鄭州市黃河南岸景觀格局變化及其對生態空間的影響

馮 艷，郭 悅，王冬夢，許子賢，孔德政

(河南農業大學 風景園林與藝術學院，河南 鄭州 450000)

0 引言

景觀格局是景觀生態學研究的重要內容[1-2]，伴隨著城市化的快速發展和城市的不斷擴張，城市景觀格局變化尤為明顯，景觀格局的變化對生物多樣性和城市生態等產生了巨大影響[3-4]。城市生態空間是為城市提供生態系統服務、保障城市生態安全、提升居民生活質量不可或缺的城市空間[5]。目前國內對生態空間的概念尚未統一，不同領域的專家學者基于各自的立場對此作出了解釋[6-7]。本文基于人類的參與程度和生態系統服務功能，將生態空間定義為能夠維持生態安全、保障生態系統穩定提供生態服務的用地空間，包括林地、草地、耕地、水域等土地利用類型。

近年來，將景觀格局理論引入生態空間研究領域，探究土地利用演變過程的研究日益增多。目前，學者們較為關注景觀格局動態變化[8-9]、景觀格局變化的生態環境等效益[10]、景觀格局變化的驅動因素[11-12]等，研究方法多采用景觀格局指數法[13-14]、景觀動態變化模型法[15]和土地利用轉移矩陣[16]等。此外，相關學者對省域[17-18]、城市[19-20]的景觀格局時空變化及驅動力分析較多，但是針對其變化產生影響的相關研究還相對較少。以往研究成果為景觀格局的生態影響深入研究奠定了堅實的科研基礎。

黃河是鄭州城市北部最重要的天然生態屏障[21]，然而，在過去20年中，鄭州城市快速擴張，建設空間直逼黃河南岸，生態安全下的城市高質量發展問題亟待解決。目前鄭州市景觀格局方面的研究還較少，且主要集中在市域層面[22-23]，缺少對黃河生態空間的研究。為此，本文以鄭州黃河南岸6個區(縣)為研究區域，基于1997、2009、2019年3期衛星遙感影像，對地表土地類型進行提取、歸并，利用景觀格局指數等方法分析研究區域景觀格局動態演變，在此基礎上分析了景觀格局的變化對黃河南岸生態空間擠占的影響，以期為研究區以及鄭州市與黃河高質量發展路徑的實施提供參考。

1 研究區域、數據來源與研究方法

1.1 研究區概況

鄭州沿黃河區域自西向東包括：鞏義市、滎陽市、上街區、惠濟區、金水區和中牟縣(圖1)。位于東經129°08′33.7″～129°08′50.3″，北緯35°14′56.6″～35°09′13.0″之間,土地總面積約3868.47 km2。在該段范圍內黃河河床寬淺，沙洲密布，河勢變化頻繁，是典型的游蕩性河段。河道沖淤變化劇烈，屬于地上懸河段。研究區域位于黃河中下游交界處，緊鄰黃河南岸，是鄭州市北部重要的生態空間，承擔了鄭州市對黃河流域生態治理的重任。同時，研究區域開發強度高，人為干擾大，各區(縣)城鎮化發展不均衡，城市擴張對黃河南岸生態空間影響程度差別較大。

圖1 研究區地理位置

1.2 數據來源與處理

本研究的基礎數據為1997、2009和2019年鄭州市的土地利用/覆被類型柵格數據，空間分辨率為30 m，數據來源于中國地理空間數據云(http://www.gscloud.cn)。該數據集是基于1997年Landsat4-5、2009年Landsat-7ETM SLC-off和2019年的Landsat-8 OLI_TIRS遙感影像解譯得到，在ENVI 5.3遙感圖像處理軟件中進行波段提取、大氣校正、裁剪等預處理。為保證研究區土地利用類型解譯精度，采用人機交互目視解譯法，同時以高德地圖、Google Earth等影像數據為參照，重要地塊結合實地考察，將1997、2009和2019年3期鄭州市沿黃河6區(縣)土地利用分為耕地、林地、草地、水域、建設用地及未利用地6大類。參考相關研究成果，選取草地、耕地、林地和水體為生態用地，未利用地、建設用地為非生態用地(圖2)。結合2020年黃河流域河南段、鄭州市等相關上位規劃指導思想，提取黃河南岸5000 m內生態數據，分析在城市擴張過程中，該區域生態空間受影響程度。

