第1章 绪论
1.1 本书写作背景
近几十年来，随着城市化的快速推进，城市用地不断向外围扩展，城市景观变化已经成为全球景观变化的重要组成之一（贾琦等，2012）。在城市化过程中，各种产业、人口、交通和建筑等要素的集聚分布迫使大量自然或半自然景观转化为城市景观（陈彩虹等，2005），地表景观格局也以前所未有的速度发生着改变。
城市化背景下的地表景观格局转化具有显著的单向性特征，即自然用地（森林等）和半自然用地（农田等）快速转化为建设用地（居住用地、交通用地等）。这种转化在短期内推进了社会经济的发展，但同时也带来了一系列问题，如土地退化、水土流失、环境污染等，使城市化区域成为生态脆弱区（邓劲松等，2008）。究其原因，是覆盖于地表的生态系统的能量流、物质流、信息流随着城市化的发展，受到人为的干扰和破坏，导致地表很多生态系统服务发生变化、转化，甚至消失（Paruelo et al.，2001；Dresser et al.，2001）。这不仅会对当地环境产生威胁，城市化背景下的景观格局变化也在区域和全球尺度上影响着生态系统的结构与服务（郭泺等，2006）。
生态系统服务是人从生态系统中获得的多种惠益，一般分为4种，即供给服务、支持服务、调节服务和文化服务（Costanza，1997；MA，2005）。人类的生存和发展依赖于生态系统服务的供给，即生态系统服务与人类福祉紧密相关。城市化带来的景观格局变化及生态系统服务变化已经成为全球生态学研究的前沿和热点问题（傅伯杰和张立伟，2014）。
目前，发达国家的城市化速度逐步放缓，而发展中国家的城市化却在快速发展。作为发展中国家的代表——中国，其地表景观格局在城市化的影响下不断发生着变化。研究区属于中国城市化发展的代表区域，位于河南省郑州市和开封市的城市对接地段，属于郑汴一体化的核心区域。郑汴一体化是河南省郑州市和开封市联合发展的城市化发展规划，属于中原城市群的子规划，该规划将郑州和开封两个城市通过郑开大道等一些快速交通道路连接起来，同时在区域范围内通过一些具体的政策和制度，实现物质产品及人力资源等的无差别流动，达到郑州和开封共同繁荣与互补发展（河南省发展和改革委员会，2005）。
郑汴一体化的核心区域属于中国城市化快速发展的典型区域，受人为干扰影响极大，主要受中原城市群规划、郑汴新区规划、郑汴产业带规划等的影响。本书以郑汴一体化的核心区域为实证，深入探讨城市化过程中景观格局变化对区域生态系统服务的影响。本研究主要侧重于景观格局和生态系统服务的基础理论研究，尝试为国家政策的实施提供检验依据，同时为解决中国当代城市化发展中的环境问题提供决策参考。
1.2 国内外研究进展
目前，城市化已经成为主导城市周边区域景观格局变化的重要因子（Grimmond，2007），而景观格局变化下的生态系统服务响应问题也已成为全球景观生态学研究的热点和核心问题。城市化带来的直接表现就是景观格局的改变，本书侧重于城市化带来的景观格局变化对区域生态系统服务的影响研究，对规划层面不做深层次研究。
1.2.1 城市化概述
城市化（urbanization）一般有两种理解：一是指人口向城市或城镇地区聚集的过程；二是农村地区转变为城市地区的过程。此即常说的人口城市化和土地城市化，而土地城市化指的就是土地景观格局的变化，即前文所述，大量自然和半自然用地转化为建设用地的过程。
发达国家的城市化已经到了后期阶段，而我国正处于城市化的快速发展期（王桂新，2013）。我国城市化的发展，宏观上以城市群的布局为依托，具体是城乡一体化发展模式。
城市化的发展不可避免会对区域环境产生影响，Taylor Miller早在1990年就指出，城市化水平决定了区域生态环境的污染状况。目前，我国快速的城市化进程使地表景观发生了巨大变化，以地表景观为依附的生态系统服务受到了强烈的人为干扰，致使区域生态环境发生了很大变化。
1.2.2 景观格局研究进展
1. 国外景观格局的研究现状
为获取景观格局在国外的研究现状，用“ScienceDirect”软件，采用“Title-Abstr-Key”搜索“Landscape Pattern”，结果如图1-1所示。
图1-1 国外关于景观格局的研究文献数量
在国外，早在20世纪50年代就有了针对景观格局的描述性分析（Forman and Godron，1986）。1965～1995年属于景观格局研究的起步阶段，研究文献从无到有，*多年份不超过50篇，数量化的研究方法大约从20世纪70年代才逐渐出现（张金屯等，2000）。1996～2013年属于景观格局研究的快速发展期，研究文献从四五十篇增加到每年的四五百篇。
近几十年来，国外许多学者都开展了景观格局的研究工作。欧洲和北美洲作为景观生态学的起源地，引领了景观生态学的方向，代表人物有R.T.T.Forman、M.G.Turner、E.P.Odum等，但欧洲和北美洲在景观格局的研究上也存在一些差异，具体如表1-1所示。
表1-1 欧洲和北美洲景观生态学的研究特点对比
自20世纪90年代以来，国外对景观格局的研究主要集中在土地利用/覆盖变化（LUCC）的生态响应上。尤其在1995年，国际地圈生物圈计划及国际全球环境变化人文因素计划共同提出《土地利用土地覆盖变化科学研究计划》之后，LUCC和地理信息系统（GIS）平台的结合已经成为景观格局研究的重要方法。
2. 国内景观格局的研究现状
为获取景观格局在国内的研究现状，采用关键词“景观格局”在中国知网进行文献的主题搜索，结果如图1-2所示。
