城鎮空間擴展與景觀生態風險時空耦合機理研究
——以廣州市為例

馮兆華 賴煥明 吳大放＊ 林添華 陳春利

（1.湖南省第二測繪院，湖南長沙 410004；2.廣州大學地理科學與遙感學院，廣東廣州 510006）

城鎮化及城市工業化會對區域生態安全和社會經濟可持續發展產生不利影響，導致資源消耗強度增大、城鎮建設用地增加、耕地減少等連鎖問題，引起城鎮生態環境變化。生態風險評價研究成為現代社會的重要議題。生態風險評價的研究已形成比較系統化、規范化的成熟理論體系[1-4]。現有研究更多地對城鎮化過程中的生態風險效應進行評價，對城鎮空間擴展過程中景觀生態風險評價的耦合關系研究較少。本文對廣州市的城鎮空間拓展與景觀生態建設現狀開展分析，探討其在城鎮空間擴張過程面臨的問題及產生的耦合效應，以廣州市自然環境數據和社會經濟統計數據為基礎，構建廣州市景觀生態風險評價體系，探究城鎮空間拓展與廣州市景觀生態風險時空耦合機理，為進一步開展國土空間開發建設適宜性評價研究提供參考。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

廣州市位于珠三角地區，是廣東省的省會城市（東經112°57′～114°30′，北緯22°26′～23°56′），氣候特點為夏季多雨期、冬季干旱少風，是典型的暖溫帶大陸性季風氣候。研究區土質疏松且多丘陵，地勢呈南北方向，北靠山地，東南方向為珠江三角洲平原，東部為山區地帶。

1.2 數據來源

本研究從全國地理信息資源服務系統獲取廣州市行政邊界矢量數據；通過全球30 m地表覆蓋數據官網和清華大學地球系統科學系研發的FROMGLC10產品獲取原始數據。數據經處理分析，得到2000年、2015年的廣州市土地利用數據。

2 廣州市城鎮空間擴展特征

2.1 城鎮用地空間擴展來源

本研究選取廣州市2000—2015年的土地利用數據，土地利用類型、規模和空間擴展方式等不同導致土地數據變化情況存在差異，利用ArcGIS 10.2的數據處理功能，將處理后的廣州市土地利用數據分為7種，分別為耕地、林地、草地，濕地、城鎮用地、水域和未利用地。基于廣州市2000—2015年的土地利用轉移矩陣，針對城鎮土地空間擴展的土地來源及所占面積和比例，開展統計與分析。

2000—2015年，廣州市城鎮用地的主要擴展來源為耕地和林地。其中，約70%的擴展土地來源為耕地；其次為林地，占比約21%。城鎮用地擴展來源占比由大到小依次為耕地、林地、水域、草地、濕地、未利用地。

廣州市2000、2015年城鎮用地擴展來源及百分比如表1所示。

表1 廣州市2000、2015年城鎮用地擴展來源及百分比

城鎮空間擴展由城鎮擴展強度指數和城鎮建設用地相對變化率衡量，城鎮擴展強度指數能夠反映地區經濟發展水平和城鎮建設規模擴大程度。

式中：Er——城鎮擴展強度指數；Ub、Ua——末期和初期的城鎮用地面積（km2）；U——土地總面積（km2）；ΔT——時段。

2000年，廣州市城鎮用地面積為823.76 km2，2015年增至1 445.65 km2，城鎮擴展強度指數0.57。城鎮土地呈快速擴張態勢，城市發展空間不斷擴大。廣州市經濟快速增長促進城市化進程和工業化發展，產業結構升級帶動工業部門生產效率提升，居民生活方式改善等現象均對土地利用產生影響。

2000—2015 年廣州市城鎮土地擴展面積為621.89 km2，擴展貢獻率為0.59，年均擴展速率為41.46 km2/a，擴展強度指數為0.57。

2.2 城鎮用地的擴展方向

分析2000—2015年研究區城鎮用地擴展情況發現，廣州市城鎮用地擴展方向主要為中部地區的西北、正東和正南。2000—2015年，黃埔區、花都區和番禺區等區域的城鎮空間擴展較快，主要受廣州市中心城區的輻射影響，導致城市化進程較快，城鎮用地擴展較劇烈。廣州大學城最初定址在番禺區，教育事業發展聚集了大量人口，在一定限度上推動了番禺區的城市化進程；從化、增城、南沙等地區的城鎮用地擴展較緩慢，人口數量基數較小，受制于自然地理條件，擴展速度相對較慢。

