基于土地利用变化的中国东部沿海城市景观生态风险评估.pdf
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1、水利经济,2023,41(5)摇 E鄄mail:jj 摇 http:/摇 电话:02583786376摇第 41 卷第 5 期Vol.41 No.5水摇 利摇 经摇 济Journal of Economics of Water Resources2023 年 9 月Sep.2023基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(B210202164)作者简介:李洪庆(1986),男,副教授,博士,主要从事土地利用系统和土地生态研究。E鄄mail:hongqing DOI:10.3880/j.issn.10039511.2023.05.005基于土地利用变化的中国东部沿海城市景观生态风险评估李
2、洪庆,程飞飞,宋红艳,陈明慧(河海大学公共管理学院,江苏 南京摇 211100)摘要:以中国东部沿海 53 个城市为研究对象,利用 2010 年、2015 年、2020 年遥感影像分析土地利用格局与变化,基于景观格局评价沿海城市景观生态风险等级。结果表明:东部沿海城市土地利用总体呈现以北耕南林为主的陆域多类型混合区域的宏观格局特征,耕地和林地分别占土地总面积的40.71%和34.47%;20102020 年东部沿海城市土地利用变化以耕地的减少和建设用地的增加为主,耕地面积减少了5769.33km2,建设用地增加了3907.29km2,在临海区、各城市中心周边地区建设用地增加较为明显,临海区域(
3、尤其是渤海湾和莱州湾)人工湿地扩增明显,水域面积大幅增加;20102020 年东部沿海城市生态状况以较低风险为主,较低风险城市数量占总城市数量的64.15%,低风险与中低风险城市数量在上升;沿海城市景观生态风险呈现北高南低的分布格局,以杭州湾为界线,杭州湾以北地区的生态风险高于以南地区。关键词:景观生态风险;土地利用;景观格局;沿海城市;中国东部中图分类号:F301.2;X826摇 摇 摇 文献标志码:A摇 摇 摇 文章编号:10039511(2023)05002909摇 摇 土地结构是社会经济状况、政策与环境共同作用的结果,土地利用变化与生态问题息息相关1鄄2。沿海地区快速城市化和工业化的发
4、展使得城市土地结构发生了较大的变化。如海口市海岸带城市建设和临港产业的发展,造成林地和水域不仅面积减少而且更加破碎、分离3,研究区生态风险增加;湛江市沿海红树林景观被砍伐,造成生物多样性丧失的同时降低了生态系统的服务价值4。景观具有高度异质性5的特征,不同的土地利用类型可以视为不同的景观类型6,组成景观的空间组分(斑块)在受到人类活动的干扰时以不同的速度和强度发生变化。人类的经济开发活动主要是在景观层次上进行的,这就使得生态风险评价可以通过景观这一要素衡量7鄄8。目前对于沿海城市土地的研究主要集中在土地演变9、协调发展10两方面:淤土地演变表征城市扩张研究方面,王德智等11、何华春等12、吴琛
5、璐等13分别采用土地利用转移矩阵、土地利用动态度模型等方法对海口市、盐城市、福建省等海岸带土地利用时空变化及转移特征、驱动力等进行了研究;于协调发展表征海岸带复合系统特征研究方面,应超等14、黄丽华等15、常亮16分别采用耦合协调度模型对温州市、厦门港、大连海岸带等经济发展与生态环境的关系进行了研究。相关研究为沿海城市的土地利用、生态经济社会协调发展、国土空间规划等提供了科学的建议,同时指出不合理的土地利用方式和开发强度影响了区域景观结构17,改变了生态系统的格局18并威胁着区域生态环境的安全19。景观生态风险评价以土地利用格局为风险综合体,能反映一个地区景观生态系统的潜在风险或威胁程度20。
