城市化強度對城市森林景觀格局的影響

王亞男，周正廣，朱文浩，李彩珠，楊金明*

（1.青島農業大學園林與林學院，山東青島266109； 2.青島市城陽區林業發展中心，山東青島266109；3.青島高城維林林業規劃有限公司，山東青島266109）

城市化能帶動區域經濟發展，而區域經濟水平的提高又促進城市的發展，促使生產方式、聚落形態、生活方式、價值觀等的變化。隨著城市居民物質條件的不斷改善，廣大群眾對生活質量的要求在不斷提高，進而對身邊的生態環境的要求也會提高。改革開放以來,中國城市化進入了快速發展階段,城市化平均速度是世界同期城市化水平的2 倍[1]。過去的20年里，我國中小城市的數目從3 000 個增加到19 216 個，除此之外,還有5 000 多個鄉村小鎮迅速發展也步入城市隊伍[2-3]。城市化水平的提高,會帶來很多生態問題,其中城市化對森林的影響是當前生態學研究的熱點問題。快速的城市化迅速改變原有自然景觀,不可逆地減少森林面積,改變森林景觀格局和相應的生態過程[4-7]。城市森林是城市生態系統的主要組成部分，在維護城市生態系統平衡、改善城市環境、維護生態安全等方面具有其他城市基礎設施不可替代的作用[8]。

近年來國內外在城市化與城市森林的相關問題上做了很多的研究。研究者普遍得出的結論是城市化進程會導致城市森林的破碎化。例如，楊沅志、薛冬冬等[9]研究發現，隨著城市化強度的增大，城市森林的斑塊面積減少，市中心斑塊密度隨著時間的推移面積下降幅度較大，而近郊呈現相似的趨勢，只不過斑塊面積下降速度相對較小，遠郊的森林斑塊則變化較為緩慢，說明從郊區到市中心過程中城市森林被分離和打散。Yang and Li 等[10]通過分析青島市城市拓展強度與城市景觀格局的關系發現，城市化把農用地、林地變更為建設用地，使得這些地區的土地形成了突出的、非常零碎的景觀。Zhang and Wang[11]等通過對長春市城市化強度（低、中、重度城市化）的影響研究了不透水表面積（ISA，Impervious Surface Area）對城市森林景觀格局與結構分類屬性的關系，得出ISA 顯著影響了城市森林的結構特征與森林景觀格局之間的聯系，導致城市森林斑塊變得更小甚至分離。城市森林的破碎化會影響城市景觀的美感度和森林生態系統服務，比如休閑服務功能、生物多樣性保護及固碳效益等。因此，研究城市化背景下城市森林的空間分布格局對提升城市森林的生態效益具有重要的指導作用。

城市化強度對城市森林景觀的影響，關系到城市未來的發展規劃。研究城市生態景觀格局類型的變化，可為未來城市的建設提供一些數據基礎，滿足后續需要，選擇遙感監測普遍用于景觀格局類型的變化檢測，網格切割的方法更有利于對空間的異質化影響分析，對大城市景觀指數的回歸分析模型定量分析，有利于研究景觀的空間格局和動態變化對城市景觀的影響。現在“3S”技術被廣泛應用，使用地理信息系統（GIS）平臺強大的空間分析和計算功能來分析實際和潛在樹冠覆蓋范圍的動態變化，調查樹冠覆蓋范圍變化的原因。同時我們將使用景觀格局指數分析方法研究UTC 和居住區景觀格局變化特征。研究城市人類活動干擾對景觀格局變化，隨著人類活動強度的增加，城市規劃建設使得森林斑塊更加支離破碎，整個景觀變得更加復雜[12]。因此，本文將從不透水面即城市化角度研究其對森林空間格局和森林景觀連接度的影響，初步探求城市化對于森林空間景觀的作用過程，同時也為城市規劃和景觀格局優化提供理論依據。

