閩三角地區城鎮空間擴張對區域生態安全格局的影響

張瑾青,羅 濤,徐 敏,王艷云,劉 江,*

1 福州大學建筑與城鄉規劃學院, 福州 350108 2 北京大學建筑與景觀設計學院, 北京 100871

近年來,伴隨經濟增長步入“新常態”,我國城鎮發展也邁入新紀元。以高密度、高強度的城鄉建設用地開發為主導的城鎮擴張過程在全國范圍內,尤其在東南沿海地區普遍出現[1]。然而,城鎮擴張過程在推動社會經濟發展的同時,與生態保護的矛盾始終存在。一方面,城鎮擴張過程擠壓自然資源和生態空間,加劇生態安全格局的破碎化程度,直接破壞地區生態空間的有效承載力[2]。另一方面,對生態系統的保護舉措客觀上也約束了城鎮擴張過程的規模與速度,環境質量的下降則限制了城鎮的發展潛能,增大了城鎮發展的風險[3]。城鎮擴張是局域尺度上的土地變化過程,但其影響會擴散到區域景觀格局層面上[4]。生態安全格局是能夠實現區域生態環境問題有效控制和持續改善的空間格局,是維持一切人類活動的基礎[5]。其核心在于規劃設計一些關鍵的節點、廊道構成空間組合,以恢復區域尺度上的某些潛在景觀格局[6]。

林地和水域作為生態安全格局重要的組成部分[7],對生態環境保護的重要性不言而喻。在城鎮擴張過程中,城鎮用地擴張的過程對區域生態安全格局的負面影響十分顯著[8]。大量生態資源被城鎮建設用地侵占,森林斑塊消失,水資源稀缺等一系列問題的出現,直接或間接地導致城市熱島效應、區域生物多樣性退化、生態系統失衡等問題產生。日益低下的環境質量使得人們開始重視生態保護。利用景觀生態學的相關理論去揭示景觀結構、功能和變化,研究生態過程與空間格局在多尺度上的相互作用關系成為研究的熱點[9-11]。

因此,為減緩城鎮化給區域生態環境帶來的負面影響,科學認識城鎮擴張與區域生態安全格局之間的關系,以有效解決其帶來的環境問題,是城鎮可持續發展的重要任務。目前已有較多研究關注城鎮擴張對生態安全格局的影響。現有研究主要集中在城鎮擴張的情景預測和模型構建等方面[12-13]。大部分研究的對象都聚焦整體景觀水平的變化,專注林地、耕地斑塊這類景觀的研究較少[14-15]。此外,從不同尺度和不同區劃類型上綜合分析城鎮擴張過程對區域生態安全格局演變影響的研究也較為欠缺。

1 數據與方法

本研究以閩三角地區為例,從優化區域生態安全格局規劃布局的角度出發,運用空間分析和數理統計的方法,解析閩三角地區1980—2015年城鎮擴張過程對區域生態安全格局的影響,并通過設置不同尺度和區劃類型進一步識別影響水平間的差異。以期為優化區域生態安全格局規劃布局,城鎮擴張的合理規劃提供有效支撐。

1.1 區域概況

閩三角地區包括廈門、泉州、漳州三個地級市(圖1)。區域總面積約25314 km2,地處東南沿海,屬中小城市群及海岸帶快速城市化地區。自改革開放以來,經濟發展尤為迅猛。廈門、泉州、漳州三市產業集聚,集約發展優勢明顯。該區域地貌條件復雜,屬山地丘陵和盆地平原地區。內陸地貌類型以低山丘陵為主,北部部分地區地勢較高,能有效阻隔冷空氣南下,是閩三角城市群的天然綠色屏障。南部多為河谷盆地與沿海平原,受亞熱帶海洋性季風氣候影響顯著,氣候溫和,濕潤多雨。生態環境整體較好,森林覆蓋率約在61.3%。但因其海岸帶狹窄、緩沖能力有限的特殊地形地貌條件,導致區域關鍵生態服務功能受損、生態安全格局紊亂與安全保障空間萎縮等生態安全問題尤為突出,區域內城鎮極易受到臺風、洪澇等自然災害的影響。高強度的人類活動給閩三角生態系統帶來了巨大壓力,尤其體現在近幾十年的土地覆蓋變化上。

