城市化對地區(qū)景觀格局的影響內(nèi)蒙古鄂爾多斯市城市化時空格局變化及其驅(qū)動力

城市化對地區(qū)景觀格局的影響內(nèi)蒙古鄂爾多斯市城市化時空格局變化及其驅(qū)動力

城市化是20世紀(jì)最重要的特征之一。在此期間，世界城市的人口從14%增加到50%左右。預(yù)計從1930年，世界上60%的人口生活在城市。城市化是人類土地的最極端變化，從區(qū)域到全球，對生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)的影響深遠。從區(qū)域的角度來看，生態(tài)和生態(tài)系統(tǒng)的功能是影響全球城市及其周邊地區(qū)的。從城市空間模式的分析來看，可以更好地理解城市及其周邊地區(qū)的自然、生態(tài)和社會經(jīng)濟過程。景觀模式變化的驅(qū)動因素是景觀模式變化的各種動力，影響景觀過程的各種動力。景觀環(huán)境變化的驅(qū)動機制是景觀環(huán)境變化的原因、基本過程、內(nèi)部機制、預(yù)測未來變化的方向以及制定相應(yīng)的管理對策。資源城市發(fā)展具有強烈的資源方向性，其發(fā)展趨勢受到資源條件和社會經(jīng)濟條件的雙重限制。這是人地關(guān)系影響最大的地區(qū)之一。許多科學(xué)家傾向于城市化，而忽視了中心城市。對于中國這樣的發(fā)展中國家來說，研究中心城市具有重要的現(xiàn)實意義。鄂爾多斯市是一個典型的資源型中型城市,城市發(fā)展深受資源、工業(yè)化經(jīng)濟、城市人口等多因素的影響.自20世紀(jì)90年代以來,鄂爾多斯市步入快速城市化時期,表現(xiàn)為經(jīng)濟和人口高速增長,城市人口從1990年的81.2萬增加到2007年的102.9萬,其人口城市化率達到48%.鄂爾多斯市具有典型的代表性,代表著內(nèi)蒙古地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展水平以及城市化發(fā)展特點.本研究應(yīng)用1990、2000和2007年3個時期遙感解譯的土地利用數(shù)據(jù),分析了鄂爾多斯城市化下土地景觀格局及其演變的主要驅(qū)動因子,并探討了城市化對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響,旨在為城市的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù).1研究領(lǐng)域和方法1.1土地利用標(biāo)準(zhǔn)研究區(qū)位于蒙中經(jīng)濟區(qū)——“金三角”的一極、鄂爾多斯市東北部,包括東勝區(qū)、準(zhǔn)格爾旗、達拉特旗、伊金霍洛旗,即東四旗(圖1).土地利用數(shù)據(jù)來源于中國西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(1990、2000年)和內(nèi)蒙古大學(xué)遙感中心(2007年),通過人工目視解譯、野外實地調(diào)查和數(shù)據(jù)校正得到1∶10萬、分辨率為30m的土地利用數(shù)據(jù).參照2007年《土地利用現(xiàn)狀分類》國家標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合研究區(qū)特點,建立土地利用類型數(shù)據(jù)庫;在此基礎(chǔ)上,將研究區(qū)土地利用類型分為草地、耕地、林地、城市、水體和沙地.1.2學(xué)習(xí)方法1.2.1土地利用類型動態(tài)變化率為了說明土地利用狀態(tài)的時間變化,引入土地利用動態(tài)變化率,即研究土地利用的數(shù)量、結(jié)構(gòu)、方式和強度隨時間發(fā)生的變化.