甬臺溫海岸帶景觀格局及生態脆弱性時空演變特征

王 奇， 李偉芳， 寇相瑋， 傅杰超， 胡 慧

(1.寧波大學 地理與空間信息技術系， 浙江 寧波 315211； 2.寧波大學 土木與環境工程學院， 浙江 寧波 315211)

人口的快速增長和社會經濟的高速發展使得生態環境問題成為制約社會可持續發展的重要因素[1]。海岸帶是海陸系統的過渡地帶，人類活動最為活躍集中的地帶，亦是典型的生態脆弱區[2]，快速的開發建設需求改變了生態系統結構和服務功能，復雜的自然過程及人類活動威脅著人地關系的和諧[3]。在人類活動向海岸帶擴張的同時，海岸帶生態環境問題也日益嚴重[3-6]。因此在人類活動高強度利用的海岸帶區域開展生態脆弱性研究有利于海岸帶的可持續發展[7]。生態脆弱性研究由于具有地理學和生態學交叉學科的特殊性，也受到眾多研究者的重視。當前學者對生態脆弱評價方法主要包括定量評價法[8]、模糊評價法[9]、生態脆弱性指數(EFI)法、綜合指數評價法[10]等。盧遠等[11]構建景觀類型干擾度和區域生態脆弱度模型對左江流域的生態脆弱進行綜合定量分析和評價；孫才志等[12]構建景觀格局脆弱度指數借助空間自相關分析方法對下遼河平原空間景觀格局進行探討；任志遠等[13]在銀川盆地土地利用變化對景觀格局脆弱度的影響做了分析。大多數學者對景觀格局及生態脆弱性研究集中在江河流域、內陸等[14-15]，對海岸帶的景觀格局脆弱度及生態脆弱性研究尚不多見，且部分學者在進行區域生態脆弱研究時僅構建了景觀格局模型或者生態脆弱度模型進行分析，鮮有對兩者的相關性方面作闡述[16-17]。本文在選取景觀格局指數構建評價模型對研究區景觀脆弱度和生態脆弱度進行評測時，分析了景觀格局與生態脆弱性的相關性，以期為甬臺溫海岸帶未來生態建設及修復提供理論支撐，促進海洋經濟及區域可持續發展。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

寧波、臺州和溫州3個城市的沿海陸域簡稱甬臺溫海岸帶，位于中國東南沿海，地處長江三角洲南端，浙江省東部，地形以平原和丘陵為主，地勢西高東低，地理位置處于27°03′—30°33′N,120°23′—122°16′E之間。從研究的數據獲取角度考慮，本文所研究的甬臺溫海岸帶界定為沿海鄉鎮街道，共涉及3市，20個區(縣)，146個鄉鎮(街道)，研究區面積共7 697.62 km2。其中自北向南將甬臺溫海岸帶劃分為杭州灣南岸—北侖港、象山港、三門港、椒江口—臺州灣、樂青灣、甌江口—溫州灣6個海岸帶區域，岸線總長度2 600.4 km。研究區經濟活動強度大、土地利用集約度高、景觀格局變化較復雜[7]，對甬臺溫海岸帶進行研究有利于海洋開發利用保護。

1.2 數據來源

本研究的數據來自地理國情監測云平臺(http:∥www.dsac.cn/)，基礎數據為1995，2005，2015年浙江省3個時期Landsat TM/OLI遙感數據，空間分辨率為30 m，每期軌道號包括118-39，119-39，119-40，120-39及120-40，利用ENVI 5.0軟件結合寧波、臺州、溫州市行政邊界進行解譯、校正、配準等，獲得研究區各個時期內相關數據。由于研究對象和目的的差異性，結合甬臺溫海岸帶實際情況，基于研究區自然環境和人類活動的影響將研究區土地景觀類型劃分為耕地、林地、草地、建設用地、水域、養殖用地、灘涂、未利用地這8種景觀類型[18-19]。

