全 文 ：第 33卷 第 3期 生 态 科 学 33(3): 507−512
2014 年 5 月 Ecological Science May 2014

收稿日期: 2012-08-16; 修订日期: 2013-07-09
基金项目: 广州市科研条件建设项目(2012-224-2); 广州市环境保护局项目(2012)
作者简介: 俞龙生(1984—), 男, 安徽贵池人, 工程师, 研究方向为景观生态与规划研究, E-mail: sysulss@163.com

俞龙生, 李志琴. 基于缓冲带的城乡边缘效应定量评价[J]. 生态科学, 2014, 33(3): 507−512.
YU Longsheng, LI Zhiqin. Quantitative assessment of rural-urban edge effects based on gradient buffer zones[J]. Ecological Science,
2014, 33(3): 507−512.

基于缓冲带的城乡边缘效应定量评价
俞龙生, 李志琴
广州市环境保护科学研究院, 广州市环境规划模拟重点实验室, 广州 510620

【摘要】 以缓冲带取样方法和群落边缘效应测度公式为基础, 尝试构建城乡交错带景观边缘效应的定量评价模型。以
广州市番禺区 4 期景观类型图为研究数据, 基于梯度带上景观格局指数计算结果, 分别计算了不同幅度的边缘效应强
度和综合边缘效应强度。研究结果表明: 边缘效应强度计算结果反映了城乡交错带在空间和时间上的景观动态特征。
基于缓冲带的边缘效应评价方法, 能够从总体上判断城乡交错区的位置, 也能够反映核心区和城乡交错区的景观格局
动态特征。景观格局的梯度变化分析可为城乡交错区位置的判定提供数据支持, 景观指数的幅度效应也为交错区宽度
的判断提供依据。

