北戴河新區(qū)耕地景觀生態(tài)安全時空變化研究*

李秀芝

(內(nèi)江師范學院地理與資源科學學院，四川內(nèi)江 641112)

·熱點問題·

北戴河新區(qū)耕地景觀生態(tài)安全時空變化研究*

李秀芝

(內(nèi)江師范學院地理與資源科學學院，四川內(nèi)江 641112)

[目的]分析北戴河新區(qū)耕地景觀生態(tài)安全，試圖找出其格局變化規(guī)律和變化原因，以期為北戴河新區(qū)制定耕地保護對策提供借鑒。[方法]文章選取景觀指數(shù)建立耕地景觀生態(tài)安全評價模型，分析北戴河新區(qū)1991年、2001年及2013年的耕地景觀生態(tài)安全時空變化特征，在此基礎上，分析了耕地景觀生態(tài)安全重心變動軌跡，進一步分析耕地景觀生態(tài)安全的時空變化規(guī)律。[結(jié)果]研究表明：1991～2013年間，1991年為0.647 6，2001年為0.593 9，2013年為0.527 6；其逐年下降原因主要是人類活動加劇導致耕地景觀連通性下降，耕地景觀生態(tài)安全程度分布不均衡，各安全指數(shù)級別出現(xiàn)相互轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象；耕地景觀生態(tài)安全重心總體呈現(xiàn)向東北部移動的變化規(guī)律，1991～2001年移動距離為4.06km，2001～2013年動距離為1.43km。[結(jié)論] (1)北戴河新區(qū)耕地景觀生態(tài)安全指數(shù)從1991～2013年持續(xù)下降且下降幅度不斷增大，耕地景觀生態(tài)安全受到威脅；(2)北戴河新區(qū)的耕地景觀生態(tài)安全空間分布不均衡，安全程度不穩(wěn)定；(3)利用景觀格局分析耕地安全的研究方法可行。

耕地 景觀生態(tài)安全指數(shù) 景觀生態(tài)安全重心 時空變化 北戴河新區(qū)

0 引言

耕地為人們的生活提供了基礎的物質(zhì)材料，對國家或區(qū)域的糧食滿足與否、農(nóng)村經(jīng)濟的進步與否、農(nóng)村社會的穩(wěn)定與否產(chǎn)生直接的作用[1]。因此，維護耕地安全、提升耕地質(zhì)量是需要長久研究的課題。國內(nèi)外學者從各個角度對耕地安全展開研究，為耕地安全的維護提供了重要的理論和實踐指導。北美和歐洲對耕地安全的研究側(cè)重于耕地變化對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的影響[2-5]，從技術(shù)手段、經(jīng)營模式、管理方法、經(jīng)濟政策、土地規(guī)劃等方面探討提升耕地質(zhì)量及保護土地生態(tài)安全的策略。東亞的一些國家由于處在快速發(fā)展的階段，許多農(nóng)地被非農(nóng)化，導致糧食安全問題成為了耕地安全問題中最為關(guān)注的內(nèi)容。國內(nèi)學者對耕地安全的研究涉及糧食生產(chǎn)潛力[6-7]、耕地數(shù)量及質(zhì)量變化[8-9]、耕地內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外部環(huán)境效應[10-12]、耕地安全評價[13-15]等多個方面。縱觀國內(nèi)外研究，對于耕地的研究涉及多個方面，但是從景觀格局方面對耕地景觀生態(tài)安全的變化特征研究的相對較少，而耕地的生產(chǎn)潛力、數(shù)量質(zhì)量變化趨勢、自身結(jié)構(gòu)特征以及抵抗外界環(huán)境干擾的能力等又都與景觀格局有著重要聯(lián)系，景觀格局影響資源的分布[16]。景觀生態(tài)安全格局考慮格局變化與過程運行能夠相互作用的關(guān)系，探尋生態(tài)問題的合理解決方法。從景觀生態(tài)安全格局的角度對耕地的時空變化特征展開分析，有利于把握耕地演變過程的規(guī)律及影響因素，為合理解決耕地安全問題提供指導。

北戴河新區(qū)是我國著名的黃金旅游城市，除了最具特色的森林、沙丘、瀉湖濕地等濱海旅游資源外，其成片的耕地資源也是重要的旅游景觀，給當?shù)貛砹私?jīng)濟效益和生態(tài)效益。不斷加劇的旅游活動和其他人類活動改變了耕地的景觀格局。文章以北戴河新區(qū)為研究區(qū)，以生態(tài)安全格局思想作為指導，從時空變化的角度對耕地的景觀生態(tài)安全進行分析，探討其格局變化規(guī)律和變化原因，以期為北戴河新區(qū)制定合理的耕地保護對策提供借鑒。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

