城市化对水域景观格局的时空影响

李庆玲　刘艳芳

摘要：使用武汉市城市圈Landsat TM（1987、1995、2000、2005、2011年）五期遥感影像，采用机器和目视解译相结合的方法得到土地利用信息，进而提取水域信息，分别从区域和市域尺度上探讨了武汉城市圈1987-2011城市化过程中水域景观格局的变化机制，对水域景观格局及其动态变化进行分析，探讨水域景观格局对城市化因子的时空响应。结果表明，在城市圈尺度上，城市化率、总人口、GDP以及建筑物面积等城市化因子均可以较好的预测水域景观格局的变化，但水域景观总面积与城市化因子的相关性较弱；在市域尺度上，不同城市影响水域景观格局变化的城市化因子不同，且影响程度存在差异；在城市圈和市域两个尺度上，水域景观变化与城市化的关系均呈现出随着经济发展、人口增加、非农人口比例增高、以及建设用地扩张（城市化强度提高），水域景观面积先减少再增加，景观破碎度降低，稳定性增强，形状趋于规则，水域景观聚集度增加的趋势。

关键词：水域；景观格局；城市化；武汉城市圈

中图分类号：Q149 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）08-1949-08

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.08.012

Abstract：In the paper，of land use information was obtained from five years of remote sensing images of Wuhan urban circle Landsat TM（1987，1995，2000，2005，2011） by combining machine and visual interpretation.Then water information was extracted.，The change mechanism of water landscape pattern in the process of the urbanization of Wuhan city circle during 1987 — 2011 was discussed from the scale of region and city， respectively. Water landscape pattern and its dynamic changes were also analyzed to explore the response of waters landscape pattern towards the factor of urbanization.the following conclusions were obtained：（1）In metropolitan scale，the factor of urbanization such as urbanization rate，the total population， GDP and urbanization building area can predict changes in water landscape pattern， but the correlation between the total area of water landscape and the urbanization factor was weak；（2）In the city region scale， the urbanization factor which affects the change of water landscape pattern is different in different cities，and there are differences in theimpact；（3）In metropolitan area and city scales，with the economic development，population increase，the proportion of non-agricultural population increased，as well as the expansion of construction land（urbanization strength increases），water landscape area firstly reduced and then increased，landscape fragmentation decreased but the stability increased，shape tends to be regular and the aggregation of water landscape increased.

Key words：water；landscape pattern；urbanization；Wuhan city circle

水域景觀是人类活动区域中最重要的开放空间，是自然要素最为密集、自然过程最为复杂的地域，对人类社会的发展起着重要作用[1]。目前的研究主要集中在对自然河道景观的历史演变上[2-6]，对城市水域景观演变的研究相对较少，主要包括汪松年等[7]对上海市河流、湖泊淡水湿地历史变迁的分析，范今朝等[8]对杭州运河功能的历史变迁的研究。城市水域演变原因的分析，一般都认为城市水域景观演变的原因主要是自然因子和人为干扰因素，包括地震、植被的有无、人类围垦、城市化和城市发展的方针、政策等。张晓阳[9]认为洞庭湖的演变主要是泥沙沉积和人类围垦引起的；崔秀丽等[10]认为白洋淀生态演变的主要原因是水源不足、水体富营养化、水生生物群结构简单。陈坚[11]指出江南水乡水面减少的主要原因是20世纪50～70年代的围湖造田和城市化进程的加快。汪松年等[7]指出，由于城市化使上海的淡水河流、湖泊的河面率由80年代初的11.10%减少到最近的8.40%，减少了2.7个百分点，也就是说，近20年来减少水面积约1/4。

