郑州市黄河南岸景观格局变化及其对生态空间的影响

冯 艳，郭 悦，王冬梦，许子贤，孔德政

(河南农业大学 风景园林与艺术学院，河南 郑州 450000)

0 引言

景观格局是景观生态学研究的重要内容[1-2]，伴随着城市化的快速发展和城市的不断扩张，城市景观格局变化尤为明显，景观格局的变化对生物多样性和城市生态等产生了巨大影响[3-4]。城市生态空间是为城市提供生态系统服务、保障城市生态安全、提升居民生活质量不可或缺的城市空间[5]。目前国内对生态空间的概念尚未统一，不同领域的专家学者基于各自的立场对此作出了解释[6-7]。本文基于人类的参与程度和生态系统服务功能，将生态空间定义为能够维持生态安全、保障生态系统稳定提供生态服务的用地空间，包括林地、草地、耕地、水域等土地利用类型。

近年来，将景观格局理论引入生态空间研究领域，探究土地利用演变过程的研究日益增多。目前，学者们较为关注景观格局动态变化[8-9]、景观格局变化的生态环境等效益[10]、景观格局变化的驱动因素[11-12]等，研究方法多采用景观格局指数法[13-14]、景观动态变化模型法[15]和土地利用转移矩阵[16]等。此外，相关学者对省域[17-18]、城市[19-20]的景观格局时空变化及驱动力分析较多，但是针对其变化产生影响的相关研究还相对较少。以往研究成果为景观格局的生态影响深入研究奠定了坚实的科研基础。

黄河是郑州城市北部最重要的天然生态屏障[21]，然而，在过去20年中，郑州城市快速扩张，建设空间直逼黄河南岸，生态安全下的城市高质量发展问题亟待解决。目前郑州市景观格局方面的研究还较少，且主要集中在市域层面[22-23]，缺少对黄河生态空间的研究。为此，本文以郑州黄河南岸6个区(县)为研究区域，基于1997、2009、2019年3期卫星遥感影像，对地表土地类型进行提取、归并，利用景观格局指数等方法分析研究区域景观格局动态演变，在此基础上分析了景观格局的变化对黄河南岸生态空间挤占的影响，以期为研究区以及郑州市与黄河高质量发展路径的实施提供参考。

1 研究区域、数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

郑州沿黄河区域自西向东包括：巩义市、荥阳市、上街区、惠济区、金水区和中牟县(图1)。位于东经129°08′33.7″～129°08′50.3″，北纬35°14′56.6″～35°09′13.0″之间,土地总面积约3868.47 km2。在该段范围内黄河河床宽浅，沙洲密布，河势变化频繁，是典型的游荡性河段。河道冲淤变化剧烈，属于地上悬河段。研究区域位于黄河中下游交界处，紧邻黄河南岸，是郑州市北部重要的生态空间，承担了郑州市对黄河流域生态治理的重任。同时，研究区域开发强度高，人为干扰大，各区(县)城镇化发展不均衡，城市扩张对黄河南岸生态空间影响程度差别较大。

图1 研究区地理位置

1.2 数据来源与处理

本研究的基础数据为1997、2009和2019年郑州市的土地利用/覆被类型栅格数据，空间分辨率为30 m，数据来源于中国地理空间数据云(http://www.gscloud.cn)。该数据集是基于1997年Landsat4-5、2009年Landsat-7ETM SLC-off和2019年的Landsat-8 OLI_TIRS遥感影像解译得到，在ENVI 5.3遥感图像处理软件中进行波段提取、大气校正、裁剪等预处理。为保证研究区土地利用类型解译精度，采用人机交互目视解译法，同时以高德地图、Google Earth等影像数据为参照，重要地块结合实地考察，将1997、2009和2019年3期郑州市沿黄河6区(县)土地利用分为耕地、林地、草地、水域、建设用地及未利用地6大类。参考相关研究成果，选取草地、耕地、林地和水体为生态用地，未利用地、建设用地为非生态用地(图2)。结合2020年黄河流域河南段、郑州市等相关上位规划指导思想，提取黄河南岸5000 m内生态数据，分析在城市扩张过程中，该区域生态空间受影响程度。