北戴河新區(qū)屬于秦皇島市，位于119°1′E～119°24′E、39°25′N～39°50′N之間，總面積514.79km2。北戴河新區(qū)位于濱海區(qū)域，地勢平坦，平均海拔未到4m。新區(qū)是暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，光照充足，降水充沛，加之多條河流分布提供了灌溉水源，形成了適于農(nóng)作物種植的自然條件。新區(qū)西部陸域部分分布有約占新區(qū)總面積50%的耕地資源，其中不乏優(yōu)質(zhì)的基本農(nóng)田，為第一產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了基礎條件。然而，不斷加劇的人類活動(如建設用地擴張、旅游資源開發(fā)等)對耕地景觀的連通性、斑塊形狀的大小及斑塊形狀的規(guī)則性等格局特征帶來了或大或小的影響，耕地的景觀生態(tài)安全也相應地受到影響。如何更合理的規(guī)范人類活動，保護耕地景觀生態(tài)安全，是北戴河新區(qū)需要關(guān)注的問題。

1.2 數(shù)據(jù)來源

該研究通過對遙感圖像進行解譯來獲取土地利用類型分布數(shù)據(jù)。研究選取了1991年9月的landsat 5TM影像、2001年8月的landsat 5TM影像、2013年9月的landsat8 OLI_TIRS影像。上述3期遙感影像云量少、成像質(zhì)量好，利于解譯精確性的提高。此外，還獲取了北戴河新區(qū)2013年土地利用現(xiàn)狀圖矢量數(shù)據(jù)和Google Earth 歷史圖像，用于解譯標志的建立。其他社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來自于昌黎統(tǒng)計年鑒和北戴河新區(qū)整治規(guī)劃資料。

遙感影像的解譯借助ENVI 4.7軟件，參照國家出臺的土地分類標準并結(jié)合研究區(qū)實際情況和研究目的，將研究區(qū)的土地歸并為耕地、園地、林地、草地、水體、建設用地和未利用地等7種，進行監(jiān)督分類，并對分類結(jié)果進行修正。最后，對修正后的解譯結(jié)果采用混淆矩陣法對解譯精度進行檢驗，經(jīng)檢驗， 3期解譯結(jié)果的Kappa系數(shù)分別為0.8513、0.8677、0.8715，解譯精度均在80%以上，能夠滿足研究需要。將解譯結(jié)果轉(zhuǎn)換為可以在ArcGIS10.0中編輯的柵格數(shù)據(jù)。

2 研究方法

2.1 構(gòu)建耕地景觀生態(tài)安全評價模型

德國的兩位學者Turner及Gardner[17]在研究景觀生態(tài)學的定量方法中，提出“長期的自然或人為干擾活動會使景觀生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生自單一趨于復雜、均質(zhì)趨于異質(zhì)、連續(xù)趨于不連續(xù)的變化”，并且表現(xiàn)出“干擾強度越劇烈，景觀生態(tài)安全程度會越低”的規(guī)律，據(jù)此，他們建立了評價景觀生態(tài)安全的景觀穩(wěn)定性模型。后人借鑒這兩位學者的成果對景觀生態(tài)安全進行了進一步的研究[18-20]。該文參考前人的研究成果，結(jié)合耕地的特征和研究區(qū)實際情況，確定了北戴河新區(qū)耕地景觀生態(tài)安全評價模型(1)，以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為評價單元進行評價分析。

(1)

式中，ES表示耕地景觀生態(tài)安全指數(shù)；PD表示耕地景觀類型斑塊破碎度；ED表示耕地景觀類型邊界破碎度；PX表示耕地景觀鄰近度指數(shù)；V表示耕地景觀脆弱度。

其中，耕地景觀脆弱度V的數(shù)值，選擇面積加權(quán)的平均形狀因子、景觀類型分維數(shù)以及景觀類型分離度等3項對耕地的產(chǎn)出效益、抗干擾能力、連通性、穩(wěn)定性和自身修復能力有影響[15]的景觀格局指數(shù)構(gòu)建加權(quán)模型(2)來計算。權(quán)重的計算采用層次分析法。

V=a×AWMSI+b×FRAC+c×DIVI

(2)

式中，a、b、c表示3項景觀格局指數(shù)的權(quán)重，經(jīng)層次分析法計算分別為0.54、0.30、0.16；AWMSI表示面積加權(quán)的平均形狀因子；FRACT表示景觀類型分維數(shù)；DIVISION表示景觀類型分離度。

