生态用地是指以提供自然生态服务功能为主要用途的土地利用类型,具有巨大的生态系统服务价值,对于保持良好生态环境质量、维护区域生态平衡和可持续发展具有重要作用^[1]。近年来,随着遥感和地理信息系统等技术的发展以及景观生态学的兴起,基于景观格局理论进行生态用地演变过程分析的研究日益增多。然而,现有研究主要专注在定量分析数量结构或定性探讨空间格局特征,对于同时从数量结构变化和空间动态演变关系的研究尚处于发展阶段。鉴于生态用地功能的发挥与生态用地的数量结构和空间格局特征息息相关^[2],本文以武汉市为例,尝试从上述两方面共同探讨景观格局的演变,为促进城市生态用地的结构优化和空间调控提供依据。

1 研究区概况、数据来源与研究方法 1.1 研究区概况与数据来源

武汉市地处东经113°41′~115°05′,北纬29°58′~31°22′,是湖北省会以及中部地区经济、教育中心和交通枢纽。武汉市占地面积8494 km²,东西最大横距134 km,南北最大横距155 km,囊括江岸区、江汉区、硚口区、汉阳区、武昌区、洪山区、青山区共7个中心城区,以及东西湖区、江夏区、黄陂区、蔡甸区、汉南区、新洲区共6个远城区。

本研究的基础地理数据来源于武汉市区划图,考虑影像数据质量,遥感数据采用2000年、2005年和2011年共3幅Landsat TM/ETM+影像,时间跨度为12 a。在ENVI软件中使用监督分类将研究区土地覆盖分为建设用地、农田、林地、水域和未利用地共5种用地类型,得到3期土地利用的矢量图,并采用目视判读的方法对分类结果进行精度评价(用户精度达到80%以上),可以满足宏观尺度上的区域景观格局分析要求。当前研究中对于生态用地的界定存在争议,主要在于农田的归属^[3],有研究将生态用地分为农田、林地和水体或农田、未利用地^[4]。本研究参考喻锋^[1]的研究,认为农田这一生产性用地不属于生态用地类型,而未利用地具有生态功能属于生态用地类型,定义生态用地为林地、水域和未利用地。

1.2 研究方法 1.2.1 景观组分数量结构分析

景观组分的数量和结构随时间发生动态变化,主要表现在同一斑块类型间的转化和不同斑块类型间的转化^[5]。这些发生转移和分裂变化的不稳定斑块的数量结构和空间分布特征直接反映景观结构特征和动态变化,影响景观的稳定性和功能^[6]。本文采用景观组分转移分析、景观组分保留率和景观组分动态度等指标分析方法,对研究区不同时期的景观组分变化的数量、结构特征和变化方向进行定性、定量分析。

1) 景观组分转移分析通过ArcGIS软件的图层叠加、属性查找、选择等功能提取源数据的不稳定斑块图层,并建立景观组分转移矩阵来实现。

2) 景观组分保留率可以反映研究区景观组分的稳定性情况,表明特定景观类型在一定时间内未发生转移的面积占该景观类型研究初期面积的比例。具体表达式如下:

$R = \frac{A}{U} \times 100\% $

式中,R为研究期内某一景观组分保留率；A为研究时段某一种景观组分未发生类型转移变化的面积之和；U为研究初期该景观组分的总面积。

3) 景观组分动态度是在保留率的基础上,指特定景观类型在单位年限发生转移的面积与其他景观类型转移为该类型的面积之和占该景观类型研究初期面积的比例,具体表达式如下^[7]:

$K = \frac{{{U_A} + {U_B}}}{U} \times \frac{1}{T} \times 100\% $

式中,K为研究期内某一景观组分的动态度；U_A为研究时段T内其他景观类型转化为该景观类型的面积之和；U_B为研究时段T内该景观类型转化为其他景观类型的面积之和；U为研究初期该景观类型的面积。

