鸭绿江口湿地区域土地利用格局变化及其对生态环境质量的影响

姚有庆，郭屹岩，李富祥，张春鹏

(1. 辽东学院 农学院，辽宁 丹东 118003；2. 辽东学院 理学院，辽宁 丹东 118003)

作为水陆交错的生态敏感区域[1-2]，湿地是生态、经济和社会可持续发展的重要资源[3]。湿地生态环境质量作为湿地保护的核心内容，关系着地区生态健康与可持续发展，是衡量湿地保护状态和发展趋势的重要内容[4]。土地利用格局是自然与人类活动因子交互作用的结果，其变化对生态环境质量影响深远。开展湿地区域土地利用格局特征及其对生态环境质量影响的研究具有重要意义[5-6]。

鸭绿江口国家级湿地保护区，位于辽东半岛和朝鲜半岛交界处，总面积1 081 km2，沿黄海海岸线带状分布，区内陆地、滩涂与海洋交汇过渡，形成了内陆湿地与水域、海洋及海岸等相互交错的复合生态系统，此生态系统具有物种多样性、结构复杂性等特点，有着重要的生态、经济和社会价值[1]。但因受人类活动干扰，鸭绿江口湿地的功能退化、生态系统稳定性差等问题日渐突出[1]。目前关于鸭绿江口湿地的研究主要集中在湿地环境对生物的影响方面。宋伦等[7]对鸭绿江口近岸海域生物群落进行了研究，认为鸭绿江口生物群落受外界干扰较严重，稳定性较差；孙宝娣等[8]对保护区生物多样性维持价值进行了评价；张广帅等[9]研究了近岸海域水质环境与浮游动物群落结构之间的关系，揭示海水水质环境健康状态；冯晨晨等[10]对5种鸟类的食物组成进行了研究；董志刚等[11]对生物多样性状况及分布特点进行了研究。

近年来，湿地生态环境问题成为生态学和地理学研究的热点，国内研究主要集中在湿地景观格局动态演变、湿地生态环境及风险评价等方面。吴婷婷等[12]、焉恒琦等[13]对湿地景观格局演变及影响因素进行了研究；孙才志等[14]对湿地景观生态健康进行了评价；李富祥等[15]对湿地环境质量进行了风险评价。目前，鸭绿江湿地生态方面的研究具有局限性，对其土地格局的动态演变以及生态环境质量的定量评估有待深入探讨。因此，本文以鸭绿江口湿地及周边用地为研究对象，以其3个时期的遥感影像数据为基础，通过土地利用动态度、土地利用程度综合指数、土地利用转移矩阵和InVEST模型生境质量指标分析等方法，准确计算鸭绿江口湿地区域土地利用格局时空动态变化特征值及对生态环境质量影响程度，为鸭绿江口湿地区域土地利用结构优化和生态环境保护提供科学依据。

1 研究区域概况与数据来源

1.1 研究区域概况

为了研究区域性土地利用动态变化趋势和综合因素对湿地生态环境质量的影响,选取鸭绿江口湿地保护区(陆地部分)及周边乡镇土地作为研究区域[16]。根据中华人民共和国生态环境部发布的《关于发布河北大海陀等28处国家级自然保护区面积、范围及功能区划的通知》(环函〔2013〕161号)文件划定的范围,该湿地保护区包括孤山镇、菩萨庙镇、小甸子镇、黄土坎镇、椅圈镇、北井子镇、长山镇和东港市中心，其中，新兴街道、大东街道、新城街道为3个主要街道。鸭绿江口湿地位于辽宁省东港市境内，处于中国海岸线最北端，沿黄海海岸线向东西延伸，呈带状分布，属于河口冲积平原，平坦开阔，气候温暖湿润，年均气温9.8 ℃。湿地保护区周边城乡形成以水稻生产、水产养殖、海洋捕捞和旅游服务为主的多元化产业类型。

1.2 数据来源

根据遥感影像的光谱特征及《土地利用现状分类》(GB/T 21010—2017)标准，结合已有的研究成果[14，17-18]，对研究区域土地利用的实际情况进行调研。本研究将土地利用类型分为耕地、林地、草地、水域、建设用地、养殖水面、沼泽湿地、浅海湿地等8个类型。土地利用数据来源于地理空间数据云(https:∥www.gscloud.cn/search)中的Landsat-5和Landsat-8遥感影像;投影坐标系为WGS_1984_UTM_Zone_51N;空间分辨率为30 m。

利用GIS软件对数据进行预处理;分别选取Landsat-5和Landsat-8共3个时期遥感影像进行波段合成,其中,将Landsat t-5影像的7、5、1波段进行组合,Landsat t-8影像的7、6、2波段进行组合;结合人工解译、现场核对等方法对土地类别进行识别,再使用多元聚类和最大似然法对土地类别进行分类;按研究区范围做拼接及剪裁处理。研究区域的遥感影像数据源参数设置见表1。

