王 飛,葉長盛,*,華吉慶,李 欣

1 東華理工大學(xué)江西省數(shù)字國土重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南昌 3300132 東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,南昌 3300133 南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,南京 210023

城市涵蓋了全球主要的人口,其應(yīng)對各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)的能力將影響國家、區(qū)域乃至人類的未來發(fā)展[1]。伴隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)入加速發(fā)展時(shí)期,人口、產(chǎn)業(yè)集聚對城市空間產(chǎn)生極大需求,將使我國成為全球城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)張速度最快的國家之一?？焖俪擎?zhèn)化必然導(dǎo)致城鎮(zhèn)空間快速擴(kuò)展,使區(qū)域自然生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)不斷向城市生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化,改變著區(qū)域物質(zhì)能量流,直接或間接地改變地面形態(tài)及原本自然的生物地球化學(xué)過程[2],從而影響著區(qū)域的生態(tài)安全。如何有效、合理地評估城鎮(zhèn)化、城鎮(zhèn)擴(kuò)展與景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)之間的關(guān)系,實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)空間擴(kuò)展過程中既降低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)、保護(hù)生態(tài)環(huán)境又實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展,受到政府、社會(huì)和學(xué)者的廣泛關(guān)注和重視[3-4]。

諸多學(xué)者對城鎮(zhèn)空間擴(kuò)展所帶來的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)開展了廣泛而深入的研究。從發(fā)展關(guān)聯(lián)性角度考慮城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)展對單個(gè)生態(tài)現(xiàn)象或資源的影響,包括對氣候、水資源、土壤資源等的脅迫作用[5-8],結(jié)果表明城鎮(zhèn)面積的擴(kuò)展對水資源、大氣和地質(zhì)環(huán)境都產(chǎn)生了深刻的影響,經(jīng)濟(jì)發(fā)展只有和生態(tài)環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)起來,才能實(shí)現(xiàn)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展[6]；部分學(xué)者利用GIS技術(shù)平臺(tái)和不同的預(yù)測模型得到生態(tài)環(huán)境約束下城市空間增長的界限[9-11],力求在發(fā)展中確保生態(tài)系統(tǒng)的連續(xù)性和生態(tài)底線不被建設(shè)發(fā)展所突破[12]。也有學(xué)者對城市土地利用變化帶來的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行了評價(jià)[13-14],主要以土地利用變化的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評估、碳排放效應(yīng)評估、生態(tài)景觀格局效應(yīng)評價(jià)等為主,并對二者相互作用的驅(qū)動(dòng)力機(jī)制研究[13],得到了城鎮(zhèn)空間擴(kuò)展下生態(tài)環(huán)境響應(yīng)機(jī)制的影響因素,其中包含人口增長、城市化、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、建設(shè)用地高速擴(kuò)展、生態(tài)用地減少等。并嘗試探索城市地域推進(jìn)與環(huán)境管理新模式,以實(shí)現(xiàn)城市發(fā)展與生態(tài)保護(hù)的二元協(xié)調(diào)[15-16]。現(xiàn)有研究更多的是對城鎮(zhèn)化過程中生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)效應(yīng)的評價(jià),以及從景觀格局方面分析城鎮(zhèn)用地的面積變化,探討城鎮(zhèn)空間擴(kuò)展導(dǎo)致的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化及其兩者的耦合關(guān)系研究相對較少。景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)是指自然或人為因素影響下景觀格局與生態(tài)過程相互作用可能產(chǎn)生的不利后果,通常基于景觀要素鑲嵌、景觀格局演變和景觀生態(tài)過程等分析其對內(nèi)在風(fēng)險(xiǎn)源和外部干擾的響應(yīng),對特定區(qū)域景觀組分、結(jié)構(gòu)、功能和過程所受人類活動(dòng)或自然災(zāi)害的影響進(jìn)行判定或預(yù)測[17],可以描述人類活動(dòng)或自然災(zāi)害對區(qū)域內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能等產(chǎn)生不利作用的可能性和危害程度[18-19],為區(qū)域城鎮(zhèn)化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究提供了一種新的理論和新的方法,深入探究城鎮(zhèn)空間擴(kuò)展與景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的耦合關(guān)系,揭示人類活動(dòng)對景觀生態(tài)系統(tǒng)的影響,為促進(jìn)城市建設(shè)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的相互協(xié)調(diào),以及城市的可持續(xù)發(fā)展和科學(xué)管理提供借鑒。

