海口市江東新區30年來海岸帶城市擴展與生態格局演變

羅文霞,鐘康正,周曉娟,呂晨陽,謝跟蹤,2,*,邱彭華,2,張金萍,2

1 海南師范大學地理與環境科學學院, 海口 571158

2 海南省地表過程與環境變化重點實驗室, ?？?571158

海岸帶是海陸相互銜接作用的過渡地帶,也是生態系統中典型的脆弱帶和敏感帶,其特殊的生態資源使其成為自然環境和人文活動的活躍區域[1],同時海岸帶作為社會經濟高度發展的區域,對整個社會經濟發展具有重要的引領作用[2]。近年來,高強度的城市化進程導致海岸帶生態用地急劇減少,嚴重影響到區域生態安全格局[3—5]。因此就如何在城市擴展過程中協調城市化和生態保護之間的矛盾,已然成為迫切需要解決的現實問題。

城市擴展是一個十分復雜的社會經濟現象[6—7]。為了更為準確的模擬城市擴展過程,國內外學者展開了一系列的探索[8]。在早期“均質區域”假設條件下所推導的關于經濟空間組織與區位選擇的理想模型,并不能很好的模擬實際城市擴展現象[9],謝志文等在傳統城市擴展元胞自動機模型的基礎上模擬武漢主城區和上海浦東新區2005—2015年期間的城市擴展過程,發現基于多結構卷積神經網絡的城市擴展元胞自動機模型(MSCNN-CA)能夠有效提高城市擴展模擬的精度,更加真實地反映城市擴展空間演變過程[10]。Tayyebi等利用人工神經網絡模型模擬了伊朗德黑蘭的城市邊界擴展過程,成功構建了研究區城市邊界增長模型[11]； Arzu Erener等根據土耳其沿海城市的土地利用格局形式,研究土耳其沿海城市的城市擴展時空變化特征[12]。從模擬“均質區域”條件下的經濟發展和位置選擇的理想模型,到更為復雜的元胞自動機、人工神經網絡以及基于現實生活中城市擴展各種因素綜合作用的網絡與系統動力學模型[9—12],城市擴展模擬研究與現實逐步貼合,但仍存在問題。其一,研究內容相對單一,很少涉及到城市擴展所帶來其他問題,如生態格局、生態風險的變化；其二,這些系統動力學的研究方法運用在城市擴展過程中更加側重于土地運動的垂直過程,卻忽略了其水平過程；其三,社會經濟因素具有不確定性[13],而最小累積阻力模型的運用把城市擴展的研究重點轉移到生態環境,將區域范圍內土地利用覆蓋水平變化的過程比作城市擴展過程,并量化阻力因素在城市擴展中的影響作用,使城市擴展模擬向更加精準的方向發展[14—16]。姜曉麗等以“三生”空間為視角,基于MCR模型并結合坡向變率與坡形組合法對研究區建設用地適宜性進行評價,為土地利用格局優化提供一種新思路[17]；王釗等基于MCR模型的城市擴展模擬反映出在區域環境約束下的區域城市擴展的空間態勢,并指出未來為避免城市攤大餅式擴展,應加強城市與城市之間隔離帶的建設[18]；蘇東輝在將城市擴展的動態過程模擬為城市建設用地的水平運動過程中發現MCR模型在城市擴展模擬中與實際城市擴展存在較大差異[9],為此葉玉瑤等在MCR模型的基礎上進行方法創新,考慮到不同等級源的相對影響因子和生態障礙因素,構建適合于城市擴展模擬的生態阻力面模型[19],為城市擴展研究提供了更為切合實際的方法,但其只研究了一個時期的城市擴展現象,沒有預測城市未來的擴展趨勢。另外,國內學者對城市擴展的研究主要集中在內陸經濟發展較為快速的地區[9,17—20],對海岸帶城市擴展的研究較少,且在研究中運用MCR模型時很少考慮到源地內部的差異,也沒有模擬城市擴展過程。

本文在傳統研究的基礎上,采用多時相的研究方法[21],利用?？谑薪瓥|新區5個時期(1988年、2001年、2009年、2017年和2019年)的土地利用類型數據,在MCR模型的基礎上將源地內部生態阻力劃分等級,使得城市發展與生態保護有機地結合起來,從而在確保城市生態安全格局科學性的基礎上,以動態可視的角度分別模擬江東新區5個時期城市適宜性分區及擴展過程,綜合分析城市擴展現象時空演化規律,為研究區未來的城市發展提供參考。

