状与破碎性因子、离散性因子和连通性因子均排名第四,破碎化表现不明显。2010年,耕地斑块的离散性增强,连通性变差,相对来说破碎化程度增强,部分耕地转化为建设用地。裸地主要分布于研究区的边缘地带,15年来面积变化比较明显。1995年裸地斑块沿着研究区边缘分布,斑块之间的连通性较差,破碎化程度较低。2003年裸地部分转化为建设用地和林地,破碎化与1995年相比较高,离散性较差,连通性较好。2010年与2003年相比连通性变差,裸地斑块持续转化为其他斑块类型。水体在1995-2010年间面积变化不大,主要是湟水河和人工景观湖泊。水体的连通性较低、离散性较高,15年中破碎化程度很低。3土地景观现状虽然在1995-2003年与2003-2010年两个时段中建设用地和林地面积一直保持增长,耕地与裸地面积持续减少,水体面积基本不变;但是在西宁市城市化过程中各类景观在两个时段中的土地利用动态度各有差异,建设用地、林地和耕地的动态度先增大后减小;裸地的动态度持续增大,水体的动态度保持不变。与部分城市用地增长规律不同的是,在建设用地显著扩张、耕地与裸地大量减少的基础上,西宁市城区林地景观的面积近15年间呈现增长的态势,西宁市城东区、城西区及城南区多个村积极实施退耕还林政策,并绿化城市周边荒山裸地,使林地在15年间增长了1473.39hm2,林地的连通性有所提高,离散性和破碎性减弱,破碎化现象在15年中先增大再减小,大面积的林地有效地改善了城市环境。通过对两类景观指数的计算与分析可得,对于单一的景观类型而言,建设用地、耕地和裸地破碎化程度