南京市生境質量時空演變特征與影響因素研究

吳 榛,徐可依,錢燕萍,洪玉杰

(1.南京工業(yè)大學 建筑學院,江蘇 南京 210000;2.南京曉莊學院 環(huán)境科學學院,江蘇 南京 210000;3.揚州市個園管理處,江蘇 揚州 225000)

生態(tài)系統(tǒng)能夠提供給生物個體與種群持續(xù)發(fā)展和生存條件的能力,被稱為生境質量[1-3]。在高速城鎮(zhèn)化發(fā)展過程中,隨著人類建設用地的擴張,人類活動對區(qū)域自然環(huán)境的影響逐漸增大,生境質量也出現不同程度的退化。因此,在區(qū)域時空演變過程中,識別和預測區(qū)域環(huán)境生境質量空間分異是識別生境脆弱區(qū)、進行區(qū)域生態(tài)空間保護與修復的前提和基礎[4]。

目前,生境質量分析主要包括生境指標建模和區(qū)域景觀格局評估模型兩大類,其中生境指標建模分析主要應用于小尺度生境空間,通過實地調查抽樣的方法對相關生境質量數據進行收集,從而對生境空間的生境質量做出精確分析,如水質生境[5]、植被演替等[6]。區(qū)域景觀格局評估模型的生境質量分析面向區(qū)域尺度的研究場地,即在遙感數據基礎上使用模型進行運算[7]。在城市建設與生境質量關系的研究中,土地利用變化是城市發(fā)展過程中最直觀的表現,土地利用方式和強度變化直接體現了城市建設過程在空間與時間的變化規(guī)律與分異特征,研究中常用InVEST模型中Habitat Quality模塊根據生境威脅源的分布和不同土地利用類型對生境威脅源的敏感程度,分析空間生境質量[8]。在城市時空演變過程中,開展高強度城市建設過程中的生境質量評價有助于揭示城市生境質量變化趨勢,識別城市生境脆弱區(qū)和空間分異狀況,可為城市生態(tài)安全、國土空間規(guī)劃提供決策依據。

南京市作為長三角城市群中快速城鎮(zhèn)化的典型城市,不可避免地經歷著城市快速擴張所導致的土地利用類型和生境質量的動態(tài)變化,如各類用地向建設用地轉移、草地及林地的生境質量降低、生物多樣性較少、區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務能力下降等問題。因此,作為長三角城市群綠色高質量一體化發(fā)展的重要組成部分,應積極探索協(xié)同推進生態(tài)優(yōu)先和綠色發(fā)展的新道路。然而,目前針對南京市生境質量時空演變特征的研究較少,特別是對其時空動態(tài)演變中生境質量影響因素研究還有待進一步深入。

鑒于此,本研究選取我國快速城鎮(zhèn)化地區(qū)的典型城市南京市為對象,在分析南京市土地利用變化的基礎上,基于ArcGIS、Fragstats、InVEST模型分析、評估南京市2000-2020年的生境質量變化及演變特征,并利用地理探測器分析影響南京市生境質量變化的主要因子,旨在為南京市生境質量保護和國土空間規(guī)劃提供數據支撐與科學依據,為快速城鎮(zhèn)化地區(qū)生態(tài)可持續(xù)性發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)概況

南京市為江蘇省省會(118°22′-119°14′E,31°14′-32°37′N),是國家生態(tài)園林城市,屬于亞熱帶季風氣候,地貌屬丘陵地區(qū),以低山緩崗為主,平均氣溫為16.7 ℃,雨量充沛,年降水量1 200 mm,四季分明。2020年南京市城鎮(zhèn)化水平提升至86.8%,城鎮(zhèn)人口達809萬,全市實現地區(qū)生產總值14 818億元,全年人均GDP約15.93萬元。南京市水域面積占總面積的11%以上,全市林木覆蓋率、自然濕地保護率分別為31.61%、68.6%。