本研究以青島市市嶗山區中韓街道、市北區、李滄區、市南區為研究區域，在“3S”技術的支撐下，通過建立公里網格，分析公里網格內林灌覆蓋斑塊景觀格局指數（斑塊的個數，斑塊的平均面積、形狀指數、聚集度指數）與城市化強度之間的關系，通過建立逐步回歸模型和地理加權回歸模型，定量分析城市化強度對城市森林景觀格局的影響大小極其空間異質性。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

選取青島市市南區、市北區、李滄區、嶗山區中韓街道作為研究區域（見圖1），總面積約250 km2，范圍大致為東經120°00'—120°30'，北緯35°50'—36°30' 。研究區內主要地貌類型為丘陵，地勢起伏不平，東高西低，分布有信號山、浮山、觀象山、青島山、北嶺山和嘉定山等自然山體。氣候屬于溫帶季風氣候區，空氣濕潤，降水適中，雨熱同季，氣候宜人，四季變化明顯。年平均氣溫為13℃，年平均降水量在664.1 mm 左右。

1.2 城市森林斑塊提取

城市森林斑塊的準確提取是城市森林空間格局研究的重要前提。根據對城市森林概念的理解，將樹冠覆蓋率30%以上的地塊作為城市森林處理，即是把人眼能分辨出的成片狀或帶狀分布，且具有顆粒感均勻分布的斑塊視為城市森林[13]。本文利用1 m 分辨率的Google 歷史遙感影像進行研究區土地利用分類，影像拍攝時間為2018年6月至10月和2019年7月至10月之間。利用面向對象分類與人工目視解譯相結合的方法，本文將研究區土地利用類型分為不透水面、森林、水體、草地和未利用地，分類精度達到93.6%。

1.3 景觀格局指數計算

公里格網數據是將研究區域按照統一的標準劃分為若干個1 km×1 km 的像元，每個像元被賦予一個標識和一個屬性值。其中標識值標識該像元的空間數據，屬性值標識該格網的專題屬性值。是一種對專題數據進行格網化表達的1 km×1 km 空間數據，能夠較直觀準確的反映專題數據在區域內的空間分布特征[14]。本研究從不透水面所占比例即城市化角度研究其對森林空間格局和森林景觀連接度的影響，初步探求城市化對于森林空間景觀的作用過程[15]。選取的研究景觀格局指數主要有面積（CA）、斑塊數（NP）、斑塊密度（PD）、最大斑塊指數（LPI）、邊緣密度（ED）、景觀指數（LSI）、聚集度指數（AI）。

表1 本研究篩選的各景觀格局指數計算公式及其含義Table 1 The calculation formula and meaning of landscape metrics selected in this study

1.4 城市化強度計算

本研究利用公里網格單元內不透水面的占比表征網格空間的城市化強度，計算公式如下：

其中UIi是第i 個網格內的城市化強度； ISAi表示第i 個網格內的不透水面積，由研究區土地利用分類圖計算得到； TAi為第i 個網格的總面積。

1.5 相關性分析

本文通過SPSS 22 統計軟件對城市化強度和城市森林空間格局數據進行相關分析。相關分析是研究不同變量間密切程度的一種常見的統計方法，它是描述2 個變量間線性關系程度和方向的統計量[16]。換句話講，相關分析的任務就是對相關關系給與定量的描述。相關系數用符號“r”表示，一般按“r”的絕對值大小，規定統計學中低于0.40 以下的相關系數為低相關； 0.40～0.70 為較顯著相關； 0.70～0.90 為顯著相關； 0.90～1則為最高相關。

1.6 回歸分析

常見的確定不同變量間定量關系的分析方法為回歸分析。相關性分析只能確定兩者之間的關系，而回歸分析則是表現兩者之間具體量化的大小。為研究城市化強度對森林空間格局的具體影響大小，本文利用回歸分析進行量化計算，用來實現城市化強度的變化對城市森林景觀的預測分析。利用SPSS 22 統計軟件進行一元回歸分析，采用R2來反映回歸方程所能解釋的變差比例，也稱為判定系數或決定系數。R2的大小在0～1 之間取值，R2的大小越靠近1，說明回歸方程自變量對因變量的影響程度越大；相反來說，R2的大小越靠近0，回歸方程自變量對因變量的影響程度越小。