為此,本文以江西省南昌市為例,通過構(gòu)建城鎮(zhèn)空間擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù),刻畫2000—2017年南昌市城鎮(zhèn)空間擴(kuò)展時(shí)空變化特征,利用景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù),以3 km×3 km的單元網(wǎng)格進(jìn)行系統(tǒng)采樣,借助GIS技術(shù)和地統(tǒng)計(jì)分析方法,探討了南昌市景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的空間分布及變化特征,運(yùn)用地理加權(quán)回歸分析,研究城鎮(zhèn)空間擴(kuò)展與景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的耦合關(guān)系,以期為促進(jìn)城市建設(shè)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的相互協(xié)調(diào),正確評價(jià)人類活動(dòng)對城市生態(tài)系統(tǒng)的影響,以及城市的可持續(xù)發(fā)展和科學(xué)管理提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

南昌市地處江西中部偏北,贛江、撫河下游,鄱陽湖西南岸,位于115°27′—116°35′ E、28°10′—29°11′ N之間。全境以平原為主,東南相對平坦,西北丘陵起伏,水網(wǎng)密布,湖泊眾多,是長江中游城市群的三大中心城市之一,“一帶一路”戰(zhàn)略的重要節(jié)點(diǎn)城市,中西部地區(qū)聯(lián)系東南沿海的重要交通走廊。2017年底,南昌市總?cè)丝?46.35萬人,下轄東湖、西湖、青云譜、灣里、青山湖、新建6個(gè)區(qū)以及南昌、安義、進(jìn)賢3個(gè)縣,國土總面積7402.36 km2。近年來,南昌市社會(huì)經(jīng)濟(jì)得到快速發(fā)展,城鎮(zhèn)化、工業(yè)化水平顯著提高。2017年全市實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)總值5003.19億元,人均生產(chǎn)總值91575元。全市城鎮(zhèn)人口400.59萬人,城鎮(zhèn)化率達(dá)到73.32%。建成區(qū)面積由2000年的107.87 km2擴(kuò)大到2017年的355.43 km2,市區(qū)人口不斷增加。隨著鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)、昌九一體化、昌撫一體化,長江中游城市群、贛江新區(qū)等系列政策措施相繼落實(shí),紅谷灘新區(qū)、瑤湖片區(qū)、九龍湖片區(qū)等新城大規(guī)模開發(fā),南昌市高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)、南昌市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)、小藍(lán)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)等工業(yè)園區(qū)大規(guī)模建設(shè),城鎮(zhèn)化、工業(yè)化步伐顯著加速,城市人口快速增長,城鎮(zhèn)建設(shè)用地持續(xù)擴(kuò)張,景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)壓力不斷增大。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究原始數(shù)據(jù)源為2000、2005、2010和2017年4個(gè)時(shí)期的Landsat TM/ETM+遙感影像,空間分辨率30 m×30 m,經(jīng)輻射糾正、幾何校正、圖像配準(zhǔn)和人工解譯等處理后得到不同年份的景觀格局圖。依據(jù)全國土地資源遙感分類系統(tǒng),把研究區(qū)景觀類型劃分為耕地、林地、草地、水域、城鎮(zhèn)用地、其他建設(shè)用地和未利用土地7類(表1)。通過將外業(yè)調(diào)查和隨機(jī)抽取動(dòng)態(tài)圖斑進(jìn)行重復(fù)判讀分析相結(jié)合的方法評價(jià)分類精度,通過分類誤差及Kappa系數(shù)檢驗(yàn),總體精度均達(dá)到85%以上,達(dá)到研究所需數(shù)據(jù)精度要求。

表1 研究區(qū)景觀類型分類

2.2 研究方法

2.2.1 風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)劃分

結(jié)合前人的研究經(jīng)驗(yàn),根據(jù)研究區(qū)范圍和景觀類型斑塊面積,按照景觀斑塊平均面積的2—5倍進(jìn)行等間距系統(tǒng)采樣[18-21],劃分3 km×3 km的單元網(wǎng)格即風(fēng)險(xiǎn)小區(qū),共得到912個(gè)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)(圖1),利用景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)公式計(jì)算出每個(gè)樣地的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)值,以此作為樣地中心點(diǎn)的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值。

2.2.2 城鎮(zhèn)擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)

城鎮(zhèn)空間擴(kuò)展采用城鎮(zhèn)擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)來衡量,是指研究期內(nèi)某區(qū)域范圍的城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)展面積占區(qū)域總面積的比重[22],能夠反映研究期內(nèi)城鎮(zhèn)擴(kuò)展的強(qiáng)度和快慢。計(jì)算公式為：

(1)

