快速城市化地区景观生态格局演变特征分析
——以广州市黄埔区为例

李伯华 ，郭欣欣 ，曾 灿

（1.湖南省人居环境学研究基地，湖南 衡阳 421002；2.衡阳师范学院 城市与旅游学院，湖南 衡阳 421002；3.韶山市城乡规划局，广州 韶山 411300）

0 引言

20世纪90年代我国开始进入快速城市化发展阶段，城市建设用地扩张成为全社会广泛关注的问题[1-3].众多学者对城市空间扩张模式、景观生态用地演变特征等进行了研究.从表面看，快速城市化现象主要表现为农村人口往城市聚居，城市人口数量增加，但实质上快速城市化发展对生态、社会和经济等方面都带来了巨大的影响.2016年末广州市黄埔区城镇化率已经达到91.58%，高于2016年末全国、广州市57.35%、86.06%的城镇化率，在城市快速发展的同时，景观生态格局变化问题亟待关注.

在景观格局分析方法方面，运用最多的是数学模型法.如刘照程等[4]通过粒度反推法计算生态系统的核心组成结构；马尔柯夫通过转移矩阵计算不同时间尺度下土地利用变化情况[5]；通过元胞自动机景观模拟法，将小尺度的数据模拟景观格局放大尺度范围反映变化规律.景观格局指数分析法最常用的软件为Fragstats软件和Apack软件[6]，从斑块、类型、景观3个层次出发，基于景观相似数、斑块、斑块密度、分维度等58个景观指数分析景观格局变化情况.但目前在众多的景观指数中，受外界影响存在尺度干扰较大、景观信息重叠、生态学过程指示性不足等方面的不足[7-9].在生态安全格局研究尺度上，大部分研究集中在中尺度上，研究区域集中在城镇、河流、耕地等.如刁菲菲[10]对杭州市景观格局的演变及优化作了相关的研究；宋明晓[11]对辽河流域（吉林省段）景观格局演变及关键性生态空间辨识方面作了相关研究；彭文君等[12]对喀斯特山区县域耕地景观生态安全及演变过程作了相关研究.但目前，针对快速城市化区域且景观生态良好的研究相对匮乏.

广州市黄埔区作为中国第三大城市广州中心城区的重要节点，拥有长洲岛、港口码头、天鹿湖森林公园等丰富的景观和良好的生态本底.本研究以广州市黄埔区为例，以景观生态学理论为基础，借助RS、GIS等“3S”技术，结合Fragstats 4.2景观分析软件，旨在对广州市黄埔区26年来景观生态格局的演变特征进行探索和实证研究，掌握快速城市化地区景观生态格局的变化规律.

1 研究区域概况

黄埔区（包含萝岗区）位于广州市东部①2014年2月13日，广州市发布行政区划重大调整方案：原萝岗区和原黄埔区合并为新黄埔区，2015年9月1日黄埔区举行挂牌仪式，本研究区域为合并之后的新黄埔区.，属广州市山水新城核心区，总面积484.17 km2，如图1所示.黄浦区下辖14个街道和1个镇，分别为：文冲、黄埔、南岗、大沙、红山、萝岗、穂东、荔联、夏港、长洲、东区、联合、永和、鱼珠街道以及九龙镇.2016年末，广州市黄埔区常住人口108.26万人，城镇化率高达91.58%，地区生产总值2 941.49亿元，同比增长5.6%，其中规模以上工业总产值7 141亿元，增长2.3%.拥有国家级研发机构17个，国家级产业基地10个，国家级园区1个，省级产业基地4个，市战略新兴产业基地6个，是国家循环化改造示范试点园区和国家产城融合示范区.区内形成了“八横八纵”主干路网，地铁、新型有轨电车、快速公交系统、疏港道路全面建成.

图1 区位分析图

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源与处理

通过查阅黄埔区、萝岗区1990～2016年统计年鉴和国民经济与社会发展统计公报等，获取了4个时期的土地利用面积、人口、地区生产总值、产业结构、城镇化率等数据；通过百度地图及实地调研，获取了广州市黄埔区各类用地位置和数据边界；同时从地理空间数据云获取了广州市黄埔区1990年、2000年、2010年、2016年4个时期的Landsat TM影像，为了更好地区分出林地、水域、耕地和园地生态景观用地，本研究选取Band5、Band4、Band3波段进行假彩色合成，得到图2.

遥感影像的预处理是遥感应用的第一步，现在该技术已经十分成熟[13].利用ENVI 5.0软件对4期遥感影像进行用地分类处理，获取广州市黄埔区4个时期的土地利用图.主要过程为：

图2 广州市黄埔区4期遥感影像图

1）影像镶嵌：利用ENVI 5.0软件自带的坐标定位Mosaic king方法，对遥感影像进行镶嵌处理，运用Feathering功能进行边缘化羽化[14].

