2000-2020年平潭綜合實驗區景觀格局動態變化及驅動力分析

2023-06-20 16:16:50楊巧琦劉玲林灼镕吳小剛

臺灣農業探索 2023年1期

楊巧琦　劉玲　林灼镕　吳小剛

摘要：【目的／意義】分析平潭綜合實驗區20年間景觀格局動態變化及其驅動力因素，以期從景觀格局角度為今后實驗區的景觀環境資源的合理利用和保護提供策略依據。【方法／過程】以2000年、2010年、2020年3期的30m分辨率的全球地表覆蓋產品GlobeLand30為數據源，將土地覆被類型分為7類，計算景觀格局指數，分析景觀格局動態變化，并結合主成分分析法對驅動力因素進行探討。【結果／結論】結果顯示：在2000- 2010年間，平潭綜合實驗區各項景觀類型指數差異值相對較小，主要表現在建設用地的增加，以及林地、草地等生態用地的減少；2010- 2020年間，從景觀水平看，實驗區分維數、蔓延度指數持續下降，香農多樣性指數明顯增加，景觀破碎度態勢嚴重，人為活動干擾對當地景觀格局的影響較大；森林景觀類型面積在2010- 2020年間明顯增多，斑塊數量大幅下降，斑塊凝聚度值升高，森林景觀類型的破碎化程度降低；濕地與水域的景觀類型斑塊類型面積在2010- 2020年間呈現下降趨勢，周長面積分維數與斑塊凝聚度值降低，斑塊邊界形狀趨于簡單，內部自然鏈接程度下降。驅動因素分析表明，社會經濟因素和政策因素均在很大程度上直接影響平潭綜合實驗區景觀格局的動態變化。

關鍵詞：平潭綜合實驗區；景觀格局；動態變化分析；驅動力分析

中圖分類號：F323.21 文獻標志碼：A 文章編號：16735617 （2023） 01-007908

城市的可持續發展依賴于生態環境的可持續發展，景觀生態學理論是解決城市生態問題的重要手段之一。景觀格局（Landscape pattem）是指景觀組成的單元類型、數目以及空間分布與配置，反映了景觀的空間結構特征[1]，是不同生態過程和空間尺度景觀格局疊加的結果[2]。通過對景觀格局動態變化的分析，可以直觀地展現城市發展的結構形態[3]；有助于對有限的土地資源進行更為合理的利用和保護，實現經濟社會和生態環境的可持續發展。

1939年，景觀生態學由德國學者Troll首次提出。此后，景觀格局方面的研究不斷深入，逐漸成為景觀生態學的核心研究內容。目前，國際上關于景觀格局的研究主要分為歐洲和北美兩大學派。前者強調應用，提倡研究的統籌性，主要以Naveh等[4]為代表；北美學派則強調空間結構和模型分析，主要以Zonneveld等[5]為代表。與此同時，景觀格局的研究也從早期關注景觀格局的結構特征轉向關注景觀格局的動態變化、演化模式和驅動機制等[6]。國內對景觀格局的研究始于20世紀90年代。謝志霄等[7]利用景觀格局指數對沈陽西郊的景觀格局進行了定量分析，拉開了國內景觀格局研究與發展的序幕。在早期的景觀格局變化研究中，通常以農林和濕地兩大生態系統為主要研究對象，郭晉平等[8]應用GIS技術結合景觀生態學原理，對關帝山林區森林景觀空間分布格局進行了分析研究。王憲禮等[9]利用RS和GIS對遼河三角洲景觀格局的異質性進行了分析和探討。進入21世紀，流域、城市、沙漠、綠洲等研究領域逐漸成為國內學者的研究對象，對不同地域、不同自然景觀格局變化的研究逐漸增多。孫才志等[10]對遼河平原1980-2010年地表景觀格局的分布特征進行分析，利用Logistic回歸模型分析不同時間段下景觀格局演變的驅動機制。陽文銳[11]通過RS解譯建立了2003、2007和2011年北京市土地利用覆蓋空間數據，利用Fragstats對景觀格局特征指數進行了計算和分析，研究了北京市城市景觀格局時空變化特征，并分析其景觀格局變化的驅動力因素。近年來，隨著城市化的快速進程和科學技術的日益發展，城市面貌不斷更新，景觀格局的相關研究也越來越多，并取得了大量的研究成果，完成了對景觀格局演變過程、功能結構和動態預測的綜合研究。綜上所述，目前國內關于海島型城市景觀格局的研究較少，大多數的研究圍繞著海島開發規劃、海島生態環境監測、海島土地利用變化等展開。本文嘗試從上述研究薄弱點出發，對海島型城市的平潭綜合實驗區展開景觀格局的動態變化研究，基于研究區2000、2010、2020年的GlobeLand30土地覆蓋數據，計算多個景觀空間格局指數，定量分析景觀格局特征，探討不同類型景觀格局指數對平潭整體生態效益的影響，分析其景觀格局變化的主要驅動力，以期從景觀格局角度出發，為今后實驗區景觀環境資源的合理利用和保護提供策略依據，并在一定程度上完善現有海島城市景觀格局研究的不足。

