马晓勇, 党晋华, 李晓婷, 赵 娜

(山西省环境科学研究院, 山西 太原 030027)

景观空间格局是指大小和形状不一的景观斑块在空间上的排列[1]，是景观异质性的重要体现，也是各类生态变化处于不同尺度下产生的结果[2]。随着人类活动的增强、工业化和城市化进程的加快，城市景观格局特征越来越复杂[3]，呈现出“高度破碎化”的显著特征[4]，致使原本自然景观由连续的地带性分布变为不连续的混合斑块镶嵌体[5]，直接影响生态系统的结构、功能和动态[6]，甚至造成城市生物多样性减少和栖息地破坏[7-8]、环境污染[9]、热岛效应[10]等一系列的生态环境问题。这些问题的出现已经成为制约城市健康发展的重要因素，也将成为我国今后建设小康社会、实现区域可持续发展所面临的重大挑战[8]。目前我国正处于城市化进程中，人类对建设用地的需求还将持续增长，城市景观格局还将受到日益增强的干扰，系统研究城市化过程中景观格局的时空变化特征及其驱动力，不仅成为理解中国快速城市化生态环境效应的先导环节[11]，还能为城市管理部门制定可持续的土地规划策略以及生态城市的建设提供科学依据。

自《太原市城市总体规划(1998—2010年)》以来，城市建成区面积不断扩张，城乡景观格局也发生着激烈的变化。单一景观尺度下，对城市景观格局动态研究的研究有诸多文献报道，但在城市景观中，不同尺度下的格局可能完全不同，也可能自相似[4]。近年来，以太原市为例的研究成果不多，王满等[12-13]分别以太原市杏花岭区和娄烦县两期的土地利用现状为基础，定量分析了其景观格局的动态变化特征；刘艳红等[14]以太原市1986，1995，2001年3个时相的TM/ETM数据为基础，分析了城市化过程中绿地景观格局及其与热环境的变化特征；雒峰等[15]以太原市2006，2015年TM遥感影像为数据源，分析了太原市城区绿地景观格局动态变化特征。但均未对太原市整体的景观格局特征进行分析，也未从不同尺度来比较分析太原市景观格局的动态变化特征，更未进一步分析引起太原市景观格局变化的驱动因素。近期，国务院批复的《太原市城市总体规划(2011—2020年)》对太原市未来的规划有了新定位，全市域的景观变化和主城区的景观变化可能存在很大差异。因此，本文选取太原市全市域和主城区两个不同尺度的区域为研究对象，利用GIS，SPSS及景观生态学的方法，比较和分析2000—2015年太原市不同尺度下城市景观格局特征的差异性，并进一步探讨其城市景观格局变化的驱动力，以期为解释城市化进程中景观格局演变的时空规律、评估社会经济发展对其的影响提供重要的科学依据。

1 研究区概况和研究方法

1.1 研究区概况

太原市位于山西省境中央，太原盆地的北端，濒临汾河，地理坐标为111°30′—113°09′E，37°27′—38°25′N。太原市现辖6个市辖区、3个县，代管1个县市级，区域轮廓呈蝙蝠形，东西横距约144 km，南北纵约107 km，全市面积为6 904.52 km2，其中主城区面积约1 416.28 km2。区域海拔最高点为2 702 m，最低点为749 m，相对高差1 953 m，地形以山地、丘陵为主，东、西、北三面环山，中南部为汾河冲击扇平原，整个地形北高南低呈簸箕形。太原属北温带大陆性气候，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，年平均气温9.6 ℃，1月份最冷，平均温度6.8 ℃，7月份最热，平均温度23.5 ℃。年均降水量580.2 mm，主要集中在7，8，9月，占全年降雨量的65%～75%。太原工业发展迅速，是一个以冶金、机械、化工、煤炭为主的重工业城市，在快速的城市化进程中，随着城市景观格局的变化产生了一系列城市生态环境问题[14]。

1.2 数据来源及处理

研究所使用的覆被分类系统和DEM数据均来源于2000，2010，2015年3个时期空间分辨率为30 m的Landsat TM影像数据和高分辨率的高分1，2号遥感影像在Erdas 9.2和ArcGIS 10.0中进行监督分类和目视修改，获得太原市各地类土地利用类型，进行实地验证后，对解译结果进行精度判定与修正，确保覆被数据的精确度[16]，将景观类型分为耕地、林地、草地、水域、城乡、工矿、居民用地以及未利用地等，获得不同时期景观类型分类图后，在ArcGIS 10.0中进行计算和分析。

