快速城市化背景下景观生态安全时空动态分析
——以南昌市区为例

戴 兰， 王海军, 高 娟， 李 娜

(武汉大学 资源与环境科学学院， 武汉 430079)



快速城市化背景下景观生态安全时空动态分析
——以南昌市区为例

戴 兰， 王海军*, 高 娟， 李 娜

(武汉大学 资源与环境科学学院， 武汉 430079)

以南昌市区2000年、2004年和2009年景观格局数据为基础，从景观结构和景观功能两方面构建景观生态安全评价指标体系，对3个时期的景观生态安全进行评价，并借助空间自相关方法对景观生态安全的时空动态演变特征进行分析，揭示快速城市化背景下景观生态安全的变化规律.结果表明：(1)2000年～2009年间，南昌市区的景观结构安全性逐渐降低，生态系统服务价值不断减少，生态弹性度明显降低，景观生态安全整体程度逐渐下降；(2)高、较高生态安全小区不断向中、低生态安全小区转化，景观生态安全状况不断恶化；(3)景观生态安全在空间上存在显著的正相关关系，高生态安全区主要聚集在人类活动干扰相对较少的西北部湾里区，面积不断减小；中生态安全区位于中南部的东西湖区和青云谱区，随着城市建成区快速扩张，范围不断扩大；低生态安全区聚集于中部、东南部青山湖区的城市扩张边缘带，面积逐渐增加.

景观格局； 生态安全； 空间自相关； 快速城市化； 南昌

近几十年来，随着我国城市化进程加速，建设用地需求急剧增长，城市大规模扩张直接导致了景观结构的剧烈变化[1].原本的林地、农田等自然、半自然景观被改造为工矿、住宅和道路等建设用地构成的人工景观，由此引发了城市热岛、环境污染、土地退化等一系列的生态环境问题，导致区域生态安全隐患日益彰显[2-3].研究表明城市快速扩张中所出现的各种生态问题，实质上与城市景观格局的人为干扰密切相关[1].

景观格局是多种过程作用于生态系统多年信息的积累，在人类活动干扰强烈的城市，不同的景观利用方式和作用程度对生态系统产生的累积性影响，直观地反映在生态系统结构与组成上[4-5].因此，景观格局演变可以有效揭示生态系统安全状况的变化趋势[6].近年来，针对城市景观格局的生态安全研究日益增多，景观生态安全评价的理论和方法逐步发展成熟.国内学者分别以北京、厦门、广州、东莞等城市为实例开展了景观生态安全评价实证研究[7-11].这些研究表明景观水平上的生态安全评价可以在更精细的尺度上反映生态安全的时空变化规律.

景观格局还可以有效反映各种生态影响的空间分布与梯度变化，运用空间统计分析方法，能有效揭示区域景观生态安全的空间分异特征[6，11].谢花林、吴剑等采用空间自相关、半方差分析等方法，分析了景观生态安全或生态风险的空间集聚与异质性特征[12-13].这对于了解生态安全空间分布，识别出生态危险区域，并以此为基础进行生态安全预警与调控具有重要意义.

本文以城市化进程持续加速的南昌市区为研究区，以2000年、2004年和2009年景观格局为基础，构建景观生态安全评价指标体系，并采用空间自相关分析方法，对2000年～2009年景观生态安全状况及时空演变特征进行分析，揭示快速城市化背景下景观生态安全的变化规律，为协调城市发展与生态保护提供依据.