图1-2 国内关于景观格局的研究文献数量
结合相关文献（刘颂等，2010），20世纪80年代，林超、陈昌笃将景观生态学的相关概念和理论引入中国，景观格局作为其核心思想之一在学术界引起了广泛关注，此时期的研究主要为国外相关理论介绍。
1990～2000年属于我国景观格局研究的起步阶段。1990年，肖笃宁等发表了《沈阳西郊景观格局变化的研究》，标志着我国学者开始对景观格局进行研究。随后，傅伯杰于1995年在生态学报发表了《景观多样性分析及其制图研究》，对景观格局、景观格局指数及景观多样性制图进行了介绍。刘海燕（1995）介绍了GIS在景观生态学中的应用，尤其是在景观格局时空变化分析中的应用。王宪礼等（1996，1997）利用遥感和GIS在辽河三角洲地区描述了当地湿地的景观格局变化。马克明等（1998）与马克明和傅伯杰（1999）对景观格局的多样性进行了研究，并以北京东灵山森林景观为例进行了案例分析。这一时期内，我国景观格局研究的文献数量总体较少，但逐渐增多，内容多为国外研究方法的借鉴和简单景观生态学理论分析。
21世纪以来，我国经济进入了快速发展期，城市化在全国快速推进，地表景观和生态环境发生了巨大变化，为景观格局研究提供了丰富的资源。这一时期的文献研究也出现了迅猛增长。从2001年的42篇增长至2013年的695篇。这一时期对景观格局的理论研究开始逐渐增多。例如，张秋菊等（2003）阐述了关于景观格局演变的若干问题，如演变分析方法和驱动机制等。郭晋平和张芸香（2005）提出了景观格局分析空间取样方法，即统一网格样方取样法和统一网格样点取样法，并介绍了相应的样方数值计算方法。武鹏飞等（2013）采用线性抽样和分形理论的一些指数对景观异质性进行了分析。曹伟等（2011）利用土地景观格局指数，采用粗糙集与突变级数相结合的方法对土地利用进行景观分区。李秀珍等（2004）讨论了景观格局指标对不同景观格局的反应，评价了一些常用指标的实用性和局限性。陈利顶等（2008）指出了景观格局的发展现状和将来的5个发展方向。傅伯杰等（2005）阐述了景观格局与水土流失的尺度特征和耦合方法 我国学者在这一时期对景观格局应用的研究区域几乎覆盖了整个地表，具体如表1-2所示。
表1-2 中国学者对景观格局的研究区域分析
这一时期对景观格局的研究相对全面和深入。这一阶段的中后期，出现了很多关于景观格局研究综述的文章。例如，陈利顶等（2013）对城市景观背景下的生态效应进行了回顾，分析了景观格局变化下的城市水热环境、生态服务及城市生态用地等研究进展，也指出了目前研究中存在的问题。张保华等（2007）对农业景观格局的研究进行了综述，认为农业景观格局的研究主要集中在格局的动态量化方面，在驱动力和生态环境效应等方面的研究则是案例较多，归纳总结和机制研究不足。尹锴等（2009）阐述了当代城市森林学研究的进展，指出了以下几个发展方面：景观尺度上的城市森林系统能量流动、物质循环等生态学过程研究；城市森林景观格局演变的社会驱动力研究；基于生态服务功能的城市森林规划研究等。
3. 景观格局研究方法
研究景观格局的成因及其生态学含义首先需要对景观格局进行量化（Turner，2005），目前，景观格局定量研究方法一般分为三种，即景观格局指数法、景观格局的模型分析法和景观动态模拟法（汪荣，2007）。
1）景观格局指数法
景观格局指数法是景观生态学*常用的研究方法，它采用景观指数描述景观格局及其变化（O’Neill et al.，1988）。通过景观指数描述分析景观格局，可以使空间数据获得一定的统计性质，也可以针对不同空间尺度和时间跨度的景观特征进行分析与比较，定量监测景观格局的变化（Turner and Gardner，1991）。景观格局指数法一般分析包括三个水平，即斑块水平（patch level）、类型水平（class level）和景观水平（landscape level）。也有一些学者将描述景观格局的多项指数分为四大类（刘颂等，2009），如表1-3所示。
表1-3 常用景观格局指标分类
手工计算景观格局常面临数据量大等困难，国内外景观格局指数法的研究一般借助一些计算机软件包来完成，常用的软件有Spans、He、Lspa、Fragstats等。其中，美国俄勒冈州立大学森林科学系开发的基于GIS平台的Fragstats程序包功能*强，应用*广。
采用景观格局指数法易于获得景观要素的空间特点，但是由于缺乏机理和尺度的结合，因此跳不出几何研究的范畴。景观格局指数法由于缺乏对生态过程的理解，单纯为格局指数分析，生态意义往往不明显。与生态过程结合、合适的景观格局指数选取、加入驱动因子分析是景观格局指数法深入研究的方向。
2）景观格局的模型分析法
景观格局的模型分析法是指采用数学模型对景观格局的一些特征进行描述和分析，如空间自相关分析、半方差分析、小波分析及分形理论等。景观格局的模型分析法往往偏重于景观格局的特定特征研究，通常不能反映整体景观格局的变化。
3）景观动态模拟法
景观动态模拟法简单来说是指研究景观格局的动态变化，其目的往往是对将来景观变化趋势的预测，常见的动态研究模型有马尔可夫、土地利用变化及效应模型（CLUE-S）、元胞自动机、灰色系统，以及它们之间相互结合的模型等。这些模型基于不同的研究基础，在景观格局分析中各有优劣。
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