庞惠心, 安睿, 刘艳芳
武汉市城市化进程中生境质量对景观格局的样带 响应
庞惠心, 安睿, 刘艳芳*
武汉大学资源与环境科学学院, 武汉 430072
新型城镇化背景下, 深入理解快速城镇化区域生态环境对景观格局变化的响应机制对推进生态文明建设具有重要意义。基于InVEST模型和GIS方法, 设置城乡梯度样带并依据主体景观类型分段评价生境质量与景观格局变化特征, 而后采用Spearman相关系数探索二者关系存在的局部差异性。研究发现: 由城市中心点向外, 生境质量逐渐增高, 景观由“凝聚—破碎—凝聚”、“单一—多样—单一”; 基于类型面积占比(PLAND)判断主体景观类型可以有效划分样段, 不同样段生境质量与景观格局指数相关性存在显著差异, 应因地制宜采取不同的生态保护措施。研究结果对城市快速扩张时期如何改善生境质量提供实证依据。
InVEST模型; 生境质量; 景观格局; 城乡梯度样带; 相关系数法
新型城镇化背景下, 统筹城镇化与生态文明建设对保障区域生态系统功能、推动生态现代化发展具有重要意义[1]。生境质量指一定时空内生态系统对生物生存发展的适宜程度, 是反映生态系统服务功能[2]、评价区域生态安全的重要指标[3]。快速城镇化区域建设用地迅速扩张, 土地利用的方式、强度和格局剧烈变化导致生态系统结构和功能的变化[4], 产生的生境退化等环境问题显著影响生境质量。掌握生境质量对城镇化发展的响应机制, 能为城市土地利用规划和管理提供科学依据[5-6], 对城市生态环境保护提供决策支持。
在探索城市土地利用变化对生境质量影响机制的过程中, 以景观格局指数为代表与生境质量的耦合关系逐渐成为研究热点[7-8]。景观指数能够高度浓缩并定量化表达景观格局信息, 但不同景观指数与现实生态过程的关系存在不确定性[9]。现有研究在对研究区依照生境质量变化情况进行分区(以下简称“分区法”)后发现生境质量对景观指数的响应特征在不同区域存在差异, 并提出局部差异性的出现可能与区域主体景观类型有关[10-11]。但分区法具有较强的主观性, 各分区范围内仍存在多种景观组合, 主体景观类型难以清晰界定, 未能对不同分区生境质量与景观指数相关系数出现差异性的原因作出合理解释, 且在更换研究区时分区法可能产生不同的景观组合, 普适性不足。
样带梯度分析能够显示研究目标在空间上的分布规律,景观格局演变研究有助于景观信息的动态把握和定量预测,学者将两者结合设置城乡梯度样带研究城市化造成的“城市景观—郊区景观—农业景观”的景观格局梯度变化并向上溯源其产生机理[12]或向下延展其影响效应[13-14], 有效揭示了城市景观格局变化的梯度特征及其产生的社会、经济和生态效应。学者已对不同样带生境质量变化出现不同特征的可能原因进行了描述, 但尚未经数据结果证实[15]; 在样带设置的基础上详细区分主体景观类型[16], 从主体景观类型的角度界定样带差异, 对局部差异性进行例证研究, 有助于进一步揭示生境质量对景观格局的响应机制。
湖北省武汉市作为新型城镇化的重点城市之一, 在城市迅速扩张的过程中加强生态文明建设、保护区域生态系统功能具有重要意义[17]。本文借助InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs)模型和GIS方法, 设置典型样带并依据主体景观类型分段评价生境质量梯度特征, 而后采用Spearman相关系数探索其与景观格局指数间相关性存在的局部差异特征。本文旨在解决以下问题: (1)城市扩张方向上生境质量与景观指数分布存在什么特征; (2)不同样段生境质量对景观指数响应存在的差异性与主体景观类型间存在什么关系; (3)同一样段主体景观类型相同时, 不同景观格局特征对生境质量会产生什么影响。研究结果在一定程度上为快速城镇化区域生境质量保护提供了理论与实践依据。
武汉市作为湖北省省会, 地处长江中下游平原, 是全国重要的工业基地、科教基地和综合交通枢纽, 也是我国中部崛起战略的支点城市[18], 地区生产总值在2015年达到1.091万亿元。近年来随着社会经济的转型发展, 城市土地利用格局高速重构。1995—2015年, 武汉市常住人口由743.53万人增加到1060.77万人, 城镇化率由57.28%增加至70.60%, 建成区面积由200 km²扩展至455 km², 建设用地扩张明显。人类活动的加剧对武汉市生态环境产生了巨大影响。在新型城镇化背景下, 武汉市因地制宜, 遵循“生态文明, 绿色低碳”的基本原则, 努力推进具有生态文明特色的城镇化建设新进程。
