林晋大 邹自力

（东华理工大学测绘工程学院 江西南昌 330013）

城市的高速扩张与人类密集的经济活动不断蚕食着区域内的自然生态景观，对区域内不同景观之间的有效连接产生了影响[1]，景观破碎化程度不断加剧。景观连接度能有效地度量城市的生态调控能力，判断区域间各景观对于生态流的促进或阻碍程度，景观的有效连接对于维持区域内生态系统的稳定，生物多样性的保护具有重要意义[2-3]，而耕地连通性对于规模生产，粮食安全有着密切的关系[4]。因此，研究建设用地的景观破碎度与耕地景观连接度之间的动态演变过程及耦合关系能为城市生态保护、合理规划土地利用、实现城市可持续发展提供重要依据。

过去对于城市景观格局的研究侧重于分析城市本身的格局变化，对于城市扩张对其周边自然生态景观的互相影响关系分析较少。建设用地的扩张蚕食着区域内的其他景观，对于生态网络的连接起到了一定的阻碍作用，不利于物种间的物质、能量、信息流动[5]。城市快速扩张造成的景观破碎程度可以通过城市破碎指数（UFI）进行评估[6-7]，该指数能够在景观单元尺度上反映人类活动对于景观格局的影响程度。

景观连接度理论于1984 年由Merriam 引入景观生态学中[8]，之后国内外学者从不同的角度开展了广泛的研究，如孔俞坚基于景观连接度构建了北京市景观生态安全格局[9]，孔繁花等人基于结构连接度构建了巴中西部新城的生态网络[10]；
刘世梁等人将景观连接度引入土地整理中对贵州省道真县土地整理项目的生态效应进行了定量评价[11]；
张宇等人从功能连接度出发运用景观指数对滇金丝猴栖息地景观连通性进行研究[12]。

1.1 研究区概况

南昌市位于江西省中部偏北，与鄱阳湖西南岸相接，全境内以平原为主要地形，占南昌市总面积的35.8%。全市雨水较丰富，光照时间充足，为作物的生长提供了有利条件。南昌市植被覆盖率为42.96%。南昌市水文良好，湖泊众多，具有“西山东水”的地势。

1.2 研究数据来源

本研究主要采用南昌市2000 年、2005 年、2010年、2015 年四期土地利用数据，并依据研究目的参照土地利用分类方法，将土地利用类型划分为建设用地、草地、耕地、林地、其他及水域。

2.1 城市破碎度指数(UFI)

城市破碎度指数（UFI）可以从速度和形态两方面反映城市扩张对于景观格局的改变，根据Romano和Zullo[13]，UFI 遵循以下等式：

式中，Si 为第i 个区域建设用地面积（m2）；
Pi为第i个区域建设用地的周长（m）；
A 为区域总面积（m2）。公式中的第一项表征了城市土地利用率；
第二项表示城市边界地区与等效圆的周长之比。将此公式用于定量评价建设用地所造成的景观破碎程度，值越大表明破碎程度越高。

为更直观地体现景观的动态变化，计算第n 年到第m 年的的变化率，根据以下公式：

本文研究利用ArcGIS 软件创建4km×4km 的渔网网格，计算包括景观整体以及每个网格中的值，评价不同时期建设用地的景观破碎度差异及变化规律。

2.2 形态学空间格局分析(MSPA)

MSPA 可以识别目标像元集和结构要素之间的空间拓扑关系，将目标像元集分为七类不同的景观要素[14-15]。研究利用重分类的土地利用数据，将耕地作为前景，其他用地利用类型作为背景，将边缘宽度设置为4，采用8 邻域算法进行分析，得到七类互不重叠的要素。根据分析得到的七类景观要素，提取其中对景观连通具有重要意义的核心区，并研究其在景观连接度中的作用。

2.3 景观连接度分析

景观连接度反映了不同景观类型的斑块在生态流之间能量、信息的促进或阻碍作用。指数能反映景观的连通性，指数能反映斑块对于景观保持连通性的重要性，计算公式如下：

式中：n 为景观中斑块总数；
ai、aj代表i 斑块和j 斑块的面积、AL为景观基质面积，PCremove代表去除单个斑块后剩余斑块的整体指数值。本文利用Conefor 软件，将距离阈值设置为1500m，连通概率设置为0.5[16]。采用来评价斑块结构的重要性，在得到各斑块重要值后，按照自然断点法进行分级，将核心区斑块重要值分为5 级：极高、高、中等、低、极低。依据核心区斑块重要值的比值赋权重，同样计算每个渔网网格的平均斑块重要值来表征连接度。

3.1 城市扩张对于景观破碎度的影响分析

南昌市2000—2015 年土地利用状况如表1 所示，2000 年和2015 年相比，南昌市建设用地面积显著增加，其中占用最多的地类为耕地，其次为林地，共有273.26km2的耕地和42.10 km2的林地转为建设用地。与2000 年相比，建设用地占南昌市总面积的比例由4.17%上升至8.43%，耕地面积占比由54.93%下降至52.31%，林地面积占比由16.45%下降至15.81%，水域面积占比由18.31%下降至17.44%，其他用地面积变化较小。