2.2 分析耕地景觀生態(tài)安全重心變化趨勢

耕地分布區(qū)域特征各異，致使不同區(qū)域耕地景觀的生態(tài)安全程度輕重不一、格局散布不均勻，這樣，會在格局空間平面上產(chǎn)生一點分布重心。借鑒前人研究成果，運用平均重心法[21]來確定耕地景觀生態(tài)安全重心的空間位置，對耕地景觀生態(tài)安全的變化規(guī)律進行探討。平均重心法確定耕地景觀生態(tài)安全重心的計算方法如公式(3)和公式(4)所示。

(3)

(4)

式中，X、Y表示耕地景觀生態(tài)安全重心的經(jīng)緯度坐標；Xi、Yi表示第i個鄉(xiāng)鎮(zhèn)重心的經(jīng)緯度坐標；ESi表示第i個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的耕地景觀生態(tài)安全指數(shù)；n表示鄉(xiāng)鎮(zhèn)的個數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 北戴河新區(qū)耕地景觀生態(tài)安全時間變化特征分析

根據(jù)2.1節(jié)所述的耕地景觀生態(tài)安全評價模型，借助ArcGIS10制圖軟件和Fragstats34景觀分析軟件，計算研究區(qū)14個鄉(xiāng)鎮(zhèn)1991年、2001年、2013年的耕地相關(guān)景觀指數(shù)并進行標準化處理，在此基礎上計算研究區(qū)耕地景觀脆弱度及耕地景觀生態(tài)安全指數(shù)。結(jié)果如表1所示。

表1 1991年、2001年、2013年北戴河新區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地景觀脆弱度(V)和景觀生態(tài)安全指數(shù)(ES)

鄉(xiāng)鎮(zhèn)名稱199120012013VESⅤESⅤES渤海林場016070880401808085820152608461大蒲河鎮(zhèn)023010617101934069540222106346葛條港鄉(xiāng)018450795501860078100182705983國有林場024340907602363093140204009224荒佃莊鎮(zhèn)021910651402646054400204405126兩山鄉(xiāng)016410291901590014950137300030劉臺莊鎮(zhèn)022260621302509055620251705404留守營鄉(xiāng)020720643803204019730256104327馬坨店鄉(xiāng)011520418001152041800107400171泥井鎮(zhèn)022620788301982075300197306462牛頭崖鎮(zhèn)020970715703137053050237506609茹荷鎮(zhèn)030780421602691041410308804141團林鄉(xiāng)023560607902091070280313404303爭議區(qū)016400705601726078300165307271平均值020640647602192059390210005276

由表1可以看出， 1991～2013年，北戴河新區(qū)的耕地景觀生態(tài)安全程度呈現(xiàn)持續(xù)降低的變化趨勢，且下降幅度逐漸增大。1991年北戴河新區(qū)14個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的平均耕地景觀生態(tài)安全指數(shù)為0.647 6，至2001年降低了8.29%，為0.593 9， 2013年較2001年又下降了11.17%，為0.527 6。

1991～2013年北戴河新區(qū)的耕地景觀生態(tài)安全程度呈現(xiàn)持續(xù)降低的直接原因是平均耕地景觀類型斑塊破碎度和平均耕地景觀類型邊界破碎度增大所致， 1991年兩項指數(shù)分別是0.310 6與0.350 3，到2013年分別增加了63.54%與21.44%，達到0.511 1與0.425 4。這兩項指數(shù)增大主要是由人類活動加劇導致的耕地景觀連通性下降所引起的。經(jīng)統(tǒng)計， 1991年、2001年、2013年北戴河新區(qū)的建設用地規(guī)模分別達到37.88km2、60.62km2、80.24km2。這些建設用地包括農(nóng)村居民點用地、城鎮(zhèn)建設用地、交通用地和部分旅游設施用地，尤其各農(nóng)村居民點用地的擴張和沿海高速公路及沿海公路的修建，使耕地斑塊的連通性遭到阻隔，面積減少，斑塊破碎程度加劇，對耕地實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)營產(chǎn)生了阻礙作用，影響了耕地的生產(chǎn)效率，降低了耕地的景觀生態(tài)安全程度。推進土地整理工作的開展，通過遷村并點等措施縮減居民點用地規(guī)模，規(guī)范村莊規(guī)劃可以有效提高耕地的規(guī)模及連通性，從而提高耕地的景觀生態(tài)安全程度。

