3.1 安顺市规划区扩展模式
通过对2007年、2012年和2017年3期遥感影像的土地利用解译,得到不同时期土地利用空间格局图(图1),图1很直观地反映城市扩展过程中各类城市用地的时空特征:2007—2012年5 a间城市扩张主要集中在主城区周边和东部区域,建成区面积由21.67 km2增加到35.06 km2,但土地利用变化强度相对温和; 而2012—2017年,城市迅速扩张,建成区面积由35.06 km2增加到68.68 km2,年均扩张6.72 km2。由图1可以看出,这段时期主城区继续扩大,东西两个方向是城市扩展的主要方向,中心城区南边为东西走向的连绵山体形成山体屏障,阻隔着城市向南发展,东边和西边有大量独峰山丘,形成峰林,而东边方向接省会贵阳,西边通向黄果树景区,因此东、西方向具有强烈的区位发展磁极产生的引力,北边山体较少,多为基本农田,受自然地理条件限制和周边经济发展因素作用,安顺市近10 a的城市扩展主要向阻力大、引力亦较大的东、西两个方向扩展,其次向北有部分延展。作为典型的多山型城市,其城市扩展受到周边自然山体的阻力,不能以“摊大饼”式的四周延展,其扩展模式可以比拟为“水淹式”,即建成区中心如同水库,随着人口增加、经济社会发展,“城市建设水位”上升后向四周浸漫,避高就低将山间平地、峰丛基地淹没,一些小的山体被侵吞,较大自然山体逐渐被包围形成城市灰色基质中的绿色生态岛,从而塑造出“城在山中、山在城中”的多山城市形态特征; 同时“城市建设之水”绕开山体阻力,以城市道路交通为“渠”,引向四周,再聚为多个“小水池”,“小水池”继续扩大最终与“中心水库”相连,因此多山城市建成区边界呈极不规则形状。
另外,随着物质生活水平的迅速提高,城市居民对居住环境的要求越来越高,自然山体因其大体量的绿量和无法替代的生态服务功能,成为城市中非常珍贵的生态资源,带动了城市中“依山而居”的房地产开发新理念和房价新增长点,改变了多山城市由“向山要地”转变为“靠山发展”的思路,城市发展主动向自然山体靠进,这也是安顺市中心城区向山体较多的东、西两个方向较快延展的主要原因。
3.2 中心城区规划区内的景观格局动态
3.2.1 土地利用类型转换特征
快速城市化背景下,城市发展过程中景观格局发生着剧烈的变化,一方面城市扩展使周边自然生境丧失,取而代之的是各种城市建设用地类型; 另一方面,城市内部也在发生着土地利用类型的转变,即城市内部更新[18]。基于土地利用类型的景观格局动态分析,可以反映城市发展规律和驱动因素。对安顺市中心城区以规划区边界为研究范围,统计分析2017年、2012年和2007年3期各土地利用类型面积,统计各类用地面积及其在规划区内的占比得到各期土地利用基本组成情况表(表3),对比分析近10 a城市发展过程中的内外景观动态特征。可以看出:10 a间耕地持续减少,在规划区内的占比也持续下降,尤其是2012—2017年,下降幅度剧烈,分析其原因首先是城市扩展侵占,其次是退耕还草还林政策的持续实施; 草地面积10 a间,前5 a略有增加,后5 a成倍增加,在规划区内的用地占比也提高较多,主要来源一是退耕还林还草,二是城市园林绿化的贡献。在城市建设用地中各类用地均有增加,而增加最明显的是工矿仓储用地和住宅用地,尤其是住宅用地占规划用地百分比上升到14%。
表3 2007-2017年中心城区规划区各类土地利用类型面积与占比
土地利用类型转移矩阵能够揭示地类变化过程的细节特点,可以全面、具体地刻画区域土地利用变化的结构特征和各用地类型变化的方向[19]。图2是根据两期土地利用转移矩阵绘制的各类用地转换关系图。由图2可以看出:2007—2012年,耕地的转出量为2 072.87 hm2,32%转变为林地,22%转变为住宅用地,16%转变为其他土地; 林地的转出量为1 015.54 hm2,66%转变为耕地,12%转变为草地,7%转变为住宅用地,7%转变为其他土地。可以看出这5 a,城市扩张已成趋势,也印证了黔中多山城市的扩张模式与规律:13%耕地转化为交通运输用地证明了以交通运输先行,渠化引导建设用地向周边发展,绕开有阻力的山体,在外围形成据点,成为城市生长极,逐渐扩展后连片扩大建成区范围,这一过程也是多山城市对周边自然或近自然生境破碎化、山体被隔离镶嵌于城市基质的过程。住宅用地作为主要转入用地,说明房地产业是这一时期城市扩张的主要驱动因素。由在建用地、空闲地、裸土地、采矿用地等组成的其他土地是城市建设过程中的中间类型。值得注意的是山地是该地区林地的主要载体,大量的林地转出说明城市建设过程中对自然山体的巨大冲击,建设用地紧张是山地城市发展的主要限制因素,在这一时期经济优先和“向山要地”的思想主导着城市扩张理念,导致在这一阶段大量的自然植被景观向城市硬质景观转化,自然植被面积锐减,强烈的人工干扰使大量林地转化为耕地和草地,生态系统退化明显。