黄河滩区周边城镇生境质量及景观格局的时空演变.pdf

012023.11/The Construction and Renewal of Urban-Rural Landscape 城乡景观营造与更新indexes decreased significantly from 2000 to 2010.In terms of the correlation between habitat quality and landscape pattern,indices such as water LPI and AI showed significant correlation with habitat quality,while cultivated land and construction land also showed prominent influence on LSI and COHESION.The research results have certain theoretical and practical value for the habitat protection of important ecological function areas in the Yellow River floodplain and the surrounding towns.Key words towns around the Yellow River floodplain;habitat quality;landscape pattern生境质量是生物多样性维持能力的重要表征，体现了区域生态环境为生物生存提供适宜条件的能力。以生物多样性提升为目的优化区域生态系统是联合国可持续发展的重要目标，也是生态韧性城市发展的关键导向1。生态环境演变与土地利用/覆被变化息息相关，在城市/镇化发展过程中，各类土地开发活动促使原有的生态环境及其支撑下的生态系统出现转变，不仅对生物的生存条件产生影响，同时打破了原有的生态网络格局，影响生境斑块内外物质和能量的流动、交换和转化2。在众多自然土地类型中，流域作为特殊的地理单元，是近现代城市/镇化发展高度集中的区域，兼有重要的资源、生态、经济和文化等功能。在流域生物多样性保护上，中国将促进生态系统健康、提升生物多样性列为黄河流域生态保护和高质量发展战略的主要任务3308；德国慕尼黑政府将生物多样性恢复作为伊萨河（DieIsar）流域改造计摘要以黄河滩区周边城镇为研究区，基于 InVEST 模型与 6项景观格局指数进行生境质量演变与景观格局的相关性分析，结果表明：生境质量方面，自 1980 年以来研究区生境质量呈持续下降趋势，冷热点集聚效应明显；景观格局方面，耕地斑块优势程度最强，建设用地斑块破碎化程度最高，林地、草地仅在连接度指数上与之相近，但草地 COHESION、AI 指数在 20002010 年间大幅度下降；生境质量与景观格局相关性方面，水域LPI、AI等指数与生境质量均呈显著的相关性，耕地、建设用地在LSI、COHESION等方面也表现出突出影响。研究结果对黄河滩区及周边城镇区域重要生态功能区的生境保护具有一定的理论与实践价值。关键词黄河滩区周边城镇；生境质量；景观格局中图分类号TU982文献标识码A基金项目国家自然科学基金面上项目（51978050）；国家住房和城乡建设部科学技术计划项目（2020-k-194）；北京高校高精尖学科建设项目“城乡人居生态环境学”DOI10.19892/ki.csjz.2023.11.01Abstract Taking the towns around the Yellow River floodplain as the research area,the evolution of habitat quality and its interaction with landscape pattern were studied based on InVEST model and 6 landscape pattern indices.The results showed that:In terms of habitat quality,the habitat quality index has been decreasing continuously since 1980,and the cold and hot spots show obvious agglomeration.In terms of landscape pattern,the dominance degree of cultivated land and the fragmentation degree of build-up areas was the highest,forestry land and grassland were only similar to it in connectivity index,but grassland COHESION and AI 作者简介：冯君明（1992-），男。