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区域

南昌市位于江西省中部，赣江、抚河下游，濒临我国第一大淡水湖鄱阳湖西南岸，是鄱阳湖生态经济区及长江中下游地区的核心城市，近年来经济发展迅速，被评为中国未来最具发展潜力的城市之一.本研究选取南昌市辖区(图1)为研究对象，位于115°27′E～116°35′E、28°10′N～29°11′N之间，包括东湖区、西湖区、青云谱区、青山湖区和湾里区，总面积约653.74 km2.研究区内西北部丘陵起伏，景观类型以林地为主，东南部相对平坦，建设用地、耕地分布较广.南昌市区作为南昌市发展的核心区，近十几年来景观格局发生了剧烈变化，给生态安全造成了巨大压力.因此，以南昌市区为研究对象开展景观生态安全评价研究，对于掌握南昌市景观生态安全的时空演变规律，为城市科学合理发展提供参考具有重要意义.

图1 南昌市区行政区及生态安全小区划分示意图Fig.1 Administrative districts of Nanchang City proper and the division of its ecological security units

1.2 数据来源

选取研究区2000年、2004年和2009年3期Landsat TM影像，以南昌市行政区划图、DEM数据为辅助数据，在遥感图像处理软件ERDAS Imagine 9.1平台下，对3期遥感影像进行几何校正、空间配准与影像裁剪等预处理，然后采用监督分类和人机交互结合的方法进行影像解译.结合本次研究需要，将南昌市区景观划分为耕地、林地、草地、水体、建设用地和未利用地6种类型.

2 研究方法

2.1 景观生态安全评价指标体系

景观的结构、功能和动态是表征景观生态的3个重要特征，可通过分析这3方面特征来判断景观生态安全的程度[7].景观结构包括景观组成单元的类型、数目及空间分布与配置，景观功能表示景观结构与生态学过程之间的相互作用，景观动态是景观在结构和功能方面随时间推移发生的变化[4，14].因此，本文从景观结构和景观功能角度出发，构建南昌市区景观生态安全评价指标体系，并采用层次分析法获得指标权重(表1).

表1 南昌市区景观生态安全评价指标体系

2.1.1 景观结构安全性指标 景观结构特征是自然与人为多种生态过程综合作用的结果，景观结构的变化可以有效反映各种生态影响的时空变化特征.在对南昌市区景观结构特征进行分析的基础上，从斑块面积、边界形状、破碎化、多样性和空间构型等方面选择具有代表性的斑块密度(Patch Density， PD)、分维数(Fractal Dimension Index， FRAC_AM)、聚集度(Aggregation Index， AI)、景观分离度(Landscape Division Index， DIVISION)和香农多样性(Shannon Diversity Index， SHDI)这5种景观指数来描述南昌市区景观结构安全性，各景观指数的计算公式与生态学意义详见文献[14-15].

2.1.2 景观功能安全性指标 景观功能安全性由生态系统服务价值(Ecosystem Service Value， ESV)和生态弹性度(Ecological Resilience， ER)来度量.生态系统服务价值是人类直接或间接从生态系统中获得的效益.本文采用谢高地等建立的生态服务价值表[16]，结合针对鄱阳湖地区生态系统服务价值的研究[17]，设定不同景观类型的单位面积生态价值系数(元/hm2·年)为：水体20 366.69、林地12 628.69、草地5 241.00、耕地3 547.89、未利用地624.25、建设用地0.对照不同景观类型，计算南昌市区生态系统服务价值量.

生态弹性度是内外扰动力不超过生态系统的弹性限度时，生态系统偏离原有状态后可恢复的程度.它表征生态系统缓冲和调节能力.参考徐明德等的研究[18]，设定不同景观类型的生态弹性度分值为：林地0.9、水体0.8、草地0.6、耕地0.5、未利用地0.3、建设用地0.2.对应不同景观类型，计算南昌市区生态弹性度值.

2.2 景观生态安全综合指数

在考虑南昌市区景观斑块大小和空间异质性的基础上，以500 m×500 m尺度的等间距法进行空间网格化，划分为3 074个生态安全小区，计算每个生态安全小区的景观生态安全综合指数，公式为：

(1)

式中，ESk为第k个生态安全小区的景观生态安全综合指数，Wi为第i个评价指标的权重，Xi为第i个评价指标的值，n为评价指标的个数.对量纲不同的指标进行归一化处理后再计算景观生态安全综合指数.