2012—2017年,耕地和林地依然是转出量最多的土地利用类型,分别转出3 411.46,1 767.86 hm2。其中,耕地转出量的22%转变为草地,17%转变为住宅用地,15%转变为林地,13%转变为工矿仓储用地; 林地转出量的41%转变为草地,33%转变为耕地,11%转变为其他土地。增加量最多的是草地和住宅用地,草地的增加量主要来自于耕地和山体,主要形式是城市建设的配套园林绿化建设,多以草坪、草地景观为主。在城市扩张过程中,城市公园的用地主要来源于不宜建设的山林地,2012年提出建设园林城市的目标后,城市园林绿化得以快速发展。在2007—2017年的土地利用转化中耕地和林地的互相转化以一定的规模持续存在,这一现象也许是山地城市扩张过程中特有的现象,现场调查和图像解译过程中得知,耕地转化为林地主要归因于退耕还林政策的实施和弃耕还林的结果,而林地转耕地主要在建成区周边区域,征占用地待建期,另外在城市内部靠自然山体比较近的居民,就近对遗存于城市之中的自然山体周边进行蚕食开垦的以种植疏菜为主形成耕地现象也较多见。
3.2.2 土地利用类型开发强度
指定区域土地利用类型的变化速度可以反映该区域土地利用类型转化的剧烈程度[20],通过动态度和耗减度对安顺市各类用地进行定量分析,结果见表4。可以看出:2007—2012年,其他土地的动态度值最大为13.30%,远大于其他用地类型的动态度,而且其开发度也明显高出其他用地类型,并高出其耗减度13.33%,由于其他土地主要包括在建用地、空闲地、裸土地、采矿用地等,这类用地是自然景观类用地向城市类人工景观用地转化的中间类型。同时,交通运输用地和工矿仓储用地的动态度也较大,分别为8.44%,7.47%,表明这一时期城市处于扩张初期,以开发建设为主; 2012—2017年,草地的土地利用类型动态度最大,为32.51%,是变动最大的土地利用类型; 其他土地保持了上一阶段的速度。2007—2017年前后两个5 a,不同用地类型之间的动态度差异较大。这表明,2007—2017年,是安顺市自然景观类型与城市人工景观类型处于极剧消长的状态。
表4 2007-2017年中心城区规划区土地利用/覆盖动态度与耗减度%
3.2.3 景观空间格局分析
景观空间格局分析是对景观的组成单元及其空间配置关系的分析[17],景观格局是各种生态过程长期作用的产物,同时也直接影响着生态过程[21],城市是由人工主导的多种生态过程共同作用的景观生态单元,各种城市景观组成单元之间的空间关系决定着城市自然生态系统的健康性和安全性,进而决定着城市的健康可持续发展[22]。本文对安顺市中心城区规划区景观空间格局从整体景观水平和斑块类型水平两个层次进行分析。
(1)整体景观格局分析。表5是2007—2017年安顺市中心城区规划区范围整体景观格局指数计算结果,从数据变化趋势分析可以看出安顺市2007—2017年景观空间格局发生显著变化。其中,斑块数量(NP)和斑块密度(PD)持续增加,斑块数量从2007年11 445个增加到2017年的16 921个; 而斑块密度从2007年的43.18增加到2017年的63.84,整体增加47.85%; 反之,斑块平均密度逐年降低,这说明斑块破碎化主要集中于局部地带,主要原因是呈大斑块的耕地和自然林在转出为城市建设用地过程中,土地利用类型多样性导致的斑块破碎化。表明安顺市近10 a城市主要以向外扩展的增量发展为主,城市内部更新相对较弱,中心城区规划区范围内景观持续破碎。香农多样性指数(SHDI)和均匀度指数(SHEI)是比较不同景观或同一景观不同时期多样性变化的主要指数,SHDI从2007年的1.42上升到2017年的1.79,SHEI从2007—2017年也逐渐增加,并趋近于1,但二者的变化幅度不大,说明景观多样性略有增加但不明显。景观分割指数(DIVISION)和景观形状指标(LSI)均有所上升,表明斑块呈异形化变化趋势,不同的景观类型相互切割现象严重。2007—2017年,景观斑块凝聚度(COHESION)和景观蔓延度(CONTAG)均呈现下降趋势,表明城市整体景观水平不同斑块类型团聚程度和延展性降低,景观同类景观斑块连接度降低。
综合以上相关指数分析可知,2007—2017年中心城区规划区范围整体景观格局持续破碎,斑块趋于均质化,不同景观类型相互切割现象严重,景观连接度降低。
表5 安顺市不同时期规划区景观水平整体景观格局指数