太原市全市域和主城区内地区总人口、农业人口、地区生产GDP总值、第一、二、三产业值、城镇从业人员、固定资产投入等基础数据全部来源于2001，2011，2016年3 a的山西统计年鉴。

1.3 研究方法

1.3.1 景观类型构成及变化分析 采用ArcGIS 10.0软件分别统计太原市全市域和主城区不同类型景观的面积，计算2000，2010，2015年不同景观类型的面积比例。为了解不同景观类型之间的转化情况，通过对研究区2000，2010，2015年3 a的景观类型数据的叠加，计算出2000—2015年太原市全市域和主城区各景观类型的转移矩阵。

1.3.2 景观格局分析 采用Fragstats 3.4软件，从类型水平和景观水平两个层次对太原市全市域和主城区的景观格局进行分析。在类型水平上选取的指数有斑块密度(PD)、边缘密度(ED)、最大斑块指数(LPI)、景观形状指数(LSI)；在景观水平上选取香农多样性指数(SHDI)、香农均匀度指数(SHEI)、蔓延度指数(CONTAG)、分布聚合性指数(AI)，共计8个指标[1,12]。

1.3.3 驱动力分析 景观格局变化驱动力研究为问题导向型，还未形成固定的研究方法。城市景观动态变化的驱动因子主要包括自然和人文两方面的因素，在较小的时空尺度下，比较稳定的自然因子对景观格局变化起到约束作用，而经常变化的人为驱动因子则是景观变化的直接驱动力[17]。本研究采用定量和定性的综合方法，从社会经济因素、政策因素、城市规划与发展理念等方面来分析景观格局变化的驱动力。参照其他学者的研究[1,18]，选取该地区2000，2010，2015年3个年份10个区/县的总人口(X1)、农业人口(X2)、地区生产GDP总值(X3)、第一、第二、第三产业值(X4—X6)、城镇从业人员(X7)、固定资产投入(X8)等8个指标，在SPSS 21.0软件中，利用主成分分析法筛选引起景观格局变化的因素。

2 结果与分析

2.1 景观类型构成及变化

2.1.1 景观类型构成 对比全市域尺度上的景观类型分布格局图(附图8)以及景观类型构成(表1)可以发现，2000年太原市主要景观类型为林地、耕地和草地，分别占总面积的33.60%，31.80%和27.47%，合计92.87%；2015年其主要景观类型仍为林地、耕地和草地，但三者的比例有所变化，分别占总面积的35.18%，27.97%和25.49%，合计88.64%。2000—2015年，全市域各景观类型的面积发生了不同程度的改变，其中变化最为明显的是城乡、工矿、居民用地，占总面积的比例由5.86%增至10.27%，总量增加4.41%，且2010年之后的增长速度为2010年之前增长速度的9倍；耕地、草地的比例大幅减少，尤其是耕地的比例呈单调的下降趋势，由31.80%下降到27.97%，总量减少3.83%，耕地、草地成为城乡、工矿、居民用地扩展的主要来源；林地的比例在2010年之前变化较小，随着城市对环境改善的需求增加，林地面积在2010—2015年期间呈上升趋势，由33.94%增至35.18%，总量增加1.24%。

表1 太原市2000-2015年全市域景观类型构成

对比主城区尺度上的景观类型分布格局图(附图8)以及景观类型构成变化(表2)可以发现，2000年太原市主城区面积最大的景观类型为耕地，其次为城乡、工矿、居民用地，二者分别占总面积的37.54%和21.65%；而2015年主城区面积最大的景观类型为城乡、工矿、居民用地，其次为耕地，二者分别占总面积的33.82%和27.04%，说明主城区城市化进程较快，耕地成为城乡、工矿、居民用地扩展的主要来源。主城区是太原快速城市化的典型区域，随着其社会经济的发展，土地利用强度逐年加大。表2分析结果表明，主城区城乡、工矿、居民用地的增长在研究时段内一直保持较高的增长率，总量增加8.96%，与全市域的增长趋势类似，在2010年之后的增长速度要明显快于2010年之前，约为2010年之前增长速度的5.6倍；与之对应的耕地、草地的比例则明显下降，总量分别减少7.15%和5.61%，随着城市化进程的加快，城市耕地、草地都呈现出明显缩小的变化趋势[1,5,18]；林地总量在2010年之后呈现明显的增加趋势，占总面积的比例由19.93%增至23.66%，总量增加3.74%；水域景观类型保持了下降的趋势，与相关研究类似[18]，即随着城市化进程的加快，城市水体都呈现缩小的变化趋势。