2.1 数据来源与处理
研究采用武汉市1995、2005、2015年三期土地利用数据(30 m分辨率, 栅格格式为TIF), 均来源于中国科学院地理空间数据云平台(http://www.gscloud. cn/), 数据源采用LUCC分类体系, 三期土地利用数据共有6个一级类和15个二级类, 武汉市景观分类情况如下表:
2.2 研究方法
2.2.1 城乡梯度样带
为反映研究区景观特征沿特定的方向存在规律性变化, 学者多基于研究区地貌特征与社会经济要素设置典型样带, 样带应尽量涵盖相关划分的土地利用类型[16,19]。本文借鉴前人研究经验设置“北—南”(A样带)、“东北—西南”(B样带)和“东南—西北”(C样带)三条符合武汉城市发展轴的城乡梯度样带[20]。样带重点覆盖了武汉市城乡居民用地和工业用地扩展区域, 同时穿行了山地、河流、湖泊等地貌类型(图1); 样带覆盖区域也是生境质量发生变化的热点区域(图2), 可代表研究时段内武汉市不同程度的生境质量变化情况。样带中心点设置为武汉市地理中心—长江与汉水的交汇处(图1)。
表1 武汉市景观分类体系
注: 不同二级用地类型具有不同的生境适宜性, 对威胁源的敏感程度也不同, 学者多基于土地利用二级类介入InVEST模型进行生境质量模拟以获得更精确结果, 而在景观格局指数计算时多采用土地利用一级类以简化分析[10,15]。
注: 文后图表默认A样带横轴正值为南向网格距武汉中心点的距离; B样带横轴正值为东北向网格距武汉中心点的距离; C样带横轴正值为东南向网格距武汉中心点的距离。
Figure 1 Schematic diagram of transect
针对不同研究区采样过程, 学者多将采样网格设为2—4 km, 基于获取的土地利用数据精度为30 m× 30 m, 考虑到倍数的关系, 样带采样网格设置3 km更为合适[19]; 原始采样方法获取样本量较少, 本文结合移动窗口法思想, 沿样带以300 m为步距采样计算景观指数。
图2 生境质量变化冷热点分布(1995—2015年)
Figure 2 Cold-hot spots of habitat quality change from 1995 to 2015
2.2.2 样带分段与景观格局指数选取
如表2所示, 本文采用类型面积占比(PLAND)指数反映主体景观类型, 并以此对样带进行分段; 而后基于部分景观指数表征作用具有相似性[21], 为避免重复, 本文从景观等级选取5类指数计算和对比[22], 所有指数结果均由Fragstats4.2软件计算获得。
2.2.3 基于InVEST模型模拟生境质量
国内外学者已从多尺度对城市土地利用变化对生境质量的影响进行分析[23-24], InVEST模型以其应用成本低、评估精度高、空间分析功能强的特点被广泛应用于生境质量评价[25-26]。模型结合土地覆被和生物多样性威胁因素的信息生成生境质量地图, 其假设生境质量取决于人类活动强度影响的土地利用方式, 即土地利用强度越大则生境退化越严重。参看InVEST模型指导书[27], 该模型对生境质量进行评价的计算公式如下:
式中,Q为第种景观类型栅格单元的生境质量指数;H为第种景观类型的生境适宜性分值, 取值范围为0—1; Z为尺度常数, 一般取2.5; k为半饱和常数默认值为0.5;D为生境退化程度指数, 表示生境受胁迫压力后表现出退化的程度;为威胁因子个数;w为威胁因子的权重;为第类威胁因子的栅格数;Y是威胁因子栅格单元的总数;i为栅格的胁迫值r对栅格的胁迫程度, 分为线性衰退(linear)与指数衰退(exponential)两种形式;β为各种威胁因子对栅格的可达性;S为第类景观类型对第类威胁因子的敏感度;d为第类威胁因子的最大威胁距离。
本文结合现有研究将水田、旱地、城镇用地、农村居民点和采矿用地五类低生境适宜性的景观类型列为威胁因子, 各类型威胁因子权重与景观对威胁因子敏感程度参数如表3、表4[10,15]:
3.1 样带分段
通过类型面积占比(PLAND)指数判断主体景观类型(表5), 以此对样带进行分段, 结果如下(图3):
表2 景观指数选取
表3 研究区威胁因子权重
