乌鲁木齐市景观格局变化及驱动力分析

哈孜亚·包浪提将, 毋兆鹏,2, 陈学刚,2*, 胡尔西别克·孜依纳力



乌鲁木齐市景观格局变化及驱动力分析

哈孜亚·包浪提将1, 毋兆鹏1,2, 陈学刚1,2*, 胡尔西别克·孜依纳力1

1. 新疆师范大学地理科学与旅游学院, 新疆, 乌鲁木齐 830054 2. 新疆师范大学新疆维吾尔自治区干旱区湖泊环境与资源重点实验室, 新疆, 乌鲁木齐 830054

随着乌鲁木齐市战略地位的提高与城市化进程的加快, 在时空尺度上, 城市景观已经发生了巨大的变化。城市区域占据了大量耕地和未利用地, 改变了影响生态系统服务的景观分布和构成, 产生一系列的生态和环境问题。以乌鲁木齐市作为研究区域, 采用1990、2000和2010年LANDSAT—TM、2015年Landsat OLI_TIRS遥感影像数据对乌鲁木齐市近25年的景观格局变化过程进行了分析。同时, 运用乌鲁木齐市统计年鉴数据和城市规划和管理政策去识别城市景观变化的驱动力。结果表明, 乌鲁木齐市建设用地和林地面积呈非平衡状态, 并随城市化活动不断加强, 破碎化程度高, 斑块形状复杂化, 景观类型中的优势种趋于下降趋势且没有较好的连接性, 城市景观的异质性加强。研究发现社会经济因素对城市景观格局影响程度较大, 是主要驱动力。

乌鲁木齐市; 景观格局; 遥感影像; 破碎化; 驱动力

1 前言

城市是非农业人口和非农产业聚集的居民点, 人口稠密, 是经济、社会、文化活动频繁的集聚地。城市化是一个社会全面发展的过程, 除了促进社会经济的发展, 还可以促进社会文明的进步[1]。随着城市化的推进, 原本单一、均质、整体、连续的自然景观趋向于复杂、异质和不连续的混合斑块镶嵌体[2]。随着建成区的不断扩大, 景观格局还将受到日益增强的干扰, 景观格局演变将更加复杂化, 由此带来的生态环境影响将更为突出, 引起了土地利用/土地覆被类型、自然资源和生态环境状况的改变[3]。景观格局既是景观异质性的具体表现, 也包括干扰在内的各种生态过程在不同尺度上作用的结果[4–6], 也直接影响到景观内物种的丰度、分布及种群的生存能力及抗干扰能力, 因而景观格局分析是探讨景观格局和生态过程相互关系的基础[7]。分析景观格局的时空分布与变化对城市的可持续发展能力的评估起着关键作用[8]。目前已经成为全球性关心的热点和突出问题, 受到了学者们的广泛关注, 俞龙生等[9]通过景观格局与梯度相结合的方法来分析了城市化景观格局的变化及其城乡融合区特征; 吴晓青等[10]通过遥感手段对沈阳城市发展变化趋势和生态环境影响进行分析与比较; 齐杨等[11]研究长三角地区和新疆地区景观格局分析并对两地区进行对比分析; 彭欢等[12]以北京南部城市发展新区运用转移矩阵和景观格局指数的方法, 进行土地利用变化和景观格局分析; 刘焱序、黄硕等[13–14]研究城市景观生态的风险。现有研究主要集中在以下几个方面: (1)基于遥感影像解译与景观制图, 利用Fragstats景观统计模型, 计算不同时期景观格局指数并进行比较分析, 并用统计方法分析景观格局变化的驱动因子, 从而重构城市化发展的空间递推性和时间延续性的过程。(2)城市景观格局演变与城市形态扩展研究, 城市空间形态扩展必然引起景观格局的演变。(3)快速城市化过程中, 城市景观格局演变而引起的各种生态环境问题。

本文利用1990—2015年的4期Landsat遥感影像, 借助遥感技术的时效性、数据的可比性等特点, 对遥感数据进行处理并提取城市景观类型, 探究乌鲁木齐市城市景观格局的变化, 并结合统计数据识别城市景观格局变化的驱动力。为城市管理部门制定可持续的土地规划策略, 以及促进城市生态格局的建立提供科学基础[15], 为城市景观合理发展提供科学依据[16]。