式中,Er為城鎮(zhèn)擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)；Ua為研究期初城鎮(zhèn)用地面積；Ub為研究期末城鎮(zhèn)用地面積；U為研究區(qū)總面積；ΔT為研究時(shí)段的跨度。

圖1 研究區(qū)地理位置及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)的劃分示意圖Fig.1 Geographical location of study area and division of ecological risk area

2.2.3 景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

基于前人的研究成果[18-21]和研究區(qū)實(shí)際情況,從景觀生態(tài)學(xué)角度出發(fā),刻畫景觀格局與生態(tài)過程的聯(lián)系,建立一個(gè)綜合的景觀格局指數(shù),定量反映人類干擾對景觀格局的影響,將風(fēng)險(xiǎn)可能造成的損失與風(fēng)險(xiǎn)出現(xiàn)或發(fā)生概率的乘積作為景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)綜合表征,選取景觀干擾度指數(shù)、景觀脆弱度指數(shù)、景觀損失度指數(shù),構(gòu)建用于描述研究區(qū)內(nèi)的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)[23-26],其計(jì)算公式為：

(2)

LLi=Ui×Si

(3)

Ui=aCi+bNi+cDi

(4)

式中,ERIk為第k采樣區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù),LLi為景觀生態(tài)損失指數(shù),指景觀受到外部干擾時(shí)其內(nèi)部各類型景觀受到的自然性損失的差異,通過景觀干擾度指數(shù)和景觀脆弱度指數(shù)綜合反映,Aki為第k采樣區(qū)內(nèi)i景觀類型的面積,Ak為第k采樣區(qū)的面積。

Ui為景觀干擾指數(shù),是用來反映不同景觀所代表的生態(tài)系統(tǒng)受到干擾程度,根據(jù)實(shí)際情況通過對破碎度、分離度和優(yōu)勢度賦予不同的權(quán)重然后進(jìn)行疊加,來反映區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)所遭受的干擾程度；Ci為景觀破碎度；Ni為景觀分離度；Di為景觀優(yōu)勢度；a、b、c分別為破碎度、分離度和優(yōu)勢度的權(quán)重,且a+b+c=1,結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況,a、b、c分別賦以0.5、0.3、0.2的權(quán)重。

將景觀類型與景觀敏感性聯(lián)系起來,描述各景觀類型所代表的生態(tài)系統(tǒng)在受到外界干擾時(shí)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的易損性,借鑒他人研究成果[27-29],通過層次分析法并歸一化分別對各景觀類型賦權(quán)重,表示其脆弱程度Si,其中 ：耕地為 0.1573,林地為 0.0650,草地為 0.1017,水域?yàn)?0.2392,建設(shè)用地為 0.0413,其他建設(shè)用地為0.0413,未利用地為 0.3543。

2.2.4 空間分析方法及可視化表達(dá)

由于生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)本身是一種空間變量,可以利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行空間特征分析[23]。該方法是在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)系統(tǒng)采樣的基礎(chǔ)上,首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)、分析,找尋數(shù)據(jù)暗含的特點(diǎn)和規(guī)律,借助地統(tǒng)計(jì)學(xué)中變異函數(shù)的方法,進(jìn)行理論半變異函數(shù)擬合,運(yùn)用普通克里金法進(jìn)行空間插值,從而分析南昌市2000—2017年景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的空間分布情況。

2.2.5 地理加權(quán)回歸(Geographic Weighted Regression)GWR分析

傳統(tǒng)的線性回歸模型只是對參數(shù)進(jìn)行“平均”或“全局”估計(jì),如果自變量為空間數(shù)據(jù),且自變量間存在空間自相關(guān)性,就無法滿足傳統(tǒng)回歸模型(OLS模型)殘差項(xiàng)獨(dú)立的假設(shè),那么用最小二乘法進(jìn)行參數(shù)估計(jì)將不再適用[30-31]。地理加權(quán)回歸(GWR)模型引入對不同區(qū)域的影響進(jìn)行估計(jì),能夠反映參數(shù)在不同空間的空間異質(zhì)性,使變量間的關(guān)系可以隨空間位置的變化而變化,其結(jié)果更符合客觀實(shí)際,因此本文引入了GWR分析,GWR擴(kuò)展了傳統(tǒng)的回歸框架,在全局回歸模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行局部的參數(shù)估計(jì),模型結(jié)構(gòu)如下[32-33]：

(5)

式中,yi為觀測值,(ui,vi)為樣點(diǎn)i的坐標(biāo),β0(ui,vi)為i點(diǎn)回歸常數(shù),βk(ui,vi)是i點(diǎn)上的第k個(gè)回歸參數(shù),是地理位置的函數(shù);p為獨(dú)立變量個(gè)數(shù);xik為獨(dú)立變量xk在i點(diǎn)的值;εi是隨機(jī)誤差。

