海岸帶生境質量的時空演變及規劃策略探究★

謝嘉琪，文超祥

(廈門大學建筑與土木工程學院,福建 廈門 361005)

0 引言

聯合國頒布的《生物多樣性公約》和《2030年可持續發展議程》提出要對生態系統保護狀況進行評估,特別是對生境質量的科學評估[1]。這對保護生物多樣性、發展可持續經濟、維護生態系統的和諧穩定具有重要意義。生境質量表征生態系統為物種提供可持續發展的能力,高質量生態環境是可持續發展的基礎。然而,伴隨著經濟快速增長和城市擴張,導致了棲息地減少也制約了物種的可持續發展,造成生態系統失調[2]。因此,研究土地利用變化和生境質量指數變化特征與空間關系,是科學進行土地利用規劃以及制定區域發展戰略的重要前提。海岸帶作為陸海系統重要交互地帶,近年來越發成為生態系統脆弱的空間單元[3]。

福建省海岸帶物種多樣性豐富、生態結構穩定且復雜,擁有眾多國家級生態名片,因此本文選取福建省海岸帶作為研究區,探討生境質量在土地利用變化中對未來土地利用變化預測的基礎上提供生態保護指導。

1 數據與方法

1.1 數據來源

福建省海岸帶2000,2010,2020三期土地利用數據、行政邊界均來源中國科學院資源環境科學與數據中心(http://www.resdc.cn),其中土地利用類型劃分為6類,空間分辨率為30 m×30 m。

本文驅動土地利用變化的空間變量分為自然生態因素、社會經濟因素和空間可達性區位因素,如圖1所示。氣候、地形、植被覆蓋率等因素決定了土地資源可利用的適宜性。選擇代表人類活動強度的人口密度、GDP和夜光數據作為經濟社會因素,并與城鎮用地的建設呈現正相關。此外,空間可達性是使得自然用地轉化為城市發展用地的重要影響因素,因此選擇距鐵路、河流、高速路、主干道和港口的距離來表達空間可達性[4]。

1.2 研究方法

1.2.1 土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣可反映出一段時間內研究區土地利用類型的結構變化特征,其計算公式見式(1):

(1)

其中,S為土地利用面積;n為土地利用類型數;i,j分別為研究初期和末期的土地利用類型;Sij為研究期內第i類向第j類轉化的面積。

1.2.2 未來土地利用預測模型

本研究采用PLUS模型對未來土地擴張進行預測,該模型采用了土地擴張策略分析模塊和基于多類隨機斑塊種子的元胞自動機模型對未來的土地利用進行預測,并且根據以往研究以及地區發展特征,設置了鄰域轉移系數和土地利用需求來模擬未來的土地利用情況[5]。

PLUS模型已通過Kappa系數和OA系數對模擬結果進行驗證,保證該模型在福建省海岸帶地區的適用性。

1.2.3 生境質量評估

生境質量是衡量區域生物多樣性、生態環境水平和生態系統服務功能的重要指標。本文采用InVEST模型的生境質量模塊計算福建省海岸帶多時相生境質量,根據威脅因素最大脅迫距離和影響權重、生境適宜性評分以及LUCC來評判生境質量[6],采用耕地、林地、草地、水域、建設用地以及未利用土地6項一級土地利用類型,其中,將耕地、建設用地和未利用地選為威脅源地。土地利用對威脅源的敏感范圍是0～1,例如林地和草地的生境適宜性為1,建設用地對生境適宜性為0,值越高表示對土地利用變化的敏感性越高。

生境質量計算公式見式(2):

(2)

其中,Hpq為土地利用j中柵格p的生境質量,值域范圍為0～1,值越高則表示生境質量越好,反之則越差;Sq為土地利用q的生境適宜度;k為半飽和常數,k的取值為退化度最大值的一半;Dpq為生境退化程度,即土地利用類型為q的柵格對柵格p的威脅程度,這一指標通常與土地利用類型相關。

2 結果與分析

2.1 土地利用變化與模擬預測分析

研究統計了2000年—2020年各類土地面積及比例,如表1所示,福建省海岸帶地區2000年、2010年、2020年的土地利用類型以林地和耕地為主,并且均呈現逐年減少的趨勢。

表1 2000年—2020 年研究區各期不同土地利用類型面積及比例

2020年耕地占區域內面積最大的林地占比46.14%,較2020年比例有少許下降。耕地占土地利用面積的22.86%,較之2000年的耕地下降了4.21%。其次,草地占總面積的14.18%,建設用地占總面積的11.26%。而水域和未利用地的面積均較少,總面積均不到5%。20年來,福建省海岸帶各地類都有明顯的變化,其中,建設用地和未利用地不斷擴大,耕地、林地和草地面積不斷縮小,水體呈現波動變化趨勢。

建設用地的增長幅度最大,增長了5.6%,而耕地的占地面積減少最為顯著,減少了126 219 hm2,占2000年耕地面積的15.55%。

基于ArcGIS分析了2000年—2020年福建省海岸帶的土地利用變化, 并構建土地利用轉移矩陣,矩陣結果如表2所示,并通過對研究區20年來的土地利用轉移分析,發現耕地大量轉為了建設用地,其轉出量占總轉出量的81.59%。20年來由于城市化進程的加快,建設用地不斷侵占周圍的耕地,這一趨勢目前仍在延續,造成了嚴峻的耕地保護問題。

在此基礎上預測2030年的自然發展情形,與2020年相比,2030年自然發展情形下耕地、草地、水體分別減少1.03%,0.08%,0.31%;而林地、建設用地分別增加0.74%和1.69%。城鎮的不斷擴張體現了經濟發展的需求,符合城鎮化建設不斷加強的現狀,并且這部分侵占耕地和水體,福建省的地形地勢特征為“八山一水一分田”,耕地和水體的面積不斷減少不利于保障糧食安全和水資源環境的保護。