(1)Ⅰ、Ⅴ样段内分别以林地/水体为主体景观, 占比均高于80%, 次要景观类型为耕地; (2)Ⅲ、Ⅵ、Ⅸ样段内以建设用地为主、耕地为辅, 是城市扩张的主要发生区间, 研究时段内建设用地占比显著提升; (3)Ⅱ、Ⅳ样段内耕地占绝对主体, 占比在90%以上; (4)Ⅶ、Ⅷ样段(耕地样段)耕地虽同样占主体, 但Ⅶ样段次要景观类型为建设用地, 占比在15%— 20%; Ⅷ样段次要景观类型为水体, 占比在20%— 30%, 在研究时段内由于退耕还湖政策的实行, 水体占比显著增加。
表4 各类型景观对威胁因子的敏感度
表5 各样段主体/次要景观类型及占比 (%)
图3 样带分段结果图
Figure 3 Results of transect segmentation
3.2 样带生境质量变化的时空特征
对样带生境质量变化情况进行可视化并计算不同样段生境质量均值与标准差(表6、图4):
3.3 样带景观指数变化的时空特征
如图5各样带依据景观指数空间及变化特征可以分为两类: ①类景观指数(PD、ED、AWMPFD与SHDI); ②类景观指数(LPI与CONTAG)。
(1)Ⅰ、Ⅴ样段景观指数存在一定起伏, 总体上以林地/水体景观占主体, ED低且LPI高, 景观较为单一, 但由于段内存在林地/水体与少量耕地混合情况, 局部存在ED和SHDI升高、LPI陡降, 景观较为破碎情况; 其中Ⅰ样段2005—2015年内①类景观指数存在明显增加, ②类景观指数明显减小, 这是由于段内建设用地景观的增加导致样段景观破碎化和多样化, 林地斑块的蔓延性有所削弱; (2)Ⅲ、Ⅵ、Ⅸ样段内景观指数波动剧烈, ①类指数在中心点10 km范围内出现波谷且指数逐年下降, 在10—30 km范围内指数逐年上升, ②类指数变化情况相反; 这是由于距城市中心点10 km范围内建设用地在1995年已占主体地位, 后续开发继续增强了该类型斑块的连续性, 而10—30 km范围内1995年建设用地主体地位并不明显, 研究时段内持续开发耕地才凸显出其主体地位。(3)Ⅱ、Ⅳ样段景观指数值较低, 景观指数存在小幅波动但变化不大, 样段中存在居于主体地位的景观类型(耕地), 整体景观多样性小、破碎度低; (4)Ⅶ、Ⅷ样段①类指数较高, 而②类指数相比其他样段更低, 样段内景观指数波动剧烈, 这与样段由耕地为主而建设用地混合其中且分布较为零散有关; 其中Ⅷ样段①类指数在2005—2015年间明显上升, 而②类景观指数在该时段内明显下降, 这是由于样段退耕还林政策的实施, 导致样段内水体景观面积增加, 主体景观(耕地)连续性削弱, 景观总体呈现破碎化、多样化趋势。
表6 不同样段生境质量均值()与标准差(S)(1995—2015年)
图4 样带生境质量变化图(1995—2015年)
Figure 4 Habitat quality change of different transects from 1995 to 2015
图5 样带景观指数变化图(1995—2015年)
Figure 5 Landscape level index change of different transects from 1995 to 2015
3.4 生境质量与景观指数相关性分析
如图6不同样段景观指数与生境质量间的相关性存在明显差异:
(1)Ⅰ、Ⅴ样段呈现显著正相关的指数有LPI、CONTAG, 显著负相关的指数有PD、ED、AWMPFD和SHDI, 主体景观类型为林地/水体时景观内部斑块的破碎化、形状不规则化、掺杂其他类用地导致的多样性增加会导致生态系统服务功能的下降, 从而影响生境质量[28]; (2)Ⅲ、Ⅵ、Ⅸ样段与(1)正相反: 呈现显著正相关的指数有PD、ED、AWMPFD和SHDI, 显著负相关的指数有LPI、CONTAG, 可见景观主体类型为建设用地时景观内部斑块的破碎化和形状的不规则化, 反而会有益于稳定原有生境质量[10]; (3)Ⅶ、Ⅷ样段主体景观类型虽然均为耕地, 但次要景观类型为低等级生境(建设用地)的Ⅶ样带呈现显著正相关的指数有PLAND、LPI和CONTAG, 呈现显著负相关的指数有SHDI, 此时相关系数的正负性更接近于建设用地样段(2), 即耕地越聚集面积占比越大生境质量越好; 而次要景观类型为高等级生境(水体)的样带Ⅷ相关系数正负性相反, 相关系数的正负性更接近于林地/水体样段(1), 即耕地越聚集面积占比越大生境质量反而越差。
