基于土地利用變化的福建省生境質量時空變化研究

劉智方, 唐立娜,*,邱全毅,肖黎姍,許 通,楊 麗,2

1 中國科學院城市環境研究所, 城市環境與健康重點實驗室,廈門 361021 2 山東科技大學測繪科學與工程學院,青島 266590

基于土地利用變化的福建省生境質量時空變化研究

劉智方1, 唐立娜1,*,邱全毅1,肖黎姍1,許 通1,楊 麗1,2

1 中國科學院城市環境研究所, 城市環境與健康重點實驗室,廈門 361021 2 山東科技大學測繪科學與工程學院,青島 266590

地利用變化引起的生態效應已經成為生態學研究的核心問題,分析土地利用變化引起生境質量時空變化可以為生態保護和土地規劃提供科學依據。以福建省為例,利用InVEST模型對福建省生境質量進行評估,根據生境質量指數將其生境劃分為低、中、良好、優等。同時分析了福建省土地利用變化對其生境質量時空格局的影響。 研究結果表明：2000—2010年,福建省景觀破碎度指數逐漸降低,斑塊之間連通性好,生境破碎化程度降低,整體生境得分值在0.9以上。林地是福建省的優勢景觀,其覆蓋面積達到了福建省的86%以上, 并且林地的破碎化程度低,人類活動對它的干擾較小,所以福建省大部分地區生境質量處于良好、優質等級。但是福建省東南沿海地區生境值低于0.6,處于中、低等級之間,主要因為建設用地的急劇擴張增加了對生境質量的破壞強度。東南沿海地區的GDP占到福建省的65%以上,形成了以二、三產業為主導的產業格局, 對基礎設施建設、工業、居住用地等的需求急劇增加。所以,福建省的57%以上的建設用地主要集中于東南沿海地區。東南沿海地區高度聚集的建設用地,侵占了大量的裸地和耕地,嚴重干擾了該地區整體生態格局,破壞了生境質量,導致其生境質量低于福建省其他地區。

InVEST模型；生境質量；景觀格局

土地是人類賴以生存的空間,是人類社會生產中重要的自然資源和生產資源,是地球上各類復雜的生態系統的載體及物種的棲息地[1]。人類的各種生產生活活動都是以土地利用為基礎的。隨著人類對土地開發利用的逐漸深入,土地利用的格局、深度和強度都不斷發生變化。與此同時,土地利用的變化能夠影響生境斑塊之間的物質流、能量流循環過程,進而改變區域生境分布格局和功能[2]。因此研究土地利用變化對生境質量的影響對于區域的生態保護和土地管理政策的制訂具有重要意義[3]。

圖1 福建省地區圖Fig.1 Administrative map of Fujian province

近年來,許多學者利用模型,如生境適宜性模型HIS[4]、SolVES模型[5]、InVEST模型[6]等,分別在縣域[7]、山區[8]、流域[9]等多個尺度對生境質量進行定量評估。在這些模型中,InVEST模型是目前較為成熟且應用最多的生態系統服務評估模型[10]。如Bhagabati等[11]用InVEST模型對蘇門答臘島中部的老虎棲息地生境質量進行評估,并分析指出適合老虎保護的情景模式；包玉斌等[12]利用InVEST模型對陜西省黃河濕地保護區土地利用對生境質量的影響進行了評價。吳健聲等[3]利用InVEST模型分析了京津冀地區2000—2010年土地利用變化引起的生境質量的時空演變,得出結論：2000—2010年,由于景觀結構異質性的減弱和破碎度的提升,京津冀地區東南部和南部生境質量較低、北部和西部較高。其中,東南部和南部2010年生境質量明顯下降,發生了一定生境退化乃至喪失現象。這些學者利用InVEST模型分析了不同地區生境質量的時空演化情況,并且基于土地利用及其景觀格局的變化,分析了生境質量變化對土地利用變化的生態響應。本文在國內外學者研究的基礎上,以福建省為研究區,利用InVEST模型分析土地利用變化引起的生境質量的時空變化,并且結合社會經濟數據深入的闡述了福建省生境質量變化的原因。最終提出如何恢復東南沿海地區的生境質量以及如何在保證閩西、閩北、閩中等地區生境質量良好的情況下,發展這些地區的經濟,最終協調好經濟發展與生境質量提高之間的關系,為福建省未來的生態規劃提供一定的理論支持。

