快速城市化地區(qū)土地覆蓋格局的動態(tài)變化

快速城市化地區(qū)土地覆蓋格局的動態(tài)變化

全球環(huán)境變化需要對土地利用變化模式的更好理解，加強對嚴(yán)重環(huán)境問題區(qū)域的預(yù)測能力，包括城市擴張。探討城市化與區(qū)域生態(tài)環(huán)境安全之間的關(guān)系,已經(jīng)成為當(dāng)前LUCC與GCTE研究的熱點問題。如何確定在生態(tài)環(huán)境安全條件下城市化地區(qū)生態(tài)用地的比例,以及進一步在空間上布局生態(tài)用地,并確定生態(tài)用地的內(nèi)部結(jié)構(gòu)體系,已引起城市生態(tài)建設(shè)與管理界人士的高度重視。分析和預(yù)測在各種時空尺度上土地覆蓋和土地利用變化成為評價生態(tài)環(huán)境問題的有利工具。而景觀已經(jīng)成為表達社會和自然空間特征的常用方法。本文試圖通過景觀格局的分析方法,以深圳市作為案例,建立城市化水平與生態(tài)格局之間的關(guān)系,進而以此作為確定生態(tài)安全用地比例的依據(jù)。中國廣東省深圳市位于北回歸線以南,其南面是香港特別行政區(qū),是中國內(nèi)地唯一通過陸路和水域與香港毗鄰的城市(圖1)。1979年前的深圳,只是一個3萬人口的邊陲小鎮(zhèn),深圳鎮(zhèn)所屬的寶安縣也不過30萬人口,經(jīng)濟發(fā)展水平在全國無足輕重。隨著深圳成為中國的第一個經(jīng)濟特區(qū),經(jīng)過20a的飛速發(fā)展,已經(jīng)發(fā)展成為中國重要的沿海特大城市,是中國經(jīng)濟最活躍、增長最快的地區(qū)。深圳市經(jīng)濟的高速發(fā)展,帶來其城市化水平的快速提高,其中特區(qū)建成區(qū)面積已經(jīng)由1985年的不足50km2,發(fā)展到2000年的136km2,使得深圳市土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大的變化。而土地利用/覆蓋變化隨即帶來深刻的生態(tài)環(huán)境影響,對研究區(qū)的暴雨洪水、環(huán)境污染、城市熱島1等諸多方面帶來廣泛而深刻的影響。因此研究快速城市化過程中的土地利用/覆蓋變化對理解生態(tài)環(huán)境變化的驅(qū)動作用,對確定城市化地區(qū)生態(tài)用地的比例,以及城市土地資源高效與可持續(xù)利用都有著重要的理論和實踐意義。1土地利用變化利用深圳市1980年MSS,1988、1994和2000年TM季相一致的Landsat遙感數(shù)據(jù)對研究區(qū)4個時期的土地利用進行了定量測算。根據(jù)深圳市的自然地理條件(包括氣候、植被背景)和社會經(jīng)濟發(fā)展過程,以及研究目標(biāo),參照《中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)·土地利用動態(tài)遙感監(jiān)測規(guī)程》的土地利用分類標(biāo)準(zhǔn),確定了研究區(qū)的土地利用分類體系:即高密度城鎮(zhèn)用地、中低密度城鎮(zhèn)用地、耕地、園地、林地、灌草地、水域、濕地和未利用土地等九大類。研究區(qū)域的面積為1480.39km2,占到全市面積的76.0%,特區(qū)東部和龍崗區(qū)東部的部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失,包括深圳市經(jīng)濟發(fā)展的主要地區(qū),完全能夠代表深圳市快速城市化過程中土地利用變化的基本規(guī)律(見表1)。