基于土地利用/覆被變化的景觀生態(tài)風(fēng)險演化分析

張應(yīng)裕，呂鳳濤*，麥建開，王園園，王 彬

（1.廣東省測繪工程有限公司，廣東 廣州 510663；2.華南師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，廣東 廣州 510631）

近年來，對于城市生態(tài)風(fēng)險評價的研究越來越廣泛，重點關(guān)注自然要素和人為要素等對景觀格局造成的影響[1-4]。改革開放以來，中山市經(jīng)濟快速發(fā)展，外來人口顯著增加。粵港澳大灣區(qū)概念的提出，使不少學(xué)者投入到對大灣區(qū)的研究中[5-8]。研究發(fā)現(xiàn)大灣區(qū)區(qū)域發(fā)展不平衡、生態(tài)環(huán)境惡化等問題突出；而針對區(qū)域內(nèi)各城市生態(tài)風(fēng)險評價的研究較少。中山市作為大灣區(qū)建設(shè)的重要節(jié)點之一，隨著城鎮(zhèn)化進程的日益推進，將面臨土地粗放利用所帶來的空間布局和資源短缺等問題，環(huán)境承載壓力處于較高水平。基于此，本文以中山市為研究區(qū)，從景觀學(xué)角度系統(tǒng)分析了中山市1980－2020年的土地利用變化情況，尤其是城鎮(zhèn)建設(shè)用地的時空演化過程，開展了中山市生態(tài)風(fēng)險評價，為中山市制定適應(yīng)粵港澳大灣區(qū)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略提供數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

中山市地理位置優(yōu)越，東與深圳、香港隔海相望，東南與珠海接壤、毗鄰澳門，西、西南與江門相鄰，北、西北與廣州相接；是我國最先實施改革開放的地區(qū)之一，也是最具代表性的珠三角產(chǎn)業(yè)城市之一[9]；下轄18個鎮(zhèn)，6個街道，是我國5個不設(shè)直轄區(qū)的地級市之一，包含1個國家級火炬高技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)和翠亨新區(qū)。在粵港澳大灣區(qū)城市群中，中山市的城鎮(zhèn)化水平較高。近年來，中山市經(jīng)濟快速發(fā)展，外來人口大量聚集，對城市空間的需要持續(xù)增加，從而導(dǎo)致 用地與生態(tài)矛盾的加劇。

1.2 數(shù)據(jù)來源

土地利用/覆被變化是導(dǎo)致全球環(huán)境變化的重要因素[10-11]。本文利用來自中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心的多時期土地利用/覆被遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)集將中山市的土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水體、建設(shè)用地、其他用地6類；并在此基礎(chǔ)上，開展土地利用進一步的研究分析。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用變化分析方法

土地利用變化數(shù)量模型能反映土地利用/覆被類型面積和程度的變化、地類流向變化和變化空間形式[12]。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣和土地利用動態(tài)度能定量研究城鎮(zhèn)化影響下的城市空間格局，評估城鎮(zhèn)化的生態(tài)和環(huán)境影響，從而提高城市的可持續(xù)性（表1）。

表1 土地利用變化研究方法

1.3.2 景觀格局分析方法

通常利用景觀格局來描述大小、形狀、屬性不一的斑塊的空間分布與組合規(guī)律。對不同時段的景觀指數(shù)進行計算，不僅能幫助理解和評價區(qū)域的景觀現(xiàn)狀，而且能把握該地區(qū)的土地利用演化趨勢，分析產(chǎn)生變化的原因及其發(fā)展趨勢，為區(qū)域規(guī)劃提供參考[3-4]?；诙鄷r期土地利用/覆被遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)集，本文選取景觀復(fù)雜度、景觀破碎度、景觀穩(wěn)定性等景觀格局指數(shù)來綜合分析研究區(qū)內(nèi)各種土地利用類型的結(jié)構(gòu)組成和空間配置，從而反映區(qū)域全局的景觀特征，如表2所示。

表2 景觀格局指數(shù)

1.3.3 景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù)分析方法

通過引入景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù)，從景觀生態(tài)學(xué)的角度反映自然或人為因素影響下景觀格局與生態(tài)過程相互作用的負(fù)面影響。目前，在區(qū)域景觀尺度上的生態(tài)風(fēng)險評價多通過生態(tài)風(fēng)險指數(shù)實現(xiàn)[13-15]。

