城镇化背景下城市扩张模式与土地利用景观格局

马超楠 周敏 马宇翔

摘要：城市建设用地的快速扩张侵占其他土地利用类型，较大程度地影响了景观生态安全，随之出现的不合理景观制约着城市可持续发展。以武汉市为例，基于2000年、2010年、2020年的影像数据，通过ArcGIS 10.3、Fragstats4.2软件对一级地类的土地利用覆被变化、转移，城市景观格局指数以及景观扩张指数等数据进行提取，对土地利用的景观格局动态变化和景观扩张指数变化进行研究，旨在促进城市土地利用的科学化和合理化，为城市规划提供有益指导。

关键词：土地利用;城市扩张模式;景观格局;武汉

中图分类号：F293 文献标识码：A

文章编号：1001-9138-（2021）09-0030-36 收稿日期：2021-07-10

作者简介：马超楠，华中科技大学公共管理学院硕士研究生。

周敏，通讯作者，华中科技大学公共管理学院副教授。

马宇翔，华中科技大学公共管理学院硕士研究生。

基金项目：国家自然科学基金项目，资助编号：41401631。

1 引言

伴随社会经济的高速发展，中国的城市化保持加速发展态势，城镇用地扩展迅猛，这不仅显著影响着城市原有景观格局，甚至导致如生物多样性减少和栖息地破坏，热岛效应增强、环境污染、水土流失等一系列环境问题。城市基础设施和道路等建设用地不断扩张，占用生态用地和未利用的土地，使原有自然生态景观遭到破坏，呈现破碎趋势，失去了原本能够承载更多物种和景观的作用，严重制约了城市原有生态调节功能的发挥。城市环境的恶化已成为我国大中城市发展所面临突出环境问题的缩影。因此，城市建设用地扩张模式研究和景观格局演变分析对于我国大中城市的规划管理和环境保护工作具有广泛的借鉴意义。

景观格局（Landscape pattern）是指景观的空间结构特征，是指不同大小和形状的斑块在空间上的排列状况，是人为因素和自然因素共同作用的结果，具有显著的时空特征。目前，大多在大尺度、宏观方面采用多样化的方法和模式：通过GIS技术获取影像数据中土地利用数据，通过矩阵转化反映土地景观格局的变化，应用生态学景观指数方法定量分析LUCC的规律，从而为区域尺度上LUCC的研究积累了丰富的成果和可以借鉴的经验。例如，张飞飞等对厦门市从1987-2007年的景观格局演变进行了研究，马晓勇等、韩锦涛等、哈孜亚·包浪提将等、阳文锐等、何丹等分别对太原市、乌鲁木齐市、北京市、京津冀都市圈的城市景观格局变化进行了研究。张立强等对土地利用景观格局的生态环境效应进行了研究。此外，对城市建设用地的研究经历了城市发展的宏观模式到内部土地利用布局的微观模式的深入变化。目前，描述城市建设用地扩张时空特征的指标主要有扩张强度指数、扩张核心度指数、土地利用动态度、扩张程度指数、紧凑度以及景观格局指数等。由刘小平提出的基于最小包围盒或缓冲区计算的景观扩张指数（Landscape Expansion Index， LEI）被广泛应用于城市景观扩张模式研究中。

上述文献在景观格局、城市扩张模式及驱动力的研究中得到了丰富的研究成果。然而，目前研究城市扩张模式与景观生态之间关系的相关文献还比较少。高原提出基于关联规则挖掘方法，并以武汉市为例，研究2000-2020年間快速城市化进程与景观安全之间的关联关系。研究认为不同的城市扩张速度、强度以及扩张类型，对城市生态安全有着不同程度的影响。本文基于武汉市重要的社会、经济发展地位及其丰富的城市景观环境，采用GIS技术与生态学景观指数法相结合的方法，基于2000-2020年的土地利用和社会经济数据，分析武汉市城市扩张模式与景观格局的变化，可以为城市的可持续健康发展提供参考，使土地利用更加合理、科学，并为其他快速城市化的城市提供借鉴。

2 研究区域与数据来源

2.1 研究区域

武汉市（29°58'-31°22'N，113°41'-115°05'E）地处江汉平原、长江中游，坐拥长江和汉江两条重要水系，总面积8569.15平方公里，辖13个区。2019年武汉市常住人口达到常住人口1121.2万人，2020年地区生产总值1.56万亿元。此外，武汉市内有近百个湖泊，水域资源极为丰富，是城市发展建设的战略性资源条件。然而，城镇化快速发展的同时，在2000-2020年建设用地面积增长了2.5倍，绿地和水域面积出现不同程度的下降，城市景观格局发生深刻变化。探究武汉市城市增长模式及景观格局变化，为武汉市立足新发展阶段，贯彻新发展理念，构建新发展格局，推动经济高质量发展和环境经济耦合发展助力。

