甬台温海岸带景观格局及生态脆弱性时空演变特征

2020-04-15 09:33李伟芳寇相玮傅杰超
水土保持通报 2020年1期
关键词:海岸带脆弱性斑块

王 奇, 李伟芳, 寇相玮, 傅杰超, 胡 慧

(1.宁波大学 地理与空间信息技术系, 浙江 宁波 315211; 2.宁波大学 土木与环境工程学院, 浙江 宁波 315211)

人口的快速增长和社会经济的高速发展使得生态环境问题成为制约社会可持续发展的重要因素[1]。海岸带是海陆系统的过渡地带,人类活动最为活跃集中的地带,亦是典型的生态脆弱区[2],快速的开发建设需求改变了生态系统结构和服务功能,复杂的自然过程及人类活动威胁着人地关系的和谐[3]。在人类活动向海岸带扩张的同时,海岸带生态环境问题也日益严重[3-6]。因此在人类活动高强度利用的海岸带区域开展生态脆弱性研究有利于海岸带的可持续发展[7]。生态脆弱性研究由于具有地理学和生态学交叉学科的特殊性,也受到众多研究者的重视。当前学者对生态脆弱评价方法主要包括定量评价法[8]、模糊评价法[9]、生态脆弱性指数(EFI)法、综合指数评价法[10]等。卢远等[11]构建景观类型干扰度和区域生态脆弱度模型对左江流域的生态脆弱进行综合定量分析和评价;孙才志等[12]构建景观格局脆弱度指数借助空间自相关分析方法对下辽河平原空间景观格局进行探讨;任志远等[13]在银川盆地土地利用变化对景观格局脆弱度的影响做了分析。大多数学者对景观格局及生态脆弱性研究集中在江河流域、内陆等[14-15],对海岸带的景观格局脆弱度及生态脆弱性研究尚不多见,且部分学者在进行区域生态脆弱研究时仅构建了景观格局模型或者生态脆弱度模型进行分析,鲜有对两者的相关性方面作阐述[16-17]。本文在选取景观格局指数构建评价模型对研究区景观脆弱度和生态脆弱度进行评测时,分析了景观格局与生态脆弱性的相关性,以期为甬台温海岸带未来生态建设及修复提供理论支撑,促进海洋经济及区域可持续发展。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

宁波、台州和温州3个城市的沿海陆域简称甬台温海岸带,位于中国东南沿海,地处长江三角洲南端,浙江省东部,地形以平原和丘陵为主,地势西高东低,地理位置处于27°03′—30°33′N,120°23′—122°16′E之间。从研究的数据获取角度考虑,本文所研究的甬台温海岸带界定为沿海乡镇街道,共涉及3市,20个区(县),146个乡镇(街道),研究区面积共7 697.62 km2。其中自北向南将甬台温海岸带划分为杭州湾南岸—北仑港、象山港、三门港、椒江口—台州湾、乐青湾、瓯江口—温州湾6个海岸带区域,岸线总长度2 600.4 km。研究区经济活动强度大、土地利用集约度高、景观格局变化较复杂[7],对甬台温海岸带进行研究有利于海洋开发利用保护。

1.2 数据来源

本研究的数据来自地理国情监测云平台(http:∥www.dsac.cn/),基础数据为1995,2005,2015年浙江省3个时期Landsat TM/OLI遥感数据,空间分辨率为30 m,每期轨道号包括118-39,119-39,119-40,120-39及120-40,利用ENVI 5.0软件结合宁波、台州、温州市行政边界进行解译、校正、配准等,获得研究区各个时期内相关数据。由于研究对象和目的的差异性,结合甬台温海岸带实际情况,基于研究区自然环境和人类活动的影响将研究区土地景观类型划分为耕地、林地、草地、建设用地、水域、养殖用地、滩涂、未利用地这8种景观类型[18-19]。

2 研究方法

2.1 景观指数选取

景观指数能够高度概括景观格局的信息,反应其机构组成和空间配置某方面特征的定量指标[20]。在景观类型水平分析上选取斑块面积(CA)、斑块数量(NP)、斑块密度(PD)、最大斑块指数(LPI)、斑块形状指数(LSI)、边界密度(ED)和面积加权平均分维数(FRAC_AM) 7个指标;在景观水平分析上选取斑块数量(NP)、斑块密度(PD)、最大斑块指数(LPI)、蔓延度(CONTAG)、香农多样性指数(SHDI)、香农均匀度指数(SHEI)和聚集度(AI) 7个指标。各指数中计算方法、参数意义及详细说明可参阅相关文献及Fragstats用户指南[20]。

2.2 景观类型脆弱度评价指标

(1) 生态压力度评价指标。

(1)

(2)

