太行山東部縣域“三生”用地轉(zhuǎn)型與景觀生態(tài)風險分析*
——以河北省平山縣為例

于淑會,康園園,鄧 偉,王功明,王洪寬,邢宇華

(1.河北地質(zhì)大學土地科學與空間規(guī)劃學院/河北省高校生態(tài)環(huán)境地質(zhì)應用技術研發(fā)中心 石家莊 050031; 2.四川師范大學地理與資源科學學院 成都 610101; 3.中國科學院水利部成都山地災害與環(huán)境研究所 成都 610041)

景觀生態(tài)學既為空間生態(tài)學、建設生態(tài)學,也屬于人類生態(tài)學,國內(nèi)景觀生態(tài)學研究始于20世紀80年代初期,在貫通國際前沿研究成果的基礎上探尋“中國路徑”,日益深入的研究也使得景觀生態(tài)風險得到了廣泛關注。景觀生態(tài)風險指自然或人為因素影響下景觀格局與生態(tài)過程相互作用可能產(chǎn)生的不利后果,從景觀生態(tài)學的生態(tài)過程與空間格局耦合關聯(lián)視角,可實現(xiàn)風險的空間可視化并能有效識別土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)完整性與脆弱性的影響。土地利用與景觀格局有著外延上的從屬關系,土地利用方式與強度變化產(chǎn)生的生態(tài)影響與景觀生態(tài)風險的時空異質(zhì)性緊密關聯(lián),根據(jù)土地類型結(jié)構(gòu)變化進行區(qū)域景觀生態(tài)風險評價具有現(xiàn)實意義,當下研討方向也多基于城鎮(zhèn)空間擴張背景下的土地利用演變而開展。為優(yōu)化與協(xié)調(diào)土地利用主導功能,“三生”空間(生產(chǎn)空間、生活空間與生態(tài)空間)的概念被提出,研究大都聚焦在土地利用現(xiàn)狀分類與“三生”空間銜接方面。當前,景觀生態(tài)風險的研究成果頗豐,就研究對象而言,主要集中在流域、濕地和城市,延伸而來的將“三生”空間理念與土地利用主導功能相銜接的景觀生態(tài)風險研究盡管已經(jīng)存在,但相關探討的研究對象依舊為要素相對單一的流域與邊疆地區(qū)。就評價方法而言,目前研究集中在基于風險“源-匯”和景觀格局兩種,相較于前者對于生態(tài)脅迫因子的要求較高,具有一定局限性,景觀格局的評價方法則一定程度上拋開其限制,以區(qū)域視角映射生態(tài)風險。

山區(qū)作為集山、水、林、田、湖、草于一體的較復雜的生態(tài)系統(tǒng),從“三生”空間視角分析山區(qū)景觀生態(tài)風險的研究較為欠缺。太行山是京津冀地區(qū)的天然生態(tài)屏障,是水源涵養(yǎng)與土壤保持兩種生態(tài)系統(tǒng)服務功能的極重要區(qū)域,對解決華北干旱缺水、保障京津冀地區(qū)“三生”用水具有十分重要的生態(tài)戰(zhàn)略地位。當前太行山區(qū)生態(tài)風險評價相關研究主要聚焦在不同研究視角與研究目的的評價指標體系構(gòu)建,為太行山區(qū)生態(tài)風險評價指標體系構(gòu)建、生態(tài)安全評估等提供了參考依據(jù),但研究重點大多側(cè)重靜態(tài)指標,缺乏與生態(tài)過程的融合。

鑒于此,本文在分析研究區(qū)“三生”用地轉(zhuǎn)型的基礎上,從太行山縣域視角,以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為評價單元,將“三生”空間理念納入生態(tài)風險評價過程,基于景觀格局指數(shù)構(gòu)建了“三生空間”景觀生態(tài)風險評價模型,對研究區(qū)景觀生態(tài)風險的時空分布特征進行分析,并探討“三生”用地轉(zhuǎn)型對景觀生態(tài)風險的影響,以期為山區(qū)生態(tài)風險防范決策提供參考,為太行山區(qū)土地資源的合理配置與高效利用提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

