基于土地利用變化的膠東半島生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

李靈敏 王 潤 張志國 朱曉偉

(山東省國土空間生態(tài)修復(fù)中心,250014，濟(jì)南 )

1 引 言

隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速推進(jìn)，人類對地表的改造活動(dòng)加劇，給地表生態(tài)系統(tǒng)及其組分帶來巨大壓力.另一方面生態(tài)系統(tǒng)具有脆弱性，即當(dāng)人類活動(dòng)對生態(tài)系統(tǒng)的擾動(dòng)超過其自我調(diào)節(jié)的“閾值”，就會導(dǎo)致的生態(tài)功能退化、生態(tài)恢復(fù)能力減弱甚至完全喪失[1，2].生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估(ERA)描述在某些人為因素和自然災(zāi)害對生態(tài)系統(tǒng)功能或結(jié)構(gòu)造成的潛在不利影響進(jìn)行評估，以保障生態(tài)安全和生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性利用[3，4].當(dāng)前，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)可分為兩類，一類是基于風(fēng)險(xiǎn)源匯的評價(jià)方法，即采用“源分析—受體評價(jià)—暴露及危害評價(jià)—風(fēng)險(xiǎn)表征”的范式[5-7]，另一類是基于土地利用/景觀格局方法，即采用景觀生態(tài)學(xué)指數(shù)來反映土地利用變化所帶來的生態(tài)效應(yīng)[8-10].其中，風(fēng)險(xiǎn)源匯評價(jià)模式是風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的一般模式，常用的方法有壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(PSR)模型[11，12]，模糊評價(jià)[13，14]和支持向量[15]等評價(jià)方法，但因該類方法常受缺乏實(shí)地生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響，其推廣應(yīng)用受到限制[9,16].土地利用是人類開發(fā)利用自然環(huán)境最直觀的表現(xiàn)形式之一，對區(qū)域綜合生態(tài)過程的維持和環(huán)境演變影響較大，成為當(dāng)前可持續(xù)發(fā)展和全球變化研究的熱點(diǎn)之一[17，18].基于土地利用的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估，不單可定量評價(jià)區(qū)域整體生態(tài)質(zhì)量，還可以分析風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空分異特征以及分異格局對生態(tài)功能、過程的風(fēng)險(xiǎn)表達(dá)，已成為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)管理的熱點(diǎn)之一[19，20].

膠東半島位于山東省東部沿海地區(qū)，是環(huán)黃渤海經(jīng)濟(jì)圈的重要組成部分，是山東省經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平最高、城市化進(jìn)程最快的區(qū)域[21].近年來，膠東半島工業(yè)和城鎮(zhèn)發(fā)展擠占了大量生態(tài)空間，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境承載力下降，生態(tài)系統(tǒng)安全受到威脅[22].本研究從景觀生態(tài)學(xué)角度，在分析膠東半島的土地時(shí)空演變的基礎(chǔ)上，定量評價(jià)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，以期為膠東半島景觀格局的優(yōu)化、生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展方面提供科學(xué)依據(jù).

2 研究區(qū)與數(shù)據(jù)來源

2.1研究區(qū)概況膠東半島(N35°35′-38°23′，E119°30′-122°42′)是山東省膠萊河以東地區(qū)的簡稱，地處中國華北平原東北部沿海地區(qū)，突出于渤海、黃海之間，北與遼東半島隔渤海相對，東與朝鮮半島隔黃海相望.膠東半島是山東省經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的地區(qū)，包括青島、煙臺和威海3市，共25個(gè)區(qū)(縣、市)，土地總面積約30 645.95 km2，占山東省總面積的19.40%.2020年，區(qū)域總?cè)丝? 947.38萬，城市人口1 307.06萬，城市化率67.12%，GDP為23 234億元，占山東省的31.77%.膠東半島地勢為起伏平緩的丘陵地帶，以山地、丘陵為骨架，平原盆地交錯(cuò)環(huán)列其間.膠東半島屬暖溫帶濕潤季風(fēng)氣候，四季分明，年均氣溫11～14 ℃，年均降水量在650～850 mm之間.膠東半島屬溫帶落葉闊葉林生態(tài)區(qū)，該區(qū)兼有涵養(yǎng)水源、保持水土、保護(hù)生物多樣性和糧食生產(chǎn)等多種生態(tài)功能.