图2 不同时期研究区景观类型

1.3 研究方法

1.3.1 景观格局指数的选取 景观指数是高度浓缩景观格局信息的定量指标，反映了景观结构特征和空间格局变化。本研究选取了景观水平和景观类别2个层次的指标用来分析研究区景观格局的变化特征(表1)[24]。景观水平指数的选择中，斑块密度(PD)、边缘密度(ED)、平均斑块面积(AREA-MN)和面积加权形状指数(SHAPE-AM)作为景观水平破碎化程度的指标，聚合度指数(AI)、散步并列指数(IJI)和结合度指数(COHESION)作为景观水平连通性的指标；景观类别指数选用斑块密度(PD)和斑块结合度(COHESION)，重点分析生态用地类型，即草地、耕地、林地和水体的景观类别层次的景观格局指数变化。相关计算借助Fragstats 4.2软件完成。

表1 景观格局指数定义及描述

1.3.2 景观转移矩阵 景观转移矩阵能够全面反映景观类型数量和方向等变化的细节结构特征[25-26]，可以进一步分析郑州沿黄河南岸6个行政区(县)某种景观类型的转入、转出以及景观类型时空演变过程与机制。景观转移矩阵通过在ArcGIS中对3期景观类型图两两间进行叠加相交分析，得到输出结果图层中各景观类型的面积。通过导出属性表，在Excel中运用数据透视表功能制作出景观类型变化转移矩阵。其计算公式为：

式中：P表示某种景观类型的面积；Pii是指时段内该景观类型保持不变的面积；Pij指时段内由i种景观类型转化为j种景观类型的面积；n为景观类型的种类。

2 研究结果与分析

2.1 景观变化特征分析

2.1.1 景观总体变化特征分析 根据研究区1997～2019年3期土地利用遥感解译数据，得到研究区景观总体变化特征(表2)，自1997年以来，研究区各景观类型的数量和结构都发生了不同程度的变化。从数量上来看，受城镇化和自然生态环境因素的影响，景观类型变化最大的是建设用地、耕地和未利用地。建设用地的面积逐年增大，其面积从1997年的207.81 km2到2009年的841.58 km2，增加了3.05倍，又从2009年的841.58 km2到2019年的1103.41 km2，增加了261.83 km2，建设用地的持续增加，除了人口增加的原因外，还与政府规划、土地开发、市场调节等社会经济有关，快速扩张在一定程度上导致出现了城市“虚胖”的现象。此外，建设用地的变化体现了城市扩张的2个阶段，1997～2009年，建设用地呈现爆发式扩张状态，2009～2019年，建设用地在原有基础上有序地向外扩展。与之相反，耕地面积逐年递减，1997年耕地面积为1903.66 km2，在所有用地类型中面积数量最大，2009年耕地面积下降了375.16 km2，到2019年，耕地面积再次下降了700.69 km2，近20年中，耕地面积总体下降了1075.85 km2，且在2009～2019年间其面积骤减。耕地面积的不断减少是由于工业化的快速发展、产业结构的调整和郑州市2002年以来退耕还草工程实施的结果。未利用地从1997年的1155.58 km2到2009年的84.33 km2，骤减了1071.25 km2，而从2009～2019年，其面积增加了483.62 km2，未利用地的面积变化体现了研究区的环境特殊性。除了紧邻黄河地区因水位变化导致的未利用地变化以及其他气候因素环境因素外，主要原因是对土地资源利用不当导致的生态环境的退化。总体来看，1997～1999年景观变化强度高于2009～2019年，体现了城市从无序蔓延到有序扩张的状态。