圖2 不同時期研究區景觀類型

1.3 研究方法

1.3.1 景觀格局指數的選取 景觀指數是高度濃縮景觀格局信息的定量指標，反映了景觀結構特征和空間格局變化。本研究選取了景觀水平和景觀類別2個層次的指標用來分析研究區景觀格局的變化特征(表1)[24]。景觀水平指數的選擇中，斑塊密度(PD)、邊緣密度(ED)、平均斑塊面積(AREA-MN)和面積加權形狀指數(SHAPE-AM)作為景觀水平破碎化程度的指標，聚合度指數(AI)、散步并列指數(IJI)和結合度指數(COHESION)作為景觀水平連通性的指標；景觀類別指數選用斑塊密度(PD)和斑塊結合度(COHESION)，重點分析生態用地類型，即草地、耕地、林地和水體的景觀類別層次的景觀格局指數變化。相關計算借助Fragstats 4.2軟件完成。

表1 景觀格局指數定義及描述

1.3.2 景觀轉移矩陣 景觀轉移矩陣能夠全面反映景觀類型數量和方向等變化的細節結構特征[25-26]，可以進一步分析鄭州沿黃河南岸6個行政區(縣)某種景觀類型的轉入、轉出以及景觀類型時空演變過程與機制。景觀轉移矩陣通過在ArcGIS中對3期景觀類型圖兩兩間進行疊加相交分析，得到輸出結果圖層中各景觀類型的面積。通過導出屬性表，在Excel中運用數據透視表功能制作出景觀類型變化轉移矩陣。其計算公式為：

式中：P表示某種景觀類型的面積；Pii是指時段內該景觀類型保持不變的面積；Pij指時段內由i種景觀類型轉化為j種景觀類型的面積；n為景觀類型的種類。

2 研究結果與分析

2.1 景觀變化特征分析

2.1.1 景觀總體變化特征分析 根據研究區1997～2019年3期土地利用遙感解譯數據，得到研究區景觀總體變化特征(表2)，自1997年以來，研究區各景觀類型的數量和結構都發生了不同程度的變化。從數量上來看，受城鎮化和自然生態環境因素的影響，景觀類型變化最大的是建設用地、耕地和未利用地。建設用地的面積逐年增大，其面積從1997年的207.81 km2到2009年的841.58 km2，增加了3.05倍，又從2009年的841.58 km2到2019年的1103.41 km2，增加了261.83 km2，建設用地的持續增加，除了人口增加的原因外，還與政府規劃、土地開發、市場調節等社會經濟有關，快速擴張在一定程度上導致出現了城市“虛胖”的現象。此外，建設用地的變化體現了城市擴張的2個階段，1997～2009年，建設用地呈現爆發式擴張狀態，2009～2019年，建設用地在原有基礎上有序地向外擴展。與之相反，耕地面積逐年遞減，1997年耕地面積為1903.66 km2，在所有用地類型中面積數量最大，2009年耕地面積下降了375.16 km2，到2019年，耕地面積再次下降了700.69 km2，近20年中，耕地面積總體下降了1075.85 km2，且在2009～2019年間其面積驟減。耕地面積的不斷減少是由于工業化的快速發展、產業結構的調整和鄭州市2002年以來退耕還草工程實施的結果。未利用地從1997年的1155.58 km2到2009年的84.33 km2，驟減了1071.25 km2，而從2009～2019年，其面積增加了483.62 km2，未利用地的面積變化體現了研究區的環境特殊性。除了緊鄰黃河地區因水位變化導致的未利用地變化以及其他氣候因素環境因素外，主要原因是對土地資源利用不當導致的生態環境的退化?？傮w來看，1997～1999年景觀變化強度高于2009～2019年，體現了城市從無序蔓延到有序擴張的狀態。