深圳市20a來土地利用變化的主要特征為城鎮(zhèn)用地(主要包括居民用地和工礦用地)的迅速增加,從1980年的7.35km2,增長到2000年的522.62km2,增幅71.1倍,占到研究區(qū)總面積的35.31%。相反農(nóng)業(yè)用地(主要包括耕地、林地和園地等)總量持續(xù)減少,其中以耕地大幅度減少為主,林地次之,而園地是在城市化過程中大面積出現(xiàn)的一類農(nóng)業(yè)用地。在城市化過程的前期和中期,城鎮(zhèn)用地主要由農(nóng)業(yè)用地轉(zhuǎn)化而來,其中以耕地為主,同時在這段時期產(chǎn)生了主要在農(nóng)業(yè)用地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)化過程中形成的大面積的未利用土地。當(dāng)城市化發(fā)展到較高水平時,農(nóng)業(yè)用地轉(zhuǎn)化為城市用地的比例開始下降,而水域、未利用土地轉(zhuǎn)化為城鎮(zhèn)用地的比例大幅增加。深圳市土地利用結(jié)構(gòu)的變化和空間格局的改變,對本區(qū)土地覆蓋格局產(chǎn)生了廣泛而深刻的影響。2不同類型土地的景觀多樣性在各時期土地利用分類結(jié)果的基礎(chǔ)上,采用80m×80m的空間分辨率,使用景觀格局的分析方法對研究區(qū)土地覆蓋格局的變化進行分析。由于高密度城鎮(zhèn)用地僅代表一個地區(qū)城市經(jīng)濟發(fā)展到較高水平時出現(xiàn)的一類在人口、建筑物、經(jīng)濟活動等方面更加稠密的用地,在用地性質(zhì)上與中低密度城鎮(zhèn)用地一致,只是在城市容積率上有所不同,因此在土地覆蓋格局分析中,將這兩類城鎮(zhèn)用地合并,按照城鎮(zhèn)用地、耕地、園地、林地、灌草地、水域、濕地和未利用土地八大類進行分析。景觀多樣性可分為斑塊多樣性、類型多樣性和格局多樣性。因此,可以從這3個層次的多樣性來理解土地覆蓋格局在不同水平上的變化,即區(qū)域水平、景觀水平和斑塊水平上的土地覆蓋格局變化。2.1城市軌道交通斑塊破碎度變化過程選取景觀指數(shù)分析方法中的破碎度、Shannon-Weaver多樣性指數(shù),以及聚集度3個指標(biāo)對研究區(qū)區(qū)域水平上的土地覆蓋格局變化進行綜合分析。首先對深圳市、深圳經(jīng)濟特區(qū),以及特區(qū)外的寶安區(qū)和龍崗區(qū)四個時期的各類指數(shù)進行了計算,計算結(jié)果見表2。從表2可以看出,4個區(qū)域的斑塊破碎度和景觀類型多樣性均經(jīng)歷了先升高,再降低的變化過程,而表征區(qū)域土地覆蓋格局的聚集度則為先下降后上升的過程。體現(xiàn)了這樣一個土地覆蓋格局的變化過程:在城市化過程初期,城鎮(zhèn)用地和園地的大量出現(xiàn),耕地等其他用地類型逐漸被侵占和蠶食,區(qū)域斑塊破碎度和景觀類型多樣性迅速上升、空間聚集度下降;隨著城市化水平的不斷提高,城鎮(zhèn)用地和園地大面積聚集,耕地在區(qū)域景觀中處于綴塊地位,區(qū)域的斑塊破碎度和景觀類型多樣性又開始下降、空間聚集度逐漸回升。在4個區(qū)域土地覆蓋格局變化規(guī)律一致的情況下,在變化幅度和變化先后順序上還存在著一定差異,即從區(qū)域水平上的土地覆蓋格局記錄了深圳市經(jīng)濟發(fā)展水平從特區(qū)內(nèi)向特區(qū)外梯度轉(zhuǎn)化的過程,也就是城市化過程中的不同城市化水平對應(yīng)著區(qū)域水平上的土地覆蓋格局的不同水平。