城市化强度对城市森林景观格局的影响

王亚男，周正广，朱文浩，李彩珠，杨金明*

（1.青岛农业大学园林与林学院，山东青岛266109； 2.青岛市城阳区林业发展中心，山东青岛266109；3.青岛高城维林林业规划有限公司，山东青岛266109）

城市化能带动区域经济发展，而区域经济水平的提高又促进城市的发展，促使生产方式、聚落形态、生活方式、价值观等的变化。随着城市居民物质条件的不断改善，广大群众对生活质量的要求在不断提高，进而对身边的生态环境的要求也会提高。改革开放以来,中国城市化进入了快速发展阶段,城市化平均速度是世界同期城市化水平的2 倍[1]。过去的20年里，我国中小城市的数目从3 000 个增加到19 216 个，除此之外,还有5 000 多个乡村小镇迅速发展也步入城市队伍[2-3]。城市化水平的提高,会带来很多生态问题,其中城市化对森林的影响是当前生态学研究的热点问题。快速的城市化迅速改变原有自然景观,不可逆地减少森林面积,改变森林景观格局和相应的生态过程[4-7]。城市森林是城市生态系统的主要组成部分，在维护城市生态系统平衡、改善城市环境、维护生态安全等方面具有其他城市基础设施不可替代的作用[8]。

近年来国内外在城市化与城市森林的相关问题上做了很多的研究。研究者普遍得出的结论是城市化进程会导致城市森林的破碎化。例如，杨沅志、薛冬冬等[9]研究发现，随着城市化强度的增大，城市森林的斑块面积减少，市中心斑块密度随着时间的推移面积下降幅度较大，而近郊呈现相似的趋势，只不过斑块面积下降速度相对较小，远郊的森林斑块则变化较为缓慢，说明从郊区到市中心过程中城市森林被分离和打散。Yang and Li 等[10]通过分析青岛市城市拓展强度与城市景观格局的关系发现，城市化把农用地、林地变更为建设用地，使得这些地区的土地形成了突出的、非常零碎的景观。Zhang and Wang[11]等通过对长春市城市化强度（低、中、重度城市化）的影响研究了不透水表面积（ISA，Impervious Surface Area）对城市森林景观格局与结构分类属性的关系，得出ISA 显著影响了城市森林的结构特征与森林景观格局之间的联系，导致城市森林斑块变得更小甚至分离。城市森林的破碎化会影响城市景观的美感度和森林生态系统服务，比如休闲服务功能、生物多样性保护及固碳效益等。因此，研究城市化背景下城市森林的空间分布格局对提升城市森林的生态效益具有重要的指导作用。

城市化强度对城市森林景观的影响，关系到城市未来的发展规划。研究城市生态景观格局类型的变化，可为未来城市的建设提供一些数据基础，满足后续需要，选择遥感监测普遍用于景观格局类型的变化检测，网格切割的方法更有利于对空间的异质化影响分析，对大城市景观指数的回归分析模型定量分析，有利于研究景观的空间格局和动态变化对城市景观的影响。现在“3S”技术被广泛应用，使用地理信息系统（GIS）平台强大的空间分析和计算功能来分析实际和潜在树冠覆盖范围的动态变化，调查树冠覆盖范围变化的原因。同时我们将使用景观格局指数分析方法研究UTC 和居住区景观格局变化特征。研究城市人类活动干扰对景观格局变化，随着人类活动强度的增加，城市规划建设使得森林斑块更加支离破碎，整个景观变得更加复杂[12]。因此，本文将从不透水面即城市化角度研究其对森林空间格局和森林景观连接度的影响，初步探求城市化对于森林空间景观的作用过程，同时也为城市规划和景观格局优化提供理论依据。

本研究以青岛市市崂山区中韩街道、市北区、李沧区、市南区为研究区域，在“3S”技术的支撑下，通过建立公里网格，分析公里网格内林灌覆盖斑块景观格局指数（斑块的个数，斑块的平均面积、形状指数、聚集度指数）与城市化强度之间的关系，通过建立逐步回归模型和地理加权回归模型，定量分析城市化强度对城市森林景观格局的影响大小极其空间异质性。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

选取青岛市市南区、市北区、李沧区、崂山区中韩街道作为研究区域（见图1），总面积约250 km2，范围大致为东经120°00'—120°30'，北纬35°50'—36°30' 。研究区内主要地貌类型为丘陵，地势起伏不平，东高西低，分布有信号山、浮山、观象山、青岛山、北岭山和嘉定山等自然山体。气候属于温带季风气候区，空气湿润，降水适中，雨热同季，气候宜人，四季变化明显。年平均气温为13℃，年平均降水量在664.1 mm 左右。

