基于土地利用變化的中國東部沿海城市景觀生態風險評估

李洪慶,程飛飛,宋紅艷,陳明慧

(河海大學公共管理學院,江蘇 南京 211100)

土地結構是社會經濟狀況、政策與環境共同作用的結果,土地利用變化與生態問題息息相關[1-2]。沿海地區快速城市化和工業化的發展使得城市土地結構發生了較大的變化。如海口市海岸帶城市建設和臨港產業的發展,造成林地和水域不僅面積減少而且更加破碎、分離[3],研究區生態風險增加;湛江市沿海紅樹林景觀被砍伐,造成生物多樣性喪失的同時降低了生態系統的服務價值[4]。景觀具有高度異質性[5]的特征,不同的土地利用類型可以視為不同的景觀類型[6],組成景觀的空間組分(斑塊)在受到人類活動的干擾時以不同的速度和強度發生變化。人類的經濟開發活動主要是在景觀層次上進行的,這就使得生態風險評價可以通過景觀這一要素衡量[7-8]。目前對于沿海城市土地的研究主要集中在土地演變[9]、協調發展[10]兩方面:①土地演變表征城市擴張研究方面,王德智等[11]、何華春等[12]、吳琛璐等[13]分別采用土地利用轉移矩陣、土地利用動態度模型等方法對海口市、鹽城市、福建省等海岸帶土地利用時空變化及轉移特征、驅動力等進行了研究;②協調發展表征海岸帶復合系統特征研究方面,應超等[14]、黃麗華等[15]、常亮[16]分別采用耦合協調度模型對溫州市、廈門港、大連海岸帶等經濟發展與生態環境的關系進行了研究。相關研究為沿海城市的土地利用、生態經濟社會協調發展、國土空間規劃等提供了科學的建議,同時指出不合理的土地利用方式和開發強度影響了區域景觀結構[17],改變了生態系統的格局[18]并威脅著區域生態環境的安全[19]。

景觀生態風險評價以土地利用格局為風險綜合體,能反映一個地區景觀生態系統的潛在風險或威脅程度[20]。基于土地利用變化的景觀生態風險動態評價可以反映人類活動破壞生態系統結構、影響生態系統功能的程度,從而為風險管控提供有效手段[21],應用較為廣泛的為基于風險源匯[22]和景觀格局[23]的生態風險評價。其中,景觀格局指數可以量化描述景觀格局在結構、面積、形態上的特征[24],景觀格局指數分析法能夠增強對景觀異質性和生態系統脆弱性的關注[25]。而從景觀生態學角度出發,分別借助景觀干擾度指數和脆弱度指數構建景觀生態風險評估模型,可以反映區域生態系統受到的外部干擾和自身抵御外部干擾的能力[26]。目前國內外景觀生態風險評價對象主要圍繞流域[27]、海岸帶[28]、濕地[29]、盆地[30]、老城區[31]、生態脆弱區、生態敏感區展開。研究發現,由于城市無序擴張、退耕還濕、海洋戰略等政策的實施,耕地和未利用地面積減少,建設用地面積增加,沿海地區景觀趨于復雜和分散,破碎化程度加劇,加重了生態風險程度[32-34]。

依靠沿海優勢,東部沿海地區經濟得到了快速的發展,帶動了中國經濟的持續強勁增長,2022年東部沿海八省兩市一區(遼寧省、河北省、山東省、江蘇省、浙江省、福建省、廣東省、海南省、天津市、上海市、廣西壯族自治區)GDP總量約占全國GDP總量的70%。隨著東部沿海地區人口的增加和快速的城市化,造成濱海濕地圍墾與沿海林地過度利用,沿海城市土地利用結構和區域景觀格局發生了巨大的變化[35],直接或間接地加劇了自然景觀的破碎化[36]進程,造成海洋資源開發與利用的空間爭奪、海岸工程大規模建設損害海域生態環境、沿海資源開發的多元主體因利益失衡潛藏社會沖突、濱海區內部多個功能區之間及其與老城區之間缺乏聯動等一系列問題,對東部沿海城市經濟可持續發展和海洋生態環境保護產生了巨大的影響和壓力[37]。本文以中國東部沿海53個城市為研究對象,基于2010年、2015年、2020年土地利用變化數據,探究城市土地利用變化規律,評價不同城市生態風險時空演變特征,以期為東部沿海區域國土空間規劃、生態分區管控提供理論支撐。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

