黃河流域城市群土地利用變化與生態(tài)風險評價

卿 希,李 巍,陸中桂 (北京師范大學環(huán)境學院,水環(huán)境模擬國家重點實驗室,北京 100875)

土地利用變化能夠反映人類活動與環(huán)境相互作用的結(jié)果[1],是導致區(qū)域生態(tài)風險變化的主要因素[2];景觀生態(tài)風險代表自然或人為干擾對景觀格局產(chǎn)生的不利影響[3].因此基于土地利用變化開展生態(tài)風險評價,能夠揭示區(qū)域內(nèi)自然或人為因素對景觀格局和生態(tài)過程產(chǎn)生的不良后果[4],反映區(qū)域內(nèi)生態(tài)安全的狀況[5],有助于消除不合理的土地利用方式所帶來的負面影響[6],對促進土地資源合理保護和生態(tài)安全屏障建設具有重要意義[7].

根據(jù)黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要,國家級城市群主要包括山東半島城市群、中原城市群、關中平原城市群、幾字彎都市圈和蘭州-西寧城市群[8],面積占黃河流域總面積的43.88%,截至2020 年擁有全流域92.03%的人口并貢獻了93.84%的GDP(表1).現(xiàn)階段相關研究大多在流域或省域尺度上展開[9-11],對城市群的研究主要涉及城市網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)演化[12]、生態(tài)保護與經(jīng)濟發(fā)展耦合[13]、資源環(huán)境承載力演變[14]、生態(tài)韌性演化[15]、人口分布格局[16]、生態(tài)系統(tǒng)服務價值[17]等內(nèi)容,鮮見聚焦多個城市群尺度的生態(tài)風險評價研究.目前有關城市化區(qū)域的生態(tài)風險綜合評價,大多通過景觀生態(tài)風險指數(shù)來分析和表征.這些研究主要針對單個城市群或一個具體的研究單元.而本文同時考慮5個城市群,既將5個城市群作為整體來評價,也針對單個城市群做個別分析,采用統(tǒng)籌整體和個體的評價單元劃分和生態(tài)風險值計算方式,在回溯1990～2020年5 個國家級城市群土地利用變化的基礎上,運用生態(tài)風險指數(shù)分析評價城市群地區(qū)生態(tài)風險特征和演化趨勢,旨在為城市群開展國土空間差異化管控和生態(tài)風險管理提供參考.

表1 黃河流域5 個國家級城市群概況Table 1 An overview of the five national urban agglomerations in the Yellow River Basin

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

黃河流域5 個城市群基本概況及地理位置具體見表1、圖1.

圖1 黃河流域5 個城市群地理位置示意Fig.1 Geographic locations of the 5urban agglomerations in the Yellow River Basin

1.2 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn),該數(shù)據(jù)源主要使用了Landsat 8 遙感影像數(shù)據(jù),分辨率為1km,土地利用類型包括耕地、林地、草地、水體、建設用地和未利用地.通過疊加已知的城市群規(guī)劃范圍,獲得5 個城市群1990,1995,2000,2005,2010,2015,2020 年7 期的土地利用數(shù)據(jù).運用fragstats4.2 軟件計算出不同土地利用類型的斑塊面積和斑塊數(shù)量作為評價生態(tài)風險指數(shù)的基礎數(shù)據(jù).

1.3 評價單元劃分

采用ArcGIS10.2 軟件漁網(wǎng)工具進行生態(tài)風險評價單元的劃分.考慮到研究區(qū)的面積大小及計算的精度和強度,參考已有的研究成果[9-10],將研究區(qū)劃分為30km×30km大小的網(wǎng)格.為獲取和比較5個城市群生態(tài)風險空間分布及其差異化特征,需以城市群整體劃分的評價單元進行生態(tài)風險指數(shù)可視化,將其劃分為1363 個評價單元.而研究單個城市群風險區(qū)面積和面積占比時,由于涉及到5 個城市群交界處的生態(tài)風險指數(shù),不能將城市群整體劃分的結(jié)果直接帶入到單個城市群中,需分別對5 個城市群劃分評價單元.這里,將關中平原、山東半島、蘭西、中原城市群和幾字彎都市圈分別劃分為237,221,259,263 和454 個評價單元,并計算每一個評價單元的生態(tài)風險指數(shù),將其視為中心點的生態(tài)風險值.