1.2.2 景观组分空间特征分析

1) 景观破碎度分析。景观指数可从斑块水平指数、板块类型水平指数以及景观水平指数三个层次对景观格局特征进行层次分析。本文选定斑块个数、斑块密度和景观形状指数对景观格局进行定量化描述,综合探讨生态用地的破碎度。景观指数的计算和获取都在FRAGSTATS软件中完成。

2) 景观连通性分析。景观连通性表示景观促进或阻碍生物或某种生态过程在源斑块间运动的程度,该理论对于生物多样性保护、森林资源管理等研究具有重要意义。基于图论的景观连通性指数对武汉市用地的景观连通性进行动态分析,本文采用整体连通性指数(integral index of connectivity,IIC)和可能连通性指数(probability of connectivity,PC)对景观的连通性进行评价^[8]。具体计算公式如下:

$\text{IIC=}\left( \sum\limits_{i=1}^{n}{\sum\limits_{j=1}^{n}{\frac{{{a}_{i}}{{a}_{j}}}{1+n{{l}_{ij}}}}} \right)/A_{L}^{2}$

式中,n为景观中斑块总数；a_i和a_j分别为斑块i和斑块j的面积；nl_ij为斑块i与斑块j之间的连接数；A_L为背景景观的面积。IIC在0与1之间取值,当IIC为0时,表示特定景观斑块之间没有连接；而当IIC为1时,则表示整个景观都为该景观斑块^{[5, 9]}。

$\text{PC}=\left( \sum\limits_{i=1}^{n}{\sum\limits_{j=1,i\ne j}^{n}{{{P}_{ij}}{{a}_{i}}{{a}_{j}}}} \right)/A_{L}^{2}$

式中,P_ij为物种在斑块i和j直接扩散的最大可能性；0＜PC＜1^[5]。

本文借助Conefor Inputs for ArcGIS 9.x插件和ConeforSensinode 2.6软件计算连通性指数。在计算IIC和PC时,参考相关研究文献,设定阻力距离阈值为500 m,并将阻力距离阈值下斑块之间连通的可能性设为0.5^[10].

2 结果与分析 2.1 武汉市生态用地数量和结构特征变化

1) 生态用地总量变化

通过对生态用地的面积和其占整个景观的比例指数分析,可以反映一定时期内生态用地的数量变化和在整个研究区景观中的优势度。由表 1可见,武汉市城市建设用地不断增加,且在2005-2011年间的建设用地面积年平均增长大于2000-2005年间的,说明城市化进程快速并加速发展。农田面积持续减少,所占景观比例从2000年的70.32%降低至2011年的54.08%。在城市化进程和农田减少的背景下,研究期内武汉市生态用地先增加后减少,在2000年、2005年和2011年面积分别为2013.31 km²、2476.41 km²和2404.05 km²,占比分别为23.65%、29.09%和28.24%。分阶段看,生态用地面积在2000-2005年间增加,平均年增长量为93.5 km²,主要原因在于城市化进程相对较慢,建设用地增长速度不快,而且武汉市在2001年完成十大创新工程之一的亮化美化工程,并在2002年实施“绿色武汉”计划,有大量农田转化为生态用地。在2005-2011年间,武汉市生态用地年均减少12.06 km²,随着城市化进程较前一阶段有所加快,城市扩张导致生态用地面积稍微减少。

