厦门湾海岸带景观格局时空动态演变研究

潘翔, 孙元敏, 吴剑, 陈鹏

国家海洋局第三海洋研究所, 厦门 361005

厦门湾海岸带景观格局时空动态演变研究

潘翔, 孙元敏, 吴剑, 陈鹏*

国家海洋局第三海洋研究所, 厦门 361005

以厦门湾海岸带为研究区, 基于1989年与1997年Landsat TM、2010年SPOT5遥感影像, 在遥感和GIS技术支持下, 建立了厦门湾海岸带景观类型空间数据库。运用景观类型变化表征模型与景观格局指数方法, 对近22年来研究区景观格局变化时空动态特征进行了定量分析。研究结果表明： 厦门湾海岸带景观格局发生了较大的变化。农用地面积持续减少且降幅最显著, 而城镇用地与建设用地则快速扩展; 其中前者由占总面积的 72.75%下降到 30.67%,后者由占总面积的 4.60%上升到 38.97%。土地利用类型之间、以及各土地利用类型与滨海湿地之间的动态转化频繁,土地利用类型之间的转化以农用地和滨海湿地向城镇用地与建设用地转化为主。在 1989—1997年农用地净转出面积为13862.55 hm2, 滨海湿地转出面积为4268.82 hm2; 在1997—2010年农用地转出达到20910.24 hm2, 典型滨海则转出5931.64 hm2。在景观水平尺度上, 景观格局向着多样化方向发展, 景观的异质性增强, 景观破碎化程度加深。景观格局变化的驱动因素主要为社会经济发展与政策调整。

厦门湾; 海岸带; 景观格局; 时空演变

1 前言

自国际地圈-生物圈(IGBP)和全球变化中的人文领域计划(HDP)于1995年联合提出LUCC研究计划以来, 土地利用/覆盖变化(LUCC)已经成为全球变化研究的前沿和多学科研究的交叉点[1-2]。IGBP和IHDP更将海岸带的陆海相互作用(LOICZ)作为其重要的子计划[3], 近年来, 国内外学者已在海岸带LUCC动态变化监测、驱动力机制及环境响应方面开展了较多的研究[4-5]。运用景观生态学的方法度量LUCC与生态过程之间的关联已经成为研究热点[6-7],海岸带景观格局演变研究在海岸带区域性灾害防治、污染控制、环境保护等方面具有重要意义[8-10]。随着海峡西岸经济区上升为国家战略, 以及厦门市海湾型城市发展战略的实施, 厦门湾已经成为最引人注目和最具有活力的地区, 正在经历快速的城市化过程, 人类活动这一外营力必将展示其不断增强的态势。本文在遥感技术与 GIS技术支持下, 分析了厦门湾海岸带近 22年间的景观格局转化过程及其空间变化特征。

2 研究区与研究方法

2.1 研究区概况

厦门湾位于福建东南、北回归线附近(24°N左右), 是较为典型、具代表性的亚热带海湾[11]。厦门湾是一个半封闭型海湾, 岸线曲折, 地形复杂。东有大小金门岛, 南有大小担岛, 西有九龙江径流, 北有众多海堤。湾内海水的流动主要受制于台湾海峡的潮汐系统和九龙江的径流。本研究考虑到资料的可获得性与行政管理的可行性, 将厦门湾的研究范围界定为厦门市行政辖区范围内, 研究区向陆地一侧延伸以厦门市所辖镇(街道)的行政辖区边界为界(图1)。厦门市地处福建省东南部九龙江入海处, 背靠漳州、泉州, 面对金门, 濒临台湾海峡, 与台湾、澎湖列岛遥遥相对, 是闽南金三角的核心, 也是中国东南沿海的重要门户。厦门市下辖有厦门岛内的思明湖里2个行政区, 以及厦门岛外的集美、海沧、同安和翔安4个行政区[12]。

2.2 数据源与处理

基本信息源为1989年、1997年Landsat TM以及2010年SPOT5遥感数据, 辅助资料为海湾城市行政区划图、厦门市土地利用图等。数据处理平台为ERDAS(version 9.0)遥感图像处理系统和 ArcGIS (version 9.3)地理信息系统。

参考土地利用现状分类标准(GB/T 21010-2007),结合研究区域土地利用特征, 将非湿地景观划分为7种类型： L1 农用地、L2 林地、L3 城镇用地、L4农村居民地、L5 建设用地、L6 交通用地; 同时参考厦门滨海湿地分类体系相关研究成果[13], 将其中3种典型滨海湿地类型(W1 浅海、W2 滩涂、W3养殖区)纳入景观类型转移矩阵分析。对3个时相的遥感影像进行几何校正、空间配准、假彩色合成与融合、影像图像增强与影像裁剪等预处理; 运用监督分类法与人机交互结合方法解译, 提取出 3个时期的景观类型矢量数据, 建立研究区域不同时期的景观类型数据库并绘制其空间分布图(图2)。

