區(qū)域城市擴張對森林景觀破碎化的影響——以粵港澳大灣區(qū)為例

虞文娟,任 田,2,周偉奇,2,3,*,李偉峰

1 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心,城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室,北京 100085

2 中國科學院大學,北京 100049

3 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心,北京城市生態(tài)系統(tǒng)研究站,北京 100085

森林提供著多種重要的生態(tài)系統(tǒng)服務,在全球碳循環(huán)、水循環(huán)、生物多樣性保護等方面發(fā)揮著重要作用[1-2]。森林面積縮減和破碎化趨勢提高會導致生物多樣性下降,外來物種入侵風險增加,以及生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量降低[3-5]。近二十年來,伴隨著快速城市化,在我國的諸多城市和城市群,城市擴張逐漸成為森林面積減少和破碎化的主導因子。因此,研究城市化對森林景觀破碎化的影響是開展森林生態(tài)系統(tǒng)保護與修復的重要前提。

現(xiàn)有的大量城市化對森林景觀破碎化影響的研究,主要聚焦于城市擴張幅度(即城市面積增長)對森林面積減少和破碎化程度的影響。研究主要以林業(yè)調(diào)查圖鑒、遙感解譯的土地覆蓋數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過移動窗口法和景觀格局分析法刻畫林地破碎類型、破碎程度及其在不同時間段上的變化特征[6-10]。在此基礎(chǔ)上,通過林地與建設用地間的面積轉(zhuǎn)換[11-13],城-鄉(xiāng)梯度上林地景觀格局的分異規(guī)律[14-16],以及林地破碎化與社會經(jīng)濟要素間的統(tǒng)計關(guān)系[17-19]揭示城市擴張加劇森林景觀破碎化的現(xiàn)象。城市擴張的特征不僅包括城市面積的增長,還包括城市景觀格局的變化,如各要素的斑塊大小,斑塊聚集度,邊緣密度等的改變。在給定范圍中,各景觀要素的面積此消彼長,其配置間的彼此關(guān)系也會隨時間發(fā)生變化[20-21]。已有研究中,從建設用地格局與林地格局相互關(guān)系在長時間序列上變化的角度,探討城市擴張對森林景觀破碎化的影響還較為缺乏。另一方面,以城市群為組織方式推進城市化已成為我國新型城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略的主導方向之一[22]。由于城市群包含各類生態(tài)功能供給區(qū)和高度城市化區(qū)域,地域差異大。已有相關(guān)研究僅從單個城市或區(qū)域整體兩個尺度開展分析,較難全面反映區(qū)域城市化過程中森林景觀破碎特征的變化。因此,有必要開展多尺度的區(qū)域城市擴張對森林景觀破碎化的影響研究。

粵港澳大灣區(qū)是我國快速城市化的典型區(qū)域,其組成包括：珠三角城市群、香港和澳門特別行政區(qū),人口城市化率在2018年已超過80%,城市擴張幅度大,速度快[23]。該區(qū)位于我國南方林區(qū),森林資源豐富,是水源涵養(yǎng)與生物多樣性保護重要區(qū)[24,25]。2016年,珠三角地區(qū)被正式復批為“國家森林城市群建設示范區(qū)”。同年,廣東省政府啟動了森林城市群規(guī)劃與建設工作[26]。2017年,國務院正式提出建設粵港澳大灣區(qū),確立生態(tài)優(yōu)先,綠色發(fā)展的原則。因此,研究粵港澳大灣區(qū)區(qū)域城市擴張與森林景觀破碎化之間的定量關(guān)系,將有助于區(qū)域生境修復與生態(tài)功能提升。本文以遙感解譯的1980年、1990年、2000年、2010年和2018年土地覆蓋/利用專題圖為基礎(chǔ),通過定量分析區(qū)域、城市和區(qū)縣尺度上林地格局與建設用地格局間的關(guān)系,探討區(qū)域城市擴張對森林景觀破碎化的影響。