关键词：城市化; 边缘效应; 生态交错带; 缓冲区; 定量评价
doi:10.3969/j.issn. 1008-8873.2014.03.017 中图分类号：Q149 文献标识码：A 文章编号：1008-8873(2014)03-507-06
Quantitative assessment of rural-urban edge effects based on gradient buffer zones
YU Longsheng, LI Zhiqin
Guangzhou Research Institute of Environmental Protection; Guangzhou Key Laboratory of Environmental Planning and Simulation,
Guangzhou 510620, China
Abstract: Based on buffer zone sampling method and the edge effect measure formula of communities, this paper attempts to
build quantitative evaluation model of the landscape edge effects in the urban-rural ecotone. Taking four landscape type maps of
Panyu District, Guangzhou City, as data sources, based on the results of landscape pattern indices of gradient zones, the edge effect
intensity (E) and comprehensive edge effect intensity (EC) were calculated for different extents. The results showed that the edge
effect intensities reflect the landscape dynamic characteristics of urban-rural ecotone on both temporal and spatial scales. General
determination of position of ecotone could be conducted by using the edge effect evaluation methods based on buffer zones, and it
also can reflect the landscape pattern dynamic characteristics of urban core area and urban-rural ecotone. The gradient analysis and
landscape indices could be used to determine the position of rural-urban ecotone, and the extension relations of landscape metrics
provide a reference to examine width of rural-urban ecotone.
Key words: urbanization; edge effect; ecotone; buffer zone; quantitative evaluation
1 前言
城乡交错带是界于城市核心区和郊区之间具有
土地利用、社会、地理等特征, 并在时间和空间上
动态变化的过渡地带[1], 学者相继提出城市–乡村连
续体[2]、城乡融合区等理论模型[3]。生态交错带具有
敏感的时空动态性及结构的异质性和脆弱性[4], 城
乡交错带同样具有这样的特征[5–6]。很多研究关注城
乡交错带土地利用变化和景观格局[7–8], 但关于城乡
交错带的定量判定目前仍极少[9–11]。本文主要研究
508 生 态 科 学 33 卷
城乡交错带的位置和宽度的定量分析模型。
景观格局指数和梯度分析相结合被用来研究样
带景观的梯度变化规律[12−13]。景观格局指数具有明
显的幅度效应, 不同幅度的景观格局指数在城市化
梯度带上变化规律不尽相同[14]。石培礼和刘兴良[15]
曾探讨利用游动分割窗(moving split window)进行交
错带位置和宽度的定量判断。景观格局的梯度变化
分析可能为城乡交错区位置的判定提供数据支撑,
而景观格局指数的幅度效应则可能为城乡交错区宽
度的判定提供一种思路。
边缘效应是生态交错带的显著特征, 陈利顶
等[16]提出了斑块边缘效应的定量评价方法, 但由于
边缘效应的复杂性和针对性, 在确定边缘效应的实
际大小时目前还没有科学可靠的方法, 景观边缘效
应的定量研究目前还没有公认的原理和方法[17]。景
观边缘效应的定量研究是否可以作为城乡交错带定
量评价的依据之一？本文基于不同宽度的缓冲带,
借鉴群落生态学中边缘效应测度方法, 尝试对城乡
边缘效应进行定量评价, 以期探讨: (1)城乡交错区
的边缘效应表现特征及其形成机制; (2)城乡边缘效
应测度方法及其城市生态学指导意义。
2 研究数据与方法
2.1 研究数据获取
2.1.1 影像解译
以广州市番禺区为研究样区, 解译研究区4期
(1990、2000、2005、2008)Landsat TM 影像。采用
光谱角制图法和决策树分类方法相结合进行TM影
像的分类。将研究区分为城镇景观(包括城镇建设用
地和乡镇建设用地)、水体景观(包括河流和库塘、湿
地等)、农业景观(包括农田和旱地)、高密度植被(长
势良好、高郁闭度的林地)、低密度植被(灌木、疏
林地、草地、城市绿地等)等5种类型, 分析采用粒
度为30 m的景观类型图。结合遥感影像和土地利用
现状图对分类结果进行验证, 总体分类精度达到研
究要求。
2.1.2 梯度带设置
以番禺区城市化中心为中心, 分别以1 km和2 km
步长在研究区内设置圆环形缓冲带, 各设置7条和
14条缓冲带, 分别以距城市中心距离标记各缓冲
区。并将缓冲带与景观类型图叠加, 获得各缓冲区
梯度带内景观类型图。以具有相邻区域的缓冲区为
研究对象, 即以2—13 km和4—12 km的缓冲区和其
相邻两个梯度带来计算其边缘效应强度。
2.2 分析方法
2.2.1 景观格局指数计算
选取景观水平和斑块类型水平上的景观指数分
析各缓冲区梯度带内的景观格局。采用Fragstats 3.3
计算景观格局指数。所计算的景观格局指数主要有
斑块类型面积比(percentage of landscape)、城乡面积
比对数值(logarithm of urban and rural area ratio)、
斑块密度(patch density)、斑块形状指数(landscape
shape index)、蔓延度指数(contagion index)、香农多
样性指数(Shannon′s diversity index)和香农均匀度指
数(Shannons evenness index)。
2.2.2 边缘效应定量计算
借鉴群落生态学中边缘效应测度方法, 将各缓
冲带视为独立的群落样方, 采用目前应用最多的边
缘效应测度公式[18]:
1
/ 1 100%
n
i
n
E nD D
=
⎛ ⎞= − ×⎜ ⎟⎝ ⎠∑ (1)
其中, E表示边缘效应强度, n表示与所计算缓冲区相
邻的梯度带数量, D为所计算交错区内指标值, 这里
选用香农多样性指数(SHDI), Di为第i个相邻梯度带
内指标值。
显然, 仅采用香农多样性指数来计算有其片面
性, 不能完全代表各梯度带缓冲区内景观格局差异,
所以采用多种指数综合计算综合边缘效应强度。借
鉴彭少麟 [19]组建的综合边缘效应强度计算公式 ,
构建基于多种景观格局指数的综合边缘效应强度
公式:
( )
1 1
1/ / 1 100%
x n
i
x n
EC x nI I
= =
⎡ ⎤⎛ ⎞= − ×⎢ ⎥⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦∑ ∑ (2)
其中, EC表示综合边缘效应强度; x为所选取指标个
数(x=1, 2, 3, …, x); Ii为所计算交错区内各景观指数
值, 这里取斑块密度(PD)、斑块形状指数(LSI)、香
农多样性指数(SHDI)、香农均匀度指数(SHEI)、蔓
延度指数(CONTAG)等5种指数。EC计算结果为百分
数, 指标值为0说明无边缘效应, 指标大于0说明具
有正边缘效应, 指标小于0具有负效应, 高的值指示
高的效应强度。
3 期 俞龙生, 等. 基于缓冲带的城乡边缘效应定量评价 509
3 结果与分析
3.1 缓冲带城乡景观面积变化
随着城市化的快速发展, 城市边缘区特别是中
心城市近郊地区的城镇化速度明显加快。城镇建设
用地的快速增加和农业用地的急剧减少同时发生。
城市景观面积和农业景观面积的比值是城市化发展
过程中的重要指标。以 1 km 和 2 km 步长设置的缓
冲区梯度带上都表现出同样的规律, 在城市化梯度
带上城乡面积比呈现降低的趋势(图 1)。在距城市中
心 4 km 以内的梯度带内城乡面积比数值要比距城
市中心 4 km 以外的梯度带明显要高, 在 4 km 的梯
度带上出现明显的拐点。特别是距城市中心 2 km
以内的区域城乡面积比对数值都为正值, 表明这一
地区城市景观面积占绝对优势。可以推测研究区内
4 km 以内的地区是城市核心区, 而距离城市中心
4—6 km 的地区是城乡交错区。
在时间序列上, 各梯度带的城乡面积比变化表
现出不同的变化规律。在城市化前期, 在距离城市
中心较近的地区城市景观显著增加, 而距离城市中
心较近的地区城市景观增加幅度较小。在 1990—
2000 年时间段内距离城市中心 4 km 的缓冲带上城
乡面积比上升幅度较大。到 2005 年以后, 各梯度带
上城乡面积比对数值都为正值, 表明研究区内各梯
度带上城市景观面积均已超过农业景观面积, 城市
景观逐渐取代农业景观成为主要景观类型。
3.2 缓冲带景观梯度动态
两种步长缓冲区的景观水平指数在梯度带上都
表现出相似的变化规律(图 2)。以 2 km 为步长的缓