3 結(jié)果與分析

3.1 南昌市城鎮(zhèn)空間擴(kuò)展特征

2000—2017年,南昌市城鎮(zhèn)用地快速擴(kuò)展,面積由107.87 km2增至355.43 km2,增加了247.56 km2,年均擴(kuò)展速率為17.75 km2/a。2000年,南昌市城鎮(zhèn)用地面積僅為107.87 km2,到2005年迅速增加到305.99 km2,是2000年的2.84倍,城鎮(zhèn)用地面積增加迅速,呈現(xiàn)出劇烈擴(kuò)展的態(tài)勢,擴(kuò)展強(qiáng)度達(dá)到0.55。此后,經(jīng)過12年的城市發(fā)展,到2017年,建設(shè)用地面積擴(kuò)展至727.01 km2,2005—2010、2010—2017年兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)年均擴(kuò)展速率保持平穩(wěn),擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)均為0.06,呈增長趨勢?？傮w而言,17年間南昌市城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)展總體上呈快速擴(kuò)展趨勢,城鎮(zhèn)化進(jìn)程在加快。這與南昌市城市化、工業(yè)化、交通的發(fā)展以及政府相關(guān)政策的制定密切相關(guān),這些因素對城市的發(fā)展造成了深遠(yuǎn)影響(表2)。

表2 南昌市不同時(shí)段城鎮(zhèn)擴(kuò)展情況

圖2 研究區(qū)2000—2017年城鎮(zhèn)用地空間分布示意圖 Fig.2 Spatial distribution of urbanization expansion in the study area (2000—2017)

從2000—2017年研究區(qū)城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)展分布可以看出(圖2),南昌市城鎮(zhèn)用地的擴(kuò)展以西北和正北方向?yàn)橹鳎黄渲?2000—2005年,城鎮(zhèn)擴(kuò)展最為顯著,主要沿正北、西北、正西方位急劇擴(kuò)展；2005—2010、2010—2017年,擴(kuò)展較為平穩(wěn),主要沿正北、西北、正東、正西方位擴(kuò)展。2000—2017年,青山湖區(qū)、南昌縣、新建區(qū)等地區(qū)城鎮(zhèn)空間擴(kuò)展較快,這主要源于南昌縣、新建區(qū)緊鄰南昌中心城區(qū),受其輻射影響較大,因而城市化進(jìn)程較快,城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)展較為劇烈。青山湖區(qū)土地面積較大,擁有技術(shù)優(yōu)勢、政策扶持,在一定程度推動(dòng)了青山湖區(qū)的城市化進(jìn)程[34]；而青云譜區(qū)、東湖區(qū)、西湖區(qū)、進(jìn)賢縣、安義縣等地區(qū)的城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)展則較為緩慢,這些地區(qū)或多為老城區(qū),城市發(fā)展空間不足,或由于受制于自然地理?xiàng)l件,因此擴(kuò)展速度相對較慢。

3.2 景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空分析

3.2.1 景觀格局動(dòng)態(tài)變化

2000—2017年,南昌市不同景觀斑塊數(shù)量增加,由8769個(gè)增加至9655個(gè),整體破碎度由1.2172提高到1.3404。其中,耕地的面積由4038.73 km2減至3786.21 km2,面積凈減少252.52 km2。斑塊數(shù)量增多,景觀分離度增加,優(yōu)勢度下降,表明耕地的完整性程度不斷降低[35]；在人類活動(dòng)日益加強(qiáng)的影響下,草地面積持續(xù)減少,破碎度升高,優(yōu)勢度不斷下降,從而導(dǎo)致?lián)p失度不斷增加,從0.2662增至0.3300；水域破碎度總體上也在增加,但由于實(shí)行了退耕還湖以及嚴(yán)格的水資源保護(hù)措施,破碎度先升后降,損失度同樣也是先升后降的趨勢；林地的面積凈減少62.18 km2,分離度呈上升趨勢,干擾度由1.6944上升為1.7157,損失度明顯提高；研究期內(nèi),城鎮(zhèn)用地占土地總面積的比重由1.50%增至4.93%,景觀優(yōu)勢度上升,斑塊數(shù)量持續(xù)增加,對景觀格局的影響增大；其他建設(shè)用地面積也在不斷增加,占土地總面積的比重增加了2.43%,干擾度和分離度減少,脆弱度低,使得景觀損失度降低；未利用地的斑塊數(shù)先增加后減少,景觀優(yōu)勢度下降,干擾度提升(表3)。