1 研究區(qū)概況

粵港澳大灣區(qū)位于我國東南沿海的珠江三角洲區(qū)域,包括廣東省9個城市(廣州、東莞、深圳、佛山、中山、珠海、惠州、江門和肇慶)和香港、澳門2個特別行政區(qū),行政范圍總面積為6.5×104km2。灣區(qū)地勢北高南低,西、北、東三面丘陵山地環(huán)繞,中部及東南部以沖擊平原為主。由于灣區(qū)地處北回歸線以南,充沛的光、熱、水資源使境內(nèi)丘陵山地區(qū)域分布著豐富的森林資源,植被覆蓋占比超過50%,動植物生物多樣性高。2000年以來,灣區(qū)經(jīng)濟發(fā)展迅速,城市化水平也相應迅速提高。至2017年,全區(qū)GDP總量超過10萬億元,常住人口約為6900萬人?；浉郯拇鬄硡^(qū)發(fā)展?jié)摿V闊,但目前面臨著生態(tài)空間萎縮、生態(tài)環(huán)境功能退化、空氣二次污染加劇、以及生活與工業(yè)水污染加重等生態(tài)環(huán)境問題,生態(tài)建設處于壓力疊加時期。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文所用的土地覆蓋/利用專題數(shù)據(jù)包括六種典型類型：林地、草地、水體、耕地、建設用地和其他。該數(shù)據(jù)基于30m空間分辨率的美國陸地衛(wèi)星Landsat MSS/TM/ETM+/OLI影像,采用結(jié)合回溯和面向?qū)ο蟮挠跋穹治龇椒ǐ@取1980—2018年土地覆蓋/利用專題數(shù)據(jù)[27]。該方法首先利用面向?qū)ο蟮膱D像分析方法提取2018年土地覆蓋/利用信息,并結(jié)合高空間分辨率遙感影像進行目視解譯,獲取高精度的專題數(shù)據(jù)?；?018年數(shù)據(jù),分別提取2010年、2000年、1990年和1980年發(fā)生變化的斑塊,進一步開展遙感解譯工作。未變化斑塊的類型屬性則與2018年保持一致。分層隨機抽樣的精度驗證顯示,1980—2018年共5期專題數(shù)據(jù)的總體精度分別為79.6%,81.33%,83.00%,85.67%和88.67%。

2.2 景觀格局分析方法

景觀格局分析法是定量刻畫景觀破碎化特征的有效手段。本文選用三個典型指標：斑塊類型面積比(Percentage of landscape, PLAND)、斑塊密度(Patch density, PD)和平均斑塊大小(Mean patch size, MPS),從區(qū)域、地市、區(qū)縣三個尺度,首先分析1980—2018年粵港澳大灣區(qū)森林景觀破碎化的時空特征。為探討城市擴張格局的影響,本文通過相同指標度量建設用地空間格局的特征。

表1 景觀格局指數(shù)及其生態(tài)學含義Table 1 Landscape metrics and description

2.3 相關(guān)分析方法

本研究通過Pearson相關(guān)分析和偏相關(guān)分析定量解析林地格局與建設用地格局間的關(guān)系。涉及的變量為六個景觀格局指數(shù),分別是：林地比例(X1)、林地斑塊密度(X2)、林地平均斑塊大小(X3)、建設用地比例(X4)、建設用地斑塊密度(X5)和建設用地平均斑塊大小(X6)。

3 研究結(jié)果

3.1 森林景觀格局及其演變特征

1980—2018年,粵港澳大灣區(qū)森林面積從1980年的33304 km2縮減至2018年的32,030km2,凈變化1274km2(圖1)?？臻g上,林地喪失具有明顯地域差異,東南部林地喪失較其余區(qū)域明顯(圖2)。近40年來,2000—2010年林地喪失幅度明顯高于其他時段,消失面積達1853km2。進一步的變化分析顯示,建設用地逐漸成為林地流轉(zhuǎn)的主要類型。1980—1990年,林地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO用地的面積占林地喪失面積的比例僅為11%。1990—2018年,每10年的占比分別為35%,43%和42%(圖3)。林地喪失的區(qū)域主要位于廣州、東莞、深圳等城市大幅擴張的區(qū)域,呈大面積斑塊消失的特征(圖4)。位于兩翼的肇慶、江門和惠州,林地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO用地的斑塊則呈小面積的線狀特征(圖4)。