本文利用ArcGIS10.0软件将南昌市区景观格局图转换为ArcGrid文件格式(分辨率为30m×30m)，然后采用景观格局分析软件Fragstats4.2计算500m×500m尺度上的景观生态安全指标值，最后将各指标值导入到ArcGIS10.0中进行标准化、空间叠加等运算，得到景观生态安全综合指数.

2.3 空间自相关分析方法

空间自相关可用于研究生态安全的空间分布规律和聚集程度，主要通过全局自相关和局部自相关两种不同等级的指标来度量.全局空间自相关指标用于测度生态安全值在整个区域的空间分布特征和关联程度，本文采用Moran’sI指数测度南昌市区景观生态安全值在整体上的自相关.局部空间自相关指标用于分析整个区域中局部小区域单元与相邻局部小区域单元上生态安全值的相关程度.本文采用局部空间自相关指数(AnselinlocalMoran’sI)[19]对南昌市区景观生态安全指数的空间模式进行度量，检测局部地区是否存在统计显著的生态安全高-高值或低-低值的空间聚集.相应的空间自相关指标计算公式参考文献[20-21]，本文的空间自相关分析在ArcGIS10.0软件中进行.

3 结果与分析

3.1 景观生态安全指标变化

通过对南昌市区2000年、2004年和2009年的景观生态安全指标进行统计与分析(表2)，可以看出，2000年～2009年间，南昌市区景观结构安全性指标变化明显.斑块密度(PD)和分维数(FRAC_AM)逐渐增加，说明斑块破碎程度和形状复杂性增加；集聚度(AI)逐渐下降，分离度(DIVISION)增加，表明斑块越来越破碎、离散；景观多样性(SHDI)先降低后增加，但变化程度不大，说明景观类型丰富程度变化不明显.总的来说，2000年～2009年间，随着快速城市化，城市人口急剧增加，人类活动对景观干扰加剧，南昌市区景观结构在整体上趋向于异质化、破碎化和复杂化.

2000年～2009年南昌市区生态系统服务价值(ESV)和生态弹性度(ER)逐渐减少，表明南昌市区的景观生态服务功能和景观恢复力下降，景观生态系统越来越不安全.这与建设用地大幅度扩张密切相关，这十年间，南昌市区建设用地面积约增加110km2，占总面积比重由2000年的17.7%扩大到2009年的34.6%.大量的耕地、草地和林地被开发为建设用地.

表2 南昌市区景观生态安全指标统计

3.2 景观生态安全分析

3.2.1 景观生态安全的时间变化特征 计算出2000年、2004年和2009年3074个生态安全小区的生态安全综合指数，3个年份生态安全综合指数的统计特征见表3.南昌市区景观生态安全综合指数从2000年的0.652 8降低到2004年的0.630 0，到2009年的0.600 5，表明景观生态安全整体程度逐渐下降.

表3 南昌市区景观生态安全综合指数统计

依据前人的研究成果以及景观生态安全综合指数分布特征，将南昌市区的景观生态安全指数从低到高分为四级：低生态安全(0.20～0.45)、中生态安全(0.45～0.55)、较高生态安全(0.55～0.85)和高生态安全(0.85～1.00).

由表4可以看出，南昌市区低生态安全区从2000年的16.20%增加到2009年的23.03%，中生态安全区从2000年的25.54%增加到2009年的34.81%，较高生态安全区从2000年的26.12%降低到2009年的19.88%，高生态安全区从2000年的32.14%降低到2009年的22.28%.景观格局受到人为作用明显加大，生态安全空间异质性增加.