3 基于景觀格局的廣州市生態風險評價

3.1 景觀生態風險小區

生態風險面積達到研究區景觀斑塊平均面積的2～5倍時，能夠充分反映采樣點周邊的景觀格局信息[5-6]。2000—2015年，研究區平均面積為3.490 8～3.392 5 km2，風險小區面積為6.785 0～11.943 5 km2，考慮單元格劃分，應確保單元格的數量能夠充分體現研究區的景觀格局，避免計算強度、精度出現問題。本研究選取3 km×3 km的風險小區作為評估單元，運用等間距采樣方法，研究區具有819個風險小區，以網格中心點作為景觀生態指數的樣本點。

3.2 生態風險模型參數分析

結合廣州市2000年、2015年的景觀類型圖和生態風險模型，利用Fragstats 4.2計算生態風險模型參數。2000—2015年，廣州市不同景觀斑塊數量增加，由2 107個增至2 168個，整體破碎度呈上升趨勢，從1.139 1增至1.278 9。其中，耕地面積減少460.25 km2，從2 603.31 km2降至2 143.06 km2，斑塊數量增加，景觀分離度增大，優勢度增加，表明廣州市耕地完整性逐漸減弱。2000年，草地是廣州市最具優勢的景觀類型，受人口增加、城市化等因素影響，優勢逐漸消失；2000年和2015年，水域的景觀格局指數基本重疊，表明水域的完整性保持良好；林地面積由3 184.58 km2減至2 598.28 km2，人為干預使林地破碎度持續升高，優勢度不斷降低，破壞程度加劇。城鎮用地占土地總面積的比重不斷增加，城鎮用地空間擴展速率上升，景觀格局的影響持續增大，景觀優勢度在研究期內基本穩定，城鎮用地斑塊數量呈遞增趨勢，干擾度和損失度均下降；濕地的斑塊數和面積均減少，景觀優勢度下降，干擾度和損失度提升，未來廣州市應加強對濕地資源的保護。

廣州市2000年和2015年的生態風險模型參數如表2所示。

表2 廣州市2000年和2015年的生態風險模型參數

3.3 生態風險組成結構分析

2000年廣州市土地利用景觀生態風險指數的理論半變異函數的基臺值為0.276 5，表明廣州市內局部地區存在較高的生態風險，且較高的生態風險區呈不均勻分布，整個景觀內生態風險程度的差異性較大；2015年的基臺值減至0.162，各處基本存在生態風險，隨人類改造活動的影響程度加劇，風險程度的差異減小，但局部范圍內的值仍很高。

從主變程角度分析，2015年變程遠超2000年，可能因為隨著城鎮化發展，人類活動加強，外界干擾對生態系統的影響范圍加大，各區域內土地利用類型的差異性變小，風險指數的空間相關距離增大，風險源的影響范圍加大。

2000—2015年，塊金值/基臺值（N）≤25%，表明土地利用景觀生態風險存在明顯的空間相關關系。塊金、基臺的比值能夠反映塊金值方差在整體空間異質性變異中的作用。2015年生態風險半變異函數的塊金與基臺比高于2000年，表明由隨機因素引起的空間變異的比重上升。

土地利用景觀生態風險指數的理論半變異函數如表3所示。

表3 土地利用景觀生態風險指數的理論半變異函數

3.4 生態風險空間分布特征

利用ArcGIS 10.3軟件，根據半方差函數的模型及其參數，采用克里格插值法對廣州市的生態風險空間進行插值。采用自然斷點法將風險等級劃分為5個等級，即低風險區、較低風險區、中風險區、較高風險區、高風險區。對2000年和2015年的生態風險指數進行高斯模型、穩定模型擬合，采用Kriging插值繪制廣州市2000年和2015年的生態風險分布圖。

將采樣數據分成5個等級，分別為高級生態風險區（ERI≥0.54）、較高生態風險區（0.26≤ERI＜0.54）、中等生態風險區（0.12≤ERI＜0.26）、較低級生態風險區（0.05≤ERI＜0.12）和低級生態風險區（ERI＜0.05）。