另外,斑塊破碎度在1994～2000年間的下降幅度明顯低于1988～1994年間的下降幅度,景觀類型多樣性指數(shù)在1994～2000年間的下降幅度大于1988～1994年間的下降幅度,空間聚集度特區(qū)在1988～1994年間開始回升,而整個研究區(qū)是在1994年后才開始回升。可見1980～1988年間,是研究區(qū)在區(qū)域水平上土地覆蓋格局走向破碎化的時期,1988～1994年時期各區(qū)域在區(qū)域水平上的斑塊多樣性明顯下降,說明這段時期出現(xiàn)了區(qū)域水平上的斑塊聚集過程,主要是城鎮(zhèn)用地和園地的斑塊破碎程度迅速下降;而在1994～2000年期間,這種區(qū)域水平上的斑塊聚集趨勢減緩,而景觀類型多樣性迅速下降,聚集度有所回升,在土地覆蓋格局上呈現(xiàn)了明顯的空間聚集化過程,城鎮(zhèn)用地為主的土地覆蓋格局基本形成。2.2土地利用變化使用多樣性指數(shù)對研究區(qū)內(nèi)的區(qū)、鎮(zhèn)、街道辦事處的土地覆蓋格局隨時間的變化進行了具體分析。具體區(qū)域包括特區(qū)內(nèi)的4個區(qū),即羅湖區(qū)、福田區(qū)、南山區(qū)、鹽田區(qū),以及特區(qū)外的寶安區(qū)、龍崗區(qū)的17個鎮(zhèn)和街道辦事處,共計21個子區(qū)域?？紤]到景觀指數(shù)自身的局限性,以及鎮(zhèn)級行政單元自然地理條件和經(jīng)濟發(fā)展水平之間的差異,存在著指數(shù)絕對值的可比性相對不高的問題,采用景觀指數(shù)在研究時段隨時間的變化在空間上的分布格局來討論城市化過程中景觀水平上的土地覆蓋格局變化。根據(jù)各鎮(zhèn)級行政單元Shannon-Weaver多樣性指數(shù)的變化,將21個行政單元劃分為5個層次,即①持續(xù)下降;②高值出現(xiàn)在1988年,但2000年水平低于1980年水平;③高值出現(xiàn)在1988年,但2000年水平高于1980年水平;④高值出現(xiàn)在1994年;⑤波動中上升,由此可以得到土地覆蓋格局隨時間變化的空間分布圖(圖2a)。在深圳市土地利用變化的分析結(jié)果中,發(fā)現(xiàn)地形是一個很重要的控制因素,其中海拔0～30m范圍內(nèi)是城鎮(zhèn)用地分布的主要區(qū)域。1980～2000年的4個時期城鎮(zhèn)用地在海拔0～30m區(qū)域分布的面積占到研究區(qū)城鎮(zhèn)用地總面積的比例均在85%以上,4個時期的比例分別為92.18%、91.41%、87.37%、85.94%。城鎮(zhèn)用地是城市化過程的代表用地,在海拔0～30m的范圍內(nèi),成為深圳市土地利用變化最活躍的區(qū)域。海拔高程對土地利用有明顯影響,這就必然影響到土地覆蓋格局。為此利用高程數(shù)據(jù)將研究區(qū)海拔在0～30m的區(qū)域提取出來,再利用區(qū)鎮(zhèn)界限,將其分為與上文述及的區(qū)鎮(zhèn)相對應(yīng)的21個區(qū)域,即各區(qū)鎮(zhèn)海拔在0～30m的區(qū)域。統(tǒng)計提取得到的區(qū)域內(nèi)的城鎮(zhèn)用地分布的面積占到整個研究區(qū)城鎮(zhèn)用地總面積的比例,分別為90.88%、90.99%、86.42%和84.74%,這與在區(qū)域水平上城鎮(zhèn)用地的比例變化是一致的,都表現(xiàn)出逐漸減少的過程。