哈長城市群土地利用與景觀生態風險時空演變及關聯分析

徐 妍, 李明玉, 余 洲

(延邊大學 地理與海洋科學學院,吉林 延吉 133002)

隨著全球城市化和建設用地的快速擴張,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,土地利用結構不合理、土地生態風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域生態系統產生長期影響,導致生態結構和成分產生變化,涉及多種生態過程,因而會引發生態風險問題[6-8]。生態風險是由環境的自然變化或人類活動引起的生態系統組成、結構的改變而導致系統功能損失的可能性[9]。許多研究表明,土地利用變化與生態風險密切相關,并對區域生態風險起著決定性作用[10-11]。不同土地利用方式和強度的生態影響在生態結構和組成中具有區域性和積累性特征[7]。全面分析不同生態環境的潛在影響,對生態風險管理起著至關重要的作用,為有效的保護措施提供信息[12-13]。

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

國家“十三五”規劃綱要中明確指出,哈長城市群是我國重點建設的 19個城市群之一[19],具有重要的戰略意義。它不僅是東北老工業基地振興發展的重要增長極;也是我國北部地區對外開放的一個重要門戶;此外,它還是老工業基地體制創新先行區與綠色生態城市群[20-21]。然而,現有研究缺少對哈長城市群景觀生態風險的相關研究。因而,該研究通過對土地利用與景觀生態風險的關聯研究,對平衡城市發展與生態保護之間的矛盾,促進生態系統的可持續發展,具有重要戰略意義,為哈長城市群景觀生態風險的管控及未來的發展規劃提供有效的科學依據。

1 研究區概況

哈長城市群(122°24′E～131°18′E, 42°00′N～48°55′N)位于東北地區[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]。研究區東臨朝鮮半島,北挨俄羅斯遠東,西接內蒙古自治區?？偯娣e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個省會城市為區域核心,輻射帶動周邊多個城市[25-26],據第七次人口普查所示,截止到2020年,哈長城市群總人口約4 354萬人,總的地區生產總值約21 145億元。哈長城市群城市化率達50.3%,處在雛形發育的末期階段,未來發展空間很大[27](圖1)。

圖1 研究區位置示意圖

2 數據與方法

2.1 數據來源

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

表1 數據來源

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用變化分析方法

土地利用轉移矩陣能夠精確量化研究周期內系統中狀態與狀態的轉移,可以全面精細化地分析土地轉入轉出的變化特征[30]。此過程可通過以下公式計算[31-32]：

(1)

式中,Sij為研究區初期與末期的土地利用類型狀態;n為土地利用類型的個數。

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

(2)

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

2.2.2 景觀生態風險評價方法

生態風險指數計算模型是基于景觀干擾度指數和景觀脆弱度指數構建的。這模型可分析各種景觀類型的生態系統,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的潛在生態問題,具體計算公式如下[36]：

(3)

式中,LER代表景觀生態風險指數;n代表景觀類型種類數量;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;Ri代表第i類景觀的脆弱度指數;An為所有景觀的面積之和。

景觀干擾度指數反映不同景觀類型的生態系統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,ni代表第i類景觀的斑塊數,Ni代表景觀分離度指數,Di代表景觀優勢度指數,Qi代表第i類斑塊的樣方數與所有斑塊樣方數之比,Mi代表的是第i類斑塊的數量與所有斑塊數之比,Li為第i類斑塊的面積與總面積之比。通過結合研究區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(表2)。

表2 各土地類型脆弱度指數

通過標準化處理后,結果如表3所示：

(8)

表3 歸一化后各土地類型脆弱度指數

式中,XS表示標準化值,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代入生態風險評價模型中,并根據實際情況,將研究區生態風險分為5類,分別為：低生態風險(0≤LER<0.04)、較低生態風險(0.04≤LER<0.06)、中生態風險(0.06≤LER<0.08)、較高生態風險(0.08≤LER<0.10)和高生態風險(LER≥0.10 ),并基于GIS平臺進行面積計算。

2.2.3 相關性分析

該文對研究區的土地利用變化與景觀生態風險進行spearman相關性分析,借助Python語言繪制土地利用變化與景觀生態風險的熱力圖,來反映土地利用變化對景觀生態風險的影響。

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

(9)

3 結果與分析

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據,對其進行波段融合、影像拼接和裁剪等處理,查閱相關文獻資料[42-43]和已有的土地利用分類體系[44],同時,結合研究區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年研究區土地利用表

