朱依蕊，陈泽宇，李唯唯，丁 铮，郑祈全

(1.福建农林大学艺术学院园林学院(合署)，福建 福州 350002；2.中国文化大学环境设计学院，中国 台北 11149)

景观格局(Landscape pattern)是指景观的空间结构特征，是景观组成单元的类型、数目及空间分布与配置，是景观异质性在空间上的综合表现[1]。其中，景观格局是指不同大小和形状的斑块在空间上的排列状况，是人为因素和自然因素共同作用的结果，具有显著的时空特征[2-3]。目前，国内外学者主要采用遥感影像作为信息源，通过建立土地利用覆盖空间数据，计算和分析景观格局特征指数，研究城市景观格局时空变化特征及其驱动机制。如M.S.Rafael[4]、何华春等[5]、赵丽红[6]、阳文锐[7]分别对墨西哥森林、盐城海岸带、南昌市、北京市的土地利用及其景观格局变化进行了研究。张敏等[8]、刘吉平等[9]分别对白洋淀湿地与三江平原的景观格局变化及其驱动机制进行了研究。此外，黄硕等[10]、陈利顶等[11]、李铖等[12]分别对城市景观格局的水环境、生态环境效益进行了研究。本研究结合景观格局特征指数与Shannon多样性t检验方法对郑州市土地利用景观格局变化进行分析，以期为相关规划人员提供更科学、更具有借鉴意义的基础资料，以避免郑州市在今后的现代化进程中因不合理规划和过度扩张而带来的一系列都市生态问题。

1 研究区概况

郑州市是河南省省会，在河南省中部偏北地区，下辖6个市辖区、1个县，代管5个县级市(图1)。郑州市是我国中原地区重要的政治、经济、文化中心城市，同时也是中部地区重要的交通枢纽。自从21世纪以来，城市经济迅速发展，郑州市城市人口由2001年的不足700万人增长至2016年的972万人；2016年，郑州市的GDP完成8114亿元，且第三产业成为拉动郑州市经济增长的主要动力。由于城市人口、经济发展方式等社会结构发生了显著变化，景观生态格局也因此受到了一定程度的影响。

图1 研究区域—郑州市市辖区及下属5市1县

2 材料与方法

2.1 数据来源与数据预处理

本研究采用2001-05-10、2008-05-05、2016-05-24的3期Landsat卫星影像(卫星影像解像力为30 m×30 m)作为基础材料，分析郑州市15 a间的土地利用变化。利用 ERDAS IMAGINE 9.3软件，对3期卫星影像进行几何精校正、大气校正与配准、区域裁剪。在进行土地利用类型划分时，通过查阅GB/T 21010—2017 土地利用现状分类[13]相关规定，并结合郑州市现有土地利用情况，利用 ERDAS IMAGINE 9.3软件的非监督分类法(unsupervised classification)和目视解译相结合的方法，将郑州市的土地合并为耕地、林地、水域、建设用地和其它用地5种利用类型，分类结果见图2。在此基础上进行精度检验，其Kappa系数均为87%以上。同时参考国土资源部门土地利用现状图，证明其分类结果科学可信。

2.2 研究方法

本研究主要是应用遥测影像处理软件(ERDAS IMAGINE 9.3)、地理资讯系统软件(ArcGIS 9.3)及McGarigal and Marks(1995)提出的FRAGSTATS 3.3软件。先应用遥测技术进行卫星影像分类从而获取到郑州市3期的土地利用类型资料后，再通过景观指数分析软件对景观指数进行计算，供分析郑州市土地空间结构和配置时空变化之用。

图2 不同时间的郑州市土地利用现状(2001年、2008年、2016年)

2.2.1 景观格局指数选取与计算 通过运用景观指数的计算使景观格局数量化，并使景观格局获得一定统计和比较性质[14]。这是研究景观格局变化的首要任务[15]。本研究的景观指数层级参考已有的研究成果[16-18]，选取类型层级(Class level)和景观层级(Landscape level)2个层次的指标：嵌块体类型面积(CA)、景观百分比(PLAND)、嵌块体总数(NP)、面积加权平均旋转半径指数(GYRATE_AM)、平均嵌块体大小(MPS)、面积加权平均形状指数(SHAPE_AM)、最大嵌块体指数(LPI)、聚合度指数(COHESION)、Shannon多样性指数(SHDI)、聚集度指数(CONTAG)、边缘密度(ED)、Shannon均匀度指数(SHEI)。各景观指数计算公式和描述详见文献[19]。

2.2.2 景观格局变化分析与检验 本研究采用Shannon多样性t检定法，该检定法为前人研究所常用[20]，同时较具信息论(Information theory)。Shannon多样性t检定的计算公式：