同樣得到鎮(zhèn)級行政區(qū)海拔0～30m區(qū)域土地覆蓋格局隨時間變化的空間分布圖,見圖2b。從鎮(zhèn)級行政區(qū)域和鎮(zhèn)級區(qū)海拔0～30m區(qū)域的土地覆蓋格局隨時間變化的過程來看,兩者存在著一致性和差異性。一致性主要體現(xiàn)在兩個方面:一是土地覆蓋格局的變化均表現(xiàn)為由特區(qū)內(nèi)向特區(qū)外的發(fā)展;二是特區(qū)內(nèi)的空間分布均是由羅湖區(qū)向東西兩翼發(fā)展。而差異性主要表現(xiàn)在特區(qū)外土地覆蓋格局隨時間變化的過程不同,即特區(qū)外鎮(zhèn)級行政區(qū)域的空間分布規(guī)律為由西向東的帶狀分布,而0～30m區(qū)域是由特區(qū)這個帶狀核心向北發(fā)展的環(huán)狀分布。分析鎮(zhèn)級行政區(qū)域的高程數(shù)據(jù),鎮(zhèn)級行政區(qū)的第2層次和第3層次中特區(qū)外部分均為西部沿海地區(qū),0～30m高程范圍的面積占到各鎮(zhèn)級區(qū)總面積的70%以上,第4層次0～30m高程范圍占到50%～70%左右,第5層次在40%～50%左右,土地覆蓋格局隨時間變化的空間格局分異規(guī)律反映了地形的空間分布格局。而對于特區(qū)內(nèi)的區(qū)域,除福田區(qū)在0～30m范圍內(nèi)的面積比例為73.81%,其他各區(qū)的0～30m范圍內(nèi)的面積比例并不高,羅湖區(qū)、南山區(qū)和鹽田區(qū)分別為42.26%、55.63%和26.88%,在整個研究區(qū)中屬于海拔較高區(qū)域?？梢娞貐^(qū)內(nèi)由于其超高速的城市化過程,迅速將低海拔區(qū)域變化為單一的城鎮(zhèn)用地,而高海拔區(qū)域仍然維持以林地為主的土地覆蓋格局,因此在土地覆蓋格局的隨時間得變化上,快速越過了斑塊破碎度和景觀類型多樣性的高值期,以及空間聚集度的低值期。而對于特區(qū)外相對緩慢的城市化過程,較充分地體現(xiàn)出了地形在土地覆蓋格局中的控制作用,在低海拔和高海拔的過渡帶出現(xiàn)了土地覆蓋多樣性豐富的一個區(qū)域。當(dāng)去除掉地形的影響后,土地覆蓋格局隨時間變化的空間分異規(guī)律則充分體現(xiàn)了深圳市經(jīng)濟發(fā)展由特區(qū)內(nèi)向特區(qū)外輻射發(fā)展的圈層狀分布規(guī)律。2.3覆蓋類型加和和分析在斑塊水平的土地覆蓋格局分析中,重點分析了斑塊面積與斑塊個數(shù)之間的關(guān)系。研究利用不同時段不同土地覆蓋類型斑塊的面積譜分布特征,來揭示研究區(qū)土地覆蓋結(jié)構(gòu)的變化特征。具體面積譜分類過程中,將每個時段不同組分的斑塊分成0～5hm2、5～10hm2、10～50hm2、50～100hm2、100～500hm2、500～1000hm2、1000～10000hm2和10000～100000hm2面積不等的8個等級。以各面積等級的上限面積的常用對數(shù)為x軸,斑塊的累積個數(shù)為y軸得到一組曲線圖(圖3)。其中圖3a是對主要土地覆蓋類型1980、1988、1994和2000年4個時期的斑塊個數(shù)進行加和而得到的。各土地覆蓋類型在面積較小的等級上,均聚集了大量斑塊,曲線在x軸的區(qū)間,即前兩個面積等級表現(xiàn)出了明顯的上升趨勢,而在>1的區(qū)間則表現(xiàn)為緩慢增長。