式中:FRAC为分维度倒数,用来反映景观形状的复杂程度和景观空间稳定程度,其值越大表示受干扰程度越强; DIi为扰动指数,衡量人类活动对生态系统的影响,影响程度与距离存在递减关系。P为斑块周长(km);A为斑块面积(km2);Aij为景观i在第j个缓冲区的面积(km2);Wj为第j个缓冲区权重;Ai为景观i的总面积(km2)。下同。

(2) 生态敏感度评价指标。景观分离度(Fi)表征同一景观类型中斑块的分离程度,反映人类活动强度对景观结构的影响。分离度越高则景观类型越分散,稳定性越差,敏感度越高。景观破碎度(Ci)是用来度量斑块变化的过程,值越高抗外界干扰能力越差,生态敏感度越高。公式如下:

(3)

(4)

式中:Di为斑块分离度;Si为景观类型的面积指数;Ni为景观i的斑块数。下同。

(3) 生态恢复力评价指标。最大斑块指数(LPI)用来衡量景观优势度,值越大表示该类型景观抗外界干扰能力越强。斑块内聚力指数(COHESION)用来衡量景观连通性,在渗透阈值下,斑块内聚力对该类斑块聚集程度敏感性成正比,超过渗透阈值后斑块内聚力对斑块空间分布状况不再敏感,指数越大则生态系统越稳定,恢复力越强。公式如下:

(5)

(6)

式中:Pij为斑块ij的周长(km);aij为斑块面积(km2)。

2.3 生态环境脆弱度综合指数

生态脆弱性是压力度、敏感度、恢复力的函数,其值与敏感性和压力度成正比,与恢复力成反比,评价公式如下:

CVI=P×S/R

(7)

(8)

式中:CVI为景观类型的生态脆弱度指数;P为生态压力度;S为生态敏感度;R为生态恢复力; RVI为区域生态环境脆弱度指数;Ai为各生态系统类型面积(km2)。

为更为直观识别各期景观生态风险变化,结合研究区实况,运用ArcGIS基于几何间隔法对生态脆弱度进行分级,划分为5级脆弱区:一级脆弱区(EVI<0.017 8),二级脆弱区(0.017 8 EVI<0.032 9),三级脆弱区(0.032 9 EVI<0.079 3),四级脆弱区(0.079 3 EVI< 0.222 0),五级脆弱区(0.222 0 EVI)。

3 结果与分析

3.1 景观格局变化分析

结合Fragstats软件对研究区栅格图像进行处理,整理数据得到甬台温海岸带1995—2015年相关景观格局指标数据(表1—2),并通过ArcGIS软件将土地利用数据与研究区行政矢量数据叠加得到研究区1995—2015年三期土地利用景观类型图(见封3附图19)。

如封3附图19及表1—2所示,在研究期内,甬台温海岸带以耕地、林地为主要景观。但耕地斑块面积不断变少,与初期相比减少了374.08 km2,下降13.38%。林地虽整体占景观类型比最大,但也呈减少趋势,减少了245.89 km2,下降7.53%。建设用地增加了731.59 km2,2005—2015年间增加明显,与研究初期相比增加了175.20%。其中杭州湾南岸—北仑港海岸带自1995年到2015年围垦变多,耕地被大量占用,演变为建设用地等,景观类型变化最为明显。滩涂用地面积也呈逐年递减状态,20 a间其所占面积比重由5.62%下降到1.98%,总面积减少279.72 km2。其余用地变化较小。

景观类型上,甬台温海岸带的耕地、林地、滩涂、未利用地的斑块面积(CA)逐年减少,而耕地和林地的斑块数量(NP)在逐渐增加,说明耕地和林地的景观类型日趋破碎化;从斑块密度(PD)来看,耕地的斑块密度从0.105 4增加到0.137 0,水域斑块密度由0.049 3增加到0.063 3,说明其受到人类活动影响强烈,导致斑块密度不断增加;1995年最大斑块指数(LPI)最高的是耕地(指数值7.227 2),其次为林地指数值(6.109 6),2005年最大斑块指数仍为林地最多(指数值6.343 1),2015年最大斑块指数依旧最大为林地,其次为耕地;从边界密度(ED)来看,研究区耕地、草地、建设用地、水域景观类型的边界密度逐年增加,其中林地和养殖用地的边界密度先增后减但整体减少。由于建设用地的扩张占用了耕地,使其原先整片的耕地景观类型破碎化;耕地、林地、建设用地、水域的斑块形状指数(LSI)逐年增加,说明这4类景观类型的复杂程度在逐渐增加;从面积加权平均分维数(FRAC_AM)来看,建设用地、耕地、滩涂的变化最大,其受人类干扰程度大。