1 研究區概況

平潭島位于福建省東部沿海地區，是中國第五大島嶼，福建省第一大島嶼，由126個島嶼組成，陸地面積為371.91 km2，海岸線長399.82 km。它與臺灣島隔海相望，是大陸與臺灣距離最近的地方。2009年，福建省委提出建設海峽兩岸區域合作交流平臺，努力將平潭綜合實驗區建設成為探索兩岸合作新模式的示范區和海峽西岸經濟區科學發展的先行區。綜合實驗區建成后，平潭島進入了快速城市化階段。區域人口的增長和社會經濟的快速發展給當地脆弱的海島生態環境帶來了前所未有的挑戰。人類活動使該地區的土地利用類型和景觀格局發生了巨大變化，區域環境問題日益突出，制約了區域的可持續發展。

2 研究方法

2.1 數據來源與處理

本文使用分辨率為30 m的全球土地覆蓋產品GlobeLand30作為數據源。該數據的總體準確度為80.30%，中國國內的總體準確率為82.39%[12-13]。結合平潭綜合實驗區的景觀類型特點，將其景觀類型劃分為耕地、森林、草地、濕地、水體，建設用地和未利用地7類。通過分別導人ArcGis將研究區域進行掩膜提取和重分類，得到2000-2020年土地覆蓋類型動態演變結果；之后將生成的土地覆蓋類型圖分別轉為GeoTiff格式文件，導入Fragstats 4.2軟件中進行景觀格局指數的計算。文中社會經濟主要指標數據來源于2001、2011、2021年中國縣域統計年鑒。

2.2 景觀格局指數的選取

景觀格局指數包含了景觀格局的基本信息。通過比較不同時期景觀格局指數的結果，可以對景觀格局及其變化進行描述[14]，從而建立景觀格局與景觀過程之間的關系。這是學術界在景觀生態學研究中認可的一種定量研究方、法[15-16]。目前最受認可的分類標準是根據景觀生態學基本原理，將景觀格局指數分為斑塊水平、類型水平和景觀水平三大類[17]。但在實際的研究中，斑塊基本是以景觀類型來區分的。因此，在很多情況下景觀格局指數一般考慮選擇類型和景觀兩大類。

參照前人對指標選取的經驗，本文選取景觀尺度和斑塊類型尺度兩種指數類型[18-19]，如表1所示。其中，景觀尺度包括斑塊數量（ NP）、周長一面積分維數（ PAFRAC）、香農多樣性指數（SHDI）和蔓延度指數（ CONTAG）；斑塊類型尺度包括景觀類型面積（ CA）、斑塊數量（NP）、斑塊密度（PD）、周長一面積分維數（ PAFRAC）以及斑塊凝聚度（COHESION）。