本文研究范圍北起鴨綠江口,南至北侖河口,包括遼寧省的大連市、丹東市、錦州市、營口市、盤錦市、葫蘆島市,河北省的唐山市、秦皇島市、滄州市,天津市,山東省的青島市、東營市、煙臺市、濰坊市、威海市、日照市、濱州市,江蘇省的南通市、連云港市、鹽城市,上海市,浙江省的杭州市、寧波市、溫州市、嘉興市、紹興市、舟山市、臺州市,福建省的福州市、廈門市、莆田市、泉州市、漳州市、寧德市,廣東省的廣州市、深圳市、珠海市、汕頭市、江門市、湛江市、茂名市、惠州市、汕尾市、陽江市、東莞市、中山市、潮州市、揭陽市,廣西壯族自治區的北海市、防城港市、欽州市,海南省海口市、三亞市等53個沿海城市,由于數據獲取原因,研究區域不涉及港澳臺地區。

憑借臨海的區位優勢,東部沿海地區對外經濟聯系十分便利,城市發展迅速,從北至南形成了環渤海經濟區、長江三角洲經濟區、海峽兩岸經濟區、珠江三角洲經濟區。同時東部沿海地區受海洋影響,氣候宜人,吸引了大量的人口[38]。由于東部沿海地區是中國經濟最發達、人口承載力最高的區域,在可持續發展方面面臨著嚴峻的挑戰。自1970年以來,中國圍海造地面積已高達6600km2,自然海岸線長度從20世紀40年代的14800km驟降到2020年的6000km,濱海灘涂面積損失約2.19萬km2,2010—2018年,渤海周邊城市化面積又增長了近30.96%[39]。20世紀80年代以來,自然岸線保有率低、濕地資源萎縮、生物多樣性減少等問題逐漸顯現[40],導致城市生態服務功能降低,土地碎片化,生態災害頻發[41]。

1.2 數據來源與處理

行政區劃數據(地市和縣級)來源于國家基礎地理信息中心2020版矢量地圖數據(www.webmap.cn),考慮到 2010—2020 年研究區的縣區級行政區劃有所調整,為保持數據的一致性和可比性,各時期均統一采用2020年的地市、縣區行政邊界作為行政分區。2010年、2015年和2020年的土地利用數據從中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn)獲取[42]。2010年的遙感解譯為Landsat-TM/ETM遙感影像數據,2015年、2020年土地利用/覆蓋數據更新為Landsat 8 遙感影像數據。

遙感解譯識別土地利用類型包括了水田、旱地、河渠、湖泊、灘涂、海洋等26種。為了研究需要,根據土地資源及其利用屬性,將其歸為6大類,見表1。

表1 土地利用數據分類

表2 2010—2020年沿海城市景觀生態風險分布

2 研究方法

2.1 土地利用變化

根據不同時期的土地利用數據,采用疊加代數計算形成東部沿海地區土地利用轉移矩陣,計算2010—2020年各土地利用的變化量,并以和弦圖表示。

2.2 景觀格局指數

基于王泉斌等[43-44]的研究結果,運用Fragstats3.2軟件計算不同城市不同景觀類型的斑塊數量、總面積、周長,以反映景觀結構、面積和形態特征。

2.3 景觀生態風險評價

2.3.1評價單元劃分

風險評價單元主要分為行政邊界類[45],地貌、流域類[46]和網格類[47]3類。以行政邊界劃分風險單元的方法多用于人類活動密集區域,如海岸帶地區、沿海城市,便于土地利用生態風險管理措施的制定和實施[48]。鑒于研究區尺度跨度大,且海南省海口市、三亞市與大陸海岸帶在空間上不相鄰,因此將城市行政邊界作為風險評價單元。