1 研究區概況

福建省位于中國東南沿海(28°30′—28°22′N, 115°50′—120°40′E),東北與浙江省毗鄰,西、西北與江西省接界,西南與廣東省相連,東隔臺灣海峽與臺灣島相望。陸域面積12.4萬km2,海域面積13.6萬km2。大部分屬中亞熱帶,閩東南部分地區屬南亞熱帶；年均氣溫在17—21℃,沿海全年高于10℃。冬季溫暖,1月沿海平均氣溫7—10℃,山區6—8℃。夏季炎熱,平均氣溫20—39℃。年降水量1400—2000mm,從東南向西北遞減。季節分配不均,有較明顯雨季和干季。年日照時數為1700—2300h。沿海及島嶼地區有效風能達2500—6500kWh/m2。主要河流有閩江、晉江、九龍江、汀江。福建的森林覆蓋率為63.1%,居全國首位。林地面積617.9萬km2,全國六大林區之一(圖1)。

2 數據獲取與研究方法

2.1 數據來源

2000 年、2005 年的土地利用數據由Landsat TM遙感影像目視解譯獲取,2010年的土地利用數據由HJ- 1衛星CCD 影像目視解譯獲取,數據分辨率均為30 m × 30 m。建立了土地利用類型二級分類體系,如表1所示,共劃分為6個一級類和17個二級類。人口和國民經濟數據來源于福建省統計年鑒。

表1 土地利用分類體系

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用變化分析

首先計算出福建省土地利用數量的變化,通過土地利用轉移矩陣計算出各類型土地的流失去向以及研究末期各土地利用類型的來源構成。其次,選取景觀格局指數進一步分析福建省土地利用景觀格局特征及其演變,基于類型水平和景觀水平進行分析。在類型水平上選擇的指數有：斑塊數量(NP)、平均斑塊面積(AREA_MN)、邊界密度(PD)、 凝聚度指數(COHESION)；在景觀水平上選擇的指數有斑塊數量(NP) 、邊界密度(PD) 、蔓延度指數(CONTAG) 、破碎度指數(表2)。指數計算由Fragstats4.2軟件完成[13]。各指數描述如下表[14- 15]所示。

表2 景觀指數描述

NP：斑塊數Number of Patches；PD： 斑塊密度Patch Density； LPI：最大斑塊指數Largest Patch Index；AREA_MN：平均斑塊面積Mean of Patch Area；COHESION：凝聚度指數Cohesion Index；CONTAG：蔓延度指數Contag Index；破碎度指數：FN Fragmentation index

2.2.2 InVEST 模型的生境質量模塊

本研究選擇美國斯坦福大學、世界自然基金會和大自然保護協會聯合開發的生態系統服務評估工具InVEST模型(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs Model) 計算空間效應[16- 17]。本研究選取其中的生境質量模塊,生境質量實際上是指生態系統能夠提供給物種生存繁衍所需條件的潛力。InVEST模型假設生境質量好的地區,其生物多樣性也高。生境質量用生境質量指數來反映,其計算公式如下:

(1)

式中,Qxj為土地利用與土地覆蓋(生境類型)j中柵格x的生境質量；Dxj為土地利用與土地覆蓋(生境類型)j中柵格x所受脅迫水平；x為半飽和常數,通常取Dxj最大值的一半(模型運行一次獲得)；Hj為土地利用與土地覆蓋j的生境適合性；z為歸一化常量,通常取值2.5。

InVEST模型中生境質量是4個變量的函數: 各期土地利用/土地覆被和各期脅迫因子圖層數據、脅迫因子表(包括脅迫強度、最大脅迫距離等)。

一個生境類型受威脅敏感度是基于景觀生態學生物多樣性保護的一般性原則而定的[18- 19],一般而言,自然環境對于外來威脅因子敏感度最大,半人工環境次之,人工環境基本不受影響,因此本文將地類劃分為自然環境和人工環境。由于建設用地是人類活動最為集中的體現,因此本文將建設用地作為脅迫因子；各脅迫因子最大脅迫距離、權重及不同生境類型對脅迫因子敏感性的設置結合InVEST模型的實例,參照BethStys等[20]、Foresman[18]、肖明[4]和包玉斌等[12]的研究以及專家的建議進行賦值(表3和表4)。