圖1 研究區(qū)位置圖

2.2數(shù)據(jù)來源本研究所使用的土地利用/覆被數(shù)據(jù)年份包括2000年、2005年、2010、2015年，比例尺為1∶10萬，來自資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺共享(http://www.resdc.cn/DOI)，類型劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地 6個(gè)一級類[19].本研究采用同期Landsat TM /ETM /OLI 遙感影像對6個(gè)一級類的土地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行目視修訂后，然后利用ArcGIS隨機(jī)選點(diǎn)的功能進(jìn)行檢驗(yàn)，經(jīng)檢驗(yàn)修正后的 2000年、2005年、2010年和2015年解譯結(jié)果(圖2)精度分別為92.14%、91.30%、93.20%和92.40%，符合數(shù)據(jù)應(yīng)用精度要求.

3 研究方法

使用ArcGIS中數(shù)據(jù)管理工具模塊下的 Create Fishnet工具，將研究區(qū)劃分為3 km × 3 km的格網(wǎng) (即風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)) ，選擇其中有效采樣點(diǎn)(落在第m個(gè)格網(wǎng)內(nèi)的研究區(qū)的面積為格網(wǎng)面積的100%，即面積為9 km2) 共計(jì)3 059個(gè)小格網(wǎng)為研究單元，分別計(jì)算景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，以此數(shù)值為風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)格網(wǎng)單元中心點(diǎn)的景觀風(fēng)險(xiǎn)值，利用 ArcGIS中的 Kriging 空間插值法將其景觀風(fēng)險(xiǎn)值空間化顯示.

本研究選擇土地利用動(dòng)態(tài)度來衡量各風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)內(nèi)土地利用變化程度，利用每種景觀類型的景觀損失指數(shù)和每種景觀類型占采樣區(qū)的面積比重，計(jì)算各風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，公式如下，

(1)

式中：ERIm為第m個(gè)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；Ri為第i類景觀的景觀損失度指數(shù)；Ami為第m個(gè)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)內(nèi)景觀類型i的面積；Am為第m個(gè)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)的面積.

圖2 2000-2015年土地利用類型圖

本研究選擇景觀干擾度指數(shù)和景觀脆弱度指數(shù)來構(gòu)建景觀損失指數(shù)(Ri)，其中，景觀脆弱度指數(shù)(Fi)通過專家打分法，未利用地=6、水域=5、耕地=4、草地=3、林地=2、建設(shè)用地=1，并進(jìn)行歸一化處理，得到各自的脆弱度指數(shù)；景觀干擾度指數(shù)由景觀破碎度指數(shù)(Ci)、景觀分離度指數(shù)(Ni)和景觀優(yōu)勢度指數(shù)(Di)加權(quán)疊加獲得(表1)，結(jié)合已有研究成果，認(rèn)為破碎度指數(shù)最為重要，其次為分離度指數(shù)和優(yōu)勢度指數(shù)，以上三種指數(shù)分別賦權(quán)重 0.5、0.3、0.2[16,23].

表1 景觀損失度指數(shù)(Ri)的計(jì)算

表2 景觀脆弱度賦值表

本研究采用取單變量局部 Moran'sI和局部自相關(guān) LISA集聚圖[24]來反映膠東半島生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的聚集性和相關(guān)性.其中，Moran'sI的取值范圍為[-1,1]， 其值大于0時(shí)，表示數(shù)據(jù)呈現(xiàn)空間正相關(guān)，且值越大，空間相關(guān)性越明顯；其值小于 0時(shí)，表示數(shù)據(jù)呈現(xiàn)空間負(fù)相關(guān)，且值越小，空間差異越大；Moran'sI為0時(shí)，空間呈隨機(jī)性.LISA 集聚圖可反映生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值的高值和低值局部空間的集聚情況，在 LISA 集聚圖中，集聚分為四種情況，每一種情況確定一個(gè)區(qū)域及其與其鄰近區(qū)域的關(guān)系.