1 研究區概況與數據

1.1 研究區概況

海口市江東新區東起東寨港(?？谛姓吔?,西至南渡江,北臨東海岸線,南至繞城高速二期和212省道[22],總面積約298 km2,包含33 km2的國際重要濕地東寨港國家級自然保護區。研究區陸域部分為瓊州海峽海岸線向南延伸至海南環城高速路和212省道的濱海陸地,水域部分主要由南渡江、東寨港兩大水域及河流、坑塘洼面等生態系統組成(圖1)。自設立海口江東新區,并將其作為建設中國(海南)自由貿易試驗區的重點先行區域以來,在相關政策的大力推動下,江東新區的城市建設用地擴展現象尤為突出[23]。

圖1 研究區區位圖

1.2 數據來源與預處理

本文選取的主要數據分別為1988年(海南建省)和2001年空間分辨率為30 m的TM影像數據、2009年空間分辨率為5 m的SPOT- 5全色影像數據、2017年和2019年空間分辨率為0.56 m的GOOGLE影像數據。經過對遙感影像的處理[24],實現5期影像的空間配準,使用裁剪工具確保5期影像區域范圍的統一性。由于遙感影像和自然實體對尺度均存在依賴性,在不同尺度下,同一地物的信息特征并不完全相同[25],為了保證影像解譯結果的一致性,先把2009年、2017年和2019年影像的空間分辨率均降為30 m,然后再采用面向對象的信息提取方法對5期影像進行解譯。為了驗證解譯精度,采用混淆矩陣(Confusion matrix)方法對解譯結果進行精度評價[26]。評價結果顯示總體精度均超過85%,且Kappa系數均超過0.80,滿足分類精度要求。依據海口市海岸帶土地利用特點及本文研究需求,參照《土地利用現狀分類》(GB/T 21010—2017)標準將研究區重新劃分為:耕地、園林草地、水域及濕地、建設用地和其他土地5大類[27]。其中水域及濕地包括各級河流水面、坑塘水面、灘涂、水庫等[28],建設用地包括各級建制鎮、村莊、商服用地、城鎮住宅用地、工礦倉儲用地、交通運輸用地等[29](表1)。

表1 海口市海岸帶土地利用重分類表

2 研究方法

2.1 MCR模型

最小累積阻力(Minimal cumulative resistance model,MCR)模型由荷蘭生態學家Knaapen等于1992年提出[30],最早應用于物種擴散過程的研究,后經國內學者俞孔堅等優化完善[31],現已將MCR模型拓展到城市擴展模擬的研究中[14,15,32—33]。其實質是模擬土地的水平運動,計算所有“源”到空間中任一點距離所需要的最小阻力值,以水平方向阻力值的大小為依據,判斷土地建設開發適宜性[14,32]?；竟饺缦?

(1)

式中,MCR表示最小阻力累積模型；fmin表示所有源到景觀i的最小阻力值；Dij表示從源j到景觀單元i的空間距離；Ri表示景觀單元i對運動過程的阻力系數。

2.2 UEER模型

在MCR模型基礎上引入不同等級源的相對阻力因子Kj,構建城市擴展的生態阻力面(Urban expansion ecological resistance,UEER)模型,模型考慮了4個方面的因素, 即源、源地等級、阻力特征和距離因素[9,19],基本公式如下:

(2)

式中,UEER表示源地擴展需要克服的最小生態累積阻力值,Dij表示源j到景觀單元i的距離大小,Ri表示景觀單元i對城市擴展過程的阻力系數,Kj表示源j作為某一等級的擴展源所對應的相對阻力因子。

將式(2)中計算出的建設用地擴展和生態用地擴展的最小生態累積阻力值相減,得到最小生態累積阻力差值。表達式為:

UEER差值=UEER建設-UEER生態

(3)

式中,UEER差值表示最小生態累積阻力差值。UEER差值綜合考慮源的等級以及生態障礙對于城市擴展的影響,體現了城市擴展水平過程所需克服的生態阻力[19,32],可根據UEER差值進行建設用地適宜性分區。