随着经济的高速发展，城市化过程对区域生态系统的影响日益严重，对自然生态系统的干扰无疑打破了原来生态系统的结构和平衡，因而研究城市化背景下区域水域景观格局的演变具有十分重要的意义。而目前国内对于水域景观格局及其动态变化的研究较少，鉴于此，以武汉城市圈为例，综合分析了武汉城市圈1987 — 2011年城市化过程中水域景观格局的演变情况，对水域景观格局及其动态变化进行分析，进行城市化因子和水域景观格局两者耦合研究，探讨水域景观格局演变的原因以及影响因素，以期对该区未来景观生态规划提供依据。

1 研究区概况与数据处理

1.1 研究区概况

武汉城市圈是指以武汉为圆心，武汉周边100 km范围内的城市，即以武汉市为中心，涵盖了鄂州市、黄石市、孝感市、黄冈市、咸宁市、仙桃市、天门市和潜江市等市的地域空间范围（图1）。武汉市为城市圈中心城市，黄石市为副中心城市。城市圈面积达6.00万km2，是中国中部及长江中游最大、最密集的城市圈。该区域土地面积占湖北省的33.0%，人口占51.6%，环境自然条件优越，经济基础较好。武汉城市圈范围约为2.45万km2，人口1 640万人。

1.2 数据来源与处理

本研究使用的遥感影像数据为Landsat TM（1987、1995、2000、2005、2011）。由于同一年份，不同景的遥感影像时相差别较大，所以本研究以景为单位进行解译。考虑到Landsat的分辨率较粗，提取精细土地利用类型（二级分类）困难较大。根据实际土地利用特征，并考虑到生态系统的类型，本研究将武汉城市圈土地利用/覆盖分为4个类型：农地、林地、建筑以及水体[12]。城市圈内土地利用类型空间异质性较大，因此采用分层的思想，采用机器自动解译和人工目视解译相结合的方法，提取土地利用信息。1987、1995、2000、2005、2011解译的整体精度分别为83.5%、84.7%、87.3%、87.9%、86.5%。Kappa系数分别为0.83（1987）、0.81（1995）、0.82（2000）、0.81（2005）以及0.82（2011）。其他主要社会经济数据主要来源于各城市的统计年鉴。

2 研究方法

2.1 景观指数选择

近年来，有关景观指数的研究日趋成熟，一些学者也在运用景观指数来说明生态过程[12-14]，以此来评价生态服务价值的变化。目前景观格局分析的指数有很多，并且不断有新的指数提出，但是许多指数并不具太好的有效性[15]。选择景观指数是基于4个标准：①通过对以往的文献研究确定有可比性的景观指数[12，16，17，18]；②能够说明景观格局和生态条件的相关关系[14，17，19]；③在一个生态区域范围内，通过进行多重共线性检验计算所有的指标，选择冗余度低的景观指数[14，17]；④能够反映研究区域的景观格局特征[20]。选择的景观指数见表1，景观指数之间不存在显著相关关系。

2.2 空间自相关分析

通过借助Morans I指数，定量描述研究数据的空间自相关性。Morans I的值介于-1～1之间，其中-1代表绝对空间负相关，1代表绝对空间正相关，0代表随机分布。其计算公式如下：

式中，n为样本数；Yi和Yj分为样点i和j的属性值；Wij为空间权重矩阵；S2为属性值的方差。i和j分别为Yi和Yj的均值。

3 结果与分析

3.1 区域尺度上水域景观格局的变化机制

1987 — 2011年间武汉城市圈区域尺度上五个景观指数的时间变化趋势如图2所示。由图2可知，TA值先减少再增加；PD先增加再减少；ED1987 — 2000年变幅较小，2000 — 2011年减小较快；SHAPE_AM整体呈下降趋势，AI的值呈微弱上升趋势。其中，TA值从525 056 hm2（1987年）下降至447 966 hm2（1995年）又上升至536 433 hm2（2011年）。AI的上升率为1.05%，从93.15（1987）上升到94.58（2011）。SHAPE_AM值变化较大，分别为 20.01（1987）、8.04（1995）、7.29（2000）、9.83（2005）、7.55（2011）。ED的减少量也较大，5年的值分别为91.88（1987年）、88.49（1995年）、90.82（2000年）、77.14（2005年）、72.81（2011年）。结果表明，武汉城市圈区域水域景观面积和聚集度增加，同时水域的破碎度降低，不稳定性提高，形状趋于规则。

