鴨綠江口濕地區(qū)域土地利用格局變化及其對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響

姚有慶，郭屹巖，李富祥，張春鵬

(1. 遼東學(xué)院 農(nóng)學(xué)院，遼寧 丹東 118003；2. 遼東學(xué)院 理學(xué)院，遼寧 丹東 118003)

作為水陸交錯(cuò)的生態(tài)敏感區(qū)域[1-2]，濕地是生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要資源[3]。濕地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量作為濕地保護(hù)的核心內(nèi)容，關(guān)系著地區(qū)生態(tài)健康與可持續(xù)發(fā)展，是衡量濕地保護(hù)狀態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)的重要內(nèi)容[4]。土地利用格局是自然與人類(lèi)活動(dòng)因子交互作用的結(jié)果，其變化對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量影響深遠(yuǎn)。開(kāi)展?jié)竦貐^(qū)域土地利用格局特征及其對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量影響的研究具有重要意義[5-6]。

鴨綠江口國(guó)家級(jí)濕地保護(hù)區(qū)，位于遼東半島和朝鮮半島交界處，總面積1 081 km2，沿黃海海岸線帶狀分布，區(qū)內(nèi)陸地、灘涂與海洋交匯過(guò)渡，形成了內(nèi)陸濕地與水域、海洋及海岸等相互交錯(cuò)的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，此生態(tài)系統(tǒng)具有物種多樣性、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性等特點(diǎn)，有著重要的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值[1]。但因受人類(lèi)活動(dòng)干擾，鴨綠江口濕地的功能退化、生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性差等問(wèn)題日漸突出[1]。目前關(guān)于鴨綠江口濕地的研究主要集中在濕地環(huán)境對(duì)生物的影響方面。宋倫等[7]對(duì)鴨綠江口近岸海域生物群落進(jìn)行了研究，認(rèn)為鴨綠江口生物群落受外界干擾較嚴(yán)重，穩(wěn)定性較差；孫寶娣等[8]對(duì)保護(hù)區(qū)生物多樣性維持價(jià)值進(jìn)行了評(píng)價(jià)；張廣帥等[9]研究了近岸海域水質(zhì)環(huán)境與浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，揭示海水水質(zhì)環(huán)境健康狀態(tài)；馮晨晨等[10]對(duì)5種鳥(niǎo)類(lèi)的食物組成進(jìn)行了研究；董志剛等[11]對(duì)生物多樣性狀況及分布特點(diǎn)進(jìn)行了研究。

近年來(lái)，濕地生態(tài)環(huán)境問(wèn)題成為生態(tài)學(xué)和地理學(xué)研究的熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)研究主要集中在濕地景觀格局動(dòng)態(tài)演變、濕地生態(tài)環(huán)境及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等方面。吳婷婷等[12]、焉恒琦等[13]對(duì)濕地景觀格局演變及影響因素進(jìn)行了研究；孫才志等[14]對(duì)濕地景觀生態(tài)健康進(jìn)行了評(píng)價(jià)；李富祥等[15]對(duì)濕地環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。目前，鴨綠江濕地生態(tài)方面的研究具有局限性，對(duì)其土地格局的動(dòng)態(tài)演變以及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的定量評(píng)估有待深入探討。因此，本文以鴨綠江口濕地及周邊用地為研究對(duì)象，以其3個(gè)時(shí)期的遙感影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)土地利用動(dòng)態(tài)度、土地利用程度綜合指數(shù)、土地利用轉(zhuǎn)移矩陣和InVEST模型生境質(zhì)量指標(biāo)分析等方法，準(zhǔn)確計(jì)算鴨綠江口濕地區(qū)域土地利用格局時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征值及對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量影響程度，為鴨綠江口濕地區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)域概況