單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度[18]表達(dá)的是某研究區(qū)一定時(shí)間范圍內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化情況，可真實(shí)地反映各類土地利用的變化快慢，計(jì)算公式為，

(2)

式中，K表示研究時(shí)段內(nèi)的土地利用動(dòng)態(tài)度；Ua、Ub分別表示研究期初、末的景觀類型面積；T表示研究時(shí)段.

4 結(jié)果與討論

4.1土地利用格局變化通過4期膠東半島土地利用矢量數(shù)據(jù)得出土地利用格局表(表3)，采用單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度分析對膠東半島土地利用的變化進(jìn)行計(jì)算，得到2000-2015年膠東半島土地利用年變化表(表4).

表3 2000-2015年土地利用格局表

根據(jù)表3可知，膠東半島土地利用類型以耕地、建設(shè)用地和草地為主，建設(shè)用地從2000年開始持續(xù)增長，其中2005到2010年間增幅最大，變化率達(dá)26%，2015年建設(shè)用地比2000年面積增長了89.74 km2，分析其原因就是城市化進(jìn)程加快，城鎮(zhèn)人口增多，建設(shè)用地大面積增長.而草地面積一直在減少，由2000年的4 323.71 km2減少到2015年的2 634.98 km2，耕地面積在2000到2015年間基本保持不變，這與山東省政府的一系列政策有關(guān)，如拆遷部分建設(shè)用地并整改土地，所以該時(shí)期耕地面積不減反增.

表4 2000-2015年土地利用年變化表(%)

4.2景觀格局時(shí)序變化基于 Fragstats 軟件計(jì)算得到2000-2015年各景觀類型的相關(guān)景觀指數(shù)(表5).

通過 ArcGIS 和 Excel 軟件，根據(jù)公式(1)及表1計(jì)算每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)單元的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值，分別與所對應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)的的中心點(diǎn)一一關(guān)聯(lián)，利用Kriging空間插值的方法對其進(jìn)行空間分析.由表5可知，2000-2015年間水域與建設(shè)用地的斑塊數(shù)總體上呈現(xiàn)增加的趨勢，耕地、林地、草地、未利用地斑塊數(shù)總體上呈現(xiàn)減少的趨勢；其中2005-2010年間，只有水域、建設(shè)用地的斑塊數(shù)在增加，耕地、林地及草地的斑塊數(shù)目在減少，景觀分離度和干擾度總體上是一直處于上升趨勢，這說明膠東半島地區(qū)抵抗外界干擾的能力在下降，主要是因?yàn)榍鄭u、煙臺、威海城市的高速化發(fā)展，并且受到城市化過程中新工業(yè)區(qū)、新城區(qū)建設(shè)的影響；2010-2015年間人類活動(dòng)對膠東半島景觀的干擾最為強(qiáng)烈，各景觀的分離度、干擾度在該時(shí)間內(nèi)最大.綜合來看，2000-2015年間草地面積急劇減少，經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城區(qū)建設(shè)等一系列人類活動(dòng)對膠東半島地區(qū)的草地景觀產(chǎn)生了較大影響，并給其生態(tài)環(huán)境帶來了較高的風(fēng)險(xiǎn).將插值所得的4期數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)值進(jìn)行分級統(tǒng)計(jì)，共分為五級，即低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(ERI≤0.25)、較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(0.250.55).由表6可知，低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的面積在不斷減少，其中2000-2005年間下降速度最快，這個(gè)時(shí)期工業(yè)發(fā)展迅速，城市迅速擴(kuò)張，使得各種景觀類型的破碎度變大，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級上升；中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)及高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的面積呈現(xiàn)從無到有的增長趨勢.

表5 2000-2015年各景觀類型景觀指數(shù)統(tǒng)計(jì)表

表6 2000-2015 年土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級面積及占比

利用GeoDa軟件，計(jì)算出膠東半島生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的2000-2015年4期全局 Moran′sI值，分別為0.687 3、0.648 4、0.664 9、0.659 7；Moran′sI數(shù)值總體呈現(xiàn)減少的趨勢，說明了土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級在空間上呈現(xiàn)不斷集聚的趨勢，表明膠東半島土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度的整體空間分異性增加.

單變量局部 Moran'sI采用二階鄰接權(quán)重矩陣計(jì)算出膠東半島2000-2015年LISA 集聚圖 (圖3).結(jié)果表明，4個(gè)時(shí)期的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)空間分布以高—高聚集 (HH) 和低—低聚集 (LL) 類型為主，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)高—高聚集(HH)主要聚集在煙臺市中部，低—低(LL)主要聚集在威海南部及青島北部.

