大城市郊区绿色空间格局演变及驱动力研究——以南京市江宁区为例

何楠琴,许 浩,刘 伟

(南京林业大学 风景园林学院,江苏 南京 210037)

近40 a来中国城镇化导致建设用地急剧扩张,引发并加剧了一系列的生态系统及资源问题,引起了一系列严重的环境问题如城市热岛效应[1-2]、生物多样性减少[3]、大气污染[4]等,区域性绿色空间破碎化现象突出,给周边郊区带来的生态环境问题最为突出[5]。大城市郊区没有明确的地理范围,广义上是紧邻城市建成区的行政建设区,其相近的概念包括“城市边缘区”“城乡接合部”等,其绿色空间指在地域范围内由植被及其周围的环境要素共同构成的自然与近自然空间,由不同土地单元组合而成的复合生态系统[6]。绿色空间可以维持生物多样性,改善城市环境与生态系统管理[7],对于城市无序蔓延的抑制、资源合理开发利用等方面起着非常重要的作用[8]。因此,对城市郊区绿色空间的研究成为当今的热点和重点。

在国内,各学科对城市郊区绿色空间关注度上升,研究类型呈现多样化,多以实证研究及应用研究为主。近些年主要集中在空间结构、空间保护与实践、空间多功能发展方面的研究,其中绿色空间结构特征是绿色空间保护与规划的基础工作,可分为共时性景观格局系统结构和历时性景观格局演变规律。共时性景观格局主要从绿化要素及共时性景观格局分析绿地结构及组成,王思元[9]对城市边缘区及绿色空间进行了释义,总结出目前我国城市边缘区绿色空间格局的3种类型,分析了我国城市边缘区绿色空间所存在的问题;王博娅[10]通过对城市绿色空间和生态系统服务的解读,提出了生态系统服务导向下城市绿色空间的优化思路。历时性景观格局演变主要是对景观格局时空动态演变的研究,赵海霞等[11]运用空间分析方法,发现2000-2015年南京都市区绿色空间格局变化及驱动因素;张利利等[12]以海口市为研究对象,对影像进行解译,得到景观类型数据,借助Arc GIS软件,利用引力模型,对城乡交错带景观格局的梯度变化进行分析;钱佳洋等[13]、郭力宇等[14]探究了小尺度地区景观格局的变化及驱动力,对该区土地资源的合理利用及生态环境的优化提供指导意义。目前国内常用的绿色空间分析方法有景观指数分析[15]、网络分析[16]、梯度分析[17]以及空间统计分析[18]等。虽然前人已对绿色空间的生态功能、景观格局等方面做了大量研究,然而大多聚焦于大城市的场地研究[19-20],缺少从区县级视角出发进行的典型小尺度单元进行剖析,无法精准反映出绿色空间的转换演变,且缺少对其绿色空间格局演变与驱动机制相结合的综合分析。因此,将景观格局分析应用于大城市代表性郊区的绿色空间景观格局演变研究中,有助于理解其变化过程及演变规律。

江宁区作为南京中心城区南部扩张与产业辐射最典型的行政区,也经历了快速城市化的过程,目前在长三角一体化建设的经济发展和生态建设协调进程中产生了新的矛盾。前人对南京市的相关研究较多,对南京市郊区的直接研究较少,关于江宁区的研究大多从土地利用演变分析[21-22]、空间扩展模式[23]及转型规划等方面展开,均未从绿色空间景观格局方面进行分析,也未从不同尺度来分析其动态变化特征,更未进一步分析格局变化的驱动因素。因此本研究以江宁区为对象,揭示2000-2020年城市绿色空间的时空演变,并探讨其内在驱动机制,旨在为江宁区的景观格局调整和生态优化提供相应的参考意见。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

江宁区是江苏省南京市的近郊行政区,地处长江下游南岸,位于南京主城区南侧(图1)(118°31′-119°04′E,30°38′-32°13′N),总面积1 561 km2。地貌复杂,以平原、丘陵为主,地势南北高而中间低,水资源丰富,有长江和秦淮河两大水系,四季分明,属亚热带季风气候。自2000年撤县设区以来,全区步入快速城市化进程。截至2020年,江宁区常住人口达192.66万,下辖10个街道,城镇化率为78.1%,全年实现地区生产总值2 509.32亿元[24],是南京对外沟通、向南延伸的重要枢纽,与南京主城区的经济和社会联系密切。

图1 江宁区位置及高程示意(图片来源:作者自绘)Fig.1 Schematic diagram of the location and elevation of the Jiangning District