2 材料與方法

2.1 數據來源

選擇2000、2010年及2020年3期數據,主要包括土地利用類型、DEM(digital elevation model)、坡度、年降水量、NDVI(normalized difference vegetation index)、建設用地指數、人口密度數據、GDP(gross domestic product)公里格網數據、夜間燈光數據。土地利用類型數據來源于中國科學院資源環(huán)境科學與數據中心(https://www.resdc.cn/),主要包括耕地、林地、草地、水域、建設用地和其他用地6類;DEM數據來源于地理空間數據云(http://www.gscloud.cn/);年降水量來源于《中國1980年以來逐年年降水量空間插值數據集》[9];NDVI來源于《2000-2020年中國30米年最大NDVI數據集》[10];GDP公里格網數據來源于《中國GDP空間分布公里網格數據集》[11];人口密度來源于World Pop網站的人口密度數據(https://hub.worldpop.org/);夜間燈光數據來源于《中國長時間序列夜間燈光數據集(2000-2020)》[12];建設用地指數為每個格網內建設用地面積占所在單個格網面積的比例[13]。

2.2 景觀格局分析方法

景觀格局指數可以定量反映景觀空間結構、空間組成及景觀配置特征。本研究運用Fragstats4.2景觀格局分析軟件在景觀整體層次上計算南京市土地利用的景觀格局指數,選取最大斑塊指數(LPI)、分離度指數(SPLIT)、香農多樣性指數(SHDI)、景觀蔓延度指數(CONTAG)4個指標[14-15](表1)。

表1 景觀格局指數指標選取及研究意義Table 1 Index selection of landscape pattern and research significance

2.3 生境質量評估方法

InVEST模型是評估區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務和支撐生態(tài)系統(tǒng)決策的綜合模型系統(tǒng)[16-18]。其中Habitat Quality模塊主要用于計算區(qū)域生境質量,通過Habitat Quality模塊計算生成的生境質量分布圖可以從地理空間分布上反映棲息地生境質量信息[19-21]。

運用InVEST 3.9軟件中Habitat Quality模塊對南京市2000-2020年的生境質量進行分析。生境質量計算公式如下[22]。

(1)

(2)

式中:Qxj為生境質量指數;Hj為土地利用類型j的適宜性;k為半飽和常數;z為歸一化常量;Dxj為土地利用類型j中柵格x的總威脅水平;r為生境威脅因子;y指威脅圖上的所有柵格;Yr指威脅圖上的一組柵格;ωr為r的權重;ry為柵格y的威脅強度;βx為柵格x的可達性水平;Sjr為土地利用類型j對威脅因子r的敏感度;irxy為ry對x柵格的威脅水平;其公式如下[23]。

(3)

(4)

式中:irxy為柵格y中的威脅因子;dxy為柵格x與y之間的線性距離;drmax是威脅因子r的最大作用距離。

根據國內外相關文獻確定每種土地類型的生境適宜性和各生境對每種威脅源的敏感性(表2、表3)[23-24]。運行模型后得到2000、2010年及2020年的南京市生境質量分布圖。為進一步分析南京市生境質量的變化趨勢,在ArcGIS中運用自然斷點法將2000年生境質量分為高、中、低3類,并依2000年生境質量分類標準對2010年及2020年南京市生境質量進行分類。

表2 生境威脅源及相關參數Table 2 Habitat threat sources and related parameters

表3 不同土地利用類型的生境適宜性及對威脅因子的敏感性Table 3 Habitat suitability of different land use types and sensitivity to different threat sources

為了更好地分析南京市生境質量時空變化,探究不同土地利用類型對生境質量變化的生態(tài)貢獻率[24],依據生態(tài)貢獻率公式進行進一步分析。

(5)

式中:Cit為t時間段內i種土地利用變化類型生境貢獻率;HQCit為t時間段內i種土地利用變化類型區(qū)塊內生境質量變化平均值;LAit為t時間段內i種變化類型面積;TA為區(qū)域總面積;n為土地利用變化類型數量。

2.4 地理探測器方法

地理探測器是探測因變量與自變量間空間分布格局的新興統(tǒng)計方法[25-26],旨在探測空間分異性,揭示驅動因子影響程度。本研究采用地理探測器中因子探測,以生境質量值為因變量,以自然因子(高程、坡度、年降水量、NDVI)及社會因子(建設用地指數、人口密度、GDP公里格網數據、夜間燈光)為自變量。研究過程中通過自然斷點法將自變量分為9類,利用ArcGIS建立1 km的漁網,以網格中心點為采樣點,對自變量和因變量進行數據統(tǒng)計,并通過地理探測器分析識別南京市生境質量的影響驅動因子。