图 1 不同梯度带城乡面积比变化
Fig. 1 Variations of urban and rural landscape area ratio along different gradient zones

图 2 不同缓冲带景观格局指数
Fig. 2 Landscape indices at landscape level along different gradient zone
510 生 态 科 学 33 卷
冲区虽然忽略了梯度带上一些变化细节, 但仍反映
了其总体变化规律。而以更宽步长设置的缓冲区计
算结果来看, 梯度带上的景观格局指数变化特征会
出现较大变异。
斑块密度和多样性指数在城市梯度带上均呈现
先上升后下降的趋势, 在距城市中心 4—6 km 处出
现较明显的拐点。时间序列上斑块密度呈现逐级增
加的趋势, 在城市化后期斑块密度降低。研究期内
在距离城市中心 6 km 以内, 景观多样性在研究期内
逐年降低, 而 6 km 以外景观多样性逐年升高。距离
城市中心 4—6 km 的地区是城市扩展的主要区域,
景观多样性和斑块破碎化程度最高。
3.3 城乡边缘效应时空动态
与景观水平指数有所不同, 两种步长缓冲带计
算的边缘效应强度在梯度带上的变化趋势不一致
(图 3)。以 1 km 步长缓冲带计算的交错区边缘效应强
度在梯度带上变化规律较复杂, 在距城市中心 2 km
的缓冲带上边缘效应强度数值较高, 这是由于城市
核心区景观多样性指数值极低, 而 2 km 以内景观多
样性指数急剧变化。总体来看 4—6 km 的交错区边
缘效应强度也出现峰值。
总体来说两种步长的缓冲带在距离城市中心
4—6 km 的缓冲区内边缘效应强度都较高, 这与前
述结果相吻合, 而以 2 km 步长设置的缓冲带这一现
象更为明显。可以判定距离城市中心 4—6 km 的缓
冲区是景观动态变化最复杂、城乡边缘效应最高的
地区。由于边缘效应强度计算是根据相邻梯度区的
指数值来计算的, 容易受到各梯度区指数值变化的
影响, 所以会出现变化规律复杂的现象, 在计算城
乡交错区的边缘效应时, 需要考虑需适当的取样方
法和对边缘效应公式予以改进。
3.4 综合边缘效应
采用综合边缘效应强度公式计算所得到的综
合边缘效应强度与仅用多样性指数计算的边缘效应
在梯度带上变化趋势基本一致(图 4)。但各个梯度带
上的差异有所降低, 这是由于各个指数在梯度带上
的变化趋势有所不同, 采用综合边缘效应强度公式
计算则可能将各指数在梯度上的差异抵消或弱化。
总体来看, 综合边缘效应强度在梯度带上变化规律
与边缘效应强度公式计算结果相似, 在距离城市中
心 4—6 km 的缓冲区内边缘效应强度较高, 随着城
市化进程这一地区的综合边缘效应强度逐渐上升。
4 讨论
4.1 城乡交错带的景观格局特征
城乡梯度上景观格局从城市核心区经城乡交错
区到郊区, 表现出明显的空间分布和时间变化特
征。城市化的过程中城市景观逐渐取代农业景观成
为主要景观类型, 而在城乡交错区这一变化更为明
显。从研究结果来看城乡梯度带上景观格局指数在
距城市中心 4—6 km 的地区出现拐点, 这一地区斑
块类型最复杂, 景观多样性较高, 景观破碎化程度
较高[8,20]。边缘效应强度的计算结果也同样反映城乡
交错区的边缘效应强度较高, 时间序列数据反映了
城乡交错区的动态变化特征。生态交错带位置、宽
度判定和动态变化研究一直处于不断的探索中[11]。
景观格局的梯度变化分析可为城乡交错区位置的判
定提供数据支持, 而通过引进群落生态学中边缘效
应的定量评价方法则更为简便直观的反映城乡交错
区内的景观特征。

