海口市海岸带生态网络演变趋势

曹珍秀,孙 月,谢跟踪,邱彭华

海南师范大学地理与环境科学学院, 海口 571158

海岸带的概念一般是指海洋和陆地相互交接和相互作用的地带[1- 2]。海岸带的划分归结为两种:狭义的海岸带限于海岸线附近较窄的、狭长的沿岸陆地和近岸水域；广义的海岸带指管理意义上的海岸带,它向海洋扩大到沿海国家海上管辖权的外界[1]。海岸带是海陆交互过渡地带,它是海洋和陆地之间相互作用较为复杂敏感的地带,同时海岸带区域丰富的自然资源、优越的地理位置以及宜人的生活环境,使其成为经济最发达、人口最密集的区域[2]。

人类经济活动对自然资源的过度开发利用,对海岸带生态系统正常结构与功能产生干扰,引发生态系统改变甚至退化[1]。生态网络的构建和优化是目前国内外针对生态保护和修复研究的热点,最早起源于欧美,典型代表为波士顿公园系统,现如今欧美地区生态网络的研究更侧重于保护生物多样性,突出构建切合环境的网络系统[3]。Mathilde等通过研究结构对于系统动力学的重要性,强调网络在澄清生态系统特性和功能方面的重要贡献[4]；Andrea等人指出,通过构建一个网络分析方法,比较意大利萨萨里和努奥罗网络补丁的大小以此证明网络分析对于发现不同生态系统的异同有着重要意义[5]；Brian等人在研究生态网络时,结合使用平均路径长度、Finn循环指数、平均营养水平、Herbivory比率、关键度、结构信息和基于流量的信息指数等七个指标以对生态系统及环境状况进行一级评估[6]；Jean在研究生态网络时指出生态网络是依赖景观连通性的生态修复工具,论述了景观图在研究生态网络过程中所起到的作用及必要性[7]。虽然我国生态网络较国外起步晚,但近年来,国内不少学者针对国家、城市、区域进行了多方位的生态网络研究。卿凤婷等人基于GIS和RS技术,以北京市顺义区为研究对象,利用最小路径法模拟绿地、水系、道路等多类型生态网络,构建自然-经济相耦合的复合生态网络[8]；吴晶晶等以黄河三角洲天然湿地为研究对象,采用最小成本路径方法构建了研究区生态网络模型,以此探讨水系阻力对研究区生态网络的影响[9]；陈竹安等基于形态学空间格局分析方法和景观指数法提取生态源地,利用MCR模型法构建综合阻力面,通过最小成本路径方法生成余江县的潜在廊道并对其进行分析[10]；史娜娜等在生态学及保护生物学理论的基础上,辨识生态源地以及构建生态阻力面,结合最小累积阻力模型对青海省保护地的潜在生态廊道做出了研究[11]；张蕾等以营口市为研究区,运用适宜性评价法结合最小累积阻力模型判定生态廊道,从而构建出研究区的生态安全格局[12]；常青等人基于GIS技术,整合生态连通性评价和斑块-走廊-基质模型,以深圳市龙岗区为研究对象提出绿色基础设施网络规划,以探讨研究区土地利用规划[13]。同时,针对海口市海岸带的生态现状,不少学者对海岸带土地时空变化及其驱动力也做出了相关的研究。邱彭华等以多年平均高潮线向陆一侧延伸2km的陆域部分作为研究范围,分析和评价了海南岛海岸带土地利用状况及问题[14]；王德智等对南渡江东岸地区海岸带土地利用时空格局变化做出了研究[15]；罗丹等人基于3S技术的海口市东郊(海岸带)土地利用变化及其驱动力进行了分析[16]。从已有的研究来看,构建合理的景观生态网络对海口市海岸带的可持续发展刻不容缓。但海口市海岸带生态网络的构建仍然存在两大问题,其一是前人对海口市海岸带这一敏感地区生态网络的研究较少,导致海岸带生态网络的构建和优化缺乏历史经验；其二是传统研究关于生态网络的构建仅针对某一具体时期,不能全面客观地反映生态网络动态变化的复杂性。