土地利用生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的表達(dá)式為：

式中，N為土地利用類型的總數(shù)量；A為土地總面積；Ai為第i種土地利用類型的面積；Ri為第i種土地利用類型所反映的損失指數(shù)，表示各土地利用類型遭遇干擾時所受到的生態(tài)損失差異，由干擾度指數(shù)Si和脆弱度指數(shù)Fi的乘積計算得到。

由于地理分布的廣泛性，本文以格網(wǎng)的形式劃分中山市的生態(tài)風(fēng)險單元，可實現(xiàn)快速的分級分層顯示，更好地體現(xiàn)生態(tài)風(fēng)險的空間分布情況。自然間斷法能使各類別之間的差異最大化，從而更清晰地展示各評價值在空間上演變特征的優(yōu)勢。本文根據(jù)自然間斷法，將生態(tài)風(fēng)險指數(shù)劃分為低風(fēng)險區(qū)、中低風(fēng)險區(qū)、中風(fēng)險區(qū)、中高風(fēng)險區(qū)、高風(fēng)險區(qū)5個等級，從而直觀展示中山市不同等級生態(tài)風(fēng)險的時空演化特征。

2 中山市生態(tài)空間時空演化分析

2.1 中山市土地利用變化分析

1980－1990年耕地為中山市的主要用地類型，分布在北部、西部等區(qū)域；林地和水體占比相當(dāng)，林地集中分布在中山市的南部，水體主要分布在西北部；建設(shè)用地面積較少，分散分布在中山市的中部和西北部；草地占比較少，分布在中山市的南部。2000年耕地雖仍是優(yōu)勢地類，但面積占比已大量減少，且呈分散分布；林地和水體面積均有一定程度的增加；南部、中部、西北部的建設(shè)用地面積占比翻倍上升；草地面積銳減。2010－2020年耕地面積持續(xù)減少，建設(shè)用地取代耕地成為中山市的優(yōu)勢地類，林地和水體面積均減少，但二者占比差別不大。40 a間中山市土地利用變化較大，建設(shè)用地逐漸取代耕地成為優(yōu)勢地類，除建設(shè)用地外，其他用地類型均有不同程度的減少，如圖1所示。

圖1 1980－2020年中山市土地利用變化

1980－2020年中山市的土地利用變化呈由各種土地利用類型向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移的趨勢，如表3～6所示。1980－1990年耕地分別向林地、水體和建設(shè)用地轉(zhuǎn)移了大量的面積；草地將近向林地轉(zhuǎn)移了其80%的面積，少量流入建設(shè)用地，面積減少幅度大，但因其面積占比小，對中山市土地利用變化的影響不大。1980－1990年中山市處于改革開放初期，城鎮(zhèn)化發(fā)展較慢，其他土地利用類型的轉(zhuǎn)移趨勢并不特別明顯。1990－2000年第二產(chǎn)業(yè)比重上升，對土地需求量增大，使得耕地、林地、水體均向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移了大量面積；由于中山市發(fā)展的特色農(nóng)業(yè)，耕地和水體存在相互交換，耕地向水體轉(zhuǎn)移的面積最多，但水體也有相當(dāng)比例的面積轉(zhuǎn)移為耕地。2000－2010年中山市土地利用變化較為劇烈，耕地、林地、水體向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)移尤為明顯，建設(shè)用地面積增長超過一倍以上，反映了中山市第二產(chǎn)業(yè)的發(fā)展迅速。2010－2020年土地利用變化趨勢放緩，水體向耕地轉(zhuǎn)移面積大于耕地向水體的轉(zhuǎn)移面積，轉(zhuǎn)移趨勢發(fā)生變化，說明中山市產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨于穩(wěn)定，農(nóng)業(yè)內(nèi)部投入側(cè)重出現(xiàn)轉(zhuǎn)變。

