近20年來黃河沿岸濟南區段緩沖帶景觀格局梯度分析*

尹德潔 侯冰鈺 王冬薇 王 皓 吳亞偉 劉大亮

山東建筑大學 濟南 250101

景觀格局是指景觀組成單元的類型、數目以及空間分布與配置[1]。景觀格局分析旨在對景觀結構組成及其空間分布特征進行量化分析,是景觀功能和動態分析的基礎[2]。尺度是指在研究某一物體或現象時所采用的空間或時間單位,同時又指某一現象或過程在空間和時間上所涉及的范圍和發生的頻率[3]。目前,對景觀格局尺度的研究多集中在景觀的幅度和粒度,而忽略了梯度[4]。梯度是指沿某一方向景觀特征有規律地逐漸變化的空間特征[3],梯度分析方法起源于植被科學研究,被廣泛用于分析城市化對植物分布和生態系統的影響,后來梯度分析逐漸成為研究城市化對景觀格局變化的有效方法[5]。河流緩沖帶是指陸地與河流水域之間的連接帶和過渡區[6]。目前,國內雖有一些學者基于河流緩沖帶分析景觀格局變化,并與景觀生態學和梯度相結合[4,7-8],通過沿廊道設立緩沖帶,研究梯度帶內的變化規律,但將梯度分析與景觀格局指數相結合,并針對河流沿岸區域尤其是典型的跨河地區進行景觀格局梯度分析的研究較少。

濟南是黃河流域重要的區域中心城市,其沿岸作為濟南城鎮適宜形成和發展的重要區位[9],在整體黃河流域生態系統研究中具有重要的戰略地位。隨著我國經濟的高速發展,黃河沿線城市化進程加快,勢必對沿岸生態環境造成干擾,對黃河流域生態系統帶來重要影響,因此對其沿岸進行景觀格局梯度分析,可以反映沿岸景觀格局的總體特征及梯度變化趨勢。基于此,本文以黃河沿岸濟南區段為研究對象,借鑒景觀生態學理論,以RS和GIS為基礎,在黃河沿岸設立緩沖帶,采用景觀格局指數分析和梯度分析相結合的方法,分析2000—2020年各景觀類型在黃河沿岸濟南區段的梯度變化特征,探究黃河對沿岸區域發展的輻射效應以及城市建設對黃河沿岸景觀格局的影響,以期為黃河流域高質量發展提供借鑒。

1 研究區概況

濟南市(116°11′—117°44′E,36°01′—37°32′N)位于山東省中部,地處黃河下游,境內主要有黃河、小清河、大汶河3大河流水系[10]。黃河自西向東穿過濟南,全長183 km,將市域劃分為黃河以南和黃河以北兩大部分,流經章丘區、濟陽區、歷城區、天橋區、槐蔭區、長清區和平陰縣。年平均氣溫13.6℃,屬溫帶大陸性氣候,地勢北低南高[11],研究區域為濟南市(對應2019年行政區劃調整后的濟南市域范圍),研究區總面積增至10 244 km2。2020年濟南常住人口920.24萬,人均GDP為110 198元/人,轄區生產總值為10 140.91億元[12]。

2 研究方法

2.1 數據來源

基礎遙感影像數據來源于地理空間數據云(http://www.gscloud.cn/),其中2000年、2010年采用Landsat 5 TM的遙感影像數據,2020年采用Landsat 8 OLI的遙感影像數據,空間分辨率為30 m。經濟、人口等數據資料來源于濟南市統計年鑒(http://jntj.jinan.gov.cn/)。

2.2 緩沖帶梯度分析

2.2.1 緩沖帶梯度劃分

參考前人[4,7-8,13]對城市景觀和河流沿岸梯度分析的研究,采用ArcGIS10.6的Buffer工具,以黃河下游穿過濟南區段的沿岸為邊界,向兩側設立5 km長的緩沖帶,分別距離黃河5 km、10 km、15 km、20 km、25 km、30 km、35 km、40 km和＞40 km,共包括18個景觀格局緩沖帶,構建黃河沿岸景觀格局梯度(圖1)。