2.3.2景觀生態風險評價模型

景觀生態風險評價模型中,廣泛應用生態風險值與風險發生概率的乘積表示景觀生態風險[49],風險發生概率一般采用某一土地利用類型面積占風險評價單元總面積的比值表示;生態風險值也稱景觀損失度,通常由景觀干擾度和景觀脆弱度表征。

a.景觀干擾度指數Si表征不同景觀組成部分在城市化過程中遭受的人為干擾程度,如人口密度帶來的資源和環境的變化[50]。而景觀干擾度通常又由破碎度、連通性、形狀變化等反映。景觀破碎度指數Ci表征景觀成分復雜和不連續的程度,反映人類活動的改變引起城市生態系統的變化[51]程度,表明景觀類型在自然或人為干擾下由連續的整體斑塊向復雜的不連續斑塊轉變的過程。景觀分離度指數Ni表征了斑塊的分散程度,反映了外界干擾對城市生態網絡結構的影響。景觀分維度指數Di強調斑塊的幾何規律性,反映了斑塊形狀的復雜性、不規則性。東部沿海城市由于人口活動強度大、經濟活動密集,城市景觀更容易被打破和嚴重支離破碎。景觀破碎度指數、景觀分離度指數、景觀分維度指數和景觀干擾度指數計算公式如下:

Ci=ni/Ai

(1)

(2)

(3)

Si=aCi+bNi+cDi

(4)

其中

a+b+c= 1

式中:a、b、c為權重,根據Mo等[52]的研究結果,a=0.5,b=0.3,c=0.2;Ai為景觀類型i的面積;ni為景觀類型i的斑塊數量;A為景觀總面積;Pi為景觀類型i的周長。Si的大小與景觀受人為干擾程度大小成正比;Ci反映景觀生態系統的碎片化程度,其值越大,相應評價單元越不穩定;Ni的大小與景觀類型空間分布的復雜程度成正比;Di的取值范圍為 1～2,其值越大,景觀斑塊的形狀越復雜,當Di< 1.5 時,貼片形狀相對簡單,當Di= 1.5時,貼片處于布朗隨機運動狀態,穩定性較差,當Di>1.5 時,補丁形狀復雜。

b.景觀脆弱度指數Fi反映了不同景觀類型對外部干擾的敏感性,其程度與景觀生態系統演替階段有關。根據Lin等[53]的研究結果,結合研究區的特點,將景觀類型按照脆弱性從高到低賦值為:6(未利用地)、5(水域)、4(耕地)、3(草地)、2(林地)、1(建設用地),經歸一化計算得到Fi。

c.景觀生態風險指數E是從格局-過程視角出發,根據景觀損失度和風險發生概率的乘積得到的,用來表征東部沿海城市的脆弱性和受干擾程度[47,49]。系統分析東部沿海城市景觀生態風險分布,比較東部沿海城市景觀生態風險等級,根據景觀生態風險指數大小,將景觀生態風險分為5個級別:高(E>0.039)、中高(0.036

(5)

其中

Ri=SiFi

式中:Aki為第k個城市內景觀類型i的面積;Ak為第k個城市的總面積;Ri為景觀損失度。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化

圖1 沿海城市土地利用空間分布

東部沿海城市土地利用主要類型是耕地、林地、建設用地,分別占土地總面積的40.71%、34.47%和12.79%。從整個宏觀格局來看,東部沿海城市帶以長江口、杭州灣為界,長江口、杭州灣以北多耕地,杭州灣以南多林地、農村居民點和工礦交通用地。建設用地主要集中于地勢平坦的華北平原、長江三角洲平原和珠江三角洲平原;草地面積占5.13%,主要分布于山東沿海城市的黃河三角洲地區、東部山地區域和福建沿海城市大部分地區;水域面積占6.80%,多分布于遼寧省沿海城市、天津市、河北省沿海城市、江蘇省沿海城市和浙江省沿海城市;未利用地面積占比僅為0.11%,零星分布在岸線附近。整體上,東部沿海城市帶土地利用呈現以北耕南林為主的陸域多類型混合區域的宏觀格局特征(圖 1)。北方耕地占比多,耕地抵御外界干擾的能力弱于林地,生態脆弱性高于南方。從城市來看,耕地占比較大的城市主要有河北省滄州市,山東省濱州市、東營市、濰坊市,江蘇省連云港市、鹽城市、南通市;林地占比較大的城市主要有遼寧省丹東市,浙江省杭州市、溫州市,福建省福州市、寧德市,廣東省惠州市、陽江市、江門市,廣西壯族自治區防城港市。2015—2020年環渤海地區建設用地和水域增加較多,位于城市中心周邊地區和臨海區域的建筑用地增加較明顯;渤海灣和萊州灣的人工濕地、濕地自然保護區增加較明顯。2015—2020年江蘇省沿海三市土地開發現象加劇,表現為耕地與建設用地間的劇烈轉換,耕地占城市土地總面積的比重均最大,但在“十三五”期間耕地逐漸縮減,建設用地不是圍繞城市中心集中連片式增加,而是呈現散團式鑲嵌、遍地開花式擴張的態勢。上海市西南部及南部地區單一成片的耕地則轉化為建設用地、草地等,地區景觀異質性有所提高。沿南海城市土地利用變化幅度較小,主要變化集中在珠江口地區,以深圳市為代表,“十三五”期間建設用地面積稍有增加。

