鄭州綠色空間格局時空演變及預測研究

李 晨

(1.鄭州電力職業技術學院，河南 鄭州 450052;2.西南林業大學，云南 昆明 650233)

1 引言

“綠色空間”( Green Space，GS) ，是水體與綠地的統稱。近20年來，隨著鄭州都市圈虹吸效應明顯，人口數量逐年增加，相對應的居住需求大，導致建筑用地需求逐年上升，而綠色空間不斷減少，城市綠色空間的稀缺性開始顯現。鄭州市于2017 年入選“城市雙修”試點城市。《中共中央國務院關于推進生態文明建設的意見》《中共中央國務院關于進一步加強城市規劃建設管理的若干意見》中指出，試點城市主要目標任務為：到2030年，全國城市雙修工作要取得顯著成效，實現城市向內涵集約發展方式的轉變，建成一批和諧宜居、富有活力、各具特色的現代化城市[1]。2020年10月河南印發的《鄭州都市圈生態保護與建設規劃(2020～2035)》中提出了明確的都市圈生態建設目標：到2035年，都市圈生態環境質量達到發達國家和地區水平[2]。

2021年4月省中原城市群建設工作領導小組正式印發的《鄭州都市圈交通一體化發展規劃(2020～2035年)》[3]中提出了推動山水河林路融合一體的發展方向。結合2021年6月國務院辦公廳印發《關于科學綠化的指導意見(國辦發〔2021〕19號)》提出了科學編制綠化相關規劃、合理安排綠化用地、科學推進重點區域植被恢復、鞏固提升綠化質量和成效等主要任務，模擬未來2035年綠色空間發展的情況的研究是十分必要的，也是鑒定目前對于鄭州制定的多項綠化建設及都市圈建設目標是否能夠順利完成的重要參考。

2 研究區位概況和研究的目的、意義

2.1 研究區位概況

鄭州位于河南省北部，東經112°42′～114°14′、北緯34°16′～34°58′[4]，地處黃土高原與黃淮平原交界地帶，地跨黃河、淮河與海河三大流域，地形以平原和低山丘陵為主，氣候溫和、四季分明、雨熱同期，降水變率大，容易造成旱澇災害。

目前，鄭州綠色空間也存在一些問題面積總量仍然偏小，分布不均，綠色空間結構不合理；區域內土地開發利用強度相對較高，綜合國土開發強度25.98%，生態用地數量逐步下降，生態空間年均減少2.5%，城鎮建設與生態空間矛盾加劇；天然生態環境資源匱乏，人均綠色空間面積指標均低于全國平均水平，城市擴張與生態環境保護協同不足等問題亟待解決。

2.2 研究目的

由于城市土地資源的稀缺性，在城市規劃和建設中，決策者必然要追求城市土地資源配置效益的最優化。因此，科學合理的城市綠色空間預測，就成為城市空間規劃和建設決策的重要依據。本研究從城市綠色空間的多個角度、多個時空段來預測城市未來的綠色空間發展情景，結合2021年6月國務院辦公廳印發《關于科學綠化的指導意見(國辦發〔2021〕19號)》提出了科學編制綠化相關規劃、合理安排綠化用地、科學推進重點區域植被恢復、鞏固提升綠化質量和成效等主要任務，模擬未來2035年綠色空間發展的情況的研究是十分必要的，也是鑒定目前對于鄭州制定的多項綠化建設及都市圈規劃是否能夠順利完成的重要參考，同時綠色空間對緩解城市內澇、減少洪澇災害具有重大意義，成為城市規劃的熱點問題。

2.3 研究意義

目前，已有多位學者基于Markov模型對城市綠色空間、城市未來土地利用情況進行預測和研究[5～7]，但是這些研究大多集中于城市綠色空間格局或者城市未來土地利用情況的單一研究，基于城市綠色空間格局時空演變與Markov模型來模擬城市未來發展的情景研究還不多見，故本文對鄭州綠色空間時空演變研究和基于Markov模型對城市綠色空間預測研究有一定的理論意義和現實意義。

