海岸帶生境質(zhì)量的時空演變及規(guī)劃策略探究★

謝嘉琪，文超祥

(廈門大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,福建 廈門 361005)

0 引言

聯(lián)合國頒布的《生物多樣性公約》和《2030年可持續(xù)發(fā)展議程》提出要對生態(tài)系統(tǒng)保護狀況進行評估,特別是對生境質(zhì)量的科學(xué)評估[1]。這對保護生物多樣性、發(fā)展可持續(xù)經(jīng)濟、維護生態(tài)系統(tǒng)的和諧穩(wěn)定具有重要意義。生境質(zhì)量表征生態(tài)系統(tǒng)為物種提供可持續(xù)發(fā)展的能力,高質(zhì)量生態(tài)環(huán)境是可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。然而,伴隨著經(jīng)濟快速增長和城市擴張,導(dǎo)致了棲息地減少也制約了物種的可持續(xù)發(fā)展,造成生態(tài)系統(tǒng)失調(diào)[2]。因此,研究土地利用變化和生境質(zhì)量指數(shù)變化特征與空間關(guān)系,是科學(xué)進行土地利用規(guī)劃以及制定區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略的重要前提。海岸帶作為陸海系統(tǒng)重要交互地帶,近年來越發(fā)成為生態(tài)系統(tǒng)脆弱的空間單元[3]。

福建省海岸帶物種多樣性豐富、生態(tài)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且復(fù)雜,擁有眾多國家級生態(tài)名片,因此本文選取福建省海岸帶作為研究區(qū),探討生境質(zhì)量在土地利用變化中對未來土地利用變化預(yù)測的基礎(chǔ)上提供生態(tài)保護指導(dǎo)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

福建省海岸帶2000,2010,2020三期土地利用數(shù)據(jù)、行政邊界均來源中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn),其中土地利用類型劃分為6類,空間分辨率為30 m×30 m。

本文驅(qū)動土地利用變化的空間變量分為自然生態(tài)因素、社會經(jīng)濟因素和空間可達性區(qū)位因素,如圖1所示。氣候、地形、植被覆蓋率等因素決定了土地資源可利用的適宜性。選擇代表人類活動強度的人口密度、GDP和夜光數(shù)據(jù)作為經(jīng)濟社會因素,并與城鎮(zhèn)用地的建設(shè)呈現(xiàn)正相關(guān)。此外,空間可達性是使得自然用地轉(zhuǎn)化為城市發(fā)展用地的重要影響因素,因此選擇距鐵路、河流、高速路、主干道和港口的距離來表達空間可達性[4]。

1.2 研究方法

1.2.1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可反映出一段時間內(nèi)研究區(qū)土地利用類型的結(jié)構(gòu)變化特征,其計算公式見式(1):

(1)

其中,S為土地利用面積;n為土地利用類型數(shù);i,j分別為研究初期和末期的土地利用類型;Sij為研究期內(nèi)第i類向第j類轉(zhuǎn)化的面積。

1.2.2 未來土地利用預(yù)測模型

本研究采用PLUS模型對未來土地擴張進行預(yù)測,該模型采用了土地擴張策略分析模塊和基于多類隨機斑塊種子的元胞自動機模型對未來的土地利用進行預(yù)測,并且根據(jù)以往研究以及地區(qū)發(fā)展特征,設(shè)置了鄰域轉(zhuǎn)移系數(shù)和土地利用需求來模擬未來的土地利用情況[5]。

PLUS模型已通過Kappa系數(shù)和OA系數(shù)對模擬結(jié)果進行驗證,保證該模型在福建省海岸帶地區(qū)的適用性。

1.2.3 生境質(zhì)量評估

生境質(zhì)量是衡量區(qū)域生物多樣性、生態(tài)環(huán)境水平和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的重要指標(biāo)。本文采用InVEST模型的生境質(zhì)量模塊計算福建省海岸帶多時相生境質(zhì)量,根據(jù)威脅因素最大脅迫距離和影響權(quán)重、生境適宜性評分以及LUCC來評判生境質(zhì)量[6],采用耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地以及未利用土地6項一級土地利用類型,其中,將耕地、建設(shè)用地和未利用地選為威脅源地。土地利用對威脅源的敏感范圍是0～1,例如林地和草地的生境適宜性為1,建設(shè)用地對生境適宜性為0,值越高表示對土地利用變化的敏感性越高。

生境質(zhì)量計算公式見式(2):

(2)

其中,Hpq為土地利用j中柵格p的生境質(zhì)量,值域范圍為0～1,值越高則表示生境質(zhì)量越好,反之則越差;Sq為土地利用q的生境適宜度;k為半飽和常數(shù),k的取值為退化度最大值的一半;Dpq為生境退化程度,即土地利用類型為q的柵格對柵格p的威脅程度,這一指標(biāo)通常與土地利用類型相關(guān)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用變化與模擬預(yù)測分析