研究方向：风景园林学、城乡空间规划和城市设计。通信作者：李翅（1971-），男，教授、博士生导师。研究方向：韧性城市与区域空间发展、国土空间规划与城市设计、绿色社区与低影响开发。作者单位：北京林业大学园林学院黄河滩区周边城镇生境质量及景观格局的时空演变The Spatial and Temporal Evolution of Habitat Quality and Landscape Pattern in the Towns Around the Yellow River Floodplain冯君明 李 翅 马俊杰 冯一凡Feng Junming,Li Chi,Ma Junjie,Feng Yifan02城市建筑 Urbanism and Architecture/2023.11划的重要目标4。此外，长江流域、亚马孙流域等无不在强调流域生境质量对区域可持续发展的重要支撑作用5。基于流域尺度识别与量化生境质量和土地空间格局的互动关系，对区域生物多样性保护、生态安全格局的构建等具有重要意义。对此，国内外学者使用 HSI、InVEST、SolVES、ARIES 等模型6，聚焦驱动机制7、格局演变2等领域探讨流域土地利用变化对生境质量的影响。黄河作为中国的第二大河，是我国的重要生态屏障，其沿线地区是我国重要的经济地带，在我国经济社会发展和生态安全方面具有重要的地位319。黄河滩区（YellowRiverfloodplainarea）指黄河下游宽河道段主河槽至两侧河堤之间的地带1，8，是我国中部生物多样性分布的重要地段。2019 年 9 月，黄河流域生态保护和高质量发展战略的提出，对黄河滩区生态环境与城乡空间治理提出了新目标和新要求。然而长久以来，围绕黄河滩区开展的生境质量相关研究较少，已有研究更多聚焦于流域6、城市9等尺度。由此，本研究选择黄河滩区周边城镇作为研究区域，在使用 InVEST 模型和景观格局指数分析的基础上，对黄河滩区生境质量与景观格局之间的关系进行梳理，进而为流域土地资源的可持续利用和韧性发展提供科学依据。1 研究区概况选择黄河下游地区沿滩区地带，隶属河南省与山东省15 个地级市内的 62 个城区、县和县级市作为研究区域，总面积约 52052km2。根据行政区划和城市职能等特性，对研究区做进一步划分（见表 1）8，以此进行数据采集以及生境质量、景观格局相关分析工作。2 研究数据和方法2.1 数据来源以中国科学院资源环境科学与数据中心提供的河南省和山东省 1980、1990、2000、2010、2020 年的 30m 精度土地覆盖数据为主要信息源。同时，参考自然资源部发布的土地利用现状分类（GB/T 210102017），将研究区域内土地覆被类型划分为耕地、林地、草地、水域、已建成区和未利用土地 6 个类别，以此为基础对研究区生境质量与景观格局演变进行分析。2.2 研究方法2.2.1 InVEST 模型生境质量评估InVEST（integratedvaluationofecosystemservicesandtrade-offs）模 型 是 美 国 自 然 资 本 项 目（NaturalCapitalProject）开发的，用于评估生态系统服务功能及其经济价值、支持生态系统管理和决策的模型系统。InVEST 模型中的生境质量（habitatquality）模块是根据不同土地利用/覆盖类型的敏感度，不同威胁因子的位置、威胁程度与距离等计算生境质量、退化程度和稀缺性结果10，相关分析过程及公式如文献 10 所示。为使模型分析参数符合黄河滩区实际情况，参考黄河6、长江11等流域生境质量研究成果，同时结合德尔菲法（Delphi），通过 30 位城市规划领域专家和学者为威胁因子和生境敏感性相关参数进行重要性打分并计算权重，最终得到威胁因子和生境敏感性参数表（见表 2、表 3）。2.2.2 生境质量空间分布特征使用全局 Moran s 指数描述研究区生境质量在区域内是否有集聚效应，相关原理如文献 12 所示。全局Moran s 指数值域为-1,1，若大于 0 则为正相关，反之则为负相关，其值越接近于 1 则集聚性越强，等于 0 则表示随机分布。与此同时，使用 Getis-OrdG*来刻画研究区生境质量的冷热点分布，相关原理及计算公式如文献13 所示。当 G*值为正时，生境质量呈高值集聚，为热点区域，反之则为冷点区域，其中 99%置信水平上的 G*值对应的区域为热点与冷点，95%置信水平上的 G*值对应的区域为次热点与次冷点。