2）几何校正：利用遥感影像自身携带的地理坐标，通过Cubic convolution方法进行重采样.

3）监督分类：运用最小距离法，利用训练样本数据，计算每类均值向量和标准差向量，以均值向量为该景观类型的特征空间中心位置，根据《土地利用现状分类》GB/T21010-2017[15].将广州市黄埔区各类用地划分为6类，即：建设用地、园地、林地、耕地、水域、未利用地，结果如图3所示.

图3 广州市黄埔区4期土地利用图

2.2 研究方法

景观指数是指能够监测和定量描述景观空间结构随时间变化特征，建立生态过程和景观结构联系，为更好解释景观功能的定量化指标[16].景观指数可分为3个层次：景观水平指数、斑块水平指数和斑块类型水平指数，其中景观水平指数可以用来研究区域整体景观水平的变化情况，具体指标有景观均匀度、聚合度和破碎化等；斑块水平指数可以计算单个斑块的指数，包括形状、面积和边界距离等指标；斑块类型水平指数可以计算出斑块密度、最大斑块面积、斑块面积和分维度等指标.斑块水平指数对于了解整体景观结构不具有较大的解释价值，一般只作为研究景观结构的基础[17].参考前人的研究成果，选取景观水平指数和斑块类型水平指数进行分析.

运用Fragstats 4.2景观分析软件选取5类景观水平指标：最大斑块占景观面积所占比例、多样性、均匀度、破碎化程度及斑块个数；3类景观类型水平指标：景观各类型面积、斑块个数及分维数.分别对广州市黄埔区1990年、2000年、2010年、2016年4个时期的数据进行计算，计算公式见表1.

3 广州市黄埔区景观生态格局演变分析

3.1 景观水平指数

将广州市黄埔区4期遥感影像数据源导入Fragstats 4.2软件，在景观水平上，根据表1中的公式，计算出广州市黄埔区景观多样性和景观斑块个数以及景观破碎化程度等指标，具体结果见表2.

表1 景观指数的计算原理

表2 景观水平指数

3.1.1 景观斑块受干扰程度越来越大

景观斑块面积的大小变化与社会经济、人口活动以及相关政策等因素有着密切联系，1990年、2000年、2010年、2016年广州市黄埔区地区生产总值分别为11.35，405.41，1 948.93，2 941.49亿元.1990～2000年、2000～2010年、2010～2016年年均增长率分别为43%，47%，31%，2000～2010年增长速率最快.由表2可知，广州市黄埔区景观斑块数量不断增加，由1990年的406个增加到2016年的257 1个，增加了5.33倍；景观破碎化程度不断上升，由1990年的0.008 4个/ha到2016年转变为0.053 4个/ha；从遥感影像中可以明显看出4个时期最大的景观斑块为林地.最大斑块面积占景观面积的比例先上升后下降，1990～2000年最大斑块占景观面积比例增加，受1999年“退耕还林”政策的影响，部分地区耕地转化为林地，导致林地连续性增加.2000～2016年由于城市经济的快速发展，人口数量的增加，建设用地不断增加，导致景观斑块受干扰的程度越来越大，优势斑块面积不断减小.以上数据说明近26年以来，广州市黄埔区随着人口活动的不断加强，地区生产总值不断增长以及相关政策的实施，导致斑块数量不断增加，景观破碎化程度不断上升.

3.1.2 景观异质化程度增加

由表2可知，1990～2016年间，广州市黄埔区景观多样性指标和均匀程度指标总体呈现增长趋势，景观多样性指标由1990年的1.264 5增加为2016年的1.347 3，增加了6.55%，其中景观多样性指标2000年数值最大，为1.356 2；均匀度指数由1990年0.705 7持续增长到2016年为0.837 2，增加了18.63%.近26年来，广州市黄埔区随着城镇化率不断增加，经济的快速发展，城市建设用地不断扩张，占用了大量的耕地、园地、林地等景观生态用地.由于城市扩张不断分割耕地、园地、林地等景观生态用地，导致城市景观斑块类型连续性越来越弱，景观斑块类型越来越丰富，景观斑块越来越复杂，景观异质化程度增加.

3.2 景观类型水平指数

运用Fragstats 4.2软件，根据表1中的公式计算出广州市黄埔区景观类型水平指数的特征指标值，具体见表3.

