哈長城市群土地利用與景觀生態(tài)風(fēng)險時空演變及關(guān)聯(lián)分析

徐 妍, 李明玉, 余 洲

(延邊大學(xué) 地理與海洋科學(xué)學(xué)院,吉林 延吉 133002)

隨著全球城市化和建設(shè)用地的快速擴(kuò)張,土地利用空間分布的變化在不斷加快[1-2],土地資源利用程度也在不斷增加,人地矛盾日益突出,其中,土地利用結(jié)構(gòu)不合理、土地生態(tài)風(fēng)險加劇等問題最為明顯[3-6]。不同土地利用方式和演變過程會對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生長期影響,導(dǎo)致生態(tài)結(jié)構(gòu)和成分產(chǎn)生變化,涉及多種生態(tài)過程,因而會引發(fā)生態(tài)風(fēng)險問題[6-8]。生態(tài)風(fēng)險是由環(huán)境的自然變化或人類活動引起的生態(tài)系統(tǒng)組成、結(jié)構(gòu)的改變而導(dǎo)致系統(tǒng)功能損失的可能性[9]。許多研究表明,土地利用變化與生態(tài)風(fēng)險密切相關(guān),并對區(qū)域生態(tài)風(fēng)險起著決定性作用[10-11]。不同土地利用方式和強(qiáng)度的生態(tài)影響在生態(tài)結(jié)構(gòu)和組成中具有區(qū)域性和積累性特征[7]。全面分析不同生態(tài)環(huán)境的潛在影響,對生態(tài)風(fēng)險管理起著至關(guān)重要的作用,為有效的保護(hù)措施提供信息[12-13]。

目前,國內(nèi)外研究土地利用對生態(tài)風(fēng)險影響的學(xué)者并不少,如王茜晨等[9]以準(zhǔn)格爾旗2000年、2010年和2018年3期Landsat TM遙感影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),結(jié)合空間統(tǒng)計分析等方法對準(zhǔn)格爾旗基于土地利用變化的生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行綜合評估;杜軍等[14]對黃土丘陵區(qū)土地利用變化及生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行了評價;侯蕊等[15]基于4期土地利用遙感解譯數(shù)據(jù),對江夏區(qū)土地利用生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行了評價;Du等[16]基于2015—2020年的高分辨率數(shù)據(jù)對黃河流域的土地利用及生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行評估;Wang等[17]對白水江自然保護(hù)區(qū)生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行評價;呂樂婷等[18]定量分析了細(xì)河流域近30年來土地利用動態(tài)變化特征并對景觀生態(tài)風(fēng)險時空分布特征及空間關(guān)聯(lián)格局進(jìn)行了評價。這些研究結(jié)果均表明,人類活動的影響在一定程度上增加了局部高生態(tài)風(fēng)險[9]。在此背景下,土地利用生態(tài)風(fēng)險評估可為未來人類行為與生態(tài)環(huán)境和諧關(guān)系的研究提供堅實的科學(xué)依據(jù)。

國家“十三五”規(guī)劃綱要中明確指出,哈長城市群是我國重點建設(shè)的 19個城市群之一[19],具有重要的戰(zhàn)略意義。它不僅是東北老工業(yè)基地振興發(fā)展的重要增長極;也是我國北部地區(qū)對外開放的一個重要門戶;此外,它還是老工業(yè)基地體制創(chuàng)新先行區(qū)與綠色生態(tài)城市群[20-21]。然而,現(xiàn)有研究缺少對哈長城市群景觀生態(tài)風(fēng)險的相關(guān)研究。因而,該研究通過對土地利用與景觀生態(tài)風(fēng)險的關(guān)聯(lián)研究,對平衡城市發(fā)展與生態(tài)保護(hù)之間的矛盾,促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展,具有重要戰(zhàn)略意義,為哈長城市群景觀生態(tài)風(fēng)險的管控及未來的發(fā)展規(guī)劃提供有效的科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

哈長城市群(122°24′E～131°18′E, 42°00′N～48°55′N)位于東北地區(qū)[22],以哈爾濱和長春為中心,包括大慶市、吉林市、延邊朝鮮族自治州等11個地市[23-24]。研究區(qū)東臨朝鮮半島,北挨俄羅斯遠(yuǎn)東,西接內(nèi)蒙古自治區(qū)。總面積約為32.22萬km2。其地形主要為山地和平原,東西高程差異顯著,屬溫帶季風(fēng)氣候[25],夏季短而炎熱;冬季漫長、寒冷且干燥,年均氣溫約為4.0 ℃,年均降水量約為600.0 mm。哈爾濱、長春2個省會城市為區(qū)域核心,輻射帶動周邊多個城市[25-26],據(jù)第七次人口普查所示,截止到2020年,哈長城市群總?cè)丝诩s4 354萬人,總的地區(qū)生產(chǎn)總值約21 145億元。哈長城市群城市化率達(dá)50.3%,處在雛形發(fā)育的末期階段,未來發(fā)展空間很大[27](圖1)。