本文在传统研究的基础上,以景观生态学中最基本的“斑块-廊道-基质”模式为基础,采用多时相的研究方法,利用海口市海岸带1988年、2000年、2009年和2017年4期土地利用数据,结合GIS技术手段,基于最小累积阻力距离法构建多时相视角下海口市海岸带复合性生态网络模型,并采用重力模型、中心度指数对其进行综合性对比分析和评价,以此探讨近30年来海口市海岸带生态网络演变形式,为海口市海岸带多功能、多层次生态网络的优化和落实提供依据,亦为新时代背景下江东新区在追求贸易经济发展的同时生态环境该如何立足提供了理性的思考；其次本文在时间变化的尺度上研究生态网络,构建多期网络模型,以更加直观的视角分析生态网络,将生态问题联合区域发展进行综合考虑,为生态网络的研究方法开辟一个新的思路。

2 数据与研究方法

2.1 研究区概况

图1 研究区区位图Fig.1 Study area location map

研究区海岸线东起澄迈湾,西至铺前镇,北临南渡江入海口处,南达绕城高速和海文高速,海岸带研究范围分为陆域部分和海域部分,陆域部分为自海口市海岸线向陆延伸至海南环线高速路的滨海陆地,海域部分由南渡江、东寨港两大水域及河流、坑塘洼面等生态系统组成(见图1区位图)。地理位置处于20°0′3.93″N—19°57′49.07″N,110°7′34.53″E—110°37′5.96″E之间,海岸线长131km(含岛屿、港湾)。绝大部分区域属于海口市中心城区范围,人口压力大,道路密度高。此外,海口市海岸带拥有丰富的旅游资源,在旅游开发的同时,由旅游业带动的房地产行业也得到蓬勃发展,建设用地的扩展趋势非常强烈[17]。海口市海岸带的过度开发趋势明显,土地利用结构变化剧烈,导致当地生态系统服务功能发生明显的改变。

2.2 研究数据来源与预处理

运用ArcGIS软件进行投影、坐标系同一化处理,实现1988年(海南建省)、2000年、2009年和2017年4期影像的空间配置,用裁剪工具确保4期影像的区域范围的统一性。本文利用海口市海岸带1988、2000、2009和2017年4期遥感数据,根据海口市海岸带土地利用特点,以及本文研究的主要内容,结合研究区遥感影像特点,并参照参考《土地利用现状分类》(GB/T 21010—2007)标准、城市旅游地景观分类方法、乡村景观分类方法将研究区的景观进行重新分类[18],将海岸带景观类型划分为：建设用地、园林地、耕地、湿地、水域、未利用地。

2.3 研究方法

2.3.1最小累积阻力模型

最小费用路径法是生态廊道构建的常用方法,可以确定源和目标之间的最小消耗路径及物种迁移扩散的最佳路径[19]。基于最小费用路径法构建生态廊道的原理是最小累积阻力模型,最小累积阻力模型是耗费距离模型的一个衍生应用,是计算物种从源地运动到目的地的过程中耗费最小代价路径的模型(Least-cost path, LCP)[19-21]。它最早由Knaapen于1992年提出[22],俞孔坚将地理信息系统中的费用距离融入该模型,基于图论的原理以此识别和选取生态功能节点之间的最小耗费成本[21,23]。最小累积阻力值反映了物种运动的潜在可能性及趋势,通过单元最小累积阻力的大小可判断该单元与源单元的“连通性”和“相似性”,通常源斑块对于生态过程是最适宜的,因此通过“连通性”和“相似性”的横向比对,就可划分出土地的生态适宜性[24]。最小累积阻力模型的关键是成本费用面和生态源地的确定。