2.3 水文分析(Hydrology)模型

Hydrology模型常用于對數字高程模型 (Digital elevation model, DEM)的特征提取[33], DEM是通過對有限的地形高程數據實現地形曲面的數字化模擬,是進行流域地形分析和流域地物識別的基礎[34]。本文采用基于平面曲率提取地形特征線的方法將研究區UEER差值數據類比為DEM數據進行焦點統計均值鄰域分析,并據此區別出正負地形[16],同時對UEER差值數據進行反地形DEM處理及洼地填充處理,計算匯流累積量和流向,分別與正負地形相交得到建設用地適宜擴展路徑(谷線)及生態隔離帶(脊線)[35]。

3 結果與討論

3.1 阻力面評價指標體系的構建

3.1.1擴展源的選擇

“源”(Source)不僅是事物或事件向外擴散的起點和基點,也具有向四周擴展或吸引的能力,擴展能力或吸引能力的大小與“源”的性質和四周傳播媒介的性質有關[36]。根據本文研究內容及方法,選取建設用地和生態用地兩類擴展源[37]。參考前人研究[19,37—38],確定建設用地擴展“源”為海口市江東新區海岸帶建成區,包括城市建設用地、建制鎮、村莊、工礦用地等(圖2)；生態用地擴展“源”為研究區自然保護區(東寨港自然保護區)和各類濕地及水域等(圖3)。

圖2 建設用地擴展源地

圖3 生態用地擴展源地

3.1.2成本阻力面的構建

土地的空間異質性決定不同的土地單元具有不同的影響作用,從而具有不同的阻力系數,不同阻力系數在空間上的分布構成了阻力面[39]。本文將建設用地的成本阻力值表示為城市擴展的阻力值[40]。首先確定海口市江東新區的生態障礙包括三類,第一類是重要水域,包括各級水庫、河流以及坑塘水面；第二類是各級自然保護區如東寨港自然保護區；第三類是基本農田。這些為城市擴展過程中的剛性約束,建設用地擴展阻力等級應賦予最大值,生態用地則與建設用地相反賦予最小值。再從自然因素、區位因素、環境因素三方面建立建設用地及生態用地成本阻力的評價指標,結合本文研究主體為生態安全前提下的建設用地擴展,環境因素較與土地覆蓋和區位因素相比更為重要,權重為0.4,另兩類權重均為0.3[16,19,32](表2,表3)。依據式(1)分別構建建設用地(圖4)及生態用地的成本費用面(圖5)。

表3 生態源地擴展阻力評價體系

圖4 建設用地成本費用面

圖5 生態用地成本費用面

表2 建設源地擴展阻力評價體系

3.2 建設用地擴展適宜性分區分析

以建設用地成本費用面和生態用地成本費用面為基礎,將建設源地劃分3個等級,一級源為住宅用地、建制鎮、村莊等；二級源為各種交通運輸用地；三級源為其他建設用地包括設施農用地、工礦倉儲用地等,并對各個等級賦予相應的相對阻力因子Kj,一級源為0.85,二級源為0.90,三級源為0.95[19,39],相對阻力因子增大表明建設用地的擴展能力減弱。依據式(2)得出源地的最小生態累積阻力面,并根據式(3)可得到建設用地擴展過程中的最小生態累積阻力差值,表示建設用地擴展的綜合阻力,在此基礎上進行重分類。結合實際情況以自然間斷點分割法對UEER差值面進行閾值分類[40],將范圍重新分成5個區,得到研究區建設用地土地適宜性分區圖,分別為重點建設區、優化建設區、限制建設區、禁止建設區以及生態恢復區(圖6)。在ArcGIS中統計5個時期內各級建設區的面積(表4)。