河北省平山縣是典型的山區(qū)縣,由0.1%的亞高山區(qū)、13.1%的中山區(qū)、35.3%的低山區(qū)、26.4%的丘陵區(qū)、25.1%的山前平原區(qū)組成,其地貌組成與太行山東部區(qū)域較為一致,因此,本研究以河北省平山縣為研究區(qū)域。平山縣地處河北太行山東麓(113°31′～114°15′E,38°9′～38°45′N),西與山西省接壤,東臨河北省省會石家莊,是國家批準的環(huán)京津、環(huán)渤海開放縣之一,中國小水電試點縣之一,隸屬河北省石家莊市。平山縣面積2617.6 km2,其中,山地面積占全縣面積的74.9%。受多次地殼運行與長時間的剝蝕堆積影響,呈現(xiàn)三面環(huán)山、向東敞開、呈簸箕狀的地貌輪廓; 地勢自東南向西北逐漸增高,最低海拔91 m,最高海拔2282 m,相對高差2191 m (圖1)。

圖1 研究區(qū)河北省平山縣地理位置與行政區(qū)劃Fig.1 Geographical location and administrative divisions of the study area of Pingshan County,Hebei Province

平山縣屬溫帶半濕潤季風大陸性氣候,夏熱冬冷。平山縣年降水量時空分布不均,平均降水量530～690 mm; 7-8月降水量最大,占全年降水量的65%～70%; 地表徑流時空分布極不均勻,年平均徑流量18億m。平山縣2016年戶籍人口50.5萬人,其中農(nóng)村戶籍人口40.0萬人(平山縣統(tǒng)計局,2016年)。2018年一、二、三產(chǎn)業(yè)比重為6.8∶51.4∶41.8,2011年地區(qū)生產(chǎn)總值219億元。

平山縣主要土地利用類型為未利用地與林地,分別占總面積的37.53%和33.35%。在自然資源方面,平山縣是石家莊市的重要水源涵養(yǎng)及生態(tài)保障區(qū),水資源、礦產(chǎn)資源與旅游資源極其豐富,境內(nèi)風光秀麗,歷史文化獨特,被稱為太行山上的“綠寶石”。因地處山地,平山縣以林果為主要經(jīng)濟作物,近年來大力發(fā)展苜蓿(),已形成一定規(guī)模。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本文所用遙感影像數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云(https://www.gscloud.cn/),為空間分辨率30 m的TM影像(1990年、2000年、2010年與2018年4期),借助ERDAS IMAGINE 9.2與ArcGIS10.2軟件平臺,結(jié)合30 m DEM數(shù)據(jù)、Google亞米級高分影像及1∶50 000土地利用數(shù)據(jù)進行目視解譯,得到1990-2018年平山縣土地利用分類數(shù)據(jù),經(jīng)校驗,解譯成果及精度較為理想,Kappa系數(shù)均大于0.84。依據(jù)GB/T 21010-2017《土地利用現(xiàn)狀分類標準》,參考李廣東等、張紅旗等與王有小等的研究成果,采用主導功能原則,建立適合平山縣的“三生空間”與土地利用分類銜接表(表1)。

表1 “三生”空間分類系統(tǒng)與土地利用分類系統(tǒng)銜接表Table 1 Linkage table of “Production-Living-Ecological” spaces classification and land use classification system

2.2 “三生”空間面積變化及結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移研究方法

2.2.1 動態(tài)變化度

“三生”用地面積動態(tài)變化度()指研究區(qū)一定范圍內(nèi)某一空間用地面積的數(shù)量變化情況,其表達式為:

式中:K為某一空間用地面積動態(tài)變化度,=1,2,3,分別指生產(chǎn)、生態(tài)及生產(chǎn)空間;指研究時段初始年空間用地面積;指研究時段末年空間用地面積;指研究時段。

