2000—2020年烟台市生境质量时空演变分析

杨单单 马立婷

(1. 烟台黄金职业学院, 山东 烟台 265401;2. 潍坊市勘察测绘研究院, 山东 潍坊 261000)

0 引言

生物多样性是人类社会持续生存及发展的前提,生物多样性的良好状况为其他生态系统服务发展奠定了基础[1-2]。生境质量,即生态系统在一定时空维度内为生物个体和族群提供维持生存和发展的能力,高层次的生境质量对维持生物多样性影响深远[3]。

人类社会的发展影响生境质量,土地利用是人类活动影响生境质量的主要方式[4]。21世纪以来,随中国城镇化的建设,土地大规模的开发使土地利用强度发生明显改变,引发生境质量下降[5～7]。研究生境质量为保护生物多样性和改善生态现状影响深远,根据研究需求的不同,目前开发的生境质量模型种类多样,常用的有生物多样性模块IDRISI、生境适宜性模型HIS、C-Plan和ConsNet,但这些模型需要生物多样性数据和环境中物种数量的信息,因此应用比较困难[8-9]。InVEST(integrated valuation of ecosystem services and tradeoffs)模型是包含陆地,河湖与海洋三大生态系统的综合评估模型[10-11]。其生境质量模块(habitat quality model)可快速评估不同威胁源与土地利用/覆被对生物多样性的影响。研究生境质量对保护生态环境具有重要意义。为此,国内外学者在全球不同区域,通过不同的方法开展生境质量研究。Valero等[12]通过河流生境指数和河岸带植被指数对西班牙加利西亚河流生境质量进行了研究,李发荣等[13]在地理信息系统(geographic information system,GIS)和遥感(remote sensing,RS)技术支持下,利用层次分析法等建立指标体系对兰州市生态环境质量进行分析,杨建强等[14]对莱州湾运用生态环境质量综合指数法进行生境质量长时序分析。本文基于InVEST模型对烟台市生境质量进行分析,其具有参数需求较少、获取数据方便、分析能力精准等特点,因而更适用于生境质量的评估。

烟台市为我国首批沿海开放城市,人口密集,经济发达,是海洋生态系统和陆地生态系统典型交织区域。由于城市的发展和城镇化的建设,使城市生态环境进一步受到威胁,如何科学合理规划社会经济发展形势,保护生态空间,避免生态功能弱化,是当今需要研究的重要课题。因此,评估烟台市生境质量时空演化已经迫在眉睫。基于此,本文以2000、2010、2020年土地利用状况为基础数据,根据土地利用类型变化情况,分析区域土地利用现状和不同土地利用类型转化状况。基于InVEST模型生境质量模块,从多个时间段对烟台市生境质量进行评估,获取近二十年生境质量趋势,为烟台市经济建设的开展和生态环境的保护提供参考。

1 研究区域概况

烟台市(119°34′E～121°57′E,36°16′N～38°23′N)位于山东半岛东北部沿海(图1),毗邻渤海、黄海与日本、韩国隔海相望。地势整体不高,为低山丘陵区,中小河流众多,生物资源丰富,为温带季风性气候。烟台市总面积为1.38×104km2,海岸线总长为1 038 km,是胶东经济圈和环渤海经济圈重要城市、是我国“一带一路”国家战略重点建设港口城市。近年来,随着城镇化速度的不断加快,人口大规模聚集,从而使生态环境遭到破坏。因此,对其生境质量进行评价研究,对解决城市发展面临的生态环境问题有较大的实践意义。

图1 山东省数字高程图

图2 烟台市数字高程图

2 数据来源

数字高程模型(digital elevation model,DEM)数据(图2)来自地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/),土地利用数据来自中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn),主要为烟台市2000、2010、2020年30 m分辨率土地利用数据。

3 研究方法

本研究是评估研究区内生境质量等级的高低,基于InVEST模型中的Habitat Quality模块来获取生境质量指数。指数越高,表征生物多样性越丰富,反之亦然[15]。计算公式为

(1)

式中,Qxy为第j种用地类型中栅格x的生境质量;Hj为第j种用地类型相应的生境适宜性指数;k指半饱和参数;可根据使用数据分辨率自定义;Z为模型尺度常数[16]。威胁源与不同用地类型对各威胁源的敏感度见表1[17]。

表1 生态胁迫因子量表

4 结果分析

4.1 土地利用变化

由表2可知,2000—2020年烟台市草地和建设用地面积变化幅度较大,其他类型变化幅度较小。其中草地面积减少后趋于稳定,3个年份的面积分别为3 129.27 km2、2 226.39 km2、2 231.83 km2;耕地面积占比呈现先升后降的趋势,前后整体差别不大,分别为51.4%、53.1%和51.7%;林地变化幅度较小,呈现小幅度减少,分别为1732.65 km2、1693.01 km2和1694.17 km2;未利用土地占比最小且变化不大;湿地面积增幅最大,为71.4%;建设用地面积增加量最大,占比由10.2%增长至14.8%,总量增加633.39 km2。