圖1 1980—2018年林地和建設用地面積及其占國土面積比Fig.1 Area and percentage of forest land and developed land in 1980 to 2018

圖2 1980—2018年土地覆蓋/利用空間分布Fig.2 Spatial pattern of land cover and land use in 1980 to 2018

圖3 1980—2018年林地轉(zhuǎn)換為其他土地覆蓋/利用類型的面積 Fig.3 The loss of forest to each land cover/use type in 1980 to 2018

圖4 1980—2018年林地喪失的空間分布Fig.4 Spatial pattern of the forest loss in 1980—2018

景觀格局分析結(jié)果顯示,1980—2018年,全區(qū)林地斑塊密度從0.25個/km2增長至0.53個/km2,平均斑塊大小則從2.37km2下降至1.09km2,表明大灣區(qū)森林景觀呈破碎趨勢。比較區(qū)域內(nèi)各城市,斑塊密度與平均斑塊大小變化差異明顯。城市快速擴張的東莞與深圳,斑塊密度增長明顯,其值分別提高了0.92個/km2和0.79個/km2,遠高于全區(qū)變化值,即0.28個/km2。平均斑塊大小也表現(xiàn)出明顯縮減的特點,兩市平均斑塊面積分別從1980年的2.21km2和2.56km2下降至2018年的0.26km2和0.45km2。而肇慶和惠州兩市,林地斑塊密度增長程度雖低于全區(qū)變化水平,但其平均斑塊大小縮減明顯。兩市平均斑塊面積分別從1980年的5.72km2和2.96km2下降至2018年的3.65km2和1.57km2,面積縮減量均高于灣區(qū)總體水平(表2)。

表2 1980—2018年粵港澳大灣區(qū)及各地市與特區(qū)林地斑塊密度和平均斑塊大小Table 2 Patch density and mean patch size of forest land at regional and city level in 1980—2018

3.2 城市擴張對林地破碎化的影響

區(qū)縣尺度上,Pearson相關(guān)分析顯示,林地斑塊密度與建設用地比例顯著正相關(guān),而林地平均斑塊大小與建設用地比例顯著負相關(guān)。格局方面,林地斑塊密與建設用地斑塊密度(除2018年外)、建設用地平均斑塊大小(除2000年和2010年)呈顯著正相關(guān)關(guān)系。林地平均斑塊大小則與建設用地斑塊密度、建設用地平均斑塊大小(僅1990年和2018年)顯著負相關(guān)(表3)。

表3 1980—2018年林地格局與建設用地格局的Pearson相關(guān)系數(shù)Table 3 Pearson correlation coefficients between forest pattern and developed land pattern in 1980—2018

Pearson相關(guān)分析還顯示,建設用地比例與其斑塊密度、平均斑塊大小也存在顯著的相關(guān)性。因此,本文利用偏相關(guān)分析方法,控制建設用地比例,進一步分析林地格局與建設用地斑塊密度間的關(guān)系。結(jié)果顯示,林地斑塊密度與建設用地斑塊密度主要正相關(guān),林地平均斑塊大小與建設用地斑塊密度負相關(guān),但兩種關(guān)系都不顯著。

4 討論

4.1 林地破碎類型及其成因

近40年來,粵港澳大灣區(qū)林地面積總體下降。不同時期中,林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦黝愅恋馗采w/利用的面積占林地變化總面積比例上升,反映了城市擴張逐漸成為林地喪失的主要原因。早期,坐落在珠江三角洲上的核心城市(廣州-佛山)最先得到發(fā)展?；诮ㄔO成本的考慮,城市擴張主要侵占周邊耕地(圖2)。1990—2018年,生活與生產(chǎn)空間需求的日益增長使城市進一步向外邊緣擴張,侵占農(nóng)田周邊的林地(圖2)。尤其是在早期林地覆蓋比例高,城市擴張快速的區(qū)域,如深圳和東莞,林地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO用地對林地喪失的貢獻更為顯著[28-29]。