1.4 生態(tài)風險指數(shù)構(gòu)建

依據(jù)評價單元內(nèi)不同土地利用類型面積和總面積,結(jié)合景觀損失度指數(shù)構(gòu)建生態(tài)風險指數(shù)(ERI),具體公式如下式(1):

式中:ERI 代表生態(tài)風險指數(shù);Ai代表i類景觀類型的面積;A代表景觀總面積;Hi代表景觀損失度指數(shù).

景觀損失度指數(shù)是區(qū)域景觀干擾度與景觀脆弱度的綜合反映,見下式(2):

式中:Hi代表i類景觀損失度;Fi代表i類景觀干擾度;Gi代表i類景觀脆弱度.

通過對景觀破碎度、景觀分離度、景觀優(yōu)勢度賦權(quán)0.5,0.3,0.2[18-19]得到景觀干擾度指數(shù),見下式(3)～(6):

式中:Ci代表i類景觀破碎度;ni代表i類景觀斑塊的數(shù)量;Ai代表i類景觀面積和.

式中:Ni代表i類景觀分離度;A表示所有景觀總面積;Ai代表i類景觀面積和;ni代表i類景觀斑塊的數(shù)量.

式中:Di代表i類景觀優(yōu)勢度;ni代表i類景觀斑塊數(shù)量;V代表斑塊總數(shù);mi代表i類景觀斑塊出現(xiàn)的樣方數(shù);M代表樣方總量;A表示所有景觀總面積;Ai代表i類景觀面積和.

1）萌芽和開花。大櫻桃對溫度反應比較敏感，當日均溫到10℃左右時，花芽開始萌動，日均溫達到15℃左右開始開花，花期10天左右，1朵花通常開3天，其中開花第1天授粉坐果率最高。為提高產(chǎn)量，要抓住開花頭一天的良好時機放蜂或人工授粉。

式中:Fi代表景觀干擾度;Ci代表景觀破碎度;Ni代表i類景觀分離度;Di代表i類景觀優(yōu)勢度;a、b、c分別代表Ci、Ni、Di對應的權(quán)重,分別為0.5、0.3、0.2,a、b、c之和為1.

通過對6 種土地利用類型:未利用地、水體、耕地、草地、林地、建設用地賦值6,5,4,3,2,1[20],進行歸一化處理得到景觀脆弱度指數(shù)Gi.

1.5 區(qū)域生態(tài)風險分析

計算得到各評價單元的ERI 后,通過運用普通克里金插值法將生態(tài)風險指數(shù)可視化,得到整個研究區(qū)域ERI 空間分布.采用自然斷點法將ERI 分為5 個等級:低風險區(qū)(ERI≤0.0318)、中低風險區(qū)(0.0318

2 結(jié)果與討論

2.1 土地利用變化分析

整體而言,耕地、林地、草地是最主要的景觀類型,分布范圍廣,三者面積占比大于80%.中原和山東半島城市群耕地面積最大,草地主要分布在蘭西城市群和幾字彎都市圈,林地在中原城市群分布較多.具體見表2、圖2、圖3.

圖2 1990～2020 年5 個城市群的土地利用變化Fig.2 Variations of Land uses in the 5 urban agglomerations from 1990 to 2020

圖3 1990～2020 年5 個城市群土地利用面積及比例Fig.3 Land use areas and ratio in the 5 urban agglomerations from 1990 to 2020

表2 1990～2020 年5 個城市群各土地類型面積及占比Table 2 Land use areas and ratio in the 5urban agglomerations from 1990 to 2020

5 個城市群耕地呈先小幅減少后增加,后持續(xù)減少的趨勢,由2000 年394680km2減少至2020 年377902km2,減少了近1.5%.還林還草是耕地的主要去向[21],2004 年和2020 年是退耕還林還草的高峰年,且黃河中上游是退耕還林還草的重點區(qū)域.林地面積占比基本穩(wěn)定,近10 年間面積占比約12.5%,幾字彎都市圈和關中平原城市群林地分別增加2028km2、665km2,山東半島城市群林地減少918km2.城市群整體草地減少7976km2,水體增加4554km2.建設用地持續(xù)增加,由46778km2增加至73063km2,平均每年增加876.2km2,面積占比由4.54%增至7.09%,其中山東半島城市群增長近1.5 倍.黃河中下游城市群土地利用轉(zhuǎn)變明顯,與人口增長、經(jīng)濟發(fā)展和黃河流域整體土地利用變化對應[22].