2.3 驅動力分析指標選取

影響景觀格局時空演變的驅動因素很多。大多數學者主要將其分為兩類：自然因素和人為因素[20]。在較小的時空尺度下，相對穩定的自然因子對景觀格局變化有約束作用，而不斷變化的人為因素是影響景觀格局變化的主要因素。由于本研究的時空尺度較小，主要研究其相關人為因素的影響[21]，包括人口、經濟、政策等。本文基于其他學者的研究[22]及可獲得的數據，選取了平潭綜合實驗區2000、2010、2020年的總人口、非農人口、GDP、一產產值、二產產值、三產產值和地方一般公共預算收入指標，在SPSS 26.0的支持下，采用主成分分析法篩選景觀格局變化的影響因素。

3 結果與分析

3.1 平潭綜合實驗區土地覆蓋類型動態變化分析

根據3期土地覆蓋類型（圖1）可以看出：（1）平潭綜合實驗區2000年主要的用地類型為耕地，其耕地由北至南貫穿分布于整個平潭島。林地次之，主要分布于北部、東北部和西部山區。建成區主要分布在中東部，為平潭縣城所在地，城市化建設較完善，建筑用地聚集度高；其余大部分區域以村莊為主，分布較為分散。（2） 2000-2020年期間，其建成區的用地面積逐步外擴，新城區建設主要向西南方向擴張，面積增長接近兩倍，島內交通路網的規劃建設也愈加完善；隨著城市建設和植樹造林工程的開展，耕地類型主要轉化為建設用地與林地；水體的分布較為分散，主要以水產養殖產地、湖泊和濕地等形式分布于北部、中部和中南部地區，其西南部水域因填海造陸工程轉化為了建設用地。

3.2 平潭綜合實驗區景觀格局景觀水平分析

從研究區景觀水平的景觀格局指數計算結果（表2）可以看出，20年間平潭綜合實驗區的斑塊數量（ NP）總體呈現上升趨勢，景觀斑塊總數可以反映研究區域內的整體景觀破碎度，景觀斑塊個數的增加說明研究區域在城鎮化進程中景觀破碎度加劇，物種間穩定性降低。周長一面積分維數（ PAFRAC）指景觀不規則幾何形狀的非整數維數，反映景觀形狀復雜程度[23]，研究區20年間分維數的持續下降表明該區域景觀形狀趨于規則化，說明了其土地利用與開發正在變得由點及面的規模化。香農多樣性指數（ SHDI）能反映景觀的空間異質性，其值為0表示該景觀僅由一個大的斑塊組成，值越大表明該地區土地利用類型越豐富，各斑塊的均衡化趨勢越明顯[24]。在景觀系統中，土地利用類型越為豐富，破碎化程度越高，計算的SHDI值越高[25]。研究區2000-2010年間，香農多樣性指數從0.6512增加到0.6601；而2010-2020年間，香農多樣性指數從0.6601增加到1.5696。可見，自2009年平潭綜合實驗區正式設立后，2010-2020年間當地土地利用類型增多，破碎化程度明顯提高。蔓延度指數（ CONTAG）描述了景觀中不同斑塊類型的聚集程度或擴展趨勢。一般來說，較高的CONTAG值表明景觀中某一優勢斑塊類型已形成良好的連通性；反之，則表明景觀破碎化程度較高[26-27]。20年間，研究區的蔓延度指數從2000年的82.2821下降到2010年的81.0359，再下降到了2020年的47.9064，降幅極大；說明研究區在2010-2020年間破碎度極大地上升。作為優勢景觀的農田，由于受到建設用地、綠地等景觀類型的侵占、分割，由比較完整的整體逐漸分割成互不連通的大斑塊，降低了連通度，導致各區域之間生態交流受到一定阻礙。以上4個指標的變化趨勢表明，在2010-2020年這10年的發展過程中，整個研究區景觀破碎化嚴重，景觀連通性降低，土地利用類型增加。人類活動的干擾對景觀的影響極大，這在一定程度上反映了城市化的快速發展。

