海口市2000—2015年城乡交错带景观格局梯度变化研究

张利利 厉月桥 李 锐

(1. 中国林业科学研究院亚热带林业实验中心，江西 分宜 336600; 2. 国家林业局中南林业调查规划设计院，湖南 长沙 410014)

景观格局是各种生态过程在不同尺度上作用的结果，是景观异质性的表现。城乡交错带，是城市扩展的 “形成层”，是城乡建设的集中地带，人类经济社会活动频繁，是乡村城镇化的 “先导区”[1-3]。城市化过程影响着城市生态系统的组成部分，结构与功能特点，对城市周边范围的景观格局的改变产生重要影响[4-5]，景观格局变化远超过了自然环境的生态规律，因此，探讨城乡交错带上不同景观要素的梯度特征，在景观格局指数的基础上进行梯度分析是研究城市化过程的重要手段[6-8]。长久以来学者们在进行城乡交错带的研究时，划分的依据主要是经验，或者直接选取某一个区域进行研究，这样的选取方法具有很强的主观性和随意性，导致研究结果不具有说服力。城乡交错带空间范围的确定是实现科学管理、社会经济可持续发展与资源合理利用的前提[9-10]，也是进行景观格局梯度研究的基础。本研究基于引力模型，通过构建指标体系，对海口市2000、2008、2015年城乡交错带的空间范围进行界定。以市中心为起点设置等距梯度，对海口市城乡交错带景观格局进行梯度分析，旨在科学的阐述海口市景观格局的空间梯度变化特征，为海口市城市化过程中景观格局空间量化和格局优化提供参考[11-13]。

1 研究区概况

海口市地处海南岛北部，北濒琼州海峡，与广东省海安镇隔海相望，东边邻接文昌市；南面与文昌市、定安县接壤，西面与澄迈县相邻，全市土地面积2 304.84 km2，是全省政治、经济、科技、文化中心和最大的交通枢纽。海口市位于北纬19°32′～20°05′，东经110°10′～110°41′，地势平缓，绝大部分为海拔100 m以下的台地和平原，海南省的第一大河流南渡江，从海口市穿过，长75 km，流域面积为130 km2，年径流量60.99亿m3。海口市属于热带海洋性季风气候，年平均气温24.3 ℃，最高平均气温28 ℃左右，最低平均气温18 ℃左右。年平均降水量2 067 mm，年平均蒸发量1 834 mm，热带资源丰富，具有海岛最自然的特色景观。海口市植被类型丰富，其中主要为灌木草丛。海口市的天然植被以热带地区常见的野生灌木草丛植物种群为主。海口市的主要土壤类型有5种，分别为带状潮沙泥、火山灰幼龄砖红壤、滨海沙土、沙页岩砖红壤、玄武岩砖红壤。

2 材料与方法

2.1 数据来源及处理

对2000、2008、2015年3期的遥感影像进行辐射定标、大气校正、几何校正等预处理，其中2000、2008年的遥感影像为Landsat 5 TM数据，2015年的遥感影像为Landsat8 OLI数据，分辨率均为30 m，轨道号为124/46和123/46，将预处理的遥感影像在ENVI 5.0中进行拼接镶嵌，再按照海口市的行政边界进行裁剪，得到3期海口市影像图。采用监督分类与目视解译相结合的方法对遥感图像进行解译。建立准确的判读标志是保证解译精度的关键，感兴趣区域要求能够表现和反映出目标地物的特征和信息。本研究结合海口市土地资源的性质和特点，根据不同地物的颜色、形状等特征建立解译标志，在建立的解译标志的基础上，将海口市划分为林地、农地、水域、建设用地、其他用地5种土地利用类型。以实地调查作为解译标志的判读基础，在ENVI 5.1和ArcGIS 10.2的辅助下，完成研究区域遥感影像的解译，生成海口市3期土地利用数据及相应的属性数据，数据格式为shapefile矢量格式文件，将所得到的3期shapefile数据分别转化为kml格式，导入到Google Earth中，根据Google Earth影像图，对判读不准确的区域进行修改，利用1∶100 00地形图，以及Google Earth高分辨率影像进行精度评价，评价结果均超过80% (图1)。