3.2 北戴河新區(qū)耕地景觀生態(tài)安全空間分布特征分析

借助ArcGIS10制圖軟件，采用自然間斷點分級法分別將3期的耕地景觀生態(tài)安全指數(shù)劃分為3個級別，綜合考慮3期分級結(jié)果并咨詢專家意見，最終確定北戴河新區(qū)耕地景觀生態(tài)安全的分級標準為： 0.724 2

圖1 1991年、2001年、2013年北戴河新區(qū)耕地景觀生態(tài)安全指數(shù)分級

由圖1可以看出， 1991年，耕地景觀生態(tài)安全指數(shù)Ⅰ級主要位于北戴河新區(qū)的西部和東部區(qū)域； Ⅱ級主要分布在中部和西南部區(qū)域，南北縱觀整個研究區(qū)，比例在3個景觀生態(tài)安全區(qū)中最大； Ⅲ級主要分布在新區(qū)南部區(qū)域，比例較小。2001年， Ⅰ級依舊主要位于北戴河新區(qū)的西部和東部區(qū)域； Ⅱ級主要在中部和西南部區(qū)域，近似呈南北縱向的條帶狀分布，不過在北部區(qū)域被隔斷； Ⅲ級主要分布在北部和南部區(qū)域。2013年， Ⅰ級分布于西部區(qū)域； Ⅱ級主要分布于西部和北部區(qū)域； Ⅲ級在北部、中部和南部皆有分布，相對比較分散。

1991～2001年，北戴河新區(qū)耕地景觀生態(tài)安全Ⅰ級與Ⅱ級之間的轉(zhuǎn)變不大，只有面積比較小的爭議區(qū)由1991年的Ⅱ級轉(zhuǎn)變?yōu)榱刷窦墸饕且恍┪蠢玫乇徽螢楦兀欢ǔ潭壬咸岣吡烁氐倪B通性所致。偏北部的留守營鎮(zhèn)由1991年的Ⅱ級轉(zhuǎn)變?yōu)榱刷蠹墸饕寝r(nóng)村居民點和城鎮(zhèn)的擴張降低了耕地的連通性所致。

2001～2013年，北戴河新區(qū)耕地景觀生態(tài)安全的變化比較顯著。位于Ⅰ級的泥井鎮(zhèn)和葛條港鄉(xiāng)轉(zhuǎn)變成了Ⅱ級，位于Ⅱ級的團林鄉(xiāng)轉(zhuǎn)變成了Ⅲ級， Ⅲ級的比例在3個時期達到最大，耕地景觀生態(tài)安全受到嚴重威脅。應當嚴格控制建設用地的擴張，并做好相關(guān)用地規(guī)劃，如禁止在對耕地景觀連通性發(fā)揮關(guān)鍵作用的部位建立人工設施，如若遇到道路等設施必須通過此部位的情況，要設置天橋以避免道路分割耕地。

3.3 北戴河新區(qū)耕地景觀生態(tài)安全重心變化規(guī)律分析

根據(jù)3.2所述的方法，借助ArcGIS10計算北戴河新區(qū)1991年、2001年、2013年的景觀生態(tài)安全重心坐標，將各坐標連線，得到研究區(qū)景觀生態(tài)安全重心變動軌跡圖(圖2)。可見， 1991～2013年，景觀生態(tài)安全重心總體呈現(xiàn)向東北部移動的變化規(guī)律。1991～2001年移動距離為4.06km， 2001～2013年動距離為1.43km。景觀生態(tài)安全重心逐漸移向東部靠近渤海林場和國有林場的方向，說明此些區(qū)域的耕地整治措施起到了一定良好的作用，耕地景觀生態(tài)安全得到提高。

圖2 北戴河新區(qū)景觀生態(tài)安全重心變動軌跡

4 結(jié)論與討論

該文以3個時期22年為時間跨度，以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為評價單元，對北戴河新區(qū)的耕地景觀生態(tài)安全和重心的時空變化特征進行了分析，得出3點主要結(jié)論。

(1)北戴河新區(qū)的耕地景觀生態(tài)安全隨時間呈現(xiàn)惡化的趨勢，應當加強對耕地的管理和整治工作。北戴河新區(qū)耕地景觀生態(tài)安全指數(shù)從1991～2013年持續(xù)下降且下降幅度不斷增大，耕地景觀生態(tài)安全受到威脅，長此下去，如若不采取措施控制此惡化趨勢，耕地的生產(chǎn)效率就會受到嚴重影響，進而對研究區(qū)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展、人民生活和經(jīng)濟增長產(chǎn)生不利影響。因此，必須加強耕地的監(jiān)管，控制建設用地對其的侵蝕，不斷改善耕地結(jié)構(gòu)，提高其景觀連通性、形狀規(guī)則性，進而提高其景觀生態(tài)安全程度。