表3 景观类型水平指数

3.2.1 景观生态用地面积逐年减小

在耕地、园地、水域和林地景观生态用地中，26年间广州市黄埔区景观生态用地总面积由原来的438.85 km2减少为298.98 km2，减少了139.87 km2.1990年，广州市黄埔区各类用地排序为林地>耕地>建设用地>园地>水域>未利用地.林地、耕地用地总面积分别居第一、第二，1990年广州市黄埔区主导景观类型为林地、耕地，景观生态用地.到2016年各类用地排序为建设用地>林地>耕地>园地>水域>未利用地，建设用地面积超过林地面积，用地面积居第一.而未利用地从1990年到2010年均被开发为不同类型的土地.从用地面积大小来看，1990～2016年，从总体排序上来看，广州市黄埔区各类型用地排序名次变化较小，除建设用地发生较大变化外，其他排序名次基本不变.

从研究时段看，1990～2010年，耕地、园地面积在不同程度减少，其中耕地面积不及1990年面积的1/2；2010～2016年，耕地、园地面积有所增加；1990～2016年，建设用地面积一直趋于直线上升状态，由1990年的39.53 km2到2016年增加为182.20 km2，增加了142.67 km2，26年间建设用地面积年均增长5.49 km2.林地面积一直趋于下降状态，在所有类型的用地中林地总面积减少最多，减少了85.45 km2.

从景观生态用地减少的范围来看，原黄埔区大部分景观生态用地转化为建设用地，原萝岗区在2010～2016年期间建设用地面积明显增加.具体演变特征为：1990～2000年广州市黄埔区建设用地增加集中在原黄埔区，沿穂东街道往周围扩散.原萝岗区建设用地仅沿S378省道有少部分增加；2000～2010年建设用地往北填充式扩展，建设用地增加面积集中在黄埔区中部，特别是沿道路两侧增加最为明显；2010～2016年黄埔区各街道（镇）建设用地均有少部分增加，其中沿道路、地势相对平坦的区域变化较大，九龙镇新增了1个较大的居住组团；此外，还有少部分建设用地1990～2016年间一直保留了原样，主要集中在原黄埔区，具体见图4.

图4 广州市黄埔区1990～2016年建设用地变化情况

3.2.2 耕地被干扰程度最大

1990～2016年广州市黄埔区景观类型斑块数量均有不同程度增加，数量变化较大（图5）.特别是1990～2000年景观类型斑块数量变化巨大，耕地斑块数量增加了约6.62倍，建设用地斑块数量增加了5.58倍.在26年间耕地、林地、建设用地、水域、园地斑块个数分别增加了629个、447个、500个、321个、285个，其中耕地被干扰的程度最大.

图5 广州市黄埔区1990～2016年景观类型斑块个数变化

3.2.3 景观生态斑块形状呈规则化趋势，建设用地斑块形状复杂化

从总体来看，林地的分维数值最大，说明林地的斑块形状最为复杂和最为不规则，但受人类活动的影响，林地的分维数不断减小，形状变得更加简单和规则（图6）.园地、耕地、水域的分维数变化较小，但总体趋势是减小了.建设用地分维数一直趋于增长趋势，分维数变化最大，由1990年的1.51到2016年增长为1.78，增加了0.27，形状指数越来越不规则和复杂，其主要原因是城市体系规划是在对人口预测的基础上对城市用地进行功能分区和基础设施等的建设，但是由于经济、政策等诸多因素的不确定性，导致到规划期末最终城市人口规模难以预测，导致建设用地面积形状越来越不规则.

图6 广州市黄埔区1990～2016年景观类型分维数

4 结论

1990～2016年，在这26年，广州市黄埔区景观生态格局受到快速城市化、政策、经济、人口、气候等自然因素和人文因素的影响.从景观水平指数看，26年间建设用地面积增加了142.67 km2，且建设用地面积增加主要集中在原黄埔区和原萝岗区交通较发达区域，这与人类对城市景观改变干扰理论相符合.景观斑块数量增加，景观整体破碎化有所加剧，景观格局的稳定性减弱.均匀度和多样性指数总体提高，说明景观格局整体结构逐步向多样性和复制化方向发展；从景观类型水平上看，林地、耕地和园地为广州市黄埔区主要的景观生态用地，但是由于建设用地不断增加，导致林地、耕地和园地在26年间用地面积不断减小，从而导致大斑块的景观生态用地瓦解，造成斑块数量不断增加.而景观生态类型分布的内部，景观生态类型斑块变得更为规则；根据景观生态格局演变的总趋势可知，广州市黄埔区景观生态用地不断转为建设用地，主要是由于快速城市化进程的推进，导致广州市黄埔区景观生态面积不断减少，景观生态格局日趋复杂.