2.2.2 結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移

結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移用來表征“三生”用地彼此間的轉(zhuǎn)移數(shù)量與轉(zhuǎn)移空間位置,以柵格為基本單元。數(shù)量統(tǒng)計與空間分析均在ArcGIS 10.2軟件中完成。

2.3 “三生”空間生態(tài)風險測算方法

2.3.1 “三生”空間用地生態(tài)風險測算

參考前人研究結(jié)果,將“三生”用地作為一級風險源受體,土地利用類型為二級風險源受體,基于景觀格局指數(shù)構(gòu)建了平山縣“三生”空間景觀生態(tài)風險評價模型,對平山縣景觀生態(tài)風險指數(shù)進行測算(表2)。

表2 景觀生態(tài)風險測算指標及計算方法Table 2 Measure indexes and calculation methods of landscape ecological risk

2.3.2 生態(tài)風險分級標準

為直觀顯示研究單元景觀生態(tài)風險變化程度,采用自然斷裂法將計算得到的平山縣“三生”空間景觀生態(tài)風險指數(shù)分為5個等級,具體如表3所示,等級越高,其風險程度也越高。

表3 平山縣“三生”空間景觀生態(tài)風險分級標準Table 3 Grading standards of landscape ecological risk of “Production-Living-Ecological” spaces in Pingshan County

2.4 “三生”空間用地轉(zhuǎn)型生態(tài)風險貢獻率

借鑒相關研究,用“三生”用地轉(zhuǎn)型生態(tài)風險貢獻率來說明用地轉(zhuǎn)型對生態(tài)風險的影響,具體是指某一種空間用地類型變化所導致的區(qū)域生態(tài)風險等級的改變,其值越大,表示其引起的風險指數(shù)越高,其變化行為應予以遏制。表達式為:

式中:LERI為“三生”用地轉(zhuǎn)型的生態(tài)風險貢獻率;LERL與LERL分別為某種空間用地類型變化所對應的變化初期和末期的生態(tài)風險等級變化值(取絕對值); LA為該變化類型的面積; TA為區(qū)域總面積。

3 結(jié)果與分析

3.1 平山縣“三生”用地轉(zhuǎn)型

平山縣主要以生態(tài)用地為主,生態(tài)用地面積占比高達74.51%～76.37%,其次為生產(chǎn)用地,生活用地僅占總面積的2.20%～3.43%,“三生”用地結(jié)構(gòu)符合山區(qū)縣生態(tài)功能為主的特征(表4)。28年間,平山縣 “三生”用地面積發(fā)生了較大變化?？傮w上看,生產(chǎn)用地面積先減后增,2010-2018年,8年間生產(chǎn)用地共增加1340.83 hm,年均新增面積167.60 hm; 與之相反的是,生態(tài)用地面積先增后減,近8年年均減少面積高達341.74 hm,變化幅度較大,動態(tài)變化度是1990-2000年年均值的17倍; 生活用地面積呈穩(wěn)定增加趨勢。在“精準扶貧”思想指導下,平山縣借助外來資金力量大力發(fā)展旅游業(yè)與林業(yè),這是生產(chǎn)用地與生活用地面積近期迅速增加的主因。

表4 1990—2018年平山縣“三生”空間面積變化Table 4 Change of “Production-Living-Ecological” spaces areas from 1990 to 2018