為了研究區(qū)域性土地利用動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)和綜合因素對(duì)濕地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響,選取鴨綠江口濕地保護(hù)區(qū)(陸地部分)及周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地作為研究區(qū)域[16]。根據(jù)中華人民共和國(guó)生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《關(guān)于發(fā)布河北大海陀等28處國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)面積、范圍及功能區(qū)劃的通知》(環(huán)函〔2013〕161號(hào))文件劃定的范圍,該濕地保護(hù)區(qū)包括孤山鎮(zhèn)、菩薩廟鎮(zhèn)、小甸子鎮(zhèn)、黃土坎鎮(zhèn)、椅圈鎮(zhèn)、北井子鎮(zhèn)、長(zhǎng)山鎮(zhèn)和東港市中心，其中，新興街道、大東街道、新城街道為3個(gè)主要街道。鴨綠江口濕地位于遼寧省東港市境內(nèi)，處于中國(guó)海岸線最北端，沿黃海海岸線向東西延伸，呈帶狀分布，屬于河口沖積平原，平坦開(kāi)闊，氣候溫暖濕潤(rùn)，年均氣溫9.8 ℃。濕地保護(hù)區(qū)周邊城鄉(xiāng)形成以水稻生產(chǎn)、水產(chǎn)養(yǎng)殖、海洋捕撈和旅游服務(wù)為主的多元化產(chǎn)業(yè)類(lèi)型。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

根據(jù)遙感影像的光譜特征及《土地利用現(xiàn)狀分類(lèi)》(GB/T 21010—2017)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合已有的研究成果[14，17-18]，對(duì)研究區(qū)域土地利用的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)研。本研究將土地利用類(lèi)型分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、養(yǎng)殖水面、沼澤濕地、淺海濕地等8個(gè)類(lèi)型。土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云(https:∥www.gscloud.cn/search)中的Landsat-5和Landsat-8遙感影像;投影坐標(biāo)系為WGS_1984_UTM_Zone_51N;空間分辨率為30 m。

利用GIS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理;分別選取Landsat-5和Landsat-8共3個(gè)時(shí)期遙感影像進(jìn)行波段合成,其中,將Landsat t-5影像的7、5、1波段進(jìn)行組合,Landsat t-8影像的7、6、2波段進(jìn)行組合;結(jié)合人工解譯、現(xiàn)場(chǎng)核對(duì)等方法對(duì)土地類(lèi)別進(jìn)行識(shí)別,再使用多元聚類(lèi)和最大似然法對(duì)土地類(lèi)別進(jìn)行分類(lèi);按研究區(qū)范圍做拼接及剪裁處理。研究區(qū)域的遙感影像數(shù)據(jù)源參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 研究區(qū)遙感影像數(shù)據(jù)源參數(shù)設(shè)置

2 研究方法

運(yùn)用土地利用變化數(shù)據(jù)測(cè)算土地利用動(dòng)態(tài)度、土地利用轉(zhuǎn)移矩陣及土地利用綜合指數(shù)3項(xiàng)指標(biāo),研究2000—2020年鴨綠江濕地區(qū)域土地利用格局演變特征;通過(guò)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)及運(yùn)用InVEST模型對(duì)生境質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算,評(píng)估鴨綠江濕地土地利用變化對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響。

2.1 衡量土地利用變化的指標(biāo)測(cè)算方法

2.1.1 土地利用動(dòng)態(tài)度

土地利用動(dòng)態(tài)度K值描述某一土地利用類(lèi)型一定時(shí)期內(nèi)的轉(zhuǎn)化強(qiáng)度[19]。K的計(jì)算公式為

(1)

式中：Ua為初始時(shí)期的某土地利用類(lèi)型面積,Ub為終止時(shí)期的某土地利用類(lèi)型面積,T為期間時(shí)長(zhǎng)。

2.1.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣能反映研究期間各種土地利用類(lèi)型相互轉(zhuǎn)化的動(dòng)態(tài)信息，可以較好地表征土地利用類(lèi)型的轉(zhuǎn)換狀態(tài)[20]。土地總面積A的計(jì)算公式為

(2)

式中：ai j為土地利用類(lèi)型面積，ij為轉(zhuǎn)移前后的土地利用類(lèi)型；n為土地利用類(lèi)型數(shù)。

2.1.3 土地利用程度綜合指數(shù)