6、基于土地利用变化的景观生态风险动态评价可以反映人类活动破坏生态系统结构、影响生态系统功能的程度,从而为风险管控提供有效手段21,应用较为广泛的为基于风险源汇22和景观格局23的生态风险评价。其中,景观格局指数可以量化描述景观格局在结构、面积、形态上的特征24,景观格局指数分析法能够增强对景观异质性和生态系统脆弱性的关注25。而从景观生态学角度出发,分别借助景观干扰度指数和脆弱度指数构建景观生态风险评估模型,可以反映区域生态系统受到的外92水利经济,2023,41(5)摇 E鄄mail:jj 摇 http:/摇 电话:02583786376摇部干扰和自身抵御外部干扰的能力26。目前国内外景观生态
7、风险评价对象主要围绕流域27、海岸带28、湿地29、盆地30、老城区31、生态脆弱区、生态敏感区展开。研究发现,由于城市无序扩张、退耕还湿、海洋战略等政策的实施,耕地和未利用地面积减少,建设用地面积增加,沿海地区景观趋于复杂和分散,破碎化程度加剧,加重了生态风险程度32鄄34。依靠沿海优势,东部沿海地区经济得到了快速的发展,带动了中国经济的持续强劲增长,2022 年东部沿海八省两市一区(辽宁省、河北省、山东省、江苏省、浙江省、福建省、广东省、海南省、天津市、上海市、广西壮族自治区)GDP 总量约占全国 GDP 总量的 70%。随着东部沿海地区人口的增加和快速的城市化,造成滨海湿地围垦与沿海林地
8、过度利用,沿海城市土地利用结构和区域景观格局发生了巨大的变化35,直接或间接地加剧了自然景观的破碎化36进程,造成海洋资源开发与利用的空间争夺、海岸工程大规模建设损害海域生态环境、沿海资源开发的多元主体因利益失衡潜藏社会冲突、滨海区内部多个功能区之间及其与老城区之间缺乏联动等一系列问题,对东部沿海城市经济可持续发展和海洋生态环境保护产生了巨大的影响和压力37。本文以中国东部沿海 53 个城市为研究对象,基于2010 年、2015 年、2020 年土地利用变化数据,探究城市土地利用变化规律,评价不同城市生态风险时空演变特征,以期为东部沿海区域国土空间规划、生态分区管控提供理论支撑。1摇 研究区概
9、况与数据来源1.1摇 研究区概况本文研究范围北起鸭绿江口,南至北仑河口,包括辽宁省的大连市、丹东市、锦州市、营口市、盘锦市、葫芦岛市,河北省的唐山市、秦皇岛市、沧州市,天津市,山东省的青岛市、东营市、烟台市、潍坊市、威海市、日照市、滨州市,江苏省的南通市、连云港市、盐城市,上海市,浙江省的杭州市、宁波市、温州市、嘉兴市、绍兴市、舟山市、台州市,福建省的福州市、厦门市、莆田市、泉州市、漳州市、宁德市,广东省的广州市、深圳市、珠海市、汕头市、江门市、湛江市、茂名市、惠州市、汕尾市、阳江市、东莞市、中山市、潮州市、揭阳市,广西壮族自治区的北海市、防城港市、钦州市,海南省海口市、三亚市等 53 个沿海
10、城市,由于数据获取原因,研究区域不涉及港澳台地区。凭借临海的区位优势,东部沿海地区对外经济联系十分便利,城市发展迅速,从北至南形成了环渤海经济区、长江三角洲经济区、海峡两岸经济区、珠江三角洲经济区。同时东部沿海地区受海洋影响,气候宜人,吸引了大量的人口38。由于东部沿海地区是中国经济最发达、人口承载力最高的区域,在可持续发展方面面临着严峻的挑战。自 1970 年以来,中国围海造地面积已高达 6600 km2,自然海岸线长度从 20 世纪 40 年代的 14800 km 骤降到 2020 年的6000 km,滨海滩涂面积损失约 2.19 万 km2,20102018 年,渤 海 周 边 城 市
