长白山跨国界地区土地退化与生态环境效应评价

甘雪刚，南 颖，孙耀航，朴鹂辰

(延边大学 地理与海洋科学学院，吉林 延吉 133002)

土地退化是指在长时间的社会进程中，土地由于受人类和自然的单一或共同的扰动破坏影响，其内部原有的结构、性状、质量发生改变，导致土地本身所具有的正常出产效能局部减弱或总体耗尽的过程[1-3]。在该研究中，土地退化主要是指由于城市土地扩展、耕地增长而带来的自然栖息地(林地、草地、水体)损失，主要表现为林地、草地和湿地等生态用地转化为城市土地和耕地[4]。由于人类活动和气候变化，加之经济的飞速发展，土地退化已经成为全球性的重大生态问题之一，是影响人类及其他生命形式福祉的核心要素之一[5-10]。根据联合国粮农组织发布的研究报告显示，全球已有超过30%的土地正在或者已经发生退化[11]。这种土地退化过程已经对全球32亿人的福祉产生了负面影响，已经成为引发地区冲突、大规模人口迁徙和疾病冲突的重要原因，同时也威胁到粮食安全、用水安全和生物多样性保护[12]。从全球来看，亚洲和非洲地区土地退化最为严重，亚洲有超过70%的土地发生退化，其中35%的农业用地正在遭受荒漠化的影响[13]，严重阻碍着社会经济的可持续发展。因此，及时有效地揭示土地退化过程并分析土地退化过程的生态环境效应，是分析人类活动所产生的环境效应、推进区域可持续发展的重要基础。

长白山跨国界地区地处中国、朝鲜和俄罗斯3国交界处，动植物资源丰富，生物多样性价值巨大，是“一带一路”倡议中“中蒙朝俄”国际大通道的重要组成部分和国家重点开发开放地区，也是国家重点生态区和水源涵养保护区，更是东北亚区域协同发展的前沿地区[14-15]。近年来，随着中国、朝鲜、俄罗斯人口流动和贸易往来，城市土地不断扩张；同时作为重要的土地资源，耕地也呈现出明显的增长过程。特别是在朝鲜一侧，为解决朝鲜严峻的粮食问题，耕地呈现持续增长趋势。以城市土地扩展和耕地扩展为主要形式的土地退化过程，占用了大量自然栖息地，造成了较为严重的生态和环境问题[16]。因此，及时有效地评价长白山跨国界地区土地退化过程及其生态环境效应，可为该地区可持续发展提供参考和借鉴[17-18]。

目前，已有研究者在长白山跨国界地区开展了土地利用变化及其生态环境效应等相关研究，例如董禹麟等[19]分析了1990—2015年朝鲜土地覆被变化过程及驱动因素，发现人为因素是朝鲜土地覆被变化的主要原因。Tao等[20]量化了长白山跨国界地区1977—2015年的森林景观时空变化过程及其驱动因素，并评价了森林动态对生境质量的影响。Yang等[21-22]基于共享社会经济路径(Shared Socioeconomic Pathways，SSPs)和LUSD-urban(Land Use Scenario Dynamics-urban)模型模拟并预测了长白山跨国界地区2015—2050年的城市扩展过程，并在此基础上评价了长白山跨国界地区城市扩张对自然栖息地的直接和间接影响。Nan等[23]分析了图们江跨国界地区2016年的土地利用/覆盖空间格局及其驱动力，并在3个国家进行了对比分析。综合来看，该地区的相关研究还存在以下不足：1) 没有从土地退化的角度来评价该地区的生态环境质量；2) 多数研究侧重于中国一侧，对朝鲜和俄罗斯一侧的研究较少。

因此，该研究的目的是基于1992—2018年4期土地利用数据，从土地退化的角度评估土地退化过程对生境质量的影响。1) 利用土地利用动态度模型和转移矩阵，分析1992—2018年的土地退化过程；2) 利用InVEST模型量化生境质量，分析生境质量的时空变化情况；3) 根据分析结果评估土地退化过程对生境质量的影响，进而分析土地退化的生态环境效应。该研究能够为区域土地资源的保护与合理利用提供科学依据。

