长沙地区景观格局演变对空气质量的影响及优化策略研究

卢 岚，陈 军，刘 牛

(1.长沙环境保护职业技术学院，湖南 长沙410004；2.长沙市环境监测中心站，湖南 长沙410000；3.长沙市规划信息服务中心，湖南 长沙410000)

1 引言

特征与生态过程是景观生态学研究的核心内容之一。通过建立景观格局特征与各种生态过程之间的相互联系，可了解景观结构发生和发展的内在机制，揭示景观演化的机制和方向，能够解释人类活动和景观变化的交互关系，进而预测景观变化的趋势，并为人工干预改善生态环境提供科学依据。目前，遥感和地理信息系统已成为景观格局分析的通用手段，从遥感影像获取的土地利用/覆被信息有助于更准确地理解景观变化、对景观空间格局进行定量化研究。当前，理论界关于景观格局的环境响应研究也多围绕土地利用时空变化引起的生态环境变化展开，研究结果表明，土地利用/覆被变化作为全球变化重要内容，对区域生态环境因子的耦合、景观格局的整体演化以及生态系统的功能产生了深刻影响，并在10年甚至百年的尺度内，超过自然因素的作用强度成为驱动环境变化的主要因素。

长沙是湖南省省会，湖南省的政治、经济、文化、交通和科教中心，中南地区重要的交通和航运中心，也是全国文明城市。2007年12月14日，国家发改委正式批准长株潭城市群为我国资源节约型和环境友好型社会建设综合配套改革试验区，经过一系列努力，城市面貌得到了综合改善，环境质量也趋于稳定。但与此同时，不可忽视的是，随着长沙市近年来的持续高速发展，整个城市所需要承载的各种社会经济活动也越来越密集，老城区面临的人地矛盾问题，长沙城市发展模式所带来的产业转型、能源消耗以及环境污染等等一系列问题越显突出，日益成为制约长沙市整体城市功能发展的紧迫问题。

本研究以长沙地区景观格局演变与空气质量的关系作为研究对象，通过对长沙市近十年的景观格局指数和环境质量指标的分析研究，从宏观尺度上来分析长沙市大气环境质量的基本状况和变化特征，然后探究景观格局演变对其的影响，在此基础上，提出基于降低大气污染的城市景观格局优化策略。因此，本研究的结果对构建长沙景观安全格局和改善区域生态环境，防止大气环境恶化，提出生态防治对策都具有重要的理论与实践意义，对促进区域生态环境的恢复与重建也有重要的现实意义。

2 研究概述

2.1 研究内容

(1)建立长沙市生态景观格局空间数据库，包括地形、用地类型、水系、居民区、大气污染源、空气质量监测点位等基础信息。

(2)对长沙市近10年的TM/ETM遥感影像数据进行解译。

(3)选取时间连续性较好的监测点位并外延5 km的区域为研究单元，利用Fragstats软件进行各项景观格局指数进行计算，

(4)将长沙市各监测指标的浓度分布与长沙市景观信息进行相关性分析，结合长沙市地形地貌、大气污染源排放情况等信息，得到城市格局指数对空气质量的影响关系。

(5)对长沙市生态景观格局优化策略进行探讨。

2.2 研究方法

本研究在遥感理论、景观生态学理论、地理信息系统理论、空间数据库技术的指导下，以ERDAS IMAGING 9.1为技术平台，利用Landsat TM/ETM＋遥感卫星影像数据(数据采集于2005～2015年间，空间分辨率30 m，来源自USGS和中国遥感卫星地面站)，采用监督分类和非监督分类相结合的方法对长沙市景观覆盖类型进行影像解译，并对解译结果进行人工修正。在ARCGIS 10.0操作平台上，结合长沙市城市景观覆盖类型图，以空气质量监测点位为圆心再缓冲5 km的范围为研究单元，逐单位提取景观覆盖类型。应用景观生态学中的景观格局分析方法，在FRAGSTATS3.3软件的支持下，对各研究单元下的城市景观覆盖类型进行景观水平和类型水平的格局指数的量化计算。在Access数据库平台上，并结合ARCGIS平台，建立长沙市景观格局数据库。通过SPSS软件，对各研究单元下的空气质量指标与各景观格局指数进行相关性分析，并综合考虑地形及大气污染源排放因素，从而找出各景观指数对空气质量的影响作用特点。最后综合分析各年份的影响特点，探寻景观格局演变对空气质量的影响，并在此基础上提出优化景观格局策略。