表2 1997～2019年研究區各景觀類型面積變化

從結構上來看，1997～2019年研究區最為突出的變化是各景觀類型結構趨于均衡。1997年面積占比最多的是耕地和未利用地，分別達到49.2%和29.87%，景觀結構單一，體現了當時研究區內尚未進入城鎮化的狀態。2009年景觀結構突出表現為耕地和未利用地的減少以及建設用地和草地的大幅增加，此時耕地、草地和建設用地占比分別為39.51%、29.43%和21.75%。2019年，景觀面積比例位于前3的分別是建設用地、草地和耕地，其次，未利用地面積比例顯著上升，整體結構上體現了城鎮化的典型特征。總體來看，1997～2019年，耕地的大幅減少和建設用地、草地的大幅增加體現了鄭州市向北擴張的城市發展態勢，林地結構相對穩定且稍有增加，而未利用地和水體的結構占比從減少到增加是研究本區域黃河水域環境演變和城市擴張的關注點之一。

2.1.2 景觀類型轉移特征分析 通過景觀類型轉移特征(表3)和相關資料查閱分析得出：1997～2009年間，研究區內變化最大的是耕地，轉出面積為922.98 km2，主要轉出為草地和建設用地，分別占總轉出面積的57.95%和33.74%。變化規模居于第二位的是未利用地，在這期間，未利用土地得到了開發，主要轉出為草地、耕地和建設用地，轉出面積分別為413.04、334.85和315.2 km2。草地的主要轉移方向為耕地，主要分布在少量村莊建成區周邊；而轉換為草地的耕地和未利用地的面積分別是534.85和413.04 km2，其數量是草地轉為耕地數量的3～5倍。建設用地轉入的主要來源是未利用地和耕地，兩者向其總轉入面積為626.64 km2，占建設用地增加總面積的90.64%；這一時期建設用地向其他類型用地轉出甚少。此外，水體面積明顯減少，除了向建設用地和草地的少量轉出，另一方面受自然環境影響較大，2009年黃河流域遭遇了特大干旱，河南更是遭遇了50年來罕見的秋冬連旱，天氣干燥、降水稀少進一步導致地表水枯竭，是水體大規模減少的自然因素。林地規模相對穩定，主要集中在西南山地?？傮w來看，1997～2009年，研究區內鄭州城市化的發展向北蔓延，占用了大量的農田和未利用地，沿黃河生態空間受到擠占。另一方面，受退耕還林、退耕還濕等政策的影響，一部分耕地轉換為林地、草地和水體，這對生態環境起到了一定的積極作用，但會減弱生態服務對糧食供給的貢獻。

表3 1997、2009和2019年研究區景觀轉移矩陣 km2

2009～2019年間，研究區內變化規模最大的仍是耕地，其次是建設用地。耕地主要流向建設用地和草地，分別為319.66和499.68 km2，占耕地總轉出量的77.59%，另外有178.56 km2的耕地轉變為未利用地。轉入到耕地的景觀類型主要是草地，面積為268.74 km2，主要體現在村莊建成區周邊，中牟縣尤其明顯。這一時期，建設用地的轉入比例仍呈現極高的狀態，耕地和草地分別向建設用地轉入319.66和238.41 km2，表明這段時期由于研究區域經濟發展的需要，開展了大規模的城鎮建設；此外，建設用地向未利用地和草地分別轉出152.6和107.02 km2，主要體現在政府對村莊的拆、遷、合并,以及城市內部綠地的增加。未利用地有較大幅度增加，主要來源于草地、耕地和建設用地，變化主要在鞏義市內村鎮建成區周邊和緊臨黃河一帶。草地的面積與之前相比呈減少的趨勢，主要流向建設用地和耕地，分別為238.41和268.74 km2?？傮w來看，2009～2019年，研究區內鄭州城市化的發展向北擴張呈集中連片狀態，其中惠濟區和金水區建設用地的擴張最為突出，擠占了大面積的生態空間，但緊臨黃河南岸無序蔓延的村莊建設用地得到整合，轉為生態用地，則體現了城市發展中生態思維的轉變。另一方面，未利用地的增加體現了村莊農耕性質向城中村的轉變，水體的增加是人為和環境因素共同的結果，人為因素主要為城區內河湖水系的增加及黃河灘區的治理，環境因素主要為降水、氣候等對黃河的影響。