图1 研究区范围示意图Fig. 1 Study area in coastal zone of Xiamen Bay

2.3 景观类型变化表征模型

土地利用动态度模型可以定量描述土地利用变化的剧烈程度[2,14], 其中单一土地利用动态度模型反映土地利用类型变化的速度[15]。转移矩阵可以全面而具体地反映土地利用变化的结构特征与各用地类型的变化方向[2,10]。本研究采用上述模型方法分析了1989—1997年时段(第I时段)、1997—2010年时段(第 II时段)研究区景观类型变化的时空特征以及各景观类型相互转化情况。通过对研究区三个时期的海岸带景观类型矢量数据进行叠加计算, 得到了2个时段的景观类型转移矩阵(表1、表2)。

2.4 景观格局指数

景观格局指数方法是景观生态学空间分析方法的一种, 利用它能够定量地反映景观结构组成和空间配置的特征, 也可揭示格局变化对景观生态过程的影响[16]。本文在景观水平尺度上, 选择多样性指数(SHDI)、均匀度指数(SHEI)、蔓延度指数(CONTAG)、并列与散布指数(IJI)、景观分离度(DIVISION)、斑块密度(PD)、最大斑块指数(LPI)、形状指数(LSI)等。景观格局指数的计算通过综合运用ArcGIS 9.3、景观格局分析软件Fragstats 4.1(http：//www.umass.edu/ landeco/index.html)实现, 其生态学意义参考相关文献[2,16]与Fragstats用户指南, 其结果见图4。

图2 厦门湾海岸带1989—2010年景观类型空间分布Fig. 2 Spatial distribution maps of landscape types in coastal zone of Xiamen Bay from 1989 to 2010

表1 1989—1997年研究区景观类型转移矩阵Tab. 1 Conversion matrix of landscape types in research region from 1989-1997

表2 1997—2010年研究区景观类型转移矩阵Tab. 2 Conversion matrix of landscape types in research region from 1997-2010

3 结果与分析

3.1 景观格局基本现状

厦门湾海岸带2010年景观类型总面积为71776.12 hm2,其中农用地面积最大(21569.95 hm2), 占总面积的30.67%, 为环厦门湾海岸带的景观基质; 其次为城镇用地(15294.53 hm2), 占 21.48%; 再次为林地(13659.90 hm2), 占 19.14%; 建设用地(12219.19 hm2)占17.49%, 农村居民地(4617.41 hm2)占6.43%, 交通用地(3530.91 hm2)占4.8%(表1)。从2010年各景观类型的空间分布情况看(图2), 林地资源在集美区、海沧区分布最多, 其次为思明区和同安区; 翔安区农地资源分布最多, 其次为同安区和集美区; 城镇用地主要集中分布在厦门岛内的思明区和湖里区;同安区建设用地分布最多, 其次为海沧区、集美区与翔安区; 农村居民用地只在岛外4个分区有分布。

3.2 景观类型动态变化从1989—2010年, 研究区景观类型总面积在波动中呈上升趋势, 22年间共增加3185.14 hm2(表1)。其中, 城镇用地和建设用地增长幅度最大(分别为12318.59 hm2与12090.64 hm2), 而农用地则大幅下降(27535.2 hm2)。第I时段林地、城镇用地的增量明显, 交通道路增量最小, 农用地变化幅度远大于其他类型; 第II时段城镇用地、建设用地、交通道路的增量明显, 农村居民地仅有小幅增长, 而农用地降幅最为显著, 林地在此时段则在减小。

厦门湾海岸带景观类型动态变化程度显著(表 1),并表现出不同的阶段性特点。第 I时段变化速度依次为建设用地＞城镇用地＞农村居民地＞林地＞农用地＞交通道路, 而第II时段则依次为建设用地＞城镇用地＞交通道路＞农用地＞林地＞农村居民地。