研究統(tǒng)計了2000年—2020年各類土地面積及比例,如表1所示,福建省海岸帶地區(qū)2000年、2010年、2020年的土地利用類型以林地和耕地為主,并且均呈現(xiàn)逐年減少的趨勢。

表1 2000年—2020 年研究區(qū)各期不同土地利用類型面積及比例

2020年耕地占區(qū)域內(nèi)面積最大的林地占比46.14%,較2020年比例有少許下降。耕地占土地利用面積的22.86%,較之2000年的耕地下降了4.21%。其次,草地占總面積的14.18%,建設(shè)用地占總面積的11.26%。而水域和未利用地的面積均較少,總面積均不到5%。20年來,福建省海岸帶各地類都有明顯的變化,其中,建設(shè)用地和未利用地不斷擴大,耕地、林地和草地面積不斷縮小,水體呈現(xiàn)波動變化趨勢。

建設(shè)用地的增長幅度最大,增長了5.6%,而耕地的占地面積減少最為顯著,減少了126 219 hm2,占2000年耕地面積的15.55%。

基于ArcGIS分析了2000年—2020年福建省海岸帶的土地利用變化, 并構(gòu)建土地利用轉(zhuǎn)移矩陣,矩陣結(jié)果如表2所示,并通過對研究區(qū)20年來的土地利用轉(zhuǎn)移分析,發(fā)現(xiàn)耕地大量轉(zhuǎn)為了建設(shè)用地,其轉(zhuǎn)出量占總轉(zhuǎn)出量的81.59%。20年來由于城市化進程的加快,建設(shè)用地不斷侵占周圍的耕地,這一趨勢目前仍在延續(xù),造成了嚴(yán)峻的耕地保護問題。

在此基礎(chǔ)上預(yù)測2030年的自然發(fā)展情形,與2020年相比,2030年自然發(fā)展情形下耕地、草地、水體分別減少1.03%,0.08%,0.31%;而林地、建設(shè)用地分別增加0.74%和1.69%。城鎮(zhèn)的不斷擴張體現(xiàn)了經(jīng)濟發(fā)展的需求,符合城鎮(zhèn)化建設(shè)不斷加強的現(xiàn)狀,并且這部分侵占耕地和水體,福建省的地形地勢特征為“八山一水一分田”,耕地和水體的面積不斷減少不利于保障糧食安全和水資源環(huán)境的保護。

在空間分布上如圖2所示,2000年的建設(shè)用地面積仍較少,分布在東南沿海地區(qū)和閩江沿岸。耕地分布集中成片,主要分布在地勢平坦、水源充足的沿海地區(qū)。自2010年—2020年間,建設(shè)用地集中成片增加,并且集中在廈門市、泉州市市區(qū)和福州市鼓樓區(qū),鼓樓區(qū)處于閩江沿岸,城市擴張趨勢十分顯著。

根據(jù)2030年的預(yù)測結(jié)果,城鎮(zhèn)建設(shè)用地將在東南沿海地區(qū)尤其是廈門市區(qū)、泉州市區(qū)、莆田市區(qū)和福州市區(qū)進一步擴張。

2.2 生境質(zhì)量時空演變特征

以四期土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過InVEST模型得出福建省海岸帶的生境質(zhì)量結(jié)果,并將結(jié)果范圍規(guī)定到0～1之間,如圖3所示。并且,為明晰生境質(zhì)量的空間分布特征,在ArcGIS中通過重分類方法將四期的生境質(zhì)量分布變化分為三類:提升、下降和基本不變,見圖4。

從空間分布上可以得出,研究區(qū)域內(nèi)大部分地區(qū)生境質(zhì)量降低顯著,并且呈現(xiàn)持續(xù)下降的態(tài)勢。從數(shù)量上看,福建省海岸帶地區(qū)2000年—2030年的生境質(zhì)量統(tǒng)計總平均值為0.736,0.719,0.71,0.701,總體生境質(zhì)量下滑。并且,生境質(zhì)量下降的面積在研究期內(nèi)占70.37%,并呈現(xiàn)逐年上升趨勢,生境質(zhì)量提升的區(qū)域僅占24.59%。直到2020年—2030年間,在模擬預(yù)測中加入了生態(tài)保護要求,生境降低的區(qū)域面積才有所下降。從行政區(qū)劃來看,生境質(zhì)量變化最為明顯的集中在東部沿海,尤其是廈門市域范圍和泉州市域范圍內(nèi),在整個區(qū)域處于生境質(zhì)量的低值中心并顯著降低。

生境質(zhì)量惡化嚴(yán)重的廈門市海岸帶區(qū)域范圍,在2000年—2020年下降率達到13.01%,并預(yù)計在2030年進一步下降到0.469,并在2010年低于泉州市,成為福建省海岸帶地區(qū)生境質(zhì)量最低的地區(qū)。

其中,寧德市域生境質(zhì)量最高且波動不大,保持相對穩(wěn)定,原因為寧德市內(nèi)有大量的原始森林覆蓋且堅持走生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展的道路。在對所有的縣市單元進行統(tǒng)計中發(fā)現(xiàn),僅有東山縣在2000年—2030年內(nèi)總體平均生境質(zhì)量呈現(xiàn)上升的趨勢,其生態(tài)發(fā)展戰(zhàn)略與政策值得其余縣市參考借鑒。