由图2可以看出，南昌市区内以中生态安全小区所占比例最高，其次为高生态安全、较高生态安全小区，低生态安全小区所占比例相对较少.2000年～2009年，低生态安全和中生态安全小区面积比例不断上升，较高生态安全和高生态安全小区面积比例持续下降.结果表明，高生态安全和较高生态安全小区逐渐向低生态安全和中生态安全小区转化.这说明，南昌市区的快速城市化过程对生态系统造成了严重影响，使得景观生态安全逐渐向中低值区发展.

图2 2000年、2004年和2009年各级生态安全面积比例Fig.2 Area proportion of each ecological security level in year 2000， 2004 and 2009

表4 南昌市区景观生态安全面积分级统计

注：表中面积用生态安全小区个数统计，单位为0.25km2.

3.2.2 景观生态安全的空间自相关特征 2000年、2004年和2009年南昌市区景观生态安全的全局Moran’sI指数分别为0.7381、0.7614和0.7886.结果表明，2000年～2009年间南昌市区景观生态安全在整体上存在较强的正相关关系，在空间上集聚分布；全局Moran’sI随着时间变化而逐渐增加，空间自相关程度增加，说明伴随着快速城市化，生态安全空间分布的集聚程度增强.

计算3个时期的局部空间自相关指数，得到南昌市区景观生态安全局部空间自相关分布图(图3)，3个时期的景观生态安全空间分布以高-高(HH)聚集和低-低(LL)聚集类型为主.2000年～2009年期间，景观生态安全空间自相关分布发生了明显变化，高-高(HH)值区呈减少和分散的趋势，而低-低(LL)值区呈增加的趋势.

高-高值区大量聚集在西北部的湾里区，表明湾里区景观稳定性较高，整体受人类活动影响程度较小，但是在局部地区也存在一定干扰，使得高-高聚集区相对减少，连通程度降低，在空间上分散.低-低值区主要散布于中部、东南部的青山湖区，且近十年来不断增加，表明该区域景观受到了强烈无序的人为干扰，生态安全程度严重降低.

图3 南昌市区景观生态安全局部空间自相关分布Fig.3 Local spatial autocorrelation distribution of landscape ecological security in Nanchang City proper

图4 南昌市区景观生态安全空间分布图Fig.4 Spatial distribution of landscape ecological security in Nanchang City proper

3.2.3 景观生态安全的空间分布格局 2000年、2004年和2009年3个时期的景观生态安全空间分布图见图4，该图直观反映了景观生态安全在空间上的分布情况与变化趋势，景观生态安全高值、低值区分布与图3中局部空间自相关指数分布一致.由图4可以看出，2000年～2009年期间，南昌市区景观生态安全高值区主要分布在西北部的湾里区，该区是以林地为基质景观的丘陵山地地区，有全市唯一的省级重点风景名胜区梅岭国家森林公园，森林覆盖率高达73%，受城市大规模扩张影响相对较小，景观结构较稳定，生态系统服务价值和生态弹性度较高.但局部景观受到干扰，分散的城镇和农村居民点用地不断增加，景观连通度降低，使得近10年来湾里区高生态安全区面积不断减小，空间分布越来越离散，部分高生态安全区转化为较高生态安全区.

中景观生态安全区位于中南部的东西湖区、青云谱区，该区域是已建成的中心城区，景观结构相对稳定，生态系统服务价值和生态弹性度较低，但景观破碎程度不高，所以该区域处于景观生态安全中值区.2000年～2009年期间，随着南昌市区城市蔓延式扩张，建成区面积逐渐扩大，中生态安全区逐渐向东南部扩大.

低景观生态安全区主要分布在中部、东南部的青山湖区的城市扩张边缘地带，该区域在近十年间，城市化过程剧烈，受到人类活动强烈无序的干扰，大量耕地被开发为建设用地，原有稳定的自然、半自然景观被改造成建设用地、耕地和草地等交错分布的格局，景观组成破碎复杂，结构较不稳定，景观生态安全程度较低.2000年～2009年期间，青山湖区的中部、东南部是南昌市区城市快速扩张的区域，伴随着城市用地向外扩张，低生态安全区逐渐在城市扩张边缘聚集.青山湖区中部城市扩张逐步加快，对耕地的干扰越来越强烈，景观生态安全程度逐渐下降；青山湖区东南部紧邻中心城区东西湖区和青云谱区，随着城市蔓延式发展，低生态安全区逐渐向外转移.

