象山港海岸帶高功能景觀退化及環境效應研究

傅杰超, 李偉芳,趙柯,王奇,胡慧

象山港海岸帶高功能景觀退化及環境效應研究

傅杰超1,2,3, 李偉芳2,3,4,*,趙柯1,王奇1,2,3,胡慧1,2,3

1. 寧波大學地理與空間信息技術系, 寧波 315211 2. 寧波大學陸海國土空間利用與治理研究中心, 寧波 315211 3. 浙江省新型重點專業智庫寧波大學東海研究院, 寧波 315211 4. 寧波大學土木與環境工程學院, 寧波 315211

以象山港為研究區, 基于1995年、2005年和2015年的土地利用數據, 采用空間統計、標準差橢圓、景觀格局指數等方法分析象山港海岸帶高功能景觀時空演變特征, 并從生態服務價值和污染物排放變化角度探討其環境效應。結果表明: (1)象山港海岸帶高功能景觀總規模呈加速減小趨勢; (2)林地、耕地景觀重心向西南轉移, 景觀破碎化加劇, 水域、灘涂景觀分別向東南、東北擴張, 破碎度總體上呈減小趨勢; (3)受高功能景觀規模和空間格局變化的影響, 象山港海岸帶高功能景觀生態服務總價值降低, 研究區污染物排放總量增加, 不利于海岸帶可持續發展。

高功能景觀; 空間格局; 環境效應; 海岸帶; 象山港

0 前言

海岸帶具有巨大的生態價值和經濟價值[1], 因受海陸作用以及人類開發活動的共同影響[2], 海岸帶生態環境變化顯著[3], 成為我國一大生態脆弱帶和敏感區[4], 引發國內外專家學者[5-6]的廣泛關注。景觀格局強烈影響生態過程[7], 景觀的組成及其變化會引起生態系統物質和能量的變化[8], 因此對景觀組成及其空間格局演變的分析是探討生境變化的基礎。目前我國有關景觀分類系統[9]、景觀格局分析方法[10]的研究已經較為成熟, 后者主要有空間統計分析、轉移矩陣分析和景觀格局指數分析[11]等。在景觀格局演變的生態環境效應研究方面, 既有對生態環境效應的綜合評價研究[12], 也有從大氣環境效應[13]、水環境效應[14]、生態服務效應[15]等方面進行的分維度研究。且隨著海岸帶的開發利用, 已有越來越多的學者以海岸帶為背景研究景觀格局變化及其環境效應, 如海岸帶景觀格局對生境質量、生態安全的影響[16-17]等。從研究對象來看, 現有研究大多以海岸帶所有景觀類型或單一景觀類型[18]為研究客體, 很少有研究聚焦相對具有較高生態功能的景觀群體。因此, 本研究以高生態功能景觀(指受到人類活動干預較少, 其生產能力和自我調節能力都比較強的景觀類型, 如林地、水域等)為切口, 旨在探討高功能景觀的時空演變特征及其與低功能景觀之間的轉化關系。

象山港區域是全國海洋生態文明示范區, 生態功能突出, 海岸帶景觀分布以高功能景觀為主導, 但近年來隨著城鎮化和工業化的發展, 特別是在海洋經濟乃至灣區經濟的驅動下, 高功能景觀出現退化趨勢, 故以象山港作為研究區研究海岸帶高功能景觀退化特征及其環境效應, 對指導藍色生態海灣建設、促進海岸帶保護與合理利用具有重要意義。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

象山港是位于我國浙江省寧波市東南部的狹長型半封閉式深水港灣, 海岸線曲折且水域寬闊。地理位置處于29°24′—29°46′N, 121°25′—122°00′E之間, 東側為舟山群島, 南鄰三門灣, 北靠杭州灣。海岸線長達406 km, 其中大陸岸線占297 km。象山港跨越鄞州、北侖、象山、奉化和寧海縣(市、區), 本文以象山港沿岸的鄉鎮行政區為研究區(圖1), 總面積1682.30 km2。象山港海岸帶土地利用類型以林地為主, 占研究區總面積60%左右, 耕地大多分布在地勢比較平緩的中部地區, 建設用地、水域、灘涂和養殖用地主要分布在沿海區域, 未利用地多靠近水域, 分布較零散。依托豐富的港口資源、水產資源、旅游資源等優勢條件, 象山港經濟蓬勃發展, 但同時也導致了高功能景觀類型逐漸向低功能景觀類型退化, 生態環境壓力加劇。