2.3.2综合阻力模型

综合阻力是指物种在不同景观单元之间迁移的难易程度,一般斑块生境适宜性越高,物种迁移的综合阻力越小[8,25]。景观类型、人为因素干扰、地形空间要素(高程、坡度等)均影响斑块的综合阻力。本研究以景观阻力和人为干扰作为成本值的影响因子,根据生态系统服务价值强度来确定景观阻力的大小,以距离建设用地远近代表人为干扰因素大小。各景观类型生态系统服务价值参考Costanza等、陈仲新等的研究[26-27],结合谢高地的利用意愿价值调查评估法根据中国实际情况对生态系统服务价值进行调整,建立的中国不同陆地生态系统单位面积生态服务价值[25]。参考前人得到的阻力系数,根据各景观类型生态系统服务价值的相对差异并结合研究区土地整治现状,对区域不同土地利用类型的景观阻力进行赋值。规定建设用地单位面积生态服务功能最低,阻力最大,规定阻力值设为100,其他景观类型阻力值的范围划定在0—100之间,见表1[25]。人为干扰因素值的确定方法是利用欧几里得距离法将数据进行重分类以表示人为干扰程度,见表2[28]。

表1 景观类型阻力值

表2 人类干扰因素费用设置表

2.3.3重力模型

生态廊道是两个生态斑块之间的连接通道,其有效性和重要性可用生态斑块之间的相互作用力大小进行度量[21]。在已构建的生态网络基础上,基于重力模型计算出各个斑块两两之间的相互作用力,定量评价每条廊道建设的相对重要程度,以此判定廊道的相对重要性[21,29-31]。重力模型公式如下：

式中,Gab用来来表示斑块a和斑块b之间的相互作用力;Na和Nb分别斑块a和斑块b的权重值;Dab为斑块a和斑块b之间潜在廊道阻力标准化值;Pa为斑块a的阻力值;Sa为斑块a的面积;Lab为源地a到b之间的廊道累积阻力值;Lmax为研究区中全部廊道阻力的最大值[29-31]。

2.4 生态源地与生态节点的确定

2.4.1生态源地的选取

生态网络规划的实践以保护生物多样性为主要目标,生境斑块的面积越大,植被质量越好,对陆生物种生存越有利[28,32-33]。生态节点的选取范围必须为生态系统服务功能价值高,并且具有足够面积的一定规模的生态斑块,相关研究中常见的有：河流湖泊、公园、绿地、园地、林地、自然风景区等[34]。结合海口市海岸带综合景观特点以及各景观类型的分布特征,选择较大空间规模生态系统服务价值和斑块密度均较高的水域、园林地景观斑块作为研究区域的生态源地。本文研究的空间尺度为102km2级的海口市海岸带,基于研究区景观格局矢量数据以及生态源地的选取原则,将景观分类图与海口市自然保护区分布图等图件叠置,参照其他相关研究[35-37],选择东寨港红树林自然保护区、南渡江作为核心生态功能斑块,其他1km2以上的园林地和湿地作为重要生态功能斑块,总面积分别为92.4、78.4、76.7、73.8km2,占研究区面积的比例分别为13.7%、11.6%、11.4%和10.6%。4个时相生态用地如图2所示。

2.4.2生态节点的形成

根据生态源地的面积及其位置,合理将大型生境斑块划分为多个小部分。将所选取的生态斑块抽象为点,设定为海口市海岸带生态网络构建中的节点。随着研究尺度的增大,重要生态功能斑块选取的最小标准基本呈同比增长[38]。研究区生态节点如图3所示。

2.5 成本费用面

综合阻力在空间距离上的累积,就可以得到经过源到达目标所要消耗的成本费用。本文通过计算研究区内各点与核心斑块之间的最小成本费用,构建成本费用面,通过对成本费用的空间分布及数学统计,可以对各景观与核心斑块的连接度进行评价分析[28,38]。成本费用的计算公式如下：