3.3 景观类型转移分析

3.3.1 第I时段转移特征

农用地： 主要转化为林地(5130.3 hm2)、城镇用地(2914.61 hm2)与农村居民地(2310.83 hm2), 其次转向建设用地(1594.48 hm2)与养殖区(1542.28 hm2);此阶段转入的类型主要为林地(2654.43 hm2), 其次为农村居民地(635.24 hm2)与养殖区(339.02 hm2)。林地： 主要转化为农用地与城镇用地(175.83 hm2),转向农村居民地、建设用地与交通道路的分别为99.67 hm2、76.84 hm2和54.21 hm2。城镇用地： 主要转向林地(170.43 hm2)与农村居民地(165.4 hm2), 而转入部分主要来自于农用地, 其次为农村居民地(368.16 hm2)、林地(175.83 hm2)。农村居民地： 主要转向农用地, 其次为城镇用地; 转入部分主要来自城镇用地, 其次为林地。建设用地： 转向林地的面积为 1.87 hm2; 转入部分来自农用地, 其次为养殖区(108.88 hm2)与滩涂(101.66 hm2)。交通道路： 转向农用地189.97 hm2, 其次为城镇用地(62.89 hm2); 而转入部分主要来自于农用地, 其次为养殖区(84.59 hm2)。

浅海： 转向非湿地的类型主要为城镇用地(61.43 hm2)和交通道路(36.93 hm2)。滩涂： 转向非湿地的类型主要为城镇用地(261.49 hm2)、农用地(115.12 hm2)和建设用地(101.66 hm2)。养殖区： 转向非湿地的类型主要为农用地(339.02 hm2), 其次为建设用地与城镇用地(108.25 hm2)。

3.3.2 第II时段转移特征

农用地： 主要转化为建设用地(7313.78 hm2),其次转向城镇用地(4616.98 hm2)与林地(3201.57 hm2);转入部分主要为林地(2654.43 hm2), 其次为农村居民地(635.24 hm2)与养殖区(339.02 hm2)。林地： 主要转化为农用地(1408.46 hm2), 其次为城镇用地(909.16 hm2)与建设用地(874.05 hm2); 转入部分来自农用地(3201.57 hm2)。城镇用地： 主要转向交通道路(401.98 hm2)与建设用地(354.18 hm2); 转入部分主要来自于农用地, 其次为农村居民地(2144.58 hm2)、建设用地(1247.27 hm2)。农村居民地： 主要转向城镇用地(1247.27 hm2); 转入部分主要来自农用地(2774.11 hm2)。建设用地： 主要转向城镇用地; 转入部分来自农用地, 其次为养殖区(1851.97 hm2)。交通道路： 转向城镇用地 278.9 hm2, 其次为建设用地(147.67 hm2); 而转入部分主要来自于农用地(1438.93 hm2), 其次为城镇用地(401.98 hm2)。

浅海： 转向非湿地的类型主要为建设用地(363.31 hm2), 其次为城镇用地(90.88 hm2)与交通道路(74.41 hm2)。滩涂： 转向非湿地的类型主要为建设用地(760.42 hm2), 其次为城镇用地(214.9 hm2)与交通道路(111.3 hm2)。养殖区： 转向非湿地的类型主要为建设用地(1851.97 hm2), 其次为城镇用地(530.55 hm2)、农用地(395.4 hm2)与交通道路(279.55 hm2)。

图3 厦门湾海岸带农用地与典型湿地转移变化空间分布Fig. 3 Spatial distribution of arable land and typical wetlands conversion in coastal zone of Xiamen Bay

3.3.3 典型景观类型空间转移

以厦门湾海岸带农用地与典型滨海湿地为例, 揭示这两种景观类型转移变化的空间分布情况(图 3)。第 I时段农用地向城镇用地与建设用地的转化主要发生在厦门岛内的湖里区和岛外的集美区, 而向农村居民地的转化主要集中在岛外的翔安区与同安区; 湿地流转主要发生在西海域区域。第 II时段农用地向城镇用地与建设用地的转化在岛内集中于厦门岛东部区域, 在岛外则沿着厦漳泉高速公路向两侧辐散; 湿地的流转主要集中环同安湾区域。

图4 厦门湾景观水平上的景观格局指数Fig. 4 Landscape index of the landscape level in Xiamen Bay

3.4 景观格局响应过程

近 22年来厦门湾海岸带内的景观格局指数变化趋势一致, 第I时段各景观指数变化较为平缓, 而在第II时段变化剧烈。景观格局多样性指数(SHDI)与均匀度指数(SHEI)的不断增大, 表明景观构成要素多样, 景观格局在人为干扰下, 向着多样化方向发展; 破碎化指数(PD)由 1.887骤增至 6.258, 表明研究区内整个景观的破碎化程度正日益加深; 最大斑块指数(LPI)由32.439骤减至4.522, 表明优势景观类型控制力下降, 各景观类型的比例逐渐趋向均匀分布, 必然导致景观稳定性下降, 因而降低了景观抗干扰的能力; 蔓延度指数(CONTAG)不断下降, 表明厦门湾海岸带景观中不同斑块类型的聚集程度下降, 空间分布趋向分散, 景观的异质性增强; 景观形状指数(LSI)持续增大, 说明海岸带人类活动的加剧, 导致区域内景观形状的复杂程度增加; 散布与并列指数(IJI)数值不断增大,表明斑块类型之间的邻接性增强, 景观各类型之间的分布关系变得复杂, 也间接说明了区域景观格局的破碎化趋势。