圖6 土地適宜性分區圖

表4 建設用地適宜性分區統計

UEER差值小于0指建設用地擴展阻力小于生態用地擴展阻力,表現為適宜建設用地擴展,這些地區的共同特征是地形平坦、連續集群,與生態保護區相距較遠,包括重點建設區、優化建設區和限制建設區。UEER差值大于0指建設用地擴展阻力大于生態用地擴展阻力,表現為適宜生態用地擴展,含禁止建設區和生態恢復區,主要位于東寨港紅樹林自然保護區、南渡江岸及其周邊和基本農田,其作為區域生態安全的核心,維護了區域生態完整性,同時也是江東新區生態安全的保護屏障。從數值上看,1988年、2001年、2009年、2017年重點建設區的面積分別為:49.48 km2、55.02 km2、68.41 km2、75.96 km2,占研究區總面積的比重分別為:16.61%、18.46%、22.96%、25.49%。自海南建省至2017年重點建設區面積呈現出穩步增長的趨勢,其主要影響因素是該區域位于濱海地區,自然資源豐富,水陸交通便利,且人口穩步增長帶動的研究區經濟發展,使得研究區土地需求量增加,城市建設進程加快,建設用地擴展現象顯著；而到2019年重點建設區的面積又下降14.39 km2,占比減少4.83%,其主要受到2018年自貿港相關政策的影響,國家級生態保護區制約了城市建設用地的擴展。從空間分布上看,2017年前,研究區重點建設區逐漸由零散分布過渡到集中連片的“山”形分布,且有以美蘭機場等主要交通樞紐和中西部地區規模較大的居民區、商業區為中心向外擴展的趨勢。在江東新區西部南渡江附近的重點建設區分布較為集中,這表明靠近水域的建設用地在一定程度上能夠快速有效地增加城市集聚力,有利于城市的進一步擴展,同時受人類活動影響明顯,分布均勻且規律性極強。2017年后,自貿港政策的實施為后續的城市建設提供發展方向,使得2019年的重點建設區相較于2017年前更加注重江東新區內部區域的建設發展,例如劃分的濱海旅游度假區、桂林洋開發區、沿江生活區等。

3.3 建設用地擴展方向分析

由UEER差值得到的“谷線”實際上是生態成本面中阻力值相對于周邊阻力值較小形成的,是建設用地適宜擴展路徑,趨向于連接各主要建設用地,其連接的土地可重點開發為建設用地；“脊線”是阻力值相對于周邊阻力值較大形成的,是生態用地與建設用地之間的臨界線,生態效應顯著(圖7)。自海南建省以來,“谷線”分布逐漸單一化,“脊線”主要分布在大型自然保護區如東寨港紅樹林自然保護區,且“脊線”逐漸較“谷線”更長、分支更多且相互之間連接程度高,在建設用地擴展源之間穿越,生態隔離帶的生成打破了建設用地擴展的傳統模式。(1)1988—2001年間海口江東新區建設用地適宜擴展路徑幾乎遍布整個研究區,分布較雜亂且路徑普遍較短,兩期數據相比變化不大,這是由于海南建省初期各方面發展均處于起步階段,故研究區發展較為緩慢,變化不明顯。(2)2001—2009年間在東寨港附近地區出現另外一條較長的生態隔離帶,在一定程度上維護了東寨港的生態安全,在東寨港自然保護區以及附近的建設用地適宜擴展路徑明顯減少。另外,海岸帶及南渡江邊的生態隔離帶由零星的散狀分布變為連續的帶狀分布,這表明2006年發布的《海南省基本農田保護規定》已有顯著成效。(3)2009—2017年間建設用地適宜擴展路徑在空間上逐漸遠離東寨港自然保護區,且集中分布在保護區以西的地區,區域內生態隔離帶在數量上也有所減少；與生態隔離帶相比,建設用地適宜擴展路徑相對較短且更雜亂。(4)2017—2019年間生態隔離帶在數量上明顯增加,逐漸向優化建設區和限制建設區內部延伸,打破了建設用地適宜性區域集中連片的擴展態勢,且分布形式也逐步趨于多元化,其作為生態安全的底線,在城市化進程中應予以重視。(5)1988—2019年間在各種政策的引導下,建設用地和生態用地分布更加規范合理?？傮w來說,適宜擴展路徑和生態隔離帶都從密變疏,在數量上大幅減少,同時生態隔離帶也不斷侵入建設區,阻礙了城市建設適宜擴展路徑的發展進程。