(2)北戴河新區(qū)的耕地景觀生態(tài)安全空間分布不均衡，安全程度不穩(wěn)定。1991年安全程度總體呈現(xiàn)東西兩側(cè)高、南部低的特征， 2001年總體呈現(xiàn)東西兩側(cè)高、北部南部低的特征， 2013年總體呈現(xiàn)東部高、北部中部南部低的特征。耕地景觀生態(tài)安全重心向東北部移動。根據(jù)不同區(qū)域的耕地景觀生態(tài)安全程度采取對應的耕地保護措施：耕地景觀生態(tài)安全Ⅰ級區(qū)生態(tài)安全程度高，主要從適當增加耕地投入，提高耕地產(chǎn)出效率的角度來提高耕地景觀生態(tài)安全； 耕地景觀生態(tài)安全Ⅱ級區(qū)生態(tài)安全程度低于Ⅰ級區(qū)，耕地連通性比較低，破碎化比較大，應當通過耕地整治措施加強耕地的連通性； 耕地景觀生態(tài)安全Ⅲ級區(qū)生態(tài)安全程度最低，耕地破碎化嚴重，形狀極不規(guī)則，應當控制建設用地的擴張，并合理規(guī)劃城鄉(xiāng)布局，加強耕地的連通性和形狀規(guī)則性。

(3)以景觀格局作為出發(fā)點來分析耕地安全是具有現(xiàn)實意義的，該研究方法可行。景觀破碎度的大小、景觀形狀的規(guī)則與否、景觀斑塊的鄰近程度等格局特征對耕地的產(chǎn)出效益、規(guī)模經(jīng)營、抗干擾能力等都會產(chǎn)生影響，而格局特征又與人類活動密切相關(guān)，從景觀格局的角度分析耕地安全特征和原因，引導人類活動，保護耕地安全具有現(xiàn)實意義。

由于數(shù)據(jù)搜集的限制性，該文只做了3期的耕地景觀生態(tài)安全分析，今后可做更多期的分析，以更詳細準確地發(fā)現(xiàn)耕地景觀生態(tài)安全的時空變化規(guī)律，更加有針對性地指導耕地保護行為。

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THE TEMPORAL AND SPATIAL CHANGES OF CULTIVATED LAND LANDSCAPEECOLOGICAL SECURITY IN BEIDAIHE NEW DISTRICT*

Li Xiuzhi

(School of geography and resource science of Neijiang Normal University, Neijiang, Sichuan 641112, China)

The study of cultivated land landscape security is significant to improve the quality of cultivated land, protect the safety of cultivated land and guarantee the economic development. The purpose of this paper is to provide guidance for the Beidaihe New District to develop the strategy of cultivated land protection. In this study, the operation model of landscape security was constructed to analyze the special and temporal changes of the landscape security in the New District of Beidaihe in 1991, 2001 and 2013. And then, the change of the center of gravity of cultivated land ecological security was analyzed, and the temporal and spatial variation of cultivated land landscape ecological security was further analyzed. The results indicated that, the ecological security index continued to decline from 1991 to 2013, due to the decline of cultivated land landscape connectivity causing by the increasing human activities. The landscape ecological security index was 0.6476 in 1991, 0.5939 in 2001 and 0.5276 in 2013. The distribution of the cultivated land ecological security degree was not balanced, which moved to the northeast with the displacement distance 4.06km from 1991 to 2001, and 1.43km from 2001 to 2013. It concluded that (1) the farmland landscape ecological security in Beidaihe New District was threatened; (2) the spatial distribution of landscape ecological security was uneven, and the safety degree was unstable; (3) the method of landscape pattern to analyze the cultivated land security was feasible.

cultivated land; landscape ecological security index; landscape ecological security center of gravity; temporal and spatial; Beidaihe new district

10.7621/cjarrp.1005-9121.20170310

2015-09-29

李秀芝(1983—)，女，山東青島人，碩士、講師。研究方向：房地產(chǎn)估價與管理。Email： 63981921@qq.com

*資助項目：內(nèi)江師范學院校級課題“小城鎮(zhèn)基準地價土地用途細化分類研究——以內(nèi)江市為例”(NO.14SB01)； 國家級大學生創(chuàng)新實驗項目“基于磁性示蹤法的川中丘陵區(qū)紫色土坡面侵蝕過程研究”(No.X201306)資助

F323.211; S127

A

1005-9121[2017]03-0059-06