2 研究区概况

乌鲁木齐市位于86°37'33"—88°58'24"E、42°45′32′′—45°00′00′′N之间, 亚欧大陆腹地, 地处天山北麓、准噶尔盆地南缘, 西部和东部与昌吉回族自治州接壤, 南部与巴音郭勒蒙古自治州相领, 东南部与吐鲁番地区交界[17]。海拔620 m—920 m, 南北端高差240 m, 属于中温带半干旱大陆性气候, 昼夜温差大。乌鲁木齐市是新疆维吾尔自治区首付, 全市辖七区一县, 总行政面积1.4×104km2。2007年8月经国务院批准, 由昌吉回族自治州原米泉市和原乌鲁木齐市东山区合并成立, 隶属于乌鲁木齐市米东区。市区三面环山, 城中有红山阻隔, 形成了东南高而窄, 西北低而阔的狭谷地带特征[18], 市区呈南北狭长, 东西向窄, 长约17 km, 宽2—6 km。它是中国扩大向西开放, 开展对外经济文化交流的重要窗口, 也是第二座亚欧大陆桥经济带和我国西部地区重要的经济中心。随着快速的城市化过程, 乌鲁木齐市建成区面积从1990年的63.50 km2增加到了2015年的429.96 km2。本文以建成区主要研究区, 为了保持研究区范围的一致性, 本文将2007年以前的米泉市也纳入研究区内。(图1)。

3 研究方法

3.1 数据的来源与处理

本文选取LandsatTM、OLI_TIRS系列4期卫星影像数据作为主要的数据源(见表1), 四期影像数据成像质量以及成像时的天气状况都比较理想。经济、人口、生产总值等数据来自乌鲁木齐市统计年鉴及相关政府公报。

图1 研究区概况图

表1 遥感影像数据源

为了提高土地分类精度和影像数据质量, 采用遥感图像处理软件ENVI4.8对遥感数据进行图像合成、大气校正、几何校正以及图像拼接等预处理, 再此基础上进行监督分类和目视解译, 得到乌鲁木齐市4期景观类型分类图。对分类后的图像通过总体精度和Kappa系数值进行分类精度评价, 总体精度评价高于最低精度要求。获得4期景观分类图后, 在Arcgis10.0计算并制作专题图进行分析。

3.2 景观类型分类

本研究把乌鲁木齐市作为研究区域, 根据城市用地分类与规划建设用地标准GB50137—2011, 把乌鲁木齐市景观类型分为建设用地、水域、耕地、林地及其他未利用地等五种类型, 如表2所示。

3.3 景观类型的变化模型

3.3.1 变化幅度模型

为了更好的描述不同时期的景观格局变化程度, 本文引用了以下几个模型。

景观类型变化幅度模型(1)反映不同景观类型面积的总量。其数学表达式为[19]:

式中U、U分别为研究某一景观类型的面积,R为某一景观类型的变化幅度。

3.3.2 转移矩阵模型

土地利用转移矩阵反映了某一区域某一时段初期和末期各景观类型面积之间相互转化的动态过程信息。在ENVI4.8平台上进行景观动态监测。转移矩阵通用形式为[20]:

表2 乌鲁木齐市景观类型分类

式中为面积;为转移前后的土地利用类型数;(=1, 2, …, n)分别为转移前与转移后的土地利用类型;s表示转移前的i地类转换成转移后的j地类的面积。

3.3.3 变化速度模型

变化速度模型对预测未来景观类型变化趋势具有积极意义。本文以单一动态度为例, 某一单位时间内某一景观类型数量的变化程度, 可以预测未来景观变化的趋势[21–22]。其模型为:

式中T为研究时间段,UU分别代表研究初期和末期某种景观类型的面积,R为T内某种景观类型的动态度。反映该景观类型的时间变化动态度, 并不能反映该景观类型空间变化。

因此本文用公式(4)来反映某一景观类型的空间变化的动态度:

本研究以公式(5)来反映景观类型变化的趋势和状态:

3.4 景观指数的选取和计算

在众多景观格局的分析方法中, 景观指数的应用最为广泛。景观指数是指能够高度浓缩景观格局信息, 反映其结构组成和空间配置等方面特征的简单定量指标[23], 根据分析景观格局的需要选取以下8个指标(表3), 利用Fragstats4.2软件计算景观格局指数。

