三明市主城区城市森林景观格局及功能

2021-09-15黄宇斌魏凌伟莫惠萍杨舒婷陆东芳

中国城市林业 2021年4期

关键词：景观格局三明市城市化

黄宇斌魏凌伟莫惠萍杨舒婷陆东芳

收稿日期：2020-08-31

*基金項目：福建农林大学艺术学院、园林学院高原学科项目（YSYL-xkjc-10）;福建农林大学课程思政研究项目（YSYL-kcsz-8）

第一作者：黄宇斌（1996- ），男，硕士生，研究方向为风景园林规划设计。E-mail：1157100219@qq.com

通信作者：陆东芳（1977- ），女，博士，副教授，研究方向为园林规划及植物修复。Email：fjldf@126.com

摘要：文章运用GIS技术和景观格局分析方法对三明市主城区景观格局演变进行分析，并初步阐明研究区内林地景观对城市生态环境的影响。结果表明：研究区景观基质为林地景观，面积约占90%，城市景观类型变化情况显著，林地、耕地和水域的面积在不断减少，建筑用地和裸地的面积在持续增长，并且在2014—2019年建设用地的总体面积超过了总体耕地面积;2009—2019年建设用地具有最大动态度，景观类型转化过程中以耕地、林地和裸地转化为建筑用地为主要特征;在研究时段内，三明市主城区的总体景观破碎化程度和景观异质性在持续增加，各景观斑块间的连接度有所降低，斑块形状也越来越复杂;林地景观作为研究区的优势景观，其格局较为丰富，景观多样性较高，以常绿针叶林斑块与竹林斑块为主;林地景观的面积在减少，林地景观斑块个数在不断增加，林地景观的团聚程度被打破，这将进一步对城市生态服务功能产生不利影响。

关键词：景观格局，景观指数，城市化，城市森林，三明市

DOI： 10.12169/zgcsly.2020.08.31.0002

Urban Forest Landscape Pattern and Function in the Core Area of Sanming City

Huang Yubin Wei Lingwei Mo Huiping Yang Shuting Lu Dongfang

（College of Landscape Architecture， Fujian Agriculture and forestry University， Fuzhou 350002， China）

Abstract：This paper analyzes the evolution of the landscape pattern in the core area of Sanming City using GIS technology and landscape pattern analysis methods， and preliminarily clarifies the impact of forest landscape in the study area on the urban ecological environment. The results show that the landscape matrix in the study area is woodland landscape， which accounts for about 90% of the area. The types of urban landscape have changed significantly. The area of woodland， arable land and waters has been continuously decreasing， while the area of construction land and bare land has been continuously increasing， and the total area of construction land exceeded the total area of arable land between 2014 and 2019. Construction land had the greatest degree of dynamics from 2009 to 2019， and the conversion of arable land， woodland and bare land to construction land dominated the process of landscape conversion. During the research period， the fragmentation and heterogeneity of the landscape in the core area of Sanming City have continued， the connectivity between the landscape patches decreased， and the patch shapes become more and more complex. As the dominant landscape in the study area， the woodland landscape boasts a richer pattern and a higher diversity， mainly in evergreen coniferous forest patches and bamboo forest patches. The area of woodland landscapes is decreasing while the number of landscape patches is increasing， and the aggregation degree of the woodland landscape has been broken， which will further adversely affect the urban ecological service and function.

Keywords： landscape pattern， landscape index， urbanization， urban forest， Sanming city

城市化的高速发展改变了原有的自然景观，一部分林地、水域、耕地等被占用，城市景观格局特征变得更加复杂[1]，呈现高度破碎化的显著特征[2]，导致城市环境污染[3]、热岛效应[4]、生物多样性减少和栖息地被破坏[5]等一系列的生态环境问题，这些问题严重制约了城市的健康发展。而城市森林作为城市生态绿地系统的重要组成部分，它具有涵养水源、减噪防尘、净化空气和增加空气湿度等多方面的生态作用，并且承担了城市生态调节的任务，其空间布局对城市景观格局具有重要影响。近几年来，国内外学者就城市景观格局变化对各自研究区城市景观格局演变特征展开了大量的系统研究[6-10]，但针对森林覆盖率较高的城市地区景观格局时空演变特征及林地景观功能的研究相对比较缺乏。因此，本文以三明市主城区为研究对象，利用遥感与地理空间系统技术，结合景观生态学原理，分析该研究区城市景观格局变化特征，并对研究区内森林景观生态功能进行初步评价，以期为合理优化三明市主城区区域景观格局、城市扩张情况下保护及维护林地景观制定科学政策、引导城市生态可持续发展提供参考。