2) 生态用地结构变化

随着生态用地的总量发生变化,生态用地中林地、水域和未利用地的面积也发生了显著变化,且变化趋势各不相同(见表 2) 。在研究期内,林地面积持续增加且比重加大,占生态用地的比重由2000年的18.99%增加到2011年的27.80%。在2000-2005年间,林地面积年均增加56.52 km²；而在2005年后,林地增长缓慢,年均仅为0.59 km²。水域面积先增加后减少,但比重持续下降。在2005年前,水域年均增加41.68 km²,但由于生态用地总面积增加,特别是林地大幅度增加,水域所占比重在2005年反而降低至71.91%；在2005年后,水域面积年均减少23.54 km²,所有面积仅占生态用地的68.20%,但仍然是第一大生态用地景观类型。未利用地面积和比重都先减少,并在2005年后大幅度增加,在2011年占生态用地的4.00%是2005年构成率(1.24%)的2倍多,在2005年后年均增长10.91 km²。虽然各类用地面积数量有变化,但在2000-2011年期间,景观优势度次序维持不变,由高至低分别是水域、林地和未利用地。

3) 生态用地景观组分转移方向

在研究期内,生态用地各景观类型均发生一定程度的转入和转出,大量生态用地转化为农田和建设用地,而生态用地内部的转化则相对微弱。林地、水域和未利用地的主要转出类型都是农田(见表 3) 。具体来说,林地2005-2011年间有208.78 km²林地转化为农田,是2000-2005年间61.75 km²的2倍多；水域转为农田的数量相对稳定,稳中有升,分别为236.85 km²和262.94 km²；未利用地转化为农田的面积有所减少,在2005年后仅有12.24 km²。相比林地和未利用地,明显大量水域转化为建设用地,在2005年前后分别有29.42 km²和131.19 km²转化用地。武汉市大量生态用地转化为农田和建设用地,一方面是大力发展农业生产导致毁林造田、围湖造田现象仍然存在,另一方面是随着城市化的发展,城市建设用地不断占用周边的林地、水域和未利用地。

4) 生态用地景观组分保留率和动态度

由表 4看出,武汉市生态用地类型均发生不同程度的转入和转出,其年均动态率的大小依次是未利用地、林地、水域,其中林地和水域的动态率在2005年后减小,而未利用地的动态率显著增大。从年均转入率来看,2005年前林地的转入率最大,而2005-2011年间未利用地的转入率最大,为52.24%。从年均转出率来看,研究期内未利用地转出率均为最大,应在城市发展中规划合理利用未利用地。

各景观组分的保留率可以反映不同景观类型在研究期间的稳定性情况,保留率越大,则说明其空间稳定性越大,有利于实现区域尺度上景观自身功能的正常运行和维持^{[11, 12]}。一般来说,将特定景观类型在空间上的保留率在50%以上作为其稳定与否的临界值^[13]。武汉市在2000-2005年间和2005-2011年间,生态用地中未利用地的保留率低于5%,远小于50%的临界值,属于稳定性很低的景观类型,说明城市化进程中未利用地变化剧烈。林地和水域稳定性较强,保持60%以上的空间保留率,但稳定性趋于下降,反映城市化中林地和水域受到干扰加重,不利于区域生态环境的保护,应加强管理和保护。

2.2 武汉市生态用地空间格局特征

1) 生态用地空间分布特征

武汉市中心城区和远城区的城市化发展程度不均衡,导致武汉市生态用地空间分布不均衡,特别是中心城区和远城区的生态用地数量存在一定的差异性,见表 5。

由表 5可知,在空间分布上,武汉市生态用地的分布主要集中在武汉市西北方向的黄陂区和东南方向的江夏区,汉南区生态用地面积最少。在2000、2005、2011年汉南区的生态用地分别为58.5 km²、90.08 km²和79.46 km²,仅占生态用地总量的2.9%、3.6%和3.3%。不同类型的生态用地在武汉市范围内分布特征不同,林地主要分布在西北角,位于黄陂区；水域主要分布在长江沿岸,主要位于新洲区、江夏区、蔡甸区和东西湖区。