續(xù)表2

1990-2000年間“三生”用地轉(zhuǎn)型主要為“生態(tài)轉(zhuǎn)生產(chǎn)”與“生產(chǎn)轉(zhuǎn)生態(tài)”,面積占轉(zhuǎn)型總面積的81.18%(表5)。“生態(tài)轉(zhuǎn)生產(chǎn)”區(qū)域主要分布在溫塘鎮(zhèn)南部五龍山南側(cè); 受1996年平山縣洪災影響,“生產(chǎn)轉(zhuǎn)生態(tài)”區(qū)域分布在崗南水庫與黃壁莊水庫周邊(圖2),具體表現(xiàn)為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)為生態(tài)用地。2000-2010年間“三生”用地的主要轉(zhuǎn)型為 “生態(tài)轉(zhuǎn)生產(chǎn)”與“生產(chǎn)轉(zhuǎn)生活”,此期間平山縣生態(tài)用地面積大幅減少(1441.15 hm),生活用地面積增加近1000 hm(表5)。洪災后,生態(tài)用地再次作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地使用,因此,“生態(tài)轉(zhuǎn)生產(chǎn)”同樣集中分布于黃壁莊水庫與崗南水庫周邊; “生產(chǎn)轉(zhuǎn)生活”區(qū)域分布相對分散,主要集中在南甸鎮(zhèn)與溫塘鎮(zhèn)南部五龍山附近(圖2)。2010-2018年間平山縣“三生”用地轉(zhuǎn)移類型較以前復雜,8年間平山縣生態(tài)用地大幅減少(2733.93 hm),新增生產(chǎn)用地1340.83 hm(表5)。生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷳B(tài)或生活的區(qū)域集中在水庫沿岸,“生態(tài)轉(zhuǎn)生產(chǎn)”主要發(fā)生在崗南水庫支流沿線,“生產(chǎn)轉(zhuǎn)生活”區(qū)域主要分布于平山鎮(zhèn)西部山區(qū)居民點沿線(圖2)?？傮w來看,“三生”用地轉(zhuǎn)型主要分布于道路及居民點沿線或者水域周邊。

圖2 1990—2018年平山縣“三生”空間用地轉(zhuǎn)型空間分布(a:1990—2000年; b:2000—2010年; c:2010—2018年)Fig.2 Spatial distribution of “Production-Living-Ecological” spaces lands transformation in Pingshan County from 1990 to 2018(a:1990-2000; b:2000-2010; c:2010-2018)

表5 1990—2018年平山縣“三生”空間結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移數(shù)量特征Table 5 Quantitative characteristics of structure transfer of “Production-Living-Ecological” spaces in Pingshan County from 1990 to 2018 hm2

3.2 平山縣“三生”空間景觀生態(tài)風險

“三生”空間用地轉(zhuǎn)型會導致原景觀單元斑塊面積與邊界的變化,以及廊道連通性的改變,從而改變區(qū)域景觀生態(tài)風險指數(shù)。本文以行政單元為生態(tài)風險測算單元,得到平山縣23個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的“三生”空間景觀生態(tài)風險指數(shù)(圖3)。平山縣生態(tài)用地風險指數(shù)呈現(xiàn)由西北向東南逐漸降低的趨勢,而生產(chǎn)與生活用地風險指數(shù)則與之相反,這與“三生”空間用地“西北主生態(tài)、東南主生產(chǎn)/生活”的分布格局具有較強的一致性。西北部地勢高,主導空間為生態(tài)空間,隨著旅游業(yè)的發(fā)展,開發(fā)強度變大,生態(tài)景觀破碎度增加,景觀生態(tài)風險逐年上升。東南部地勢平緩,聚集了平山縣約62%的人口,是人類的主要居住地與活動場所,人為活動加劇了景觀結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性,由此加大了東南部生產(chǎn)與生活空間的景觀生態(tài)風險。

圖3 1990—2018年平山縣“三生”空間用地景觀生態(tài)風險等級空間分布(a:1990年; b:2000年; c:2010年; d:2018年)Fig.3 Spatial distribution of landscape ecological rise grades of “Production-Living-Ecological” spaces lands in Pingshan County from 1990 to 2018 (a:1990; b:2000; c:2010; d:2018)