1 研究区概况

三明市主城区位于福建省中部偏西，地理位置北纬26°01′—26°25′，东经117°16′—117°48′，面积约1 154 km2。三明市境内森林覆盖率高，以低山及丘陵为主，低丘起伏、溪流密布，河谷与盆地错落分布于其间。三明市主城区更是河谷平坝型景观，地势为两侧高，中间低;气候温暖潮湿，属于亚热带海上季风气候，夏季炎热多雨、冬季寒冷干燥。年平均气温17 ℃～19.4 ℃，年平均降水量1 400～2 000 mm。三明市自然条件优越，森林资源丰富，不仅是台湾海峡两岸的现代化林业合作试验区，还是国家集体林业综合改革试验示范区，被原国家林业局授予“国家森林城市”称号。

2 材料与方法

2.1 数据来源及其预处理

本研究分别选用2009年10月3日成像的Landsat TM影像，以及2014年和2019年成像的 Landsat OLI_TRIS 影像的3期遥感影像图，其空间分辨率均为30 m×30 m，数据来源于美国地质勘探局网站（http：//glovis.usgs.gov/）;三明市的林种斑块数据来源于国家林业和草原科学数据中心网站;在全国基础地理数据库中获取1∶100万的三明市主城区研究范围的矢量数据。利用遥感处理软件ENVI5.3对这3期的遥感影像图进行预处理，包括辐射定标、FLAASH大气校正、几何校正，使用研究区矢量边界对影像进行裁剪处理后得到研究区遥感影像数据。根据三明市土地资源和实际情况，参考《土地利用现状分类》（GB/T 21010-2017）和相关研究文献[11]，将土地分成5种类型，分别为水域、林地、建设用地、耕地和裸地。利用监督分类与人工目视解译相结合的方式对主城区的3期影像的景观类别和格局信息进行解译提取。精度验证检测选用的是分层随机取样，并得到2009年、2014年和2019年精度验证的Kappa系数分别为 85.50%，84.50%和 84.50%，均达到分类精度标准。三明市主城区2009年、2014年和 2019年景观类型分布见图1。

2.2 景观格局指数

景观格局指数可以高度浓缩景观格局信息，反映生态系统的组成和空间配置[12]，不同景观类型和数量在空间分布上的变化特征能在景观格局中得到反映[13]。基于前人对城市景观格局的研究以及关于本研究的目的与意义[14-16]，本研究在城市景观格局分析阶段共选取9个景观指数对城市整体景观变化情况进行分析：从类型水平上选取5个景观指数，即斑块个数（NP）、斑块类型所占景观面积比例（PLAND）、最大斑块指数（LPI）、景观形状指数（LSI）、分离度指数（SPLIT）;从景观水平上选取了4个景观指数，即香农多样性指数（SHDI）、香农均匀度指数（SHEI）、蔓延度指数（CONTAG）、分割度指数（DIVISION）。为了进一步对主城区的森林景观格局进行分析，根据研究的需要选取了6个景观指数，即在斑块层面选取斑块面积（CA）、最大斑块指数（LPI）、斑块类型所占景观面积比例（PLAND）、边缘密度（ED），在景观层面选取多样性指数（SHDI）、香浓均匀度指数（SHEI）。不同类型的景观指数通过Fragstats4.2软件计算获得。

2.3 景观类型动态变化

城市景观类型动态变化情况可以从变化数量、变化速度和来源3个方面进行分析。首先通过ArcGIS10.2统计2009—2019年各景观类型数量变化;然后运用刘纪远等[17]提出的土地利用动态度模型，计算2009—2019年三明市主城区各景观类型的动态度（动态度能够直接反映土地覆盖的变化速度和强度），其表达公式如式（1），再利用Arcgis10.2中的空间分析工具将三明市主城区3期的景观类型进行相互叠加后导出各个景观斑块类型的变化文件;最后利用Excel计算得到三明市主城区3期的景观类型转移矩阵，转移矩阵能反映各景观斑块间的来源情况，并对景观类型结构的变化特征进行更加深入的分析。

K=Ub-UaUa×1T×100%（1）

式（1）中， K 为研究时段内某一土地利用类型的动态度; Ua 与 Ub 分别为研究前期、后期某一类土地利用类型的面积（单位： hm 2）， T 为研究相距时间年段。