1 研究区概况

长白山跨国界地区位于中国的东北部地区(39°27′N～44°51′N，123°38′E～132°47′E)，包括中国一侧的丹东市、通化市、白山市、延边朝鲜族自治州、本溪市；朝鲜一侧的平安北道、慈江道、两江道和咸镜北道；俄罗斯一侧的海参崴(符拉迪沃斯托克)、阿尔乔姆、那捷日金斯克和哈桑地区(图1)。

图1 研究区

总面积约为16.67万km2，其中，中国一侧面积约为9.95万km2，约占全区总面积的59.69%；朝鲜一侧面积约为6.01万km2，约占全区总面积的36.05%；俄罗斯一侧面积约为0.71万km2，约占全区总面积的4.26%。该地区属温带大陆性季风气候，年均降水量约为400～650 mm，年均气温约为2～6 ℃[24-25]。

2 材料与方法

2.1 数据来源

土地利用数据来源于欧空局(http://www.esa.int/)，选取1992、2000、2010、2018年共4期数据，参考Yang等[21]的研究将数据重分类为耕地、林地、草地、湿地、城市、未利用地和水体共7种土地利用类型。

地理信息辅助数据来自于全球行政边界数据(http://www.gadm.org/)和中国国家地理信息中心(http://www.ngcc.cn/ngcc/)以及朝鲜1∶5万地形图，包括行政中心、国道、省道等矢量数据。所有数据采用墨卡托投影，重采样为300 m。

2.2 研究方法

2.2.1 土地退化分析

1) 单一土地利用类型的变化速度，反映特定区域内一定时间范围内某种土地利用类型的变化情况，对土地利用/覆盖变化在时间和区域差异分析上具有重要意义[26]。

(1)

式中，K为研究时段内某一土地利用类型的动态度；Ub为研究期末某一土地利用类型面积；Ua为研究期初的面积；T为研究周期。当研究周期为年时，K为某种土地利用类型的年均变化率。

2) 土地利用/覆盖变化的空间转化情况是基于状态转移矩阵分析[27]，能在时空上对土地类型的变化状态进行定量的表达。

(2)

式中，i，j(i，j=1，2，…，n)分别代表转移前后的土地类型，Uij表示转移前的i地类转换成转移后的j地类的面积。

2.2.2 生态环境效应评价

生境质量是指生态系统支持适合物种条件的能力[28]。该文采用InVEST模型中的Habitat Quality模块进行生境质量的评估。计算生境质量，首先要计算生境退化程度，公式如下[29]：

(3)

(4)

(5)

式中，Dxy指生境退化程度；R指胁迫因子个数；Wr指胁迫因子r的权重；Yr指胁迫因子层在土地利用类型图中的栅格个数；ry指土地利用类型图每个栅格上的胁迫因子的个数；Sjr指j类型土地利用/覆盖对胁迫因子r的敏感性；irxy指栅格y中的威胁因子r对栅格x的影响；dxy为栅格x(生境)与栅格y(威胁因子)的距离；drmax指威胁因子r的影响范围；βx指法律保护程度，该研究不考虑法律保护程度因子，因此将βx设为1。

Dxy计算生境质量，计算公式如下：

(6)

式中，Qxj指土地利用类型图j中栅格x的生境质量；Hj指土地利用类型图j的生境属性；k是半饱和常数。

生境退化指数需要结合研究区具体情况调整威胁因子的最大影响距离及权重、各土地利用类型的生境质量及其对威胁因子的敏感程度等相关参数决定。根据研究区的具体状况，查询相关文献和咨询专家意见，选择城市和耕地作为胁迫因子，具体参数设置如表1、2所示[14,30-32]。

表1 威胁因子及胁迫强度

表2 土地利用类型对生境威胁因子的敏感度

计算出由于土地退化而带来的生境质量的变化情况，利用ArcGIS对下降的生境质量进行等级划分，0～-0.21为轻度下降，-0.22～-0.44为中度下降，-0.45～-0.66为高度下降，小于-0.67为严重下降。