表1 南昌市2000-2015 年土地利用结构表

城市的高速扩张造成了建设用地破碎化程度不断加深，由表2 可知，南昌市城市破碎指数由2000年的2.27 上升至2015 年的4.94，2000 至2005 年、2010 至2015 年间的平均城市破碎指数分别为47.83%、45.30%，2005 至2010 年由于南昌市城市化速率放缓，建设用地向外扩张强度减弱，平均城市破碎指数为1.36%。建设用地的破碎化造成了土地利用类型的剧烈变化，影响和改变着周围的自然景观。通过图1 格网分析可知，南昌市景观破碎化逐年由赣江向两岸延伸，城市化初期破碎化较高的斑块主要分布在赣江东侧的东湖区一带，随着南昌市城市化进程的不断提升，建设用地以赣江为轴心，向南北方向扩散。总体来看，景观破碎化程度主要集中在城市中心区域，且整体向北偏移，主要原因是红谷滩新区的开发，该区域人口密度和经济活动高度集中，加深了区域内的景观破碎度。

图1 南昌市2000-2015 年UFI 空间分布图

表2 南昌市2000-2015 年整体UFI 指数

3.2 基于MSPA 的耕地景观格局分析

从图2 中可以看出，耕地核心区在15 年间占前景的比例较为平稳，没有发生大幅度的变化，2005-2010 年间核心区面积小幅上升，但其频次逐年下降且变化幅度明显，说明在研究期内，越来越多面积较小的斑块消失，伴随着小斑块的消失，在景观中起连接作用的桥接区一并减少，表明耕地之间的连通性逐渐降低。同时随着建设用地与耕地景观的相互作用愈加激烈，耕地与建设用地扩张间起到缓冲作用的边缘区其频次及比例均不断减少，耕地受建设用地影响程度不断加深，岛状斑块的频率在不断增加，耕地面积减少，集中连片度降低，耕地质量不断恶化。

图2 南昌市2000-2015 年耕地MSPA 数据统计图

3.3 景观连接度分析

耕地作为南昌市景观类型的基质，其对于维持区域内景观的连接度具有重要意义。基于MSPA 分析，提取对于景观连通具有重要意义的核心区，进一步分析斑块重要值，结果如图3 所示。分析图3 可知，对于维持耕地连通性起重要作用的斑块主要分布在研究区南部的南昌县及新建县一带，这一区域内的耕地斑块面积较大且集中连片，是未来城市耕地保护的重点区域。市区范围内的耕地受城市扩张的影响，斑块逐渐消失，同时分布在市区周围的耕地斑块重要性值呈现逐年降低的趋势。

图3 南昌市2000-2015 年耕地重要斑块分布图

3.4 景观破碎度与连接度演变分析

将景观破碎度、耕地连接度按权重赋值到4km×4km 的格网中，并筛选其中建设用地与耕地相互作用较强的格网，结果如图4 所示。图4 中横坐标表示格网的编号，纵坐标代表对应的格网中的景观破碎度与耕地斑块重要值。从图4 中可以看出建设用地扩张造成的景观破碎度与耕地连接度呈明显的负相关。2005-2015 年间1-5、11-17、19-27 号格网景观破碎度呈现明显上升趋势，同时与之相对应的格网中耕地斑块重要值则随时间变化则呈现下降趋势。伴随着景观破碎度的上升，格网内的耕地斑块逐渐丧失连通作用，早期对景观连通有重要作用的斑块变成了多个不连续斑块镶嵌体。建设用地的扩张不仅造成了景观破碎度加深，对其周边的景观类型也同样产生了影响，建设用地扩张不仅直接造成了耕地数量的减少，对耕地景观的内部结构也产生了负面影响。

图4 南昌市2000-2015 年UFI 与耕地连接度变化图

本文运用城市破碎度指数、形态学格局分析与景观连接度相结合的方法，分析了南昌市2000—2015 年城市扩张与耕地景观连接度的动态演变关系。研究结果表明:

（1）近20 年来南昌市建设用地高速扩张，期间大量耕地转为建设用地，UFI 指数表明，城市扩张对景观破碎度造成显著影响，建设用地沿赣江两岸迅速向四周延伸。

（2）基于MSPA 分析，提取耕地中的核心、边缘、桥接、及岛状斑块，2000-2005 年间耕地核心区占前景比例出现了小幅的上升，但随着城市化进程的加快，核心区的数量及频次开始逐年减少，受周围区域影响程度加深。

（3）分析斑块重要值与UFI 指数，两者之间表现出一定程度的响应，且随时间变化呈明显负相关，随着景观破碎度上升，区域内耕地斑块重要性程度不断降低。

城市的不断扩张造成了土地利用类型的变化愈加剧烈，必然对区域内的景观破碎度与连接度造成影响。对于不同景观类型，城市化所造成的景观破碎度对其影响程度有明显差别，与城市经济活动关系较为密切的区域更易受到破坏。本文通过分析南昌市建设用地与耕地、之间的关系，发现景观破碎度与景观连接度之间存在一定程度的响应关系，且随着城市化进程的推进，响应关系呈现明显的负相关。因此，在未来的城市发展和规划中需加强对于不同景观类型结构和功能的保护，注重景观内部结构的优化。

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