1.7 地理加權回歸分析

地理加權回歸（Geographically Weighted Regression，簡稱為GWR），地理加權回歸是在線性回歸分析的基礎上添加了空間數據分析，用來研究空間關系之間的異質性，其數學模型為

式中：yi為第i 點的因變量； εi為殘差； k 為總樣本容量； i 為樣本點計數； xik為第k 個自變量在第i 點的值； (ui,vi)為第i 個樣本點的空間坐標；ak(ui,vi)為連續函數ak(ui,vi)在i 點的值[17]。由于隨機抽樣和不同空間所具有的不同地理自然環境造成的的觀測數據具有一定誤差。地理加權回歸的存在主要就是減小原有的分析模型對空間非平穩性的影響，它對數據的處理方式簡單，并且能對地理信息系統所分析出數據的空間非平穩性做出全局的量化[18]。越來越多的研究人員喜歡采用這種分析模型。

2 結果與分析

2.1 青島市城市森林空間分布

如圖1所示，研究區域范圍內的森林斑塊具有明顯的聚集性分布特點，研究區東北部、南部、東部及嶗山區的西南部森林斑塊面積較大，市北區和市南區東部的森林斑塊較破碎。森林斑塊分布比較聚集的地方主要為中山公園、浮山、信號山等城市內丘陵區域。

圖1 青島市主城區城市森林空間分布圖Figure 1 Spatial distribution of the urban forest patches in the main downtown areas of Qingdao

2.2 城市化強度與城市森林景觀格局指數的空間異質性

如圖2所示，研究區主要由中度城市化地區（0.5≤UI≤0.8）和高度城市化地區（UI＞0.8）組成。高度城市化地區的森林斑塊數量較多，斑塊密度和斑塊邊緣密度較大，說明破碎化比較嚴重。最大班塊指數較大的區域主要在中山公園、浮山以及研究區東部和北部的嶗山邊緣地帶，這些區域以人造公園和自然山體為主。

圖2 城市化強度與城市森林景觀格局指數空間差異圖Figure 2 The spatial difference of urbanization intensity and urban forest landscape metrics

2.3 城市化強度與森林景觀格局的相關性

從表2中可知，城市化強度與森林斑塊面積CA、斑塊數量NP、斑塊密度PD、最大斑塊指數LPI、景觀指數LSI 和聚集度指數AI 均呈現顯著相關性，表明城市化對森林景觀格局具有深刻的影響。其中，城市化強度與CA 和LPI 之間具有較強負相關關系，說明城市化強度的增大會顯著降低城市森林的斑塊面積和最大斑塊指數。城市化強度與NP、PD 和LSI 呈現正相關關系，表明城市化會導致森林斑塊數量增加、斑塊密度和景觀指數增大。

表2 城市化強度與城市森林景觀格局指數的相關性Table 2 Correlation of urbanization intensity and urban forest landscape pattern

2.4 城市化強度對森林景觀格局的影響大小

城市化強度與森林景觀格局指數之間的一元回歸模型（見表3）。其中，模型自變量為城市化強度，因變量為各景觀格局指數。可以看出，若城市化強度每增加0.1 個單位 （即不透水面積占比提升10%），城市森林將減少約5.6 hm2，LPI 將下降約7.9，而每平方公里的森林斑塊數將增加約19 個。這說明城市化進程將導致城市森林的破碎化。

表3 城市化強度對森林景觀格局指數回歸分析模型摘要表Table 3 Summary of regression analysis model of urbanization intensity on forest landscape metrics