11、化 面 积 又 增 长 了 近30.96%39。20 世纪 80 年代以来,自然岸线保有率低、湿地资源萎缩、生物多样性减少等问题逐渐显现40,导致城市生态服务功能降低,土地碎片化,生态灾害频发41。1.2摇 数据来源与处理行政区划数据(地市和县级)来源于国家基础地理 信 息 中 心 2020 版 矢 量 地 图 数 据(),考虑到 20102020 年研究区的县区级行政区划有所调整,为保持数据的一致性和可比性,各时期均统一采用 2020 年的地市、县区行政边界作为行政分区。2010 年、2015 年和 2020 年的土地利用数据从中国科学院资源环境科学数据中心(http:/)获取42。2010
12、 年的遥感解译为 Landsat鄄TM/ETM 遥感影像数据,2015 年、2020 年土地利用/覆盖数据更新为 Landsat 8 遥感影像数据。遥感解译识别土地利用类型包括了水田、旱地、河渠、湖泊、滩涂、海洋等26 种。为了研究需要,根据土地资源及其利用属性,将其归为6 大类,见表1。表 1摇 土地利用数据分类一级类型二级类型耕地水田、旱地林地有林地、灌木林、疏林地、其他林地草地高覆盖度草地、中覆盖度草地、低覆盖度草地水域河渠、湖泊、水库坑塘、滩涂、滩地、海洋建设用地城镇用地、农村居民点、机场、码头、其他建设用地未利用地 沙地、盐碱地、沼泽地、裸土地、裸岩石质地、其他未利用地2摇 研究方法
13、2.1摇 土地利用变化根据不同时期的土地利用数据,采用叠加代数计算形成东部沿海地区土地利用转移矩阵,计算20102020 年各土地利用的变化量,并以和弦图表示。2.2摇 景观格局指数基 于 王 泉 斌 等43鄄44的 研 究 结 果,运 用Fragstats3.2 软件计算不同城市不同景观类型的斑块数量、总面积、周长,以反映景观结构、面积和形态特征。03水利经济,2023,41(5)摇 E鄄mail:jj 摇 http:/摇 电话:02583786376摇2.3摇 景观生态风险评价2.3.1摇 评价单元划分风险评价单元主要分为行政边界类45,地貌、流域类46和网格类473 类。以行政边界划分风
14、险单元的方法多用于人类活动密集区域,如海岸带地区、沿海城市,便于土地利用生态风险管理措施的制定和实施48。鉴于研究区尺度跨度大,且海南省海口市、三亚市与大陆海岸带在空间上不相邻,因此将城市行政边界作为风险评价单元。2.3.2摇 景观生态风险评价模型景观生态风险评价模型中,广泛应用生态风险值与风险发生概率的乘积表示景观生态风险49,风险发生概率一般采用某一土地利用类型面积占风险评价单元总面积的比值表示;生态风险值也称景观损失度,通常由景观干扰度和景观脆弱度表征。a.景观干扰度指数 Si表征不同景观组成部分在城市化过程中遭受的人为干扰程度,如人口密度带来的资源和环境的变化50。而景观干扰度通常又由
15、破碎度、连通性、形状变化等反映。景观破碎度指数 Ci表征景观成分复杂和不连续的程度,反映人类活动的改变引起城市生态系统的变化51程度,表明景观类型在自然或人为干扰下由连续的整体斑块向复杂的不连续斑块转变的过程。景观分离度指数Ni表征了斑块的分散程度,反映了外界干扰对城市生态网络结构的影响。景观分维度指数 Di强调斑块的几何规律性,反映了斑块形状的复杂性、不规则性。东部沿海城市由于人口活动强度大、经济活动密集,城市景观更容易被打破和严重支离破碎。景观破碎度指数、景观分离度指数、景观分维度指数和景观干扰度指数计算公式如下:Ci=ni/Ai(1)Ni=12niAAAi(2)Di=2lnPi4/ln