表3 生態脅迫因子屬性

表4 福建省不同生境類型對不同脅迫因子的敏感度

2.2.3 生境質量變化原因分析

基于福建省社會經濟因素結合區域內土地利用及其景觀格局特征的變化,深入的闡述福建省生境質量變化的原因。

3 結果與分析

3.1 福建省土地利用其轉移的變化

相比2000年,福建省2005年建設用地烈擴張,增加了1016.16 km2,增幅面積最大,為28.5%；裸地僅減少了6.69 km2,但是由于裸地的基數小,所以裸地的減幅最大,為28.3%；林地、耕地、草地和濕地均有不同程度的增加和減少,其中林地增加了242.34 km2,但是由于林地的基數較大,所以僅增長了0.2%,變化幅度最小；耕地減少了1073.85 km2,減幅達到9.41%,草地和濕地分別減少了52.98 km2和125.46 km2,減幅達到11.3%和7.8%。

2005—2010年,福建省的建設用地增加546.36 km2,增長幅度略微放緩,為11.9%；裸地減少了14.14 km2,減幅最大,達到83.5%；林地增加了365.79 km2,增長了0.03%,變化幅度最小；耕地減少了937.42 km2,減幅達到9.07%；濕地和草地分別增加了49.5km2和20.02 km2,增幅達到3.3%和 4.5%。

2000—2010年,福建省裸地減少了20.83 km2,由于整體基數小,所以裸地的減幅最大,達到了88.1%；建設用地大面積擴張,增加了1562.22 km2,增幅最大,為43.8%；耕地面積大幅度減少了2011.27 km2,減幅達到17.6%；草地和濕地都有不同程度的減少,減幅分別達到7.02%和4.7%；林地略有增加,增加了0.5%；總體來說,建設用地急劇擴張、耕地資源逐漸減少是福建省土地利用變化的一大特點(圖2)。

圖2 福建省土地利用類型分布及其變化(2000—2010)Fig.2 Land use distribution and changes of the Fujian province (2000—2010)

為全面理解福建省土地利用在這一時期內變化的結構特征,構建了土地利用轉移矩陣。如表5所示：2000—2005年,裸地雖然基數小,但是向其他地類轉變最為劇烈,分別約有63%和10%的裸地轉換為林地和建設用地,8.4%和7%的裸地轉變為耕地和濕地；約有91%的耕地較為穩定,并未發生轉換,減少的耕地主要轉為建設用地和林地,分別為4.6%和3.7%；草地向其他地類也有較劇烈的轉換,其中約有28%和5%的草地轉換為林地和建設用地,也有約7%的濕地轉換為林地。

2005—2010年,裸地和草地向其他地類的轉換仍然最為劇烈,但是裸地有較大一部分轉換為建設用地,為61.3%,向林地、耕地和濕地的轉換減少,分別為19%,7%和3%；草地向林地和建設用地的轉換增加到約40%和9%,耕地仍然以轉換為建設用地和林地為主,分別為約2%和6%；同時約有15%和9%的濕地轉換為林地和耕地。

總體來說,從2000—2010年,裸地和草地向其他地類的轉變最為劇烈。福建省有65%、12%、8%的裸地轉換成林地、建設用地、耕地和濕地；約50%和10%的草地轉換為林地和建設用地；約有84%的耕地保持穩定,并未發生轉換,減少的的耕地主要轉換成建設用地,約為9%； 同時約有16%和9%的濕地轉換成林地和建設用地。因此,福建省裸地向其他用地的轉換,草地、耕地、濕地向建設用地與林地的轉化是福建省這一時期主要土地利用變化類型。