3.3 平潭綜合實驗區景觀格局類型水平分析

從研究區類型水平的景觀格局指數計算結果（表3）可以看出：2000-2020年間，耕地景觀斑塊類型面積（ CA）總體上呈現下降趨勢，2010-2020年，從13779.72 hm2下降到10951.92 hm2，下降了2827.80 hm2；而森林景觀斑塊面積在2010-2020年間，從6484.5 hm2增加到了8120.07 hm2，森林的斑塊數量（ NP）在2010-2020年間大幅下降，斑塊凝聚度（COHESION）值升高。研究區森林景觀類型破碎化程度降低，強化了各生態系統之間的功能關系，為生物多樣性保護提供了有利條件。

在建設用地景觀類型上，其建設用地景觀類型面積從2010年的3360.87 hm2增至2020年的6916.14 hm2，增幅高達105%。2010-2020年間，其建設用地的斑塊密度（ PD）也有了大幅增長，而周長一面積分維數（ PAFRAC）則明顯下降，表明研究區的建設用地景觀類型形狀趨于規則化。在大量自然生態景觀轉化為人工城市景觀的過程中，研究區的景觀格局發生了較大的變化，景觀破碎程度大為加劇。

在濕地與水域的景觀類型上，二者斑塊類型面積（ CA）在2010-2020年間呈現下降趨勢，其主要原因與填海造地的規劃建設有關。研究區濕地與水域的周長一面積分維數（ PAFRAC）呈下降趨勢，斑塊邊界形狀趨于簡單，內部自然鏈接程度降低。人工且規則的景觀斑塊邊界對生物的交流和生態物質的交換均具有阻礙作用，對生態系統造成了不利因素。

4 平潭綜合實驗區景觀格局變化驅動力分析

4.1 社會經濟因素

在社會經濟方面，從表4和圖2可以清楚地看出，2000-2020年間，平潭綜合實驗區經濟發展保持增長趨勢。GDP由2000年的30.98億元增長至2020年的301.43億元；其中2000-2010年增長率為189%，2010-2020年增長率為236%。從各產業產值來看，第一產業發展相對緩慢，二、三產業呈高速發展；此外第三產業逐漸發展為主導地位，形成“三、二、一”的產業格局（圖3）。在地方財政公共預算收入方面，由2000年的6796萬元增至2020年的54.60億元，20年間增長率達793%。在人口方面，2020年末全區總人口約45萬人，常住人口46萬人，城鎮化率為51.5%。

將其各項社會經濟指標數據導入SPSS 26.0進行主成分分析，研究所選的驅動力因素能夠綜合提取出第一主成分，其特征值>1，累積貢獻率為96.587%，大于90%，表明第一主成分能夠覆蓋大量的原始變量信息，能夠很好地解釋景觀格局變化的驅動力因素。同時，通過計算得到主成分的相關系數矩陣可知，總人口為0.998、非農業人口為0.976、GDP為1、一產產值為0.917、二產產值為0.999、三產產值為0.995、地方一般公共預算收入為0.991。可見，所選指標都在很大程度上影響了研究區景觀格局的變化。

社會經濟的蓬勃發展吸引了大量的就業人口，同時也增加了對基礎設施建設、工業和住宅用地的需求。城市建設用地逐步擴張，工業持續發展，導致閑置土地開發強度加大，生態用地被侵占。進一步加劇了景觀破碎化程度。社會經濟因素是導致景觀格局變化的主要因素。