表 1黄河滩区周边城镇空间分级信息表城镇空间等级数量所属城市中心城镇城区10市中区、历下区、历城区、天桥区、槐荫区（济南市区）；中原区、二七区、管城回族区、金水区、惠济区（郑州市区）一级城镇空间14东营区（东营）；滨城区（滨州）；岱岳区、泰山区（泰安）；牡丹区（菏泽）、龙亭区、顺河回族区、鼓楼区、禹王台区、祥符区（开封）；红旗区、卫滨区、牧野区、凤泉区（新乡）二级城镇空间38河口区、垦利区、利津县（东营）；博兴县、惠民县、邹平市（滨州）；高青县（淄博）；齐河县（德州）；章丘区、济阳区、长清区、平阴县（济南）；肥城区、东平县（泰安）；阳谷县、东阿县（聊城）；梁山县（济宁）；郓城县、鄄城县、东明县（菏泽）；滑县（安阳）；范县、台前县、濮阳县（濮阳）；新乡县、获嘉县、原阳县、延津县、封丘县、长垣县（新乡）；兰考县（开封）；巩义市、荥阳市、上街区、中牟县（郑州）；孟州市、武陟县、温县（焦作）表 2威胁因子参数表威胁因子最大影响距离/km权重空间衰减形式耕地10.7线性城镇用地101.0指数农村居民点40.6指数道路30.5线性工矿用地51.0指数032023.11/The Construction and Renewal of Urban-Rural Landscape 城乡景观营造与更新2.2.3 景观格局指数本研究选用类型指数开展分析过程，包括斑块个数（NP）、最大斑块指数（LPI）、连通度指数（COHESION）、聚合度指数（AI）、边缘密度（ED）、景观形状指数（LSI）等 6 个指标进行分析。各指标对应公式依据文献 14，具体计算过程则通过 FRAGSTATS4.2 软件进行。2.2.4 生境质量与景观格局指数的相关性分析选择皮尔森相关系数（pearsoncorrelationcoefficient）作为论证研究区生境质量与景观格局指数之间空间层面相关性的分析方法，该系数是一种线性相关系数，用来反映两个变量线性相关程度，系数绝对值越大，表明相关性越强。3 研究结果3.1 黄河滩区周边城镇生境质量演变特征为便于阐述生境质量演变过程，本研究将黄河滩区周边城镇生境质量分析结果按指数划分为 4 个等级（0.000.25、0.250.50、0.500.75、0.751.00），分别对应低等、中低等、中高等和高等，各等级生境空间分布及比例如表 4、图 1 所示。可以看出，研究区总体生境质量处于较低水平，低等和中低等级生境质量区域总和占80%以上。从空间分布看，生境质量较高区域主要分布在巩义市南部山区、济南市南部山区，以及东平县东平湖与黄河入海口等地区。生境较低区域则集中在郑州市、新乡市、济南市等城镇空间以及各城镇之间新建城区地带。从时间演变来看，高级、中高等级生境质量空间整体呈下滑趋势，其中高等级生境质量空间在 21 世纪初“黄河三角洲高效生态经济区”等发展战略驱动下，在 2010 年有所回升，但随着 2013 年“渤海粮仓”等热潮兴起，油田开发、围滩养殖、围垦耕种等活动造成黄河三角洲滨海湿地不断退化和萎缩15，加上内陆地区大规模城镇建设，最终使高等级生境质量区迅速减少。从各年份生境质量分布特征看，19802020 年全局空间自相关 Moran s 指数分别为 0.4660、0.6312、0.6501、0.3968、0.4239，呈“南冷北热”的斑块状分布格局，总体聚集效应明显（见图1），但从演变趋势来看，1990 年和 2000 年两个年份集聚效果更加突出。在各城镇单元对比中，济南市中心城区及南部的肥城市、泰山区等城区在 2000 年之前热点集聚效应明显。与之相对的是，黄河滩区南侧郑州市、新乡市中心城区则呈持续的冷点集聚状态，该现象自 2010 年起略有好转，可以解释为该区域在黄河滩区处于城镇化程度较高、发展速度快，同时又缺少千佛山、东平湖等优质自然生态基底的地区，相对较弱的生境条件与极快的城镇发展速度是该区域生境质量冷点集聚的主要原因。3.2 黄河滩区周边城镇景观格局演变特征基于景观生态学视角探讨黄河滩区周边城镇土地空间格局的变化趋势。如图 2 所示，在空间层面，耕地 LPI、表 4研究区不同等级生境质量区域面积比例统计 单位：%生境质量指数1980 年1990 年2000 年2010 年2020 年低等15.7916.0718.3619.0522.93中低等68.9669.4276.1268.8074.16中高等0.160.200.070.010.01高等15.0914.315.4512.142.90表 3各类型景观对威胁因子的敏感度信息表代码名称生境适宜度耕地城镇用地农村居民点道路工矿用地1112耕地0.50.20.50.50.40.621有林地1.00.60.50.20.60.822灌木林0.90.60.80.20.70.723疏林地0.70.91.00.70.70.53133草地0.80.80.40.70.50.441河渠0.80.20.30.30.70.243水库坑塘0.70.20.30.30.70.146滩地0.50.20.70.20.70.151城镇用地0.00.00.00.00.00.252农村居民点0.00.00.00.00.00.753其他建设用地0.00.00.70.60.00.066裸岩石0.70.50.90.70.20.604城市建筑 Urbanism and Architecture/2023.11建设用地 NP 数值远高于其他地类的相同指数结果，表明黄河滩区周边城镇建设用地斑块破碎化程度更高，耕地斑块则分布相对集中，但拥有更加突出的斑块体量，可见作为我国粮食主产区之一，黄河滩区高强度的生产活动对自然景观改造程度的影响较为明显，耕地成为该地区的基质类型与优势景观，这一结论同样体现在ED和LSI结果中。