土地利用程度綜合指數(shù)L的值越高，表明其土地開(kāi)發(fā)利用強(qiáng)度越大，反之越小[21]。L的計(jì)算公式為

(3)

式中：Ai為第i級(jí)土地利用程度分級(jí)指數(shù)，Ci為區(qū)域內(nèi)第i種土地利用類(lèi)型的面積比例。

本文研究的土地利用程度分級(jí)指數(shù)和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)[22-24]設(shè)置見(jiàn)表2。

表2 土地利用程度分級(jí)指數(shù)和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)設(shè)置

2.2 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)估

2.2.1 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)

生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)E為表征區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的總體狀況，其值越大，表示生態(tài)環(huán)境質(zhì)量越好。E的計(jì)算公式[25]為

(4)

式中，Li為區(qū)域內(nèi)第i種土地利用類(lèi)型的面積。

2.2.2 土地利用對(duì)生境質(zhì)量的影響

利用InVEST模型計(jì)算生境質(zhì)量(habitat quality)指標(biāo)，選取養(yǎng)殖水面、耕地、城鎮(zhèn)和農(nóng)村建設(shè)用地4個(gè)典型土地利用類(lèi)型作為威脅源，結(jié)合參考模型推薦值、專(zhuān)家意見(jiàn)及研究區(qū)域?qū)嶋H情況，確定生境質(zhì)量威脅因子和敏感性參數(shù)，最終確定生境質(zhì)量值域范圍。土地利用類(lèi)型的生境退化程度Dxj的計(jì)算公式為

(5)

(6)

式中：R為脅迫因子個(gè)數(shù)；wr為脅迫因子r的權(quán)重；Yr為脅迫因子土地利用類(lèi)型圖層中的柵格數(shù)；ry為每個(gè)柵格上脅迫因子數(shù);Sjr為j類(lèi)土地利用類(lèi)型對(duì)脅迫因子r的敏感性;irxy為柵格y中的威脅因子r對(duì)柵格x的影響,其為線性衰退;dxy為柵格x(生境)與柵格y(威脅因子)的距離;dr為威脅因子r的影響距離;βx為保護(hù)程度,根據(jù)實(shí)際情況設(shè)為1。

當(dāng)土地空間衰退類(lèi)型為指數(shù)衰退時(shí)，irxy的計(jì)算公式為

(7)

土地利用類(lèi)型生境質(zhì)量指標(biāo)Qxj的數(shù)值計(jì)算公式為

(8)

式中：Hj為土地利用類(lèi)型圖j的生境屬性；k為半飽和常數(shù)，k值一般設(shè)置為生態(tài)環(huán)境退化程度最大值的1/2；依據(jù)InVEST 3.12.0 模型的使用說(shuō)明，z值為模型默認(rèn)參數(shù)，本文設(shè)置為2.5。

根據(jù)上述研究?jī)?nèi)容,確定生境質(zhì)量指標(biāo)值域?yàn)?～1。威脅源的權(quán)重及最大影響距離[6,26-27]和生境類(lèi)型對(duì)各脅迫因子的敏感度[6,26-27]等參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表3和表4。

表3 威脅因子最大影響距離、權(quán)重及其空間衰退類(lèi)型的參數(shù)設(shè)置

表4 生境類(lèi)型對(duì)脅迫因子的敏感度設(shè)置

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化指標(biāo)測(cè)算結(jié)果

3.1.1 土地利用動(dòng)態(tài)度

以2000—2020年的土地利用類(lèi)型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用公式(1)計(jì)算研究區(qū)域的單一土地利用類(lèi)型動(dòng)態(tài)度，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 單一土地利用類(lèi)型動(dòng)態(tài)度 單位：%

由表5可知，建設(shè)用地和養(yǎng)殖水面為正增長(zhǎng)，其他用地為負(fù)增長(zhǎng)。其中，沼澤濕地、草地、淺海濕地面積持續(xù)減小的趨勢(shì)明顯，且沼澤濕地面積減少最多。表明研究時(shí)期內(nèi)研究區(qū)域用地受城鎮(zhèn)化發(fā)展的影響較大，生活和生產(chǎn)用地逐年擴(kuò)張，擠壓了生態(tài)類(lèi)型用地，造成濕地退化顯著。