圖1 閩三角區位圖

1.2 研究方法

數據處理及統計分析分別在行政縣域區劃和自然分區兩個尺度上進行,以分析城鎮擴張過程對區域生態安全格局變化的影響并識別其差異。

首先,對閩三角地區土地覆蓋類型重分類,得到城鎮建設用地、生態安全格局(林地和水域)和過渡用地(草地、耕地及其他用地)三類新用地類型。其次,在Fragstats中分別計算1980年、1990年、2000年、2010年和2015年五期相應的城鎮建設用地和生態安全格局景觀格局指數。在GIS平臺上制作表征閩三角地區城鎮擴張和生態安全格局變化的過程圖。再次,選取閩三角地區28個縣域在1980—2015年間五個年份共140組數據,在SPSS 24.0中通過Spearman相關性分析和線性回歸,從不同尺度描述城鎮擴張對區域生態安全格局的影響,進一步識別景觀指數在不同分區方法上的響應度差異。

1.2.1土地覆蓋分類

土地覆蓋分類數據基于1980—2015年閩三角地區的柵格圖像(空間分辨率為30 m×30 m)。基于“源-匯”理論[16]將其分為城鎮建設用地、生態安全格局(林地和水域)和過渡用地(草地、耕地及其他用地)三類。其中,城鎮建設用地是干擾源區,生態安全格局是受到源區干擾的匯區,其他用地為源匯過渡區。

1.2.2景觀指數選取

景觀指數可從不同水平上定量測算區域空間格局的變化及其特征。參考王靜[17]、陳文波[18]、王新闖[19]等人關于區域水平上景觀指數選取及格局評價的研究工作,分別從斑塊水平和景觀水平上選取13個常用景觀指數。由于部分景觀指數間因生態學意義或幾何關系等原因而存在共性[20],故本研究基于斯皮爾曼相關分析,篩選出五個景觀指數。分別為：

斑塊占比(PLAND)—度量景觀組分的指數之一,通常可幫助確定景觀中的優勢元素；

斑塊密度(PD)—反映景觀破碎度的指數；

最大斑塊指數(LPI)—可綜合反映景觀中斑塊的集中程度和優勢類型；

景觀形狀指數(LSI)—測算景觀形狀變化的重要指數,一般來說其值越高說明斑塊與外界的能量交換的面積越大；

斑塊聚合度(COHESION)—可表達各斑塊間廊道連接情況[21]。

其中,斑塊占比、斑塊密度和斑塊聚合度可從景觀水平上解析整體景觀格局的演變情況。最大斑塊指數和景觀形狀指數則在斑塊尺度上描述景觀格局的變化。通過這些指數可表征閩三角地區景觀斑塊的復雜程度及異質性,能夠較為全面地描述區域生態安全格局的規模、破碎度及分布情況。指標的計算在Fragstats軟件中進行[22]。采用Z-score方法對所有指數值進行歸一化處理。

1.2.3城鎮擴張的表征

準確有效地度量城鎮擴張水平,是探究城鎮空間結構演變、優化區域城鎮化進程的重要基礎。已有研究中,城鎮建設用地密度、建設用地年均增長量、景觀格局指數等可定量表征城鎮擴張過程的指標已得到廣泛應用[23-24]。在后續研究中為方便定量分析計算,本研究采用建設用地占景觀面積比(PLAND-U)作為單一指標測算城鎮擴張進程。

1.2.4自然區劃方法

本研究首先依照2010年發布的“福建省生態功能區劃” 劃分生態區(圖2)[25]。在此框架內,根據閩三角地區自然經濟特征及其地貌結構劃分兩個生態區：閩東閩中閩北和閔西生態區、閩東南生態區。以及四個生態亞區：閩北閩西山地盆谷生態亞區(NW)、閩東閩中中低山山原地生態亞區(EM)、閩東南西部低山丘陵盆谷底生態亞區(SW)、閩東南沿海臺丘平原與近岸海域生態亞區(ES)。

圖2 閩三角地區2010年生態功能區劃

其次,按照自然氣候條件差異,選取2015年氣象數據,采用Holdridge生命地帶(HLZ)模型對閩三角地區進行生態系統分區模擬[26]。得到暖溫帶潮濕森林類(WT-d)、暖溫帶濕潤森林類(WT-w)、亞熱帶潮濕森林類(ST-d)、亞熱帶濕潤森林類(ST-w)四種生態系統類型(圖3)。由于WT-w類分區在研究區內占地面積過小,故文中不做討論。