在斑块之间联系上，耕地、水域斑块的 COHESION、AI数值大于林地、草地、建设用地等地类，说明黄河滩区优势景观斑块连接性更强，并且黄河河道作为区域蓝色生态网络的骨架也极大提升了水体连通程度，相比之下，林地、草地等重要生境斑块之间连接性不足，难以为区域层面生物多样性的提升提供支撑。从时间序列来看，研究区整体建设用地 NP 逐年降低，同时 COHESION、AI、ED 逐年提升，说明在研究时段内，黄河滩区周边城镇正处于持续扩张的发展态势，大量耕地、未利用地转为建设用地8，使建设用地斑块逐渐被整合，该现象在济南、郑州中心城区等区域最为显著。耕地 LPI 在 2000 年前后出现了较大幅度的波动，主要原因在于 19902000 年间大量水域转换为耕地8，而随着 2002 年小浪底水利工程的建成运行，以及流域生态保护与生态环境相关治理工作的实施，耕地逐渐转为水域或林地，但在研究区内仍属于优势景观类型。水域、林地、草地等高适宜性生境斑块演变主要体现在连接性指数上，在研究期内，水域 COHESION、AI 先减后增，林地 COHESION、AI 逐年略有提升，草地与林地相反，并且在 20002010 年间变化幅度最大，可以解释为在小浪底水利工程支撑下，黄河下游河床水位有了基本保障，整体水域斑块连通度与聚合度指数在 2000 年之后有了大幅度提升，但在城市/镇发展过程中，各地政府对林草等生态资源的保护关注不足，导致大量生态资源受到侵占或转移。3.3 黄河滩区周边城镇景观格局与生境质量相关性在研究区生境质量与景观格局演变特征分析的基础上，通过 SPSS23.0 平台探究两者之间的相关性。选择1980、2000、2020 年 3 个年份展开分析，如图 3 所示，黄河滩区周边城镇大部分地类景观格局指数与生境质量存在较为显著的相关性（P 0.01），在相关系数绝对值上，由大到小分别为水域、耕地、建设用地、未利用地、耕地和草地，可见水域，特别是黄河对黄河下游滩区生境质量有较强的影响力，耕地土地格局状况也可以在很大程度上影响所在区域生境质量的走势。在具体景观格局指数上，耕地、林地、草地的 NP、COHESION、AI、LSI 与生境质量呈显著的正相关性，表明上述地类斑块数量越多、边缘越复杂、连通性越强，生境质量相对越高。建设用地LPI、COHESION、AI 与生境质量呈显著的负相关性，并且 Pearson 绝对值均较大，说明建设用地斑块的优势程度热点 99%冷点 99%热点 95%冷点 95%黄河0 100 200km生境质量等级低级 中高级 中低级 高级冷热点及置信度耕地 林地 草地水域 建设用地 未利用地 30 00020 00010 00004030201009996939010199979593201510502502001501005001980 1990 2000 2010 20201980 1990 2000 2010 20201980 1990 2000 2010 20201980 1990 2000 2010 20201980 1990 2000 2010 20201980 1990 2000 2010 2020研究时段/年（a）斑块个数（NP）（c）连通度指数（COHESION）（e）边缘密度（ED）（b）最大斑块指数（LPI）（d）聚合度指数（AI）（f）景观形状指数（LSI）景观格局指数值图 1研究区生境质量与冷热点分析结果（图片来源：作者自绘）图 2研究区景观格局指数分析结果（图片来源：作者自绘）（a）1980 年（b）1990 年（c）2000 年（d）2010 年（e）2020 年I：I：I：I：I：052023.11/The Construction and Renewal of Urban-Rural Landscape 城乡景观营造与更新及连通性的提升不利于生境质量的提升，并且其驱动力强于林地、草地等高适宜性生境类型。从时间序列来看，研究区大部分景观格局指数与生境质量 Pearson 相关系数绝对值呈持续降低或先增后减趋势，主要起因在于 20002010 年研究区土地动态度较高8，研究区在景观格局出现较大幅度变动的同时，土地空间格局的内在差异性降低，使得多数土地景观格局指数与生境质量虽具有显著的相关性，但相互关系有所减弱。