整体而言，相比2000年，2015年城乡、工矿、居民用地的比例增加了近9%，相应的耕地景观类型的比例下降了约7%，城乡、工矿、居民用地的耕地占比相比全市域而言更为显著。

表2 太原市2000-2015年主城区景观类型构成

2.1.2 景观格局变化 从2000—2010年和2010—2015年2个时段分析太原市全市域和主城区景观格局的转移方向。由表3可知，耕地景观类型的缩减面积主要转换为草地和城乡、工矿、居民用地，并在2010—2015年期间转移面积最大，分别达到250.28和196.88 km2，尤其是耕地向城乡、工矿、居民用地的转移在短短5 a内增长了3倍多；除耕地向其他景观类型的转换外，草地向耕地、林地的转移也较为激烈，其中草地向耕地的转换最为明显，2010年之后草地向林地的转换面积为210.36 km2，也呈现出近5 a转移速率大幅增长的趋势。总体来看，全市域景观类型的转化主要为耕地向城乡、工矿、居民用地以及草地向林地的转移，并在2010—2015年期间转移面积最大(图1)，说明耕地成为太原市城乡、工矿、居民用地扩张的主要来源，且随着城市化进程的发展，人们对生态环境保护的意识增强，大面积植树造林，尤其是在2010年之后林地面积大幅度增加。

由表4可知，研究时间段内主城区尺度上的景观类型变化主要为耕地向城乡、工矿、居民用地的转移，2010年之前转移46.63 km2，2010年之后转移量远大于2010年之前，为107.23 km2，说明近5 a来太原市主城区城市化进程明显加快，耕地成为城乡、工矿、居民用地扩张过程中减少最快、最多的景观类型，这与阳文锐的研究结果相吻合[18]。

注：景观类型代码：1耕地转林地； 2耕地转草地； 3耕地转城乡、工矿、居民用地； 4林地转耕地； 5林地转草地； 6草地转耕地； 7草地转林地。

图1太原市全市域和主城区主要景观类型变化对比

与全市域尺度相比，主城区尺度上主要景观类型的变化趋势相类似，均呈现2010年之后翻倍增长的趋势(图1)。主城区尺度上耕地与林地、耕地与草地间相互转化的比例较小，且两类景观类型间相互转化的转化量差别较小；主城区尺度上草地与林地相互转化的差别相对较大，由草地向林地的转移量明显高于林地向草地的转移量，这种现象在2010年之后更为明显；主城区尺度上耕地向城乡、工矿、居民用地转移的比例占到全市域的1/2以上，是整个研究区面积增长最快的景观类型，与胡东雪等的研究结果相吻合[1]。相比周边地区，主城区经济发展更为迅速，城市化进程更快，土地利用强度更大，人们对城乡、工矿、居民用地的需求量更高，而主城区内土地利用紧张，因而耕地成为主城区内城市化扩张的基本来源。

表3 太原市2000-2015年全市域各时段景观类型转移矩阵 km2

表4 太原市2000-2015年主城区各时段景观类型转移矩阵 km2

2.2 景观格局变化特征分析

2.2.1 类型水平 斑块密度(PD)、边缘密度(ED)和景观形状指数(LSI)可以很好地反映景观的破碎化程度。

从图2可以看出，各景观类型在全市域尺度与主城区尺度略有差别，全市域尺度上耕地和草地的PD，ED和LSI指标均为最大，表明耕地和草地的斑块数量最大，斑块边界较长且不规则，景观破碎化程度较高，城乡、工矿、居民用地的PD，ED和LSI指标正在逐年上升，景观破碎化程度正在逐年增加；在主城区尺度上城乡、工矿、居民用地和未利用地的ED和LSI指标显著上升，说明相较于全市域，在主城区的城市化进程更快，其景观破碎化程度更高。从最大斑块指数(LPI)的动态特征来看，在研究时段内，耕地、林地一直是全市域尺度上的优势景观，但城乡、工矿、居民用地的优势度正逐年上升，其最大斑块的比例不断增加，说明在城市化进程中城乡、工矿、居民用地增长的态势；在主城区尺度上，优势景观为耕地和城乡、工矿、居民用地，城乡、工矿、居民用地的LPI指标增长趋势十分明显，说明其小型斑块向大型斑块整合，更趋向于大型化和集中化，优势度不断增加，而耕地和草地的最大斑块比例不断减少。