2 研究方法

2.1 景觀指數選取

景觀指數能夠高度概括景觀格局的信息，反應其機構組成和空間配置某方面特征的定量指標[20]。在景觀類型水平分析上選取斑塊面積(CA)、斑塊數量(NP)、斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(LPI)、斑塊形狀指數(LSI)、邊界密度(ED)和面積加權平均分維數(FRAC_AM) 7個指標；在景觀水平分析上選取斑塊數量(NP)、斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(LPI)、蔓延度(CONTAG)、香農多樣性指數(SHDI)、香農均勻度指數(SHEI)和聚集度(AI) 7個指標。各指數中計算方法、參數意義及詳細說明可參閱相關文獻及Fragstats用戶指南[20]。

2.2 景觀類型脆弱度評價指標

(1) 生態壓力度評價指標。

(1)

(2)

式中：FRAC為分維度倒數，用來反映景觀形狀的復雜程度和景觀空間穩定程度，其值越大表示受干擾程度越強； DIi為擾動指數，衡量人類活動對生態系統的影響，影響程度與距離存在遞減關系。P為斑塊周長(km)；A為斑塊面積(km2)；Aij為景觀i在第j個緩沖區的面積(km2)；Wj為第j個緩沖區權重；Ai為景觀i的總面積(km2)。下同。

(2) 生態敏感度評價指標。景觀分離度(Fi)表征同一景觀類型中斑塊的分離程度，反映人類活動強度對景觀結構的影響。分離度越高則景觀類型越分散，穩定性越差，敏感度越高。景觀破碎度(Ci)是用來度量斑塊變化的過程，值越高抗外界干擾能力越差，生態敏感度越高。公式如下：

(3)

(4)

式中：Di為斑塊分離度；Si為景觀類型的面積指數；Ni為景觀i的斑塊數。下同。

(3) 生態恢復力評價指標。最大斑塊指數(LPI)用來衡量景觀優勢度，值越大表示該類型景觀抗外界干擾能力越強。斑塊內聚力指數(COHESION)用來衡量景觀連通性，在滲透閾值下，斑塊內聚力對該類斑塊聚集程度敏感性成正比，超過滲透閾值后斑塊內聚力對斑塊空間分布狀況不再敏感，指數越大則生態系統越穩定，恢復力越強。公式如下：

(5)

(6)

式中：Pij為斑塊ij的周長(km)；aij為斑塊面積(km2)。

2.3 生態環境脆弱度綜合指數

生態脆弱性是壓力度、敏感度、恢復力的函數，其值與敏感性和壓力度成正比，與恢復力成反比，評價公式如下：

CVI=P×S/R

(7)

(8)

式中：CVI為景觀類型的生態脆弱度指數；P為生態壓力度；S為生態敏感度；R為生態恢復力； RVI為區域生態環境脆弱度指數；Ai為各生態系統類型面積(km2)。

為更為直觀識別各期景觀生態風險變化，結合研究區實況，運用ArcGIS基于幾何間隔法對生態脆弱度進行分級，劃分為5級脆弱區:一級脆弱區(EVI<0.017 8)，二級脆弱區(0.017 8 EVI<0.032 9)，三級脆弱區(0.032 9 EVI<0.079 3)，四級脆弱區(0.079 3 EVI< 0.222 0)，五級脆弱區(0.222 0 EVI)。

3 結果與分析

3.1 景觀格局變化分析

結合Fragstats軟件對研究區柵格圖像進行處理，整理數據得到甬臺溫海岸帶1995—2015年相關景觀格局指標數據(表1—2)，并通過ArcGIS軟件將土地利用數據與研究區行政矢量數據疊加得到研究區1995—2015年三期土地利用景觀類型圖(見封3附圖19)。