3.1.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

利用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣的時(shí)空變換和面積變化，分析研究區(qū)域的用地變化情況，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 研究區(qū)土地利用類(lèi)型面積轉(zhuǎn)移矩陣 單位：km2

由表6可知，不同土地利用類(lèi)型之間存在動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系,但研究區(qū)域建設(shè)用地與養(yǎng)殖水面的單向轉(zhuǎn)入特征明顯:2000—2010年有14.25 km2耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，10.40 km2水域轉(zhuǎn)為養(yǎng)殖水面;2010—2020年有11.01 km2耕地和15.26 km2淺海濕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，11.43 km2淺海濕地轉(zhuǎn)為養(yǎng)殖水面；2000—2020年，20年建設(shè)用地和養(yǎng)殖水面的轉(zhuǎn)入面積分別為56.54和35.80 km2，分別占轉(zhuǎn)入土地面積的50.85%和32.2%；耕地、淺海濕地和水域?yàn)檗D(zhuǎn)出地類(lèi)，轉(zhuǎn)出面積分別為34.16、28.11和12.24 km2，分別占轉(zhuǎn)出土地面積的30.72%、25.28%和11.01%。上述數(shù)據(jù)表明，城鎮(zhèn)化和漁業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對(duì)研究區(qū)域的土地利用影響較大。

3.1.3 土地利用綜合指數(shù)

根據(jù)公式(3)計(jì)算出2000—2020年3個(gè)時(shí)期土地利用綜合指數(shù)分別為217.002 8、219.565 2和225.581 8，2000—2010年綜合指數(shù)增加2.562 4，變化率為1.18%；2010—2020年增加6.016 6，變化率為2.74%；2000—2020年增加8.579 0，變化率為3.95%(表7)。

表7 土地利用程度綜合指數(shù)分析

研究區(qū)域土地利用強(qiáng)度主要受2個(gè)方面因素影響，建設(shè)用地方及養(yǎng)殖水面的增加導(dǎo)致土地利用強(qiáng)度增大。結(jié)果表明，此期間研究區(qū)域土地利用強(qiáng)度逐年上升。

3.2 對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響

3.2.1 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)分析

利用土地利用數(shù)據(jù)計(jì)算鴨綠江濕地區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，以此分析土地利用變化對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響程度，結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)

由表8可知,2000、2010和2020年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)分別為0.462 9、0.455 7和0.441 6。2000—2010年生態(tài)環(huán)境變化值為-0.007 2，變化率為-1.56%；2010—2020年變化值為-0.014 1，變化率為-3.09%；2000—2020年變化值為-0.021 3,變化率為-4.60%。說(shuō)明生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體呈下降趨勢(shì)。

3.2.2 生境質(zhì)量指標(biāo)的時(shí)空變化

基于InVEST模型，根據(jù)已有研究和實(shí)際數(shù)據(jù)情況，將生境質(zhì)量指標(biāo)的值域范圍[0，1]以0.2為間隔分為5個(gè)區(qū)間，分別對(duì)應(yīng)低、較低、中、較高和高5個(gè)等級(jí)，計(jì)算得到2000—2020年生境質(zhì)量指標(biāo)結(jié)果(表9)。