图2 研究区园林地、湿地分布图Fig.2 Map of landscape and wetland in study area

图3 研究区生态节点分布图 Fig.3 Distribution map of ecological nodes in study area

式中,fmin表示所求的是所有源到景观i的最小阻力值,Dij表示从源j到景观单元i的空间距离,Ri表示景观单元i的阻力值,当Ri为常量1时,所求结果为景观单元i离其最近的源的距离。MCR表示源在扩散时的难易程度。

费用成本面的计算在ArcGIS内完成,利用ArcGIS软件中的栅格计算器将人类活动干扰费用与景观类型阻力费用进行叠加计算[28],得到海口市海岸带地区4个时期的综合成本面。结果如图4所示。

海口市海岸带综合阻力1988年至2017年变化极大且总体上都有明显的“西高东低”的特点。与1988年相比,2000年、2009年、2017年综合费用成本值有逐步提高的趋势,高成本值是生态网络构建的极大阻碍因素。1988年西海岸带是海口市城市化进程最快的区域,城市化扩张明显,经济迅猛发展,大规模建筑用地和道路的存在使区域综合阻力显著增加；东海岸因有大面积耕地、湿地存在,整体综合阻力值较小,综合阻力值较大区域位于各乡镇建成区。2017年,海口市海岸带被大量的建设用地覆盖,园林地和耕地高度破碎化,费用成本值明显增大。

2.6 潜在生态廊道构建

从空间结构的角度来看,生态网络主要是由纵横交错的生态廊道以及生态斑块构成的体系结构,而生态廊道在其中则可以起到提高生态系统基本空间格局整体性、提高生态系统内部关联性的作用[34]。基于成本消费面和提取的生态源地,生成重要生态功能斑块中两两之间的生态廊道,得到研究区最小生态功能耗费梯度数据,而后确定最小累积耗费方向和路径[38-39]。对生成的耗费网络设置多个阈值,提取最小耗费生态功能网络,剔除其中经过同一斑块的冗余廊道,最后生成的即为重要功能斑块之间的最优路径,形成由多条潜在廊道组成的生态网络[8,39]。得到的结果如图5。

图4 费用成本面Fig.4 Cost surface

图5 研究区生态网络图Fig.5 Ecological Network Diagram of the study area

3 生态网络的评价与分析

3.1 生态源地变化分析

乡镇园林、城市绿地、海域湿地和自然保护区是研究区生态网络的主要优势类型。在城市化进程的驱动下,海口市海岸带适宜生物生存栖息的大型生态单元斑块数量自1988年至2017年明显减少,主要表现为园林地斑块遭到严重破坏。西海岸因城市扩张出现大量的生态用地向建设用地的转变,区域内大型生境斑块割裂成不连续的小斑块。东海岸地区在《海口市城市总体规划(2005—2020年)》的政策指导下,形成江东组团,公路大桥、开发区、酒店房地产业、名优品牌工业等的兴起造成生态源地大面积丢失。

3.2 重力模型结果分析

经过重力模型计算可得4个时期斑块间相互作用力矩阵,得到表3、表4、表5和表6。

表3 基于重力模型构建的斑块间相互作用矩阵(1988年)

表4 基于重力模型构建的斑块间相互作用矩阵(2000年)

表5 基于重力模型构建的斑块间相互作用矩阵(2009年)

表6 基于重力模型构建的斑块间相互作用矩阵(2017年)