4 结论生境质量是生态系统服务水平的重要表征，是区域生态安全保障和人类福祉提升的关键因素。本研究基于InVEST 模型评估结果，结合 6 项景观格局指数进行黄河滩区周边城镇生境质量与景观格局的互动关系研究，较好地揭示了近 40 年来研究区生境质量时空演变规律及其影响景观格局的相关性。结果表明：（1）自 1980 年以来，研究区生境质量整体呈持续下降趋势，较低和中低等生境质量空间占比逐年增加，并且黄河三角洲区域演变最为剧烈。（2）随着研究区土地空间的发展演变，耕地作为优势景观类型其 LSI 数值最高，建设用地破碎化程度更强。在研究时段内，黄河滩区周边城镇处于持续扩张趋势，建设用地斑块趋于整合，耕地与水域在 2000 年前后出现了较大规模的相互转化情况，林地斑块连通性略有提升，但草地斑块连通性大幅度下降。（3）在生境质量与景观格局指数相关性上，水域特别是黄河是支撑研究区生境质量的最重要因素，耕地、建设用地的斑块数量、边缘密度及优势程度也在很大程度上影响着研究区生境水平。在城镇化发展过程中，研究区多数土地景观格局指数与生境质量的相关性持续下降或先增后降。由此可见，研究区生境质量与土地景观格局密切相关。在未来黄河滩区生态保护和高质量发展过程中，需围绕生境质量提升这一目标做好生态保育与生境优化工作，特别是郑州市、新乡市主城区以及濮阳市、菏泽市之间的黄河下游过渡性河段区域，该区域生态基质较弱，需强化对平原造林、水源涵养等方面工作的重视，依托重要河段、道路绿化带等构建生物迁徙廊道。在生态极为脆弱的黄河三角洲地区，需加强土地利用的节约程度，限制以摊大饼的方式扩展城镇空间，同时加强城镇中心区景观资源的合理配置，从而提升城镇土地生态系统的生物多样性支持服务效能，最终提高城镇化发展过程中的生态韧性。本研究还存在如下不足：（1）虽然 InVEST 模型在空间表达、动态研究等方面较为成熟，但由于本研究较大的区域跨度，如何统筹不同地段城镇特点，实现更加合理、适用的评估参数设定有待继续探讨。（2）黄河下游河道不仅是地上悬河，还是槽高、滩低、堤根洼的“二级悬河”，在特殊的水沙特性和地形条件驱动下，黄河下游滩区构成极为复杂，嫩滩、中滩、老滩等滩地空间在生物多样性支持服务方面存在内在差异。本研究仅从宏观视角入手，将沙地、沼泽、裸土等合并处理展开分析，难以从中微观层面剖析滩区内部生境质量的演变特性，未来需聚焦原阳滩、封丘滩等典型滩区，使用更加细化的土地覆盖数据展开评价分析。（3）本研究选择 6 项景观格局指数展开论证，难以充分论证黄河滩区周边城镇区域生境质量的演变机制，未来需进一步扩展景观格局指数类型，并结合社会、经济等方面因素进行驱动关系分析，为制定区域生态管理办法及景观调控措施提供更加有效的理论依据。P0.05*P0.01Pearson 系数增加 Pearson 系数降低 耕地 林地草地水域建设用地未利用地-1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 NP0.319*0.435*0.469*0.470*0.169*0.176*0.326*-0.824*-0.423*-0.178*-0.610*0.423*0.430*0.361*0.401*0.534*0.272*0.355*0.388*0.480*0.108*0.327*0.303*0.337*0.582*0.505*0.514*0.499*0.424*0.466*0.1340.1650.0760.202*0.0020.175LPIAIEDLSICOHESION图 3研究区生境质量平均值与景观格局指数 Pearson 相关性分析结果（图片来源：作者自绘）（下转第 09 页）092023.11/The Construction and Renewal of Urban-Rural Landscape 城乡景观营造与更新地的热岛强度仅次于建设用地，裸地的热岛强度也较高，但热环境波动明显。（2）景观格局与热岛强度具有较强的关联，且空间溢出效应明显，局部地区景观格局的改变会导致该地区及邻近区域的热环境的变化。（3）连续集中的绿地，其降温效果优于分散破碎的细小绿地。而连续集中或零散破碎的建设用地、耕地均有明显的热岛效应。4.2 讨论本研究揭示了漳州市全域景观格局的热环境效应。一方面，研究仅运用单一时段的遥感数据进行探讨，尚需运用多个年份的长时间序列数据分析景观格局热环境效应的演化规律；另一方面，景观格局的热环境效应可能受昼夜、季节等时间因素的影响。未来的研究可将时间这一因素纳入实证分析中，以得出更全面、更客观的分析结果。参考文献1沈中健，曾坚闽南三市城镇发展与地表温度的空间关系 J地理学报，2021，76（03）：566-5832牛航，程海帆基于 Landsat8 影像的昆明市主城区热岛效应空间识别 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