2.2 研究方法

牛顿的万有引力定律认为宇宙间任意2个物体都能相互吸引，2个物体的质量越大、距离越小引力值越大，反之则越小 (公式(1))。本研究正是利用引力模型的这一特性为研究基础，研究海口市核心区与海口市其他乡镇之间的相互作用的变化，利用空间实体间相互作用的变化来划分海口市的城乡交错带的内外边界[14]。

(1)

2.2.1城乡交错带空间边界界定

利用引力模型，通过构建指标体系，在景观方面选取景观多样性指标 (公式(2))；城市人口特征方面利用相对人口密度指标 (公式(3))；城市的土地利用情况方面选取农地比重、建设用地比重2个指标，将研究区划分为若干1 km × 1 km的网格，全面覆盖海口市，计算各个网格的4个指标值，选择海口市的明珠广场所在位置为模型中心点，中心点的质量为美兰城区与龙华城区所在网格中各个指标的平均值，其他点的质量分别为对应网格中各个指标的值，利用引力模型计算各个网格与模型中心点之间的引力值。

(2)

式中：H为景观多样性指数，Pi为某一景观类型所占的面积比，m为景观类别的数量。

(3)

式中：W为相对人口密度，k为网格内乡镇的人口总数，l为网格内居住用地面积，A为各个乡镇居住用地总面积。

图1景观类型分布
Fig.1 Landscape types distribution

(4)

(5)

式中：F为一次变化率，t为二次变化率，fi为某一网格点的引力值，fi+1为延这一剖面线方向fi的下一网格点的引力值，Fi为某一网格点的一次变化率，Fi+1为延这一剖面线方向Fi的下一网格点的一次变化率。

如图2，以模型中心点为圆心，以10度为间隔向外绘制放射状剖面线，选取与剖面线相交的网格，提取出交叉网格的引力值，构成36个网格数据序列[15]。由于引力值变化的分析仍不是很明显，因此，需要利用引力值的一次变化率 (公式(4)) 和二次变化率 (公式(5)) 对引力值的变化进行分析，从而找出引力值变化的转折点。然后，以其中一条剖面线上各网格的引力值二次变化率 (公式(5)) 为纵坐标，以该剖面线上各网格中心点与模型中心点的距离为横坐标，绘制出36幅引力值二次变化率的折线图，并找出引力值二次变化率由高到低、由低到高的转折点，然后根据转折点的位置，区分内转折点和外转折点，将所有转折点标注在研究区的遥感图上。将内侧转折点相连，即形成城乡交错带的内边界，外侧转折点相连，则形成城乡交错带的外边界。

图2城乡交错带空间范围示意图
Fig.2 Schematic diagram of urban-rural ecotone demarcation

2.2.2景观格局指数选择

为了既能全面反映景观格局特征，又能更好的研究城乡交错带的景观格局，参照相关研究成果和研究区特点，本研究在斑块类型水平方面选择斑块密度 (PD)、散布与并列指数 (IJI)，斑块类型面积 (PLAND)、边缘密度指数 (ED)，景观形状指数 (LSI)，斑块内聚力指数 (COHESION) 6个指数。景观水平方向选择香浓均匀度指数 (SHEI) 及多样性指标 (SHDI)[16-18]，景观水平方面选取斑块密度 (PD)，聚集度 (AI)，蔓延度 (CONTAG)、分离度指数 (DIVISION)[19-23]。

3 结果与分析

3.1 景观格局总体特征

对景观格局的总体特征进行分析，可以了解景观是否稳定，景观的破碎化程度以及景观形状的复杂程度，海口市不同时期城乡交错带景观格局基本情况见表1。

表1 海口市不同时期城乡交错带景观格局特征Table 1 Landscape pattern characteristics of urban-rural ecotone during different periods