它是一定時間范圍內(nèi)某種土地利用類型數(shù)量變化快慢的指標(biāo),對比較土地利用變化的時間差異和預(yù)測未來土地利用變化趨勢具有重要作用.式中:K為研究時段內(nèi)某一土地利用類型動態(tài)變化率;Ua、Ub分別為研究初期和研究末期某一種土地利用類型的數(shù)量;T為研究時長.1.2.2城市景觀格局變化的梯度分析景觀格局指數(shù)是景觀格局結(jié)構(gòu)和空間配置的定量指標(biāo),能夠高度濃縮景觀格局信息.景觀指數(shù)很多,但每個指數(shù)都有其局限性,根據(jù)需要,本研究選擇6個景觀格局指數(shù),分別為景觀比例、斑塊密度、平均斑塊面積、最大斑塊指數(shù)、Shannon均勻度指數(shù)和景觀聚集度(表1).梯度分析近年來被廣泛應(yīng)用于城市景觀格局變化的研究.本研究以中心城區(qū)為中心,依次設(shè)立邊長分別為20、30、40、60、80km的5個正方形,應(yīng)用Fragstats3.3分別計算0~20、20~30、30~40、40~60、60~80km5個不同幅度下在景觀和斑塊類型水平上的格局指數(shù)(圖1).在0~80km范圍內(nèi)形成依次為城市中心區(qū)、耕地與草地的混合景觀、草地景觀、沙地景觀、各類型混合鑲嵌景觀,即城鄉(xiāng)梯度.2結(jié)果2.1土地利用類型的動態(tài)變化率從景觀結(jié)構(gòu)類型的比例來看(圖2),研究區(qū)草地面積比例最大,占其總面積的50%以上,其次是耕地和沙地,最后是林地和城市用地.其中草地、耕地和林地呈逐年增加趨勢.2007年沙地面積百分比從17.0%迅速降低為5.4%,并呈逐年降低趨勢.城市用地面積逐年上升,雖然所占比例最小,但對周圍的其他景觀產(chǎn)生巨大影響.從土地利用的動態(tài)變化率來看,1990—2000年,各土地利用類型動態(tài)變化率和變化幅度相對較小.2000—2007年,各土地利用類型的動態(tài)變化率較高,特別是沙地和城市用地K值接近10%;林地和耕地面積每年以5%左右的較高速率增加;盡管草地的動態(tài)度小,但由于其面積基數(shù)大,面積增加量也較大;耕地面積有較大增加,一個重要原因是黃河改道和灌溉設(shè)施的建設(shè)(表2).研究區(qū)土地利用變化明顯分為兩個階段,前期變化緩慢,后期變化速度明顯加快(圖2).2.2城市化景觀時空結(jié)構(gòu)的變化特征2.2.1城市周邊景觀破碎化程度的變化有研究表明,斑塊密度(PD)與城市化程度具有很好的正相關(guān).從圖3可知,隨著空間幅度的不斷減小,PD呈單峰曲線,其值不斷增大;PD與城市化呈正相關(guān)關(guān)系,隨著城市化進程的不斷加劇,城市中心及其周圍景觀破碎化程度不斷增加;PD呈逐年增加趨勢,整體景觀破碎化程度呈增加趨勢.隨著空間幅度的不斷減小,平均斑塊面積(MPS)不斷減小,城市周邊景觀破碎化程度隨著城市化的發(fā)展而不斷增加;時間尺度上,MPS逐年下降,城市化加劇,景觀破碎化程度增加.聚集度(CONT)沿城鄉(xiāng)梯度先增加后減小,呈倒“V”型曲線,說明城市中心及城市邊緣的景觀破碎化和復(fù)雜性相對較高,在以草地為優(yōu)勢景觀的中部地區(qū)具有較高的景觀連接性;時間尺度上,CONT呈增加趨勢,景觀的復(fù)雜性呈增加趨勢.通常隨著景觀均勻度指數(shù)(SHEI)值的增加,景觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性趨于增加.沿城鄉(xiāng)梯度,SHEI先減小后增加,呈“V”型曲線,說明城市周圍景觀具有較高的破碎化和復(fù)雜性程度.從上述分析可以看出,景觀的破碎化和復(fù)雜程度與城市化程度有相關(guān)關(guān)系.