1.2 数据来源

采用的数据主要有2000、2010年和2020年3期的遥感影像数据和社会经济数据,遥感影像来自中国科学院计算机信息中心(http://www.gscloud.cn),尽量选择夏季、云量小、清晰的影像来保证数据的有效性和可比性,影像融合后的分辨率为15 m;社会经济数据主要包括年末常住人口、地区生产总值、国民经济和社会发展情况等,数据来源于南京市统计局(http://tjj.nanjing.gov.cn/)及南京市江宁区人民政府(http://www.jiangning.gov.cn/sjfb/tjnj/)中的统计年鉴;江宁建成区的不透水范围来自1985-2018年全球不透水表面积的年度地图,分辨率为30 m[25]。

1.3 研究方法

1.3.1 遥感影像处理及绿色空间提取 通过ENVI5.3对遥感影像进行辐射定标、大气校正、图像融合、图像裁剪等处理,并参考《土地利用现状分类》(GB/T 2010-2017)和《城市绿地分类标准》 (CJJ/T 85-2017) ,建立解译标志,提取绿色空间分布范围。将研究区景观类型分为绿色空间和非绿色空间两大类,绿色空间包括耕地(旱地、水田、园地)、草地、水域、林地,非绿色空间包括建设用地和其他土地(空闲地、裸土地、沙地)。采用支持向量机的监督分类方法辅助人工目视解译,将分类完成后的景观图像转换成为矢量格式的文件,导入ArcGIS10.8中。由此进行可视化表达,得到江宁区的景观类型分布图(图2)。

图2 2000-2020年江宁区景观类型分布(图片来源:作者自绘)Fig.2 Distribution of landscape types in the Jiangning District from 2000 to 2020

1.3.2 面积转移矩阵及动态度计算 通过ArcGIS10.8的空间分析,对3个时期不同景观类型的面积空间分布进行了定量统计。采用单一土地动态变化度[26]的方法,反映出研究区内一定时间范围内某种绿色空间类型的数量变化情况,对面积变化差异及未来预测有积极作用,其计算公式如下。

(1)

式中:K为研究期内某种土地利用类型的动态度;Ua、Ub分别为研究初期及末期的某一种绿色空间类型的总面积;T为b时期到a时期的时段长,以年份为单位。

1.3.3 景观格局指数 景观格局指数可以定量地反映出景观的组成特征、空间配置及动态变化[27]。在景观类型水平上选取斑块个数、斑块密度、景观形状指数、最大斑块指数及边缘密度5个指标,以反映景观中各斑块类型不同时期的形态特征;在景观水平层次上选取蔓延度指数、香农多样性指数、香农均匀度指数、景观分离度4个指标,反映绿色空间景观格局的整体结构特征,最后通过Fragstats4.2完成景观指数计算[28]。

1.3.4 地理探测器模型 地理探测器模型是基于地理现象的空间分异定律探测空间分异性,并揭示其背后驱动力的一组统计学方法,具体解释参考文献[29]。目前在环境污染与人类健康、土地利用、气候与环境等方面的驱动因子中有了较多应用[30]。其计算公式如下。

(2)

参考其他文献对于土地城镇化时空演变及驱动机制的研究[31],从社会因素、经济因素、政策因素等方面选择江宁区绿色空间变化的驱动因子,进行地理探测机理分析。采用的分析软件为GeoDetector_2015,具体的8个指标由大到小依次为:年末常住人口、地区生产总值、全社会固定资产投资、财政收入、工业总产值、农业总产值、社会消费品零售总额、居民人均可支配收入。江宁区的研究范围较小,自然因素对于各街道绿色空间景观格局的影响程度较为薄弱,主要还是受到人文因素的影响,因此未将其作为驱动因子。

2 结果与分析

2.1 绿色空间规模演变特征

2.1.1 动态变化度 由表1可知,2000-2010年,研究区的绿色空间总面积减少126.83 km2,动态度为-0.965%;林地的面积由242.64 km2增加到261.57 km2;林地以外的其他绿色空间面积均呈现下降的趋势;耕地的减少面积最大,达133.11 km2;草地面积的降幅最明显,为-3.26%;水体面积较为稳定。2010-2020年,绿色空间的变化幅度相比上阶段增大,动态度为-1.718%;耕地的面积大幅度减少,从821.03 km2减少到591.42 km2;林地的面积增加,由261.57 km2增加到294.42 km2;草地和水域的面积小幅度减少。总的来说,2000-2020年的绿色空间面积持续减少,由1 314.79 km2减少至983.92 km2,总体动态变化度为-1.258%,耕地减少面积>草地减少面积>水域减少面积。