圖1 研究區(qū)位置示意圖

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

該文選取2000、2010、2020年的Landsat TM/OLI遙感影像數(shù)據(jù)[28-29],提取土地利用類型,主要數(shù)據(jù)及來源如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)來源

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用變化分析方法

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣能夠精確量化研究周期內(nèi)系統(tǒng)中狀態(tài)與狀態(tài)的轉(zhuǎn)移,可以全面精細(xì)化地分析土地轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出的變化特征[30]。此過程可通過以下公式計算[31-32]：

(1)

式中,Sij為研究區(qū)初期與末期的土地利用類型狀態(tài);n為土地利用類型的個數(shù)。

土地利用動態(tài)度是指每年的平均變化率,用于反映某一個地區(qū)土地利用轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出的活躍程度[33-34],其計算公式為[35]：

(2)

式中,K為研究時段內(nèi)土地利用類型的動態(tài)度;Ua與Ub分別代表研究初期和末期的土地利用類型數(shù)量;T表示研究的時間段長。

2.2.2 景觀生態(tài)風(fēng)險評價方法

生態(tài)風(fēng)險指數(shù)計算模型是基于景觀干擾度指數(shù)和景觀脆弱度指數(shù)構(gòu)建的。這模型可分析各種景觀類型的生態(tài)系統(tǒng),并估計其在受外部不確定因素干擾和威脅情況下可能出現(xiàn)的潛在生態(tài)問題,具體計算公式如下[36]：

(3)

式中,LER代表景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù);n代表景觀類型種類數(shù)量;Ai代表第i類景觀的面積;Ii代表第i類景觀的干擾度指數(shù);Ri代表第i類景觀的脆弱度指數(shù);An為所有景觀的面積之和。

景觀干擾度指數(shù)反映不同景觀類型的生態(tài)系統(tǒng)受到人類和其他活動干擾的程度,以及它們在面對干擾時的抵抗能力和自我修復(fù)能力。

Ii=aCi+bNi+cDi;

(4)

Ci=ni/Ai;

(5)

(6)

Di=(Qi+Mi)/4+Li/2;

(7)

式中,Ci代表景觀破碎度指數(shù),ni代表第i類景觀的斑塊數(shù),Ni代表景觀分離度指數(shù),Di代表景觀優(yōu)勢度指數(shù),Qi代表第i類斑塊的樣方數(shù)與所有斑塊樣方數(shù)之比,Mi代表的是第i類斑塊的數(shù)量與所有斑塊數(shù)之比,Li為第i類斑塊的面積與總面積之比。通過結(jié)合研究區(qū)實際情況以及前人研究成果[37-38],對a、b、c分別賦值為0.6、0.3、0.1。

最后,以已有研究[39-40]為參照,分別對這6種土地利用類型賦值脆弱度指數(shù)(表2)。

表2 各土地類型脆弱度指數(shù)

通過標(biāo)準(zhǔn)化處理后,結(jié)果如表3所示：

(8)

表3 歸一化后各土地類型脆弱度指數(shù)

式中,XS表示標(biāo)準(zhǔn)化值,Xi表示初始值,Xmin和Xmax表示最小值和最大值。

最后,將所獲得的景觀格局指標(biāo)代入生態(tài)風(fēng)險評價模型中,并根據(jù)實際情況,將研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險分為5類,分別為：低生態(tài)風(fēng)險(0≤LER<0.04)、較低生態(tài)風(fēng)險(0.04≤LER<0.06)、中生態(tài)風(fēng)險(0.06≤LER<0.08)、較高生態(tài)風(fēng)險(0.08≤LER<0.10)和高生態(tài)風(fēng)險(LER≥0.10 ),并基于GIS平臺進(jìn)行面積計算。

2.2.3 相關(guān)性分析

該文對研究區(qū)的土地利用變化與景觀生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行spearman相關(guān)性分析,借助Python語言繪制土地利用變化與景觀生態(tài)風(fēng)險的熱力圖,來反映土地利用變化對景觀生態(tài)風(fēng)險的影響。