圖2 2010—2020年沿海城市土地利用面積

從圖 2可以看出,2010—2020年不同的土地利用類型變化程度不同:耕地面積減少5769.33km2,減少幅度為3.16%,減少幅度在所有土地利用類型中最大,平均減少速度為576.93km2/a;林地在2010—2015年減少速度為124.38km2/a,面積減少513.45km2,減少幅度為0.34%,在2015—2020年面積基本保持穩定。草地、水域、建設用地、未利用地面積均在增加,其中建設用地增加了3907.29km2,上升了7.58%。

圖 3顯示,2010—2020年東部沿海城市耕地區域轉變為城市建設用地的比例最高,共計7234.86km2;退耕還林土地面積為2401.7km2,耕地轉變為水域面積為1569.01km2,耕地轉變為草地、未利用地面積分別為706.12km2和196.07km2。

圖3 2010—2020年沿海城市土地利用轉移和弦圖

3.2 景觀格局特征

在Fragstats3.2軟件中采用土地利用數據計算各地級市的景觀格局指數,得到不同城市不同景觀類型的斑塊數量、總面積和周長,由式(1)(2)(3)可計算得到研究區景觀破碎度指數、景觀分離度指數、景觀分維度指數時空分布結果,如圖4～6所示。

圖4 2010—2020年沿海城市景觀破碎度指數時空變化

由圖4和圖5可以看出,研究區景觀破碎度指數和景觀分離度指數在空間分布上高度一致,高值區位于遼寧省大連市、天津市、山東省濰坊市、上海市、福建省南部沿海城市、廣東省汕頭市和湛江市,表明這些地區景觀破碎化程度較大,低值區在遼寧省錦州市,河北省滄州市,山東省濱州市,江蘇省連云港市、鹽城市、南通市,表明這些地區景觀破碎化程度、景觀類型分散度較小,復雜程度也較小。2010—2020年沿海城市總體景觀破碎度指數和景觀、景觀分維度指數均呈現下降趨勢,景觀破碎化程度在降低,景觀更加集中,表明景觀受干擾程度在降低。

圖5 2010—2020年沿海城市景觀分離度指數時空變化

由圖6可以看出,景觀分維度指數高值區主要分布在遼寧省沿海城市(包括丹東市、大連市、錦州市、盤錦市、營口市、葫蘆島市),山東省東部沿海城市(包括濰坊市、威海市、煙臺市),福建省北部沿海城市(包括福州市、寧德市),廣西壯族自治區欽州市,說明這些地區景觀形態較為復雜;低值區主要位于山東省東營市,江蘇省沿海城市(包括連云港市、鹽城市、南通市),廣東省珠江口沿海城市(包括深圳市、廣州市、東莞市、中山市、珠海市、江門市),表明這些地區景觀形態較為規則,受人類活動干擾程度較小。2010—2020年,沿海城市景觀分維度指數波動區間由[1.064256,1.110097]變為[1.074411,1.109757],分維度指數波動區間減小,表明沿海城市整體景觀形態變得更加規則。