3 結果與分析

3.1 生態(tài)環(huán)境特征變化

3.1.1 土地利用時空變化 南京市域范圍內土地總面積約6 586.61 km2。2000年南京市建設用地面積為1 058.08 km2,2010年增長到1 552.86 km2,到2020年增長到1 752.31 km2,2010-2020年的增長幅度為12.84%。南京市城市平均生境質量指數在2000年為0.38,2010年下降到0.30,2020年下降到0.27,整體生境質量退化明顯(圖1)。

圖1 南京市2000-2020年土地利用變化流向Fig.1 The flow chart of land use change in Nanjing from 2000 to 2020

2000、2010年及2020年土地利用以耕地、建設用地為主要類型。2000-2020年,土地利用類型變化的總面積為838.85 km2,占南京市總面積的12.74%,這一時段內南京市土地利用類型中建設用地面積逐年增加,凈增長694.23 km2,增幅為65.61%,而林地、耕地面積逐年下降,其中林地面積凈縮減34.37 km2,降幅為4.90%,耕地面積凈縮減802.37 km2,降幅為19.37%(表4)。

表4 2000-2020年南京市土地利用轉移矩陣Table 4 Land use transfer matrix of Nanjing from 2000 to 2020 km2

3.1.2 景觀格局動態(tài)變化 表5為2000、2010年和2020年南京市在整體景觀水平上的景觀格局指標。最大斑塊指數(LPI)在2000年為27.43%,2010年為21.27%,2020年為19.66%,表明南京市整體景觀中最大斑塊面積逐漸變小;景觀蔓延度指數(CONTAG)用來表征斑塊間的連接性特點,研究區(qū)內CONTAG在2000年為63.53%,2010年為59.83%,2020年為59.37%,呈減少趨勢,說明研究區(qū)內斑塊間的連接度下降;分離度指數(SPLIT)為聚散指數的評價指標,研究區(qū)內SPLIT值在2000年為9.04%,2010年為13.94%,2020年為15.51%,呈增長趨勢,表明研究區(qū)景觀具有多種要素的密集格局,景觀的破碎化愈發(fā)增加;香農多樣性指數值(SHDI)在2000年為1.09,2010年為1.22,2020年為1.24,不同年份香農多樣性指數增大同樣表明了南京市景觀系統(tǒng)中景觀向均衡化分布趨勢發(fā)展,土地破碎化程度也越高。

表5 2000-2020年南京市景觀格局指數統(tǒng)計Table 5 Statistics of Nanjing landscape pattern index from 2000 to 2020

3.2 生境質量動態(tài)變化

2000、2010年和2020年的南京市生境質量指數分別為0.38、0.30和0.27。2000-2010年生境質量指數降幅為21.05%,2010-2020年降幅為10.00%,前一時段降幅遠超后一時段。2000-2020年南京市高質量生境面積占比減少4.37%,中質量生境面積減少19.36%,低質量生境面積從17.74%增加到41.47%。其中在2000-2010年,低質量生境面積增加18.10%,相比于2010-2020年增加5.63%而言,2000-2010年時段生境退化更為明顯(表6)。

表6 2000-2020年南京市生境質量指數統(tǒng)計Table 6 Statistics of Nanjing habitat quality index from 2000 to 2020

研究期內南京市生境質量有退化也有提升,但總體看來,南京市城市擴張過程中建設用地的擴張造成整體生境質量向退化方向發(fā)展(圖2)。因此,對2000-2020年各時間階段內南京市生境質量退化的主要土地利用變化類型及貢獻率進行了分析統(tǒng)計(圖3)。表明在2000-2010年與2010-2020年2個時期,耕地向建設用地轉移及耕地自身生境質量降低是南京市生境質量退化的主要原因,兩者對生境質量降低的貢獻比分別占38.08%、23.18%與52.60%、12.97%(表7)。除上述2類原因外,林地與水域生境下降及林地與水域向建設用地轉移為生境質量變化的次要原因。

圖2 南京市2000-2020年生境質量空間分布Fig.2 Spatial distribution of habitat quality in Nanjing from 2000 to 2020

圖3 南京市2000-2020年土地利用轉移變化Fig.3 Land use transfer change map of Nanjing from 2000 to 2020

表7 影響南京市生境質量的主要土地利用變化類型及貢獻率Table 7 Major types and contribution rates of land use change affecting the habitat quality in Nanjing

通過地理探測器因子分析得出2000年南京市的年降水量、GDP和建設用地指數對生境質量的影響程度最高,2010年各影響因子中年降水量、GDP和夜間燈光對生境質量的解釋程度相對較高,2020年影響數值最大的因子為年降水量、夜間燈光和建設用地指數(圖4)。