不同覆蓋類型的增幅表現(xiàn)出了明顯的差異性,增幅由小到大依次是林地、城鎮(zhèn)用地、園地和耕地,同時計算得到林地、城鎮(zhèn)用地、園地和耕地4個時期總的平均斑塊面積分別為0.483km2、0.279km2、0.129km2和0.111km2,說明林地和城鎮(zhèn)用地的空間聚集性較強,耕地的破碎化最為明顯。比較不同時期的斑塊個數(shù)與斑塊面積之間的關(guān)系,對不同時期主要土地覆蓋類型(包括城鎮(zhèn)用地、耕地、林地和園地)的斑塊個數(shù)進行加和處理得到圖3b。同樣,4個時期均表現(xiàn)出了隨著斑塊面積加大,斑塊個數(shù)迅速減少,即斑塊累積個數(shù)隨斑塊面積增大而增加的規(guī)律趨向緩慢。另一方面,不同時期斑塊個數(shù)增幅明顯不同,由小到大依次為1980年、2000年、1994年和1988年,而4個時期4類主要土地覆蓋類型的平均斑塊面積分別為0.328km2、0.192km2、0.166km2、0.165km2。1980年,即城市化過程初期,研究區(qū)斑塊破碎性最小,隨著土地利用結(jié)構(gòu)的迅速改變,1988年研究區(qū)斑塊水平的土地覆蓋格局破碎性達到最大,1994年破碎性稍有下降,到2000年已有明顯的下降,但仍然遠高于1980的水平。說明2000年以城鎮(zhèn)用地為主的土地覆蓋格局在斑塊水平上,其破碎程度遠高于1980年以農(nóng)業(yè)用地為主的土地覆蓋格局。這種在空間上表現(xiàn)出的在斑塊水平上的農(nóng)業(yè)用地斑塊破碎分布,城鎮(zhèn)用地斑塊大面積聚集分布的土地覆蓋格局必然導(dǎo)致城市生態(tài)環(huán)境安全程度處于低水平狀態(tài),這也正是近年深圳市頻頻發(fā)生沿海赤潮、洪水災(zāi)害,以及水土流失加劇的一個重要原因。3不同地形條件對土地覆蓋格局的解釋性表現(xiàn)出了不穩(wěn)通常用非農(nóng)業(yè)人口占總?cè)丝诘谋壤齺肀硎龀鞘谢?本文從景觀格局安全角度出發(fā),在景觀水平上定義了以城鎮(zhèn)用地比例來表達城市化水平,來討論城市化過程與土地覆蓋格局變化的關(guān)系。為此以各區(qū)域城鎮(zhèn)用地比例為x軸,以表征土地覆蓋格局特征的破碎度、Shannon-Weaver多樣性指數(shù)和聚集度指數(shù)為y軸,得到樣本點的分布圖及其擬合曲線(圖4)。由圖4得出城鎮(zhèn)用地比例與3類景觀指數(shù)存在著較好的關(guān)系,即在景觀水平上計算得到的城市化水平(城鎮(zhèn)用地比例)能夠解釋土地覆蓋安全格局的變化。分析圖4中鎮(zhèn)級行政區(qū)域和鎮(zhèn)級行政區(qū)海拔0～30m區(qū)域的兩組圖中,城鎮(zhèn)用地比例與3類景觀指數(shù)關(guān)系的擬合曲線的擬合效果,在顯著性水平基本一致的情況下(其中只有a組中破碎度一圖的顯著水平偏低,其他均為<0.0001),b組的測定系數(shù)R2均明顯大于a組的測定系數(shù),尤其是多樣性指數(shù)和聚集度的R2較高。說明在0～30m海拔區(qū)域,景觀城市化水平能夠較好地解釋土地覆蓋格局地變化,尤其是對于土地覆蓋格局類型多樣性和空間聚集性的解釋性。而在沒有去除地形因素的a組中,R2整體偏小,城市化水平不能夠準(zhǔn)確地解釋土地覆蓋格局地變化。a組和b組的比較說明地形是城市化過程是土地覆蓋格局變化的另一個重要的決定因素。比較a組和b組的3類指數(shù),聚集度一組圖的測定系數(shù)R2變化最大,達到0.53313,破碎度和類型多樣性兩組圖的R2的變化也較為明顯,在0.4左右,同樣說明了地形因素對土地覆蓋格局的影響明顯,其中對由聚集度表征的區(qū)域空間分布格局的影響最為明顯。