表3 景观指数公式

4 结果与分析

4.1 景观类型动态变化

利用4期景观类型分类图(图2、图3)结果表明, 乌鲁木齐市1990年建成区分布在中心区域, 西北和东北呈线状分布。1990至2000年期间, 建成区面积从63.50 km2增加到139.55 km2, 这一期间建成区主要向北部发展, 东北部发展到米泉市的交界处(现米东区), 南部也不断向外围扩展, 西部则往雅马里克山延伸。2000年至2010年期间, 发展速度明显快于前10年, 建成区面积增长近两倍, 中心区域的建成区密集, 建成区不断向外围区域延伸, 北扩新区, 西北部建成区向火车西站扩张并连成一片, 南部则向外围区域扩展到红雁池, 2010年至2015年, 乌鲁木齐市实施了“南控北扩、先西延后东进”战略, 推进城市向北部新区拓展、向东西两翼延伸。

从表2可以发现, 25年中乌鲁木齐市各景观类型中建设用地的面积稳步增加, 增幅位于其他景观类型之首, 增幅为36.39%, 林地的面积也处于稳步增加的状态, 但与前20年相比, 后五年建设用地和林地的增幅明显放缓。由此可知, 优势地位的斑块类型为建设用地, 耕地则一直处于下降趋势, 也是减幅最快的景观类型, 与耕地相比, 水域面积处于起伏不定, 变化幅度相对稳定, 其他未利用地类型一直趋于下降的趋势, 但是比起前20年, 后5年减幅放缓(表4)。

图2 1990年至2015年乌鲁木齐市建成区面积叠加图

图3 乌鲁木齐市1990、2000、2010、2015年的景观类型分布图

4.1.1 转移矩阵分析

从转移矩阵表格(表5)可以看出, 25年中乌鲁木齐市各景观类型的面积发生了很大的变化, 其中建设用地的变化量最大, 建设用地面积不断增大, 主要来自于其他未利用地、耕地和林地的转入, 转入量分别为184.92 km2、84.01 km2和14.58 km2; 水域的变化量是相对稳定的, 略有下降趋势; 地转入量主要是其他未利用地, 转入量为30.13 km2, 转出量主要为建设用地, 为84.01 km2, 处于下降趋势; 林地的变化量稳步增多, 主要的转移量为其他未利用地和耕地, 为83.61 km2和19.66 km2; 未利用土地的转移量主要来自耕地, 转入量为78.80 km2, 未利用土地从864.53 km2减少到651.84 km2, 转出大于转入, 趋于下降趋势。

4.1.2 景观类型变化速度分析

本研究利用公式(3)、(4)、(5)分别计算出1990—2000、2000—2010、2010—2015和1990—2015四个时期的景观类型变化的趋势和状态指数, 如表4所示:

表4 乌鲁木齐市景观类型面积、构成、变化幅度表

Tab.4 The area, composition, variation of Urumqi landscape type

表5 乌鲁木齐市景观类型的转移矩阵(km2)

结果表明: (1)1990年至 2000年期间, 建设用地, 水域, 林地处于“涨势”的状态, 耕地, 其他未利用地处于“落势”的状态, 其中水域规模处于缓慢增长, 而其他未利用地则处于缓慢减少的状态, 两者都出现双向转换频繁, 则处平衡状态。

(2) 2000年至2010年期间, 建设用地, 水域, 林地则处于“涨势”状态, 耕地, 其他未利用地则处于“落势”状态, 其中其他未利用地主要转换方式为该类型转换为其他景观类型, 该景观类型面积萎缩 , 出现不平衡状态。

(3)2010年至2015年期间, 建设用地和林地处于“涨势”状态, 水域、耕地及其他未利用地处于“落势”状态。

(4)1990年至2015年期间, 建设用地和林地面积稳步增加, 最主要转换方式为其他景观类型转变为此类型, 出现了极端非平衡状态。而耕地转换方式则相反, 主要转换方式为该景观类型转变为此景观类型, 致使此景观类型面积逐渐萎缩。

4.1.3 景观格局指数的变化分析

1990年至2015年的乌鲁木齐市景观格局发生了明显的变化(图4):

(1)NP值大幅度上升, 表明斑块规模逐渐变小, 破碎化程度大, 该城市同种或不同种景观类型斑块规模在一定程度上趋于缩少, 导致了不能为生物提供足够的生存的空间。