圖1 景觀類型及緩沖帶梯度劃分(2000—2020年)

2.2.2 景觀格局指數

景觀指數是能高度濃縮景觀格局信息的簡單定量指標,反映景觀結構特征和空間格局變化[3]。分別從類型水平和景觀水平2個景觀層次,分析黃河沿岸濟南區段的景觀格局梯度特征。借鑒相關文獻[14-15],在類型水平上選取斑塊面積(CA)、景觀面積比例(PLAND)、斑塊數量(NP)、最大斑塊指數(LPI)和景觀形狀指數(LSI)5個景觀指數；在景觀水平上選取斑塊密度(PD)、邊緣密度(ED)、聚合度(AI)、蔓延度(CONTAG)、香農多樣性指數(SHDI)和香農均勻度指數(SHEI)6個景觀指數。

2.3 數據分析

采用ENVI 5.3軟件對遙感數據進行輻射定標、大氣校正、波段融合以及圖像鑲嵌、裁剪和拼接等數據預處理,其中RGB合成選取的是第6、5、3波段。采用最大似然分類法進行遙感影像分類,并結合Google Earth的高分辨率視圖進行人機交互目視解譯修改,參照《土地利用現狀分類》(GB/T21010—2017)標準和城市綠地系統用地分類標準,將研究區內的景觀類型劃分為耕地、水體、林地、建設用地、草地和未利用地共6種用地類型,最終得到濟南市3期景觀類型分類圖(圖1)。通過混淆矩陣法評價分類精度均在85%以上,滿足研究精度的相關要求。在ArcGIS10.6軟件中轉換為30 m×30 m的柵格格式,導入Fragstats 4.2進行相關的景觀格局指數計算與分析。

3 結果與分析

3.1 景觀格局特征

由表1可知,在2000—2020年各景觀類型中,耕地的PLAND最大,建設用地的PLAND逐年增加,林地的PLAND持續減少。耕地和草地的NP逐漸增加,建設用地的NP先增大后減小。建設用地的LPI不斷增長,從2000年的1.62%增長至2020年的6.27%,表明隨著建設用地不斷擴張,景觀優勢逐漸增強,但在2010—2020年,建設用地的NP不斷減少,又說明其斑塊逐漸聚集化。

表1 研究區總體的類型水平景觀指數(2000—2020年)

從表2可知,2000—2020年,面積轉移變化最劇烈的是耕地、草地和建設用地,其中耕地主要轉出類型為建設用地,且在2000—2010年轉出面積最大為915.73 km2；耕地在2000—2010年、2010—2020年向水體轉移面積分別是50.12 km2和22.1 km2,但其LPI始終為最大值,表明耕地依然是研究區內的景觀優勢斑塊。此外,未利用地在2000—2010年向耕地類型轉換了58.96 km2,表示存在未利用地被開墾的情況。

表2 濟南市景觀類型轉移矩陣(2000—2020年) km2

3.2 景觀格局梯度變化

3.2.1 類型水平的梯度變化

對于占比最大的景觀,北岸耕地沿緩沖帶呈上升趨勢,在25～35 km緩沖帶內突然下降,這與濟南市總體規劃(2011—2020)中的產業發展規劃相吻合,其中,北岸主要分布濟北民營經濟園和商河經濟開發區兩大產業聚集區,近些年以發展第二產業為主,園區不斷向南擴張,附近耕地被大量侵占(圖2A)。南岸建設用地在0～15 km緩沖帶內逐漸上升達到峰值后向外圍急劇減少,原因在于濟南南部地區的地形主要為山地丘陵,城市向南縱向發展受到限制,建設用地沿黃河廊道的東西方向進行擴展(圖2B)。隨著城市化進程加快,沿岸的建筑用地逐漸擴張,不透水面積增加將導致土壤滲透率降低,當暴雨來臨時,流域的排水能力相對脆弱,有引發城市洪澇災害的風險。同時,草地在此區域內也呈現上升趨勢,表明南岸15 km范圍內景觀斑塊多樣,景觀格局趨于復雜(圖2D)。

