量化社會經(jīng)濟發(fā)展對城市景觀破碎化的影響

　　摘要：【目的】以揚州市為例，分析城市景觀破碎化的空間格局，定量研究社會經(jīng)濟因素對景觀破碎化的影響及其相對重要性。

　　【方法】利用空間分辨率30m的Landsat衛(wèi)星影像、鄉(xiāng)鎮(zhèn)水平的揚州統(tǒng)計年鑒等數(shù)據(jù)，運用景觀格局分析法、增強回歸樹模型(Boostedregressiontrees,BRT)等方法，開展景觀破碎化空間格局及社會經(jīng)濟驅(qū)動的研究。

　　【結(jié)果】①揚州的土地利用類型以耕地為主，占全市總面積的54.9%，其次為水體(22.0%)和建設(shè)用地(21.9%)，林地和草地很少(1.1%)。距離市中心越遠(yuǎn)，景觀破碎化程度越高，在城區(qū)邊緣達(dá)到峰值，而后隨著距離的繼續(xù)增大，破碎化程度逐漸減小。②隨著城市化水平的增加，景觀破碎化程度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，其在城市化水平35%~45%時達(dá)到峰值。③在景觀水平上，社會因子(人口數(shù)量和人口密度)對景觀破碎化的影響以抑制為主，而經(jīng)濟因子(人均GDP、人均財政收入、第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占比和第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占比)的影響以促進為主。與景觀水平相比，社會經(jīng)濟因子在類型水平上的影響更大，而且它們與破碎化不同特征(斑塊密度、邊緣密度、分離度和聚合度)的作用關(guān)系也存在明顯差異，主要體現(xiàn)在分離度和聚合度上，例如人均財政收入在景觀水平上促進分離度的增加，在類型水平上卻表現(xiàn)為抑制作用。

　　【結(jié)論】社會經(jīng)濟發(fā)展確實對城市景觀破碎化產(chǎn)生了較大影響，不僅體現(xiàn)在不同的尺度(景觀和類型水平)上，還體現(xiàn)在社會經(jīng)濟因子對破碎化特征不同的驅(qū)動作用(抑制或促進)上。因此，需要綜合考慮社會經(jīng)濟發(fā)展對景觀破碎化影響的尺度效應(yīng)及作用強度與方向，才能有效緩解城市景觀的破碎化，保障城市的生態(tài)安全和可持續(xù)發(fā)展。

　　關(guān)鍵詞：城市化,景觀破碎化,空間格局,社會經(jīng)濟發(fā)展,揚州市

　　隨著人口的高度聚集和城市的快速擴張，城市化已成為我國未來相當(dāng)長一段時間內(nèi)的趨勢，顯著改變了土地利用結(jié)構(gòu)和區(qū)域景觀格局，帶來了城市熱島效應(yīng)、生態(tài)用地流失、生態(tài)系統(tǒng)退化、環(huán)境污染等一系列生態(tài)環(huán)境問題，直接影響著城市人居環(huán)境質(zhì)量[1-2]。這些問題的出現(xiàn)均與城市土地利用結(jié)構(gòu)和景觀格局的改變密切相關(guān)[3-4]，其中“高度破碎化”的城市景觀是城市化最顯著的特征[5-6]。

　　景觀破碎化(landscapefragmentation)是指由于自然或人文因素的干擾所導(dǎo)致的景觀由簡單趨向于復(fù)雜的過程，即景觀由單一、均質(zhì)和連續(xù)的整體趨向于復(fù)雜、異質(zhì)和不連續(xù)的斑塊鑲嵌體。不斷積累的證據(jù)表明，城市化使得景觀破碎化不斷加重[7]，但不同土地利用類型具有不同的景觀破碎化時空特征[7-8]。

　　隨著離市中心距離的增大，景觀破碎化程度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢[6,9]，但也有學(xué)者認(rèn)為，景觀破碎化程度隨之逐漸減小[5,8]。進一步的研究表明，景觀破碎化受到自然(如地形和地貌)、社會(如人口密度和道路建設(shè))、經(jīng)濟(如財政收入和房地產(chǎn)開發(fā))等因素的影響[1,6-7]，特別是社會經(jīng)濟發(fā)展的影響[10-11]。然而，關(guān)于景觀破碎化的驅(qū)動力分析，現(xiàn)有研究大多采用傳統(tǒng)統(tǒng)計方法(如相關(guān)分析和回歸分析)。