圖3 2000-2015年局部自相關(guān)圖

4.3土地利用景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分異將風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)單元中心點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行Kriging空間插值處理并按照自然斷點(diǎn)法分級，得到膠東半島生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級空間分布圖(圖4).由圖可知，2000-2015年間，較高風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域面積在逐年增加；由2005年開始，煙臺及威海沿海地區(qū)出現(xiàn)較低風(fēng)險(xiǎn)及中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度加劇.2000-2010年中級生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)不斷向內(nèi)陸擴(kuò)展，沿海區(qū)域逐漸轉(zhuǎn)化為較低等級風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，低和較低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)向城區(qū)邊緣移動(dòng)，煙臺招遠(yuǎn)市邊緣開始出現(xiàn)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，其原因在于該時(shí)期工業(yè)的發(fā)達(dá)以及該地建成區(qū)的擴(kuò)建，導(dǎo)致斑塊破碎度增加，因此生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)提高.2005 年較高等級生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積顯著增大，主要分布于煙臺中部、威海以西的內(nèi)陸區(qū)域.這一時(shí)期山東省大力實(shí)施經(jīng)濟(jì)改革，打造了膠東半島經(jīng)濟(jì)圈，新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，與此同時(shí)沿海和中部交通便利，大部分林地、草地都轉(zhuǎn)為了建設(shè)用地，用于交通、工礦、房屋建設(shè)等，建成區(qū)及沿海附近生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)上升，導(dǎo)致較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)增大.由于膠東半島瀕臨渤海和黃海，地處平原，沿海水網(wǎng)分布密集，有利于發(fā)展?jié)O業(yè)資源，但其由于規(guī)模較小且較分散，增加了沿海的土地利用風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致土地利用的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度不斷上升.

圖4 2000-2015年生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級空間分布圖

5 結(jié) 語

本研究基于ArcGIS 、Fragstats及Excel等軟件，對膠東半島2000、2005、2010、2015 年土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，以3 km×3 km格網(wǎng)為研究尺度，通過建立景觀類型生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)模型來對膠東半島土地利用變化的景觀進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià).

1) 2000-2015 年間研究區(qū)內(nèi)土地利用類型以耕地為主，面積占58%以上，其次是建設(shè)用地和草地，其中2000-2005年以草地為主，占比14%以上；2005-2010年以建設(shè)用地為主，占比16%以上；在此期間，林地、草地面積均呈現(xiàn)減少趨勢，其中草地的分離度不斷增大；水域、建設(shè)用地面積呈現(xiàn)遞增趨勢，分離度和破碎度不斷減?。桓叵葴p少后增加，但其破碎度和分離度基本不變.

2) 綜上所述，膠東半島近 15 年景觀類型分布較前幾年更加復(fù)雜，城市化及工業(yè)化的發(fā)展導(dǎo)致草地、水域的土地利用類型逐漸分離化、破碎化；其中2005-2015 年間人類活動(dòng)對景觀的干擾最為強(qiáng)烈，景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)峰值在此階段內(nèi)出現(xiàn)，土地利用結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定.

3) 膠東半島生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的空間分布差異顯著，沿海地區(qū)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檩^低風(fēng)險(xiǎn)區(qū).低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和較低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)向城市邊緣移動(dòng)，總體呈由中部向四周、內(nèi)陸向沿海遞增的趨勢.低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的面積在不斷減少，其中2000—2005年間下降速度最快，這個(gè)時(shí)期工業(yè)發(fā)展迅速，城市迅速擴(kuò)張，使得各種景觀類型的破碎度變大，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級上升；中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)及高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的面積呈現(xiàn)從無到有的增長趨勢.

4) 2000年-2015年四期土地利用數(shù)據(jù)的Moran′sI介于-1到1之間，說明膠東半島地區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)存在空間聚集性，4個(gè)時(shí)期的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)空間分布以高—高聚集 (HH) 和低—低聚集 (LL) 類型為主，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)低值區(qū)主要聚集在威海南部、煙臺北部及青島北部.