圖7 “谷線”“脊線”示意圖

3.4 建設用地適宜性分區與實際對比分析

將研究區上一時期適宜性分區結果與下一時期實際建設用地進行疊加分析,并統計實際建設用地在各適宜性分區內的面積(表5)。

從實際建設用地在上一時期適宜性分區內的分布情況結果來看:(1)2001年實際建設用地總面積為50.15 km2,其中49.32%的建設用地分布在1988年適宜性分區的重點建設區,0.30%分布在禁止建設區和生態恢復區,侵占面積相對較小,主要集中在江東新區的濱海地區。(2)2009年建設用地已逐步向海岸帶擴展,且有向基本農田侵占的趨勢。該時期實際建設用地總面積達到74.51 km2,其中有34.88%分布在重點建設區,同比2001年減少了14.46%,建設在禁止建設區和生態恢復區的實際建設用地達到15.24 km2,占該時期現有建設用地的20.45%,同比2001年增長20.15%。該時期的城市擴展并不規范,因為東寨港自然保護區限制了附近區域建設用地的擴展格局,所以建設用地主要沿海岸帶擴展,其生態格局也因此發生變化,生態安全受到威脅。(3)2017年有51.37%的建設用地分布在重點建設區,且建設用地侵占禁止建設區和生態恢復區面積5.03 km2,占現有建設用地總面積的8.78%。建設用地主要沿著交通線擴展向內延伸侵占大量耕地,另外因政策對海岸帶生態格局保護力度加大,海岸帶及其附近的建設用地逐步向禁止建設區轉變。(4)2019年建設用地分布在重點建設區的面積為33.75 km2,占現有建設用地總面積的54.86%,同比2017年占比增加3.49%,侵占禁止建設區和優化生態區的建設用地面積為5.94 km2,占該時期研究區總建設用地面積9.66%,同比2017年占比增加0.88%。2018年?？诮瓥|新區正式設立,相關政策對農用地以及生態用地進行了保護管理,研究區生態格局逐漸優化,但并不明顯。(5)整體上建設用地面積由1988年建省時期的50.15 km2增長到61.52 km2,交通運輸道路明顯增加,居民用地逐漸集聚化,建設用地分配也在逐漸合理化,同時建設在重點建設區的面積占比由2001年的49.32%減少到2019年的34.19%,侵占禁止建設區和生態恢復區的建設用地面積由2001年的0.15 km2增長到2019年的9.63 km2,占比由0.30%增長到15.65%,主要分布在沿江沿海地區,生態安全依然存在隱患,但為滿足城市發展需要,研究區的城市擴展現象整體上呈現符合城市發展標準的態勢。

4 結論

本研究將UEER模型和Hydrology模型相結合,提取建設用地擴展過程中生態阻力面特征,劃定適宜性分區以探討建設用地適宜擴展空間,同時建立生態隔離帶和適宜擴展路徑來描述城市擴展方向,得出以下結論:

(1)1988年以來,研究區重點建設區的面積整體上呈增長趨勢,且主要以交通樞紐和規模較大的居民區、商業區為中心向外擴展。研究區重點建設區表現出“攤大餅”式蔓延格局,2017年前研究區重點建設區大規模地沿美蘭機場和居民區向外擴展,由于2018年海南自貿港政策的實施改變了這一現狀,使得2019年的重點建設區相較于2017年前更加規范合理,國家級生態保護區的生態安全得到有力保障。

(2)在研究時域內,研究區城市是沿著適宜擴展路徑進行擴展的,城市擴展因受制于生態隔離帶,非直接與相鄰建設用地相連。由“適宜擴展路徑”引導建設用地優化開發,避免盲目的向外擴展,而沿“適宜擴展路徑”擴展的建設用地,并不與相鄰建設用地直接相連,生態隔離帶的存在打破了適宜性區域集中連片的擴展態勢。

(3)由于東寨港紅樹林自然保護區的存在,使得研究區東海岸以東寨港紅樹林自然保護區為中心形成的片狀區域是生態安全核心區域。在研究時域內研究區生態用地逐步向建設用地滲入,這與研究區保護生態環境的建設理念基本相符?；凇逗Ｄ献杂少Q易港建設總體方案》中提到的創新生態文明體制機制,在一定程度上使研究區的生態風險逐漸減小。

(4)研究區建設用地擴展現象受政策因素影響較大,生態格局依舊需要優化。綜合分析城市擴展格局發現,海岸帶及其附近的建設用地已逐步向生態用地演變,且居民用地逐漸集聚化,整體上逐漸規范化,但現有建設用地在禁止建設區和生態恢復區內面積占總建設面積的比重由0.30%增長到15.65%,面積增長了9.48km2,生態安全問題依舊存在。

(5)綜合考慮生態安全的影響因素,針對研究區海岸帶城市擴展提出以下建議:一是城市建設用地在擴展過程中應嚴格控制在生態隔離帶以內,并且與生態用地之間建立緩沖區,避免盲目擴展。二是禁止建設區應注重該區域內的生態保護,生態恢復區作為生態安全屏障應禁止一切建設開發并適當擴大其規模,實現地區的可持續發展。