在最大斑塊指數中,北岸耕地的大斑塊多于南岸,主要分布在0～15 km和30～40 km緩沖帶內,景觀優勢度高于南岸(圖2E)。水體分別在北岸第15 km和南岸第20 km緩沖帶處出現峰值,這是由于近些年制定的《全國濕地保護工程計劃(2002—2030年)》 《濟南市黃河流域生態保護和高質量發展規劃》等政策對黃河沿岸小流域的生態保護起到積極作用(圖2G)。南岸的草地斑塊沿緩沖帶呈“M”型變化趨勢,在10～25 km緩沖帶內變化幅度顯著,表明在此區域的草地斑塊大小不均勻,受人類活動干擾程度大(圖2H)。

從景觀形狀指數來看,耕地和草地變化趨勢相似,在北岸均無明顯波動變化；南岸的景觀形狀比北岸高,說明人類對于南岸的耕地和草地干擾活動較強(圖2I、圖2J)。南岸建設用地和水體沿緩沖帶呈“降-升-降”的變化趨勢,在0～20 km范圍內波動幅度較大,表明在此區域內的地類變化劇烈。隨著城市開發力度的增強,景觀形狀逐漸趨于破碎(圖2K、圖2L)。

圖2 研究區景觀格局緩沖帶類型水平梯度變化

3.2.2 景觀水平上的梯度變化

景觀破碎化方面(圖3A、圖3B),2020年南岸的PD和ED整體呈上升趨勢。其主要原因在于隨著城市經濟水平快速發展,大量人口遷入導致用于城市交通、生活、醫療等功能的建設用地不斷向四周擴張,原有的耕地、草地等斑塊被其侵占,斑塊邊緣逐漸復雜,景觀趨于破碎化。

景觀聚集性方面(圖3C、圖3D),在同一緩沖帶內,北岸的CONTAG和AI均比南岸高,表明北岸優勢斑塊的分布狀態、斑塊間的連通性和團聚程度較強。南岸的CONTAG和AI均沿著緩沖帶呈下降趨勢,表明南岸景觀斑塊零星分布,連通度低。但在5～20 km緩沖帶內有緩慢上升趨勢,這與近些年擴建古城片區內大明湖、趵突泉、五龍潭等公園綠地,增補斑塊間的空隙,使綠地的連通性增加有關。

景觀多樣性方面(圖3E、圖3F),SHDI和SHEI變化趨勢相似,南岸的SHDI和SHEI均顯著高于北岸,說明南岸景觀的異質性強,景觀分布均勻,更有利于緩解城市熱島效應。北岸的SHDI和SHEI在5～20 km緩沖帶內呈緩慢降低趨勢,在25～35 km緩沖帶內上升且出現峰值,原因在于此區域內耕地和林地大量減少、建設用地大量增加、人類活動干擾較大,以及生態環境相對敏感。

圖3 研究區景觀格局緩沖帶景觀水平梯度變化

3.3 景觀格局年際變化

由圖2可知,耕地的PLAND和LPI整體在2000—2010年減少,至2010年后保持穩定,這與2002年《中華人民共和國農村土地承包法》頒布后,農民可以將承包的土地進行流轉有關；在2008年后要求不得將耕地在流轉中轉變為其他用地,從根本上抑制了耕地的無限制流失。水體的PLAND和LPI在2010年增加,表明2000年后人們水土保持意識增強,黃河、小清河等流域治理初顯成效,水體斑塊逐漸恢復。2010—2020年,兩岸建設用地的PLAND和LPI增長幅度減小,表明建設用地在原有斑塊基礎上進行了聚集式擴張與融合。2020年,草地的LSI均比前兩個時期高,其中南岸草地的PLAND和LSI在0～15 km緩沖帶內顯著高于前兩個時期,說明此區域在2010—2020年的開發建設力度遠高于2000—2010年,雖然2010年后沿岸市區不斷進行開發建設,但仍有綠地擴建。