如封3附圖19及表1—2所示，在研究期內，甬臺溫海岸帶以耕地、林地為主要景觀。但耕地斑塊面積不斷變少，與初期相比減少了374.08 km2，下降13.38%。林地雖整體占景觀類型比最大，但也呈減少趨勢，減少了245.89 km2，下降7.53%。建設用地增加了731.59 km2，2005—2015年間增加明顯，與研究初期相比增加了175.20%。其中杭州灣南岸—北侖港海岸帶自1995年到2015年圍墾變多，耕地被大量占用，演變為建設用地等，景觀類型變化最為明顯。灘涂用地面積也呈逐年遞減狀態，20 a間其所占面積比重由5.62%下降到1.98%，總面積減少279.72 km2。其余用地變化較小。

景觀類型上，甬臺溫海岸帶的耕地、林地、灘涂、未利用地的斑塊面積(CA)逐年減少，而耕地和林地的斑塊數量(NP)在逐漸增加，說明耕地和林地的景觀類型日趨破碎化；從斑塊密度(PD)來看，耕地的斑塊密度從0.105 4增加到0.137 0，水域斑塊密度由0.049 3增加到0.063 3，說明其受到人類活動影響強烈，導致斑塊密度不斷增加；1995年最大斑塊指數(LPI)最高的是耕地(指數值7.227 2)，其次為林地指數值(6.109 6),2005年最大斑塊指數仍為林地最多(指數值6.343 1),2015年最大斑塊指數依舊最大為林地，其次為耕地；從邊界密度(ED)來看，研究區耕地、草地、建設用地、水域景觀類型的邊界密度逐年增加，其中林地和養殖用地的邊界密度先增后減但整體減少。由于建設用地的擴張占用了耕地，使其原先整片的耕地景觀類型破碎化；耕地、林地、建設用地、水域的斑塊形狀指數(LSI)逐年增加，說明這4類景觀類型的復雜程度在逐漸增加；從面積加權平均分維數(FRAC_AM)來看，建設用地、耕地、灘涂的變化最大，其受人類干擾程度大。

表1 1995-2015年甬臺溫海岸帶景觀類型格局指數

注：CA為斑塊面積； NP為斑塊數量； PD為斑塊密度； LPI為最大斑塊指數； LSI為斑塊形狀指數； ED為邊界密度； FRAC_AM為面積加權平均分維數。下同。

表2 1995-2015年甬臺溫海岸帶景觀水平格局指數

注：CONTAG為蔓延度； SHDI為香農多樣性指數； SHEI為香農均勻度指數； AI為聚集度。

景觀水平上，1995—2015期間，研究區景觀斑塊數(NP)增加了13.09%，斑塊密度(PD)增加了6.99%，表明甬臺溫海岸帶景觀整體趨于破碎。最大斑塊指數(LPI)減少了17.32%，整體優勢度在降低，人類活動對研究區干擾和影響逐漸加??；整體景觀蔓延度(CONTAG)下降了7.54%，說明研究區的優勢斑塊類型蔓延度降低，連通性變弱，聚集度逐漸下降進而導致破碎度增加；香農指數(SHDI)和香農均勻度指數(SHEI)呈上升趨勢，分別增加了0.156 3，0.075 1；聚集度(AI)雖整體呈下降趨勢，但也接近100，說明研究區整體聚集度較好。綜上來看，人類活動、經濟發展、城鎮擴張對甬臺溫海岸帶產生了一定影響，對海岸帶生態環境帶來威脅影響其穩定性，使其逐漸復雜化、破碎化和分散化。