回归结果显示，景观指数PD、ED、SHAPE-AM和AI与4个城市化因子均存在显著线性关系（表2），景观指数TA则与城市圈城镇化因子线性关系不明显，城市化率、GDP、总人口以及建筑物面积等城市化因子可以较好的预测水域景观格局的变化。比较回归的决定系数（R2）可知，建设用地面积和斑块密度更能有效地预测农地景观格局的变化。比较回归系数可知，在城市化进程中，随着经济发展、人口增加、非农人口比例增高以及建设用地扩张，武汉城市圈水域景观破碎度降低，趋于稳定，形状规则度会随之增加，而水域的面积在早期会出现减少的趋势，但最终会增加，这与围湖造田和增加耕地数量的政策有关，但在1987 — 2011年间水域的景观聚集度增加，斑块形状趋于规则，水域生态系统更稳定。

3.2 行政区尺度上水域景观格局的变化机制

3.2.1 水域景观格局的时空变化 武汉1+8城市圈各县市TA在四个时间段內呈波动趋势（图2），但总体来看，大多数县市的水域面积呈先减少后缓慢增加的趋势。比较不同时间段内各城市的TA变化率可知，1987 — 1995年间，水域景观面积下降较快的县市为武汉市、咸宁市、孝感市、仙桃市、天门市、黄石市和黄冈市，鄂州市和潜江市水域景观面积增加，潜江市面积增加的幅度更大。1995 — 2000年间，TA下降率较快的县市为鄂州市、潜江市和天门市，黄冈市和黄石市的水域景观面积也在减少，但幅度较小，孝感市、咸宁市和仙桃市的TA增加幅度较大。2000 — 2005年间潜江市和咸宁市的水域面积减少较多，仙桃市、孝感市、武汉市、黄石市和鄂州市的TA出现较大幅度的增长。潜江市在2005 — 2011年间水域面积下降速度较快，仙桃市则增长较快，其他地区的增长或减小幅度较为平缓。这主要是由于20世纪70年代以来，由于人口的增多，在中国各湖泊的围湖造田现象越来越普遍，使得1998年以前各城市水域面积大幅减少。而1998年长江特大洪水期间，原来对长江洪水具有调节能力的湖泊，都因围湖造田而失去调节能力。此后中共中央国务院提出了“退田还湖、加固干堤、疏浚河道”的政策，因此在2000年以后各城市的水域面积出现了一定幅度的增加。

1987 — 2011年间，武汉城市圈除鄂州和黄冈外各市PD总体呈减少趋势，而且在早期1987 — 2000年间呈上升趋势，2000 — 2011年呈下降趋势，表明在城市化进程中，行政区尺度上水域景观破碎度会减小。比较不同时间段内各县市的PD变化率可知，1987 — 1995年鄂州市、黄冈市、黄石市、潜江市和天门市PD增加率较高，武汉市、孝感市、咸宁市和仙桃市下降较快，而到了1995 — 2000年之前PD下降较快的城市也出现了大幅度增长，增长较快的城市增长幅度出现了大幅下降。2000 — 2005和2005 — 2011年间除潜江市的PD仍在增长，鄂州市和咸宁市先减少再增加，其他各个城市PD均大幅度减少。这说明在城市化过程中，水域斑块密度随着社会经济发展而减小，生态系统趋于稳定。比较各县市PD增加率的空间格局可知，在1987 — 1995、2000 — 2005以及2005 — 2011年间，区域中部和北部的市水域景观破碎度下降较快，而在1995 — 2000年间，鄂州市、黄冈市和天门市等市的PD减少率较高。这主要是由于1998年以前围湖造田使得湖泊面积减小，大湖泊被分割成小的水域斑块，水域景观斑块密度增大，而在1998年后，由于中央政策的引导，各地认识到湖泊水域景观在生态系统中的重要性，逐步退田还湖，湖泊面积增大，小湖泊建设成大水库，斑块密度减小，水域景观稳定性增加。