(2)不同土地利用类型的景观格局动态。由表6可知,2007—2017年,在土地利用的斑块类型层次,草地、耕地、工矿仓储用地、交通运输用地、其他土地和住宅用地的斑块数均增加,增加量最大的是草地斑块,增量为1 352个,水域及水利设施用地斑块数量明显下降,且减量最多,共减少1 748个,公共管理与服务用地呈现出先降低后增加,而林地的斑块数量先升后降。平均斑块面积占优势的虽然是耕地和林地,但二者平均斑块面积在下降,说明城市扩展过程中,均存在不同程度的破碎化,尤其林地的平均斑块面积持续下降,如前所述,山体是林地主要载体,林地平均斑块面积下降的原因主要是城市建设过程中不断对自然山体进行侵占和蚕食,也有些遗存于城市之中的自然山体由于生境面积不断缩小,并与其他自然生境隔绝,导致其生态稳定性下降、生态服务功能将会受到影响; 水利和水域设施用地不仅斑块数量在下降,其平均斑块面积也在下降; 林地和水域斑块面积的下降应引起足够的重视,因为此两类用地在城市生态系统起着非常重要的生态作用,林地为城市之肺、水域为城市之肾,这一结果说明城市扩展过程中对自然生态资源的破坏已十分明显; 草地的平均斑块面积增加较为明显,但草地的绿量有限,今后可以在草地上丰富植被景观,提升其生态服务功能。在2007—2017年,最大斑块指数最高的是耕地,但其下降程度十分明显,说明其在规划区内的优势景观地位不断下滑。交通运输用地最大斑块指数2007—2012年缓慢上升,2012—2017年陡然上升,成为上升最快的土地利用类型,这主要归因于城市主干道和绕城高速的集中修建; 其他各类土地利用类型的最大斑块指数变动幅度不明显。斑块类型比是指某一类型斑块占所有景观的比例,从表6可以看出,属于建设用地的各类土地利用类型其斑块类型比均呈上升趋势,尤其是住宅用地不仅上升幅度大,而且所占比例也最大。具有生态服务功能的各类土地利用类型中只有草地类增加,而其他类型都在下降,林地在2012—2017年下降幅度增强。周长—面积分维数主要是利用回归分析来反映不同空间尺度性状的复杂性,结果会因样本量小于10出现误差,研究结果均属于1～2范围未出现误差值。2007—2017年,各类土地利用类型的周长—面积分维数变化不大,说明其形态特征变化不明显。
上述结果进一步说明城市建设过程中景观破碎化持续发生,尤为值得关注的是水域及水利设施斑块的持续减少,黔中喀斯特地区常年雨量充沛且地下水资源丰富,但工程性缺水状况普遍存在,因此局部洼地的形成小型水塘等湿地类型,对调节局部生态环境和保护生物多样性起着至关重要的作用,但在城市扩展过程中大量的小型湿地斑块消失; 林地斑块先增后减,先增是因为外围退耕还林已见成效,后减则更多是城市建设对自然林地的侵占所致。可见,黔中喀斯特山地城市的扩张必然以牺牲资源和破坏生态环境为代价。
3.3 建成区地表覆盖动态特征
城市建成区是由人工主导的社会—自然复合系统,地表景观类型可以反映其开发建设强度和城市生态环境的基本特征。按表2地表覆盖景观分类方式,结合现场调查,对安顺市2007年、2012年、2017年3期遥感影像进行解译得到建成区地表景观组成类型数量与百分比图(图3)。
图4为3期城市建设成区地表景观类型组成及其数量特征图,由
图4可以直观看出,近10 a安顺市建成区总面积持续扩大,由2007年的21.67 km
2增长到2012年的35.07 km
2,之后增长速度加快,至2017年建成区面积达68.67 km
2。作为城市建设过程用地类型的其他土地也成倍速增加,说明安顺市地表覆盖景观一直处于动态变化过程中,2012年以后其他土地占建成区范围总面积百分比基本稳定在27%。在5种地表景观类型中,不透水建设用地和其他土地均为硬质城市灰色基质,二者占比之和在2007—2012年呈上升趋势,由66.2%上升到69.9%,说明这一段时间城市园林绿化建设相对滞后; 从2012年开始硬质景观占比下降到66.4%,接近2007年的水平。城市园林绿地、山体自然绿地和水域是城市中具有生态服务功能的软质景观,3种软质景观在建成区中的占比与硬质景观呈相互消长的关系,因此其10 a间的总和占比为先降后升的变化特征,但由
图3可以直观地看出10 a间由人工建设的城市园林绿地的数量增加,与不透水建设用地面积增加的速率不相协调,而且占比直线下降,相反山体自然绿地呈持续加速增长的态势,其占比也加速增长,到2017年占到整个建成区近24%,在维持建成区绿地率中发挥着非常重要的作用。这一结果一方面表现了多山城市建设的特点,即由于建设用地紧张自然山体与原自然生境隔离被城市包围,同时又要在城市绿地率指标中做出重要贡献,但同时也暴露出过分依赖自然山体,弱化城市园林绿地建设的问题,结果必将导致城市园林绿地的空间分布均好性和绿地的可进入性等问题出现,并不符合新时代城市高质量发展的要求,不能满足城市居民对美好宜居环境和高品质户外休闲空间的需求。