由圖4可知,研究區內PD和ED在2010—2020年上升趨勢最為顯著(圖4A)；AI整體從2000年的96.1下降至2020年的94.4,景觀連接度逐漸減弱(圖4B)；SHDI和SHEI分別從2000年的1.17%和0.65%增至2010年的1.2%和0.67%,之后減少到2020年的1%和0.56%(圖4C),說明2000—2010年研究區各景觀類型正朝著多元化、異質化方向發展；反之2010—2020年各景觀斑塊向外逐漸擴張,蔓延度增加,景觀多樣性減少,連通性逐漸減弱。

圖4 研究區2000—2020年的景觀水平景觀指數

4 結論與討論

4.1 結論

本研究使用景觀格局指數和梯度分析相結合的方法,分析了黃河沿岸濟南區段景觀格局時空演變和梯度變化特征,得出如下結論:1)2010—2020年濟南區段景觀格局變化明顯,耕地為優勢景觀,建設用地和林地次之；建設用地面積大幅度增加,前10年的增幅是后10年的4.75倍；草地和林地的面積先減少后增加,水體和未利用地面積不斷減小；土地利用類型轉換主要通過占用耕地和未利用地轉變為其他地類。2)類型水平上,各類景觀表現為不同梯度特征。北岸耕地的景觀面積比例、最大斑塊指數顯著高于南岸；南岸建設用地的景觀形狀指數遠大于北岸；水體景觀面積比例與最大斑塊指數隨緩沖帶外擴呈下降趨勢,且南岸水體景觀形狀指數要低于北岸。3)景觀水平上,各緩沖帶景觀格局梯度變化顯著?？臻g上,斑塊密度、邊緣密度、香農多樣性和香農均勻度指數隨著緩沖帶的外擴整體呈增長趨勢,蔓延度和聚合度則相反,同一距離,南岸整體的景觀破碎化度和異質性均大于北岸,各景觀指數的變化折射出南北兩岸的經濟建設發展差異；時間上,各指數在前10年的變化幅度遠大于后10年。

4.2 討論

黃河沿岸濟南區段景觀格局受城市化和人類活動的影響,其景觀結構發生動態變化。城市建設和經濟發展力度越大,對景觀格局的影響越顯著,主要表現在黃河南岸的景觀破碎度和異質性遠超北岸,而且城市建設使沿岸的生態環境遭受破壞,這一研究結果與河流沿岸地區[7,16]的景觀格局梯度分析結果基本相符,主要體現在對黃河沿岸耕地、草地和林地等景觀格局的干擾上。盡管研究區梯度帶內整體的景觀格局更破碎,但在基本農田保護情境下,各類景觀分布逐漸均勻,景觀破碎程度逐漸被控制,有利于減輕城市洪澇災害的風險,改善城市熱島效應[17],這與濟南市[18-20]景觀格局動態變化與模擬預測的研究結果一致。

景觀格局具有尺度依賴性,不同步長、形狀的緩沖帶會產生不同的景觀指數計算結果,但整體變化規律是相似的[16]。本研究設置5 km緩沖區梯度帶,有效揭示黃河沿岸濟南區段沿緩沖帶的演變過程,表明城市化進程和人類活動干擾是影響景觀格局梯度差異的主要因素。此外,研究區內的樣帶設置仍具有一定的主觀性,缺乏設置方法的系統研究,驅動機制也僅從城市化、人為因素等方面分析景觀格局梯度差異,其他因素對黃河沿岸城市景觀格局的影響需進一步研究完善。