　　這類方法在應(yīng)用時通常受到許多限制(如正態(tài)分布和數(shù)據(jù)類型)，以致目前尚未有效明晰城市景觀破碎化的關(guān)鍵驅(qū)動力[12]。機器學(xué)習(xí)技術(shù)(machinelearning)的興起，突破了傳統(tǒng)方法的局限，可以辨識多重因素的影響，還能明確其他因素取均值或不變的情況下，某一因素與因變量的相互關(guān)系[13]。

　　因此，若能引入機器學(xué)習(xí)技術(shù)，將有助于定量探究城市景觀破碎化的驅(qū)動力及其相對重要性，為城市演化的機制研究提供一種有效方法。隨著經(jīng)濟社會的不斷深化及發(fā)展重點的逐漸轉(zhuǎn)移，中小型城市已然成為促進國民經(jīng)濟增長、推進城市化進程的中堅力量[14]。然而，現(xiàn)有研究主要側(cè)重城市化水平較高的大型城市(如芝加哥、鳳凰城、北京和上海)[1,8]，對中小型城市缺乏足夠的關(guān)注[11,15]，尤其是此類城市景觀破碎化格局及關(guān)鍵驅(qū)動力研究[16-17]。

　　因此，本文以揚州市為例，基于Landsat衛(wèi)星影像，研究城市景觀破碎化的空間格局，運用機器學(xué)習(xí)技術(shù)定量探討其受城市化水平和社會經(jīng)濟發(fā)展的影響，有助于理解城市景觀空間異質(zhì)性的驅(qū)動機制，為城市發(fā)展提供一定的決策支撐。

　　1材料與方法

　　1.1研究區(qū)概況

　　揚州市(119°01′~119°54′E，32°15′~33°25′N)，地處江蘇中部。改革開放以來，尤其是從20世紀(jì)90年代初開始，城市迅速擴張，城鎮(zhèn)化率(城鎮(zhèn)人口占總?cè)丝诘谋壤?由1990年的17.5%快速增加到2017年的66.1%�，F(xiàn)轄3區(qū)(邗江、廣陵和江都)2市(高郵和儀征)1縣(寶應(yīng))，共有77個鄉(xiāng)鎮(zhèn)、14個街道、1125個行政村。全市總面積6591.21km2，常住人口450.82萬人(2017年末)。

　　地處北亞熱帶濕潤氣候區(qū)的北緣，年均氣溫16oC左右，年均降水量1046mm，全年日照時數(shù)平均為2176.7h，土壤主要為水稻土、潮土、沼澤土和黃棕壤。

　　1.2數(shù)據(jù)來源

　　研究范圍為揚州全市(3區(qū)2市1縣)。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源為2010年Landsat-5TM遙感影像(條帶號120-37、120-38，共兩景)，空間分辨率30m，所選研究區(qū)內(nèi)均無云遮擋，數(shù)據(jù)等級為經(jīng)輻射校正和幾何校正的L1T級。在對影像進行拼接、裁剪的基礎(chǔ)上，采用基于特征向量的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，將研究區(qū)分為建設(shè)用地、林地、草地、耕地、水體5種土地利用類型。采用揚州市土地利用現(xiàn)狀圖和GPS實測數(shù)據(jù)，隨機設(shè)立200個解譯標(biāo)志，利用誤差矩陣進行精度評價，總體分類精度分別為85.2%，能夠滿足研究的精度需求。

　　所用的社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來自2011年鄉(xiāng)鎮(zhèn)水平的揚州統(tǒng)計年鑒。其中，社會因素選用人口數(shù)量和人口密度，用于反映人類活動的強度;經(jīng)濟因素選用人均GDP、人均財政收入、第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占比和第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占比，用于反映經(jīng)濟發(fā)展的規(guī)模和質(zhì)量。

　　1.3研究方法

　　參考現(xiàn)有的景觀破碎化研究[18-19]，選取4個代表性的景觀指數(shù)，從類型和景觀兩個水平表征景觀破碎化的程度，即斑塊密度(PD)、邊緣密度(ED)、聚合度(AI)和分離度(DIVISION)。具體計算公式參見文獻[20-21]。選取大小為1、2、3和4km的移動窗口，在FRAGSTATS4.2中分別計算不同窗口大小的景觀指數(shù)并進行對比分析。