表2 1997～2019年研究区各景观类型面积变化

从结构上来看，1997～2019年研究区最为突出的变化是各景观类型结构趋于均衡。1997年面积占比最多的是耕地和未利用地，分别达到49.2%和29.87%，景观结构单一，体现了当时研究区内尚未进入城镇化的状态。2009年景观结构突出表现为耕地和未利用地的减少以及建设用地和草地的大幅增加，此时耕地、草地和建设用地占比分别为39.51%、29.43%和21.75%。2019年，景观面积比例位于前3的分别是建设用地、草地和耕地，其次，未利用地面积比例显著上升，整体结构上体现了城镇化的典型特征。总体来看，1997～2019年，耕地的大幅减少和建设用地、草地的大幅增加体现了郑州市向北扩张的城市发展态势，林地结构相对稳定且稍有增加，而未利用地和水体的结构占比从减少到增加是研究本区域黄河水域环境演变和城市扩张的关注点之一。

2.1.2 景观类型转移特征分析 通过景观类型转移特征(表3)和相关资料查阅分析得出：1997～2009年间，研究区内变化最大的是耕地，转出面积为922.98 km2，主要转出为草地和建设用地，分别占总转出面积的57.95%和33.74%。变化规模居于第二位的是未利用地，在这期间，未利用土地得到了开发，主要转出为草地、耕地和建设用地，转出面积分别为413.04、334.85和315.2 km2。草地的主要转移方向为耕地，主要分布在少量村庄建成区周边；而转换为草地的耕地和未利用地的面积分别是534.85和413.04 km2，其数量是草地转为耕地数量的3～5倍。建设用地转入的主要来源是未利用地和耕地，两者向其总转入面积为626.64 km2，占建设用地增加总面积的90.64%；这一时期建设用地向其他类型用地转出甚少。此外，水体面积明显减少，除了向建设用地和草地的少量转出，另一方面受自然环境影响较大，2009年黄河流域遭遇了特大干旱，河南更是遭遇了50年来罕见的秋冬连旱，天气干燥、降水稀少进一步导致地表水枯竭，是水体大规模减少的自然因素。林地规模相对稳定，主要集中在西南山地。总体来看，1997～2009年，研究区内郑州城市化的发展向北蔓延，占用了大量的农田和未利用地，沿黄河生态空间受到挤占。另一方面，受退耕还林、退耕还湿等政策的影响，一部分耕地转换为林地、草地和水体，这对生态环境起到了一定的积极作用，但会减弱生态服务对粮食供给的贡献。

表3 1997、2009和2019年研究区景观转移矩阵 km2

2009～2019年间，研究区内变化规模最大的仍是耕地，其次是建设用地。耕地主要流向建设用地和草地，分别为319.66和499.68 km2，占耕地总转出量的77.59%，另外有178.56 km2的耕地转变为未利用地。转入到耕地的景观类型主要是草地，面积为268.74 km2，主要体现在村庄建成区周边，中牟县尤其明显。这一时期，建设用地的转入比例仍呈现极高的状态，耕地和草地分别向建设用地转入319.66和238.41 km2，表明这段时期由于研究区域经济发展的需要，开展了大规模的城镇建设；此外，建设用地向未利用地和草地分别转出152.6和107.02 km2，主要体现在政府对村庄的拆、迁、合并,以及城市内部绿地的增加。未利用地有较大幅度增加，主要来源于草地、耕地和建设用地，变化主要在巩义市内村镇建成区周边和紧临黄河一带。草地的面积与之前相比呈减少的趋势，主要流向建设用地和耕地，分别为238.41和268.74 km2。总体来看，2009～2019年，研究区内郑州城市化的发展向北扩张呈集中连片状态，其中惠济区和金水区建设用地的扩张最为突出，挤占了大面积的生态空间，但紧临黄河南岸无序蔓延的村庄建设用地得到整合，转为生态用地，则体现了城市发展中生态思维的转变。另一方面，未利用地的增加体现了村庄农耕性质向城中村的转变，水体的增加是人为和环境因素共同的结果，人为因素主要为城区内河湖水系的增加及黄河滩区的治理，环境因素主要为降水、气候等对黄河的影响。