1.2 數據來源

本研究所需的象山港海岸帶土地利用數據提取自地理國情監測云平臺(http://www.dsac.cn/)1995、2005、2015年3期浙江省土地利用現狀數據。結合本文的研究目的與《土地利用現狀分類標準》(GB/T21010—2007), 將研究區的土地利用類型合并為林地、耕地、水域、灘涂、建設用地、養殖用地和未利用地七大類(如圖2), 其具體劃分依據和標準參考相關研究文獻[11]。同時根據研究需要, 將林地、耕地、水域和灘涂歸為高功能景觀, 將建設用地、養殖用地和未利用地歸為低功能景觀。社會經濟數據來自1995、2005、2015年《寧波統計年鑒》以及象山港區域空間保護和利用規劃報告、象山港海洋環境公報、寧波市環境狀況公報和相關部門的統計數據。

圖1 研究區位置

Figure 1 The location of the study area

圖2 1995年、2005年、2015年象山港海岸帶土地利用現狀圖

Figure 2 Status of land use in the coastal zone of Xiangshan Bay in 1995,2005 and 2015

2 研究方法

2.1 景觀格局指數

本文選取斑塊數量()、平均斑塊面積()、斑塊密度()、邊界密度()、形狀指數()、聚集度指數()6項景觀格局指數對象山港海岸帶高功能景觀格局進行分析, 各指標計算公式及生態含義參考相關研究文獻[19–20]。

2.2 生態服務價值估算

高功能景觀生態服務價值計算公式[21]如下:

其中,為研究區高功能景觀生態服務價值總量,為高功能景觀類型,V為高功能景觀生態服務價值系數, 即第類高功能景觀單位面積生態服務價值,A為研究區第類高功能景觀的面積。

本研究對象山港海岸帶高功能景觀單位面積生態服務價值V的估算, 采用謝高地等[22]學者的評估方法, 將林地、耕地、水域、灘涂分別與其評估體系中的森林、農田、河流/湖泊、濕地對應, 據此得到各高功能景觀單位面積生態服務價值當量, 并根據1995—2015年象山港區域糧食作物的播種面積和產值, 計算出單個生態服務價值當量因子的經濟價值為1821.78元·hm–2, 繼而得到修正后的高功能景觀生態服務價值系數(表1)。

表1 象山港海岸帶高功能景觀生態服務價值系數 (元·hm–2)

2.3 不同生態功能斑塊的產污分析

本研究對經營性景觀地類所產生污染物的排放強度的估算, 采用排放系數法[23], 計算公式如下:

Q=C*?A(2)

其中,Q表示某一地類變化所產生的污染物排放量,C表示該地類的污染物排放系數,表示由高功能景觀轉化成該種景觀的面積增量。

為了進行直觀的景觀變化產生的污染物排放量的比較, 本研究排放系數以地類單位面積污染物排放量為主, 計算1995—2005年和2005—2015年兩個時段由地類面積的改變引起的污染物排放量的大小。選取象山港海岸帶有污染物排放能力的耕地及低功能景觀類型的養殖用地和建設用地, 通過由高功能景觀類型的面積轉化, 計算出生境轉化成經營性地類所帶來的污染物排放量的變化。

2.3.1 耕地污染物排放系數

農業面源污染對海岸帶水質和土壤的影響比較大, 尤其是發生暴雨徑流和農田瀝水時, 水流進入河道和地下水, 最終匯入海洋[24]。計算耕地污染物排放系數的公式如下:

其中,表示耕地污染物排放系數,表示施肥總量,表示耕地面積,表示化肥流失系數, 本文參考邱君[25]學者的研究取0.5。

2.3.2 養殖用地污染物排放系數

養殖用地投放的飼料中含有大量的N、P、COD等物質, 其作為主要的污染源, 污染物排放量的大小會直接影響到象山港海岸帶的環境質量。本文以無機氮作為養殖用地污染物的代表, 參考蔡惠文[26]學者對象山港養殖排污廢水中N含量的測算值計算污染物排放系數, 并結合歷年象山港海域海水中無機氮含量變化趨勢, 最終以2004年的計算值表示1995—2015年養殖用地污染物排放系數。

2.3.3 建設用地生活污水排放系數

生活污水的排放量通常與人口數量有直接的聯系, 本文以生活用水量在扣除損耗[27]后建立與住宅建筑面積的關系, 計算生活污水排放系數, 計算公式如下:

其中,為生活污水排放系數,表示生活污水排放總量,表示住宅面積,表示生活用水總量, a表示生活用水損失率, 一般取值在0.15—0.20之間, 本文a取值為中間值0.18。

2.3.4 建設用地工業廢水/廢氣排放系數

建設用地工業廢水/廢氣排放系數計算公式如下:

其中,表示工業廢水/廢氣排放系數,表示工業廢水/廢氣排放量,表示工礦區面積。

3 結果與分析

3.1 高功能景觀斑塊退化特征

3.1.1 高功能景觀規模變化

1995年至2015年期間, 象山港海岸帶高生態功能的景觀類型總體上逐漸向低生態功能的景觀類型退化。結合表2和圖3可知, 1995年高功能景觀總面積為1516.92 km2, 2015年面積為1430.37 km2, 平均每年減少4.328 km2, 減少度為5.71%。其中, 林地在高功能景觀類型中占地面積最廣, 呈持續緩慢減少的整體趨勢。1995—2005年間和2005—2015年間, 林地面積分別減少13.87 km2和13.36 km2, 兩個10年間林地面積的減少速率基本相等。耕地是象山港海岸帶景觀面積減少最快的類型, 且1995—2015年間呈現加速減少的趨勢, 林地面積減少速率在各類海岸帶景觀類型中僅次于耕地。水域面積持續增加, 灘涂面積呈現先增長后減少的趨勢, 但總體變化較不明顯。

從高功能景觀退化的方向來看(表3), 1995— 2005年高功能景觀林地向低功能景觀建設用地和養殖用地轉化, 且絕大部分都轉為建設用地, 2005— 2015年林地倍速向建設用地轉化, 人類開發活動對林地的影響增加。1995—2015年耕地基本轉為建設用地, 這主要是由于象山港沿海城鎮經濟快速發展, 快速城市化占用了大量的耕地資源, 也有少數耕地轉為養殖用地和未利用地, 前者出于養殖業的發展, 后者主要因為耕地使用不當或保護不力使得耕地質量下降最終導致耕地退化。水域在1995—2015年期間未有向低功能景觀轉化的趨勢。灘涂在1995—2005年以低功能景觀(養殖用地、未利用地)轉入為主, 在2005—2015年則以向低功能景觀(建設用地)轉出為主導形式, 可見建設用地擴張對生態用地的侵占與威脅。

表2 象山港海岸帶高功能景觀面積(1995—2015)

圖3 象山港海岸帶景觀類型變化(1995—2015)

Figure 3 Landscape type changes in the coastal zone of Xiangshan Bay(1995-2015)