　　利用不同窗口大小各個景觀指標(biāo)的柵格圖(即景觀破碎化空間格局)，以揚州的城市中心—文昌閣(119°25′41.35″E，32°23′46.79″N)為原點，設(shè)置不同方向的4條樣帶(東—西、南—北、東南—西北、東北—西南)，研究景觀破碎化的內(nèi)部水平差異，并確定合適的景觀分析尺度[22]。當(dāng)窗口大小從1km增加到4km，4個景觀指數(shù)的變化幅度均逐漸減小，噪聲也隨之減少。經(jīng)多次試驗，景觀分析尺度設(shè)定為2km，既可以消除一定的噪聲，又能保留足夠的空間信息。

　　以移動窗口法確定的景觀分析尺度，在ArcGIS10.4中將整個研究區(qū)進行網(wǎng)格劃分。每個網(wǎng)格的城市化水平以網(wǎng)格內(nèi)建設(shè)用地的面積占網(wǎng)格面積的比例(%)來表示;每個網(wǎng)格的景觀破碎化程度以景觀指數(shù)的平均值來表示。利用線性模型、二項式模型、冪函數(shù)模型、對數(shù)模型等函數(shù)形式，定量刻畫景觀破碎化與城市化水平之間的關(guān)系。鑒于目前獲取的資料是鄉(xiāng)鎮(zhèn)水平的社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)，故而在鄉(xiāng)鎮(zhèn)水平上研究社會經(jīng)濟的定量影響。

　　基于揚州鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政區(qū)劃矢量圖，運用ArcGIS10.4中的分區(qū)統(tǒng)計功能，將景觀指數(shù)與社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)一一對應(yīng)。在機器學(xué)習(xí)技術(shù)中，增強回歸樹(boostedregressiontree,BRT)方法是一種解決回歸和分類問題的代表性技術(shù)[23]，具備同時處理不同數(shù)據(jù)類型、數(shù)量關(guān)系、變量間的相互關(guān)系、缺失數(shù)據(jù)等優(yōu)勢[13]，現(xiàn)已成功用于定量研究多重因子的影響[23-26]。在R語言(3.5.0)中，運用“gbm”包的BRT方法，定量探究社會經(jīng)濟發(fā)展對景觀破碎化的影響。根據(jù)Elith等[27]的建議，本文設(shè)置學(xué)習(xí)速率(learningrate)為0.01，樹的復(fù)雜性(treecomplexity)為4。

　　2結(jié)果與分析

　　2.1城市景觀破碎化的空間格局

　　揚州的土地利用類型以耕地為主，面積達(dá)3635.6km2，占全市總面積的54.9%，分布于各區(qū)縣建成區(qū)的外圍。水體面積1456.6km2，占全市總面積的22.0%，以湖、河道為主，主要分布在寶應(yīng)縣、高郵市境內(nèi)。建設(shè)用地面積1451.9km2，占全市總面積的21.9%，在各區(qū)縣內(nèi)形成明顯的中心。林地和草地的面積很少(73.6km2)而且很分散，成片的林地和草地多分布在蜀岡、瘦西湖風(fēng)景名勝區(qū)、西郊森林公園等景區(qū)和森林公園。隨著離市中心(文昌閣)距離的增加，斑塊密度、邊緣密度和分離度整體呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢，而聚合度則表現(xiàn)出相反的變化趨勢(即先減少后增大)。

　　這說明，距離市中心越遠(yuǎn)，景觀破碎化程度越高，在城區(qū)邊緣達(dá)到峰值，而后隨著距離的繼續(xù)增大，破碎化程度逐漸減小。對各區(qū)縣而言，景觀破碎化程度從建成區(qū)、近郊到遠(yuǎn)郊同樣呈現(xiàn)先增加后減小的變化。

　　2.2景觀破碎化與城市化水平的關(guān)系

　　景觀破碎化與城市化水平之間存在顯著的相關(guān)關(guān)系(P<0.001)。隨著城市化水平的增加，斑塊密度、邊緣密度和分離度均呈現(xiàn)先增加后減小的倒“U”形變化，聚合度卻呈現(xiàn)先減小后增加的“U”形變化。這4個景觀指數(shù)的極值均在城市化水平35%~45%時出現(xiàn)。

　　3討論

　　揚州城市景觀破碎化呈現(xiàn)明顯的空間格局，即城市中心地區(qū)的景觀破碎化程度較低，隨著離城市中心距離的增大，景觀破碎化程度逐漸增加，到城區(qū)邊緣達(dá)到峰值，而后隨著距離的繼續(xù)增大，破碎化程度逐漸減小。這與現(xiàn)有的研究結(jié)論類似，如重慶市渝北區(qū)[29]、北京市[6]。