(2)PD值稳步增加, 从1990年的6.82到2015年的19.85, 表明建设用地的不断扩展等城市化活动的不断加强, 减弱了景观抗干扰抵御自然灾害能力, 生态环境承载力有所下降[22]。

(3)TE值不断增加, 该市不断向外围延伸。也在一定程度上说明了侵占其他类型的景观分布来扩展建设用地。

(4)ED值趋于增加, 从1990年的40.52到2015年的89.22, 说明斑块增多, 面积不规则, 破碎化程度增强, 景观类型呈现不连续性。

(5)LSI值一直处于增长的趋势, 从1990年的38.56到2015年的83.66, 该指标与人类的干扰强度有密切相关, 说明该市斑块形状趋于复杂化, 景观结构复杂化。

(6)CONTAG值有下降趋势, 从1990年的61.88到2015年的45.1, 说明了该市具有多种要素的密集格局, 优势种没有良好的连接性, 破碎化程度较高。

表6 乌鲁木齐市景观类型的动态变化度和变化趋势

图4 乌鲁木齐市景观指数变化

(7) SHDI趋于增长状态, 从1990年的0.95到2015年的1.24, 说明了该城市斑块类型的不断增加, 类型不断丰富, 城市景观破碎化不断加强, 景观类型优势度下降, 景观受某一种或者少数几种优势斑块所支配的景观整体格局逐渐被改变。

(8)SHEI值越来越趋于1, 说明该城市的优势度在下降。

从景观格局指数分析来看可知, 1990年至2015年乌鲁木齐市向外扩张的建设用地是通过占用其他景观用地来得以实现, 景观类型中的优势种趋于下降趋势并没有较好的连接性, 城市景观的异质性加强, 破碎化程度高, 斑块形状趋于复杂化。

4.2 驱动力分析

分析景观格局变化的原因及机制, 便于更深刻地去了解人类活动与景观活动演化关系[24]景观格局的变化在于内外驱动因素对于景观要素的干扰作用, 其结果使得景观稳定性及其空间结构发生变化, 从而使景观格局发生变化[25]。景观格局变化的驱动因子主要包括自然和人文两方面的因素。自然因素在较大的时空尺度上作用于景观, 而在较小的时空尺度下, 经常变化的人文驱动因素是景观变化的直接驱动力。自然和人为因素均可以对城市景观整体结构、空间构型以及斑块特征产生显著影响, 但人为活动无疑占据着优势地位。

4.2.1 自然因素分析

自然驱动因素主要是指在景观发育过程中, 非人类创造的直接或间接对景观形成起作用因素, 包括地形、气候、水文、植被等等诸多方面。因研究区远离海洋, 四周被高山阻隔, 属于中温带大陆性干旱气候, 河流域面积不大, 植被结构单一, 外贸稀疏, 即研究区发展主要受地形限制, 因此自然因素分析主要以地形为主。乌鲁木齐市三面环山, 东部有博达山、喀拉塔格山、东山; 西部有喀拉扎山、西山; 南部天格尔山、土格达坂塔格等, 北部平原开阔, 这种特殊的地缘和区位优势使河流两岸沿南北、东西两个方向延伸, 呈现出北宽南窄的“T”形分布, 这种分布既为该市的发展提供空间, 也束缚着该市的发展。所以这种束缚作用是不容忽视的。

4.2.2 社会经济因素分析

人口数量的增长与建成区面积的增长密切相关, 人口增长迫使建筑面积扩大, 城市的扩张也可以用建成区扩展率和人口增长率来确定[26], 城市土地是用来城市居民生活、工作、娱乐和学习的主要场所, 人类占据一定的空间场所来生存及生产。人口对城市用地扩展的影响主要是以人口数量的变化来体现的。

图5 乌鲁木齐市近25年的地区生产总值和人口统计图

经济增长对与建成区面积呈正相关(图5), 生产总值从2000年起经济飞速增长, 建城区面积也不断扩大, 经济增长促使市中心地价上升, 迫使有些产业不得不迁移到城市的边缘, 经济发展与产业发展会支撑城市的扩展, 进而导致了耕地面积的递减, 因此人口增长是城市扩张的根本原因之一。