1.2 城市森林斑块提取

城市森林斑块的准确提取是城市森林空间格局研究的重要前提。根据对城市森林概念的理解，将树冠覆盖率30%以上的地块作为城市森林处理，即是把人眼能分辨出的成片状或带状分布，且具有颗粒感均匀分布的斑块视为城市森林[13]。本文利用1 m 分辨率的Google 历史遥感影像进行研究区土地利用分类，影像拍摄时间为2018年6月至10月和2019年7月至10月之间。利用面向对象分类与人工目视解译相结合的方法，本文将研究区土地利用类型分为不透水面、森林、水体、草地和未利用地，分类精度达到93.6%。

1.3 景观格局指数计算

公里格网数据是将研究区域按照统一的标准划分为若干个1 km×1 km 的像元，每个像元被赋予一个标识和一个属性值。其中标识值标识该像元的空间数据，属性值标识该格网的专题属性值。是一种对专题数据进行格网化表达的1 km×1 km 空间数据，能够较直观准确的反映专题数据在区域内的空间分布特征[14]。本研究从不透水面所占比例即城市化角度研究其对森林空间格局和森林景观连接度的影响，初步探求城市化对于森林空间景观的作用过程[15]。选取的研究景观格局指数主要有面积（CA）、斑块数（NP）、斑块密度（PD）、最大斑块指数（LPI）、边缘密度（ED）、景观指数（LSI）、聚集度指数（AI）。

表1 本研究筛选的各景观格局指数计算公式及其含义Table 1 The calculation formula and meaning of landscape metrics selected in this study

1.4 城市化强度计算

本研究利用公里网格单元内不透水面的占比表征网格空间的城市化强度，计算公式如下：

其中UIi是第i 个网格内的城市化强度； ISAi表示第i 个网格内的不透水面积，由研究区土地利用分类图计算得到； TAi为第i 个网格的总面积。

1.5 相关性分析

本文通过SPSS 22 统计软件对城市化强度和城市森林空间格局数据进行相关分析。相关分析是研究不同变量间密切程度的一种常见的统计方法，它是描述2 个变量间线性关系程度和方向的统计量[16]。换句话讲，相关分析的任务就是对相关关系给与定量的描述。相关系数用符号“r”表示，一般按“r”的绝对值大小，规定统计学中低于0.40 以下的相关系数为低相关； 0.40～0.70 为较显著相关； 0.70～0.90 为显著相关； 0.90～1则为最高相关。

1.6 回归分析

常见的确定不同变量间定量关系的分析方法为回归分析。相关性分析只能确定两者之间的关系，而回归分析则是表现两者之间具体量化的大小。为研究城市化强度对森林空间格局的具体影响大小，本文利用回归分析进行量化计算，用来实现城市化强度的变化对城市森林景观的预测分析。利用SPSS 22 统计软件进行一元回归分析，采用R2来反映回归方程所能解释的变差比例，也称为判定系数或决定系数。R2的大小在0～1 之间取值，R2的大小越靠近1，说明回归方程自变量对因变量的影响程度越大；相反来说，R2的大小越靠近0，回归方程自变量对因变量的影响程度越小。

1.7 地理加权回归分析

地理加权回归（Geographically Weighted Regression，简称为GWR），地理加权回归是在线性回归分析的基础上添加了空间数据分析，用来研究空间关系之间的异质性，其数学模型为

式中：yi为第i 点的因变量； εi为残差； k 为总样本容量； i 为样本点计数； xik为第k 个自变量在第i 点的值； (ui,vi)为第i 个样本点的空间坐标；ak(ui,vi)为连续函数ak(ui,vi)在i 点的值[17]。由于随机抽样和不同空间所具有的不同地理自然环境造成的的观测数据具有一定误差。地理加权回归的存在主要就是减小原有的分析模型对空间非平稳性的影响，它对数据的处理方式简单，并且能对地理信息系统所分析出数据的空间非平稳性做出全局的量化[18]。越来越多的研究人员喜欢采用这种分析模型。

2 结果与分析

2.1 青岛市城市森林空间分布

如图1所示，研究区域范围内的森林斑块具有明显的聚集性分布特点，研究区东北部、南部、东部及崂山区的西南部森林斑块面积较大，市北区和市南区东部的森林斑块较破碎。森林斑块分布比较聚集的地方主要为中山公园、浮山、信号山等城市内丘陵区域。

图1 青岛市主城区城市森林空间分布图Figure 1 Spatial distribution of the urban forest patches in the main downtown areas of Qingdao

2.2 城市化强度与城市森林景观格局指数的空间异质性

如图2所示，研究区主要由中度城市化地区（0.5≤UI≤0.8）和高度城市化地区（UI＞0.8）组成。高度城市化地区的森林斑块数量较多，斑块密度和斑块边缘密度较大，说明破碎化比较严重。最大班块指数较大的区域主要在中山公园、浮山以及研究区东部和北部的崂山边缘地带，这些区域以人造公园和自然山体为主。

图2 城市化强度与城市森林景观格局指数空间差异图Figure 2 The spatial difference of urbanization intensity and urban forest landscape metrics