3 材料與方法

3.1 數據來源

2000～2020年土地利用數據來自于全國地理信息資源目錄服務系統(http://www.Webmap.cn/commres.domethod=globeIndex)GlobeLand30遙感影像，空間分辨率30 m，利用SPOT遙感影像數據(分辨率為2.5 m)提取研究范圍內城市綠色空間信息，利用eCognition遙感圖像處理軟件，進行幾何校正、大氣校正、輻射定標、影像融合和陰影處理等預處理。并利用土地利用變更調查的矢量數據對提取的綠色空間信息進行進一步校準[12]。本研究按照林地、耕地、草地和水域等土地類型進行劃分。將數據導入ArcGIS10.2對三期數據進行可視化處理得到2000～2020年鄭州綠色空間動態圖，利用Fragstats4.2(中文版)得出鄭州景觀格局指數，利用Markov模型構建得到了2000～2010年、2010～2020年兩個時段的綠色空間面積轉移矩陣，預測出2035年鄭州綠色空間總體格局。

3.2 綠色空間分類

參考以往研究中的分類體系[9～11]，所以本次研究的范圍就包括鄭州域內的耕種用地、林地及草地、濕地和水域等，本研究按照林地、耕地、草地和水體等土地類型進行劃分，如圖1所示。

圖1 鄭州土地類型及所屬空間界定

4 結果與分析

4.1 2000～2020年鄭州綠色空間格局動態特征

4.1.1 綠色空間總體動態特征

由圖2可知，2000～2020年鄭州綠色空間動態變化可知，鄭州近20年間土地利用情況發生了明顯的變化，綠色空間逐步轉移變成非綠空間，城市擴張趨勢顯著。整體建筑用地面積持續上升，耕地面積持續減少，林地、草地、濕地變化不大，水體面積略有減少。總體來說耕地所占比重最大，建設用地其次，再次是林地，而綠色空間的主要變化集中在耕地上。

圖2 2000～2020年鄭州綠色空間動態變化

由表1可知鄭州3個時期綠色空間占比不斷縮減，2000、2010、2020年分別為91.84%、83.54%、72.52%，其中耕地縮減最為明顯，2000、2010、2020年分別為79.38%、70.68%、60.95%，而最為穩定的是林地和草地，2000、2010、2020年林地分別為8.64%、8.78%、8.70%，草地分別為1.32%、1.32%、1.47%。濕地先減后增總體略有擴張，2000、2010、2020年分別為0.27%、0.17%、0.36%。水體則是先増后減，2000、2010、2020年分別為2.22%、2.59%、1.03%

表1 2000～2020年鄭州綠色空間動態變化

4.1.2 綠色空間轉移特征

由表2可知，2000～2010年鄭州綠色空間中林地和草地的轉入轉出基本持平，林地的轉入面積為29.71 km2，轉出面積為24.65 km2，草地的轉入面積為14.09 km2，轉出面積為14.32 km2。濕地的轉入面積5.64 km2，轉出面積為9.40 km2，整體略有減少，相對與濕地共生的水體轉入面積為52.72 km2，轉出面積為38.47 km2則微有增加。從轉入貢獻來看，對水體空間貢獻最大的是濕地空間，對建設用地貢獻最大的是耕地。

表2 2000～2010年鄭州綠色空間轉移矩陣 km2

由表3可知2010～2020年耕地的轉出面積為504.65 km2，比2000～2010年的440.14 km2有所增加，可見在2010～2020年鄭州城市擴張占用耕地的情況加劇。與表2相比比較顯著的轉出變化體現在濕地與水體，濕地的轉入面積為12.81 km2，轉出面積為5.58 km2，與2010～2020年相反，對濕地空間貢獻最大的是水體空間，同時也反映出了鄭州2000～2010年加強了對濕地的保護。而與2000～2010年相比對建設用地貢獻最大的是仍然是耕地，對水體貢獻最大的也是耕地，對林地貢獻最大的是耕地和草地，對濕地貢獻最大的是耕地和水體，對耕地貢獻最大的是林地和水體。