2.3 技术路线

具体技术路线见图1。

图1 技术路线

3 土地利用结构演化的PM 2.5/PM 10污染效应分析

着重对土地利用结构演化的PM2.5/PM10污染效应进行分析。

3.1 土地利用结构演化的PM2.5污染效应分析

长沙主城区2014年建设用地PM2.5浓度均值为72 μg/m3，水域PM2.5浓度均值为69μg/m3，未利用地PM2.5浓度均值为68μg/m3，草地与林地PM2.5浓度均值均为64μg/m3。2016年各土地利用类型按照PM2.5浓度均值由高到低依次为建设用地(54μg/m3)和水域(54μg/m3)、未利用地(52μg/m3)、耕地(50μg/m3)、林地(46μg/m3)。长沙市土地利用的PM2.5污染特征与主城区相似，都是建设用地与水域污染相对较重、园林地PM2.5浓度均值相对最低。其中，长沙市建设用地2014、2016年PM2.5浓度均值分别为76和54μg/m3；水域2014、2016年PM2.5浓度均值分别为73和55μg/m3；园林地2014、2016年PM2.5浓度均值分别为68和46 μg/m3。

3.2 土地利用结构演化的PM10污染效应分析

长沙主城区2007年和2016年建设用地PM10浓度均值最高，水域与未利用地次之，草地与林地PM10浓度均值相对最低。2007年各土地利用类型按照PM10浓度均值由高到低依次为建设用地(113μg/m3)、水域(112μg/m3)、耕地和未利用地(111μg/m3)、园林地(106μg/m3)、草地(104μg/m3)。2016年PM10浓度均值建设用地最高(84μg/m3)，园林地最低(78μg/m3)。长沙市的土地利用污染特征与主城区相似，都是建设用地与水域污染相对较重、园林地和草地PM10浓度均值相对低。其中，长沙市建设用地2007、2016年PM10浓度均值分别为：115、84μg/m3，长沙市水域2007、2016年PM10浓度均值分别为：113、82μg/m3，长沙市园林地2007、2016年PM10浓度均值分别为：107、79μg/m3，长沙市草地2007、2016年PM10浓度均值分别为：108、83 μg/m3。

4 主要结论与优化策略

4.1 主要结论

(1)长沙主城区PM10、PM2.5浓度空间差异与土地利用类型显著相关。PM10/PM2.5浓度随着建设用地和水域面积占比增加显著升高，园林地对PM10/PM2.5浓度的“负效应”显著。扬尘地表中的碾压踩踏地表、建筑工地、露天采掘场面积占比是影响PM10/PM2.5浓度空间分布的主要因素。

(2)“两型社会”建设以来，长株潭主城区PM10、PM2.5浓度总体超标严重，但呈好转趋势和明显的季节性差异。高污染区主要集中在长沙市芙蓉区、雨花区和天心区，冬季和秋季污染严重、夏季和春季污染较轻。

4.2 优化策略

针对长沙城区现实状况，可采用“中心小幅度调整，外围大幅度优化”的策略来优化长沙市景观格局，减缓城市灰霾污染。

(1)为有效改善长沙主城区空气质量，建议重点关注长沙市芙蓉区、雨花区和天心区的PM10、PM2.5污染，加强区内燃煤设施、重点工业企业排放、机动车尾气、施工工地和道路扬尘的管控与治理。

(2)为减少污染物浓度，建议减少工矿用地、交通用地和建设用地景观面积，增加耕草地、水域景观面积。增加区域景观多样性并均衡各类型景观的面积比例。

(3)为保障长沙生态环境安全，应重点加强城市周边地区林地、耕地和水域用地的保护，提升土地生态服务功能。

5 结语

本研究综合考虑地形、大气污染源排放等情况，对长沙市生态景观格局与长沙市空气质量的关系进行了定量化研究，提出了改善空气质量的景观格局优化策略。其结果可为其它同处在快速城市化进程中的城市生态保护提供科学依据和参考范例。