2.3 城市化强度与森林景观格局的相关性

从表2中可知，城市化强度与森林斑块面积CA、斑块数量NP、斑块密度PD、最大斑块指数LPI、景观指数LSI 和聚集度指数AI 均呈现显著相关性，表明城市化对森林景观格局具有深刻的影响。其中，城市化强度与CA 和LPI 之间具有较强负相关关系，说明城市化强度的增大会显著降低城市森林的斑块面积和最大斑块指数。城市化强度与NP、PD 和LSI 呈现正相关关系，表明城市化会导致森林斑块数量增加、斑块密度和景观指数增大。

表2 城市化强度与城市森林景观格局指数的相关性Table 2 Correlation of urbanization intensity and urban forest landscape pattern

2.4 城市化强度对森林景观格局的影响大小

城市化强度与森林景观格局指数之间的一元回归模型（见表3）。其中，模型自变量为城市化强度，因变量为各景观格局指数。可以看出，若城市化强度每增加0.1 个单位 （即不透水面积占比提升10%），城市森林将减少约5.6 hm2，LPI 将下降约7.9，而每平方公里的森林斑块数将增加约19 个。这说明城市化进程将导致城市森林的破碎化。

表3 城市化强度对森林景观格局指数回归分析模型摘要表Table 3 Summary of regression analysis model of urbanization intensity on forest landscape metrics

2.5 城市化强度对森林景观格局影响的空间异质性

城市化程度与城市森林景观格局指数GWR 回归系数空间分布见图3。由图3可以看出，城市化强度与景观格局指数的相关性具有显著的空间异质性。除城市森林斑块面积和最大斑块指数外，其余指数与城市化强度在研究区南部和东部呈现显著正相关，在市南区、市北区和崂山区呈现显著正相关，李沧区，中韩街道的相关性较小。从回归系数的空间分布来看，回归系数呈现从南向北呈现递增趋势，而西北区域相关系数呈现正相关。结合青岛市城市发展来看，说明城市人们活动频繁的区域对森林斑块影响越大，城市化强度越大城市森林空间格局复杂程度增大。

图3 城市化程度与城市森林景观格局指数GWR 回归系数空间分布图Figure 3 Analysis of GWR regression coefficient between urbanization degree and urban forest landscape metrics

3 结论与讨论

本研究利用土地利用数据建立公里网格，计算公里网格内城市森林斑块的景观格局指数以及城市化强度，然后利用相关性分析和地理加权回归分析法研究城市化强度与城市森林空间格局之间的关系。通过结果分析发现城市化强度对林地覆盖景观格局影响很大，城市森林景观格局指数与城市化的相关性会随着城市化的变化而变化。Dadashpoor 等也曾在研究中指出城市化对景观格局的影响具有显著的空间异质性，与市中心相比，在远离市中心的地区景观格局与城市化的关系相对较小[19]。Chowdhury 等人和Islam 还认为，城市化直接影响景观的破碎程度[20-21]。本研究通过分析青岛市城市化与城市森林景观格局之间的关系也得到了类似的结论。城市化强度越高，城市林地利用面积越紧张，人类活动对城市森林干扰性越大，城市林地斑块越分散，面积越小，破碎化越严重。因此在以后的青岛城市森林建设中，应从追求森林覆盖面积转向为建设较大面积的城市林地斑块，合理规划景观格局类型，提高城市生态多样性。

本研究结果表明，CA、NP、PD、LPI、ED和LSI等景观格局指数随着城市化的增加，显著表现出了城市森林斑块的破碎化和空间格局的复杂化。地理加权回归分析图表明城市化强度与林地景观格局斑块面积呈现强负相关关系，说明城市的建设对林地景观斑块的影响较大，随着城市化的建设，城市用地面积的加大，城市林地面积逐渐减少，城市生态环境受到很大影响。城市化与城市森林最大斑块指数呈强负相关，最大斑块指数反映干扰程度和频率的变化，能够反映人类活动的方向与强弱，说明城市人们活动频繁的区域对森林斑块影响越大，城市化强度越大森林斑块最大面积越小。通过回归分析得到城市化强度与森林斑块面积和最大斑块指数呈现极显著线性关系，说明城市化强度对城市森林斑块大小影响很大，对城市森林景观格局影响很大。在人类活动的干扰作用下，城市建设用地越来越多，林地斑块被逐渐分割，破碎化情况严重，城市森林的连贯性和面积斑块不够，进而影响城市森林的生态效益的有效发挥，对城市生态环境和物种多样性带来巨大的挑战，对城市森林的质量带来很大影响。城市景观格局的变化必然会对人类的生存环境造成直接影响，对城市生态环境和可持续发展造成很大影响。因此，要加强环保教育，提高人们保护森林的意识，优

化土地利用格局，维护城市发展和生态环境的和谐统一。在未来的城市化规划中，要注意城市森林斑块之间的联结。为更好的发挥城市生态效益，应适当规划建设较大面积的城市森林斑块建立良好的城市森林空间格局。今后应注重城市廊道的设计，加强连接城市森林斑块，降低城市森林斑块的破碎程度，提高城市森林景观生态功能。