圖6 2010—2020年沿海城市景觀分維度指數時空變化

圖7 2010—2020年沿海城市景觀生態風險等級占比

3.3 景觀生態風險時空變化

鑒于研究區尺度較大,基于53個城市不同年份不同景觀類型的景觀干擾度、景觀脆弱度的計算結果(計算結果受篇幅影響省略)和土地利用情況,采用景觀生態風險評價模型,得到沿海城市景觀生態風險指數。

3.3.1時間分析

通過沿海城市景觀生態風險等級占比(圖 7),可知中國東部沿海城市景觀生態風險大部分處于較低水平,占總城市量的64.15%。低風險和中低風險城市數量一直在上升,從2010年的37.74%到2015年的43.40%,再到2020年的47.17%。從風險等級出發,高風險呈現先降后增趨勢,2015年數量最少,僅有5個城市。

分城市來看,盤錦市、濰坊市、鹽城市景觀生態風險較高,尤其是盤錦市一直處于高風險,依據評估分析,盤錦市未利用地面積占總國土面積比重較大;濰坊市耕地占比高;鹽城市耕地和灘涂面積占比高,景觀脆弱度較高。丹東市、杭州市、溫州市、東莞市、防城港市、三亞市景觀生態風險一直較低,根據評估分析,這些城市林地面積占總國土面積比重較大,景觀脆弱度較低,且丹東市、杭州市、防城港市分別位于大陸海岸帶最北部、中間和最南部,屬于陸海交界明顯處,與周圍城市風險等級有較大差異。具體東部沿海城市景觀生態風險等級結果見表 2。

3.3.2空間分析

通過Arcgis10.2空間可視化研究結果(圖8),沿海城市景觀生態風險總體呈現北高南低的分布格局,杭州市以北的景觀生態風險高于杭州市以南。從沿海四大海域看,環渤海城市和沿黃海城市的風險高于沿東海城市和沿南海城市。高風險區主要位于遼河口(雙臺子河口)、渤海灣、萊州灣、蘇北沿海、長江口、杭州灣周邊城市,低風險區主要位于浙江省沿海地區、華南地區。

圖8 2010—2020年沿海城市景觀生態風險時空分布

從演變特征看,2010—2015年沿海城市整體景觀生態風險指數逐漸減小,位于渤海灣和蘇北沿海地區的城市降低最為明顯,景觀生態風險等級下降的城市主要有天津市、滄州市、濰坊市、鹽城市、南通市、寧波市、莆田市、惠州市、海口市。從土地利用變化方式看,這些城市的水域面積和耕地面積不斷減少,建設用地面積不斷增加。天津市在“十二五”期間灘涂和沼澤地面積從2026.19km2減少為2015年的1963.57km2,主要轉化為建設用地和草地;鹽城市濱海濕地各景觀類型在發生變化,人工濕地、自然濕地面積都在減少;南通市海岸帶灘涂等水域面積大幅減少,大面積灘涂轉變為養殖池、鹽田和建筑用地,耕地面積稍有下降。從景觀格局指數變化看,隨著城鎮化的發展,渤海灣和蘇北沿海地區的城鎮建設用地面積不斷擴張,而城鎮建設用地有著斑塊集中成片、形狀均勻規則、狀態相對穩定的特點,因此表征出的景觀破碎度、景觀分離度、景觀脆弱度均在下降,造成景觀生態風險降低。

2015—2020年環渤海地區和江蘇沿海地區城市景觀生態風險指數有所上升,景觀生態風險等級上升的城市有唐山市、天津市、滄州市、濱州市、東營市、濰坊市(集中在環渤海地區)、連云港市、鹽城市、南通市(集中在江蘇沿海地區)、舟山市,這些城市均處于杭州灣-長江口以北的城市。景觀生態風險增加的主要原因是隨著區域經濟的發展,人類活動強度增大,經濟活動更加密集,港口運輸、商業貿易等活動更加頻繁,當地生態系統的穩定性遭到破壞,工業生產、城市建設等人類活動占用了耕地、林地、草地、水域和未利用地,各景觀類型變化較明顯,同時也引起了生態環境的變化。

環渤海南部城市受京津冀一體化、環渤海經濟區戰略的影響,景觀生態風險在“十三五”期間持續增加。臨海經濟發展的旺盛需求使渤海灣和萊州灣的水產養殖產業發展迅速,水產養殖需要人工擴建濕地,加上新建灘涂自然保護區工程的實施,水域面積增加明顯,導致景觀脆弱度增大,生態風險增加。