(1)

(2)

(3)

式中：Hi为i时期之Shannon多样性指数；VarHi为变异数；Pi为i类型的斑块在总体景观中占的比例；ni为斑块在第i期占的总数量；mi为在第i期时斑块类型数量；df(degree of freedom)为自由度。在显著水平(α=0.05或0.01)下，若得出的t值大于自由度查表值，则代表显著。

3 结果与分析

3.1 郑州市土地利用面积动态变化特征

借助GIS工具及FRAGSTATS 3.3工具，进行郑州市15 a来土地利用动态变化趋势分析。由表1～表3看出，2001—2016年郑州市土地利用发生了剧烈变化，主要表现为耕地、林地、水域呈显著减少趋势，建设用地和其它用地呈极显著增多趋势。

表1 2001—2008年郑州市土地利用面积动态变动

表2 2008—2016年郑州市土地利用面积动态变动

表3 2001—2016年郑州市土地利用面积动态变动

2001年，耕地面积在郑州市总面积中占首要地位，占总面积的65.88%；其次是林地，占总面积的20.36%。2001—2016年间，耕地面积呈显著减少趋势，15 a间面积减少了86738.13 hm2。主要是由于以往粗放的经济发展方式和快速城镇化等，导致工业用地、办公商业用地、居住用地等需求急剧增加，从而引发城市无序、过度扩张，建设用地侵占了大量的耕地。15 a间林地面积减少了92194.07 hm2，根据卫星影像数据显示，一部分林地转化为建设用地和耕地。2008—2016年林地的变化率与2001—2008年相比减少速度稍有放缓，变化率由39.06%降至38.18%。主要是由于在国家政策的调控和导向下，地方的生态保护意识逐渐提高。水域面积在2008—2016年间呈下降趋势，且下降速度远高于2001—2008年间的增长速度，总减少水域面积已达3035 hm2。2008—2016年间的建设用地呈高速增长状态，2016年的建设用地面积将近达到2001年建筑面积的3倍。其它用地也显著增加。建设用地与其它用地高速增加的现象反映郑州市已从新工业城市成长为大规模城市，而城市各项职能也逐渐完善。至2016年，郑州全域用地类型主要为耕地用地与建设用地，面积最大仍为耕地用地。

3.2 郑州市景观格局变化分析及检验

3.2.1 郑州市类型层级水平变化特征 利用Fragstats 3.3软件，得出2001—2016年郑州市类型层级的景观指数变化(图3)。2001—2016年间，耕地嵌块体总数(NP)减少，最大嵌块体块指数(LPI)降低，表明耕地正处于被其它用地类型逐渐吞噬的状态，耕地抵抗外界干扰的能力降低，从而造成该区遭受虫害、火灾等灾害的风险几率增大；面积加权平均形状指数(SHAPE_AM)随着其面积的缩小而随之下降，表明耕地嵌块体的边缘形状趋向于规律简单；面积加权平均旋转半径指数(GYRATE_AM)下降、平均嵌块体大小指数(MPS)增加，这说明部分小嵌块体耕地消失，耕地景观的延展性下降；聚合度指数(COHESION)基本没变，说明耕地的连接性较好。

2001—2016年间，林地的嵌块体总数(NP)大幅度减少，最大嵌块体指数(LPI)下降，平均嵌块体大小指数(MPS)增加，这是由于部分面积较小的林地已消失；林地面积加权平均旋转半径指数(GYRATE_AM)和聚合度(COHESION)下降，说明延展性和连接性下降，动物迁徙、能量交换等功能受到负面影响；林地的形状指数(SHAPE_AM)下降，对生态方面有极大负面影响。这是全球性常见的一种景观变化，林地景观被砍伐转换为城市建设发展，导致景观结构发生显著变化，而景观结构对景观功能造成巨大冲击，林地的蓄水、物种迁徙、物种多样性等功能均受到负面影响。

在水域面积逐渐减少的情况下，水域的嵌块体总数(NP)增加、最大嵌块体指数(LPI)下降、平均嵌块体大小(MPS)呈减少趋势，说明水域破碎化情形严重、连接性变差；面积加权平均形状指数(SHAPE_AM)逐年下降，表明郑州市的水域也受到近年来水岸硬质化的影响变得更加规律简单，这对生活在水岸的物种造成极大的负面影响。