表3 中山市1980-1990年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣/km2

土地利用動態(tài)度變化最大的是建設(shè)用地，在前 3個時期均保持高速增長，2000－2010年達(dá)到最高值，隨后變化速度減緩；耕地的土地利用動態(tài)度則保持逐年減少的趨勢，且1980－2010年減少速率逐漸加快，在2000－2010年達(dá)到最大值，變化趨勢明顯，表明中山市農(nóng)用地不斷減少；林地除1980－1990年得到一定的補充外，后續(xù)3個時期均有所減少；草地在1980－1990年的土地利用動態(tài)度最大，但由于面積占比較少，其動態(tài)度無法過多影響各土地利用類型的空間格局；水體在前兩個時期的動態(tài)度超過1%，但在后兩個時期有明顯減少，并沒有保持一定的增長趨勢，如圖2所示。

圖2 中山市土地利用動態(tài)度變化圖

表4 中山市1990-2000年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣/km2

表5 中山市2000-2010年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣/km2

表6 中山市2010-2020年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣/km2

2.2 中山市景觀格局形態(tài)演化分析

由圖3可知，1980－2010年中山市景觀復(fù)雜度始終處于增長狀態(tài)，說明斑塊的形狀逐漸復(fù)雜，受干擾程度有所減?。欢?010－2020年景觀復(fù)雜度又有所下降，最終與1980年基本相同。研究期間，由于耕地、水體等地類被建設(shè)用地分割得更為破碎，中山市的 景觀破碎度持續(xù)上升，從空間上說明景觀結(jié)構(gòu)在人為因素的干擾下變得更復(fù)雜和不連續(xù)。隨著時間的推移，中山市各土地利用類型的占比差異總體上有所減小，景觀多樣性逐步增長。隨著不同土地利用類型之間的面積差距變化，景觀穩(wěn)定性呈先降后升的趨勢；1980－2020年中山市主要土地利用類型由耕地變?yōu)榻ㄔO(shè)用地，景觀中優(yōu)勢類型不明顯，各斑塊類型在景觀中分布較均勻，景觀均勻度提高；1980年，由于耕地面積占比最大，中山市的景觀優(yōu)勢度較高，當(dāng)耕地面積縮減，景觀優(yōu)勢度隨之降低，關(guān)鍵土地利用類型的主導(dǎo)性變小，建設(shè)用地面積在2020年反超耕地，中山市的景觀優(yōu)勢度又有了小幅提升。

圖3 中山市部分景觀格局指數(shù)變化圖

2.3 中山市生態(tài)風(fēng)險時空演化分析

1980－2020年中山市整體生態(tài)風(fēng)險保持下降趨勢（表7），這主要與建設(shè)用地的飛速擴張有關(guān)，建設(shè)用地的面積占比在各土地利用類型中最大，優(yōu)勢度上升，加上脆弱度較低，使得整體的生態(tài)風(fēng)險指數(shù)下降。同時，耕地、林地等脆弱度較高的土地利用類型的面積減少，也在一定程度上降低了整體的生態(tài)風(fēng)險。因此，2000－2010年生態(tài)風(fēng)險下降最快，說明這是中山市建設(shè)用地擴張最迅速的時期。

表7 中山市各年生態(tài)風(fēng)險評價結(jié)果

在研究期中，耕地面積逐漸下降，但斑塊數(shù)量卻有所上升，景觀破碎度和分離度呈上升趨勢，說明耕地的斑塊隨時間推移變得更分散；林地面積變化不大，但斑塊數(shù)量卻發(fā)生了不小變化，呈先降后升的趨勢，分離度也在最后時期達(dá)到了最高，呈現(xiàn)破碎的趨勢；水體在1990－2000年的斑塊數(shù)量急劇增加，隨后呈現(xiàn)一個較為穩(wěn)定的狀態(tài)，這與坑塘水面的分布特征有關(guān)；建設(shè)用地在面積迅速增長的情況下，其斑塊數(shù)量卻有所下降，說明建設(shè)用地的分布逐漸呈聚集趨勢，眾多分散的斑塊逐漸連接成整塊斑塊，且大斑塊的面積也逐漸增長。