由表1可知，2000—2015年，林地与农地的散布与并列指数 (IJI) 值较低，边缘密度 (ED) 值较大，且随着时间的推移均具有增加的趋势，说明林地与农地的景观集聚程度高，斑块形状复杂，景观的稳定性高，但却具有逐渐破碎的趋势；水域与建设用地景观的散布与并列指数 (IJI) 值较高，斑块密度 (PD) 与边缘密度 (ED) 值较低，且随着时间推移均呈上升趋势，说明与水域和建设用地景观形状较为规则，与其相邻接的景观类型较多，破碎度较高，景观形状逐渐复杂。其他用地的散布与并列指数 (IJI) 在研究期间逐渐上升，由2000年的43.5%增至2015年的85.08%，边缘密度 (ED) 与斑块密度 (PD) 值下降，说明其他用地与各景观类型交替出现的程度越来越大，破碎度上升。

2000—2015年，农地、林地、建设用地与水域的景观形状指数 (LSI) 与斑块内聚力指数 (COHESION) 均呈增加趋势，景观的复杂程度与自然连通性上升。城乡交错带范围内，林地与农地是景观的主体部分，林地与农地交叉分布，被其他景观类型割裂的程度小，景观形状复杂，斑块集聚程度高，自然连通度高。建设用地分布离散，形状多种多样，其自然连通度较低；随着城乡交错带范围的不断扩大，水域景观的主体部分除了南渡江之外，增加一些新的水体类型，如水塘，水库等，其景观斑块越来越离散，自然连通性降低；其他用地的LSI值逐年下降，斑块内聚力指数 (COHESION) 却呈升高趋势，说明该景观类型集聚程度升高，形状趋向规则。

3.2 基于景观水平的海口市城乡交错带景观格局梯度变化分析

3.2.1缓冲区设置

本研究以明珠广场所在位置为中心点，选择2 500 m为缓冲半径2 500 m为缓冲间隔依次向外缘方向设立环形缓冲区。第1个缓冲区均出现在距离城市核心区5 000 m处，将缓冲区与3个时期的海口市城乡交错带空间范围进行叠加，如图3所示 (以2008年为例)。基于景观水平对海口市城乡交错带的景观格局进行梯度分析。

图3梯度带设置示意
Fig.3 Schematic diagram of gradient zone settings

3.2.2景观组分的破碎度与异质性分析

2000—2008年，景观斑块密度在各梯度带上先下降后上升，说明随着梯度带的外推，景观的破碎度随着距离的增加具有破碎-集聚-破碎的特点，景观的异质性先下降后上升，2015年斑块密度则具有上下波动特征 (表2)。2000—2015年间斑块密度最低值分别出现在梯度带V、VIII、XIV处，其值分别为3.10、3.82、3.12个/km2；最高值分别出现在梯度带VIII、I、IX处，其值分别为6.15、5.74、5.60个/km2，随着时间推移，景观斑块密度的变化幅度下降，景观逐渐集聚。综合斑块密度 (PD) 与蔓延度 (CONTAG) 在各梯度的值，可以分析景观的破碎度、异质性程度在各个梯度带的变化，2015年前8个梯度带的破碎度与异质性排序结果为梯度带II > 梯度带III > 梯度带I > 梯度带IV > 梯度带V > 梯度带VI > 梯度带VIII > 梯度带VII；距离城市越远，景观的破碎度与异质性程度逐渐下降。

表2 各景观组分破碎度与异质性梯度特征Table 2 Gradient feature of fragmentation and heterogeneity of all the landscape components