隨著城市化加劇,PD不斷增加,MPS不斷減小,整體景觀變得更加破碎和復(fù)雜.沿城鄉(xiāng)梯度,景觀格局表現(xiàn)出獨特的空間特征,城市邊緣和剛剛成為城市的地區(qū)具有較高的景觀破碎化和復(fù)雜程度.2.2.2城鄉(xiāng)梯度對草地景觀的影響景觀比例(PLAND)是反映景觀組成最重要的指標(biāo).在城鄉(xiāng)梯度上,城市PLAND呈單峰曲線,特別是在單邊幅度<40km范圍內(nèi),PLAND增加迅速;PLAND呈逐年增加趨勢,2007年P(guān)LAND隨幅度增加呈指數(shù)增長,城市用地沿中心城區(qū)呈外延式擴張,2000—2009年城市用地迅速增加(圖4).耕地PLAND值與城市景觀的趨勢相同,1990—2000年耕地主要集中分布在城市周邊,隨著城市化進程的加劇,城市周邊的耕地類型不斷向城市類型轉(zhuǎn)化;同時黃河改道和農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)施的建立,使耕地分布的空間重心發(fā)生轉(zhuǎn)移.草地PLAND沿城鄉(xiāng)梯度呈倒“V”型曲線,草地主要呈聚集分布;在時間動態(tài)上,草地PLAND呈增加趨勢.隨城鄉(xiāng)梯度,沙地PLAND呈增加趨勢,沙地景觀主要聚集分布在單邊幅度>60km;在時間動態(tài)上,沙地PLAND呈逐年降低趨勢.一般說來,人工景觀比自然景觀有相對高的斑塊密度(PD).從圖4可以看出,耕地和城市比草地、沙地具有相對較高的PD值.1990—2000年,沿著城鄉(xiāng)梯度,城市和耕地PD都呈降低趨勢,景觀斑塊破碎化程度降低.2000年以后,城市PD與城市化程度呈正相關(guān)關(guān)系,城市景觀破碎化程度增加;同時年耕地表現(xiàn)出較高的斑塊破碎化程度.草地PD值沿城鄉(xiāng)梯度呈先減小后增加的“V”型曲線;PD值呈逐年增加趨勢,草地景觀破碎化程度逐年增加.沙地PD在城鄉(xiāng)梯度上呈增加趨勢,這主要與其空間分布有關(guān);其PD值呈逐年降低趨勢,斑塊破碎化程度降低.除沙地斑塊的破碎化程度逐年降低外,其他類型的斑塊破碎化程度與城市化程度呈正相關(guān)關(guān)系,且變化與各類型的空間分布密切相關(guān),表現(xiàn)出獨特的空間特征.最大斑塊指數(shù)(LPI)反映在景觀范圍內(nèi)占主導(dǎo)地位的斑塊.隨著空間幅度的不斷減小,城市斑塊的LPI迅速增加,城市斑塊主要聚集在空間幅度<30km,LPI呈逐年增加趨勢,城市斑塊有增大趨勢.由于草地是優(yōu)勢景觀類型,其LPI較大.2007年耕地LPI在空間幅度<40km達到最低值,而在>60km處的LPI呈逐年增加趨勢,進一步說明隨著城市化進程的加劇,中心城區(qū)的耕地不斷向城市用地轉(zhuǎn)化,其空間重心發(fā)生轉(zhuǎn)移.沙地景觀LPI呈逐年降低趨勢,特別是在城市周邊趨于消亡,沙地類型向其他用地類型轉(zhuǎn)化(圖4).2.3驅(qū)動土地利用變化自然條件是城市產(chǎn)業(yè)布局和空間發(fā)展的重要制約因素,是城市景觀基本格局形成和演化的重要自然本底.研究區(qū)城市主要分布在地下水資源相對豐富和地形平坦的中部地區(qū)和沿黃河的城市帶.自然因素的影響長期存在,卻不是鄂爾多斯市城市化景觀格局快速演變的根本原因.工業(yè)化和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等經(jīng)濟因素對景觀格局演化的內(nèi)在主導(dǎo)作用持續(xù)增強,城市人口與經(jīng)濟發(fā)展的增長使城市化進程加快,必然要求更多的居住、交通、服務(wù)設(shè)施和工礦用地,而這些城市用地往往要侵占城市周圍的耕地等用地類型.