图2 太原市各类型水平的景观指数变化

2.2.2 景观水平 香农多样性指数(SHDI)和香农均匀度指数(SHEI)均为反映景观多样性的指标，但前者强调稀有斑块类型对信息的贡献，反映景观异质性，后者可以与优势度指标相互转换，反映出景观受到一种或少数几种优势拼块类型所支配的程度。近15 a间，太原市全市域尺度与主城区尺度的SHDI与SHEI指数变化趋势相似，均呈现出全市域尺度上先增加后减少而主城区尺度持续增加的趋势(图3)。整体而言，全市域尺度上SHDI和SHEI指数均低于主城区尺度，说明相较于全市域尺度，主城区尺度各斑块类型在景观类型所占比例呈均衡化趋势分布。从时间角度而言，全市域尺度上SHDI和SHEI指数一直上升，尤以2010—2015年上升明显，说明这段时间内太原市土地利用丰富，破碎化程度逐渐增加，各景观类型所占比例呈均衡化趋势分布；而在主城区尺度上，2000—2010年呈现与全市域尺度相似的趋势，但在2010—2015年SHDI和SHEI指数略有下降，说明主城区尺度上有明显小型斑块向大型斑块整合的趋势，景观逐渐受到一种或少数几种优势拼块类型所支配，景观丰富度呈降低趋势。

蔓延度指数(CONTAG)和分布聚合性指数(AI)均为反应景观斑块类型团聚程度的指标。整体而言(图3)，全市域尺度的CONTAG指数高于主城区尺度，而AI指数低于主城区尺度，说明相较于全市域尺度，主城区尺度上景观中存在较多小斑块，且各景观类型斑块的集中程度较高，而全市域尺度上景观中有连通度较高优势斑块类型存在。从时间角度而言，2000—2010年，全市域尺度和主城区尺度的CONTAG和AI指数变化相对较小，且呈现相似的趋势，说明这段时间内，不同斑块类型的分散度略有降低；在2010—2015年，全市域尺度和主城区尺度的AI指数均呈现降低趋势，而CONTAG指数却呈现出不同的变化趋势，说明主城区尺度上景观类型斑块的分布更为分散，小斑块逐步向大型斑块整合，景观中的某种优势拼块类型形成了良好的连接性，优势度不断增大。

图3 太原市各景观水平的景观指数变化

2.3 太原市景观格局变化驱动因素

2.3.1 社会经济因素 对3个年份的数据进行主成分分析后，均提取出2个主成分，第一主成分中总人口、地区生产总值、第二产业值、第三产业值、城镇从业人员和固定资产投入这6个指标的系数较大(其中总人口、地区生产总值的系数最大)，第二主成分中农业人口和第一产业值的系数较大(表5)。

进一步分析总人口、地区生产总值对景观格局变化的影响，可以发现太原市总人口呈不断增长的趋势，由2000年的334.4万人增长至2015年的431.87万人，增长率为29.15%；农业人口反而呈不断减少的趋势，由2000年的104.83万人减少至2015年的67.35万人，减少率为35.75%(图4a)。总人口的大幅增加和农业人口的大幅减少，一方面会导致部分耕地因无人管理而逐渐荒芜，最终演替为草地；另一方面，城市人口必然大量增加，从而导致居住地面积的增加，但太原市大部分为耕地、林地、草地所覆盖，可利用地有限，这使得人口增长所致的土地压力加大，进而引起城市范围的扩大，进一步加剧城市化的进程。由此可见，人口增加和人口结构的变动是引起太原市景观格局变化的原因之一。

2000—2015年，太原市经济发展迅速，地区生产总值由2000年的346.53亿元增长至2015年的2 479.61亿元，增长率为615.55%。从各产业产值来看，第一产业发展相对缓慢，15 a间产值增加150.04%；第二产业发展迅速，但近5 a发展速度明显下降，15 a间产值增加457.12%；第三产业呈高速发展的态势，占据主导地位，15 a间产值增加825.90%，形成了“三、二、一”的产业格局(图4b)。第二、三产业的蓬勃发展吸引了大量就业人口，引起城乡、工矿、居民用地面积的增加和未利用地的减少，所以经济因子也是引起景观格局变化的因素。