2.2 生態(tài)風險分析

30a 間,5 個城市群低風險區(qū)面積先減少后增加,面積占比增加7.1%,2015～2020 年增加最顯著;高風險區(qū)面積先增加后降低,整體增加9257km2,面積占比增加0.89%(表3).關中平原和中原城市群低風險區(qū)面積占比較大,山東半島城市群中高風險區(qū)面積占比最大,高風險區(qū)主要分布在幾字彎都市圈和山東半島城市群沿海地區(qū)(圖4、圖5).

圖4 1990～2020 年5 個城市群地區(qū)生態(tài)風險時空分布Fig.4 Spatiotemporal distributions of ecological risk of the 5urban agglomerations from 1990 to 2020

圖5 1990～2020 年5 個城市群中各類生態(tài)風險區(qū)面積及占比變化Fig.5 Areas and ratio of the graded ecological risk zones in the five urban agglomerations from 1990 to 2020

表3 1990～2020 年城市群地區(qū)各類生態(tài)風險區(qū)面積及占比Table 3 Areas and ratio of the ecological risk zones in the urban agglomerations from 1990 to 2020

20 世紀90 年代初期水資源利用效率低,浪費嚴重[23],1990～1995 年黃河下游山東段經(jīng)常發(fā)生斷流[24-25],導致1995年后生態(tài)風險逐漸增加.20世紀后期黃河流域著力加強了水資源管理和生態(tài)環(huán)境保護,重要區(qū)域的生態(tài)得到修復[26],黃河口大保護、下游灘區(qū)生態(tài)治理及現(xiàn)代化水利設置建設[27-29],使2015～2020年高風險區(qū)面積減小,以山東半島城市群最顯著.

山東半島城市群30a 間高風險區(qū)面積占比由10%下降至2%,中高風險區(qū)面積占比減少16%,低風險區(qū)面積占比增加17%,變化主要集中在2015～2020年,生態(tài)風險明顯降低,生態(tài)質(zhì)量顯著提升.1990～2015 年高風險區(qū)主要分布在沿海的濱州市,以及淄博市、濰坊市、日照市、臨沂市、棗莊市、濟寧市的交界處.2020 年聊城市、德州市和濱州市生態(tài)風險顯著降低,但臨沂市和淄博市交界處由中高風險區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)楦唢L險區(qū).

蘭西城市群整體生態(tài)風險較低.由于水土流失等原因[34]使海南藏族自治州一直存在高風險區(qū);2000 年海北藏族自治州出現(xiàn)高風險區(qū);2005 年蘭州市出現(xiàn)的高風險區(qū)在2015 年擴大至臨夏回族自治州,這可能是由于10a 間蘭州市土地利用強度變化率增加導致的[35].30a間高風險區(qū)面積占比一直低于4%,中高風險區(qū)面積占比降低4%,低風險區(qū)面積占比增加2%,整體生態(tài)風險呈下降趨勢.

關中平原城市群高風險和中高風險區(qū)面積占比低于6%,2020 年高風險區(qū)面積占比增加1%,中風險區(qū)面積占比由31%增加至36%.由于土地利用與生態(tài)環(huán)境失調(diào)[36]、土地利用結(jié)構(gòu)均衡度降低[37]等原因?qū)е挛寄鲜小⑸搪迨泻推經(jīng)鍪猩鷳B(tài)風險較高.生態(tài)風險整體較低但高風險區(qū)面積有小幅上升.