建设用地面积在15 a间发生了天翻地覆的变化，2016年的建设用地面积将近达到2001年面积的3倍。建设用地的嵌块体总数(NP)下降，最大嵌块体指数(LPI)上升，平均嵌块体大小(MPS)上升，聚合度指数(COHESION)上升，面积加权平均形状指数(SHAPE_AM)上升，面积加权平均旋转半径指数(GYRATE_AM)上升。这一系列指数变化均说明，郑州市的城市建设已成一体式发展，距离主城区较近的小面积建设用地与一些非建设用地区域正逐渐被大面积的建设用地吞并，整个城市呈显著外扩趋势。其它用地总面积增加，嵌块体总数(NP)上升，最大嵌块体指数(LPI)下降，这说明其它用地正发生破碎化，需要整体规划。

3.2.2 景观水平格局变化 通过利用Fragstats 3.3软件，得出2001—2016年郑州市景观水平的景观指数变化(图4)。由图4可知，聚集度指数(CONTAG)呈现逐年降低的变化趋势，边缘密度(ED)呈现下降趋势，这表明在自然生态环境和人类活动的干扰下，林地、耕地面积大量减少，河岸廊道被截断，景观破碎化持续进行且某些生态功能均受到伤害；Shannon多样性指数和Shannon均匀度指数呈上升的走向(表4)，表明郑州市的景观丰富度提升，这与城市化发展速度快，建设用地吞并其它类型的土地有直接的关系。

图3 2001—2016年郑州市类型层级景观指数变化

图4 2001—2016年郑州市景观水平景观指数变化

3.3 郑州市下辖行政分区景观格局变化分析与检定

为了更深入地分析哪些行政区对郑州市的整体景观格局变化造成影响，针对郑州市辖区5市1县分别进行显著性检定，结果见表5。2001—2016年郑州市中有巩义市、新郑市、荥阳市、郑州市辖区、登封市、中牟县的景观格局均发生了极显著变化，新密市景观格局发生显著变化。在此基础上，对郑州市整区5市1县分别进行详细的景观格局分析。

郑州市辖区：耕地、建设用地逐年大幅度增加，其它用地无明显变化。这一系列土地利用类型面积变化与郑州市城市化高速发展的背景相一致。其中，由景观百分比显示的耕地面积下降11.94%，建设用地增加19.94%，以及建设用地的嵌块体总数减少最多、最大嵌块体指数上升、面积加权形状指数大幅度上升这一系列变化反映出建设用地变化呈集中且扩大发展的趋势。耕地的嵌块体总数增加、最大嵌块体指数下降、面积加权形状指数下降，反映出耕地面积较少且处于破碎化趋势中，且减少的耕地面积多被建设用地所侵占。

表4 郑州市Shannon多样性指数t检验结果

*：**为t值大于查表值几率<0.01，即研究区的景观变化呈极显著性。

表5 郑州市下辖行政区的Shannon多样性指数t检定结果

*：Hi值为第i时期的SHDI；*为t值大于查表值几率<0.05，即研究区的景观变化呈显著性；**为研究区的景观变化呈极显著性。

巩义市：作为一个以工业产业为主导的全国百强县，需要开发大量的土地作为城市发展的基础。主要表现是建设用地增加了13.39%，林地下降了20.55%，部分林地被征用为建设用地。林地的最大嵌块体指数下降最多，同时嵌块体总数、面积加权形状指数下降，这表明林地的部分小嵌块体消失、大嵌块体趋向于面积减少的趋势中；建设用地与郑州整区的状况一致，有集中扩大发展的趋势。这一系列变化让巩义市的景观格局有了相当大的改变。

新郑市：耕地大量减少，建设用地和其它用地增加。其土地利用变化符合郑州市社会经济向南向东发展的基本格局，新郑机场与港区的建设占用了部分耕地。从景观百分比显示，耕地减少23.39%，建设用地增加24.45%。耕地面积变小、破碎化，建设用地的发展也是趋向于集中扩大态势，新郑市只拥有较少的林地，因此林地基本无变化。

登封市：登封市拥有优越的旅游资源，同时也储备着丰富的地下资源，此地降雨量少，造林难度很大。登封市15 a来的景观格局表现为耕地面积增加16.31%、建设用地增加14.19%、林地减少30.94%。林地的嵌块体总数、最大斑块指数、面积加权形状指数均大幅度下降，这说明林地面积正处于急剧减少中。林地大量减少的原因一方面是由于开采地下资源对林地进行了大规模破坏；另一方面是登封市的土地贫瘠、耕地产量不能满足人们需要，所以占用部分林地开垦为耕地。建设用地集中扩大化发展。

荥阳市：耕地面积减少16.58%，林地减少4.34%，建设用地增加17.51%，水域减少2.23%，其它用地并无明显变化。耕地与登封市耕地状态一致，呈破碎化的倾向发展，林地也以同样趋势发展。水域的嵌块体总数增加，最大嵌块体面积指数增加，形状指数增加，说明一部分面积较小的水域已消失，对生态造成负面影响。