本研究基于InVEST模型和GIS方法, 遵循城市扩张轨迹, 沿武汉市主要发展轴设置“南—北”(A样带)、“东北—西南”(B样带)和“东南—西北”(C样带)并依据主体景观类型划分为9条样段, 并结合Spearman相关系数分析不同样段上生境质量和景观格局的动态响应和时空分异特征。以1995—2005年为第一期, 2005—2015年为第二期。
图6 各样段生境质量与景观指数相关性(1995—2015年)
Figure 6 The correlation between habitat quality and landscape index in different transects from 1995 to 2015
(2)Ⅱ、Ⅳ、Ⅶ、Ⅷ样段主体景观类型为耕地, Ⅱ样段位于城市扩张边界外, 生境质量微弱降低, PD、ED与SHDI微弱增加, 零散农村居民点的建设对周围耕地生境造成了负面影响; Ⅳ样段在第二期生境质量显著降低, LPI指数明显下降, 这是由于北向40 km处天河机场的集中建设破坏了原有耕地占主导的格局, 局部生境恶化。Ⅷ样段第二期内生境质量明显提高, PD、ED和SHDI明显提高, 这与样段内金银湖区退耕还湖政策的实施有关。相关系数结果显示, Ⅶ样段次要景观类型为建设用地, 此时生境质量与LPI和CONTAG呈负相关, 耕地斑块越大越凝聚生境质量越高, 此时多体现其生态价值; 而Ⅷ样段生境质量与PD和ED呈负相关, 耕地斑块面积的减小和破碎化反而生境质量越高, 此时多体现耕地对周围生境的胁迫作用。
总体上, 从城市中心点向外, 三条样带呈现出“建设用地占主体, 斑块大集聚性好—斑块破碎多样, 随建设用地扩张趋于单—耕地占主体, 斑块凝聚—林地/水体占主体, 景观连通性好”的梯度变化[20],生境质量由低到高。武汉市建设用地以蔓延式扩张为主, 研究时段内城市扩张集中在距城市中心点30 km范围内, 第二期扩张力度更大, 扩张边界逐渐由原有破碎、多样的斑块转为建设用地斑块, 总体景观格局趋于凝聚、单一。建设用地的集中建设使周围生境恶化, 但武汉市对建成区内长江和汉江等大型水体受保护较好, 退耕还湖政策实施及时, 显著保障了滨江滨湖地区的生境质量[15]。此外, 生境质量对景观格局的响应机制受主体景观类型影响显著, 不同样段生境质量与选取的PD、ED、LPI等景观指数的相关系数存在明显差异, 后续研究应结合主体景观类型差异划分规划区, 针对不同区域因地制宜采取相关措施。
本研究尚存在以下不足: (1)InVEST模型用户在进行适宜性和威胁源赋值时相关参数设置存在一定主观性, 如未利用地是否存在生态价值还存在争议, 模拟结果精确性有待考量; (2)尺度问题是景观格局分析不可回避的问题, 文中样带采用了3 km×3 km网格, 其他尺度网格是否会获得相近的研究结论有待进一步探究[9]。
本文强调改善生境质量应因地制宜采取措施: (1)在建设用地景观优势区, 应严格保护城区内山林湖泊, 合理绿化, 以保护建成区生境; (2)在城市扩张边界, 建设用地与耕地交错, 生境质量变化最为显著, 应严格耕地保护政策, 建设用地以存量优化为主, 敦促集约利用。(3)在耕地景观优势且连片的地区, 应考虑间种林木, 在提升景观多样性的同时有助于改善农业生态系统生境质量, 农村居民点应聚集分布, 杜绝零散民房的建设; (4)在林地、水体景观优势且凝聚的地区, 应严禁乱砍乱伐、减少围湖造田, 减弱高生境等级区域受人类活动的影响, 必要时设置保护区。研究结论将对快速城镇化过程中城市减缓生态系统服务功能的削弱, 维持原有生境质量提供决策支持。
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Gradient response of habitat quality to landscape pattern based on transect method in urbanization procession in Wuhan
PANG Huixin, AN Rui, LIU Yanfang*
School of Resource and Environmental Sciences, Wuhan University, Wuhan430072, China