为提取出相对重要的生态廊道,将斑块间的相互作用力值进行从大到小排序,以引力值等于10为界,将生态廊道分为两类,根据矩阵结果和研究区实际,提取相互作用强度大于10的廊道提取出来作为核心廊道[38]。结果表明,1988年生态廊道共43条,19条为核心通道,其他24条生态廊道为重要补充；2000年生态廊道共28条,15条为核心通道,其他13条生态廊道为重要补充；2009年生态廊道共23条,12条为核心通道,其他11条生态廊道为重要补充；2017年生态廊道共15条,9条为核心通道,其他6条生态廊道为重要补充。通过对比4个时期的重力模型可得知,对于相同的两个斑块,斑块间相互作用力明显表现为2017年低于2009年,2009年低于2000年,2000年低于1988年,各斑块间相互作用力呈减弱势态。主要原因是研究区整体费用成本值增大、生态源地自身面积缩减。例如,源地6和源地7之间的引力值一直最大,1988年为1013,2000年为843.6,2009年为751.2,2017年为640.31。两源地斑块同为海口三江红树林国家湿地公园片区,相隔较近,同时斑块面积相对较大,因此物种在迁移时阻力最小,该廊道相对较为重要,物种信息交流较为容易。两个生态网络中,相互作用力的最小值小于1,例如源地9和源地10,两源地斑块分别为红树林和永庄水库,两者面积较小相隔较远,因此相互作用力不大。

3.2 斑块中心度指数分析

斑块间的相互作用强度反映了斑块之间的相互作用影响,表明了斑块在网络结构中的重要程度,利用所得到的重力模型构建的斑块间相互作用矩阵计算斑块中心度指数,以此为生境斑块划分不同的等级,为生态源点的保护提供数据。斑块中心度指数是以景观中心度为原型[40]。结果如表7。

表7 4个时相视角下的斑块中心度指数

统计每个斑块与其余斑块之间生态廊道相互作用强度,依据中心度指数划分斑块等级,将中心度指数大于100划分为一级斑块,中心度指数大于30划分为二级斑块,中心度指数大于10划分为三级斑块,其他划分为四级斑块。结果显示,1988年一、二、三、四级生态斑块数分别为3,1,3,11,2000年一、二、三、四级生态斑块数分别为3,1,2,9,2009年一、二、三、四级生态斑块数分别为3,1,2,7,2017年一、二、三、四级生态斑块数分别为3,1,2,4。4个时期的一级生态斑块没有发生变化,位于东寨港国家自然保护区一带,也是生态网络中的核心生态节点,与其他斑块的相互作用强度较大。四级生态斑块减少最为明显,这些斑块通常规模较小或与其他斑块距离相对较远,是维系景观生态网络连通性和稳定性的重要补充,多分布在城市周边、城镇区内,导致该现象的主要原因是城市化进程驱动下的城镇建设、城市扩张、公路大桥的修建占用了大面积的园林地。由表7可知, 2017部分斑块中心度指数出现高于往年的情况,主要原因是2017年较于往年其四级斑块大量缺失,留下的生态斑块为面积较大且距离相近的优质源地,斑块间相互作用力平均水平较高。

3.3 生态廊道分析

1988年生态廊道共43条,其中核心廊道占19条,多数分布在南渡江以东,各廊道较短,在斑块11(昌后村)附近廊道交叉现象较为明显,内部景观连通性较强且复杂；2000年生态廊道共28条,其中核心廊道占15条,核心廊道基本都位于东海岸,生态廊道数目较1988年减少,但在一定程度上仍保持有较好的景观连通性；2009年生态廊道共23条,其中核心廊道占12条,核心廊道存在于南渡江水域与东寨港自然保护区之间,生态廊道与2000年相比变化较小,生态破坏程度较低；2017年生态廊道共15条,其中核心廊道占9条,建成区内无完整的大型生境斑块,西部廊道数量少,空间上较为分散,景观连通性较差(图6)。1988—2017年,生态廊道数目呈阶梯式递减,主要表现为基础廊道的大量减少,原因是基础廊道多经过城市、建设用地以及乡镇园林地等人类活动较强的区域,对廊道的连通性有较强的阻隔作用,生态连接作用较弱城市化进程伴随下的城镇建设、城市扩张极易使其受到影响甚至缺失。而重要生态廊道多分布于南渡江、东寨港水域和特殊利用区等人类活动较少的区域,源地保留性强,周边成本费用值普遍较低,生态连接功能得到较好的实现,网络中生物、信息、能量流传递作用较好,在生态网络中地位较稳固。