表1 2000-2010年江宁区绿色空间面积及动态度Table 1 Green space area and dynamic attitude in the Jiangning District from 2000 to 2010

2.1.2 转移矩阵分析 由表2可以看出,2000-2010年江宁区内面积变化表现在耕地、草地面积的减少,以及林地和建设用地面积的增加;耕地转出幅度最大,转出面积达239.4 km2,向建设用地转化了159.76 km2,占耕地转化面积的66.73%,向林地转化了45.18 km2,占耕地转化面积的18.72%;草地向其他景观类型的转化面积共为23.13 km2,向耕地转化了10.02 km2,向林地转化了5.86 km2;林地72.58%由耕地转入,9.41%由草地转入;建设用地同样主要由耕地转入,占建设用地转入量的83.83%。2010-2020年,江宁区景观类型的面积变化幅度较上一阶段有所上升,林地和建设用地的面积增长明显。林地的净增加量为32.85 km2,其主要来源于耕地;建设用地的净增加量为213.32 km2,其中耕地流入了200.17 km2,占建设用地净增加面积的93.84%。

表2 江宁区景观类型的转移矩阵Table 2 Transfer matrix of landscape types in the Jiangning District km2

根据全球不透水区数据绘制出的城市建成区范围图及减少的绿色空间区域见图3。2000-2020年城市建成区范围不断扩大,向江宁区的东部、南部延伸,绿色空间减少最剧烈的区域主要位于建成区的中南部(图4)。2000-2010年,绿色空间面积减少最多的区域在中部的秣陵街道和东部的淳化街道,减少面积分别为43 km2和39 km2;其次为西部的江宁街道沿江平原区域,减少面积为39 km2;谷里街道和湖熟街道减少的绿色空间面积相对较小。2010-2020年,绿色空间面积减少最剧烈的地区新增了西部的江宁街道,其次是南部的禄口街道。南部区域的湖熟街道和横溪街道中绿色空间的减少面积增大,分别由13 km2增长为28 km2、14 km2增长为19 km2,说明城镇化程度普遍加重。从20 a的整体变化图中可以看出,绿色空间减少的区域主要在江宁区的北部,逐渐向南部延伸,且面积减少重心呈现由东向西、由北向南的移动轨迹。

图3 2000-2020年江宁区城市建成区与绿色空间面积减少区域Fig.3 Jiangning District urban built-up area and green space area reduction area in 2000-2020

图4 2000-2020年江宁区减少的绿色空间分布Fig.4 Distribution map of reduced green space in the Jiangning District from 2000 to 2020

2.2 景观格局演变特征

2.2.1 景观类型指数分析 由表3可知,20 a间耕地的数量(NP)和密度(PD)呈持续上升的趋势,说明耕地的破碎化程度愈加明显。林地的斑块密度下降,破碎度降低。草地和水域的NP和PD均先减少后增加,说明草地和水域的斑块连接度呈先上升后下降的趋势,整体趋于破碎;从景观形状指数(LSI)上来看,全部景观类型的值均先降低后增加,说明景观受到人为干预,使得斑块形状趋于简单,后期景观形状指数逐渐增加,景观形状趋于复杂化,离散度增加;从最大斑块指数(LPI)来看,耕地的LPI远高于其他景观类型,表明耕地在景观类型中占主导地位。耕地的LPI逐渐下降,标志着耕地对于整体景观的影响逐渐降低;从边缘密度(ED)来看,耕地、草地、水域2020年的ED均低于2000年,说明它们受人为活动方式的影响,使得斑块形状趋于规则。林地的ED呈上升趋势,说明林地具有较多的边界,其景观异质性在逐渐增强。

表3 2000-2020年类型水平景观格局指数Table 3 Type level landscape pattern index from 2000 to 2020

2.2.2 景观水平指数分析 由表4可知,2000-2020年蔓延度指数(CONTAG)呈现降低趋势,说明各类景观没有形成良好的连接,斑块破碎化程度升高,连通性降低;香农多样性指数(SHDI)呈上升趋势,从2000年的0.81增长到2020年的0.94,说明各类型景观的面积比重趋向平衡,景观由耕地优势斑块控制转向多个景观斑块共同控制;香农均匀度指数(SHEI)呈现逐渐增加的趋势,2000-2020年由0.58变为0.68,说明各类型景观的面积比例结构不断缩小,部分景观斑块向着精细化斑块发展;景观分离度(DIVISION)表现为上升趋势,标志着景观的破碎化程度增大,各景观类型的斑块不断分化为更小的斑块,由此可见江宁区城镇化快速增长的过程。