在空間分布上如圖2所示,2000年的建設用地面積仍較少,分布在東南沿海地區和閩江沿岸。耕地分布集中成片,主要分布在地勢平坦、水源充足的沿海地區。自2010年—2020年間,建設用地集中成片增加,并且集中在廈門市、泉州市市區和福州市鼓樓區,鼓樓區處于閩江沿岸,城市擴張趨勢十分顯著。

根據2030年的預測結果,城鎮建設用地將在東南沿海地區尤其是廈門市區、泉州市區、莆田市區和福州市區進一步擴張。

2.2 生境質量時空演變特征

以四期土地利用數據為基礎,通過InVEST模型得出福建省海岸帶的生境質量結果,并將結果范圍規定到0～1之間,如圖3所示。并且,為明晰生境質量的空間分布特征,在ArcGIS中通過重分類方法將四期的生境質量分布變化分為三類:提升、下降和基本不變,見圖4。

從空間分布上可以得出,研究區域內大部分地區生境質量降低顯著,并且呈現持續下降的態勢。從數量上看,福建省海岸帶地區2000年—2030年的生境質量統計總平均值為0.736,0.719,0.71,0.701,總體生境質量下滑。并且,生境質量下降的面積在研究期內占70.37%,并呈現逐年上升趨勢,生境質量提升的區域僅占24.59%。直到2020年—2030年間,在模擬預測中加入了生態保護要求,生境降低的區域面積才有所下降。從行政區劃來看,生境質量變化最為明顯的集中在東部沿海,尤其是廈門市域范圍和泉州市域范圍內,在整個區域處于生境質量的低值中心并顯著降低。

生境質量惡化嚴重的廈門市海岸帶區域范圍,在2000年—2020年下降率達到13.01%,并預計在2030年進一步下降到0.469,并在2010年低于泉州市,成為福建省海岸帶地區生境質量最低的地區。

其中,寧德市域生境質量最高且波動不大,保持相對穩定,原因為寧德市內有大量的原始森林覆蓋且堅持走生態優先、綠色發展的道路。在對所有的縣市單元進行統計中發現,僅有東山縣在2000年—2030年內總體平均生境質量呈現上升的趨勢,其生態發展戰略與政策值得其余縣市參考借鑒。

2.3 小結

通過以上分析可以得出以下結論:

1)PLUS模型可以較好預測福建省海岸帶未來土地利用格局,在土地利用分析結果中顯示,耕地減少較快,并且大多向建設用地轉移,從而帶來生境質量的持續下降,轉移的建設用地主要分布在廈門市、泉州市市區和福州市鼓樓區。

2)生境退化占研究區內70.37%的面積,而生境質量提高的部分主要集中在研究區的西北部山區、寧德市內以及漳州市內部分山地。如圖5所示,生境質量的平均值在2000年—2030年內都呈現持續下降的趨勢,研究區內的市縣除了東山縣的生境質量均退化,土地利用模式變化破壞生物棲息地,影響生物生存安全。

3)城鎮化的不斷擴張與地區的生境質量呈反比,表明在海岸帶地區的城鎮開發中未能達到發展與生態相結合,致使生境質量不斷下降。在發展的過程中,研究得出海岸帶地區的土地使用強度提高,破壞了生態要素相互作用,最終影響了生境質量。因此,在未來的海岸帶規劃與建設中應更加注重保護與發展相結合。

3 海岸帶生態規劃策略

3.1 以生態保護為核心,構建用地管控體系

海岸帶地區是人口急劇增長以及城市快速擴張的地區,在規劃建設中缺乏對于生態影響的合理評估,導致出現諸多生態問題。管控和規劃海岸帶陸域空間的用地規劃,前期需要考慮到海岸帶地區獨特的地理特征,納入陸海統籌的觀點,在陸域開發的同時也需考慮空間外溢效應對海洋生態的影響,尤其是對于水體基礎環境進行維護,減少城鎮污水排放入河入海。

從具體的措施上,對城市建成區開拓生態通廊,而對于未來預測規劃建設成建設用地的地區,規劃保留重要的生態通廊和保障充足的生物棲息地,對生物棲息地與城鎮空間保留一定的緩沖地區,削弱由于土地開發對重要生態環境的破壞與沖擊。

3.2 開展生態修復工作,構筑安全屏障

生態修復是輔助自然進行自我恢復的過程,在規劃過程納入開發行為對海岸帶地區的生態系統影響評估,開展對陸域地區生態受損的林地和河湖等系統進行修復,打造重要的生態節點。

對目前已有的各類資源和自然保護地進行歸類和摸清底圖,以系統性和整體性為出發點,優化目前已有的生態保護地,科學布局新用地,并且對已開發建設的用地受損部分開展生態保育工作,進行科學修復并達成滿足基本的生態功能要求。

3.3 完善協同保護機制,打造智慧保護平臺

在過去的海岸帶規劃中,常常以“以海定陸”或“以陸定?！钡年懞７指钏悸愤M行謀劃,導致海岸帶地區的規劃和管理事權模糊,使得用地開發建設與生態保護之間產生一定沖突。在新時期國土空間規劃需要整合多個部門的職責,統一山水林田湖草的資源底圖保護海岸帶地區獨特的生態資源,平衡生態保護的要求與用地功能布局。

結合相關技術打造智慧保護平臺,運用遙感圖像實時獲取生態監測數據,分析預測得出生態保護修復重要節點,并且對開發建設過程中引發的生態問題進行及時預警和管理。這一模塊可納入國土空間規劃的生態板塊,各部門之間互聯互通,為海岸帶規劃提供技術支撐。