表3 研究區(qū)2000—2017年景觀格局指數(shù)

3.2.2 景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)空分異

借助ArcGIS 10.1地統(tǒng)計(jì)分析模塊,對2000年、2005年、2010年和2017年四期采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行變異函數(shù)計(jì)算,2000年、2005年球面模型擬合最為理想,2010年、2017年運(yùn)用穩(wěn)定模型來擬合最為理想,計(jì)算出4個(gè)時(shí)期的半變異函數(shù)及參數(shù)(基臺(tái)值、變程和塊金值)(表4)。

表4 土地利用景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的理論半變異函數(shù)

變程可以反映景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的空間相關(guān)距離[36],2000年變程為19192 m,2017年增加至19568 m,指數(shù)的空間距離逐漸增大,這是各土地利用類型之間相互轉(zhuǎn)化所造成,基臺(tái)值2000年為0.065745,2017年增加到0.094021,土地利用景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度的空間分布不均勻性增強(qiáng),差異逐漸擴(kuò)大。塊金基臺(tái)比可反映塊金方差占總空間異質(zhì)性變異的大小,2010年、2017年的塊金值/基臺(tái)值≤25%,土地利用景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)具有顯著的空間相關(guān)性,但總體上看,南昌市土地利用的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間相關(guān)性中等。

根據(jù)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算公式,得出各風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù),參考相關(guān)研究[27],采用相對指標(biāo)法,根據(jù) ArcGIS Natural Breaks 分類方法將研究區(qū)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)劃分為 5 個(gè)等級：低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(0.02≤ERI<0.11)、較低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(0.11≤ERI<0.14)、中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(0.14≤ERI<0.18)、較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(0.18≤ERI<0.24)、高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(0.24≤ERI<0.32)。采用普通克里格插值法,對912個(gè)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)空間插值,得到南昌市不同時(shí)期的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分布圖(圖3),并統(tǒng)計(jì)得到各等級生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的面積及占比(表5)。

圖3 南昌市景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級空間分布圖Fig.3 Spatial distribution map of landscape ecological risk level in Nanchang City

2000—2017年,南昌市景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的平均值由0.1354上升至0.1420,風(fēng)險(xiǎn)值呈逐漸升高的趨勢。2000年,以低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和較低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)為主,分別占研究區(qū)總面積的27.59%、47.37%,主要包括安義縣、灣里區(qū)、新建區(qū)的大部分地區(qū)、青云譜區(qū)、南昌縣南部、進(jìn)賢縣南部等,這些地區(qū)景觀類型以耕地、林地為主,耕地占比大,斑塊規(guī)整,破碎度低,從而導(dǎo)致?lián)p失度較低,而林地在研究區(qū)內(nèi)種類豐富,以有林地、灌木林、疏林地為主,生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為完整,抗干擾能力強(qiáng),脆弱度低[37-40],因此景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較低；中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)所占比例為15.95%,主要分布在南昌市中部的西湖區(qū)、青山湖區(qū)東部、南昌縣東北部等；而較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)在整個(gè)研究區(qū)面積較小,分布于南昌縣和新建區(qū)的東北部、進(jìn)賢縣北部,該區(qū)分布著中國第一大淡水湖鄱陽湖,主要以脆弱度較高的水域和未利用地為主,其中廣泛分布湖泊、灘地,沼澤地、裸土地這四種地類,景觀類型較為單一,湖泊對外界風(fēng)險(xiǎn)較為敏感,受人類干擾作用大[37-38],而且未利用土地植被覆蓋度低、生態(tài)環(huán)境較差,土壤亮度高,生態(tài)系統(tǒng)抗干擾能力低[39-40],景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較高。

與2000年相比,2005年低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)顯著減少,由27.59%降至4.49%,這是由于城鎮(zhèn)用地的急劇擴(kuò)展,導(dǎo)致各景觀類型破碎度增加,損失度隨之提高,景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)化為較低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),使得較低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級面積有所增加；中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)、較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)面積也有所增加,相互之間由低一等級風(fēng)險(xiǎn)向高等級轉(zhuǎn)變,主要分布在新建區(qū)北部和東北部、東湖區(qū)、西湖區(qū)、進(jìn)賢縣北部等,這些地區(qū)是江西省最大河流贛江的流經(jīng)地,以及第一大淡水湖鄱陽湖的分布地,由于2000—2005年水域面積的減少,以及城市的劇烈擴(kuò)展,水域的景觀破碎度提高,干擾度和損失度隨之增加,景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)惡化。