Spearman相關(guān)系數(shù)可用于衡量分級定序變量之間的相關(guān)程度,其計算公式如下[41]：

(9)

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化時空演變特征

該文主要采集2000、2010和2020年3期的哈長城市群遙感影像數(shù)據(jù),對其進(jìn)行波段融合、影像拼接和裁剪等處理,查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料[42-43]和已有的土地利用分類體系[44],同時,結(jié)合研究區(qū)土地利用的實際情況[45]及研究需求,將其劃分為耕地,林地,草地,水體,建設(shè)用地和未利用地等6種。最后得到研究期的土地利用空間分布圖(圖2,表4)。

表4 2000—2020年研究區(qū)土地利用表

圖2 2000(a)、2010(b)、2020(c)年研究區(qū)土地利用圖

由圖2可知,林地主要分布于東南部地區(qū),耕地主要分布在西北部地區(qū)。這主要是因為東南部地勢多為山地和丘陵,降水較多,氣溫較低,更適合森林植被的生長,因而林地較多;而西北部地勢較平坦,降水相對較少,氣溫較高,更適宜進(jìn)行農(nóng)業(yè)活動,因而耕地居多。未利用地主要分布在齊齊哈爾市與大慶市周邊,主要是因為這2個城市周邊地區(qū)可能包括濕地、鹽堿地和其他土地類型,不如其他地區(qū)適合典型的城市建設(shè)、農(nóng)業(yè)或工業(yè)活動。建設(shè)用地主要呈聚集型分布于各個城市的中心地區(qū),這主要是因為城市的中心區(qū)域通常集中了商業(yè)、金融、文化和政府機(jī)構(gòu)等重要建設(shè)用地,這些區(qū)域通常具有高密度的建筑。草地主要分布于耕地周邊,這主要是因為草地對于土壤保護(hù)、水資源保護(hù)和生物多樣性維護(hù)都具有重要的生態(tài)功能。在耕地的邊界處種植草地可以幫助減輕土壤侵蝕、水源污染和生態(tài)系統(tǒng)破壞的風(fēng)險[46]。

由表4可知,2000—2020年,耕地面積先減后增,整體保持在46%以上,且2020年面積較2000年耕地面積呈現(xiàn)增長趨勢。林地面積呈現(xiàn)出不斷減少的趨勢,但整體來說,變化不大,占比保持在35%～36%;草地面積先增后減,且2020年與2000年相比,整體減少了2 662 km2;建設(shè)用地面積呈現(xiàn)出不斷增加的趨勢,這主要是因為隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市人口的增加,哈長城市群地區(qū)經(jīng)歷了持續(xù)的城市化進(jìn)程,隨著城市發(fā)展,需要建設(shè)更多的基礎(chǔ)設(shè)施,導(dǎo)致了對建設(shè)用地的需求不斷增加,以容納城市人口和支持城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展;水體面積不斷減少,20年間,占比降低1.21%,2020年面積為7 766 km2,成為占地面積最少的地類;未利用地面積不斷增加,但整體變化幅度相對較小。

基于GIS平臺與Excel統(tǒng)計,將土地利用數(shù)據(jù)生成轉(zhuǎn)移矩陣以反映不同地類之間的面積變化。然后,通過分析這些數(shù)據(jù),得出2000—2020年的土地利用動態(tài)變化情況(表5)。

表5 2000—2020年研究區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

2000—2020年,耕地主要轉(zhuǎn)移到林地和建設(shè)用地。林地轉(zhuǎn)化的面積在很大程度上受局部自然條件影響,但也受到國家退耕還林政策的影響,減緩了農(nóng)田開墾;另一方面,大規(guī)模的耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地也與人口增長、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)程加速密切相關(guān)。草地與未利用地主要轉(zhuǎn)化為耕地,這與區(qū)域內(nèi)糧食需求增加和種植方式有關(guān);林地和水體的面積在減少,雖然存在部分耕地轉(zhuǎn)化為林地和水體,但林地和水體轉(zhuǎn)出的面積遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)入面積。

將土地利用數(shù)據(jù)代入到公式(2)中,得到哈長城市群單一土地利用動態(tài)度表(表6)。

表6 單一土地利用動態(tài)度表

2000—2020年,變化最明顯的是水體,為-1.67%,2000—2010年為-2.05%,2010-2020年為-1.62%,總體呈現(xiàn)降低的趨勢;其次,是建設(shè)用地,為0.59%,呈現(xiàn)擴(kuò)張趨勢,2000—2010年為0.73%,2010—2020年為1.05%,2個時間段內(nèi)均為增加,說明建設(shè)用地在不斷擴(kuò)張;耕地與林地年平均變化率均較小,分別為0.14%和-0.06%,林地的變化最不明顯,主要是由于其二者面積占比較高,變化趨勢并不顯著;耕地在2000—2010年變化不太明顯,為-0.02%,但在后10年明顯擴(kuò)大,突然增加為0.31%。