4 小结

(1) 研究表明, 近22年来厦门湾海岸带景观格局发生了较大的变化。1989年研究区景观格局构成以农用地为主, 占总面积的 72.75%, 而至 2010年则下降到30.67%。于此同时, 城镇用地与建设用地所占比例从 1989年的 4.6%上升到 2010年的38.97%。

(2) 景观类型转化主要表现为农用地和典型滨海湿地向城镇用地与建设用地转化。第 I时段农用地净转出面积为13862.55 hm2, 滨海湿地转出面积为4268.82 hm2; 第II时段农用地转出达到20910.24 hm2,典型滨海则转出5931.64 hm2。

(3) 在景观水平尺度, 通过景观格局指数的测量反映出研究区的景观格局在人为干扰下, 向着多样化方向发展, 景观的异质性增强, 景观形状的复杂程度增加, 区域景观格局呈破碎化趋势。

(4) 厦门湾海岸带景观格局变化主导过程为快速城市化过程, 社会经济发展与政策调整是区域景观格局变化的主要驱动力。近22年来, 厦门市总人口由171万人增加到353万人, GDP由47.9亿元增加到2060.1亿元, 工业总产值由19.2亿元增加到865.9亿元[12]。特别是在2000年厦门市城市发展战略定位从海岛型迈向海湾型, 而在 2009年国家战略则定位为海峡西岸先行先试区, 城市化区域沿着交通干线呈带状扩展, 岛外传统的农业耕作区被蚕食, 景观格局变化具有明显的区域分异特征。

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Study on the spatial-temporal characters of landscape pattern changes in coastal zone of Xiamen Bay

PAN Xiang, SUN Yuanmin, WU Jian, CHEN Peng*
Third Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Xiamen 361005, China

In the present study, the coastal zone of Xiamen Bay was chosen as the study area and a spatial information database of land use was established, based on Landsat TM image (in 1989 and 1997) and SPOT5 images (in 2010) aided by the RS and GIS techniques. We quantified the spatial-temporal dynamic characteristics of land use in this area from 1989 to 2010, using the models of land use dynamic degree, transition matrix of land use types, and index method of landscape pattern as well. The results showed that the land use pattern of this area changed conspicuously during the study period. Farmland decreased continuously in large scale, decreasing from 72.75% to 30.67%, while the land for urban and construction use expanded rapidly, increasing from 4.6% to 38.97%. There was frequent conversion among different types of land use, and between land use and typical wetlands types. The conversion between land use types was mainly characterized by the conversion from farmland and typical wetland to urban and construction land use. Among them, the net transferred area of the farmland and typical wetland was 13862.55 and 4268.82 hectares respectively during 1989-1997. In the period of 1997 to 2010, the number arose to 20910.24 and 5931.64 hectares. Landscape pattern tended to diversify at landscape scale, meanwhile landscape heterogeneity increased, and the fragmentation degree deepened. Local socioeconomic development and readjustment of policies were the main driving forces for the dynamic changes of land use pattern.

Xiamen bay, coastal zone, landscape pattern, spatial-temporal changes

10.14108/j.cnki.1008-8873.2016.01.018

Q149

A

1008-8873(2016)01-117-07

2015-01-30;

2015-05-28

中国海监技术支撑体系项目(2200208); 厦门市科技计划项目(3502Z20062011)

潘翔(1989—), 男, 硕士, 助理工程师, 研究方向为海岛保护与利用, E-mail： panxiang@tio.org.cn

*通信作者：陈鹏(1973—), 男, 博士, 教授级高工, 研究方向为海岛海岸带资源环境综合评价, E-mail： chenpeng@gmail.com

潘翔, 孙元敏, 吴剑, 等. 厦门湾海岸带景观格局时空动态演变研究[J]. 生态科学, 2016, 35(1)： 117-123.

PAN Xiang, SUN Yuanmin, WU Jian, et al. Study on the spatial-temporal characters of landscape pattern changes in coastal zone of Xiamen Bay[J]. Ecological Science, 2016, 35(1)： 117-123.