运用土地利用转移矩阵(表3),计算烟台市土地利用类型转化方向,由表3可知,2000—2010年,草地流出面积最大,为943.76 km2,主要流向耕地(706.98 km2)和建设用地(173.16 km2);耕地面积流出720.58 km2,其中82%流向建设用地;建设用地和林地流出面积分别为256.11 km2、218.98 km2,主要流向耕地和湿地;湿地和未利用地转出面积小,分别为40.29 km2和17.49 km2。

2010—2020年,烟台市土地利用类型转出量相较上一时段,明显减少。转出方向整体差别不大。

表2 烟台市各土地类型利用面积即占比

表3 烟台市土地利用转移矩阵 单位：km2

4.2 生境质量时空变化

4.2.1 生境质量时间变化

从时间变化来看(表4),2000—2010年烟台市低等级生境质量面积占比从10.2%增加至14.5%,增幅达42.2%,而等级为较低、中等、较高和高的面积分别减少了23.9%、4.2%、1.7%、1.6%,生境质量平均值由0.596 0降低至0.580 2,生境质量整体趋于下降的状态。2010—2020年低等级、较高等级和高等级生境质量面积增加了2.0%、15.0%和4.8%,较低和中等等级生境质量分别减少7.06 km2和287.38 km2,生境质量平均值由0.580 2升高至0.583 2,生态环境得到一定的恢复。

表4 烟台市不同等级生境质量面积、占比

4.2.2 生境质量空间变化

2000—2020年,烟台市土地利用现状与生境质量空间分布基本一致(图3),空间分布上异质性表现明显。低等级生境主要集中在北部、西部沿海地区和各市县区建成区、工矿企业分布区,较低等级生境主要集中在中北部区域,中等等级生境占比较大,分布较为分散,集中在研究区西北、西南部。高和较高等级生境分布在研究区中、东部丘陵区域。

(a)2000年 (b)2010年 (c)2020年

4.2.3 生境质量时空变化分析

从时间上看,烟台市生境质量整体呈先下降后提高的趋势,2000—2010年研究区生境状况下降明显,这一时期,矿业开采造成植被破坏,导致景观破碎度增加,水土流失严重。城市城镇化和生产用地规模扩大加剧了建设用地对耕地和草地的侵占,使生物多样性受损。另外，工业废水过度排放,研究区水质污染严重。2010—2020年研究区生境质量逐步提高,在这一时期内,生态环境问题越来越受到重视,针对饮用水的问题,烟台市政府2011年出台《关于烟台市饮用水水源保护区划定方案的复函》,2016年和2019年省政府先后颁布了《山东省企业环境信用评价办法》和《关于建设项目涉及生态保护红线有关事项的通知》,多项政策和措施的颁布促使研究区生态环境逐步改善。

从空间上看,低等级生境主要集中在芝罘区、福山区和各县市沿海部分区域,随着时间的变化,范围扩大到各县市中心区域。该区域人口稠密,经济发达,人类活动影响大,生态环境破坏严重。较低等级生境分布范围较为分散,蓬莱市和莱州市分布较多,以蓬莱市为例,该地城市生态环境建设跟不上城市建设发展速度,因城市建设而引起的滥伐林木、侵占绿地的现象时有发生,导致城市人均绿化面积过低。另外蓬莱作为知名的海滨旅游度假城市,2018年蓬莱接待游客1 125万人次,且集中在7、8月份,给该市带来了严重的生态环境压力[18]。中等等级生境分布较为广泛,主要集中在研究区西北和西南区域,该地主要以耕地为主。较高和高等级生境主要分布在东部丘陵区域,以林地和草地为主,经济发展较弱,受人类活动影响较小。

5 结束语

本研究以烟台市为研究区域,分析了2000—2020年该区域土地利用和生境质量变化状况,讨论了影响生境质量的因素。分析表明：

烟台市主要土地利用类型为耕地,其次为草地、林地和建设用地。在2000—2020年,草地、林地、未利用地面积减少,耕地、建设用地、湿地面积逐渐增加。各用地类型转换主要为草地、耕地和林地流向建设用地和湿地,且后10年相较前10年转出量显著减少。随着城市化进程的发展,人类对土地资源和水资源的需求也随之增长。因此,保护研究区水域,合理开发建设用地对维护生物多样性和人民过上文明健康新生活具有重要意义。

通过生境质量分析,研究区整体的生境质量处于中等偏高等级,空间上,低等级生境主要集中在北部、西部沿海地区和各市县区建成区、工矿企业分布区,较低等级生境主要集中在中北部区域,中等等级生境占比较大,分布较为分散,主要集中在研究区西北和西南区域。较高和高等级生境质量主要分布在研究区中、东部丘陵区域。时间上生境质量平均值先下降后上升,总体来说,低等级、较高等级和高等级生境质量上升,较低和中等等级生境质量下降。人类活动对土地利用类型造成影响,进而导致研究区内生境质量发生变化。

在山水林田湖草一体化的今天,应不断协调各类用地的分配,在经济发展社会进步的同时,更加注重生态环境的保护,提高生境质量进而实现区域的可持续发展。

土地利用数据源精度的高低会对土地类型统计情况产生一定的误差,从而对生境质量的结果会有一定的影响。本次研究所采用的土地利用数据源为30 m分辨率,能够满足本次2000—2020年烟台市生境质量演变趋势的研究需求,但对生境质量结果的进一步精细化分析会有一定的影响,将在未来的实验中进一步改进完善。