2.3.1 景觀生態(tài)風(fēng)險等級分析

中山市生態(tài)風(fēng)險分等級數(shù)量統(tǒng)計圖如圖4所示，可以看出，中山市生態(tài)風(fēng)險的主要等級發(fā)生了較大變化，1980－1990年因中山市第一產(chǎn)業(yè)的比重較大，脆弱度高的耕地、水體面積占比較大，高風(fēng)險單元數(shù)量最多，林地集中分布區(qū)域的中風(fēng)險和中低風(fēng)險單元數(shù)量也都維持在較低水平，由于建設(shè)用地開發(fā)尚緩，且脆弱度較低，因此低風(fēng)險單元數(shù)量較少；從1990年開始，隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，中山市建設(shè)用地面積快速增加，低風(fēng)險單元數(shù)量迅速增加，到2010年城鎮(zhèn)化水平的快速提高使得低風(fēng)險單元數(shù)量迅速增加，與此同時，高風(fēng)險單元數(shù)量迅速減少，這與耕地面積的大量縮減有關(guān)，中高風(fēng)險單元數(shù)量變化在1990－2010年呈先升后降的趨勢，水體面積的變化是影響其變化的重要因素；2010－2020年中低風(fēng)險、中風(fēng)險和中高風(fēng)險單元數(shù)量均沒有太大變化，說明林地的保護較好，而高風(fēng)險單元數(shù)量有所減少，低風(fēng)險單元數(shù)量進一步增加，這與相當(dāng)數(shù)量的水體轉(zhuǎn)移為建設(shè)用地密切相關(guān)。對于整體的變化趨勢而言，建設(shè)用地面積的增加和聚集是生態(tài)風(fēng)險降低的主要原因，其有效提升了低風(fēng)險單元的數(shù)量；此外，雖然耕地、水體呈現(xiàn)較明顯的破碎化趨勢，但相對于建設(shè)用地的影響有限，并沒有影響生態(tài)風(fēng)險總體的下降趨勢。

圖4 中山市生態(tài)風(fēng)險分等級數(shù)量統(tǒng)計圖

2.3.2 景觀生態(tài)風(fēng)險時空分析

中山市生態(tài)風(fēng)險單元分布如圖5所示，可以看出，在1980年和1990年，由于中山市北部和最南端區(qū)域以發(fā)展農(nóng)業(yè)為主，耕地、水體大量分布，因此該區(qū)域處于高風(fēng)險單元，在以林地為主的中南部區(qū)域主要分布中風(fēng)險、中低風(fēng)險單元；到2000年，隨著中山市工業(yè)化的起步，中部的建設(shè)用地通過占用耕地、水體逐漸開始擴張，導(dǎo)致中部的一些生態(tài)風(fēng)險單元轉(zhuǎn)化為低風(fēng)險或中低風(fēng)險，同時北部一些高風(fēng)險單元的生態(tài)風(fēng)險也有所下降，從而轉(zhuǎn)變?yōu)橹懈唢L(fēng)險或中風(fēng)險，西北部建設(shè)用地的擴張也使該區(qū)域附近的生態(tài)風(fēng)險整體有所下降；2000－2010年是土地利用變化最劇烈的時期，反映了中山市經(jīng)濟的高速發(fā)展，中部的建設(shè)用地擴張后，連片的眾多單元都轉(zhuǎn)變?yōu)榈惋L(fēng)險單元，西北部建設(shè)用地的擴張也使大量生態(tài)風(fēng)險單元的ERI降低，尤其是中高風(fēng)險和高風(fēng)險單元，南部建設(shè)用地也呈擴張趨勢，因此南部部分區(qū)域的生態(tài)風(fēng)險也發(fā)生了變化；2020年的生態(tài)風(fēng)險空間分布格局與2010年相似，隨著經(jīng)濟發(fā)展速度由高速轉(zhuǎn)向中高速，城市繼續(xù)擴張，高風(fēng)險、中高風(fēng)險單元僅在東北部，且高風(fēng)險單元數(shù)量進一步減少，整個中山市的生態(tài)風(fēng)險達(dá)到一個較低的水平。

圖5 中山市生態(tài)風(fēng)險單元分布

3 結(jié) 語

本文通過構(gòu)建生態(tài)風(fēng)險評價體系，將景觀結(jié)構(gòu)與土地利用聯(lián)系起來，客觀反映了研究區(qū)域的生態(tài)環(huán)境狀況，得出的主要結(jié)論為：