2010年,伴隨著城鎮(zhèn)空間擴(kuò)展趨于穩(wěn)定,低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積增至1862.48 km2,主要由較低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)化而來,景觀破碎度降低,其中城鎮(zhèn)用地的破碎度最小,相較于2005年,各景觀類型損失度減小,景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)好轉(zhuǎn)；中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜕鷳B(tài)風(fēng)險(xiǎn)和較低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),面積由1754.79 km2降至1052.69 km2；從空間分布上看,高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積明顯減少,轉(zhuǎn)化為較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū),主要是因?yàn)檫@一階段水資源保護(hù)措施的實(shí)施,使得水域的破碎度下降,景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)降低。

表5 景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級面積統(tǒng)計(jì)

2017年,低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)減少至1148.87 km2,面積占比由2010年的25.89%下降到15.97%,表現(xiàn)為新建區(qū)中部、進(jìn)賢縣中部、南昌縣北部地區(qū)變?yōu)檩^低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)有所增加,主要由新建區(qū)與南昌縣交界處的一小部分較低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)以及南昌縣中部的低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)轉(zhuǎn)化；這主要是由于期間國務(wù)院頒發(fā)《長江中游城市群發(fā)展規(guī)劃》,明確了南昌作為長江中游地區(qū)中心城市的地位,南昌市得到進(jìn)一步發(fā)展的機(jī)遇,城市景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)提高。較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化不大；高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)增加至226.84 km2,主要表現(xiàn)為新建區(qū)東北部高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積的增加。

3.3 南昌市城鎮(zhèn)空間擴(kuò)展與景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的耦合關(guān)系

3.3.1 城鎮(zhèn)用地面積與景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的耦合性評價(jià)

對城鎮(zhèn)用地空間擴(kuò)展特征和景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分別作出分析之后,結(jié)合各樣地的城鎮(zhèn)用地面積與景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值,選擇有值網(wǎng)格[41],采用地理加權(quán)回歸模型(GWR),以城鎮(zhèn)用地面積為自變量、景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)為因變量,對兩者進(jìn)行回歸分析。回歸系數(shù)的計(jì)算在 ArcGIS 10. 1軟件中應(yīng)用GWR工具實(shí)現(xiàn),ArcGIS 10. 1中提供固定和自適應(yīng)兩種核類型,前者是查找最佳距離,后者計(jì)算的則為最佳鄰近點(diǎn)個(gè)數(shù),本研究通過對比驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)自適應(yīng)帶寬模型能夠獲得更高的精度,模型帶寬的計(jì)算運(yùn)用AICc的方法,結(jié)果見表6。

表6 地理加權(quán)回歸(GWR)模型參數(shù)估計(jì)及檢驗(yàn)結(jié)果

2000—2017年模型的擬合優(yōu)度R2呈現(xiàn)不斷上升的趨勢,在GWR模型中,每一個(gè)空間單元都有特定的系數(shù),對各系數(shù)值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),得到平均值、最大值、最小值、上四分位值、下四分位值和中位值(表7)。結(jié)果表明：2000—2017年回歸系數(shù)在空間上較為穩(wěn)定,符號都為負(fù),回歸系數(shù)不斷減小,說明城鎮(zhèn)用面積對景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的負(fù)向影響增強(qiáng),這是由于城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)展趨于穩(wěn)定后,斑塊更為規(guī)整,破碎度降低,景觀損失度也隨之下降,在一定程度上導(dǎo)致景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值降低。但是,值得注意的是城鎮(zhèn)用地的擴(kuò)展是以占用耕地、林地等生態(tài)用地為主,在一定程度上影響區(qū)域的生態(tài)安全,會(huì)引發(fā)一系列生態(tài)環(huán)境問題,所以,城鎮(zhèn)的空間擴(kuò)展要與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展相協(xié)調(diào),實(shí)施科學(xué)的城市發(fā)展規(guī)劃和合理的生態(tài)保護(hù)措施,才能保證城市穩(wěn)步健康發(fā)展。

表7 GWR模型回歸系數(shù)的描述性統(tǒng)計(jì)分析

從標(biāo)準(zhǔn)化殘差分布圖(圖4)可以看出,各年份局部回歸模型標(biāo)準(zhǔn)化殘差值約97%的范圍在[-2.50,2.50],因此,GWR模型的標(biāo)準(zhǔn)化殘差值在5%的顯著性水平下是隨機(jī)分布的,模型整體的擬合效果較好。

圖4 地理加權(quán)回歸(GWR)模型標(biāo)準(zhǔn)化殘差空間分布Fig.4 Spatial distribution of the standardized errors in the Geographic Weighted Regression model