表5 福建省土地利用轉移矩陣

3.2 福建省土地利用景觀格局變化

3.2.1 類型水平景觀格局分析

在分析土地利用數量變化的基礎上,基于景觀格局的視角進一步探討土地利用的變化。在三個時期,林地的NP、PD指數不斷減少,AREA_MN指數不斷增加且LPI指數是最高的,說明林地是福建省的優勢景觀。建設用地的LPI指數呈迅速增長的趨勢,在2005年之后成為福建省除林地外的優勢景觀,它的NP、PD、AREA_MN、COHESION指數均為不斷增長。耕地的NP和PD指數是整個研究區最高的,它的AREA_MN、COHESION、LPI指數均為不斷下降的趨勢。草地NP、PD、LPI 指數呈下降趨勢,但AREA_MN、COHESION 指數為先減后增的趨勢。濕地的NP、LPI指數均呈現不斷下降的趨勢,但是其AREA_MN、COHESION 指數不斷增加(圖3)。

3.2.2 景觀水平分析

2000—2010 年期間研究區PD、NP指數呈下降趨勢,CONTAG 指數增加說明研究區破碎化程度降低。FN指數的降低更能體現出研究區破碎化程度降低(表6)。

圖3 類型水平景觀指數變化(2000—2010)Fig.3 Landscape index changes on class metric (2000—2010)

年份YearNPAREA_MNCONTAGPDFN200088173137.710778875.00040.7260.0073200587453138.843984875.17860.720.0072201086222140.859415275.2070.710.0071

3.3 福建省生境質量的時空變化

生境質量指數在模型中呈現在柵格圖層上0—1之間連續變化的值,值越靠近1,生境質量越好,就相對越完整,并具有相應的結構和功能,有利于生物多樣性的維持。通常,土地利用強度的增加會引起威脅源地的增加和強度的增大,而使其附近的生境質量退化[21]。為便于比較和說明保護區土地利用變化對生境質量的影響,將3 期生境質量指數運算結果劃分為0—0.2,0.3—0.6,0.6—0.9,0.9—1共計4個區間并據此將生境質量劃分為低、中、良好和優等4個級別,統計了各等級生境所占百分比。

從空間格局來看(圖4),福建省總體生境質量處于較高水平,良好、優質等級生境占據絕大部分面積。生境質量呈現趨勢為從西北地區向東南沿海地區遞減。東南部沿海地區的廈門市各區、泉州市轄區、晉江市、石獅市、惠安縣、莆田市轄區、仙游縣、福州市轄區、福清市、長樂市、平潭縣等地區的生境得分值多在0.6以下,存在較多的0-0.3等級的生境。福建省其他地區的生境得分值大多位于中等級以上,但是距離小型建設用地斑塊近的地區,受到的威脅程度較大,生境得分較低,零星的分布與東南沿海地區外的其他地區。

從時間格局來看(表7),2000年,低等級的生境占3%,中等級占9.9%；2005年低等級的生境占3.8%,中等級占9.4%；2010年,低等級生境占4.2%,中等級占8.7%；從2000—2010年,中等級以上的生境幾乎沒有發生變化。

表7 福建省不同年份各等級生境比例

圖4 福建省生境質量空間分布Fig.4 Spatial distribution of habitat quality in Fujian Province

3.4 福建省生境質量變化的原因分析

建設用地的增加是生境質量變化的主要威脅源,城鎮人口增長、經濟發展水平的提高、工業化進程的推進和地方政策是建設用地變化的核心驅動力,本文通過分析經濟發展帶來的土地利用數量的變化和景觀格局的變化,分析福建省生境質量變化的原因。

2000—2010年,福建省整體景觀蔓延度指數分別為75.0004、75.1786、75.207,景觀破碎度分別為0.0073、0.0072、0.0071,景觀蔓延度指數的上升和景觀破碎度指數的降低,表明福建省整體斑塊集聚程度高,景觀連通性較好,破碎化程度低,在一定程度上減緩了區域維持生態平衡和保持生境質量的壓力。所以,福建省整體生境質量較好,生境質量總體處于0.9以上。同時,福建省閩北、閩西、閩東、閩中地區生境質量處于良好、優質等級,占福建省面積的87%,這主要是由于：林地不僅是這些地區的優勢景觀,并且面積占這些地區的93%以上,受“退耕還林”等政策的影響,福建省的林地面積一直處于增長的狀態,2000—2010年林地的聚集度指數分別為99.8、99.9、99.99,破碎化程度低,連通性好,覆蓋度大,人類活動對它的影響很小,所以這些地區生境質量處于較高的水平。