3 结果与分析

3.1 城市景观格局变化分析

3.1.1 类型尺度的变化

類型水平上景观指数表明（表1），林地的斑块类型占比和最大斑块指数的值远大于其他斑块类型，林地斑块是景观中的优势景观元素且林地的聚集度高。2009—2019年耕地和水域的斑块个数下降，林地、建设用地和裸地的斑块个数在增加，但林地的面积在减少，这表明林地斑块正在遭受破坏。林地、耕地、裸地和水域的最大斑块指数下降，建设用地斑块最大斑块指数上升，表明建设用地的增长受人为干扰性强。景观形状指数反映斑块边界的形状特征、复杂程度以及斑块边缘效应，其值越大，说明斑块越不规则，斑块类型越复杂。林地景观斑块的形状指数有所上升，表明林地景观斑块类型朝着复杂性发展。分离度指数是指某一景观类型中不同斑块个体分布的分离程度，其中裸地的分离度指数在各类景观斑块中最大，表明裸地的分离程度最大，景观破碎化程度显著;林地的分离度指数在各类景观斑块中最小，这就表明林地景观表现出较高的连续性。

3.1.2 景观尺度的变化

景观水平的景观指数表明（表2），2009—2019年研究区Shannons多样性指数不断上升，由0.442 7上升到0.479 4，表明这期间研究区的景观异质性在增加。Shannons均匀度指数也呈现持续上升趋势，由0.275 1上升到0.297 8，其取值范围为0≤SHEI≤1，由此可见，研究区内的SHEI值处在较低水平，这表明研究区内林地景观的优势度较高且总体景观在一定程度上受到林地景观的支配。主城区的蔓延度指数呈下降的趋势，从NP、LPI可以看出优势景观为林地景观，但近几年来林地景观的团聚程度有所降低。分割度指数呈现先上升再略微下降的趋势，表明景观破碎化程度有略微改善，这可能与林地景观占据研究区大部分面积有一定关系。

3.2 城市景观类型动态变化分析

3.2.1 景观类型变化数量分析

景观类型结构是指一定区域内各种景观类型的数量关系和空间分布特征[1]。从图1和表3可以看出，2009—2019年三明市主城区景观类型主要是以林地景观为主，主要分布于三明市城区的两侧区域，面积占比约为90%，但林地面积在持续减少，从2009年的103 976.73 hm2降至2019年的102 821.00 hm2;其次为耕地，约占景观总面积的5%以下，且呈现持续减少的趋势，从2009年的5 764.86 hm2降低至2019年的4 467.06 hm2;水域面积占总面积的1%左右，也呈现降低的趋势，从2009年的1 243.80 hm2降低至2019年的1 099.35 hm2。此外，建设用地和裸地的面积整体呈不断增加的趋势，分别从2009年2 816.37 hm2和1 610.73 hm2增加至2019年5 091.03 hm2和1 935.63 hm2，面积占比也在持续增加，建设用地以沙溪河两侧分布为主，并逐渐沿河向两侧分布。

3.2.2 景观类型变化速度分析

从单一动态度来看，不同时间段建设用地均具有最大动态度（表3），随着时间的推移，主城区建设用地的动态度有所降低，但仍然保持较高情况。2009—2019年建设用地动态度是8.08%，比其他景观类型的动态度都高，这与该阶段快速城市化建设开发带来的建设用地需求增加情况相一致。而林地在不同时间段具有较小的动态度，从2009—2014年的-0.13转变为2014—2019年的-0.10，而且变化幅度较少，这表明林地景观面积所占的比重大，因此林地景观面积总量保持相对稳定。耕地的动态度从2009—2014年的-1.73转变为2014—2019年的-3.04，变化情况远大于其他景观斑块的动态度。

3.2.3 景观类型时空变化分析

景观类型面积的增减对研究区景观类型总体变化情况有一定的参考价值，但不能更好地体现各景观类型的来源情况，本文通过构建三明市主城区景观类型转移矩阵对各景观类型的转移方向进行分析。由表4可知，2009—2014年三明市主城区建设用地的增加主要来源于有林地、裸地和耕地，分别转化了557.73 hm2，459.54 hm2和446.67 hm2;裸地的增長主要来源于林地，转化了1 201.77 hm2;林地的转出量最大，转出量为3 376.62 hm2;建设用地的变化量最大，变化量为1 022.22 hm2。2014—2019年三明市主城区建筑用地增长主要来源于耕地、林地和裸地，分别转化了686.07 hm2、578.88 hm2和456.93 hm2，裸地的增长仍主要来源于林地，转化了1 059.39 hm2;林地的转出量仍最大，转出量为2 814.84 hm2，但林地的面积减少幅度有所降低。