以城鎮(zhèn)用地比例定義的景觀城市化水平與土地覆蓋格局變化的關(guān)系反映了這樣一個城市生態(tài)過程:當(dāng)一個地區(qū)幾乎為農(nóng)業(yè)用地時,城市化水平非常低,以耕地和林地為主要用地類型,其土地覆蓋格局的斑塊破碎化程度和景觀類型多樣性處于較低水平,而在空間格局上,表現(xiàn)為少數(shù)、大面積的斑塊在空間上的高度聚集性。這一期間,除土地利用不當(dāng)產(chǎn)生的水土流失外,其他的生態(tài)環(huán)境問題都不突出,因此被認(rèn)為處在生態(tài)安全的較高水平。而隨著城市化過程的加快,農(nóng)業(yè)用地為主的土地覆蓋格局迅速被打破,城鎮(zhèn)用地迅速涌現(xiàn),大量蠶食農(nóng)業(yè)用地,尤其是耕地,同時出現(xiàn)了主要為城市生活服務(wù)的園地類型,常以果園用地為主。這樣在城市化過程初期和中期,即在景觀水平上表達的城市化水平在20%到40%左右時,大量城鎮(zhèn)用地等新興用地類型以細(xì)碎斑塊出現(xiàn),以耕地為主的農(nóng)業(yè)用地則被城鎮(zhèn)用地蠶食、侵占,原來在空間上大面積、集中的分布轉(zhuǎn)變?yōu)樾∶娣e、分散的分布。此時在土地覆蓋格局上表現(xiàn)為斑塊破碎度和景觀類型多樣性水平較高,而區(qū)域空間聚集度較低。在這一時期,城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境問題均體現(xiàn)出來,不僅水土流失問題加劇,而且洪水災(zāi)害、城市環(huán)境污染等均呈現(xiàn)加劇態(tài)勢,整體生態(tài)安全水平明顯下降。當(dāng)該地區(qū)城市化水平發(fā)展達到較高水平時,即城市化水平超過70%的水平,城鎮(zhèn)用地發(fā)展成為主要用地類型,在空間上呈高度聚集分布,尤其是在低海拔區(qū)域,而農(nóng)業(yè)用地中耕地更加細(xì)碎分布,園地、林地在空間上呈孤島式的聚集分布,斑塊破碎度和景觀類型多樣性又下降到較低水平,隨著城市化水平的不斷提高,其值可以低于原來農(nóng)業(yè)用地為主時的土地覆蓋格局的水平。在這一期間,以城市熱害和水災(zāi)為主要特色的生態(tài)環(huán)境問題更加突出,并且引致了交通擁擠、環(huán)境污染等城市生態(tài)質(zhì)量下降問題。整體生態(tài)安全水平呈現(xiàn)更嚴(yán)重的局面,生態(tài)環(huán)境改善已經(jīng)成為城市發(fā)展中的主要任務(wù)之一。隨著城市化過程的減緩,以及用地格局向著可持續(xù)發(fā)展的方向發(fā)展,使該地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)的調(diào)整和演化從原來的大范圍、高速過程變?yōu)榫植俊⒌退俚倪^程,土地覆蓋格局也隨之進入一個相對穩(wěn)定的時期。由此我們認(rèn)為,確保城市一定比例的生態(tài)用地(如在我國南方各城市,可定為30%～40%)是城市生態(tài)環(huán)境安全格局形成的重要保障條件。4深圳城市空間分布空間格局分異規(guī)律20a深圳城市化過程中,土地覆蓋格局在斑塊水平、景觀水平和區(qū)域水平3個層次上均發(fā)生了較大的變化。深圳全市、深圳經(jīng)濟特區(qū)和特區(qū)外的寶安區(qū)、龍崗區(qū)的斑塊破碎度和景觀類型多樣性經(jīng)歷了先升高,再降低的