3.2.3景观组分的聚合性变化分析

由表3可以看出，景观的聚集度 (AI) 值在各梯度带上均超过70%，说明景观由少数大斑块组成，景观的异质性较低，景观较为集聚，随着时间的推移，人类活动的干扰作用加强，景观的异质性程度增加，导致各梯度带的分离度指数 (DIVISION) 逐渐上升，而聚合度 (AI) 指数逐渐降低 (表3)。随着梯度带的外推，各景观聚合程度呈现不同特征，分离度指数 (DIVISION) 在各梯度带上呈下降趋势，聚合度 (AI) 指数在各梯度带上的聚集程度则上升，说明距离城市越远，各景观组分的集聚程度越高。梯度带I最接近城市核心区，该区域具有一些面积较大的居民点，且各景观类型在该区域分布较为均匀，因此该区域的景观异质性程度较高。2015年前8个梯度带的聚合性程度排序结果为梯度带I > 梯度带VIII > 梯度带VII > 梯度带III > 梯度带V > 梯度带II > 梯度带VI > 梯度带IV。

表3 各景观组分聚合度梯度特征Table 3 Gradient feature of polymerization degree of all the landscape components

3.2.4景观的多样性分析

景观多样性是生物多样性的重要组成部分，景观多样性可以通过景观的丰富度与复杂度来度量。由城乡交错带的内边界到外边界的方向，人工景观逐渐过渡到自然景观，景观多样性程度在梯度带上呈现下降趋势 (表4)。

表4 景观多样性的梯度特征Table 4 Gradient feature of landscape diversity

从表4可知，2000—2015年，相同梯度带的香浓均匀度指数与香浓多样性指数均具有上升趋势，景观多样性程度上升，各景观斑块面积比例趋于均匀。2000年、2015年，梯度带II处的景观多样性程度最高，2008年，梯度带III处各景观所占面积比重最为均匀，该地段的景观格局具有较高的稳定性。随着梯度带的外推，景观的多样性程度逐渐降低。2015年景观多样性在前8个梯度带间的变化为，梯度带III > 梯度II > 梯度带IV > 梯度带V > 梯度带I > 梯度带VI > 梯度带VII > 梯度带VIII。在距离城市较近的梯度带中，受城市扩大化的影响较大，人为干扰活动频繁，景观多样性较高。

4 结论与讨论

1) 2000—2015年，海口市城乡交错带中主要景观类型为农地与林地，农地为2000年海口市城乡交错带中的景观基质，林地为2008—2015年海口市城乡交错带中的景观基质。5种景观类型交替出现的规律明显，水域、其他用地的斑块形状较为规则，林地、农地交叉分布，景观斑块形状较为复杂，景观的稳定性较高。随着时间推移景观的异质性先下降后上升，各景观类型具有逐渐集聚的趋势。

2) 2000—2015年，各景观类型在空间上分布不均匀，研究区西部至东部景观异质性具有明显的低-高-低的空间分布特征，景观空间格局表现出破碎化、均匀化且逐渐离散的趋势。

3) 随着梯度带的外推，各景观类型受城市辐射作用的影响下降，城市化程度下降，景观的多样性程度降低、破碎度下降，景观集聚程度、自然连通度上升、景观形状趋于复杂，景观稳定性增加。随着时间推移，人类活动干扰程度上升，相同梯度带上各景观类型比例趋于均衡，景观逐渐集聚，景观多样性程度上升。

在城市化的过程中，城乡交错带的景观变化比单纯的城市或农村剧烈，管理也十分复杂，长久以来学者们在进行城乡交错带的研究时，划分的依据主要是经验，或者直接选取某一个区域进行研究，这样的选取方法具有很强的主观性和随意性，导致研究结果不具有说服力。本研究利用引力模型，通过构建指标体系，在确定城乡交错带空间边界的基础上对城乡交错带的景观格局的梯度变化进行研究，探讨了城乡交错带景观类型数量的变化情况与空间结构的时间变化，分析了城市化过程中，人类活动对城乡交错带景观格局的影响，使研究结果更具科学性。本研究对城乡交错带范围进行划分，指标选取较为简单，因此如何构建更加完善的指标体系使城乡交错带空间范围的界定更加科学精确，是以后重点研究的方向。

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