圖2 2000(a)、2010(b)、2020(c)年研究區土地利用圖

由圖2可知,林地主要分布于東南部地區,耕地主要分布在西北部地區。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,更適宜進行農業活動,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個城市周邊地區可能包括濕地、鹽堿地和其他土地類型,不如其他地區適合典型的城市建設、農業或工業活動。建設用地主要呈聚集型分布于各個城市的中心地區,這主要是因為城市的中心區域通常集中了商業、金融、文化和政府機構等重要建設用地,這些區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、水資源保護和生物多樣性維護都具有重要的生態功能。在耕地的邊界處種植草地可以幫助減輕土壤侵蝕、水源污染和生態系統破壞的風險[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年耕地面積呈現增長趨勢。林地面積呈現出不斷減少的趨勢,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;建設用地面積呈現出不斷增加的趨勢,這主要是因為隨著經濟的快速發展和城市人口的增加,哈長城市群地區經歷了持續的城市化進程,隨著城市發展,需要建設更多的基礎設施,導致了對建設用地的需求不斷增加,以容納城市人口和支持城市經濟的發展;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統計,將土地利用數據生成轉移矩陣以反映不同地類之間的面積變化。然后,通過分析這些數據,得出2000—2020年的土地利用動態變化情況(表5)。

表5 2000—2020年研究區土地利用轉移矩陣

2000—2020年,耕地主要轉移到林地和建設用地。林地轉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,減緩了農田開墾;另一方面,大規模的耕地轉為建設用地也與人口增長、社會經濟發展和城市化進程加速密切相關。草地與未利用地主要轉化為耕地,這與區域內糧食需求增加和種植方式有關;林地和水體的面積在減少,雖然存在部分耕地轉化為林地和水體,但林地和水體轉出的面積遠大于轉入面積。

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

表6 單一土地利用動態度表

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%,總體呈現降低的趨勢;其次,是建設用地,為0.59%,呈現擴張趨勢,2000—2010年為0.73%,2010—2020年為1.05%,2個時間段內均為增加,說明建設用地在不斷擴張;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年明顯擴大,突然增加為0.31%。

3.2 景觀生態風險評估

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

表7 2000—2020年研究區景觀格局指數

表8 2000—2020年研究區生態風險等級面積表

景觀破碎度指數通常用于衡量區域內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,景觀破碎度指數最小為0.000 6,最大為0.039 3,均小于0.05,總體上呈現出較低的趨勢。在景觀破碎度指數中,最小的是耕地,最大的是建設用地。

景觀分離度指數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均較低,均小于0.03,建設用地分離度最高,由于城市的發展,斑塊間的聯結,形成更大的斑塊,因而分離度呈現出下降的趨勢。

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

干擾度指數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,其保護程度最高。

2000年景觀生態風險指數平均值為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,表明區域內各景觀的生態風險差距在逐漸擴大。20年間,均為較高生態風險區與中生態風險區占地面積最大,占比之和約等于60%;在研究區內,低生態與較低生態風險區所占比例約為35%。2020年高生態風險與較高生態風險區與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,低風險地區主要分布在東南部地區,主要是因為該地區主要分布的地類為林地,景觀脆弱度指數較低。較低風險地區主要分布在低生態風險區的外圍部分區域;中風險地區主要分布在以耕地為主要地類的地區;較高和高生態風險區主要分布在西北角地區,其中,較高生態風險區廣泛分布著耕地、草地與建設用地等土地類型,草原大多以畜牧業為主,使該地區呈現出較高生態風險;高生態風險區主要分布于水體及未利用地較多的區域,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,因而表現出高生態風險區。對比2000—2020年,大慶市南部由于畜牧業的不斷發展導致草地荒漠化,使得草地轉化為未利用地,景觀生態風險由較高轉化為高。在東北振興政策的扶持下,城市擴張速度增加,導致建設用地面積增加,景觀生態風險增加。隨著國家大力推動土地資源的集約利用,對用地結構進行了調整,對耕地建設實施集約化管理,因而中部地區景觀生態風險明顯有所下降。

圖3 2000—2020年研究區生態風險分布圖

3.3 土地利用變化與景觀生態風險關聯分析

該文通過計算Spearman相關系數來分析哈長城市群的各土地利用類型與景觀生態風險間的相關關系與強度,基于GIS、SPSS及Python平臺計算各柵格間的相關性,并制作熱力圖,進行可視化,如圖4所示,紅色代表負相關;藍色代表正相關。顏色越深,相關性越強。

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

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

4 結論與展望

4.1 結論

該文基于2000、2010、2020年3期土地利用數據,分析了哈長城市群土地利用及景觀生態風險時空演變格局及其關聯性,研究結論如下。

1) 研究區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,土地利用方式發生一些變化,變化最明顯的是耕地,耕地主要轉為林地、建設用地和草地。增長速率最大的是耕地;減少速率最大的是草地。

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

3) 隨著時間推移,土地利用與景觀生態風險相關系數變化不大,生態風險均與林地呈明顯負相關關系,林地的增加將有助于生態風險的降低;與其余地類均呈正相關關系。

4.2 不足和展望

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

哈長城市群作為東北振興的重要基地,隨著城鎮化的發展,生態環境質量整體不高,急需開展生態環境保護策略?；谝陨辖Y論可得以下政策啟示。林地的增加將有助于生態風險的降低,對此,要抓重點,在保護天然林的基礎上,采取植樹造林等措施,以降低生態風險。生態風險與草地呈明顯負相關,主要是其脆弱性指數大,尤其是在大慶市與齊齊哈爾市周邊,應保護現有草地,劃區輪牧,禁止過度放牧,避免草地成荒、生態風險增加現象發生。