2.2 数据来源与处理

本文的基础数据来源于中国科学院提供的2000年、2010年、2020年武汉市土地利用数据。通过解译最终将景观类型分为耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地共6类，在ArcGIS10.3软件支持下，将矢量文件转换为栅格数据文件，为保持数据处理的精度将像元大小设置为60m。在Fragstats4.0软件的支持下，将栅格数据文件导入，选取景观格局指数并计算。同时，提取2000-2010年、2010-2020年的新增建设用地斑块，计算其扩张指数。

3 研究方法

3.1 景观格局研究方法

基于文献阅读综述及对城市景观指标总结筛选，在景观类型变化方面选取结构和变化幅度模型、土地利用转移模型，在景观格局方面选取景观指数的方法，具体建立并选取以下模型和指标来进行分析。

3.1.1 景观类型动态变化

（1）变化程度模型

景观类型结构模型反映不同景观类型所占总面积的比例。其数学表达式为：

式中Sm代表某景观类型的面积，S代表某时段区域总面积，Ua为某景观结构比例。

景观类型变化幅度模型反映不同景观类型面积变化的程度。其数学表达式為：

式中Sm、Sn分别代表某景观类型的面积，Ud为某一景观类型的变化幅度。

（2）矩阵转移模型

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。

3.1.2 景观格局变化

在类型水平上，选取了PD （斑块密度）、ED（边界密度）、LPI （最大斑块指数）、LSI （景观形状指数）、COHESION （斑块类型凝聚度指数）共5个指数;在景观水平上，选取了NP （斑块数量）、CONTAG （蔓延度指数）、SHEI （香农均匀度指数）、SHDI （香农多样性指数）、AI （分布聚合性指数）共5个指数（见表1）。

3.2 景观扩张指数

景观扩张指数（LEI）因其可进行多时相景观格局动态变化分析而广泛应用于城市景观格局演变、扩张模式的相关研究，并可将城市景观扩张空间模式识别为填充式、边缘式和飞地式。LEI指数是基于目标景观斑块的缓冲区计算的，具体计算方法如下：

式中，LEI是新增城市建设用地斑块的景观扩张指数，a0是新增斑块的缓冲区与原有斑块相交区域的面积，av是缓冲区与空白部分相交区域的面积。若LEI大于50，则认为该新增斑块为填充式扩张;若LEI小于50但大于0，则认为该新增斑块为边缘式扩张;若LEI等于0，则认为该新增斑块为飞地式扩张。

4 结果与分析

4.1 景观类型结构组成与变化分析

4.1.1 景观类型结构组成及变化分析

2000-2020年武汉市的主要景观类型为耕地、建设用地和水域。耕地和建设用地景观呈现增长的趋势，林地、草地和水域景观在总体上表现为下降趋势（见表2、图1）。到2020年，建设用地面积增长为2000年的2.5倍。

4.1.2 景观类型变化转移矩阵

在2000-2010年时段内，耕地和林地的转换最为突出。其中耕地的来源主要是林地和水域，林地转换为耕地和水域。在该时段内，与建设用地景观之间的转换表现不突出。在2010-2020年时段内，景观类型转换较为突出的表现在耕地转为建设用地，转换面积为上一时段的4.7倍（见表3）。此外，林地和水域域转为耕地的活动表现突出。

4.1.3 景观类型指数

在2000-2020年各时段中，从PD来看，建设用地PD指数最大，未利用地和耕地PD指数最小，耕地和建设用地PD指数呈现增长趋势。其中，建设用地在2010-2020年PD指数呈现较大幅度增长。从ED指数来看，耕地、林地表现突出，其中在2010-2020年耕地和建设用地ED指数呈现较大程度上升。从LPI来看，耕地LPI优势突出，与其他景观类型存在断层式差异。在LSI指数的表现上，各用地类型的差异，从COHESION指数来看，各景观类型差异不大，且在2000-2020年维持稳定，其中草地和未利用地在2020年出现较大程度下降（见图2）。