图 3 不同缓冲带城乡交错区边缘效应强度
Fig. 3 Edge effect of rural-urban ecotone along different gradient zone
3 期 俞龙生, 等. 基于缓冲带的城乡边缘效应定量评价 511
不同尺度上的景观指数变异被用来分辨景观类
型[21], 景观指数的尺度效应为交错区的判断提供一
种思路。从本文研究结果来看, 研究区景观指数梯
度变化规律在 1 km 和 2 km 的幅度上变化规律一致,
而在 2 km 以上幅度则会出现较大变异。不同幅度
缓冲区计算的边缘效应强度在梯度带上的变化趋
势有所不同, 这与边缘效应强度的计算方法有较大
关系, 需要进一步改进城乡边缘效应强度的取样和
计算方法。
4.2 城乡边缘效应测度方法
本文基于缓冲区样带的边缘效应定量评价方法
是一种基于样方的尝试。由于各缓冲区取样面积不
同, 给边缘效应强度计算带来一定影响。游动分割
窗方法虽然能够使各样方面积一致, 但取样偶然性
和方向性较大, 不能涵盖梯度带上的总体特征, 而
且不同重复的计算结果变异较大。虽然基于缓冲带
的判定结果不如基于景观斑块能够更精细的评价边
缘效应影响范围, 但对于城乡交错区这一特定对象
来说, 仍具有概念化模型的优势。另外构建信息熵
模型等综合模型来定量描述城乡交错区景观空间格
局梯度特征[22], 对于城乡边缘效应测度方法研究具
有启发意义。
由于各个指数在梯度带上的变化趋势有所不同,
采用综合边缘效应强度公式计算则可能将各指数在
梯度上的差异抵消或弱化。需要选取生态意义相同,
即所表示的数值大小顺序都具有相似意义, 且在梯
度带上的变化规律不相违悖的指数来计算综合边缘
效应强度。
4.3 城乡边缘效应规划指导意义
城市核心区和乡村地区的边界确定是城市生态

图 4 城乡交错区综合边缘效应强度
Fig. 4 Comprehensive edge effect of rural-urban ecotone
学中重要的定量研究内容, 城乡交错区的宽度和位
置判定可以为城市规划管理提供指导。城乡交错区
或者城市边缘区处于不断动态变化中, 很多研究以
人口密度、建成区、城市形状区界以及综合性划分
方法来划分城市核心区和边缘区[23–25]。然而由于城
乡交错区的动态性, 以上划分方法都存在不确定
性。以基于缓冲区的边缘效应测度模型来确定城乡
交错区的位置, 虽然无法精细化确定城市乡村的具
体边界, 但能从总体上判断城乡交错区的位置, 也
能够反映核心区和城乡交错区的景观格局动态特征,
不失为一种优良的综合规划评价方法。
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