3.2 景觀生態(tài)風(fēng)險評估

使用Fragstats4.2軟件分析研究區(qū)的景觀數(shù)據(jù),獲取斑塊數(shù)量、斑塊面積、各景觀類型的面積以及總景觀面積等指標(biāo)。然后,根據(jù)公式(4)～(7),計算哈長城市群在2000、2010、2020年的景觀格局指數(shù)變化情況(表7)。

表7 2000—2020年研究區(qū)景觀格局指數(shù)

表8 2000—2020年研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險等級面積表

景觀破碎度指數(shù)通常用于衡量區(qū)域內(nèi)景觀斑塊的分割程度,以此來反映在人類活動和自然活動影響下,景觀格局的支離破碎程度。由表可知,景觀破碎度指數(shù)最小為0.000 6,最大為0.039 3,均小于0.05,總體上呈現(xiàn)出較低的趨勢。在景觀破碎度指數(shù)中,最小的是耕地,最大的是建設(shè)用地。

景觀分離度指數(shù)通常用于描述同一景觀類型斑塊之間的空間分布離散程度。由表7可知,耕地與林地分離度指數(shù)均較低,均小于0.03,建設(shè)用地分離度最高,由于城市的發(fā)展,斑塊間的聯(lián)結(jié),形成更大的斑塊,因而分離度呈現(xiàn)出下降的趨勢。

景觀優(yōu)勢度指數(shù)通常用于研究不同景觀類型在不同地區(qū)的相對主導(dǎo)地位。其中,耕地與林地占地面積最大,因而兩者優(yōu)勢度最高;而水體優(yōu)勢度最低。

干擾度指數(shù)通常用于衡量不同景觀類型受到外部自然或人為干擾的程度。其中,受干擾程度最高的是建設(shè)用地,由0.197 5下降到0.171 7;其次是水體和草地;受干擾程度最低的是林地,其保護(hù)程度最高。

2000年景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù)平均值為0.069 7,2010年為0.071 3,2020年0.073 6,2000年最大值和最小值的差值為0.118 7,2010年為0.164 0,2020年為0.205 3,表明區(qū)域內(nèi)各景觀的生態(tài)風(fēng)險差距在逐漸擴(kuò)大。20年間,均為較高生態(tài)風(fēng)險區(qū)與中生態(tài)風(fēng)險區(qū)占地面積最大,占比之和約等于60%;在研究區(qū)內(nèi),低生態(tài)與較低生態(tài)風(fēng)險區(qū)所占比例約為35%。2020年高生態(tài)風(fēng)險與較高生態(tài)風(fēng)險區(qū)與2000年相比,面積在不斷增加,其他3類均為不斷減少。

由圖3可知,低風(fēng)險地區(qū)主要分布在東南部地區(qū),主要是因為該地區(qū)主要分布的地類為林地,景觀脆弱度指數(shù)較低。較低風(fēng)險地區(qū)主要分布在低生態(tài)風(fēng)險區(qū)的外圍部分區(qū)域;中風(fēng)險地區(qū)主要分布在以耕地為主要地類的地區(qū);較高和高生態(tài)風(fēng)險區(qū)主要分布在西北角地區(qū),其中,較高生態(tài)風(fēng)險區(qū)廣泛分布著耕地、草地與建設(shè)用地等土地類型,草原大多以畜牧業(yè)為主,使該地區(qū)呈現(xiàn)出較高生態(tài)風(fēng)險;高生態(tài)風(fēng)險區(qū)主要分布于水體及未利用地較多的區(qū)域,如大慶市與齊齊哈爾市的交界處分布著大量的沼澤地,同時在大慶市與松原市的交界處還分布著大量的灘地,這2個地類均屬于未利用地,因而表現(xiàn)出高生態(tài)風(fēng)險區(qū)。對比2000—2020年,大慶市南部由于畜牧業(yè)的不斷發(fā)展導(dǎo)致草地荒漠化,使得草地轉(zhuǎn)化為未利用地,景觀生態(tài)風(fēng)險由較高轉(zhuǎn)化為高。在東北振興政策的扶持下,城市擴(kuò)張速度增加,導(dǎo)致建設(shè)用地面積增加,景觀生態(tài)風(fēng)險增加。隨著國家大力推動土地資源的集約利用,對用地結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整,對耕地建設(shè)實施集約化管理,因而中部地區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險明顯有所下降。