林地格局分析結(jié)果顯示,大灣區(qū)森林景觀趨于破碎,內(nèi)部林地破碎化特征區(qū)域差異明顯。如圖4和表2所示,建設用地占比高的城市,如廣州、東莞和深圳,森林景觀的破碎化主要受大規(guī)模城市擴張的影響。這些區(qū)域的林地斑塊遭到大幅侵占,殘存大量小面積的林地斑塊分布在城市和周邊區(qū)域。而林地占比高的城市,如肇慶、惠州和江門三市,林地斑塊密度變化并不劇烈,但平均斑塊面積顯著縮減。這些區(qū)域城市擴張規(guī)模小,但因處于核心城市與灣區(qū)外部的連接區(qū)域,路網(wǎng)十分密集,人類干擾活動也較為強烈[30]。原有連片且大面積的林地斑塊除遭到小規(guī)模城市擴張的侵占外,還受到日益加密路網(wǎng)的切割,進而形成孔洞的、破碎的林地斑塊。結(jié)果表明,多尺度分析較好地刻畫了灣區(qū)內(nèi)部林地破碎化的類型,反映了不同強度的人類活動對森林景觀破碎化的影響。

表4 控制建設用地面積的林地格局與建設用地斑塊密度偏相關(guān)分析Table 4 Partial correlations between forest pattern and patch density of developed land after controlling the developed land percentage

4.2 森林景觀空間管理與功能修復

林地格局與建設用地面積在各時段中的顯著關(guān)系,即林斑塊密度與建設用地面積顯著正相關(guān)和林地平均斑塊大小與建設用地面積顯著負相關(guān),表明城市面積的增長加劇了森林景觀破碎化。林地斑塊密度與建設用地斑塊密度、平均斑塊大小的顯著正相關(guān)關(guān)系顯示了城市擴張的空間形態(tài)也對森林景觀的破碎化產(chǎn)生影響。但偏相關(guān)分析顯示,控制建設用地面積比后,林地格局與建設用地格局的關(guān)系不顯著,表明較之于建設用地空間形態(tài),其面積增長對森林景觀破碎化的影響更為重要。

基于遙感解譯的土地覆蓋/利用專題圖顯示,大灣區(qū)林地覆蓋比例高,城鎮(zhèn)聚合程度高,形成了以林地為基底,鑲嵌水體、農(nóng)田和城鎮(zhèn)的格局。本研究顯示,大灣區(qū)內(nèi)部森林景觀破碎類型與程度存在明顯地域特征,形成原因也不盡相同。差異化的格局將引起不同的生態(tài)效應,需針對性地開展生態(tài)管理與修復[4]。在區(qū)域規(guī)劃與管理中,劃定城市增長邊界能有效控制城市規(guī)模,減緩林地的喪失[31]。另一方面,在開展區(qū)域生境修復與功能提升時,需綜合考慮不同地域的景觀特征,如林地與建設用地在空間上的結(jié)構(gòu)搭配所發(fā)揮的作用。在以林地為基底的區(qū)域,結(jié)合生物活動范圍,建構(gòu)功能性廊道,連通大面積林地斑塊,有助于提升生物多樣性保護功能。在高度城市化區(qū)域,識別關(guān)鍵斑塊與廊道,重構(gòu)生態(tài)網(wǎng)絡有助于恢復生境的景觀連通性,保障生態(tài)系統(tǒng)功能的持續(xù)發(fā)揮[32- 34]。

5 結(jié)論

本文以1980—2018年的土地覆蓋/利用專題數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),利用景觀格局分析和統(tǒng)計分析,從區(qū)域、城市和區(qū)縣三個尺度定量刻畫了粵港澳大灣區(qū)森林景觀破碎化的時空特征及其與城市擴張格局間的關(guān)系。主要結(jié)論如下：

(1)1980—2018年,大灣區(qū)森林覆蓋面積縮減,城市擴張逐漸已成為林地喪失的主導因素；

(2)森林景觀破碎化程度加劇,但破碎類型及程度具有地域差異；

(3)城市擴張幅度與空間格局顯著影響林地破碎化程度,其中,城市擴張幅度對林地破碎化的影響更為重要。