圖4 地理探測器指標qFig.4 Index of q statistic of Geodetector

研究結果表明,自變量中自然因子與社會因子對南京市生境質量空間分異的影響效能不同。自然因子中年降水量在2000、2010年及2020年生境質量分布中解釋力最高,對生境質量分布的基本格局起重要作用,高程、坡度、NDVI的解釋力較低。社會因子中建設用地指數與夜間燈光的解釋力相對較高,說明建設用地指數與夜間燈光對生境質量分布分異影響作用明顯。

4 結論與討論

4.1 結論

2000-2020年南京市土地利用轉型明顯。第一階段(2000-2010年)建設用地大面積增加,增幅為46.76%,第二階段(2010-2020年),建設用地增幅為12.84%,其中土地利用變化主要以耕地向建設用地的轉化為主,占總面積的10.35%。

南京市整體景觀格局指數中LPI、CONTAG值逐漸下降,SPLIT、SHDI值逐漸上升,表明南京市整體景觀格局呈破碎化發(fā)展趨勢,斑塊間的連接度逐漸降低。

南京市生境質量呈逐漸減弱的趨勢。2000-2020年間高質量生境面積減少4.37%,2000-2010、2010-2020年區(qū)域生境質量降幅分別為21.05%和10.00%,相對而言,生境質量退化速度逐漸放緩。其中受建設用地擴張影響的耕地生境質量降低以及耕地向建設用地的轉化是區(qū)域生境質量降低的2個主要原因,兩者在各時段內對生境質量降低的貢獻比分別占38.08%、23.18%與52.60%、12.97%。

2000、2010、2020年的年降水量因子的地理探測器指標q為0.12、0.30和0.27,數值相對較高,說明自然因子中降水量因子對南京市生境質量空間分異的影響驅動力最強,該因子對生境質量基本格局形成有重要影響。社會因子中建設用地指數與夜間燈光的地理探測器指標q相對較高,說明建設用地指數與夜間燈光對南京市生境質量分布分異作用明顯。

4.2 討論

南京市生境質量均值在2000-2020年總體呈下降趨勢,2000-2010年與2010-2020年時段生境質量降幅分別為21.05%和10.00%,前一時段降幅遠超后一時段,土地利用類型變化的總面積各時期分別為1 317.74 km2和405.79 km2,占研究區(qū)總面積的20.01%和6.16%,因此可知,2000-2010年時段是南京市生境質量下降最明顯和土地利用變化最顯著的時期。這一時期受人類高強度的經濟開發(fā)影響,近郊區(qū)耕地自身生境質量下降與建設用地大面積擴張導致耕地向建設用地轉變是區(qū)域生境質量降低的2個主要原因,兩者在各時段內對生境質量降低的貢獻比分別占38.08%、23.18%與52.60%、12.97%。2000-2020年自然因子中年降水量q值最高,建設用地指數與夜間燈光強度q值次之,說明該時段內年降水量對生境質量空間分異的影響驅動力最強,同時,一定程度上說明降水量、建設用地指數與夜間燈光奠定了生境質量空間分異的基礎,對南京市生境質量分布分異影響作用明顯。

由于近20 a南京城市大幅擴張,周邊林地、耕地等被不斷侵占,生境質量發(fā)生不可逆的損壞,區(qū)域內高等級生境斑塊的面積逐漸下降,影響到區(qū)域范圍內各棲息地斑塊內的生物繁衍與生態(tài)系統(tǒng)服務供給。受社會經濟發(fā)展情況制約,大面積生態(tài)重建已不符合當下發(fā)展現實,需通過產業(yè)升級改變經濟結構,減少產業(yè)發(fā)展對建設用地的利用需求,高效集約利用土地,減少建設用地擴張對生境質量的干擾。同時,在國土空間保護與開發(fā)過程中,應進一步加強城鎮(zhèn)開發(fā)邊界及生態(tài)保護紅線的管控,對生境質量退化的棲息地斑塊進行生態(tài)修復,對退化嚴重的區(qū)域優(yōu)先進行生態(tài)重建,推動低生境區(qū)域向高生境區(qū)域用地類型的轉化。并且可進一步通過加強城市綠地生態(tài)廊道與網絡建設,促進生物多樣性保護,提升生境格局的完整性和連通性[27]。