3 结果与分析

3.1 长白山跨国界地区城市和耕地空间格局

2018年，长白山跨国界地区城市土地总面积约为1 361.15 km2，占全区总面积的0.82%。其中，中国一侧城市总面积约为974.88 km2，占全区城市土地总面积的71.62%。朝鲜一侧城市土地总面积约为263.16 km2，占全区城市土地总面积的19.33%。俄罗斯一侧城市土地总面积约为124.29 km2，占全区城市土地总面积的9.13%。

2018年全区耕地总面积约为35 337.74 km2，占全区总面积的21.22%。其中，中国一侧耕地总面积约为19 898.82 km2，占全区耕地总面积的56.31%。朝鲜一侧耕地总面积约为14 970.33 km2，占全区耕地总面积的42.36%。俄罗斯一侧耕地总面积约为420.39 km2，仅占全区耕地总面积的1.19%。

空间分布上耕地呈环形分布于研究区的西南部、东部及北部区域(图2)，大面积且连续的耕地主要分布于地势较为低平的西南部、西部、北部及东南部区域。这些区域主要包括中国一侧的丹东市西南部、通化市北部及延边朝鲜族自治州的北部和东南部地区，朝鲜一侧的平安北道西南部、两江道的中部等地区。小面积的耕地主要分布于中部长白山附近海拔较高的山地周边及俄罗斯一侧的阿尔乔姆等地。城市主要分布于地势低平的耕地中心或周边区域。

3.2 长白山跨国界地区1992—2018年土地退化过程

3.2.1 全区土地退化过程

1992—2018年，全区城市土地增长729.12 km2(表3)，增长1.15倍，占全区面积比例从0.38%增长到0.82%，年均增长28.04 km2，年均增长率为4.44%。其中，城市扩展过程占用耕地最多，林地次之，水体和湿地最少。城市扩展过程占用耕地面积约为281.72 km2，占全区新增城市土地的38.64%。占用林地面积约为228.70 km2，占全区新增城市土地的31.37%。占用湿地和水体面积为9.45 km2，占全区新增城市土地的1.30%。

1992—2018年，全区耕地增长3 984.34 km2，增长12.71%，占全区总面积的比例从18.83%增长到21.22%，年均增长153.24 km2，年均增长率为0.49%。其中，耕地增长过程占用林地最多，水体和草地次之，湿地最少。耕地在增长的过程中占用林地面积约为4 557.05 km2，占全区新增耕地面积的114.37%。占用水体和草地分别为15.45 km2和14.86 km2，分别占全区新增耕地面积的0.39%和0.37%。占用湿地面积约为3.88 km2，仅占全区新增耕地面积的0.1%。

图2 研究区1992—2018年土地利用/覆被类型空间分布图

表3 长白山跨国界地区1992—2018年自然栖息地向城市土地和耕地的转移情况

3.2.2 分区尺度土地退化过程

1992—2018年，中国一侧城市土地增长554.94 km2，增长1.32倍，占全区面积比例从0.42%增长到0.98%，年均增长21.34 km2，年均增长率为5.08%。在自然栖息地中，城市土地扩展过程占用林地最多，草地次之，水体和湿地最少。城市土地扩展过程占用林地面积约为158.13 km2，占全区新增城市土地的28.49%。占用草地49.86 km2，占全区新增城市土地的8.98%。占用湿地和水体共5.67 km2，占全区新增城市土地的1.02%。耕地增长1 965.42 km2，增长10.96%，占中国一侧面积比例从18.04%增长到20.02%，年均增长75.59 km2，年均增长率为0.42%。其中，耕地增长过程占用林地最多，水体、湿地和草地都较少。耕地在增长的过程中占用林地面积约为2 410.47 km2，占全区新增耕地面积的122.64%。占用水体、湿地和草地的面积约为9.99 km2，仅占新增耕地面积的0.51%(图3)。

朝鲜一侧城市土地增长了103.41 km2，增长了64.73%，占朝鲜一侧面积比例从0.27%增长到0.44%，年均增长3.98 km2，年均增长率为2.49%。其中，城市土地扩展过程占用林地和草地较多，分别为18.45和17.46 km2。占朝鲜一侧新增城市土地面积的34.7%以上。水体和湿地只占了15.57。耕地共增加了1 953.81 km2，增长了15.01%，占朝鲜一侧的面积比率从21.69%增长到24.94%。耕地增长过程占用了林地2 067.48 km2，占全区新增耕地面积的105.82%。占用草地和水体共25.02 km2，仅占新增耕地面积的1.28%。