表1 1995-2015年甬台温海岸带景观类型格局指数

注:CA为斑块面积; NP为斑块数量; PD为斑块密度; LPI为最大斑块指数; LSI为斑块形状指数; ED为边界密度; FRAC_AM为面积加权平均分维数。下同。

表2 1995-2015年甬台温海岸带景观水平格局指数

注:CONTAG为蔓延度; SHDI为香农多样性指数; SHEI为香农均匀度指数; AI为聚集度。

景观水平上,1995—2015期间,研究区景观斑块数(NP)增加了13.09%,斑块密度(PD)增加了6.99%,表明甬台温海岸带景观整体趋于破碎。最大斑块指数(LPI)减少了17.32%,整体优势度在降低,人类活动对研究区干扰和影响逐渐加剧;整体景观蔓延度(CONTAG)下降了7.54%,说明研究区的优势斑块类型蔓延度降低,连通性变弱,聚集度逐渐下降进而导致破碎度增加;香农指数(SHDI)和香农均匀度指数(SHEI)呈上升趋势,分别增加了0.156 3,0.075 1;聚集度(AI)虽整体呈下降趋势,但也接近100,说明研究区整体聚集度较好。综上来看,人类活动、经济发展、城镇扩张对甬台温海岸带产生了一定影响,对海岸带生态环境带来威胁影响其稳定性,使其逐渐复杂化、破碎化和分散化。

3.2 景观类型脆弱度演变分析

由景观脆弱度公式〔公式(1)—(7)〕计算得到研究区景观脆弱度(见表3)。可见1995年甬台温海岸带景观类型脆弱度的高低依次为:草地>滩涂>耕地>建设用地>水域>林地>养殖用地>未利用地;2005年依次为:耕地>建设用地>水域>林地>滩涂>养殖用地>未利用地>草地;2015年依次为:耕地>养殖用地>建设用地>水域>林地>草地>未利用地>滩涂。研究期内甬台温海岸带的耕地景观类型脆弱度虽逐年递减但整体处于较高水平,特别是在2005年(指数值0.088 1)和2015年(指数值0.053 7)为最高。林地景观脆弱度先增后减,基本处于中间水平,说明人类活动对其影响较小。草地景观类型脆弱度在1995年最大值为0.179 3,2005年骤降为0.005 4,2015年又上升到0.007 7,说明草地景观的稳定性先增强后减弱。建设用地景观脆弱度逐年递减,敏感性较弱,与人类的经济活动、城镇扩张密切相关。水域景观类型脆弱度先升后降,最终值比初始值还低,说明其恢复力较好。养殖用地脆弱度虽是先减少后增加,但其在同年对比中是逐渐增加的,侧面反映研究区内人类活动对养殖用地的影响程度愈发严重,敏感性增强,恢复力下降。滩涂作为海岸带独有景观,其脆弱度整体呈降低趋势,但人类活动对滩涂扰动指数始终较高,随着海岸带滩涂的有效保护和利用,其恢复力逐渐升高,脆弱性逐渐降低。未利用地景观脆弱度变化不大。

表3 1995-2015甬台温海岸带景观类型脆弱度指数

3.3 生态脆弱性时空演变分析

根据研究区景观格局指数等数据,由公式(9)计算得到甬台温海岸带各区(县)的生态脆弱度指数(见图1),并依靠ArcGIS软件生成甬台温海岸带生态脆弱度分布(见封3附图20)。生态环境脆弱度反映生态环境脆弱性,即区域环境越差,其环境系统稳定性越差,脆弱度越强[21]。由图1可知,余姚市始终是生态脆弱度最高区域;宁波北仑区、宁海县海岸带,台州玉环市海岸带,温州洞头区、苍南县海岸带生态脆弱性先低后升高;整个研究区中唯有宁波鄞州区海岸带生态脆弱性逐年持续升高,鄞州区作为宁波市经济活动中心,其海岸带的开发建设对土地景观影响较大,在城市化建设发展中受人类活动影响较强烈,使其区域生态敏感性增强、恢复力降低、不稳定性增强;宁波市镇海区、慈溪市、余姚市、象山县海岸带,台州椒江区、温岭市、三门县海岸带,温州龙湾区、瑞安市、乐清市、平阳县海岸带生态脆弱性持续走低;宁波市奉化区海岸带,台州路桥区、临海市海岸带生态脆弱性皆为先高后低,1995—2005年人类对海岸带的开发尚处于探索性阶段,开发较少,使得海岸带土地利用景观有所变化,但其敏感性较强,区域稳定性偏弱,生态脆弱性不断增强。2005—2015,随着城镇化不断加快,海岸带土地利用景观趋于稳定,景观脆弱性较强的景观类型增多,生态脆弱性随之降低。