景觀生態風險等級面積統計如表4所示。

表4 景觀生態風險等級面積統計

從空間分布角度分析，2000年低生態風險區的面積占整個廣州市面積的40%，以從化、增城、越秀、海珠等廣州市北部地區為主，主要為林地，且集中連片，連通性較高，破碎度較小，生態損失度較小，故生態風險值小。較低生態風險區和中等風險區比重相近，約26%。較低生態風險區大多緊鄰低生態風險區，中等生態風險區主要集中在廣州市的南部，如番禺區、南沙區、白云區西部以及增城區西南部。較高生態風險區占總面積的8.48%，主要位于廣州市花都區、白云區和佛山市的交界處以及增城區東南部，高生態風險區所占比幾乎為0。

與2000年廣州市生態風險的空間分布相比，2015年低生態風險區、中生態風險較區面積占比降低，較低生態風險區、較高生態風險區和高生態風險區面積比重提高。從化區以低生態危險區為主，與2000年相比，較高生態風險區面積增長一倍，主要位于花都區西部、白云區和黃浦區北部交界處。增城區由原來的低、較低風險區向中等、較高生態風險區轉移，主要因為增城區引進工業和信息化領域的重大項目，大片土地被規劃為工業園區。隨著城鎮建設規模擴大，人口數量不斷增加，城鎮用地需求的增加給土地資源帶來巨大壓力，景觀生態風險值上升。

4 廣州市城鎮空間擴展與耕地生態風險的耦合關系

采用地理加權回歸模型（GWR），以城鎮用地面積為自變量、景觀生態風險為因變量，建立城鎮用地面積與景觀生態風險指數間的關聯模型。利用固定帶寬模型獲取較高精度，采用AICc的方法計算模型帶寬。

地理加權回歸（GWR）模型參數估計及檢驗結果如表5所示。

表5 地理加權回歸（GWR）模型參數估計及檢驗結果

由表5可知，2000—2015年模型的擬合優度R2具有上升趨勢，表明擬合效果越好，2015年模型擬合精度較好。由GWR標準化殘差分布圖可知，各個年份的局部回歸模型標準化殘值為[-2.50，2.50]，總體上具有良好的擬合結果。

GWR模型中，每個空間單元系數是定值，通過計算得到各個系數的平均值、最大值、最小值、上四分位值、下四分位值和中位值。

地理加權回歸（GWR）模型回歸系數統計量如表6所示。

表6 地理加權回歸（GWR）模型回歸系數統計量

用地面積與景觀生態風險指數間存在顯著相關性，回歸系數減小，表明城鎮用地面積對景觀生態風險的正相關效應逐漸減弱，原因可能是城市土地開發規模趨于平穩，城鎮空間集中連片，破碎度和分離度降低，景觀損失度下降，在某種程度上造成景觀生態風險增加。同時，城鎮用地的擴展主要源自耕地、林地等生態用地，對區域生態安全產生一定的影響，可能引起生態問題。因此，應結合城鎮的空間拓展與可持續發展，制定科學的規劃，合理的生態環境保護是實現城市穩定、健康發展的根本途徑。

隨著城市化加快，城鎮建設用地規模擴大，城市中心區出現較為密集的區域，景觀破碎度和分離度不斷下降，受制于城鎮用地狀況，城市的生態環境逐漸惡化。因此，推進城市化時，應控制城鎮建設用地的規模和數量。

5 結語

2000—2015 年，廣州市城鎮擴張面積達到621.89 km2，為2000年的1.75倍，城鎮擴展強度指數為0.57。城市空間由中心區向外發展，各方向均有不同程度的擴展，主要在黃埔區、花都區和番禺區，耕地和林地是城鎮土地總面積主要擴充資源，約70%來自耕地。2000—2015年，土地利用景觀格局發生劇烈變化，廣州市城市景觀斑塊數目增多，整體破碎程度增大，景觀生態風險增大，平均值從2000年的0.042 5升至2015年的0.046 9，具有逐步增大的趨勢。廣州市生態風險模型參數表明，2000年草地作為廣州市優勢度最大的景觀類型正逐漸失去優勢。通過構建地統計學方法的變異函數理論模型發現，外界干擾對生態系統的影響范圍加大，各區域內土地利用類型的差異性變小，風險指數的空間相關距離變大，風險源的影響范圍加大。景觀生態風險具有顯著的空間相關性，由隨機因素引起的空間變異比重上升。低、中等生態風險區面積比重顯著下降，較低、較高、高生態風險區面積比重上升。較高生態風險區顯著上升，原因是人口增長和城鎮化推進，城鎮用地擴張，景觀生態風險度上升。采用地理加權回歸（GWR）方法，以景觀生態指標作為自變量、城鎮土地面積作為因變量進行耦合分析，兩者間均呈現正向相關影響。