俄罗斯一侧城市土地增长了73.62 km2，增长率145.29%，占俄罗斯一侧面积比例从0.72%增长到1.78%，年均增长率为5.59%。城市土地扩展过程中占用林地最多，草地次之，水体和湿地最少。城市土地扩展过程中占用林地面积约为54.27 km2，占新增城市土地面积的73.72%。占用草地面积8.19 km2，占新增城市土地面积的11.12%。占用水体和湿地面积共占新增城市土地面积的1.83%。耕地共增加了55.89 km2，增长率15.33%，占俄罗斯一侧的面积比例从5.21%增长到6.01%。耕地增长的来源主要为林地，共占用林地67.59 km2。占新增耕地面积的120.93%。

1992—2018年，研究区的林地减少速率朝鲜一侧最快，俄罗斯一侧次之，中国一侧最少。耕地增长速率在逐年放缓，城市土地增长速率在逐年增加(表4)。分区尺度上，耕地增长速率最快的为俄罗斯一侧，朝鲜一侧次之，中国一侧最慢；城市土地增长速率俄罗斯一侧最快，中国一侧次之，朝鲜一侧最慢。这些区域主要集中在中国一侧的丹东市西南部，通化市北部和延边朝鲜族自治州的西北和西部地区；朝鲜一侧的平安北道西部与东南部、慈江道的北部、两江道的北部与东北部和咸镜北道的东南部区域；俄罗斯一侧的阿尔乔姆和海参崴等地。

3.3 生境质量时空变化情况

2018年，全区的生境质量为0.703；其中，俄罗斯一侧最高、为0.755，中国一侧次之，为0.708，朝鲜一侧最低，仅为0.691。生境质量高值地区分布在长白山系及其除城市土地外的周边地区，这些地区主要是森林、湿地，多以山地、丘陵和沟谷为主。低值地区主要分布在延边朝鲜族自治州(其中以延吉、敦化和珲春市较为明显)、白山、通化、本溪和丹东市的城镇用地及周边县市的建成区与周边地区；朝鲜一侧主要集中在平安北道的西南部地区、慈江道的西北部地区、两江道的中部和东北部、咸镜北道的北部与东南部地区；俄罗斯一侧分布在海参崴、阿尔乔姆、那捷日金斯克等市区周边、哈桑地区西南部与中朝两国交界的地区。

1992—2018年，长白山跨国界地区的生境质量呈下降趋势(图4)。从0.716下降到0.703，下降了1.76%。生境质量在1992—2000年下降的最快，从0.716下降到0.708，下降了1.06%。1992—2018年，研究区由土地退化引起的生境质量下降的区域主要集中在人类活动较为频繁的城市土地及耕地周边(图5)。主要分布在西部、北部和西南部地区。它们位于中国一侧的丹东市、通化市、敦化市和延吉市周边；朝鲜一侧分布较为零散，但面积较广，主要集中在平安北道的大部分地区和慈江道、两江道的北部；俄罗斯一侧主要集中在哈桑地区西南部和海参崴地区。

1992—2018年，俄罗斯一侧生境质量下降最快，从0.770下降到0.755，下降了1.99%；其次是朝鲜一侧，从0.704下降到0.691，下降了1.96%；中国一侧生境质量下降速度最慢，从0.719下降到0.708，下降了1.63%。生境退化的空间变化反映了区域生境质量的退化严重程度，分析结果显示在区域经济发展较快的地区其生境质量更容易被破坏，尤其是城市土地扩展对生境质量产生显著的影响。因此，生境退化的高值区域多集中在城市土地建成区及其周边地区，在城市内部，其退化度保持一个低增长的状态，因为生境已经遭到破坏且恢复较为困难。在山脉、河流等开发难度大的地区，生境质量基本保持原有的状态，但其周边地区或多或少也会受到人类活动的干扰，所以周边地区也会有小范围的生境退化现象存在。