表3 2010～2020年鄭州綠色空間轉移矩陣 km2

4.1.3 綠色空間景觀格局指數

分析鄭州景觀格局指數能夠概鄭州括景觀空間格局信息，反映鄭州綠色空間結構組成和空間配置等方面的特征，本研究使用景觀格局指數計算軟件Fragstats 4.2中文版，根據GIS提供的斑塊、類型和景觀度量指標，從景觀水平尺度選取能夠衡量綠色空間整體優勢度、復雜度、連接性、破碎度和多樣性的相關指標，分析綠色空間的整體結構特征，選取的指標包括最大斑塊指數(LPI)、景觀形狀指數(LSI)、蔓延度指數(CONTAG)、破碎度指數(SPLIT)、聚合度指數(AI)、多樣性指數(SHDI)和均勻度指數(SHEI)共 7個指數。 由表4可知，2000～2020年鄭州綠色空間景觀格局變化比較明顯是最大斑塊指數(LPI)2000年、2010年、2020年分別為78.4123%、68.7653%、55.3395%，呈逐漸下降趨勢。景觀形狀指數(LSI)2000、2010、2020年分別為43.7124、55.7692、56.606，整體有所上升。蔓延度指數(CONTAG)逐年下降，2000、2010、2020年分別為75.0049%、69.5332%、67.1776%。破碎度指數(SPLIT)逐年上升、聚合度指數(AI)略微下降說明鄭州景觀破碎程度上升，聚合度降低。多樣性指數(SHDI)、均勻度指數(SHEI)逐年上升，說明鄭州在景觀多樣性上有所提升。

表4 2000～2020年鄭州綠色空間景觀指數變化

4.2 預測2035年鄭州綠色空間格局

4.2.1 可行性分析

根據鄭州2000～2020年綠色空間動態變化、土地利用變化、綠色空間景觀指數的時空演變，利用R語言實現Markov預測，首先把2000～2010年的那個矩陣除以各個地區的總量作為轉移矩陣，然后通過轉移矩陣的各期轉移概率乘以最后一期的實際值作為預測，然后轉移矩陣計算出來的轉移概率，找出穩定概率值，作為自然發展的預測概率，另外環保型和都市擴張型，比較轉移概率的變動方向，往綠色空間移動多的作為環保型。為驗證方案的可行性，首先根據2000年數據預測了2010、2020年的情況，與真實2010、2020年相比較，由圖3可知，pre2010、pre2020為預測結果與真實結果Y2010、Y2020相似，證明了方案的可行性。

4.2.2 綠色空間三種發展類型總體特征

根據R語言實現Markov預測了自然型、環保型、都市圈擴張型3種發展模式下鄭州2035年綠色空間格局如表5所示，根據預測結果，總體上來看環保型發展模式下鄭州綠色空間總量達到最大值2693.07 km2，都市圈擴張型其次，面積為2647.25 km2，自然型再次，面積為2460.05 km2。

圖3 不同年份鄭州各土地利用類型面積預測數據與真實數據比較

表5 預測2035年鄭州綠色空間三種發展類型總體情況

5 結論

根據對鄭州2000～2020年的綠色空間格局時空演變及預測2035年用地情況的研究結論如下。

(1)鄭州近20年間城鎮化發展迅猛，土地利用情況發生了明顯的變化，綠色空間逐步轉移變成非綠空間，城市擴張趨勢顯著，從總量上來看，雖然耕地的面積最大，但是近些年來耕地轉成建設用的比例逐漸也增大了；從轉入貢獻來看，對建設用地貢獻最大的是耕地；從綠色空間景觀指數變化上來看，景觀破碎程度上升，但景觀多樣性上有所提升，可見近20年鄭州景觀多樣性上逐漸提升，植物引進和馴化效果較好；從景觀破碎度上來看，鄭州近20年景觀破碎程度逐漸升高，與城市副中心數量增加和擴張有關。

(2)根據模擬2035年的預測數據顯示，雖然環保型發展模式在耕地的占比自然型和都市擴張型都小，但是在林地和草地上的占比比自然型和都市圈擴張型都要大，總體綠色空間占比上也是環保型占比較大，故積極實施退耕還林還草的政策有助于鄭州綠色空間整體發展的。另外，鄭州積極實施城市向內涵集約發展方式的轉變，及山水河林路融合一體的發展方向，是可以降低鄭州景觀破碎度高的問題，同時解決城市綠色空間發展與城市擴張之間的矛盾。

綠色空間是城市的生態基底，同時也是每個市民對美好的生活的需求，合理發展城市綠色空間是優化鄭州都市生活圈的重要手段。因此，基于城市綠色空間格局的時空動態演變，有助于直觀了解到鄭州近20年的綠色空間情況，而綠色空間的情景模擬預測可為政府提供綠色空間保護與城市擴張方式的參考，對鄭州綠色空間發展意義重大。