各城市ED在4个时间段内也呈现出波动的趋势，各城市均为先增加后减少，说明1987—2011年期间，武汉城市圈水域景观前期不稳定性增加，到后期城市发展成熟，水域景观稳定性增大。1987 — 1995时间段内鄂州市、黄冈市、黄石市、潜江市和天门市的ED处于增长状态，这些城市的不稳定性增加，其他城市的ED不同程度地减少，水域景观的稳定性增强。1995 — 2000年间武汉和咸宁地区的ED增长较明显，水域的不稳定性增加较快。2000 — 2005年除黄冈和潜江出现了较小的增长外，其他城市的ED均出现了不同程度的减少，武汉市、孝感市和咸宁市的减少幅度较大。2005 — 2011年间除鄂州市和咸宁市外，各城市ED均出现了不同程度的下降。这说明在城市化过程中，水域景观的稳定性整体增强，早期出现的不稳定性主要是由于国家在城市化早期，由于地少人多，采取“围湖造田”的措施来增加耕地面积，但1998年以后认识到水域景观在土壤保持和生物多样性上的作用，实行了“退田还湖”政策，并进一步加强多湖泊水域的治理，使得水域景观的稳定性增强。

各县市的SHAPE-AM值也表现出减少的趋势，表明农地景观形状随着社会经济的发展趋于规则。具体表现为，1987 — 1995和1995 — 2000年间武汉市、黄石市、孝感市、咸宁市和仙桃市的水域景观SHAPE-AM下降幅度较大，斑块形状更加规则，这主要由于人们在土地整治规划中，对水资源的重视，人类活动使得对水域景观形状更加规整。总的来看，只有在2000 — 2005期间各城市的水域景观形状不规则度在增加，而其他三个时间段SHAPE-AM出现较大幅度减少，水域景观形状更加规则。这说明随着社会经济的发展和土地规划的实施，水域景观也在人类活动的干扰下发生改变，对于水域的空间结构布局的优化调整都使得水域布局日趋规整，斑块形状更加规则。

AI值表现出先减小后增加的趋势，1987 — 2000年各城市的聚集度减小，而在2000 — 2011年间各城市AI值增加，但总的来看水域景观聚集度呈增加的趋势。这主要是由于在1998年前，由于地少人多，各城市“围湖造田”的现象比较严重，水域景观斑块密度增加，斑块面积减小，水域景观聚集度减小，而在1998年以后，国家出台了“退湖还田”的政策来保护水域资源，疏浚河道，加强河流水域的规划管理，水域景观面积增加，形状更加规则，各城市的水域景观聚集度增加。

3.2.2 水域景观格局的空间自相关分析 四个时间段内空间自相关的分析结果（表3）表明，TA、PD、ED、SHAPE、AI五个景观指数变化的Morans I值均较小，并没有表现出显著的空间自相关性，说明水域景观格局变化在空间上呈现出相对独立的态势。由于武汉城市圈各个城市的地域条件的差异，人类活动的干扰以及自然、社会、经济因素发展差异，不同城市、不同城市化因子对水域景观格局的影响程度有较大差异。