綜合1997～2019年景觀類型的變化，研究區內轉換規模位于前4位的是耕地轉為建設用地、耕地轉為草地、未利用地轉為草地和未利用地轉為建設用地。建設用地是景觀類型的主要轉出對象，建設用地的擴張使黃河南岸生態空間從大而連通變為小而破碎；而耕地一方面受到城市擴張對空間的侵占，另一方面由于一大部分耕地轉為草地，為生態環境建設起到了一定的支撐作用。未利用地向草地和建設用地的轉出體現了城市發展中生產空間和生態空間共同發展的一面。林地主要分布于西南部山地，景觀格局相對穩定。水體的減少，受環境影響主要體現為向未利用地和建設用地的轉化。

2.2 景觀格局變化分析

2.2.1 景觀水平格局變化特征 景觀水平上的格局指數分析，有利于更好地分析研究區整體景觀格局變化特征。從表4可知，1997～2019年研究區景觀格局發生顯著變化，PD和ED在1997年時均為較低值，說明此時斑塊還具有較高的完整性，之后呈現出增長趨勢，加之AREA-MN不斷減少，說明22年來研究區大而完整的斑塊被分割成小斑塊，主要是耕地不斷被建設用地分割，導致農田基質不斷退化，也使得景觀格局破碎化態勢愈加嚴重。SHAPE-AM的下降，說明研究區內的斑塊形狀受人為干擾不斷加大，趨向于人工景觀特征。此外，與1997～2009年相比，2009～2019年破碎化過程相對緩慢并且得到控制，但破碎化程度依然存在。以上情況表明當前城市發展速度仍然過快，經濟發展與生態發展不協調，會影響城市的可持續發展和生物多樣性的保護，應高度重視。

表4 1997、2009和2019年研究區景觀水平景觀指數

AI側重于表現研究區景觀層面斑塊分散程度，IJI側重從斑塊邊界出發，通過斑塊邊界的相互鄰接來表現斑塊的集聚特征，COHESION表征在特定的距離內某一斑塊的物理連通性。分析表4可知，1997～2009年AI、IJI和COHESION均呈減少趨勢，表明該段時間內景觀格局變化主要表現為研究區景觀空間分布不集中，結合度較低，景觀斑塊與多種其他斑塊鄰接度降低，景觀格局變得雜亂破碎。在2009～2019年間AI和IJI呈上升趨勢，COHESION呈減少趨勢，表明對環境的治理和保護取得了一定成效，斑塊聚集度和臨近度提高，但斑塊之間的連通性仍需改善。

2.2.2 生態用地景觀類別變化特征及影響 由圖3可知，在類型水平上，研究區生態用地的景觀指數呈現不同的變化趨勢。1997～2019年，草地、林地的PD值均呈現先增大后減小的趨勢，表明景觀在1997～2009年間受人為干擾程度較深，斑塊被不斷分割，破碎化程度加強。2009～2019年呈減小趨勢，說明這期間我國生態文明建設取得了一定成效，破碎化程度有所改善。水體的PD值呈現先減少后增大的趨勢，主要是由于面積減少帶來的破碎化程度減弱。2009～2019年面積增加，破碎化程度隨之提高。耕地的面積雖在逐漸減少，但PD值持續上升，表明這期間耕地不斷受到其他景觀的分割，破碎化程度最為嚴重。

圖3 生態用地景觀類別層次特征變化

從COHESION指數可以看出，草地的COHESION值呈先增多后減少的趨勢，與PD值變化一致。林地COHESION值持續增加主要是由于鄭州市沿黃河生態廊道及防護林的建設。耕地COHESION值的不斷下降，表明隨著耕地破碎化程度的加深，連通性隨之逐漸減弱。水體COHESION值的變化與PD值一致，隨著面積的減少，破碎化程度降低，連通性降低。