南昌市各年份的城鎮(zhèn)用地面積與景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)總體上均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖5),城鎮(zhèn)用地面積的增加,使得斑塊更為規(guī)整,景觀干擾度和損失度減小,景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)隨之降低。而回歸系數(shù)在空間上有正有負(fù),2000年,除進(jìn)賢縣部分網(wǎng)格為正值外,其余都為負(fù)值,這是由于進(jìn)賢縣城鎮(zhèn)用地分布零散,破碎度高,導(dǎo)致景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值升高。2005年,隨著城鎮(zhèn)用地的快速擴(kuò)展,正值還出現(xiàn)在了南昌縣和新建區(qū)部分地區(qū),這些地區(qū)處在城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)展的邊緣地帶,景觀破碎度和干擾度較大,景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較高。2010年,隨著城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)展逐步趨于穩(wěn)定,負(fù)值僅出現(xiàn)在進(jìn)賢縣北部的部分地區(qū)。2017年,負(fù)值進(jìn)一步減少,城鎮(zhèn)用地斑塊更加規(guī)整,景觀干擾度降低,景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值降低。

圖5 GWR模型景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)回歸系數(shù)空間分布Fig.5 Spatial distribution of regression coefficients of landscape ecological risk in GWR model

3.3.2 城鎮(zhèn)空間擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)與景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的變化值耦合性分析

同樣地,采用地理加權(quán)回歸模型(GWR),以城鎮(zhèn)空間擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)為自變量、景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化值為因變量,對兩者進(jìn)行回歸分析。通過對比驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)自適應(yīng)帶寬模型能夠獲得更高的精度,模型帶寬的計(jì)算運(yùn)用 AICc 的方法,結(jié)果見表8。

表8 GWR模型參數(shù)估計(jì)及檢驗(yàn)結(jié)果

城鎮(zhèn)擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)與景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的變化值模型擬合優(yōu)度R2整體上有下降趨勢,其中2010—2017年,擬合優(yōu)度較低,兩者的關(guān)系減弱。回歸系數(shù)的平均值、最大值、最小值、上四分位值、下四分位值和中位值(表9),4個(gè)時(shí)間段,符號都為負(fù),回歸系數(shù)變化幅度較大,城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)展強(qiáng)度與景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的變化值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,城鎮(zhèn)用地的擴(kuò)展強(qiáng)度越大,景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化值越小。

表9 GWR模型回歸系數(shù)的描述性統(tǒng)計(jì)分析

標(biāo)準(zhǔn)化殘差分布圖可以看出(圖6),各時(shí)間段局部回歸模型標(biāo)準(zhǔn)化殘差值的范圍約96%的范圍在[-2.50,2.50],GWR模型的標(biāo)準(zhǔn)化殘差值在5%的顯著性水平下是隨機(jī)分布的,模型整體的擬合效果較好。

圖6 GWR模型標(biāo)準(zhǔn)化殘差空間分布Fig.6 Spatial distribution of the standardized errors in the GWR model

南昌市各時(shí)間段,城鎮(zhèn)空間擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)與景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化值都呈負(fù)向相關(guān)關(guān)系,城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)展強(qiáng)度增大,城鎮(zhèn)用地面積大幅增加,景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的變化值則較小。從回歸系數(shù)的空間分布來看(圖7),低值依然分布在南昌市區(qū),高值主要集中在進(jìn)賢縣、安義縣。2000—2017年,回歸系數(shù)有正有負(fù),正值僅出現(xiàn)在進(jìn)賢縣中部的部分地區(qū),隨著城鎮(zhèn)用地的快速擴(kuò)展,這些地區(qū)斑塊破碎度大,景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)持續(xù)升高,風(fēng)險(xiǎn)變化值較大。2000—2005年,回歸系數(shù)變化不大,且均為負(fù)值,這一階段城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)展迅速,斑塊破碎度增大,損失度未能迅速升高,導(dǎo)致景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的變化值較小,回歸系數(shù)絕對值不高。2005—2010年,回歸系數(shù)有正有負(fù),正值主要集中在進(jìn)賢縣、安義縣、南昌縣等地區(qū),這些地區(qū)網(wǎng)格多為城鎮(zhèn)用地新增地區(qū),擴(kuò)展邊緣較為破碎,分離度高,景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)升高,風(fēng)險(xiǎn)變化值較大。2010—2017年,城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)展逐步趨于穩(wěn)定,模型的擬合系數(shù)較低,回歸系數(shù)均為負(fù)值,擴(kuò)展強(qiáng)度減小,景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值降低,風(fēng)險(xiǎn)變化值增大。但是,兩者的擬合優(yōu)度不高,說明城鎮(zhèn)用地的擴(kuò)展與景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的變化值之間負(fù)相關(guān)系在減弱,城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)展趨于穩(wěn)定后,對區(qū)域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的影響減小,景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的變化值相對減小,兩者的負(fù)向關(guān)系減弱。另一方面,城鎮(zhèn)空間擴(kuò)展雖然使得土地破碎度減小,景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)減小,但是,近年來,南昌市城鎮(zhèn)面積的不斷擴(kuò)展及不合理的用地結(jié)構(gòu)布局,對水資源、大氣和土壤環(huán)境都產(chǎn)生了深刻的影響,城鎮(zhèn)的快速擴(kuò)展也使得城市交通擁堵、土地利用效率不高、農(nóng)村空心化等問題日益嚴(yán)重,所以經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城鎮(zhèn)的擴(kuò)展必須和生態(tài)環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)起來,考慮城鎮(zhèn)空間擴(kuò)展的生態(tài)學(xué)意義,才能實(shí)現(xiàn)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