从土地退化引起的生境质量变化分类等级上来看，研究区生境质量主要以轻度下降为主(表5，图6)，1992—2018年，轻度下降面积占全区总面积的47.93%，中度下降占全区总面积的2.90%，高度下降占全区总面积的0.06%，严重下降占全区总面积的0.79%。分区尺度上，轻度下降面积中国一侧最多，占中国一侧总面积的52.4%；中度下降面积朝鲜一侧最多，占朝鲜一侧总面积的3.53%；高度和严重下降面积俄罗斯一侧最多，分别占俄罗斯一侧总面积的0.12%、0.79%。

图5 1992—2018年土地退化引起的生境质量变化

表5 土地退化引起的与生境质量面积变化和占比

1992—2018年，长白山跨国界地区土地退化现象明显，耕地和城市土地面积增长迅速，这在很大程度上是由前所未有的经济发展所驱动的[33]。土地退化是引起生境质量变化与生境破碎的重要因素，城市和耕地作为该地区的威胁因子，其面积的变化直接导致生境质量的变化[34]。近些年，中国一侧发生了快速的城市扩展[21]，朝鲜一侧由于粮食安全问题，砍伐森林用来补充耕地是解决粮食问题的必然手段，近几十年，这种进程已经造成了严重的水土流失和自然栖息地的丧失[23]。俄罗斯一侧施行了相关政策加快工农业的快速发展[35]。城市土地的扩展基本是基于耕地展开的，这就导致如需满足正常或更高水平的粮食供应，就必须开发更多的耕地来满足需求。研究发现土地退化主要是发生在地势较低的地区，因此，应注意保护低海拔地区的重要农田来抑制生态环境的进一步恶化。朝鲜政府也相继出台了一系列保护高质量耕地与城市土地扩展不得侵占耕地的相关政策，我国更是将保护土地资源与生态环境问题提升到绿色发展的高度。所以，长白山3国应加强合作，互利合作，采取有效措施促进跨国区域土地资源的可持续利用与发展。

图6 1992—2018年土地退化引起的生境质量变化等级

4 结论与不足

该研究基于1992—2018年4期土地利用数据来评估长白山跨国界地区的土地退化过程，并在此基础上利用InVEST模型计算了生境质量，以此来评估该区的生态环境。

1) 1992—2018年,长白山跨国界地区土地退化过程显著，城市土地与耕地增长主要是占用林地进行。分区尺度上，俄罗斯一侧城市土地增长速率最快，中国一侧次之，朝鲜一侧最慢。俄罗斯一侧耕地增长速率最快，朝鲜一侧次之，中国一侧最慢。空间分布上，土地退化主要发生在研究区的西部、西南部和西北部地区。主要是包括中国一侧的通化市、敦化市和东港市等地。朝鲜一侧的土地退化主要集中在两江道和慈江道的中部和北部、平安北道的东南部和西北部区域。

2) 1992—2018年，长白山跨国界地区的生境质量呈下降趋势，1992—2000年,生境质量下降的最快，2000年以后，生境质量降低的速率逐渐放缓。在分区尺度上，俄罗斯一侧生境质量下降最快，其次是朝鲜一侧，中国一侧生境质量下降速度最慢。由土地退化引起的生境质量下降的区域主要集中在人类活动较为频繁的城市土地及耕地周边。

3) 从土地退化引起的生境质量等级变化上来看，研究区生境质量主要以轻度下降为主，分区尺度上，轻度下降面积中国一侧最多，中度下降面积朝鲜一侧最多，高度和严重下降面积俄罗斯一侧最多。

由于生态环境的下降受到自然和人文多种因素的影响，所以该研究还存在一定的局限。1) 该研究仅以生境质量来评估该区域的生态环境效应，没有考虑到自然过程与气候方面的因素，后续的分析应综合考虑多种因素对生态环境的变化进行全面的分析；2) 该研究定义的土地退化仅对自然栖息地向城市土地和耕地的转化进行了分析；3) 该研究采用的数据分辨率较为粗糙，未来的研究将结合高分辨率的数据进行更为深入的分析。