該地區(qū)總?cè)丝谂c城市人口迅速增加,鄉(xiāng)村人口迅速下降,特別是2000年以后變化速率更明顯(圖5).城市規(guī)模的不斷擴大,需要不斷從鄉(xiāng)村吸納勞動力,人口不斷從鄉(xiāng)村向城市轉(zhuǎn)變.早期第一產(chǎn)業(yè)占較大比重,土地利用主要以農(nóng)牧用地為主,城鎮(zhèn)工礦和交通用地所占比例較小,隨著城市化和工業(yè)化的發(fā)展,農(nóng)業(yè)勞動力不斷向第二、三產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移,城市邊緣區(qū)其他類型逐步消亡.政策因素對城市用地的演化有著很強的指導(dǎo)和驅(qū)動作用,是不可或缺的重要調(diào)控力量.內(nèi)蒙古自治區(qū)自2000年開始實施退耕還林、2003年實施退牧還草以來,各項生態(tài)建設(shè)重點工程進展順利,取得了顯著成效.草地,林地面積呈逐年增加趨勢,這些增加主要是從沙地類型轉(zhuǎn)化而來.煤炭資源開采及消費增長對城市土地規(guī)模擴張、土地利用結(jié)構(gòu)及空間格局產(chǎn)生多重影響.研究區(qū)原煤產(chǎn)量逐年增加,特別是2000年以后,原煤產(chǎn)量以冪指數(shù)增長.礦產(chǎn)資源開發(fā)加速了當(dāng)?shù)爻鞘谢M程,城市用地在2000—2007年得到迅速擴張.這種趨勢與城市人口、GDP和第二產(chǎn)業(yè)等社會經(jīng)濟因子的發(fā)展趨勢一致,在一定程度上反映了煤炭對城市化景觀發(fā)展的直接驅(qū)動力.資源因素、城市人口增長和經(jīng)濟發(fā)展是地區(qū)景觀變化的重要驅(qū)動因子.3城市景觀格局的生態(tài)影響城市系統(tǒng)是空間上的外延系統(tǒng),它在物理、生態(tài)和社會經(jīng)濟過程上對地區(qū)景觀空間格局有著深遠的影響,城市化造成人口膨脹、土地資源緊缺、環(huán)境污染加劇.盡管城市化的生態(tài)學(xué)研究越來越多,但城市格局與生態(tài)系統(tǒng)功能、服務(wù)之間的相關(guān)關(guān)系研究卻很少.3.1核心景觀格局有時發(fā)現(xiàn)的特點.城市城市化過程中人類活動的強烈干擾,導(dǎo)致鄂爾多斯市景觀格局發(fā)生了巨大變化.耕地景觀受城市化的影響最嚴(yán)重,沿城鄉(xiāng)梯度PLAND和LPI值持續(xù)下降,PD增加,隨著城市用地的不斷擴張,城市周邊的耕地呈現(xiàn)消亡特征.水體景觀本身面積很小,且分布零散.林地景觀規(guī)模也很小,且以大面積斑塊聚集分布,加之對其開發(fā)和利用受到嚴(yán)格限制,其景觀格局對人為干擾的響應(yīng)不敏感,斑塊要素的變化不大.草地面積較大,且主要以大規(guī)模、聚集分布的斑塊存在,該景觀格局對人為干擾不是很敏感,所以景觀變化幅度在所有景觀類型中最小,斑塊要素變化與其空間分布密切相關(guān).城市用地是研究區(qū)中變化規(guī)模最大、變化速度最快的景觀類型之一,其PD和LPI值迅速增加,在時空景觀格局變化上與地區(qū)城市化程度表現(xiàn)出很強的正相關(guān)關(guān)系.城市用地對周圍的其他景觀產(chǎn)生巨大影響,城市邊緣區(qū)的其他景觀類型不斷消亡,大塊優(yōu)勢城市斑塊的作用越來越明顯.沙地也是土地利用變化幅度最大的景觀類型之一,由于主要以大規(guī)模、聚集分布的斑塊存在,其景觀斑塊形狀要素變化不大.3.2關(guān)于本研究的歷史回顧研究區(qū)草地和林地景觀面積呈逐年增加趨勢,沙地面積逐年銳減,草地和林地面積的增加主要是由沙地轉(zhuǎn)化而來