3.3 城市森林景观格局分析

基于三明市主城区林种斑块分布数据（图2），从斑块层次计算各林种斑块的景观指数。从表5可知，三明市主城区各林种斑块面积为：常绿针叶林>竹林>落叶阔叶林>人工经济林>常绿阔叶林，常绿针叶林景观在三明市主城区表现其景观内部生境的多样性及其景观的稳定性也较高;最大斑块指数大小依次为常绿针叶林、竹林、落叶阔叶林、常绿阔叶林、人工经济林。常绿针叶林景观和竹林景观对整个林地景观有一定的影响。从景观面积比指数可知，主城区林地景观以常绿针叶林为主，景观占比为53.30%;其次为竹林景观、落叶阔叶林、人工经济林，占比分别为25.86%，14.11%，6.05%;而常绿阔叶林占比仅为0.68%。一般来说，林地中各斑块面积占比与其内部物种丰富度成正相关，所以常绿针叶林内的物种比较丰富。边缘密度的大小依次为常绿针叶林、落叶阔叶林、竹林、人工经济林、常绿阔叶林。常绿针叶林的边缘密度值为36.93，在各类斑块值中最大，表明常绿针叶林各相邻斑块间边界曲线复杂、物质能量交换相对活跃，而对于靠近居住区的常绿阔叶林会受到较为强烈的干扰，从而影响城市居住的总体生态环境。

本文从多样性指数和均匀度指数对三明市主城区林地森林景观多样性进行分析。根据多样性指数与香浓均匀度指数代表的生态学意义，SHEI值为1时，代表景观具有最大的多样性，各景观类型分布均匀;其值较小时，优势度较低;SHDI的值越大，说明该研究区的景观类型越多。根据计算的结果可知，主城区林地景观的多样性指数为1.1652，香浓多样性指数为0.724，说明在这个阶段的林地景观较为丰富，景观多样性较高，林地斑块的景观优势度较为突出，以常绿针叶林斑块为主。

4 结论与建议

4.1 结论

1）近10年来，三明市主城区建设用地的面积在不断增加，耕地、林地和水域的面积在不断减少，三明市主城区景观类型变化主要表现为耕地与林地向建筑用地的转化。这与随着三明市城市化发展进程加块，城市发展建设过程中占用了大量耕地，从而使部分林地景观遭受侵占有关;而且从2009—2014年和2014—2019年建设用地的面积变化情况分析可知，建筑用地的面积增量增加的更加强劲。在未来的一段时间，还会有大量的耕地、林地转变成建设用地，城市将持续扩张，沙溪河两侧与居民聚集区林地景观受侵占的程度将加大，进一步对三明市城市生物物种的多样性产生影响。

2） 2009—2019年三明市主城区城市林地景观面积相对其他景观面积较多，但主城区总体景观破碎化和景观异质性在增加，景观分散，集聚性减弱。受城市的快速发展和交通设施建设的影响，林地和耕地景观被分割，三明市主城区景观格局演变有加剧的趋势。

3）城市景观特别是城市林地景观，通过对城市林地空间配置和演变进行优化，可以提高城市景观稳定性和生产力[19]。林地景观大面积集中分布在西部与东部，林种斑块分布不均;常绿针叶林斑块大面积分布在沙溪河的西部且靠近居住区，在沙溪河的东面以大面积竹林斑块分布为主。三明市主城区林地景观总量并没有大幅度减少，但林地景观存在转出量与转入量较多的情况，这是由于三明市主城区植树造林活跃的结果。但不可否认的是在主城区城市扩张过程中不断将原有的成片森林包围、分割进而彻底改变成其他的景观类型，这将使城市森林景观进一步趋于破碎化，进而对城市生态环境造成影响。

4）三明市主城区林地景观比较丰富，林地景观在对城市环境影响的优势度上比较突出，常绿针叶林斑块与竹林斑块在林地景观中占据着重要地位。主城区居住区周围大部分都是常绿针叶林斑块，城市扩张势必对居住地附近的常绿针叶林斑块内的生物多样性以及物种丰富度造成影响，影响城市生态环境质量以及周围城市居民的总体幸福感。

4.2 建议

针对研究区城市景观格局异质性和破碎化程度不断加剧的情况，三明市主城区应进一步提升景观生态风险监测，并对其进行动态管理，确保城市景观结构合理有序的发展。同时，要注重城市林种斑块间的生态建设，增强斑块间的连通性，构建市区内部主要的生态廊道，设置缓冲区，提高生物多样性和稳定性。面对林地转出和耕地减少的情况，应严格控制耕地向建设用地转移，可根据农田分布情况设立耕地永久保护红线区域，划定林地生态保护红线，并加大生态脆弱区森林生态保护力度。针对城市扩张应该更加注重城市森林景观的布局，合理构建城市森林生态安全网络系统，在居住区附近应适当构建小斑块森林，并通过城市绿道连接城市各森林斑块，改善居民生活生态环境，并且要注重构建城市森林的立体配置方式，既丰富城市绿地的形式，又可增加城市森林景观多样性。对于主城区内已被破坏的林地斑块，应及时做好林地修复，严格制定法律法规、合理编制林地利用方案，高效管理林地资源，提高林地景观的稳定性。同时，加强林地重点工程建设，实现林地景观资源的合理优化，保护和治理好城市生态环境。

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