3.1.2 高功能景觀空間格局變化

使用標準差橢圓空間計量方法[28], 計算象山港海岸帶各景觀類型標準差橢圓參數值并將標準差橢圓動態變化可視化(圖4), 通過不同時期景觀重心的轉移分析1995—2015年研究區內高功能景觀分布的變化情況。受象山港地理位置及其港灣形態的影響, 研究區內各類景觀的標準差橢圓長軸均呈現東北—西南走向, 短軸則呈現西北—東南走向。1995—2015年林地短軸減少842.53 m, 長軸增加2137.79 m, 旋轉角由1995年的53.4°偏轉為2015年的53.2°, 標準差橢圓向逆時針方向偏轉0.2°, 總體上林地景觀方向性增強, 其東北—西南走向的分布態勢更加明顯, 重心呈現向西南轉移的趨勢。耕地短軸減少664.73 m, 長軸增加1716.94 m, 方向性同林地一樣增強, 但標準差橢圓向順時針方向偏轉0.1°, 重心亦向西南方向轉移。水域短軸伸長, 長軸縮短, 方向性減弱, 向與分布態勢相反的方向(西北—東南方向)擴張, 橢圓圈層擺動幅度較大, 景觀重心向東南偏移。灘涂長短軸增減幅度最小, 東北—西南走向的方向性變化不明顯, 橢圓向順時針方向偏轉0.4°, 景觀重心向東北方向轉移。同時, 對比低功能景觀的標準差橢圓動態變化, 可以發現建設用地向西南和東南方向擴展的趨勢比較明顯, 這主要是由象山港西南部和東南部建設用地的擴張速度較快所導致的, 而建設用地在擴張過程中大量占用林地和耕地, 正是導致林地和耕地景觀重心向西南方向轉移的主要原因。

根據1995年、2005年及2015年3個時期的土地利用數據, 結合Fragstats 4軟件, 統計出3個時期各高功能景觀的景觀格局指數(圖5)。從中可以看出, 近20年象山港海岸帶各高功能景觀類型空間格局發生了較大變化。林地、耕地斑塊數量在1995—2015年期間逐漸增加, 斑塊類型面積卻逐年減少, 說明這兩類景觀在空間分布上趨于分散, 破碎化程度加深。其次, 林地、耕地的平均斑塊面積有所減小, 大斑塊被破碎成小斑塊, 斑塊密度和形狀指數有所增加, 聚集度下降, 進一步證明了林地和耕地日益嚴重的景觀破碎性。其中, 耕地景觀邊界密度先增大后減小, 形狀指數的增加趨勢在2005—2015年有所減緩, 這是由于耕地在被建設用地占用過程中連續性下降, 斑塊形狀趨于不規則, 但后期出于對耕地的保護政策, 其破碎化進程得到了一定程度的控制。水域景觀斑塊數量、平均斑塊面積均呈遞增趨勢, 可見象山港海岸帶河流、湖泊、水庫等水域面積容量逐年擴大, 斑塊密度和邊界密度這兩項衡量破碎化程度的指標的計算值雖然有所增加, 但結合聚集度和平均斑塊面積來看, 水域景觀的破碎化水平還是呈下降態勢, 因為小斑塊數量雖然略有增加, 但大面積斑塊的比例也在上升, 斑塊趨于集聚化。灘涂景觀的各項景觀格局指數變化幅度較小, 空間格局變化較不明顯。1995—2005年灘涂總面積和平均斑塊面積都呈增加趨勢, 這是由灘涂自然淤漲所致, 但后期人類對灘涂的圍墾利用規模超過了其自然淤漲速度, 導致灘涂總面積和平均斑塊面積減小, 斑塊密度、邊界密度和形狀指數增大, 聚集度下降, 即灘涂景觀破碎度增加, 形狀趨向復雜, 分布趨向離散。

表3 象山港海岸帶高功能景觀轉換面積變化(1995—2015)(km2)

注: 表中的正值代表低功能景觀轉成高功能景觀; 負值代表高功能景觀轉成低功能景觀。

圖4 象山港海岸帶各類型景觀標準差橢圓動態變化(1995—2015)

Figure 4 Dynamic variation of the standard deviation of various types of landscapes in the coastal zone of Xiangshan Bay(1995-2015)

圖5 象山港海岸帶高功能景觀各類型景觀格局指數(1995—2015)

Figure 5 Landscape pattern index of various types of high functional landscape in Xiangshan Bay coastal zone(1995-2015)