图6 研究区重要廊道及踏脚石Fig.6 Important corridors and stepping stones of the study area

参照过去30年的发展变化趋势可知,引起生态网络发生改变的根本原因是生态源地数量上的锐减,其中一级斑块源地为南渡江水域、东寨港水域以及三江红树林自然保护区,这在未来发展趋势中不会发生大的改变,其他类型源地多表现为大面积的优质园林地,但面积逐年缩减,依照此趋势,四级斑块与三级斑块的存在将面临极大挑战,源地的进一步缺失势必会破坏目前脆弱的网络结构；从廊道角度分析,海口市海岸带地区生态廊道规模前景堪忧,基础廊道将随着源地的减少而缺失,核心廊道只存在于南渡江和三江红树林两大湿地之间,如不加以政策上的保护,江东新区的建设与发展势必对其造成负面影响。

3.4 踏脚石斑块

在构建海口市景观生态网络时,选取了面积大的斑块作为“源”,但有些面积较小的踏脚石斑块也同样重要。踏脚石斑块在物种迁移方面起到重要的作用,踏脚石斑块可以为物种提供一个逃生场所。受人为影响程度小,可以在物种扩散的过程中为物种提供一个暂时的栖息地,可以为那些容易在较小面积斑块生活的物种提供适宜的生活环境[36]。

根据最新生态网络模型分析,结合生态网络上源地的空间分布特征、廊道的交汇点,规划确定了5个踏脚石斑块(图6),大多分布在湿地公园、水库以及乡镇大型园林地,例如桂林洋国家热带农业公园在南渡江湿地和三江红树林湿地公园之间起到了很好的连接作用,在物种迁移过程中为物种提供了良好的栖息地。在城市化建设过程中应注意保护湿地斑块和园林地斑块,在保证踏脚石规模和质量的同时,考虑可将其发展成为新的生态源地。

4 结论与讨论

(1)不同生态斑块的相互作用强度差异显著,在生态网络中扮演的角色各不相同。例如斑块5(南渡江)是各时期网络的中心节点,南渡江西部各源斑块与东部源斑块之间的景观物质能量交换需要经过斑块5作为中转枢纽来完成；斑块7(东寨港水域)为网络的核心节点,与其他斑块连通性均较强,表现出较好的核心性,在整个网络中起着主导和支配作用。大型生境斑块作为重要的物种源地和栖息地,在物种的迁移和扩散中起着重要作用,应进行重点性严格保护和建设。

(2)四级斑块的大量减少是研究区生态功能弱化、生态网络趋于简化的主要原因。例如海文高速的修建造成的斑块11(昌后村)的缺失间接影响东海岸地区生态廊道数量,生态网络由1988年的方格状变为2017年的树状。扩大斑块面积,提高斑块质量,保证生态斑块的连续性和完整性,对加强生态景观之间的连接,促进区域物种的迁移和交流至关重要。

(3)以斑块5(南渡江)和斑块7(东寨港)为中心形成的环状区域是生态网络的核心区,核心区内植被生态价值高,成本费用小,有利于物种在斑块间的迁移活动。两斑块之间的廊道是连接核心区的关键性廊道,1988年到2017年两斑块的引力值从19.6减小至8.25,廊道质量明显变差。斑块之间相互作用强的生态廊道在生态网络中的地位突出,对生物物种的丰富度、迁移与扩散等起着重要作用,因此必须加以严格控制与保护,而斑块之间相互作用弱的廊道成本阻力值大,生境适宜性低,因此必须在未来的生态网络建设中加以改善。

(4)踏脚石斑块处在生态网络的节点上,在生态网络的构建中起着重要的连接作用,生态功能较强,多分布在湿地、水库、内河、园林地,需要重点保护和建设。研究区内许多斑块例如美舍河、桂林洋国家热带农业公园在生态网络中起着“踏脚石”的作用,发挥了重要的功能。增加踏脚石的数量以及减少踏脚石之间的距离可以提高物种的迁移成功率。