中原城市群中高風險區(qū)和高風險區(qū)面積占比低于5%,主要分布在長治市、信陽市和三門峽市,這是由于工礦建設用地的增加[38]、土地資源的不合理開發(fā)[39]等原因?qū)е碌?2015 年南陽市出現(xiàn)中高風險區(qū).低風險區(qū)和中低風險區(qū)面積占比在5 個城市群中最大,低風險區(qū)面積占比由32%上升至47%,其中2015～2020 年提升顯著,中風險區(qū)面積占比由23%下降至14%,生態(tài)風險在5 個城市群中最低,生態(tài)質(zhì)量有顯著提升.

2.3 建議

2.3.1 國土空間規(guī)劃建議 要以調(diào)整城市群土地利用為重點,不斷推進土地的開發(fā)整理,促進黃河流域土地利用結(jié)構(gòu)均衡度的整體提升.重點對幾字彎都市圈和中原城市群的草地、山東半島城市群的草地和林地合理采取生態(tài)保護和修復,因地制宜推進森林和草原植被建設;城市化迅速發(fā)展的同時,不斷提升城市土地集約利用水平,注意城市群建設用地和生態(tài)用地的協(xié)調(diào)發(fā)展,合理布局城市綠化帶和鄉(xiāng)村生態(tài)用地的建設.將城市群和流域的土地利用管理相融合,從而達到黃河流域土地資源的整體優(yōu)化.

2.3.2 生態(tài)風險管控建議 要注重5 個城市群生態(tài)風險的差異化管控,防止幾字彎都市圈高風險區(qū)的進一步擴大;山東半島、蘭西和關中平原城市群生態(tài)質(zhì)量雖有提升,但要重視中高風險新出現(xiàn)的地區(qū),將該地區(qū)的土地利用變化強度控制在合理區(qū)間,不能因為城市群整體生態(tài)好轉(zhuǎn)而忽視局部地區(qū)的生態(tài)環(huán)境惡化;中原城市群需保持當前土地利用模式,將生態(tài)風險始終控制在低水平,同時不斷促進中低風險區(qū)和中風險區(qū)進一步向低風險區(qū)的轉(zhuǎn)化.通過實施流域上中下游城市群生態(tài)風險差異化管控,促進黃河流域整體生態(tài)安全的提升和高質(zhì)量發(fā)展.

本次研究區(qū)范圍較大且側(cè)重于城市群生態(tài)風險及其差異化特征分析,選擇了1km 空間分辨率的土地利用數(shù)據(jù)并以30km×30km 大小的網(wǎng)格劃分.后續(xù)研究可針對識別出的高風險區(qū)或者重點管控區(qū),進一步提高分析精度,在土地利用變化基礎上加強生態(tài)風險演變的影響因素和驅(qū)動因子識別,深入探究因子間的協(xié)同權(quán)衡關系.

3 結(jié)論

3.1 黃河流域城市群主要土地利用類型為草地、耕地、林地,研究期間整體上耕地減少16778km2,草地減少7976km2,林地和水體面積基本保持穩(wěn)定,建設用地持續(xù)增加,面積占比由4.54%增至7.09%.黃河中下游3 個城市群土地利用轉(zhuǎn)變明顯.幾字彎都市圈、山東半島和中原城市群草地分別減少4358,5488,1423km2,蘭西和關中平原城市群草地分別增加2452,837km2;關中平原城市群和幾字彎都市圈林地分別增加665,2028km2,山東半島城市群林地減少918km2,城市群之間土地利用變化差異顯著.

3.2 城市群整體ERI 呈先上升后下降的趨勢,低風險區(qū)面積占比增加 7.1%,高風險區(qū)面積增加9257km2,占比增加0.89%,生態(tài)風險呈好轉(zhuǎn)態(tài)勢.幾字彎都市圈高風險區(qū)面積最大且占比由1990 年16%增加至2020 年21%;山東半島城市群高風險區(qū)面積占比由10%下降至2%,生態(tài)風險明顯降低,生態(tài)質(zhì)量顯著提升,但有新的中高風險區(qū)出現(xiàn);蘭西城市群生態(tài)風險有所降低,但蘭州市高風險區(qū)有擴大趨勢;關中平原城市群整體生態(tài)風險較低但高風險區(qū)面積有小幅增加;中原城市群生態(tài)風險在5 個城市群中最低,生態(tài)質(zhì)量顯著提升.