表9 不同等級(jí)的生境質(zhì)量指標(biāo)結(jié)果

由表9可知，生境質(zhì)量指標(biāo)在0～0.2的土地比例從12.15%增加到16.52%，在0.8～1.0的從32.84%下降到29.32%，在0.2～0.8的呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)，說(shuō)明2000—2020年研究區(qū)域總體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量逐漸惡化;2000、2010和2020年研究區(qū)域生境質(zhì)量指標(biāo)的平均值分別為0.462 9、0.455 7、0.441 6,生態(tài)環(huán)境整體呈惡化趨勢(shì);2000—2020年生境質(zhì)量指標(biāo)析空間特征為“南高北低”的空間分布格局,高和較高等級(jí)的區(qū)域主要分布在沿海區(qū)域和濕地保護(hù)核心區(qū),低和較低等級(jí)的區(qū)域主要分布在城鎮(zhèn)建設(shè)用地和耕地區(qū)域,高等級(jí)和低等級(jí)區(qū)域?yàn)橹饕兓瘏^(qū)域,高等級(jí)區(qū)域土地利用類(lèi)型面積所占比例從32.84%下降到29.32%,低等級(jí)區(qū)域土地利用類(lèi)型面積所占比例從12.15%上升到16.52%,表明城鄉(xiāng)建設(shè)活動(dòng)導(dǎo)致的土地利用類(lèi)型變化對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量造成負(fù)面影響,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)逐年惡化的趨勢(shì)。

4 結(jié)論與討論

1)土地利用動(dòng)態(tài)結(jié)果表明，土地利用類(lèi)型存在相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系，主要向建設(shè)用地與養(yǎng)殖水面用地轉(zhuǎn)入，轉(zhuǎn)入面積大、比例高，而耕地、淺海濕地和水域?yàn)橹饕D(zhuǎn)出地類(lèi)，建設(shè)用地快速擴(kuò)張，生態(tài)用地大幅度縮減。

2)土地利用程度綜合指數(shù)逐漸上升，表明人類(lèi)活動(dòng)干擾增加，研究區(qū)域土地開(kāi)發(fā)利用強(qiáng)度逐年加強(qiáng)。

3)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)逐漸下降，表明研究區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈下降趨勢(shì)。

4)生境質(zhì)量得分結(jié)果表明，高等級(jí)和低等級(jí)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量區(qū)域?yàn)橹饕兓瘏^(qū)域，其中低等級(jí)地類(lèi)面積逐漸增多，高等級(jí)地類(lèi)面積逐漸減少，表明生境環(huán)境質(zhì)量水平下降。

本研究表明，城鎮(zhèn)擴(kuò)張對(duì)土地利用類(lèi)型的改變導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體下降趨勢(shì)明顯。2000—2020年城鎮(zhèn)擴(kuò)張導(dǎo)致鴨綠江口濕地區(qū)域建設(shè)用地和養(yǎng)殖水面面積逐漸增加，林地、耕地、水體和海域面積逐漸減少，且各土地利用程度綜合指數(shù)變化增速提升，土地利用強(qiáng)度逐漸加強(qiáng)；土地利用類(lèi)型變化對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響為高等級(jí)生境質(zhì)量用地?cái)?shù)量減少趨勢(shì)明顯，低等級(jí)生境質(zhì)量用地?cái)?shù)量逐漸增加，說(shuō)明濕地生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策及相關(guān)策略對(duì)區(qū)域環(huán)境質(zhì)量影響效應(yīng)較弱，研究區(qū)域生境質(zhì)量逐漸下降。

受周邊用地影響濕地區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的退化趨勢(shì)，對(duì)于濕地環(huán)境安全提出重要警示。為保護(hù)濕地生態(tài)系統(tǒng)，改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，緩解經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)之間的矛盾，提出以下建議：

1)政府引領(lǐng)各部門(mén)協(xié)同,完善相關(guān)法律制度,嚴(yán)守濕地保護(hù)紅線,注重經(jīng)濟(jì)與生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展;

2)加大生態(tài)保護(hù)宣傳力度，提高周邊居民對(duì)濕地生態(tài)環(huán)境的保護(hù)意識(shí)；

3)科學(xué)合理地規(guī)劃用地，優(yōu)先發(fā)展綠色生態(tài)產(chǎn)業(yè)，拓展生態(tài)用地面積，優(yōu)化鴨綠江口濕地區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)。

鴨綠江國(guó)家濕地保護(hù)區(qū)生態(tài)退化的主要原因是周邊城市化建設(shè)的影響。由于土地利用的綜合性、動(dòng)態(tài)性及對(duì)生境質(zhì)量影響的復(fù)雜性，明確土地利用對(duì)濕地生境質(zhì)量的深度影響，還有待于進(jìn)一步研究和探索。