圖7 GWR模型景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)回歸系數(shù)空間分布Fig.7 Spatial distribution of regression coefficients of landscape ecological risk in GWR model

4 結(jié)論與討論

本文通過對南昌市2000—2017年城鎮(zhèn)空間擴(kuò)展和景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)耦合關(guān)系的研究,結(jié)果表明：

(1)2000—2017年,南昌市城鎮(zhèn)用地面積增加了247.56 km2,其中2000—2005年擴(kuò)展最為迅速,擴(kuò)展貢獻(xiàn)率達(dá)到80.03%。城鎮(zhèn)空間擴(kuò)展主要沿西北、正北方向,擴(kuò)展區(qū)域分布在青山湖區(qū)、新建區(qū)、南昌縣等,總體上城鎮(zhèn)用地呈快速擴(kuò)展趨勢,城鎮(zhèn)化進(jìn)程在加快。

(2)研究期內(nèi),隨著南昌市經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加速,土地利用景觀格局發(fā)生了劇烈變化,建設(shè)用地快速擴(kuò)張,耕地、林地、草地面積持續(xù)減少。景觀斑塊數(shù)量增加,整體破碎度提高,景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)隨之增加,平均值由2000年的0.1354上升至2017年的0.1420,呈逐漸升高的趨勢。

(3)運(yùn)用地理加權(quán)回歸分析,對南昌市城鎮(zhèn)用地面積和景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),以及城鎮(zhèn)空間擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)與景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化值進(jìn)行耦合分析發(fā)現(xiàn),它們之間均呈現(xiàn)出負(fù)向相關(guān)影響,但后者相關(guān)性關(guān)系在減弱。從回歸系數(shù)的空間分布上看,低值均分布在東湖區(qū)、西湖區(qū)、青云譜區(qū)等經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快的地區(qū),這些地區(qū)城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)展快速,景觀破碎度和損失度低,因此隨著城鎮(zhèn)用地的擴(kuò)展,景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值降低。高值則分布在進(jìn)賢縣、安義縣等城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)展較為緩慢的地區(qū),城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)展邊緣較為破碎,分離度高,景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的值也就相對高一些。

本文生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的刻畫是基于土地利用格局的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià),僅以各類型景觀面積所占比例為權(quán)重計(jì)算景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值,使得風(fēng)險(xiǎn)概率的表征方式缺乏生態(tài)內(nèi)涵,一定程度上導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)評估的準(zhǔn)確性有所降低,但景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)模型的選擇是從景觀生態(tài)學(xué)角度出發(fā),刻畫景觀格局與生態(tài)過程的聯(lián)系,建立綜合的景觀格局指數(shù),研究結(jié)果基本能反映南昌市的景觀生態(tài)環(huán)境狀況,今后研究有待進(jìn)一步補(bǔ)充和完善。對城鎮(zhèn)空間擴(kuò)展和景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)耦合關(guān)系的分析上,需進(jìn)一步探索更優(yōu)的耦合模型,尋找兩者的耦合規(guī)律。在城鎮(zhèn)擴(kuò)展過程中,應(yīng)正確認(rèn)識(shí)人類活動(dòng)對城市生態(tài)系統(tǒng)的影響,實(shí)施科學(xué)的城市發(fā)展規(guī)劃和合理的生態(tài)管理保護(hù)措施,降低城鎮(zhèn)化帶給城市的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),促進(jìn)城市建設(shè)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的相互協(xié)調(diào),為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展和科學(xué)管理提供借鑒。