表1 研究区遥感影像数据源参数设置

2 研究方法

运用土地利用变化数据测算土地利用动态度、土地利用转移矩阵及土地利用综合指数3项指标,研究2000—2020年鸭绿江湿地区域土地利用格局演变特征;通过生态环境质量指数及运用InVEST模型对生境质量指标进行计算,评估鸭绿江湿地土地利用变化对生态环境质量的影响。

2.1 衡量土地利用变化的指标测算方法

2.1.1 土地利用动态度

土地利用动态度K值描述某一土地利用类型一定时期内的转化强度[19]。K的计算公式为

(1)

式中：Ua为初始时期的某土地利用类型面积,Ub为终止时期的某土地利用类型面积,T为期间时长。

2.1.2 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵能反映研究期间各种土地利用类型相互转化的动态信息，可以较好地表征土地利用类型的转换状态[20]。土地总面积A的计算公式为

(2)

式中：ai j为土地利用类型面积，ij为转移前后的土地利用类型；n为土地利用类型数。

2.1.3 土地利用程度综合指数

土地利用程度综合指数L的值越高，表明其土地开发利用强度越大，反之越小[21]。L的计算公式为

(3)

式中：Ai为第i级土地利用程度分级指数，Ci为区域内第i种土地利用类型的面积比例。

本文研究的土地利用程度分级指数和生态环境质量指数[22-24]设置见表2。

表2 土地利用程度分级指数和生态环境质量指数设置

2.2 生态环境质量评估

2.2.1 生态环境质量指数

生态环境质量指数E为表征区域生态环境质量的总体状况，其值越大，表示生态环境质量越好。E的计算公式[25]为

(4)

式中，Li为区域内第i种土地利用类型的面积。

2.2.2 土地利用对生境质量的影响

利用InVEST模型计算生境质量(habitat quality)指标，选取养殖水面、耕地、城镇和农村建设用地4个典型土地利用类型作为威胁源，结合参考模型推荐值、专家意见及研究区域实际情况，确定生境质量威胁因子和敏感性参数，最终确定生境质量值域范围。土地利用类型的生境退化程度Dxj的计算公式为

(5)

(6)

式中：R为胁迫因子个数；wr为胁迫因子r的权重；Yr为胁迫因子土地利用类型图层中的栅格数；ry为每个栅格上胁迫因子数;Sjr为j类土地利用类型对胁迫因子r的敏感性;irxy为栅格y中的威胁因子r对栅格x的影响,其为线性衰退;dxy为栅格x(生境)与栅格y(威胁因子)的距离;dr为威胁因子r的影响距离;βx为保护程度,根据实际情况设为1。

当土地空间衰退类型为指数衰退时，irxy的计算公式为

(7)

土地利用类型生境质量指标Qxj的数值计算公式为

(8)

式中：Hj为土地利用类型图j的生境属性；k为半饱和常数，k值一般设置为生态环境退化程度最大值的1/2；依据InVEST 3.12.0 模型的使用说明，z值为模型默认参数，本文设置为2.5。

根据上述研究内容,确定生境质量指标值域为0～1。威胁源的权重及最大影响距离[6,26-27]和生境类型对各胁迫因子的敏感度[6,26-27]等参数设置见表3和表4。

表3 威胁因子最大影响距离、权重及其空间衰退类型的参数设置

表4 生境类型对胁迫因子的敏感度设置

3 结果与分析

3.1 土地利用变化指标测算结果

3.1.1 土地利用动态度

以2000—2020年的土地利用类型数据为基础，利用公式(1)计算研究区域的单一土地利用类型动态度，计算结果见表5。

表5 单一土地利用类型动态度 单位：%

由表5可知，建设用地和养殖水面为正增长，其他用地为负增长。其中，沼泽湿地、草地、浅海湿地面积持续减小的趋势明显，且沼泽湿地面积减少最多。表明研究时期内研究区域用地受城镇化发展的影响较大，生活和生产用地逐年扩张，挤压了生态类型用地，造成湿地退化显著。

3.1.2 土地利用转移矩阵

利用土地利用转移矩阵的时空变换和面积变化，分析研究区域的用地变化情况，结果见表6。

表6 研究区土地利用类型面积转移矩阵 单位：km2

由表6可知，不同土地利用类型之间存在动态转换关系,但研究区域建设用地与养殖水面的单向转入特征明显:2000—2010年有14.25 km2耕地转为建设用地，10.40 km2水域转为养殖水面;2010—2020年有11.01 km2耕地和15.26 km2浅海湿地转为建设用地，11.43 km2浅海湿地转为养殖水面；2000—2020年，20年建设用地和养殖水面的转入面积分别为56.54和35.80 km2，分别占转入土地面积的50.85%和32.2%；耕地、浅海湿地和水域为转出地类，转出面积分别为34.16、28.11和12.24 km2，分别占转出土地面积的30.72%、25.28%和11.01%。上述数据表明，城镇化和渔业产业的发展对研究区域的土地利用影响较大。