2.3 小結(jié)

通過以上分析可以得出以下結(jié)論:

1)PLUS模型可以較好預(yù)測福建省海岸帶未來土地利用格局,在土地利用分析結(jié)果中顯示,耕地減少較快,并且大多向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移,從而帶來生境質(zhì)量的持續(xù)下降,轉(zhuǎn)移的建設(shè)用地主要分布在廈門市、泉州市市區(qū)和福州市鼓樓區(qū)。

2)生境退化占研究區(qū)內(nèi)70.37%的面積,而生境質(zhì)量提高的部分主要集中在研究區(qū)的西北部山區(qū)、寧德市內(nèi)以及漳州市內(nèi)部分山地。如圖5所示,生境質(zhì)量的平均值在2000年—2030年內(nèi)都呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢,研究區(qū)內(nèi)的市縣除了東山縣的生境質(zhì)量均退化,土地利用模式變化破壞生物棲息地,影響生物生存安全。

3)城鎮(zhèn)化的不斷擴張與地區(qū)的生境質(zhì)量呈反比,表明在海岸帶地區(qū)的城鎮(zhèn)開發(fā)中未能達到發(fā)展與生態(tài)相結(jié)合,致使生境質(zhì)量不斷下降。在發(fā)展的過程中,研究得出海岸帶地區(qū)的土地使用強度提高,破壞了生態(tài)要素相互作用,最終影響了生境質(zhì)量。因此,在未來的海岸帶規(guī)劃與建設(shè)中應(yīng)更加注重保護與發(fā)展相結(jié)合。

3 海岸帶生態(tài)規(guī)劃策略

3.1 以生態(tài)保護為核心,構(gòu)建用地管控體系

海岸帶地區(qū)是人口急劇增長以及城市快速擴張的地區(qū),在規(guī)劃建設(shè)中缺乏對于生態(tài)影響的合理評估,導(dǎo)致出現(xiàn)諸多生態(tài)問題。管控和規(guī)劃海岸帶陸域空間的用地規(guī)劃,前期需要考慮到海岸帶地區(qū)獨特的地理特征,納入陸海統(tǒng)籌的觀點,在陸域開發(fā)的同時也需考慮空間外溢效應(yīng)對海洋生態(tài)的影響,尤其是對于水體基礎(chǔ)環(huán)境進行維護,減少城鎮(zhèn)污水排放入河入海。

從具體的措施上,對城市建成區(qū)開拓生態(tài)通廊,而對于未來預(yù)測規(guī)劃建設(shè)成建設(shè)用地的地區(qū),規(guī)劃保留重要的生態(tài)通廊和保障充足的生物棲息地,對生物棲息地與城鎮(zhèn)空間保留一定的緩沖地區(qū),削弱由于土地開發(fā)對重要生態(tài)環(huán)境的破壞與沖擊。

3.2 開展生態(tài)修復(fù)工作,構(gòu)筑安全屏障

生態(tài)修復(fù)是輔助自然進行自我恢復(fù)的過程,在規(guī)劃過程納入開發(fā)行為對海岸帶地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)影響評估,開展對陸域地區(qū)生態(tài)受損的林地和河湖等系統(tǒng)進行修復(fù),打造重要的生態(tài)節(jié)點。

對目前已有的各類資源和自然保護地進行歸類和摸清底圖,以系統(tǒng)性和整體性為出發(fā)點,優(yōu)化目前已有的生態(tài)保護地,科學(xué)布局新用地,并且對已開發(fā)建設(shè)的用地受損部分開展生態(tài)保育工作,進行科學(xué)修復(fù)并達成滿足基本的生態(tài)功能要求。

3.3 完善協(xié)同保護機制,打造智慧保護平臺

在過去的海岸帶規(guī)劃中,常常以“以海定陸”或“以陸定海”的陸海分割思路進行謀劃,導(dǎo)致海岸帶地區(qū)的規(guī)劃和管理事權(quán)模糊,使得用地開發(fā)建設(shè)與生態(tài)保護之間產(chǎn)生一定沖突。在新時期國土空間規(guī)劃需要整合多個部門的職責(zé),統(tǒng)一山水林田湖草的資源底圖保護海岸帶地區(qū)獨特的生態(tài)資源,平衡生態(tài)保護的要求與用地功能布局。

結(jié)合相關(guān)技術(shù)打造智慧保護平臺,運用遙感圖像實時獲取生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù),分析預(yù)測得出生態(tài)保護修復(fù)重要節(jié)點,并且對開發(fā)建設(shè)過程中引發(fā)的生態(tài)問題進行及時預(yù)警和管理。這一模塊可納入國土空間規(guī)劃的生態(tài)板塊,各部門之間互聯(lián)互通,為海岸帶規(guī)劃提供技術(shù)支撐。