4.2 政策因素

一方面，海峽西岸經濟區建設有效刺激了平潭綜合實驗區的經濟發展，建設用地景觀類型大幅增加。2009年5月，《國務院關于支持福建省加快建設海峽西岸經濟區的若干意見》（國發[2009] 24號）正式發布，標志著海峽西岸經濟區建設從區域戰略上升到國家戰略。2009年7月，平潭綜合實驗區正式建立，福建省委提出要努力把海峽西岸經濟區建設成為科學發展的先行區和兩岸人民交流合作的先行區，平潭位于西海岸的最前沿，是西海岸開發的最佳突破口。按照該地的建設規劃，2009-2012年為開發起步階段，2013-2020進入全面開發階段。由此，當地開展了大量的城市基礎設施建設，建設用地逐步擴大，西南地區原為海域，將按《平潭綜合實驗區總體規劃（ 2010-2030）》方案[28]要求進行填海造地，建成港口經濟貿易區，中部擬建高新技術產業區。新城區建設向西南蔓延，因此建設用地主要向西南方向擴張，其濕地、耕地面積等生態用地被進一步蠶食。另一方面，福建省持續推進林業改革發展的政策促進了平潭綜合實驗區林域面積的增加。“十二五”與“十三五”期間，福建省政府全方面推進林業改革，植樹造林、退耕還林等舉措極大促進了森林景觀斑塊類型面積大幅增長。同時，平潭綜合實驗區高度重視生態建設，實施沿海防護林體系建設，強化森林資源保護。2019年，平潭被授予“國家森林城市”稱號；2020年末，平潭綜合實驗區森林覆蓋率達到了38.85%[29]。總而言之，政策因素在規劃、引導和制約城市景觀格局方面起著重要作用，實驗區景觀格局演變方向和特征與地方政策體系密切相關。

5 結論與建議

5.1 結論

綜上所述，在2000-2010年間，研究區城市化進程整體相對緩慢，各項景觀類型指數差異值較小。自2009年平潭綜合實驗區正式建立以及2010年平潭海峽大橋建成以來，隨著建成區的擴張與城鎮化進程的加快，大量的自然生態景觀轉變為人工城市景觀，景觀破碎化程度嚴重加劇，景觀斑塊之間的連通性逐漸下降，斑塊形狀趨于規則化。這種現象將導致景觀中的物質、能量的流動和物種之間的交流產生一定的阻隔作用，對生態環境造成一定程度的破壞。在景觀格局演變的驅動力方面，社會經濟發展、人口規模增加、政策因素及其政策導向下的城市總體規劃的實施是平潭綜合實驗區景觀格局演變的主要驅動力，各項驅動力共同作用形成了景觀格局變化的合力。

5.2 建議

針對上述結論提出如下幾點建議：（1）隨著平潭綜合實驗區的經濟發展和戰略部署，建成區的擴張不可避免地占用了部分生態用地，加劇了人地矛盾。在未來的發展中，應建立各類土地之間的生態緩沖區，加大城市微環境建設力度；做好既有綠地保護工作，增加道路、公園和建筑綠地，建設綠色廊道；同時，增添點狀和塊狀的綠地，從而增加綠地斑塊數量，豐富綠地結構類型，提高實驗區生物多樣性；加強對現有景觀格局的保護，及時控制實驗區景觀破碎化加劇的趨勢；科學制定城市發展規劃，加強政府控制規劃實施的能力，促進城市合理有序發展。（2）繼續加強植樹造林、退耕還林的力度。在“十二五”與“十三五”期間，平潭綜合實驗區森林面積明顯增大，森林景觀類型破碎度降低，斑塊連通性增強，植樹造林取得了明顯成效。接下來應繼續大力保護森林資源，重點保護各類生態保護區，優化平潭綜合實驗區海島生態環境。（3）加強濕地保護，擴大濕地面積。制止對濕地生態系統的占用和破壞，進一步加強對實驗區現有的濕地進行保護，建設濕地公園，完善保護體系，恢復和完善實驗區的濕地生態系統。

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