3.3 水域景观格局与城市化的关系

选择GDP（国内生产总值）、POP（总人口）、UR（城市化率）、UII（城市化强度）四个指数与景观格局指数进行耦合分析，探讨水域景观格局与城市化因子的相关关系。比较线性回归的R2（表4）可知，在1987 — 2011年间，武汉市的城市化因子对水域景观格局变化影响显著的是POP和UII，GDP、UR和景观指数之间的联系相对较小。表明人口和城市化强度在1987 — 2011年间可以有效预测武汉市水域景观格局指数的变化，而GDP和城市化率因子不能有效解释武汉市水域景观格局指数的变化。其中，人口和城市化强度都与SHAPE-AM显著相关，表明人口和城市化强度能够有效预测武汉市水域景观形状的变化。比较线性回归的标准化系数可知，随着人口的增长、城市化强度的加强，武汉市水域景观形状会趋于不规则。

对于咸宁市而言，在1987 — 2011年间POP和UII均与TA呈正相关，此外POP還与SHAPE-AM呈正相关，表明城市总人口以及城市化强度均能有效预测咸宁市水域景观总面积的变化情况，城市总人口对于水域景观形状变化也能够起到有效的预测作用。比较分析回归的标准化系数可以看出，咸宁市水域景观形状指数和总面积的变化与POP、UII呈正相关，表明随着人口增加以及城市化强度的增加咸宁水域景观面积增加，而且水域景观形状趋于不规则。

对黄石市的回归情况进行分析可知，在1987 — 2011年间，黄石市水域景观总面积均与城市总人口和城市化强度呈正相关，景观斑块密度PD和景观边缘密度ED与城市总人口呈显著负相关，此外总人口还与水域景观聚集度呈正相关，而UII则与景观形状指数显著相关。而GDP和UR对所有景观指数均无显著相关性，表明POP可有效预测黄石市水域景观总面积、斑块密度、不稳定性和聚集度的变化，城市化强度可以有效预测水域景观面积、水域景观形状的变化，而GDP和城市化率对于黄石市水域景观格局的变化不能起到有效的预测作用。由回归的标准化系数来看，随着人口的增长，城市化强度的增加，黄石市水域景观面积、形状指数和聚集度会持续增长，景观不稳定性和破碎度会降低。

在1987 — 2011年间，对潜江市的回归情况进行分析可知，潜江市GDP、城市总人口、城市化率和城市化强度均与TA、PD、ED、SHAPE-AM、AI相关。水域景观总面积和不稳定性均与GDP、城市总人口和城市化强度呈负相关，景观斑块密度PD和景观聚集度AI与GDP、POP、UR显著相关，此外聚集度还与城市化强度呈显著正相关，而景观平均形状SHAPE-AM则与GDP和城市总人口呈显著负相关。表明GDP和POP可有效预测潜江市水域景观总面积、斑块密度、不稳定性、形状指数和聚集度的变化，城市化率可有效预测水域景观斑块密度和聚集度变化，城市化强度可以有效预测水域景观面积、水域景观稳定性和聚集度的变化。由回归的标准化系数来看，随着经济的发展、人口的增长、城市化率和城市化强度的增加，黄石市水域景观面积和不稳定性会降低，景观形状会趋于规则，破碎度会降低，景观聚集度会增加。

对孝感市的回归情况进行分析可知，在1987 — 2011年间，孝感市水域景观总面积与城市总人口呈正相关。而GDP、UR以及UII对所有景观指数均无显著相关，表明POP可有效预测孝感市水域景观总面积的变化，而GDP、城市化率和城市化强度对于孝感市水域景观格局的变化不能起到有效的预测作用。由回归的标准化系数来看，随着人口的增长，黄石市水域景观面积会持续增长。

在1987 — 2011年间，鄂州市水域景观不稳定性与城市化强度呈显著负相关。而GDP、POP以及UR对所有景观指数无显著相关关系，表明UII可有效预测鄂州市水域景观不稳定性的变化，而GDP、总人口和城市化率对于鄂州市水域景观格局的变化不能起到有效的预测作用。由回归的标准化系数来看，随着城市化强度的增强，鄂州市水域景观稳定性会增强。