福建省大部分地區生境質量處于良好、優質等級,但是廈門市各區、泉州市轄區、晉江市、石獅市、惠安縣、莆田市轄區、仙游縣、福州市轄區、福清市、長樂市、平潭縣等東南沿海地區生境得分值位于0.6以下,存在較多的0—-0.3等級的生境。

圖5 福建省東南沿海地區土地利用圖Fig.5 The land use map in the southeast coastal area of Fujian Province

從社會經濟因素來看,自改革開放以來,以廈門、泉州、莆田、福州為代表的東南沿海地區經濟快速發展,2004 年“海峽西岸經濟區”的建立并且以廈門、泉州、福州等6個城市為中心區更大力推動了東南沿海地區經濟的發展,2000年、2005年、2010年的GDP分別為2534.8億元、4157.35億元以及8930.33億元,增長率達到64%、115%和252.3%；而福建省2000—2010年的GDP為3764.54億元、6554.69億元、14737.12億元,這3個時間段東南沿海城市的GDP占據福建省的67.3%、63.4%和61%。

從表8可以看出,從2000—2010年,東南沿海地區三大產業的產值變化為：第一產業發展相對緩慢,10年間其產值增加了80%； 第二產業一直占主導地位,其產值增加了266.7%； 第三產業也呈高速發展的態勢,10 年間其產值增加了274%,形成二三產業主導的產業格局。第二三產業的發展,需要大量的就業人口,而這10年間東南沿海4個城市非農業人口為329.4萬人、531.68萬人、629.9萬人,增長了91.2%。

表8 福建省東南沿海地區三大產業產值變化(2000—2010)

GDP數據與建設用地是呈正相關的[22],經濟的發展、人口的增加也相應的對基礎設施建設、工業、居住用地的需求增加,東南沿海城市已經沒有裸地等未利用地,且東南沿海地區的土地面積僅占福建省的約14%,從2000—2010年,東南沿海地區的建設用地面積為2181.2、2748.5、2938.8 km2,占福建省土地利用面積的57%以上,社會經濟的發展使建設用地的迅速增加且侵占了裸地和耕地等用地,加大了對這幾個地區的生境威脅程度,使生境質量低于福建省其他地區。

4 結論與討論

2000—2010年,福建省整體景觀破碎化程度呈現降低的趨勢,總體生境得分值在0.9以上。 自 1999 年“退耕還林”政策在我國全面實施以來,福建省各地區積極開展造林綠化工程。2000年,習近平同志在福建創新性地提出了“生態省”戰略構想。圍繞這一戰略構想,2001年至今,福建年均造林綠化面積超過133333.33hm2, 2003 年福建省推行集體林權制度改革,促進人們主動保護林地,造林面積繼續增加,2010年啟動的“綠色城市、綠色村鎮、綠色通道、綠色屏障”城鄉綠化一體化建設,都促使福建省林地面積不斷增加。除了東南沿海地區以外,林地面積覆蓋福建省大部分地區,林地的覆蓋度大,景觀破碎化程度低,受人類活動影響小,所以福建省大部分地區生境質量處于良好、優質等級。

2000—2010年,福建省耕地面積減少了2011.27 km2,減幅達到17.6%；耕地的破碎化程度有所增加,除了受退耕還林政策的影響之外,很大程度上受快速城市化進程的影響。建設用地取代耕地成為福建省除林地外最大的優勢景觀,人為的開發和建設使得建設用地的斑塊不斷聚集,在空間上主要聚集在東南沿海區域且集中連片分布。雖然東南沿海地區的面積僅占福建全省的14%,但其GDP總量卻占到61%以上。東南沿海地區二、三產業主導的產業格局,吸引了大量人口的涌入,導致對建設、工業、居住用地的需求的急劇增加,建設用地急劇擴張且不斷侵占耕地、裸地等未利用地。作為生境質量威脅源的建設用地的高度聚集,對東南沿海地區生境質量造成巨大威脅,使得該地區生境得分值低于0.6,例如廈門市各區、泉州市轄區、晉江市、石獅市、惠安縣、莆田市轄區、仙游縣、福州市轄區、福清市、長樂市、平潭縣等地區均處于0—0.3之間,且生境質量持續下降。