2.5 城市化強度對森林景觀格局影響的空間異質性

城市化程度與城市森林景觀格局指數GWR 回歸系數空間分布見圖3。由圖3可以看出，城市化強度與景觀格局指數的相關性具有顯著的空間異質性。除城市森林斑塊面積和最大斑塊指數外，其余指數與城市化強度在研究區南部和東部呈現顯著正相關，在市南區、市北區和嶗山區呈現顯著正相關，李滄區，中韓街道的相關性較小。從回歸系數的空間分布來看，回歸系數呈現從南向北呈現遞增趨勢，而西北區域相關系數呈現正相關。結合青島市城市發展來看，說明城市人們活動頻繁的區域對森林斑塊影響越大，城市化強度越大城市森林空間格局復雜程度增大。

圖3 城市化程度與城市森林景觀格局指數GWR 回歸系數空間分布圖Figure 3 Analysis of GWR regression coefficient between urbanization degree and urban forest landscape metrics

3 結論與討論

本研究利用土地利用數據建立公里網格，計算公里網格內城市森林斑塊的景觀格局指數以及城市化強度，然后利用相關性分析和地理加權回歸分析法研究城市化強度與城市森林空間格局之間的關系。通過結果分析發現城市化強度對林地覆蓋景觀格局影響很大，城市森林景觀格局指數與城市化的相關性會隨著城市化的變化而變化。Dadashpoor 等也曾在研究中指出城市化對景觀格局的影響具有顯著的空間異質性，與市中心相比，在遠離市中心的地區景觀格局與城市化的關系相對較小[19]。Chowdhury 等人和Islam 還認為，城市化直接影響景觀的破碎程度[20-21]。本研究通過分析青島市城市化與城市森林景觀格局之間的關系也得到了類似的結論。城市化強度越高，城市林地利用面積越緊張，人類活動對城市森林干擾性越大，城市林地斑塊越分散，面積越小，破碎化越嚴重。因此在以后的青島城市森林建設中，應從追求森林覆蓋面積轉向為建設較大面積的城市林地斑塊，合理規劃景觀格局類型，提高城市生態多樣性。

本研究結果表明，CA、NP、PD、LPI、ED和LSI等景觀格局指數隨著城市化的增加，顯著表現出了城市森林斑塊的破碎化和空間格局的復雜化。地理加權回歸分析圖表明城市化強度與林地景觀格局斑塊面積呈現強負相關關系，說明城市的建設對林地景觀斑塊的影響較大，隨著城市化的建設，城市用地面積的加大，城市林地面積逐漸減少，城市生態環境受到很大影響。城市化與城市森林最大斑塊指數呈強負相關，最大斑塊指數反映干擾程度和頻率的變化，能夠反映人類活動的方向與強弱，說明城市人們活動頻繁的區域對森林斑塊影響越大，城市化強度越大森林斑塊最大面積越小。通過回歸分析得到城市化強度與森林斑塊面積和最大斑塊指數呈現極顯著線性關系，說明城市化強度對城市森林斑塊大小影響很大，對城市森林景觀格局影響很大。在人類活動的干擾作用下，城市建設用地越來越多，林地斑塊被逐漸分割，破碎化情況嚴重，城市森林的連貫性和面積斑塊不夠，進而影響城市森林的生態效益的有效發揮，對城市生態環境和物種多樣性帶來巨大的挑戰，對城市森林的質量帶來很大影響。城市景觀格局的變化必然會對人類的生存環境造成直接影響，對城市生態環境和可持續發展造成很大影響。因此，要加強環保教育，提高人們保護森林的意識，優

化土地利用格局，維護城市發展和生態環境的和諧統一。在未來的城市化規劃中，要注意城市森林斑塊之間的聯結。為更好的發揮城市生態效益，應適當規劃建設較大面積的城市森林斑塊建立良好的城市森林空間格局。今后應注重城市廊道的設計，加強連接城市森林斑塊，降低城市森林斑塊的破碎程度，提高城市森林景觀生態功能。