对仙桃市的回归情况进行分析可知，在1987 — 2011年间仙桃市GDP、城市总人口和城市化强度均与TA、SHAPE-AM、AI相关。水域景观总面积和形状指数均与GDP和城市总人口呈正相关，此外景观总面积TA还与UII显著相关，而景观聚集度AI与POP显著负相关。表明GDP和POP可有效预测潜江市水域景观总面积以及形状指数和聚集度的变化，城市化强度可有效预测水域景观总面积的变化。由回归的标准化系数来看，随着经济的发展、人口的增长和城市化强度的增加，仙桃市水域景观面积会增加，景观形状会趋于规则，景观聚集度会降低。

对天门市的回归情况进行分析可知，在1987 — 2011年间，GDP、城市总人口和城市化强度均与PD、ED和AI相关。水域景观斑块密度与GDP和城市化强度呈负相关，并且景观不稳定性与GDP、POP、UII显著负相关，此外聚集度与GDP和总人口显著正相关，而UR则与景觀指数无明显相关关系。表明GDP可有效预测潜天门市水域景观斑块密度、不稳定性和聚集度的变化，城市总人口可有效预测水域景观稳定性和聚集度变化，城市化强度可以有效预测水域景观破碎度以及稳定性的变化。由回归的标准化系数来看，随着经济的发展、人口的增长和城市化强度的增加，天门市水域景观破碎度会降低，景观稳定相增强，景观聚集度会增加。

在1987 — 2011年间，对黄冈市的回归情况进行分析可知，黄冈市GDP、城市总人口和城市化强度与景观TA、PD、ED、SHAPE-AM相关。水域景观总面积和形状指数均与GDP、城市总人口和城市化强度显著相关，景观斑块密度PD与GDP、POP显著负相关，此外景观稳定性指数ED还与城市总人口呈显著负相关，而SHAPE-AM则与GDP和城市总人口显著负相关。表明GDP可有效预测潜江市水域景观总面积、斑块密度和形状指数的变化，城市总人口可预测水域总面积、斑块密度、稳定性和形状指数的变化，城市化强度可有效预测水域景观总面积和形状的变化，而城市化率不能有效预测景观指数的变化。由回归的标准化系数来看，随着经济的发展、人口的增长和城市化强度的增加，天门市水域景观面积和稳定性会增加，破碎度降低，景观形状会趋于不规则。

4 小结

在不同尺度上，1987 — 2011年间水域景观格局变化存在一定的差异，但总体变化趋势基本相似，主要表现为水域景观面积先减少再缓慢增加，破碎度降低，稳定性增强，形状趋于规则。此外，通过空间自相关分析发现水域景观变化在空间上呈现出相对独立的态势，并未呈现显著空间自相关。另一方面，水域景观变化与城市化存在着较明显的定量关系，具体总结为以下几点：

在城市圈尺度上，城市化率、总人口、GDP以及建筑物面积等城市化因子均可以较好预测水域景观格局的变化，但水域景观总面积与城市化因子的相关性较弱，这主要是由于水域景观面积不仅因为人口的增加而增加，还与国家政策有很强的关系，前期政策制定未能考虑到水域对可持续发展的重要性。

在市域尺度上，不同城市影响水域景观格局变化的城市化因子不同，且影响程度存在差异，城市总人口和城市化强度因子对主要城市的水域景观格局的影响程度更为显著。

在城市圈和市域两个尺度上，水域景观变化与城市化的关系均呈现出随着经济发展、人口增加、非农人口比例增高以及建设用地扩张（城市化强度提高），水域景观面积先减少再增加，景观破碎度降低，稳定性增强，形状趋于规则，水域景观聚集度增加的趋势。

武汉城市圈涉及到九个城市，九个城市的社会经济发展状况各有特色，各个城市土地利用政策也存在差异，本研究在分析武汉城市圈水域景观变化规律时，只对整体政策变化进行分析，没有具体分析单个城市土地利用结构变化的驱动因素，进一步的研究应该更细化进行分析。

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