圖3 閩三角地區2015年生物氣候區劃

2 結果

2.1 城鎮擴張過程與生態安全格局的時空特征

2.1.1城鎮擴張特征

1980—2015年閩三角地區城鎮建設用地增長迅猛(圖4),且以泉州、廈門兩地沿海區域增幅最大。用地轉化情況如表1所示。城鎮建設用地面積從1980年的906.94 km2增至2015年的2468.51 km2,整體增幅高達63.26%。同時由圖4可知,城鎮擴張進程的時序差異顯著,以2000—2010年城鎮建設用地增幅最大。擴張水平的差異主要與區位特征有關。在空間上表現出沿海縣域如廈門島、泉州晉江等地區擴張水平(由2015年與1980年的PLAND-U指數的差值運算得出,數字越大代表城鎮空間擴張幅度越大)明顯高于內陸地區(圖5)。由此可見,建設用地面積劇增,沿海地區城鎮發展迅速,是該時期閩三角地區城鎮發展的一大特征。

圖4 閩三角地區1980—2015年城鎮建設用地空間變化

圖5 閩三角地區1980—2015年城鎮擴張水平空間變化

表1 1980—2015年閩三角地區土地利用轉移狀況

2.1.2生態安全格局特征

閩三角地區生態安全格局的變化如圖6所示。研究時段內,生態安全格局的變化以局部斑塊減少為主,沿海地區的減少情況較內陸而言更為嚴重。結果顯示,閩三角整體生態安全格局動態變化明顯,但指數的波動幅度有限(圖7)。除斑塊占比和斑塊聚合度之外,其他指數均有小幅波動。

圖6 閩三角地區1980—2015年生態安全格局空間變化

圖7 閩三角地區1980—2015年景觀指數演變趨勢

斑塊密度和景觀形狀指數的走勢基本一致,在2000年下降后又在2010年達到最高,2015年基本恢復到1980年水平。說明隨著時間的推移,區域生態安全格局保持相對完整,但在2000—2010年出現大幅變化。最大斑塊指數在1980—2000年緩慢下降,之后趨于平緩。總體而言,2000年前后是閩三角地區生態安全格局演替最劇烈的時期。

2.2 城鎮擴張對生態安全格局的影響

通過橫向對比縣域等級上城鎮擴張水平與區域生態安全格局指數斑塊占比、斑塊密度、最大斑塊指數、景觀形狀指數和斑塊聚合度間的相關性,結果發現,擴張水平與五個景觀指數均顯著相關(表2)。其中,城鎮擴張與區域生態安全格局的斑塊密度正相關,與其他指數負相關。這說明,城鎮擴張水平越高的地區區域生態安全格局的破碎度越大,而斑塊面積、景觀復雜度和斑塊連結度則隨著擴張水平的增大而減小。

表2 縣域尺度內城鎮擴張與景觀指數的相關性

通過對選定的五個景觀指數與城鎮擴張水平進行因子響應度的回歸分析,可得以下方程：

PLAND-U=-1.06-0.88PLAND+0.63LPI+0.35PD-0.17COHESION-0.02LSI

(1)

由公式(1)可知,斑塊占比的響應程度為首,是響應程度最低的景觀形狀指數的44倍;其次為最大斑塊指數;再次為斑塊密度和斑塊聚合度。由此可知,城鎮擴張過程與生態安全格局的斑塊占比相關性最強,說明城鎮擴張過程對生態安全格局的規模影響最顯著。隨著城鎮擴張過程的加快,生態安全格局的斑塊大小也隨之改變。在其余指數中,最大斑塊指數的響應程度大于其他指數。斑塊占比和最大斑塊指數都是描述斑塊面積的指數,兩者對城鎮擴張過程的高響應程度表明城鎮擴張過程對生態安全格局的影響主要存在于斑塊面積的改變中。而斑塊密度和斑塊聚合度對城鎮擴張的響應程度相對較小,兩者均是從景觀水平上描述整體格局變化的景觀指數。可見,城鎮擴張過程對生態安全格局的影響是先從斑塊尺度上開始,進而擴散到區域景觀層面。

2.3 城鎮擴張對生態安全格局影響的地區差異

在縣域尺度上的分析定量描述了城鎮擴張過程對區域生態安全格局演替的影響。由于行政分區中人工因素和自然條件的不確定性,無法進一步識別指數間響應度的差異。因此,為深入探究城鎮擴張過程與區域生態安全格局演替的關系,本研究從生態區劃(圖2)和生物氣候區劃(圖3)入手,探討不同自然生態背景下城鎮擴張對區域景觀指數造成的影響差異。

2.3.1生態區劃差異

相關性分析結果顯示,生態區劃內不同景觀指數與城鎮擴張水平間均存在顯著相關性(表3)。為進一步探究不同自然條件對城鎮擴張與景觀指數間的影響水平是否存在差異,本研究分別對四類生態區劃內城鎮擴張與相應生態安全格局景觀指數間的關系進行回歸分析。