表4 2000-2020年景观水平景观格局指数Table 4 Landscape level and landscape pattern index from 2000 to 2020

2.3 驱动力分析

运用地理探测器模型,利用式(2)探测各类影响因子对绿色空间变化的影响力,结果见表5。2000-2010年农业总产值的影响力居首位,表明农业发展程度与绿色空间面积的减少量有很强的相关性,农业发展程度越高的地方,其绿色空间越容易受到破坏。其次为居民人均可支配收入和年末常住人口,表明随着江宁区人口规模的扩张、社会经济的平稳增长和社会生活状况的提升,带动城镇用地持续扩张,因此可利用土地资源不断减少,绿色空间的减少量越来越大;2010-2020年各解释变量中社会消费品零售总额的影响力最强,其次为居民人均可支配收入和全社会固定资产投资,表明居民消费水平和投资水平的提高促进了城镇建设用地的快速扩张。总体来看,2000-2020年农业发展程度、经济发展水平、人口规模与绿色空间规模有明显的负相关性。

表5 绿色空间变化地理探测器影响因子及探测结果Table 5 Green spatial change geodetector impact factors and detection results

从政策制度等方面定性分析来看,十五到十三五期间,江宁区主要处于经济建设发展期和产业转换升级时期,推进了城市基础设施建设、经济发展建设等,同时政策制度也在制约着城市的无限扩张与建设。十八大以来,国家提出生态文明建设,江苏省出台了《江苏省生态保护与规划建设》,制定了一系列保护生态环境、治理污染的政策,对绿色空间的保护和恢复具有良好的效果,调整着城市绿色空间的景观格局。

3 结论与讨论

3.1 绿色空间的规模变化特征

2000-2020年江宁区的绿色空间面积减少,其中耕地、草地、水域面积减少,林地面积有所上升;非绿色空间面积增加,建设用地面积增加,其他土地面积减少。绿色空间在平原地区的减少趋势明显,包括淳化街道的西部、江宁街道的沿江平原及秣陵街道的南部。

3.2 绿色空间的景观格局变化特征

在景观类型水平上,耕地的最大斑块指数最大,破碎化程度远高于其他类型斑块,优势度降低,标志着耕地景观受人类活动影响较大。林地的边缘密度逐渐增加,说明景观异质性有所增强;景观水平上,景观破碎化程度逐渐增大,蔓延度指数下降,香农多样性指数、香农均匀度指数及景观分离度增加,表明江宁区景观类型的各面积比重趋于平衡,整体向均质化方向发展。

3.3 绿色空间格局演变的驱动力分析

整体动态变化受到农业发展、经济发展和人口规模等人文因素的影响,与绿色空间规模呈明显的负相关性,而积极的政策因素则在根本上指引了城市在基础设施建设、生态环境建设等各方面的发展,影响着区域绿色空间景观格局的时空变化。鉴于以上结论,对江宁区的绿色空间格局提出以下保护策略。

1)加强绿色空间规模保护的管控。2000-2020年,江宁区的绿色空间面积减少尤为明显,其中以耕地景观最为突出。因此应对国土空间规划中江宁区的永久基本农田严加监管与保护,对城镇开发边界进行严格划定并遵守,对生态保护红线区域严格控制,使农林用地免受建设活动的蚕食,有效丰富生物多样性和串联城乡生境斑块。

2)坚持城乡生态系统的保护与修复。继续落实长江流域环境保护和秦淮河等河湖水污染治理,统筹规划江宁区段长江岸线保护和重要湿地修复,保护子汇洲、安基山、大连山-青龙山等水源涵养区,完善生态环境监管机制;持续控制农业面源污染,生态修复汤山、方山、牛首山等矿坑林地,整治退化的生态景观,根本上调整能源结构和污染治理,使山水林田湖草的安全屏障得到稳定修复和巩固,提升生态系统的稳定性。

3)兼容保护与利用复合功能的用地。由于城乡郊区的土地具有空间及功能多样性,因此不仅要考虑生态系统的服务功能,而且要兼顾城乡社会所赋予的多重诉求,根据区位条件、生态敏感性和资源独特性来确定用地的兼容性及复合性,提高绿色空间的利用效率,如生态科普、农业体验、户外游憩等,同时满足人类活动的需要[32],使江宁区的绿色空间既能得到保护措施,又能适当、合理地开发,有效连接人工与自然生态系统。

本研究不足之处在于数据的精确度受到遥感影像分辨率的制约,绿色空间识别的精度有限。因此,在下一步研究中,需要基于更高分辨率的江宁区绿色空间数据来源,进一步对江宁区绿色空间的变化趋势进行模拟预测。