3.1.3 土地利用综合指数

根据公式(3)计算出2000—2020年3个时期土地利用综合指数分别为217.002 8、219.565 2和225.581 8，2000—2010年综合指数增加2.562 4，变化率为1.18%；2010—2020年增加6.016 6，变化率为2.74%；2000—2020年增加8.579 0，变化率为3.95%(表7)。

表7 土地利用程度综合指数分析

研究区域土地利用强度主要受2个方面因素影响，建设用地方及养殖水面的增加导致土地利用强度增大。结果表明，此期间研究区域土地利用强度逐年上升。

3.2 对生态环境质量的影响

3.2.1 生态环境质量指数分析

利用土地利用数据计算鸭绿江湿地区域生态环境质量指数，以此分析土地利用变化对生态环境的影响程度，结果见表8。

表8 生态环境质量指数

由表8可知,2000、2010和2020年的生态环境质量指数分别为0.462 9、0.455 7和0.441 6。2000—2010年生态环境变化值为-0.007 2，变化率为-1.56%；2010—2020年变化值为-0.014 1，变化率为-3.09%；2000—2020年变化值为-0.021 3,变化率为-4.60%。说明生态环境质量总体呈下降趋势。

3.2.2 生境质量指标的时空变化

基于InVEST模型，根据已有研究和实际数据情况，将生境质量指标的值域范围[0，1]以0.2为间隔分为5个区间，分别对应低、较低、中、较高和高5个等级，计算得到2000—2020年生境质量指标结果(表9)。

表9 不同等级的生境质量指标结果

由表9可知，生境质量指标在0～0.2的土地比例从12.15%增加到16.52%，在0.8～1.0的从32.84%下降到29.32%，在0.2～0.8的呈现缓慢下降趋势，说明2000—2020年研究区域总体生态环境质量逐渐恶化;2000、2010和2020年研究区域生境质量指标的平均值分别为0.462 9、0.455 7、0.441 6,生态环境整体呈恶化趋势;2000—2020年生境质量指标析空间特征为“南高北低”的空间分布格局,高和较高等级的区域主要分布在沿海区域和湿地保护核心区,低和较低等级的区域主要分布在城镇建设用地和耕地区域,高等级和低等级区域为主要变化区域,高等级区域土地利用类型面积所占比例从32.84%下降到29.32%,低等级区域土地利用类型面积所占比例从12.15%上升到16.52%,表明城乡建设活动导致的土地利用类型变化对生态环境质量造成负面影响,生态环境质量呈现逐年恶化的趋势。

4 结论与讨论

1)土地利用动态结果表明，土地利用类型存在相互转化的关系，主要向建设用地与养殖水面用地转入，转入面积大、比例高，而耕地、浅海湿地和水域为主要转出地类，建设用地快速扩张，生态用地大幅度缩减。

2)土地利用程度综合指数逐渐上升，表明人类活动干扰增加，研究区域土地开发利用强度逐年加强。

3)生态环境质量指数逐渐下降，表明研究区域生态环境质量呈下降趋势。

4)生境质量得分结果表明，高等级和低等级生态环境质量区域为主要变化区域，其中低等级地类面积逐渐增多，高等级地类面积逐渐减少，表明生境环境质量水平下降。

本研究表明，城镇扩张对土地利用类型的改变导致区域生态环境质量整体下降趋势明显。2000—2020年城镇扩张导致鸭绿江口湿地区域建设用地和养殖水面面积逐渐增加，林地、耕地、水体和海域面积逐渐减少，且各土地利用程度综合指数变化增速提升，土地利用强度逐渐加强；土地利用类型变化对生态环境质量的影响为高等级生境质量用地数量减少趋势明显，低等级生境质量用地数量逐渐增加，说明湿地生态环境保护政策及相关策略对区域环境质量影响效应较弱，研究区域生境质量逐渐下降。

受周边用地影响湿地区域生态环境质量的退化趋势，对于湿地环境安全提出重要警示。为保护湿地生态系统，改善生态环境质量，缓解经济发展与生态保护之间的矛盾，提出以下建议：

1)政府引领各部门协同,完善相关法律制度,严守湿地保护红线,注重经济与生态协调发展;

2)加大生态保护宣传力度，提高周边居民对湿地生态环境的保护意识；

3)科学合理地规划用地，优先发展绿色生态产业，拓展生态用地面积，优化鸭绿江口湿地区域土地利用结构。

鸭绿江国家湿地保护区生态退化的主要原因是周边城市化建设的影响。由于土地利用的综合性、动态性及对生境质量影响的复杂性，明确土地利用对湿地生境质量的深度影响，还有待于进一步研究和探索。