表3 生態區劃內城鎮擴張與景觀指數的相關性

從圖8看,城鎮擴張過程對最大斑塊指數和斑塊聚合度的影響水平不同。NW和EM的城鎮擴張階段滯后于SW和ES,尤其滯后于ES。一方面,最大斑塊指數在NW、EM內負相關,SW、ES內正相關的趨勢,說明城鎮擴張對最大斑塊指數的影響在不同城鎮擴張階段存在差異,同時在空間上也呈現出明顯的“山-海”特征[27-28]。另一方面,斑塊聚合度的響應趨勢也表現出不同城鎮擴張階段的差異,即在擴張較慢的NW、EM和SW內無變化,在擴張較快的ES內變化較大,且兩者正相關。而城鎮擴張對斑塊占比、斑塊密度和景觀形狀指數的影響在不同的生態區劃內部無差異。其中,擴張水平與斑塊密度和景觀形狀指數正相關,與斑塊占比負相關。

圖8 生態亞區內景觀指數與城鎮擴張關系的回歸趨勢

3.3.2生物氣候區劃差異

不同生物氣候區內各景觀指數與城鎮擴張水平均強相關(表4)。分別對四類生物氣候區內城鎮擴張與景觀指數間的關系進行回歸分析,如圖9所示。

表4 生物氣候區內城鎮擴張與景觀指數的相關性

結果表明,城鎮擴張對斑塊密度、最大斑塊指數和斑塊聚合度的影響存在差異,對斑塊占比和景觀形狀指數的影響無差異,且與斑塊占比負相關,與景觀形狀指數正相關。從橫軸看,WT-d和ST-d與ST-w處于不同城鎮擴張階段,且ST-w的擴張遠快于另外兩區。由圖9可知,生態安全格局先在WT-d和ST-d內趨于破碎,又在ST-w內相互融合。斑塊的演變規律與城鎮擴張階段的一致性,進一步說明城鎮擴張的不同階段對生態安全格局的演變存在顯著影響。從圖9來看,ST-w內生態安全格局破碎程度化依舊在加劇,說明城鎮擴張對區域生態安全格局的負面影響始終存在。

圖9 生物氣候區內景觀指數與城鎮擴張關系的回歸趨勢

3 討論

城鎮擴張的蔓延給區域生態環境帶來了巨大的沖擊。高速的集聚效應推動經濟發展的同時,也改變了區域生態安全格局,構成了重點地區的城鎮發展與區域全局的生態安全之間的沖突。城鎮建設用地的局部擴張導致的土地供需矛盾,又進一步影響了城鎮整體空間布局[29]。與此同時,我國傳統規劃長期保持人工環境為主導的模式,在城鎮開發中往往忽略了生態空間的重要性,最終導致生態用地遭受大量破壞,斑塊趨于破碎化[30]。因此,本研究從優化區域生態安全格局的規劃布局出發,運用空間分析和數理統計分析相結合的方法,對閩三角地區城鎮擴張對區域生態安全格的影響進行了定量分析,并討論了兩者在不同空間單元上所體現出的影響的差異性。

首先,從城鎮擴張過程和生態安全格局的演變特征來看,兩者的變化表現出較高的重疊度,均表現出“山-海”特征。具體表現為：在時間尺度上,2000—2010年城鎮擴張過程和生態安全格局均出現大幅變化。城鎮建設用地的面積劇增,生態安全格局的面積減少是該時段閩三角城市群整體用地變化的顯著特征。在空間格局上,沿海地區城鎮擴張過程的速度遠大于內陸山區,同時生態安全格局的演變也遵循著沿海-內陸生態安全逐漸增強的特點。兩者變化特征的一致性,進一步表明城鎮擴張過程與生態安全格局的變化間存在緊密聯系。閩三角地區城鎮擴張過程的局部差異顯著,主要與區位條件相關,而區位條件也是決定經濟發達程度的重要因素之一。相對內陸山區而言,沿海地區的經濟更發達。而經濟的集聚發展會產生“推拉效應”[31]。即經濟的發展需要大量的城鎮建設用地用以支撐大量交換活動,城鎮建設用地需求的提升則會導致城鎮擴張的過程,引起城鎮發展和生態保護的矛盾。而這一系列的進程又會促進地區本身的經濟產業發展，經濟發達又會產生更高層次的產業互動,進而使城鎮發展和生態保護的矛盾加劇。導致城鎮建設用地侵占生態安全格局的現象頻發。