福建省的生境質量總體上處于較高的水平,但是東南沿海部分地區建設用地的急劇擴張導致其生境質量的持續下降。所以未來決策者如何維持生境質量不會退化且恢復東南沿海地區的生境質量是一個關鍵的問題。未來東南沿南海地區的城市土地利用規劃中,土地規劃和生態保護工作中需優化林地、耕地、建設用地等景觀格局,在保持合理的經濟增長基礎上也應配置必要的生態用地。從政策層面分析,在未來城鎮化發展過程中,應當在保證生境質量維持在較高水平的基礎上,著重開發閩西、閩北、閩中等地區,協調好經濟發展與生境質量維持之間的關系,促進福建省整體經濟與生態保護的協調發展。

本研究只考慮了生境質量對于土地利用變化的響應,深入研究可以結合模型的其他子模塊,定量評估土地利用變化對于多種生態系統服務的變化,如：碳儲量、水源涵養等,綜合的評估土地利用變化的生態效應。

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Temporal and spatial changes in habitat quality based on land-use change in Fujian Province

LIU Zhifang1, TANG Lina1,*, QIU Quanyi1, XIAO Lishan1, XU Tong1, YANG Li1,2

1 Key Laboratory of Urban Environment and Health, Institute of Urban Environment, Chinese Academy of Sciences, Xiamen 361021, China2 College of Geomatics, Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China

The ecological effect of land use change has become a core issue in ecological studies. Analyzing the spatial and temporal changes in habitat quality caused by land-use change can provide a scientific basis for ecological protection and land planning. Taking Fujian Province as an example, we utilized the InVEST model to evaluate habitat quality. The habitat in Fujian can be classified into low, medium, good, and excellent grades based on the habitat quality index. We also analyzed the influence of land-use change on the spatiotemporal characters of habitat quality in Fujian Province. The results showed that: from 2000 to 2010, the landscape fragmentation index for Fujian Province gradually decreased, the connectivity between patches was acceptable, the extent of habitant fragmentation was improved, and the overall habitat value was higher than 0.9. In Fujian Province, woodland is a beneficial landscape covering almost 86% of the lands. The degree of fragmentation was quite low with little human interference; therefore, the majority of habitats in Fujian Province were of good and excellent quality. However, the southeast coastal areas of Fujian Province are of low and poor habitat quality (less than 0.6), the reason for which might be the rapid expansion of construction land that has increased the extent of damage to habitat quality. More than 65% of the GDP in Fujian Province can be attributed to the southeast coastal areas, and the structure of secondary or tertiary industries increasing the demand for infrastructure, industry, and residential land. As a consequence, more than 57% of the construction land in Fujian Province is concentrated in the southeast coastal areas. The high density of construction land in these areas has seriously encroached on large areas of bare land and farmland, disturbed the entire ecological pattern of the area, and destroyed habitat quality, which accounts for the typically lower habitat quality in the southeast than in other areas of Fujian Province.

InVEST model; habitat quality; landscape pattern

中國科學院城市環境研究所青年人才領域前沿項目(IUEZD201404);中國科學院城市環境研究所青年人才領域前沿項目(IUEQN201302); 福建省自然科學基金(2015J01177)

2016- 02- 05; 網絡出版日期:2017- 02- 23

10.5846/stxb201602050263

*通訊作者Corresponding author.E-mail: lntang@iue.ac.cn.

劉智方, 唐立娜,邱全毅,肖黎姍,許通,楊麗.基于土地利用變化的福建省生境質量時空變化研究.生態學報,2017,37(13):4538- 4548.

Liu Z F, Tang L N, Qiu Q Y, Xiao L S, Xu T, Yang L.Temporal and spatial changes in habitat quality based on land-use change in Fujian Province.Acta Ecologica Sinica,2017,37(13):4538- 4548.