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快速城市化地区景观格局变异与生态环境效应互动机制研究

黄木易  
【摘要】: 生态环境是人类生存和发展的基本条件,是社会经济发展的基础。目前,随着我国城市化进程不断加快,工业化水平日益提高,与粗放式经济增长相伴随的是能源和资源短缺以及环境的恶化。杭州是著名的旅游城市,全国重点风景旅游城市和历史文化名城。近年来,杭州市城市化水平处于加速中期阶段,经济水平显著提升,城市建设用地规模迅速扩张,城市居民的生活水平也日益提高。但高速的经济增长与快速的城市化进程极大的改变了城市的景观面貌,经济发展所伴随的城市生态环境质量下降在很大程度上影响着城市居民的生产与生活环境,并对未来城市经济发展的环境造成了不利的影响。一个城市的竞争力在很大程度上取决于该城市的生态环境综合水平,因此,如何有效的解决城市化过程中的生态环境问题是城市可持续发展的根本保证。本研究主要基于杭州市Landsat TM遥感影像及GIS平台,对杭州市不同城市化阶段的景观格局特征及其变化驱动机制进行分析,结合统计、监测与遥感解译数据从水、气、热环境角度对杭州市区生态环境效应进行了分析,并从景观生态学角度对景观生态环境效应的互动机制进行了相应的研究。本文研究的内容及主要结论如下: 1.景观格局特征及变化与驱动机制研究 土地利用类型动态度及信息熵变化分析表明,从1991至2005近15年间,杭州市区的土地利用变化明显。土地利用信息熵变随着城市化的加速,呈上升趋势,两者的决定系数达0.9,15年间的土地信息熵年变化率为0.83%。景观格局特征分析表明,斑块总数的增加、景观多样性的上升、景观破碎化程度呈现上升趋势、斑块优势在下降说明大斑块对整个景观的控制作用随土地利用变化呈减弱趋势。景观类型转移分析结果表明,杭州市区近15年来,农用地景观与水体景观大量减少,并成为城市建设景观增加的主要来源。采用重心分析法对农业景观空间格局变化进行分析,结果表明随着杭州市的城市规模不断扩张,农用地面积不断减少,在空间上表现为农业景观重心整体向北和西部逐渐偏移的变化轨迹,这种变化趋势也与城市不对称性的发展趋势相吻合。基于典范对应分析(CCA)的景观格局指数变化驱动机制研究表明,国民总产值与交通密度是景观多样性(SHDI)和破碎度(FN)变化的主要驱动因子;而财政收入和房地产投资是斑块数量(NP)增加的主要原因。CCA排序较好的展示了研究区域的景观格局变化与驱动因子的相互关系,也提供了不同景观格局指数变化的组合,并对发生变化的区域进行分组,体现了变化类型的共性与差异性,有利于探索各景观指数变化与区域分异的关系及定量分析与驱动因子之间的相互关系。 2.水环境的时空变化及与景观格局互动关系 杭州市区水体的时空变化分析表明,作为市区主要水体景观的西湖水质主要受到总氮(TN)和总磷(TP)的污染,五个监测点水质变化有一定改观,但整体水质仍有待进一步提高;运河段面监测点水质变化表明,从钱塘江取水入口处至运河北端,水质因子受到沿途主城区的生产与生活污染而呈现由南向北水体污染加重的趋势。利用缓冲区分析法研究了水质与景观组分及格局的关系。最后在相关分析基础上采用多元逐步回归分析,构建水质环境影响模型(WQ),该方程模型表明:运河水体污染程度受多维作用力的影响,其中经济、人口、城市化以及污染物排放是造成水体恶化的主要动力,而水域面积的下降导致了水体负荷加重、水环境容量减小,从而调节与改善水质的能力下降也是造成水体污染加重的间接原因。 3.大气环境的时空变化及与景观格局互动关系 根据杭州市大气环境评价常规评价指标,选择二氧化硫(S02)、二氧化氮(NO2)和总悬浮微尘(TSP)的监测与公报数据对杭州市区大气环境状况进行宏观分析,总体上杭州市区空气环境质量总体上处于良好水平,部分空气环境质量指标(悬浮颗微尘浓度、降尘等)呈现进一步优化的趋势,但二氧化硫浓度和氮氧化物浓度有上升趋势,大气综合质量有恶化趋势,环境质量不容过分乐观。利用地统计方法对杭州市三项大气污染指标进行克里格空间插值分析,三项大气污染指标的浓度空间分布特征具有相似性,主要表现为浓度高值处于城区中心处,浓度低值集中于西湖风景区及周边,空气污染指数(API)从空间上表现为自西南向东北逐渐上升的趋势。为了进一步揭示大气污染浓度空间分布与景观格局变化的关系,本文利用剖面线、相关统计分析法分别对三项大气污染的五级浓度区内下垫面景观格局指数与各级浓度区平均值进行定量相关分析,其中,绿地植被景观最大斑块面积指数(LPI-G)、绿地植被景观斑块破碎度(FN2-G)及建设景观斑块破碎度(FN2-C)和NO2浓度呈显著相关关系;景观变化与SO2的相互作用关系与NO2相似;与前两项污染物因子不同的是,只有建设景观最大斑块面积指数(LPI-C)与建设景观破碎度(FN2-C)与TSP有显著的相关关系。参与分析的景观格局指数中,如景观多样性、景观破碎度及景观分维数均与各项污染因子呈弱相关关系。研究表明,当空气中污染物浓度达到一定时,景观多样性对其变化表现敏感,并呈显著相关关系,从而说明大气染污物浓度变化与下垫面的景观格局关系复杂。 4.城市热环境特征与景观格局的互动机制 基于遥感影像通过对研究区地表亮温的反演,获取城市地表亮温的分布特征,在此基础上利用剖面线分析法,对不同方向上的城市研究区内下垫面地表亮温进行空间变化分析;城市热场变化差异分析表明,地表亮温变化剖面分形特征揭示了城市形态及其土地利用在不同方向上的复杂程度;对杭州市不同发展阶段的城市热环境效应分析表明,杭州市从1991年至2005年的近15年城市化造成城市热场的整体地表亮温呈上升趋势,“热岛”范围有所增加;从空间扩张方向上看,杭州市从1991年至2005年近15年间的城市热场变化表现为“外拓”、“分散”、“连带”与“内消”的特征。最后,研究认为,土地利用景观格局特征是热场总体分布格局的决定机制,产业布局与生态规划设计是热场分布格局的推阻机制,而城市人口及产业的集聚是热场分布格局的实现机制。 5.城市景观生态环境效应变化的政策启示 在对杭州市生态环境效应进行定性与定量分析的基础上,提出了五点改进城市景观生态环境效应的政策启示:加强生态环境的治理与投入是重要基础、促进产业结构转变与布局调整是重点、提高城市化的质量是根本出路、提高土地利用规划实施管理是关键和加强生态环境保护相关法律法规的建设是保障。


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