With the advancement of new-type urbanization, taking broader understanding of the response mechanism between the ecological environment with landscape pattern is of great significance to the promotion of ecological civilization construction. Based on the InVEST (Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs) model and GIS method, three typical urban-rural transects were set and divided into Ⅸ segments by the main landscape type to evaluate gradient characteristics of habitat quality and landscape pattern. Then Spearman correlation coefficients were managed to explore the local relationship between the habitat quality and landscape pattern. The result shows that from the center of the city, the habitat quality gradually improves. And the landscape pattern mainly fluctuates from agglomeration to fragmentation then to agglomeration, single to diverse and then to single. Transects with different main landscape types can be effectively divided by the Percentage of Landscape (PLAND), and unequal correlations between the habitat quality and landscape indexes are indicated. Thus suitable ecological protection measures should be taken according to local conditions. The research results can provide theoretical value for the protection of habitat quality in rapidly expanding urban areas.
InVEST mode; habitat quality; landscape pattern; urban-rural transects; spearman correlation coefficient
庞惠心, 安睿, 刘艳芳. 武汉市城市化进程中生境质量对景观格局的样带响应[J]. 生态科学, 2022, 41(3): 33–43.
PANG Huixin, AN Rui, LIU Yanfang. Gradient response of habitat quality to landscape pattern based on transect method in urbanization procession in Wuhan[J]. Ecological Science, 2022, 41(3): 33–43.
10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.03.004
X826
A
1008-8873(2022)03-033-11
2021-05-18;
2021-06-08
国家重点研发计划项目(2017YFB0503500)
庞惠心(1997—), 女, 黑龙江北安人, 硕士研究生, 主要从事景观生态学研究, E-mail: phx_sres@whu.edu.cn
刘艳芳, 女, 博士, 副教授, 主要从事城市规划方向研究, E-mail: yfliu610@163.com
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