圖3 2000—2020年研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險分布圖

3.3 土地利用變化與景觀生態(tài)風(fēng)險關(guān)聯(lián)分析

該文通過計算Spearman相關(guān)系數(shù)來分析哈長城市群的各土地利用類型與景觀生態(tài)風(fēng)險間的相關(guān)關(guān)系與強(qiáng)度,基于GIS、SPSS及Python平臺計算各柵格間的相關(guān)性,并制作熱力圖,進(jìn)行可視化,如圖4所示,紅色代表負(fù)相關(guān);藍(lán)色代表正相關(guān)。顏色越深,相關(guān)性越強(qiáng)。

圖4 2000、2010、2020年相關(guān)性矩陣熱力圖Fig.4 Correlation matrix heatmaps for 2000, 2010, 2020

由圖4可知,這20年間相關(guān)系數(shù)值變化不大,生態(tài)風(fēng)險均與林地呈明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系,3年相關(guān)系數(shù)分別為-0.69、-0.68、-0.67,兩者為此消彼長的關(guān)系,林地越多,生態(tài)風(fēng)險越低;與其余5地類均呈正相關(guān)關(guān)系,說明他們之間是同生同長的關(guān)系,其中,與耕地的相關(guān)系數(shù)最大,為0.60。這5種地類數(shù)量越多,生態(tài)風(fēng)險越高。此外,耕地與林地呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系,為-0.66;建設(shè)用地也與林地呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系,這主要是因為隨著城市的擴(kuò)張,會占用周邊土地,如林地等。此外,也有明顯的正相關(guān)關(guān)系,如耕地與建設(shè)用地,為0.71,這主要是隨著人口居住的地方,會進(jìn)行農(nóng)耕等重要生活生產(chǎn)方式。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

該文基于2000、2010、2020年3期土地利用數(shù)據(jù),分析了哈長城市群土地利用及景觀生態(tài)風(fēng)險時空演變格局及其關(guān)聯(lián)性,研究結(jié)論如下。

1) 研究區(qū)主要土地利用類型為耕地和林地。耕地面積先減后增,但占比最大,始終在46%以上。2000—2020年,土地利用方式發(fā)生一些變化,變化最明顯的是耕地,耕地主要轉(zhuǎn)為林地、建設(shè)用地和草地。增長速率最大的是耕地;減少速率最大的是草地。

2) 研究區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險以中風(fēng)險和較高風(fēng)險為主,生態(tài)風(fēng)險指數(shù)平均值增加,說明隨著時間推移,生態(tài)狀況整體變差。2000—2020年生態(tài)風(fēng)險分布格局相似,東南地區(qū)主要是較低與低生態(tài)風(fēng)險區(qū),范圍不斷減小;西北地區(qū)主要是較高與高生態(tài)風(fēng)險區(qū),呈現(xiàn)出擴(kuò)張趨勢。

3) 隨著時間推移,土地利用與景觀生態(tài)風(fēng)險相關(guān)系數(shù)變化不大,生態(tài)風(fēng)險均與林地呈明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系,林地的增加將有助于生態(tài)風(fēng)險的降低;與其余地類均呈正相關(guān)關(guān)系。

4.2 不足和展望

風(fēng)險的評價也會受多種風(fēng)險因子影響,該文選取的風(fēng)險因子有一定的局限性,在之后的研究中應(yīng)考慮更多因素對區(qū)域生態(tài)風(fēng)險的影響[47-48],使研究的準(zhǔn)確度更高,以便為生態(tài)風(fēng)險防控及新國土空間規(guī)劃提供更加全面的理論依據(jù)。

哈長城市群作為東北振興的重要基地,隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體不高,急需開展生態(tài)環(huán)境保護(hù)策略。基于以上結(jié)論可得以下政策啟示。林地的增加將有助于生態(tài)風(fēng)險的降低,對此,要抓重點,在保護(hù)天然林的基礎(chǔ)上,采取植樹造林等措施,以降低生態(tài)風(fēng)險。生態(tài)風(fēng)險與草地呈明顯負(fù)相關(guān),主要是其脆弱性指數(shù)大,尤其是在大慶市與齊齊哈爾市周邊,應(yīng)保護(hù)現(xiàn)有草地,劃區(qū)輪牧,禁止過度放牧,避免草地成荒、生態(tài)風(fēng)險增加現(xiàn)象發(fā)生。