　　在城市中心，城市化水平很高，建設(shè)用地斑塊擴張已經(jīng)完成并互相連接，降低了景觀的破碎化，而在城區(qū)邊緣，城市化正在進行，人類活動頻繁，干擾劇烈，建設(shè)用地隨著城市的擴張逐漸侵蝕周圍的耕地和自然表面，引起各種土地利用類型的轉(zhuǎn)變和穿插，景觀聚集度下降，破碎化隨之增加。城市外圍的郊區(qū)主要是由成片的耕地、水體等組成，其景觀破碎化程度低于城市邊緣。

　　此外，景觀破碎化隨著城市化水平的增加表現(xiàn)為非線性變化，破碎化程度在城市化水平35%~45%時達(dá)到峰值。其他城市的研究也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果[29]，但出現(xiàn)拐點的城市化水平存在較大差異，如北京的城市化水平在45%~50%時[6]。城市化前期，人類將較為均一的自然表面轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地，建設(shè)用地斑塊之間的連接程度較低，分布也較為分散，城市景觀出現(xiàn)了聚合度下降、破碎化上升的現(xiàn)象。

　　當(dāng)城市化水平達(dá)到35~45%時，城市發(fā)展到了一定規(guī)模，不同土地利用類型的空間分布相對穩(wěn)定，城市景觀破碎化隨之達(dá)到最大。隨著城市的繼續(xù)發(fā)展，城市在向外擴張的同時，對內(nèi)部景觀的改造也從前期的“建設(shè)”向后期的“連接”轉(zhuǎn)變，小斑塊逐漸連接成大斑塊，斑塊數(shù)量開始減少，使得景觀破碎化呈下降之勢。景觀破碎化的增加將降低不同土地利用類型之間的連通性，阻礙了物質(zhì)和能量的交換，進而影響生態(tài)系統(tǒng)功能的發(fā)揮。因此，為緩解景觀破碎化帶來的負(fù)面影響，需要保護和增強斑塊之間的連通性。不斷積累的證據(jù)表明，區(qū)域景觀格局變化主要受到自然、社會經(jīng)濟等因素的驅(qū)動[10-12]。

　　在較小的時空尺度下，穩(wěn)定的自然因素對景觀格局變化起到約束作用，而經(jīng)常變化的社會經(jīng)濟因素則是景觀格局變化的直接驅(qū)動力[30]。甚至有學(xué)者認(rèn)為短期內(nèi)的景觀格局變化主要是社會經(jīng)濟發(fā)展所致[31]。我們利用BRT方法，從景觀和類型兩個水平上探究了社會經(jīng)濟因素對景觀破碎化的影響。

　　在景觀水平上，社會因素(人口數(shù)量和人口密度)對景觀破碎化起到一定的抑制作用。但也有研究認(rèn)為人口數(shù)量(或人口密度)對景觀破碎化具有促進作用[6]。究其原因可能是揚州人口主要分布于城市中心，人口增加和經(jīng)濟發(fā)展促使建設(shè)用地發(fā)生進一步的集聚與連接，從而出現(xiàn)了抑制景觀破碎化的現(xiàn)象。人均GDP和財政收入的增加通常會加重城市景觀的破碎化[32]，我們的研究也證實了這一點。

　　關(guān)于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)對景觀破碎化的影響，第一產(chǎn)業(yè)在早期是通過開墾土地和破壞較為均一的自然表面來謀求發(fā)展的，促使景觀復(fù)雜性和破碎化程度的增加，而當(dāng)?shù)谝划a(chǎn)業(yè)發(fā)展到一定規(guī)模，加之政府管控的加強，第一產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)向內(nèi)涵建設(shè)并進行轉(zhuǎn)型升級，從而削弱了第一產(chǎn)業(yè)對景觀破碎化的作用。然而，第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展對景觀破碎化的影響更為復(fù)雜。在第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展前期，城市景觀聚集，一定程度上減小了斑塊密度和邊緣密度，但會促進聚合度和分離度;隨著第三產(chǎn)業(yè)的繼續(xù)發(fā)展，景觀破碎化程度略有加重。

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　　相關(guān)刊物推薦：《生態(tài)學(xué)報》(半月刊)創(chuàng)刊于1981年，是由中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會主管、中國生態(tài)學(xué)學(xué)會中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心主辦的我國生態(tài)學(xué)及生態(tài)學(xué)各分支學(xué)科研究領(lǐng)域的綜合性學(xué)術(shù)期刊。

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