中牟县：此地坐拥郑汴港“黄金三角”的区位优势，工业发展推动经济增长，需要大量的工业用地作为发展基础。耕地减少25.55%，水域减少1.59%，建设用地增加21.68%。耕地趋向于破碎化、缩减的状态，建设用地呈集中扩大式发展。从土地覆盖类型图上发现河道面积减少，河道形状由弯曲变笔直，河岸两侧多出很多建设用地。

新密市：2001—2016年间新密市的景观格局呈显著变化，主要表现为林地下降14.65%，建设用地增加6.5%，其它用地增加9.03%。建设用地的指数表明其呈集中扩大式发展，其它用地呈组团式发展。水域形状未发生明显变化。

4 结论与讨论

从郑州市各土地利用类型面积变化数据中看出，2001—2016年间郑州市的建设用地面积增加144852.66 hm2，其它用地面积增加37115.24 hm2，耕地面积减少86738.13 hm2、林地减少92194.07 hm2、水域减少3035.70 hm2。通过类型层级指数发现：15 a间，耕地、林地、水域的面积加权平均形状指数、最大嵌块体指数、面积加权平均旋转半径指数、聚合度指数均呈下降趋势，反映出耕地、林地、水域的嵌块体形状趋向简单化、连接度变差、面积减少的趋势；而建设用地则优势度增加，形状复杂且呈一体化发展；其它用地呈现破碎格局。景观层级指数研究表明：景观丰富度提升，景观趋向于受多种景观类型均匀支配，而不再受某一种景观类型的主导。

根据Shannon多样性指数t检验结果表明，2001—2016年郑州下辖行政区中巩义市、新郑市、荥阳市、郑州整区、登封市、中牟县的景观格局均发生了极显著变化，新密市景观格局发生显著变化。在检验结果的基础上，对各区域的景观格局变化进行了详细分析，发现郑州市各区域的景观格局也成一致的变化趋势，表明景观格局的变化受自然、社会经济等驱动力因素的影响。本文在对2001—2016年郑州统计年鉴数据资料分析的基础上，对景观格局呈极显著变化的原因进行定性分析，将郑州市驱动力因素主要分为自然因素驱动力和人文因素驱动力。自然因素驱动力主要包括气候、水文驱动因素。分析郑州市年均降水量与年均温变化得出，郑州市近年来春、秋季降水减少，而夏、冬季降水显著增加，降水的时空不均匀分布引发和加剧了干旱和洪涝灾害的发生，导致该区的生态格局稳定性降低。在全球气候变暖的大背景下，郑州地区的的气温明显升高、极端天气出现频率升高，此现象一方面对各物种的物候期产生影响，另一方面也会加重自然灾害的发生。全球气候变暖、高频的极端天气以及降水的时空不均等现象都是影响该区景观格局变化的主要自然因素。人文因素驱动力主要包括人口、经济、政治、交通等社会因素，郑州市人口在15 a间增加了2954124人，人口急剧增加，城镇化发展取得显著成果；同时也引发出城市用地紧张、交通拥堵、公共设施缺乏等一系列问题，导致城市不得不往外扩张，这也是当今中国所有城市所面临的问题，也是景观格局指数中建设用地占比呈普遍上升趋势的原因。同时社会经济因素也是引发景观格局变化的一个非常重要的人文因素。近15 a的社会经济发展方式和经济结构主要都是以粗放型的经济发展方式为主，其引发的工业用地增加、资源能源用地减少等现象也是引起景观格局变化的主要原因。国家和地方政府政策、法规等政治因素也是引发景观格局变化规律不尽相同的主要人文因素。每个城市都有自己的发展目标和发展定位，不同的城市发展目标决定着不同的国民经济规划，直接影响不同的专项规划，比如土地利用规划等是造成景观格局变化规律不同的最直接因素。例如：新郑市大力发展公路、铁路、航空港为一体的交通网络，建设用地侵蚀耕地成为新郑市优势景观；荥阳市没有优越的经济地理位置，且发展缓慢，各景观类型呈现破碎化分布。

基于郑州市城市高速发展所带来的各种负面生态问题，郑州市城市规划部门需要寻求城市发展和生态空间保护的平衡点，制定合理的土地利用规划。建议严格控制建设用地侵占耕地、林地；保证耕地、林地连片发展，维持生态连接性；在政策导向下，推进城市与邻近县域的一体化发展，尽量达到不以牺牲耕地、林地为代价实现城市经济发展；确定并保护重要生态源地和生态廊道，提高景观异质性和连接度。