為更直觀科學地反映平山縣“三生”空間景觀生態(tài)風險,本文進一步通過測算景觀生態(tài)風險等級變化來分析平山縣的風險變化趨勢。將風險等級Ⅰ-Ⅴ分別量化為數(shù)值1～5,以1990年與2018年2期“三生”空間景觀生態(tài)風險為測算變化的起始點,風險降低、風險不變、風險加劇(Ⅰ級)與風險加劇(Ⅱ級)4種風險變化趨勢分別對應數(shù)值-1、0、1與2。圖4可以看出,從生態(tài)空間用地視角看,平山縣中部8個鄉(xiāng)鎮(zhèn)處于風險加劇區(qū),景觀破碎化嚴重,應重點保護高海拔深山區(qū)生態(tài)景觀的完整性與生態(tài)環(huán)境的持續(xù)性; 從生產(chǎn)空間用地視角看,縣中西部7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)及東部5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)處于風險加劇區(qū),應降低人為活動的干預強度以保證生產(chǎn)空間邊界的完整性; 從生活空間用地視角看,平山縣大部分地區(qū)風險等級沒有發(fā)生變化,只有南部呈“馬鞍”型分布的8個鄉(xiāng)鎮(zhèn)表現(xiàn)為風險加劇,且5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)為Ⅰ級加劇,生活空間用地相對較安全。未來用地規(guī)劃應更加關注風險加劇區(qū),科學調(diào)整用地結(jié)構(gòu),減少土地景觀破碎度,保證土地生態(tài)系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運行。

圖4 1990—2018年平山縣“三生”空間用地景觀生態(tài)風險變化趨勢(a:生態(tài)空間; b:生產(chǎn)空間; c:生活空間)Fig.4 Change trend of landscaped ecological risk of “Production-Living-Ecological” spaces lands in Pingshan County from 1990 to 2018 (a:ecology space; b:production space; c:living space)

3.3 “三生”用地轉(zhuǎn)型對景觀生態(tài)風險的影響

利用2.4中公式(2)計算得到1990-2018年間 “三生”用地轉(zhuǎn)型對生態(tài)風險的貢獻率(表6)。可以看出,每個行政鄉(xiāng)鎮(zhèn)“三生”用地轉(zhuǎn)型對生態(tài)風險的貢獻差異較大(0～29.97%)。但總體來看,對生態(tài)風險貢獻率最大的用地轉(zhuǎn)型為“生態(tài)用地轉(zhuǎn)為生產(chǎn)用地”,鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度貢獻率為1.47%～5.19%; 其次為“生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)為生活用地”與“生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)為生態(tài)用地”,貢獻率為0.31%～3.08%,這正是國家重視發(fā)展生產(chǎn)的政策以及人口增長現(xiàn)狀的映射。

表6 1990—2018年“三生”用地轉(zhuǎn)型對景觀生態(tài)風險的貢獻率Table 6 Contribution rates of “Production-Living-Ecological” spaces land transformation to landscape ecological risk from 1990 to 2018 %

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

在社會經(jīng)濟迅速發(fā)展、休閑游憩需求日益增強的背景下,山區(qū)生態(tài)旅游得到蓬勃發(fā)展,人類活動對山區(qū)“三生”空間的改造愈發(fā)強烈,原有的景觀結(jié)構(gòu)與生態(tài)過程受到影響,從而導致景觀生態(tài)風險的演變。生態(tài)空間視角下的平山縣西北部中高山區(qū)景觀生態(tài)風險總體呈上升趨勢,是生態(tài)與經(jīng)濟發(fā)展用地沖突的結(jié)果。以侵占山區(qū)生態(tài)資源為代價謀發(fā)展,會導致山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)失衡、景觀破碎化嚴重以及景觀多樣性與生態(tài)多樣性的退化。生活/生產(chǎn)空間視角下,以中心鎮(zhèn)平山鎮(zhèn)為核心的平山縣東南部人口集聚區(qū)景觀生態(tài)風險呈上升趨勢,城鎮(zhèn)化是主要的驅(qū)動力。城鎮(zhèn)化背景下,建設用地增加、生態(tài)用地減少,引起景觀破碎化與生態(tài)系統(tǒng)功能退化,導致景觀生態(tài)風險的增加,這與諸多學者對城市景觀生態(tài)風險的研究結(jié)果較為一致。