2.3 景觀變化對黃河生態空間影響分析

人口增加、政策支撐[27-28]以及經濟社會發展是建設用地快速增長的主要原因，根據鄭州市統計局年度統計數據顯示，2001年研究區范圍內人口總數為307.3萬人，到2019年已經達到384.5萬人。建設用地的增長從中心城區逐漸向外侵占其他用地。依據《黃河干流(河南段)國土空間概念性規劃(2020)》(圖4)，本文將2019年鄭州市域黃河南岸大堤外5000 m范圍內作為本次研究的沿黃河生態空間，該區域是維護鄭州市北部生態安全的重要屏障，也是本文研究區內的核心生態用地(圖5)。其區域內建設用地從1997年的16.26 km2增長到2019年的118.78 km2，城市的大規模擴張導致生態空間被大量侵占，生境出現嚴重的破碎，東西向景觀連通功能被破壞，系統生態流無法正常發揮作用，據環境、氣象、水文等資料統計沙塵、霧霾、水污染和糧食安全等已經威脅到城市的可持續發展[29-30]。

圖4 黃河南岸5000 m范圍內建設用地變化

圖5 黃河南岸5000 m范圍內生態用地

由表5可以看出，1997～2019年間，該區域耕地面積幾乎減少了一半，斑塊之間連通性降低，同時糧食供給也會受到影響。水體面積的變化不大，連通性較低。林地面積在2009年有了小幅度的提升，但2009～2019年間減少較多，僅剩下零星的小型林地斑塊。分階段看，該區域內生態空間被擠占主要發生在2009～2019這10年間，從2009年的556.76 km2下降到2019年的460.01 km2。此外，黃河灘區生境條件差，植被生長環境惡劣，特殊的地質土壤導致生態退化嚴重，部分草地、林地退化。

表5 黃河南岸5000 m范圍內生態用地面積變化 km2

多年來，因缺少有序開發和有效治理，沿黃河生態區域范圍內一直存在私改農田、粗放養殖、開礦采砂等行為，自然景觀被不斷取代、分割，進而導致區域斑塊破碎化嚴重，生境質量和景觀連通性的破壞不僅影響了城市外圍自然生態系統維育，同時，城市生態屏障的缺失極大地減弱了城市內部抵御自然災害的能力。

3 結論

本文以研究區景觀格局演變為主，利用Fragstats 4.2、ENVI 5.1、ArcGIS 10.2軟件，對鄭州市沿黃河6個區(縣)進行研究，得出以下結論。

(1)研究區景觀格局特征變化明顯，在地類上主要表現為建設用地的持續增加和耕地的持續減少。林地變化幅度不大。草地表現為先增加，之后又小幅度減少總體呈增加的趨勢。水體和未利用地則先減少后增多。整體景觀類型結構趨于均衡。此外，研究區內各類景觀用地類型都進行了不同程度的相互轉化，主要為各類用地向建設用地的轉化。說明在城市化發展過程中，通過不斷開發耕地、未利用地等生態用地從而轉化為建設用地。

(2)鄭州市景觀格局的發展演變體現了城市擴張期間不同階段的特點。1997～2009年研究區建設用地的擴張呈現爆發式無序的狀態。2009～2019年政府對生態建設的關注增加，研究區建設用地在原有基礎上有序地向外擴展，生態空間狀況也得到了改善。

(3)景觀格局指數分析結果顯示，1997～2019年研究區PD和ED都呈現了持續增加的變化趨勢，而AREA-MN和SHAPE-AM呈現了持續減少的趨勢。說明研究區域斑塊破碎化程度高，AI、IJI和COHESION的變化趨勢說明景觀空間分布不集中，連通性較差。在類型水平上，耕地破碎化程度不斷加深且連通性持續下降，林地的連通性得到了改善和提升。

(4)建設用地的大幅度擴張，造成生態空間被侵占，黃河南岸5000 m范圍內生態用地的變化，表明中心城區的蔓延擴張正日益威脅著城市北部的生態屏障，加之該區域原有的生態脆弱性導致生態退化嚴重，鄭州市北部區域的生態安全已受到極大威脅。

(5)生態文明建設和高質量發展背景下，鄭州市北部的發展需從景觀連通性、生物多樣性和生態系統服務3個方面出發，通過修補沿黃河生態網絡，構建完整的生態屏障以實現可持續發展。