3.2 景觀類型脆弱度演變分析

由景觀脆弱度公式〔公式(1)—(7)〕計算得到研究區景觀脆弱度(見表3)?？梢?995年甬臺溫海岸帶景觀類型脆弱度的高低依次為：草地>灘涂>耕地>建設用地>水域>林地>養殖用地>未利用地；2005年依次為：耕地>建設用地>水域>林地>灘涂>養殖用地>未利用地>草地；2015年依次為：耕地>養殖用地>建設用地>水域>林地>草地>未利用地>灘涂。研究期內甬臺溫海岸帶的耕地景觀類型脆弱度雖逐年遞減但整體處于較高水平，特別是在2005年(指數值0.088 1)和2015年(指數值0.053 7)為最高。林地景觀脆弱度先增后減，基本處于中間水平，說明人類活動對其影響較小。草地景觀類型脆弱度在1995年最大值為0.179 3，2005年驟降為0.005 4,2015年又上升到0.007 7，說明草地景觀的穩定性先增強后減弱。建設用地景觀脆弱度逐年遞減，敏感性較弱，與人類的經濟活動、城鎮擴張密切相關。水域景觀類型脆弱度先升后降，最終值比初始值還低，說明其恢復力較好。養殖用地脆弱度雖是先減少后增加，但其在同年對比中是逐漸增加的，側面反映研究區內人類活動對養殖用地的影響程度愈發嚴重，敏感性增強，恢復力下降。灘涂作為海岸帶獨有景觀，其脆弱度整體呈降低趨勢，但人類活動對灘涂擾動指數始終較高，隨著海岸帶灘涂的有效保護和利用，其恢復力逐漸升高，脆弱性逐漸降低。未利用地景觀脆弱度變化不大。

表3 1995-2015甬臺溫海岸帶景觀類型脆弱度指數

3.3 生態脆弱性時空演變分析

根據研究區景觀格局指數等數據，由公式(9)計算得到甬臺溫海岸帶各區(縣)的生態脆弱度指數(見圖1)，并依靠ArcGIS軟件生成甬臺溫海岸帶生態脆弱度分布(見封3附圖20)。生態環境脆弱度反映生態環境脆弱性，即區域環境越差，其環境系統穩定性越差，脆弱度越強[21]。由圖1可知，余姚市始終是生態脆弱度最高區域；寧波北侖區、寧?？h海岸帶，臺州玉環市海岸帶，溫州洞頭區、蒼南縣海岸帶生態脆弱性先低后升高；整個研究區中唯有寧波鄞州區海岸帶生態脆弱性逐年持續升高，鄞州區作為寧波市經濟活動中心，其海岸帶的開發建設對土地景觀影響較大，在城市化建設發展中受人類活動影響較強烈，使其區域生態敏感性增強、恢復力降低、不穩定性增強；寧波市鎮海區、慈溪市、余姚市、象山縣海岸帶，臺州椒江區、溫嶺市、三門縣海岸帶，溫州龍灣區、瑞安市、樂清市、平陽縣海岸帶生態脆弱性持續走低；寧波市奉化區海岸帶，臺州路橋區、臨海市海岸帶生態脆弱性皆為先高后低，1995—2005年人類對海岸帶的開發尚處于探索性階段，開發較少，使得海岸帶土地利用景觀有所變化，但其敏感性較強，區域穩定性偏弱，生態脆弱性不斷增強。2005—2015，隨著城鎮化不斷加快，海岸帶土地利用景觀趨于穩定，景觀脆弱性較強的景觀類型增多，生態脆弱性隨之降低。

研究區的生態脆弱性程度變化反映了人類活動對該地區的影響及干擾程度，人類活動是致使景觀破碎化的重要影響因素[22]。從生態脆弱區面積變化(見圖2)和生態脆弱度分布(見封3附圖20)可知，1995年研究區的脆弱等級分異顯著，以二級和三級脆弱區為主，其中高生態脆弱區域的四級和五級脆弱區面積為1 194.41 km2，比例為15.52%，脆弱度較低的一、二等級脆弱區面積比例為66.32%，說明整體甬臺溫海岸帶生態環境較為良好；2005年甬臺溫海岸帶生態脆弱等級主要集中在二級脆弱區，一、二等級脆弱區比例為78.78%。高等級脆弱區仍分布于杭州灣南岸地區，但相比于1995年已有部分等級降低，研究區南部大部分轉為二級脆弱區，生態環境好轉；2015年研究區脆弱等級較為分散，南部灣區脆弱性整體增強，大部分轉為三級脆弱區，高生態脆弱區面積比例上升到了24.25%，一、二等級比例則下降到53.32%。