3.2 高功能景觀退化的環境效應

3.2.1 生態服務價值變化

景觀生態系統具有氣體調節、氣候調節、環境凈化、土壤保持、生物多樣性維持等生態服務功能[29], 景觀類型不同其單位面積生態系統服務價值也不同, 根據公式(1)計算得到象山港海岸帶高功能景觀生態系統服務價值變化情況(圖6)。從圖中可以看出, 1995—2015年象山港海岸帶林地、耕地景觀生態系統服務價值持續降低, 其根本原因是大量林地、耕地景觀轉出為建設用地等低功能景觀, 這也是導致象山港海岸帶高功能景觀生態系統服務價值總量從61.36億元持續減少至60.73億元的主要原因, 即使生態服務價值系數較高的水域和灘涂在這20年間生態系統服務價值總體上有所增加, 也改變不了高功能景觀生態服務總價值持續降低的趨勢。

另一方面, 象山港海岸帶景觀格局特別是景觀破碎度的變化, 也會對局部地區生態環境及其生態價值造成影響。在景觀中, 斑塊面積的大小可以影響到物種的豐富度、數量、食物鏈及生產能力。礦物質養分和能量的總量與斑塊面積成正比, 所以面積較大的斑塊所含有的礦物質養分和能量比面積小的斑塊多, 其次所影響的物種豐富度、數量、生產能力等也隨著斑塊面積的增大而增加[30]。斑塊面積越大, 生態環境多樣性就越大。而面積較小的斑塊物種少, 食物鏈短, 生態環境質量較差, 物種滅絕的概率就會偏高[31]。高功能景觀斑塊相對來說具有較好的生態能力, 適宜物種的棲息、生存和繁殖, 是各種生物生存比較理想的區域。研究區內林地和耕地等高功能景觀的平均斑塊面積減少, 景觀破碎度增加, 尤其是當部分林地和耕地轉化為建設用地時, 建設用地會隔斷物種之間的交流, 降低景觀之間的連通性, 不利于生物多樣性的維持。

圖6 象山港海岸帶高功能景觀生態服務價值變化(1995—2015)

Figure 6 Change of ecosystem service value of high functional landscape in Xiangshan Bay coastal zone (1995-2015)

3.2.2 污染物排放變化

高功能景觀類型在退化成低功能景觀類型的過程中, 會產生相應的物質交換, 不僅自身對污染物的自凈能力有所降低, 同時還會輸送污染物到近海岸區域。以沼澤為例, 當沼澤轉化為農田時, 所產生的農田面源污染負荷將會對近海岸區域產生一定的影響。通過公式(2)可以估算出高功能景觀在轉變過程中成為污染物排放地類對環境所排放的污染物變化(表4), 表中正值表示污染物排放量有所增加, 負值表示污染物排放量有所減少。

1995—2015年, 由于面積減少, 耕地流失到環境中的化肥量減少了1497 t, 緩解了由N、P元素引起的水體富營養化與硝酸鹽污染。養殖用地N、P、COD等污染物排放量先增加后減少, 近20年期間總計減少了11.8 t無機氮排放量, 這是依據區域保護規劃嚴格控制養殖數量的結果。建設用地所排放的生活污水、工業廢水和工業廢氣分別增加了18.49×106t、14.70×106t和11.89×105萬標立米, 對周邊環境影響巨大。綜合來看, 高功能景觀在向低功能景觀轉換的過程中, 所帶來的污染排放量在總體上仍呈現增長趨勢。污染物會直接或間接影響象山港海岸帶的大氣環境、土壤環境、水環境、海洋環境等, 降低環境質量, 加劇海岸帶的生態風險和環境壓力。