研究区的生态脆弱性程度变化反映了人类活动对该地区的影响及干扰程度,人类活动是致使景观破碎化的重要影响因素[22]。从生态脆弱区面积变化(见图2)和生态脆弱度分布(见封3附图20)可知,1995年研究区的脆弱等级分异显著,以二级和三级脆弱区为主,其中高生态脆弱区域的四级和五级脆弱区面积为1 194.41 km2,比例为15.52%,脆弱度较低的一、二等级脆弱区面积比例为66.32%,说明整体甬台温海岸带生态环境较为良好;2005年甬台温海岸带生态脆弱等级主要集中在二级脆弱区,一、二等级脆弱区比例为78.78%。高等级脆弱区仍分布于杭州湾南岸地区,但相比于1995年已有部分等级降低,研究区南部大部分转为二级脆弱区,生态环境好转;2015年研究区脆弱等级较为分散,南部湾区脆弱性整体增强,大部分转为三级脆弱区,高生态脆弱区面积比例上升到了24.25%,一、二等级比例则下降到53.32%。

图2 1995-2015年甬台温海岸带生态脆弱区面积变化

3.4 景观格局与生态脆弱度指数相关分析

为深入了解景观格局与生态环境脆弱性的内在联系。基于SPSS软件计算皮尔逊相关系数,分析脆弱度模型中各景观格局指数之间,以及与各脆弱综合指数之间相关性(见表4—6)。综合3期的相关性分析结果可以看出,区域生态脆弱度与扰动指数、破碎度呈显著正相关关系,和景观脆弱性完全相关;分维度倒数和优势度、连通性均存在显著正相关关系;扰动指数与分离度呈显著正相关关系;优势度和连通度呈显著正相关关系;破碎度和优势度、连通性呈显著负相关关系;其余指标间相关性关系较弱。由分析结果可看出,景观类型脆弱度与区域生态脆弱度完全相关,分维度倒数与破碎度关联度较大。分维数倒数指数表示人类活动对景观类型的干扰程度,近年来人类活动对甬台温海岸带的干扰愈发强烈,在一定程度上导致区域景观破碎化愈发严重。

表4 1995年生态脆弱性指数与景观特征指数相关性分析

表5 2005年生态脆弱性指数与景观特征指数相关性分析

表6 2015年生态脆弱性指数与景观特征指数相关性分析

注:**表示在 0.01 水平(双侧)上显著相关;*表示在 0.05 水平(双侧)上显著相关。

4 结 论

(1) 景观格局空间分析表明,随着研究区的开发利用以及人口、社会经济的高速发展,导致人类活动对甬台温海岸带景观干扰强烈,其中对耕地、林地、建设用地、滩涂影响较大。20 a间耕地面积减少最多,为374.08 km2;其次为滩涂和林地,面积分别减少了279.73,245.89 km2;养殖用地和未利用地面积变化不大,分别减少了23.55, 12.55 km2;建设用地面积增加最多,为731.59 km2;其次为水域面积,增加了160.34 km2;草地面积增加了43.87 km2。在景观类型上,耕地、林地虽然面积减少但斑块数量增多,两种景观呈破碎化趋势。景观水平上,研究区景观斑块数和密度均增加,整体蔓延度降低、优势度在下降,研究区呈现出复杂、破碎、分散的趋势。

(2) 景观脆弱度及区域生态脆弱度研究结果表明,研究期内人类活动对耕地影响最大,其景观脆弱度最高;建设用地、林地景观、养殖用地脆弱度也上升,受到干扰较强烈。宁波鄞州区海岸带生态脆弱性逐年升高,其海岸带的开发建设对土地景观影响较大,城市建设发展和人类活动对其影响较强烈;杭州湾南岸始终是高脆弱区聚集区域。甬台温海岸带整体成体脆弱性在20 a间变化明显,1995年一级脆弱区4个,四级、五级脆弱区共5个,大部分地区处于中级水平,分布较均衡;2005年一级脆弱区仅有玉环市,五极脆弱区包含余姚市和路桥区,其余大部分处在二级脆弱区,生态脆弱性有所降低;2015年余姚市、慈溪市、路桥区为最高生态脆弱区,二级脆弱区逐渐向三级转移,研究区生态脆弱性不断升高,表明海岸带的开发在不断增强。

(3) 相关性分析得出,区域生态脆弱度与扰动指数、破碎度呈显著正相关,和景观脆弱度指数完全相关(相关指数接近于1);分维度倒数和优势度、连通性存在正相关关系;扰动指数与分离度显著正相关;优势度与连通性呈显著正相关关系;破碎度与优势度、连通性呈显著负相关关系;其余指标间相关性较弱。

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