江蘇省沿海三市靠近黃海,受海洋戰略推進的影響,景觀生態風險在“十三五”期間也有所增加。海岸帶土地的加劇開發增加了工業新區、濱海新城等區域,帶動了港口產業的發展。建設用地雖然增加,但是其局部爆炸式的擴張并沒有降低景觀脆弱度,而是增加了景觀破碎度,景觀生態風險持續增加。

上海市、深圳市作為城市化發展的代表,區域景觀生態風險在2010—2020年一直降低,上海市的耕地景觀分維度略有增加,而景觀破碎度及景觀分離度明顯降低,因此景觀生態風險降低;深圳市工業用地轉移為其他景觀因素,其形狀趨于規則,在城市的快速發展過程中,住宅用地變得更加規律,建筑用地也很穩定,城市發展從工業導向轉向技術導向。

3.3.3東部沿海城市景觀生態風險管控建議

根據研究結果,對不同風險等級城市提出相應的政策建議。中高風險城市主要分布在環渤海南部和沿黃海地區,包括天津市、河北省、山東省和江蘇省,耕地面積占城市土地總面積比重最為顯著,景觀受干擾程度較大,政府應制定并完善耕地保護政策,防止其被非農業用地取代或破壞;對于未利用地占比較大的盤錦市、滄州市、東營市等城市,政府應加強未利用地的集約利用;江蘇省沿海三市不僅耕地占比多,且鹽城市有大片灘涂,應降低沿海灘涂、湖泊等高脆弱性景觀類型的人為干擾,暫停渤海海域圍填海并在全國范圍內嚴禁新增圍填海,大力保護沿海地區重要且脆弱的土地資源——灘涂。

中風險城市分布較零散,應科學規劃耕地發展面積,盡量實行耕地集中連片發展,減少耕地破碎化,繼續實施退耕還林、還草。中低風險城市主要分布在浙江省沿海、福建省沿海北部等地區,林地占比最為顯著。在景觀開發及建設過程中,要保留一定的生態緩沖區,加強環境治理,保護林地、草地,合理發展非中心建成區建設用地規模,科學推進城市化進程。對于上海市、深圳市和廣州市,要注意建設用地擴張帶來的城市熱島效應和污染排放引發的海域環境破壞。

4 結 論

a.整體上,東部沿海城市帶土地利用總體呈現以北耕南林為主的陸域多類型混合區域的宏觀格局特征。2010—2020年53個沿海城市土地利用變化以耕地的減少和建設用地的增加為主,耕地面積減少了5769.33km2,建設用地增加了3907.29km2。在“十二五”和“十三五”期間,沿海城市被指定為耕地的區域轉變為城市用途的比例最高,有7234.86km2的耕地轉為建設用地。

b.2010—2020年由景觀格局指數變化可知,景觀破碎度指數呈下降趨勢,破碎化程度下降,景觀分離度指數與景觀破碎度指數分布高度一致,也呈現下降趨勢;東部沿海城市和南部沿海城市景觀破碎程度較大,斑塊分離復雜程度較大;景觀分維度指數呈現波動趨勢,波動區間減小,景觀形態更加規則。

c.沿海城市景觀生態風險大部分處于較低水平,占總城市量的64.15%。低風險和中低風險城市數量一直在上升,從2010年的37.74%到2015年的43.40%,再到2020年的47.17%。沿海城市景觀生態風險呈北高南低的分布格局,杭州以北的生態風險高于杭州以南。從“十二五”到“十三五”,沿東海和沿南海的城市景觀生態風險指數在下降。高風險區主要位于環渤海、杭州灣-長江口周邊,低風險區主要位于浙江省沿海地區、華南地區。

由于海岸帶區域景觀生態要素復雜,本文僅考慮6種土地利用類型,且僅基于土地利用變化考慮景觀生態風險,未考慮海岸帶灘涂、濕地等重要土地資源,因此未來研究應豐富土地利用分類,全面綜合考慮生態風險源,如沿海地區高人口密度、海水入侵等自然和社會經濟因素。