1）198 0－2020年中山市城市建設(shè)成效明顯，但土地利用呈現(xiàn)較為粗放的特點。從土地利用類型來看，中山市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的顛覆性變化讓中山市建設(shè)用地急劇擴張，耕地面積迅速衰減；在人類活動的干擾下，建設(shè)用地的動態(tài)度一直維持在較高水平，而少有向其他土地利用類型轉(zhuǎn)出。2000－2010年明顯有水體轉(zhuǎn)移為建設(shè)用地的趨勢，表明傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)占比愈發(fā)減少，特色的坑塘農(nóng)業(yè)使耕地與水體之間保持較為頻繁的相互轉(zhuǎn)移，且后期二者間的轉(zhuǎn)移趨勢也發(fā)生了轉(zhuǎn)變，說明在農(nóng)業(yè)用地上的類型轉(zhuǎn)移較多且轉(zhuǎn)移趨勢逐漸改變。林地的面積變化較小，說明中山市對林地做了有效的保護。

2）在城市空間連續(xù)擴張的背景下，中山市的整體生態(tài)風(fēng)險呈下降趨勢，且在2000－2010年下降速度最快。由于建設(shè)用地的迅速擴張，吸納了其他脆弱度更高的土地利用類型，從而降低了整體的生態(tài)風(fēng)險；同時也逐步分割了耕地和水體斑塊，使其呈現(xiàn)破碎化趨勢，而建設(shè)用地斑塊逐漸連綿成片，景觀破碎度隨之下降，呈現(xiàn)出城市化的主要特征。

3）不同時期的生態(tài)風(fēng)險表現(xiàn)出不同的變化特征，1980－1990年中山市的經(jīng)濟發(fā)展主要以農(nóng)業(yè)為主，發(fā)展緩慢，生態(tài)風(fēng)險單元以高風(fēng)險為主，主要聚集在北部，這是由于該區(qū)域以水體、耕地為主，脆弱度較高，南部區(qū)域林地集中分布，生態(tài)風(fēng)險較低；1990－2020年 隨著中山市的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)從農(nóng)業(yè)向工業(yè)和服務(wù)業(yè)演變，建設(shè)用地在中部、西北部和東南部開始擴張，位于這些區(qū)域的生態(tài)單元的生態(tài)風(fēng)險值逐步降低。由于耕地仍是東北部的主要土地利用類型，該區(qū)域生態(tài)風(fēng)險值 較高。

隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，城市化進程不斷加快，人類活動對于生態(tài)空間的干擾越來越大。中山市土地利用變化受產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、區(qū)位條件、土地資源以及土地政策的影響，城市建設(shè)規(guī)模的壯大使中山市景觀格局發(fā)生了相應(yīng)改變，生態(tài)風(fēng)險等級轉(zhuǎn)變速率加快，從而導(dǎo)致研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險在空間分布上表現(xiàn)出明顯的區(qū)域性和層次性。建設(shè)用地的快速擴張為經(jīng)濟發(fā)展提供了支撐，同時帶來了相應(yīng)的社會經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境問題，景觀生態(tài)風(fēng)險的下降意味著生態(tài)空間的縮小，不同土地利用類型的開發(fā)程度對景觀格局影響深刻。隨著政府制定的一系列限制城鎮(zhèn)擴張政策的實施，城鎮(zhèn)擴張速度放緩，但經(jīng)濟發(fā)展不可逆轉(zhuǎn)，未來中山市城鎮(zhèn)擴張仍會繼續(xù)。在發(fā)展經(jīng)濟過程中，中山市需加強對耕地的保護，同時注意水體與耕地的轉(zhuǎn)換，提高對相對脆弱的水體的重視。在保障建設(shè)用地需求的基礎(chǔ)上，城市建設(shè)應(yīng)順應(yīng)經(jīng)濟、人口流動的趨勢，科學(xué)劃定城市增長邊界，同時優(yōu)化城市建設(shè)用地結(jié)構(gòu)和功能，通過內(nèi)部的城市更新，實現(xiàn)城市緊湊集約增長，才能以有效、高效的城市建設(shè)用地調(diào)控和管理目標(biāo)以及相關(guān)調(diào)控政策措施應(yīng)對城市發(fā)展空間不足的挑戰(zhàn)，更好地融入粵港澳大灣區(qū)建設(shè)，實現(xiàn)區(qū)域和可持續(xù)發(fā)展。