郭年冬等從土地利用強度與生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化的角度分析平山縣生態(tài)敏感性,測算得出的平山縣生態(tài)敏感性等級布局與本文生產(chǎn)/生活空間用地生態(tài)風險等級分布基本吻合,高敏感性地區(qū)分布在東部低山平原的用地轉(zhuǎn)型頻繁區(qū)。但僅從土地利用轉(zhuǎn)型視角分析區(qū)域生態(tài)敏感性,會模糊研究區(qū)地塊單元邊界破碎性與彼此間的連通性特征,忽視生態(tài)過程變化對生態(tài)風險的影響。平山縣西部中山、亞高山區(qū)的用地轉(zhuǎn)型數(shù)量不多,從用地轉(zhuǎn)型的角度看生態(tài)敏感性較低,但2000-2018年此區(qū)域生態(tài)用地景觀斑塊破碎性與廊道連通性變化較大,并且呈現(xiàn)景觀生態(tài)風險加大的趨勢,是生態(tài)保護的重點區(qū)域。因此,相較于以往研究,從景觀生態(tài)視角分析生態(tài)風險融入了生態(tài)過程,可從生態(tài)系統(tǒng)完整性與脆弱性分析生態(tài)風險的時空異質(zhì)性,研究結(jié)果更為準確。

本文生態(tài)風險分級采用的是簡易直觀的自然斷裂法,是通過評價單元間的景觀生態(tài)風險指數(shù)規(guī)律來體現(xiàn)的,并在此基礎上進一步分析了風險等級變化趨勢,從而探討了其風險等級的時間尺度差異,進一步闡述太行山區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度上景觀生態(tài)風險的時空特征,對鄉(xiāng)鎮(zhèn)政府把控生態(tài)管控方向、完善國土空間規(guī)劃與治理提供依據(jù)。但文中測算景觀生態(tài)風險時未充分考慮山區(qū)的地理過渡性與垂直地帶性特征,山區(qū)地理環(huán)境的分級特征會導致生態(tài)風險閾值的差異性,譬如,周鵬等提出以海拔1000 m和坡度15°作為太行山區(qū)國土空間分異的閾值,閾值以上生態(tài)空間增幅最顯著。此外,溫雪靜等與朱建佳等也分別從生態(tài)修復與水資源耗比的視角提出了太行山區(qū)的生態(tài)閾值。未來應在參考前人研究結(jié)果的基礎上,綜合考慮山地垂直分區(qū)內(nèi)與分區(qū)間的異同,判別不同視角下的生態(tài)風險閾值,深化太行山區(qū)生態(tài)風險分析。

4.2 結(jié)論

1)1990-2018年平山縣“三生”空間用地面積發(fā)生較大變化,生產(chǎn)用地與生活用地面積逐年增加,生態(tài)用地面積逐年減少。增加的生產(chǎn)與生活用地主要來自生態(tài)用地,分布在道路沿線與水域周邊。

2)平山縣生態(tài)用地風險指數(shù)由亞高中山區(qū)向低山丘陵區(qū)逐漸降低,生產(chǎn)與生活用地風險指數(shù)趨勢則與其相反。縣中部8個鄉(xiāng)鎮(zhèn)處于生態(tài)空間的風險加劇區(qū),未來應科學劃定生態(tài)保護紅線及加強深山區(qū)生態(tài)保護; 縣中西部及東部12個鄉(xiāng)鎮(zhèn)處于生產(chǎn)空間的風險加劇區(qū),未來應更關注耕地保護及其高效利用; 縣南部呈“馬鞍”型分布的8個鄉(xiāng)鎮(zhèn)為生活空間風險加劇區(qū),未來應調(diào)整國土資源利用方式、科學規(guī)劃旅游資源布局。

3)平山縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)單元“三生”用地轉(zhuǎn)型對生態(tài)風險的貢獻差異性較大,但總體來看,對生態(tài)風險貢獻最大的用地轉(zhuǎn)型為“生態(tài)用地轉(zhuǎn)為生產(chǎn)用地”,其次為 “生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)為生活用地”。

感謝河北地質(zhì)大學土地科學與空間規(guī)劃學院閆海明、卿冀川在數(shù)據(jù)處理方面給予的幫助。