其次,研究證明城鎮擴張過程對區域生態安全格局演替具有重大影響,生態安全格局的景觀指數在城鎮擴張的過程中表現各異。其中,斑塊占比對城鎮擴張過程的響應程度最高,在所有影響因子中占主導地位。說明城鎮擴張過程對生態安全格局的影響是從斑塊類型開始,進而擴展到景觀水平層面。相關研究表明,區域內城市的相對位置、核心城鎮間的可達性、道路網密度等因素都是影響城鎮擴張的驅動力[32-33]。其中,道路網密度反映了城鎮擴張的基本趨勢,在一定程度上會影響區域景觀格局[3]。而閩三角地區作為福建省城鎮集聚度最高的城市群,擴張過程尤為顯著。伴隨著大規模的道路網建設,各城鎮間原本存在的生態安全格局被侵占,導致其面積減少,進而影響了斑塊間的連通程度,出現生態安全格局趨于破碎化的現象。2004年《廈漳泉城市聯盟宣言》[34]的提出為廈漳泉同城化的開展奠定了基礎。隨著廈漳泉同城化的推進,閩三角內各城鎮的內部及對外交通出行需求量越來越大。一方面,閩三角城市群天然的生態安全格局決定了交通的建設發展往往需要通過割裂和侵占生態安全格局得以實現。隨著同城化理念的提出,過去優越的森林資源和水運條件成為了城鎮發展的阻礙。另一方面,交通建設一般都是在原有交通干道的基礎上進行,在道路建設用地向外擴張的過程中,也會導致部分生態安全格局被侵占。因而,城鎮擴張過程對生態安全格局的影響主要反應在斑塊占比、最大斑塊指數和斑塊密度三類表征斑塊面積的指數上,其次是表示斑塊蔓延度的指數斑塊聚合度上。而描述斑塊形狀的景觀形狀指數則相對較弱。此外,通過橫向對比縣域和自然區劃兩個尺度上的城鎮擴張水平與景觀指數的相關系數發現,景觀形狀指數是唯一出現差異的指數。具體表現為縣域尺度上兩者負相關,自然區劃尺度上則正相關。景觀形狀指數在不同尺度上表現出的差異性,進一步驗證了申衛軍等人關于空間幅度對景觀格局影響的結論[11]。

最后,城鎮擴張過程在不同區劃背景下均對閩三角城市群的生態安全格局的影響顯著,并且在該影響過程中與最大斑塊指數和斑塊聚合度的回歸關系均出現了差異。分區所處的不同城鎮擴張階段是引起差異的主要原因。已有研究表明,當城鎮擴張達到一定階段時,相鄰景觀斑塊會迅速擴張進而合并形成大斑塊[35]。研究結果中,最大斑塊指數、斑塊密度和斑塊聚合度在不同城鎮擴張階段中出現的差異性,也再次印證了該結論。在閩三角城鎮擴張初期階段,城鎮建設用地的需求量不斷增多,強烈的人類干擾活動會侵占原本連結在一起的生態安全格局,從而使生態安全格局的最大斑塊指數減小。到加速階段,由于城鎮建設用地斑塊不斷擴展,相鄰斑塊又融合形成了較大的斑塊。而在此過程中,斑塊密度和連通程度也會隨之產生相應的變化。

總體而言,城鎮擴張的效應對閩三角整體的生態安全格局影響顯著,尤其表現在斑塊面積的變化方面。同時,城鎮擴張過程對景觀指數的影響出現差異性,也表明擴張過程的影響是多層次、大規模的。以上特征說明城鎮擴張過程對生態安全格局影響呈現復雜的效應,其影響機制可作為下一步的重點研究內容。

4 結論

(1)城鎮擴張的效應遠不止在其擴張地域范圍內,其影響范圍可輻射至區域層面,對區域生態安全格局影響顯著。因此,在制定閩三角生態安全格局網絡的規劃決策中,要首先評估擴張結果對區域可能造成的潛在影響,量化研究城鎮擴張如何影響整體景觀格局。在充分考慮所有潛在影響的基礎上,制定合理的擴張決策,以滿足區域生態安全格局的穩定和可持續發展的需要。

(2)在不同區劃背景下,城鎮擴張對生態安全格局的影響存在差異。因此,在城鎮生態安全網絡規劃建設中要充分理解不同城鎮擴張階段的發展規律,以及城鎮不同擴張階段對生態安全格局演替影響的差異性。在城鎮建設的各個階段有針對性地實施自然生態資源的保存、修復及合理利用。

(3)景觀指數是表征區域空間格局的重要方法之一,而景觀指數在城鎮擴張過程中響應程度的差異性表現,對不同空間單元內格局研究的指數篩選具有參考價值。因此,在對生態安全格局的管理和動態監測過程中,可將斑塊占比和最大斑塊指數作為備選指標,能夠直觀有效地展示生態安全格局的變化情況。