圖2 1995-2015年甬臺溫海岸帶生態脆弱區面積變化

3.4 景觀格局與生態脆弱度指數相關分析

為深入了解景觀格局與生態環境脆弱性的內在聯系?；赟PSS軟件計算皮爾遜相關系數，分析脆弱度模型中各景觀格局指數之間，以及與各脆弱綜合指數之間相關性(見表4—6)。綜合3期的相關性分析結果可以看出，區域生態脆弱度與擾動指數、破碎度呈顯著正相關關系，和景觀脆弱性完全相關；分維度倒數和優勢度、連通性均存在顯著正相關關系；擾動指數與分離度呈顯著正相關關系；優勢度和連通度呈顯著正相關關系；破碎度和優勢度、連通性呈顯著負相關關系；其余指標間相關性關系較弱。由分析結果可看出，景觀類型脆弱度與區域生態脆弱度完全相關，分維度倒數與破碎度關聯度較大。分維數倒數指數表示人類活動對景觀類型的干擾程度，近年來人類活動對甬臺溫海岸帶的干擾愈發強烈，在一定程度上導致區域景觀破碎化愈發嚴重。

表4 1995年生態脆弱性指數與景觀特征指數相關性分析

表5 2005年生態脆弱性指數與景觀特征指數相關性分析

表6 2015年生態脆弱性指數與景觀特征指數相關性分析

注：**表示在 0.01 水平(雙側)上顯著相關；*表示在 0.05 水平(雙側)上顯著相關。

4 結 論

(1) 景觀格局空間分析表明，隨著研究區的開發利用以及人口、社會經濟的高速發展，導致人類活動對甬臺溫海岸帶景觀干擾強烈，其中對耕地、林地、建設用地、灘涂影響較大。20 a間耕地面積減少最多，為374.08 km2；其次為灘涂和林地，面積分別減少了279.73，245.89 km2；養殖用地和未利用地面積變化不大，分別減少了23.55， 12.55 km2；建設用地面積增加最多，為731.59 km2；其次為水域面積，增加了160.34 km2；草地面積增加了43.87 km2。在景觀類型上，耕地、林地雖然面積減少但斑塊數量增多，兩種景觀呈破碎化趨勢。景觀水平上，研究區景觀斑塊數和密度均增加，整體蔓延度降低、優勢度在下降，研究區呈現出復雜、破碎、分散的趨勢。

(2) 景觀脆弱度及區域生態脆弱度研究結果表明，研究期內人類活動對耕地影響最大，其景觀脆弱度最高；建設用地、林地景觀、養殖用地脆弱度也上升，受到干擾較強烈。寧波鄞州區海岸帶生態脆弱性逐年升高，其海岸帶的開發建設對土地景觀影響較大，城市建設發展和人類活動對其影響較強烈；杭州灣南岸始終是高脆弱區聚集區域。甬臺溫海岸帶整體成體脆弱性在20 a間變化明顯，1995年一級脆弱區4個，四級、五級脆弱區共5個，大部分地區處于中級水平，分布較均衡；2005年一級脆弱區僅有玉環市，五極脆弱區包含余姚市和路橋區，其余大部分處在二級脆弱區，生態脆弱性有所降低；2015年余姚市、慈溪市、路橋區為最高生態脆弱區，二級脆弱區逐漸向三級轉移，研究區生態脆弱性不斷升高，表明海岸帶的開發在不斷增強。

(3) 相關性分析得出，區域生態脆弱度與擾動指數、破碎度呈顯著正相關，和景觀脆弱度指數完全相關(相關指數接近于1)；分維度倒數和優勢度、連通性存在正相關關系；擾動指數與分離度顯著正相關；優勢度與連通性呈顯著正相關關系；破碎度與優勢度、連通性呈顯著負相關關系；其余指標間相關性較弱。