从空间变化发展来看,研究期内生态用地在武汉市的不同城区变化有差异,说明不同城区间在城市化进程中的干扰和影响不均衡,影响各城区对生态用地的规划和保护政策。在2000-2005年间,武汉市只有中心城区生态用地面积减少,所有远城区生态用地面积都有所增长,以新洲区面积年均增长量最大,为31.26 km²。在2005-2011年间,生态用地面积只有江夏区和东西湖区生态面积略有增加,减少的城区增加到5个,减少幅度从多到少分别为中心城区、黄陂区、新洲区、汉南区和蔡甸区,以中心城区的减少速度最快,为年均9.63 km²。

2) 生态用地景观破碎度分析。

斑块个数、斑块密度和景观形状指数结合可以揭示景观空间格局的破碎度和复杂性。斑块个数和斑块密度值越大,景观破碎化程度越高,反映出人类活动对景观格局的影响程度。在一定程度上受人类活动影响的景观破碎度高,而不受人类活动干扰的自然景观破碎度低。由表 6可知,在2000-2011年,武汉市除了水域的斑块个数和斑块密度下降,林地和未利用地的指标值都上升,说明景观破碎化程度增加,反映城市化进程中人类活动对林地和未利用地的持续快速影响,用地斑块由整体状态被分割成零星破碎状态。此外,景观形状指数越大,说明景观组分的形状越复杂,而不受人类活动干扰的自然景观指数越低。在研究期内,林地和未利用地景观指数增大,同样说明林地和未利用地形状不规则程度在增大,边界的破碎性和复杂性上升,受干扰程度增大。

3) 生态用地空间连通性分析

武汉市不同城区在三个时期的生态用地连通性指数IIC和PC值如图 1和图 2所示。可以看出,在研究期内,东西湖区和汉南区生态用地连通性最好,而以生态用地分布居多的黄陂区和江夏区次之,城市化水平高的中心城区的IIC和PC指数在三期都处于最低状态,生态用地明显受城市扩张的影响。但在2005年后,城市化快速发展,生态用地数量急剧减少,斑块间距离不断增大,除去生态用地集中分布的且数量有所增加的江夏区未受到影响外,包括中心城区在内的所有其他城区的整体连通性指数下降,以汉南区空间连通性下降得最为明显,连通性较差,生态系统完整性和稳定性下降。

3 结束语

对生态用地等土地利用动态监测是准确地掌握决策对象信息,进行科学管理与决策的关键^[14]。本研究以武汉市在2000-2011年期间的生态景观为例,探讨在城市化进程中,生态用地时空演变规律,为合理制定区域土地利用规划和生态保护政策提供科学依据。研究结论如下:

1) 2000-2005年期间,城市化进程较慢,并得益于武汉市亮化美化工程和“绿色武汉”计划的建设,生态用地面积年均增加93.5 km²；在2005年后,建设用地不断占用周边林地、水域和未利用地,生态用地面积减少。在生态用地中,水域为第一生态用地景观类型,但是随着水域面积的不断减少,水域景观优势度降低,而林地和未利用地的比重上升。

2) 生态用地与非生态用地空间动态度持续增加,生态用地转入和转出愈加频繁,而生态用地之间的转换相对微弱。林地和水域大面积转化为农田,受毁林造田、围湖造田活动干扰大,应进行长期合理的规划和严格管理。同时,林地和水域保留率减小,稳定性下降,反映城市化中林地和水域受到干扰加重,不利于区域生态环境的保护,应加强管理和保护。

3) 武汉市生态用地分布不均,主要集中在黄陂区和江夏区。随着各区城市化进程的差异,在2005年前只有中心城区的生态用地面积减少；在2005年后,中心城区生态用地减少量增大,黄陂区、新洲区、汉南区和蔡甸区生态用地面积都有所减少。林地和未利用地的形状不规则程度增加,边界的复杂性上升；破碎化程度不断增加,斑块由整体状态被分割成破碎状态,受人类活动干扰大。同时,除了生态用地集中分布的江夏区,武汉市其他城区生态用地的连通性急剧下降,反映生态用地的孤岛化,威胁生态系统结构的连通性和过程的连续性,不利于区域生态环境稳定。