综合1997～2019年景观类型的变化，研究区内转换规模位于前4位的是耕地转为建设用地、耕地转为草地、未利用地转为草地和未利用地转为建设用地。建设用地是景观类型的主要转出对象，建设用地的扩张使黄河南岸生态空间从大而连通变为小而破碎；而耕地一方面受到城市扩张对空间的侵占，另一方面由于一大部分耕地转为草地，为生态环境建设起到了一定的支撑作用。未利用地向草地和建设用地的转出体现了城市发展中生产空间和生态空间共同发展的一面。林地主要分布于西南部山地，景观格局相对稳定。水体的减少，受环境影响主要体现为向未利用地和建设用地的转化。

2.2 景观格局变化分析

2.2.1 景观水平格局变化特征 景观水平上的格局指数分析，有利于更好地分析研究区整体景观格局变化特征。从表4可知，1997～2019年研究区景观格局发生显著变化，PD和ED在1997年时均为较低值，说明此时斑块还具有较高的完整性，之后呈现出增长趋势，加之AREA-MN不断减少，说明22年来研究区大而完整的斑块被分割成小斑块，主要是耕地不断被建设用地分割，导致农田基质不断退化，也使得景观格局破碎化态势愈加严重。SHAPE-AM的下降，说明研究区内的斑块形状受人为干扰不断加大，趋向于人工景观特征。此外，与1997～2009年相比，2009～2019年破碎化过程相对缓慢并且得到控制，但破碎化程度依然存在。以上情况表明当前城市发展速度仍然过快，经济发展与生态发展不协调，会影响城市的可持续发展和生物多样性的保护，应高度重视。

表4 1997、2009和2019年研究区景观水平景观指数

AI侧重于表现研究区景观层面斑块分散程度，IJI侧重从斑块边界出发，通过斑块边界的相互邻接来表现斑块的集聚特征，COHESION表征在特定的距离内某一斑块的物理连通性。分析表4可知，1997～2009年AI、IJI和COHESION均呈减少趋势，表明该段时间内景观格局变化主要表现为研究区景观空间分布不集中，结合度较低，景观斑块与多种其他斑块邻接度降低，景观格局变得杂乱破碎。在2009～2019年间AI和IJI呈上升趋势，COHESION呈减少趋势，表明对环境的治理和保护取得了一定成效，斑块聚集度和临近度提高，但斑块之间的连通性仍需改善。

2.2.2 生态用地景观类别变化特征及影响 由图3可知，在类型水平上，研究区生态用地的景观指数呈现不同的变化趋势。1997～2019年，草地、林地的PD值均呈现先增大后减小的趋势，表明景观在1997～2009年间受人为干扰程度较深，斑块被不断分割，破碎化程度加强。2009～2019年呈减小趋势，说明这期间我国生态文明建设取得了一定成效，破碎化程度有所改善。水体的PD值呈现先减少后增大的趋势，主要是由于面积减少带来的破碎化程度减弱。2009～2019年面积增加，破碎化程度随之提高。耕地的面积虽在逐渐减少，但PD值持续上升，表明这期间耕地不断受到其他景观的分割，破碎化程度最为严重。

图3 生态用地景观类别层次特征变化

从COHESION指数可以看出，草地的COHESION值呈先增多后减少的趋势，与PD值变化一致。林地COHESION值持续增加主要是由于郑州市沿黄河生态廊道及防护林的建设。耕地COHESION值的不断下降，表明随着耕地破碎化程度的加深，连通性随之逐渐减弱。水体COHESION值的变化与PD值一致，随着面积的减少，破碎化程度降低，连通性降低。