4 結論與討論

本文重點揭示了象山港海岸帶高功能景觀的退化特征, 并從生態服務價值和污染物排放角度闡述其對生態環境的影響, 可為海岸帶景觀格局優化及可持續發展提供決策支持。研究表明: (1)象山港海岸帶高功能景觀以林地和耕地為主, 總規模呈加速減小趨勢, 其中耕地減少速度最快。(2)1995—2015年象山港海岸帶水域景觀破碎化水平呈下降態勢, 灘涂景觀破碎化程度先減小后增加, 林地和耕地景觀由于保護不力破碎化加劇, 再加上建設用地的無序擴張, 林地和耕地趨于分散化, 景觀連通性下降。(3)象山港海岸帶高功能景觀在退化過程中, 不僅會降低高功能景觀生態系統服務總價值, 同時轉化后的養殖用地、建設用地也會排放出大量污染物, 給海岸帶生態環境帶來負面影響。

表4 象山港海岸帶高功能景觀退化排污估算(1995—2015)

注: 耕地屬于高功能景觀, 此表計算耕地向低功能景觀轉出過程中的產污變化。表中除建設用地的工業廢氣排放量以萬標立米計量外, 其它地類的污染物排放量均以t計量。

本研究也存在一定的局限性, 有關景觀規模和空間格局演變對生態環境的影響還有待進一步深入探討, 如何綜合當量因子法、專家評估法、價值量評價法、償付意愿法等[32]改進生態價值評估模型, 以及通過環境科學和數學等學科知識的結合選擇更優的排污量計算模型使結果更加精確, 是今后研究需要突破的重點和難點。

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Study on high functional landscape degradation and environmental effects in coastal zone of Xiangshan Bay

FU Jiechao1,2,3, LI Weifang2,3,4,*, ZHAO Ke1, WANG Qi1,2,3, HU Hui1,2,3

1. Department of Geography and Spatial Information Techniques, Ningbo University,Ningbo315211,China 2. Center for Land and Marine Spatial Utilization and Governance Research , Ningbo University, Ningbo 315211, China 3. Institute of East China Sea, Ningbo University, Ningbo 315211, China 4. Faculty of Civil and Environmental Engineering, Ningbo University,Ningbo315211,China

Taking Xiangshan Bay as the research area, based on the land use data of Xiangshan Bay coastal zone in 1995, 2005 and 2015, using spatial statistics, standard deviation ellipse, landscape pattern indexes and other methods, we analyzed the temporal and spatial evolution characteristics of the high functional landscape of Xiangshan Bay coastal zone, and then explored its environmental effects from the perspective of ecosystem service value and pollution emission. The results showed that: 1) The total scale of high functional landscape in the coastal zone of Xiangshan Bay showed a trend of accelerated reduction. 2) The centers of gravity of forest land and cultivated land shifted to the southwest, and the landscape fragmentations of forest land and cultivated land were intensified. The waters and tidal flats expanded toward the southeast and northeast respectively, and the degrees of fragmentation of them were generally decreasing. 3) Affected by changes in the scale and spatial pattern of high functional landscapes, the total value of ecosystem services of high functional landscape in Xiangshan Bay coastal zone was reduced, and the total discharge amount of pollutants in study area was increased, which was not conducive to the sustainable development of coastal zone.

high functional landscape; spatial pattern; environmental effect; coastal zone; Xiangshan Bay

10.14108/j.cnki.1008-8873.2020.02.020

F301.24; X171.1

A

1008-8873(2020)02-166-09

2019-07-22;

2019-10-22

NSFC-浙江兩化融合聯合基金資助項目(U1609203)

傅杰超(1995—), 女, 浙江紹興人,碩士研究生, 主要從事區域研究與濱海城鎮發展研究, E-mail: 532480471@qq.com

李偉芳(1964—), 男, 浙江寧波人,教授, 主要從事土地資源管理和土地利用規劃研究, E-mail: liweifang@nbu.edu.cn

傅杰超, 李偉芳, 趙柯, 等. 象山港海岸帶高功能景觀退化及環境效應研究[J]. 生態科學, 2020, 39(2): 166–174.

FU Jiechao, LI Weifang, ZHAO Ke, et al. Study on high functional landscape degradation and environmental effects in coastal zone of Xiangshan Bay[J]. Ecological Science, 2020, 39(2): 166–174.