4.1.4 景观格局指数

NP指数在2000-2020年总体表现为增长趋势。在2000-2010年，维持在33000水平上，变化幅度较小，在2010-2020年，变化明显，增长率为58%。CONTAG指数总体表现为增长趋势，增长率维持在4%左右。SHDI指数总体表现为下降趋势，在2000-2010年，下降率为3.05%，在2010-2020年下降趋势较为明显，下降率为11.74%。SHEI指数总体表现为下降趋势，在2000-2010年，下降率为3.05%，在2010-2020年，下降趋势明显，下降率为11.75%。AI指数总体上表现为下降趋势，且呈现了一定的波动。在2000-2010年，增长到90.1，在2010-2020年，降低到86.11 （见表4）。

4.2 景观扩张指数

在2000-2010年，武汉市的新增建设用地面积较少，边缘式扩张占比55%，填充式扩张次之占比31%，飞地式扩张占比最少为14%，在布局上较为分散。2010-2020年，新增建设用地面积较上一时段呈断层式增长，飞地式扩张占比最多为74%，边缘式扩张次之为25%，填充式扩张占比最少为0.03%，布局上较为集中地分布在原有建设用地四周。此外，边缘式扩张类型的面积在两个时段较为稳定，填充式扩张类型在第二个时段出现较大程度的下降，飞地式扩张类型以900%增长率呈现为大幅度增长。

在空间布局上看，建设用地变化较为突出地表现在黄陂区、新洲区、江夏区、蔡甸区、东西湖区和洪山区（见图3、图4）。其中，在2000-2010年，武汉市新增建设用地主要分布在蔡甸区、洪山区、黄陂区、江夏区和硚口区。第一时段内，边缘式扩张是新增建设用地的主要扩张类型，主要分布在蔡甸区、江夏区、硚口区，填充式扩张主要分布在洪山区，飞地式扩张主要分布在黄陂区和新洲区。在2010-2020年，新增建设用地主要分布在黄陂区、东西湖区、江夏区和蔡甸区。此外，飞地式扩张为主要扩张类型，主要分布在新洲区、黄陂区和江夏区;边缘式扩张次之，主要分布在黄陂区、新洲区和东西湖区，填充式扩张主要分布在东西湖区和新洲区（见图4、图5）。

5 讨论与结论

5.1 讨论

基于快速城镇化背景下的城市扩张和发展对建设用地需求的增加，其他土地利用类型特别是耕地、水域向建设用地转移活动突出，同时，耕地转移活动十分活跃，林地和水域的转入使得总体维持增长，进一步表明城市景观格局变化受到人为活动的深刻影响。

5.1.1 景观指数

从景观类型来看，耕地斑块的面积大，破碎化程度小，斑块边界较长且不规则，在景观中表现为整体性景观且凝聚度较高。林地的斑块破碎化程度小，斑块面积均不大，但大于草地和水域的斑块面积，在形状上表现为不规则，凝聚度较高。草地斑块的斑块边界较长且不规则，且出现了一定的破碎化现象。水域的各项指数说明其破碎化现象有一定的增加。建设用地斑块的破碎化程度高，其斑块边界不长，且不规则程度高，在2020年建设用地斑块表现为大面积，凝聚度有一定的增加。

5.1.2 扩张指数-多中心协同发展

2000-2020年，武汉市城市化进程蓬勃发展，新增建设用地面积持续增加。2010版武汉市城市总体规划提出“以主城为核心，在重要出口通道构筑六个方向的城市主要空间发展轴”，武汉市城市化呈现多中心发展趋势。2010-2020年建设用地呈现断层式增长，同时飞地式增长的比例显著增加。在空间分布上，趋于分散。新增建设用地斑块以主城区为中心，向四周辐射。在新洲区和黄陂区新增建设用地表现突出，出现多个新增建设用地增长中心。

5.2 结论

（1）在2000-2020年的20年里，景观整体保持着较好地连通性和凝聚度，同时破碎化程度有所增加，耕地保持其景观优势且凝聚度较高，出现了破碎化的趋势，建设用地呈现更加凝聚的特征。

（2）不充分考虑生态环境安全的城市扩张模式，在获得快速经济社会发展的同时，会增加对景观生态安全的威胁，例如耕地、水域等大量转化为建设用地，极大地破坏了景观生态，造成景观的破碎化程度升高，表明城市景观结构处于不稳定中。

（3）在城市化进程中，城市新增建设用地增长，飞地式增长加剧了景观的破碎化程度和多样性，但边缘式和填充式扩张能够提高土地利用效率以及减少对景观环境的破坏。飞地式增长可以形成多个城市发展中心，但同时会加剧景观破碎化程度，导致城市建成区的分散。边缘式和填充式增长，可以提高土地利用效率，增加景观的紧凑性，提高资源利用效率。

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