城市规划主要通过政府的决策行为来改变城市空间格局, 对城市的发展具有导向作用。在国内, 国家政策与社会经济各方面都有密切的关系, 对景观格局的变化也有深广的意义, 因此城市景观格局变化与城市规划的联系是密不可分的, 城市规划的实施会直接影响到社会经济的进步和城市景观格局的变化。乌鲁木齐市2007年提出来的坚持“东延西近, 北宽南窄”的战略, 再加上新疆提出的“乌昌一体化”战略, 使乌鲁木齐市呈北宽南窄的“T”形分布, 逐渐形成以乌鲁木齐市为中心的“一城两轴”空间发展格局。建设用地规模不断扩大生态空间萎缩、工业区的建设和水利设施的修建等直接或间接的改变了景观格局。影响了城市产业空间布局的调整, 带动了城市用地的调整。

5 结论

(1)从景观变化幅度表征上, 各景观类型的变化幅度在各个时期速度和规模是不一样的, 但是在变化幅度、转移矩阵和变化速度都表明建设用地面积稳步增加, 增幅居所有景观类型之首, 变化量最大, 25年间都处于“涨势”状态。

(2)景观指数根据分析, 乌鲁木齐市25年里建设用地面积增加, 建设用地在城市景观的景观类型中越来越占据着优势地位, 而其他景观类型受到人为因素的干扰, 斑块形状越来越复杂化, 景观的异质性加强, 破碎化程度高, 生态环境承载力下降。乌鲁木齐市作为丝绸之路经济带核心节点城市, 应注重乌鲁木齐市的景观生态环境, 水域、林地的生态价值极高且耕地则会保障人民的口粮, 因此在城市化进程中应该尽量避免破坏。

(3)驱动力驱动力分析结果表明, 每一种驱动力因素都对乌鲁木齐市景观格局演变或多或少都有一定的影响。每种驱动因素是相互制约, 相互影响和相互作用下来推动城市景观格局变化, 无疑人为活动占据着主要的驱动因素, 地形等自然因素、人口增长、城市规划、城市产业结构的调整是推动乌鲁木齐市景观格局变化的主要驱动力。

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Analysis of landscape pattern change and driving force in Urumqi city

HAZIYA Baolangtijiang1, WU Zhaopeng1,2, CHEN Xuegang1,2,HUERXIBIEKE Ziyinali1

1. School of Geography Science and Tourism, Xinjiang Normal University, Urumqi 830054,China 2. Municipal Key Laboratory of Arid Lake Environment and Resources, Xinjiang Normal University, Urumqi 830054,China

With the improvement of the strategic status and the rapid urbanization process of Urumqi, the city’s landscape pattern has changed greatly in spatial and temporal scale. During the rapid urbanization process, the city occupied huge amounts of open spaces and agricultural land, which changed the distribution and constituents of landscape that impacted the ecosystem services, and resulted in series of eco-environmental problems. The paper took Urumqi city as a case area and analyzed the change characteristics of urban landscape pattern and trend of landscape pattern in Urumqi during the recent 25 years, based on the Landsat TM images of 1990, 2000 and 2010 and the Landsat OLI_TIRS image of 2015. Combined with social and economic statistical data, urban planning and management policies, we aim to find the driving forces of landscape pattern change. The results indicated that the construction land and forest land area of Urumqi was non-equilibrium, and with the urbanization activities continuing to strengthen, the degree of fragmentation was high, the patch shape was complicated, the dominant species in the landscape type tended to decline and there was no better connection, and urban landscape heterogeneity was strengthened. Social and economic factor on the urban landscape pattern was of a greater degree, which was the main driving force.

Urumqi; landscape pattern; remote sensing image; landscape fragmentation; driving force

P901

A

1008-8873(2018)01-062-09

2016-12-06;

2017-03-07

国家自然科学基金(41461033,41161029)

哈孜亚·包浪提将(1992—), 女, 新疆伊宁人, 硕士研究生, 主要从事城市地理与规划, E-mail: 1499238016@qq.com

陈学刚, 男, 博士, 教授, 研究方向: 主要城市地理与环境研究, E-mail: caschxg@126.com

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.01.009

哈孜亚·包浪提将, 毋兆鹏, 陈学刚, 等. 乌鲁木齐市景观格局变化及驱动力分析[J]. 生态科学, 2018, 37(1): 62-70.

HAZIYA Baolangtijiang, WU Zhaopeng, CHEN Xuegang, et al. Analysis of landscape pattern change and driving force in Urumqi city[J]. Ecological Science, 2018, 37(1): 62-70.