2.3 景观变化对黄河生态空间影响分析

人口增加、政策支撑[27-28]以及经济社会发展是建设用地快速增长的主要原因，根据郑州市统计局年度统计数据显示，2001年研究区范围内人口总数为307.3万人，到2019年已经达到384.5万人。建设用地的增长从中心城区逐渐向外侵占其他用地。依据《黄河干流(河南段)国土空间概念性规划(2020)》(图4)，本文将2019年郑州市域黄河南岸大堤外5000 m范围内作为本次研究的沿黄河生态空间，该区域是维护郑州市北部生态安全的重要屏障，也是本文研究区内的核心生态用地(图5)。其区域内建设用地从1997年的16.26 km2增长到2019年的118.78 km2，城市的大规模扩张导致生态空间被大量侵占，生境出现严重的破碎，东西向景观连通功能被破坏，系统生态流无法正常发挥作用，据环境、气象、水文等资料统计沙尘、雾霾、水污染和粮食安全等已经威胁到城市的可持续发展[29-30]。

图4 黄河南岸5000 m范围内建设用地变化

图5 黄河南岸5000 m范围内生态用地

由表5可以看出，1997～2019年间，该区域耕地面积几乎减少了一半，斑块之间连通性降低，同时粮食供给也会受到影响。水体面积的变化不大，连通性较低。林地面积在2009年有了小幅度的提升，但2009～2019年间减少较多，仅剩下零星的小型林地斑块。分阶段看，该区域内生态空间被挤占主要发生在2009～2019这10年间，从2009年的556.76 km2下降到2019年的460.01 km2。此外，黄河滩区生境条件差，植被生长环境恶劣，特殊的地质土壤导致生态退化严重，部分草地、林地退化。

表5 黄河南岸5000 m范围内生态用地面积变化 km2

多年来，因缺少有序开发和有效治理，沿黄河生态区域范围内一直存在私改农田、粗放养殖、开矿采砂等行为，自然景观被不断取代、分割，进而导致区域斑块破碎化严重，生境质量和景观连通性的破坏不仅影响了城市外围自然生态系统维育，同时，城市生态屏障的缺失极大地减弱了城市内部抵御自然灾害的能力。

3 结论

本文以研究区景观格局演变为主，利用Fragstats 4.2、ENVI 5.1、ArcGIS 10.2软件，对郑州市沿黄河6个区(县)进行研究，得出以下结论。

(1)研究区景观格局特征变化明显，在地类上主要表现为建设用地的持续增加和耕地的持续减少。林地变化幅度不大。草地表现为先增加，之后又小幅度减少总体呈增加的趋势。水体和未利用地则先减少后增多。整体景观类型结构趋于均衡。此外，研究区内各类景观用地类型都进行了不同程度的相互转化，主要为各类用地向建设用地的转化。说明在城市化发展过程中，通过不断开发耕地、未利用地等生态用地从而转化为建设用地。

(2)郑州市景观格局的发展演变体现了城市扩张期间不同阶段的特点。1997～2009年研究区建设用地的扩张呈现爆发式无序的状态。2009～2019年政府对生态建设的关注增加，研究区建设用地在原有基础上有序地向外扩展，生态空间状况也得到了改善。

(3)景观格局指数分析结果显示，1997～2019年研究区PD和ED都呈现了持续增加的变化趋势，而AREA-MN和SHAPE-AM呈现了持续减少的趋势。说明研究区域斑块破碎化程度高，AI、IJI和COHESION的变化趋势说明景观空间分布不集中，连通性较差。在类型水平上，耕地破碎化程度不断加深且连通性持续下降，林地的连通性得到了改善和提升。

(4)建设用地的大幅度扩张，造成生态空间被侵占，黄河南岸5000 m范围内生态用地的变化，表明中心城区的蔓延扩张正日益威胁着城市北部的生态屏障，加之该区域原有的生态脆弱性导致生态退化严重，郑州市北部区域的生态安全已受到极大威胁。

(5)生态文明建设和高质量发展背景下，郑州市北部的发展需从景观连通性、生物多样性和生态系统服务3个方面出发，通过修补沿黄河生态网络，构建完整的生态屏障以实现可持续发展。