表5 太原市各年份主成分分析结果

图4 太原市人口与各产业产值

2.3.2 政策因素 政策因素对太原市景观格局最直接的影响表现为林地面积的增加、耕地面积的减少。2010年，山西省提出“推进城乡生态化”，林业生态建设被摆在了全省转型跨越发展基础和前提的突出位置。2010年太原市造林面积为18 979 hm2，建城区绿化覆盖率36.8%，绿地率32.0%，人均公园绿地面积9.59 m2；2015年造林面积为17 880 hm2，建成区绿化覆盖率41.00%，绿地率36.07%，人均公园绿地面积11.56 m2。耕地面积的减少除了受“退耕还林”政策的影响外，还受到农业结构调整、粮食收购等政策的影响[1]，2000年太原市粮食播种面积为999.60 km2，到2010年下降为847.82 km2，2015年持续下降为755.71 km2；再加上城市化进程的加速发展，城市经济得到飞速发展，促使大量农村劳动力向城市转移，城市人口增长、工业及服务业的飞速发展对城乡、工矿、居民用地需求的增加，由于城市土地利用紧张，耕地成为城乡、工矿、居民用地扩张的主要来源，大量耕地被占用，导致耕地面积急剧下降。

2.3.3 城市规划与发展理论 城市总体规划是根据国民经济和社会发展规划制定的一定时期内各项用地安排和综合部署，而城市景观格局的变化与城市总体规划的实施是紧密相关的[18]。在太原快速城市化进程中，全市域尺度的城市扩展与主城区尺度的城市扩展存在差异性，主城区以城乡、工矿、居民用地向外推进延伸为主，而全市域尺度则呈现跳跃式扩展为主。城市总体规划对于产业发展和布局的引导，促进城乡、工矿、居民用地大幅增加。2000—2010年，城乡、工矿、居民用地面积变化相对较小(图2)，大多分布在主城区尺度上，其城乡、工矿、居民用地面积增长45.43 km2，占全市域面积变化的82.58%，这与《太原市城市总体规划(1998—2010)》中“主城区充分发挥对外辐射功能，以区带乡，促进城乡共同发展”的理念相吻合；2010—2015年，城乡、工矿、居民用地面积变化明显，但主城区尺度上的变化面积仅为全市域尺度上的50.84%，即非主城区地区的城乡、工矿、居民用地面积大幅增加，且增加幅度近于主城区的变化，这与新一轮总体规划《太原市城市总体规划(2011—2020年)》中“城市规划范围包括太原市辖6城区、清徐县全部行政区划范围和阳曲县侯村乡等地区、引黄工程输水管两侧20 m以及汾河一、二库周围500 m(后将范围调整为太原市市域范围)”相吻合，即在主城区飞速发展的同时，加大对其周边地区的建设和发展，且周边地区与主城区在职能上紧密衔接，但在空间上保持相对分离，因而出现全市域景观格局变化与主城区不同的态势。

3 结 论

在全市域和主城区尺度上，太原市的景观格局呈现一定的差异性。总体上，二者呈现较为一致的趋势，即在全市域和主城区尺度上，林地、耕地、草地始终是占比较大的景观类型，城乡、工矿、居民用地呈现较为明显的增加趋势，且耕地和草地的减少成为城乡、工矿、居民用地扩展的主要来源；但主城区尺度上，2010年之前面积最大的景观类型为耕地，到2015年变为城乡、工矿、居民用地，作为太原快速城市化的典型区域，主城区土地利用的强度逐年加大，城乡、工矿、居民用地的耕地占比相比全市域而言更为显著，这与付刚等[5]的研究结果相一致。景观格局指数的分析进一步表明，全市域尺度和主城区尺度的景观格局变化表现出不同的特征。全市域尺度上耕地、林地斑块破碎化程度高，景观蔓延度下降，景观多样性增加，但城乡、工矿、居民用地的优势度正逐年上升，反映了随着城市化进程的加快，太原市土地利用丰富，城乡、工矿、居民用地面积不断加大，景观破碎化程度逐渐增加；在主城区尺度上，城乡、工矿、居民用地斑块破碎化程度显著升高，城市化进程更快，但其小型斑块逐渐向大型斑块整合，优势度不断增加，因而景观蔓延度呈先下降后上升的趋势，景观多样性却呈先上升后下降的趋势。

在景观格局演变的驱动力方面，社会经济的发展、政策因素以及城市规划与发展理论的实施的是太原市城市景观格局演变的主要驱动力，这与胡冬雪和阳文锐等[1,18]的研究结果相一致。城市产业结构的调整、政策以及城市规划与发展理论的实施对城市发展的引导，引起人口规模和人口结构的变动，进而引起城乡、工矿、居民用地面积的增加和耕地等其他景观类型的减少，生态空间出现不同程度的萎缩，进而改变城市的景观格局。