4 结论

本文基于南昌市区2000年、2004年和2009年的景观格局数据，以500m×500m格网为评价单元计算景观生态安全综合指数，并结合空间自相关指标分析了南昌市区在2000年～2009年快速城市化背景下的景观生态安全的时空变化特征，为生态安全管理提供科学依据和技术支持.结果表明，2000年～2009年期间，快速城市化过程中人类活动对景观干扰越来越剧烈，南昌市区景观结构安全性逐渐降低，生态系统服务价值不断减少，生态弹性度明显降低，景观生态安全整体程度逐渐下降.

根据南昌市区景观生态安全评价与分析结果，从时间上来看，高、较高生态安全小区不断向中、低生态安全小区转化，中、低生态安全小区逐渐增加，高、较高生态安全小区逐渐减少，景观生态安全状况不断恶化.从空间上来看，南昌市区景观生态安全在空间上存在显著的正相关关系，高-高值区聚集在西北部的湾里区，低-低值区聚集在中部、东南部的青山湖区.高生态安全区主要分布在人类活动干扰相对较少的西北部湾里区，部分高生态安全小区逐渐转化为较高生态安全小区，面积不断减小；中生态安全区位于中南部的东西湖区和青云谱区，随着城市建成区的快速扩张，范围不断扩大；低生态安全区聚集于中部、东南部青山湖区的城市扩张边缘带，面积逐渐增加.研究表明，基于景观格局的生态安全评价是可以有效揭示区域生态状况的变化趋势，该方法是有效可行的.

生态安全评价单元的划分直接影响到评价结果的精度，本文以500m×500m网格作为评价单元，适合南昌市区的景观生态安全研究，但应该更进一步探讨不同大小网格单元对于评价结果的影响；本文中景观生态安全评价指标的权重确定和生态安全等级阈值选取都有一定的主观性，还有待寻求更好的客观方法进行修正，有关研究将在今后的工作中加以实践.

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Spatial-temporal dynamic analysis of landscape ecological security in the context of rapid urbanization——a case study of Nanchang City proper

DAI Lan， WANG Haijun， GAO Juan， LI Na

(School of Resource and Environmental Sciences， Wuhan University， Wuhan 430079)

Based on the landscape pattern data in year 2000， 2004 and 2009 respectively， this paper aims to assess the landscape ecological security of a rapid urbanizing area-Nanchang city proper. The index system of landscape ecological security is built on the landscape structure and landscape function. Then spatial autocorrelation methods are employed to analyze the characteristics of the spatial pattern. The results indicate that: (1) from 2000 to 2009， landscape structure security， ecosystem service value and ecological resilience have gradually decreased， and the degree of overall landscape ecological security has largely reduced. (2) Higher and high ecological security units continually transform into medium and low ecological security units， the state of landscape ecological security continues to deteriorate. (3) There is a significant correlation on the spatial pattern of landscape ecological security. Higher ecological security units aggregate in the northwestern Wanli district， and the areas of higher ecological security units have continuously decreased. Medium ecological security units distribute in south-central Donghu， Xihu and Qingyunpu district. With the expansion of urban built-up areas， and the scopes of medium ecological security units have increased. Low ecological security units aggregate on central and southeastern urban fringe of Qingshanhu district， and the areas have gradually increased．

landscape pattern; ecological security; spatial autocorrelation; rapid urbanization; Nanchang City proper

2014-10-26.

国家自然科学基金项目(40871179).

1000-1190(2015)02-0267-07

Q143

A

*通讯联系人. E-mail: landgiswhj@163.com.