16、Ai(3)Si=a Ci+b Ni+c Di(4)其中摇a+b+c=1式中:a、b、c 为权重,根据 Mo 等52的研究结果,a=0.5,b=0.3,c=0.2;Ai为景观类型 i 的面积;ni为景观类型 i 的斑块数量;A 为景观总面积;Pi为景观类型 i 的周长。Si的大小与景观受人为干扰程度大小成正比;Ci反映景观生态系统的碎片化程度,其值越大,相应评价单元越不稳定;Ni的大小与景观类型空间分布的复杂程度成正比;Di的取值范围为 1 2,其值越大,景观斑块的形状越复杂,当 Di 1.5 时,补丁形状复杂。b.景观脆弱度指数Fi反映了不同景观类型对外部干扰的敏感性,其程度与景观生态系统演替
17、阶段有关。根据 Lin 等53的研究结果,结合研究区的特点,将景观类型按照脆弱性从高到低赋值为:6(未利用地)、5(水域)、4(耕地)、3(草地)、2(林地)、1(建设用地),经归一化计算得到Fi。c.景观生态风险指数 E 是从格局 过程视角出发,根据景观损失度和风险发生概率的乘积得到的,用来表征东部沿海城市的脆弱性和受干扰程度47,49。系统分析东部沿海城市景观生态风险分布,比较东部沿海城市景观生态风险等级,根据景观生态风险指数大小,将景观生态风险分为 5 个级别:高(E0.039)、中高(0.036E臆0.039)、中(0.033E臆0.036)、中低(0.030 E 臆0.033)、低(
18、E 臆0.030)。根据风险原理47,景观生态风险指数公式为E=移ni=1AkiAkRi(5)其中摇Ri=SiFi式中:Aki为第 k 个城市内景观类型 i 的面积;Ak为第k 个城市的总面积;Ri为景观损失度。3摇 结果与分析3.1摇 土地利用变化东部沿海城市土地利用主要类型是耕地、林地、建设用地,分别占土地总面积的 40.71%、34.47%和 12.79%。从整个宏观格局来看,东部沿海城市带以长江口、杭州湾为界,长江口、杭州湾以北多耕地,杭州湾以南多林地、农村居民点和工矿交通用地。建设用地主要集中于地势平坦的华北平原、长江三角洲平原和珠江三角洲平原;草地面积占5.13%,主要分布于山东沿
19、海城市的黄河三角洲地区、东部山地区域和福建沿海城市大部分地区;水域面积占6.80%,多分布于辽宁省沿海城市、天津市、河北省沿海城市、江苏省沿海城市和浙江省沿海城市;未利用地面积占比仅为0.11%,零星分布在岸线附近。整体上,东部沿海城市带土地利用呈现以北耕南林为主的陆域多类型混合区域的宏观格局特征(图 1)。北方耕地占比多,耕地抵御外界干扰的能力弱于林地,生态脆弱性高于南方。从城市来看,耕地占比较大的城市主要有河北省沧州市,山东省滨州市、东营市、潍坊市,江苏省连云港市、盐城市、南通市;林地占比较大的城市主要有辽宁省丹东市,浙江省杭州市、温州市,福建省福州市、宁德市,广东省13水利经济,2023
20、,41(5)摇 E鄄mail:jj 摇 http:/摇 电话:02583786376摇图 1摇 沿海城市土地利用空间分布惠州市、阳江市、江门市,广西壮族自治区防城港市。20152020 年环渤海地区建设用地和水域增加较多,位于城市中心周边地区和临海区域的建筑用地增加较明显;渤海湾和莱州湾的人工湿地、湿地自然保护区增加较明显。20152020 年江苏省沿海三市土地开发现象加剧,表现为耕地与建设用地间的剧烈转换,耕地占城市土地总面积的比重均最大,但在“十三五冶期间耕地逐渐缩减,建设用地不是围绕城市中心集中连片式增加,而是呈现散团式镶嵌、遍地开花式扩张的态势。上海市西南部及南部地区单一成片的耕地则转
21、化为建设用地、草地等,地区景观异质性有所提高。沿南海城市土地利用变化幅度较小,主要变化集中在珠江口地区,以深圳市为代表,“十三五冶期间建设用地面积稍有增加。图 2摇 20102020 年沿海城市土地利用面积从图 2 可以看出,20102020 年不同的土地利用类型变化程度不同:耕地面积减少5769.33 km2,减少幅度为 3.16%,减少幅度在所有土地利用类型中最大,平均减少速度为576.93 km2/a;林地在20102015 年减少速度为124.38 km2/a,面积减少513.45 km2,减少幅度为 0.34%,在 20152020 年面积基本保持稳定。草地、水域、建设用地、未利用地
22、 面 积 均 在 增 加,其 中 建 设 用 地 增 加 了3907.29 km2,上升了 7.58%。图 3 显示,20102020 年东部沿海城市耕地区域 转 变 为 城 市 建 设 用 地 的 比 例 最 高,共 计7234.86 km2;退耕还林土地面积为2401.7 km2,耕地转变为水域面积为1569.01 km2,耕地转变为草地、未利用地面积分别为706.12 km2和196.07 km2。图 3摇 20102020 年沿海城市土地利用转移和弦图3.2摇 景观格局特征在 Fragstats3.2 软件中采用土地利用数据计算各地级市的景观格局指数,得到不同城市不同景观类型的斑块数量
23、、总面积和周长,由式(1)(2)(3)可计算得到研究区景观破碎度指数、景观分离度指数、景观分维度指数时空分布结果,如图 4 6 所示。由图 4 和图 5 可以看出,研究区景观破碎度指数和景观分离度指数在空间分布上高度一致,高值区位于辽宁省大连市、天津市、山东省潍坊市、上海23水利经济,2023,41(5)摇 E鄄mail:jj 摇 http:/摇 电话:02583786376摇图 4摇 20102020 年沿海城市景观破碎度指数时空变化图 5摇 20102020 年沿海城市景观分离度指数时空变化图 6摇 20102020 年沿海城市景观分维度指数时空变化33水利经济,2023,41(5)摇 E
24、鄄mail:jj 摇 http:/摇 电话:02583786376摇市、福建省南部沿海城市、广东省汕头市和湛江市,表明这些地区景观破碎化程度较大,低值区在辽宁省锦州市,河北省沧州市,山东省滨州市,江苏省连云港市、盐城市、南通市,表明这些地区景观破碎化程度、景观类型分散度较小,复杂程度也较小。20102020 年沿海城市总体景观破碎度指数和景观、景观分维度指数均呈现下降趋势,景观破碎化程度在降低,景观更加集中,表明景观受干扰程度在降低。表 2摇 20102020 年沿海城市景观生态风险分布时间高风险中高风险中风险中低风险低风险2010 年盘锦市、沧州市、潍坊市、盐城市、南通市、上海市、厦门市锦州
25、市、天津市、东营市、滨州市、烟台市、威海市、青岛市、日照市、汕头市、北海市、湛江市大连市、秦皇岛市、唐山市、连云港市、宁波市、舟山市、莆田市、潮州市、揭阳市、汕尾市、中山市、珠海市、江门市、海口市营口市、葫芦岛市、绍兴市、台州市、宁德市、福州市、泉州市、漳州市、惠州市、广州市、深圳市、阳江市、茂名市、钦州市丹东市、杭州市、温州市、东莞市、防城港市、三亚市2015 年盘锦市、潍坊市、盐城市、上海市、厦门市锦州市、沧州市、滨州市、东营市、烟台市、威海市、青岛市、日照市、南通市、嘉兴市、汕头市、湛江市、北海市大连市、秦皇岛市、唐山市、天津市、连云港市、舟山市、潮州市、揭阳市、汕尾市、中山市、江门市、
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