生态安全格局视角下的土地利用冲突识别研究

栾春凤,郭欣然

(郑州大学建筑学院,河南 郑州 450002)

随着城市化的快速推进,城市建设空间迅速膨胀且呈现盲目无序的态势,对于生态空间造成极大的冲击,土地利用格局演进较为剧烈,土地利用冲突问题备受关注。生态安全是区域可持续发展的基础,可以从景观格局优化、生态系统服务价值、土地利用优化等方面为切入点,构建“点(核心源地)—线(潜在廊道)—面(生态网络)”的区域生态安全格局分布,进而最大限度地降低人类活动对生态系统服务功能的干扰,通过景观要素优化资源配置,维持区域景观的连续性、完整性,巩固区域可持续发展能力[1-2]。

以生态安全为基础的土地利用冲突研究,在构建区域生态安全格局的基础上,定量地识别土地变化冲突的程度,判断土地转化矩阵的类型。土地利用冲突研究的重要研究内容包括土地利用冲突的产生原因、冲突空间识别及分析方法等方面,在产生原因方面,Pondy[3]、Babette[4]认为土地资源分配不均及土地资源的稀缺是造成土地利用多方冲突的原因;在冲突空间识别方法上,Pau[5]通过GIS技术分析土地利用冲突的空间演变规律;Anantha等[6]利用LUCIS模型对冲突产生的因素进行定性。我国在土地利用空间冲突方面的相关研究起步较晚,20世纪80年代后期的过度工业化及城市化对土地利用的冲击,引起国内学者对于土地问题的思考[7]。学者们认为土地生态系统处于动态平衡,是系统在物质、能量、信息交换三者之间的动态变换[8]。由于研究切入点及视角的差异,致使对于土地利用冲突的侧重不同,如从社会学视角出发,土地利用冲突是源于土地与个人相互作用下的过激结果[9],利害双方间的矛盾冲突则是社会学视角下的土地利用冲突[10]。而基于生态安全视角下的土地利用冲突研究主要表现为耕地与建设用地、水域与建设用地等建设用地与生态空间用地需求之间的冲突[11]。一些学者借助不同的研究对象,以区域生态安全格局为基础,借助土地利用类型[11]、地理要素数据[12]、“三生空间”适应性评价[13]等方式,对土地利用冲突进行识别研究,进而对土地利用管理提供依据。

郑州都市圈核心区作为河南省重要的经济、政治、文化片区,在统筹区域范围内的生态空间保护与建设方面意义重大,但城市化的进程中建设空间与耕地、农田、水域等空间冲突较为突出,致使区域城镇化发展与区域可持续发展、生态保护之间的矛盾日益严峻[14]。立足区域生态安全格局进而识别土地利用冲突问题上十分必要[15]。因此本研究以郑州都市圈核心区为研究对象,在区域生态安全格局的构建基础上,借助土地利用转化矩阵对土地转化类型、程度进行分析,识别土地利用空间冲突分类,为核心区的土地利用规划管理及生态空间的保护提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

郑州大都市圈核心区(113.65°～114.35°E,34.02°～34.79°N),即郑州市域、开封市域、许昌市域。国土总面积约1.8万hm2,约占郑州都市圈面积的30%,郑州大都市圈核心地处河南腹地,地理位置优越。大都市圈核心区为北温带大陆性季风气候,平原和低山丘陵为其主要地形分布。研究区地处黄土高原地区与黄淮平原地区交界处,黄河、淮河与海河三大流域在区域穿过,黄河、南水北调中线在郑州市域形成“十”字。郑州都市圈核心区包含郑州、开封、许昌3个城市,是整个区域的核心引擎,城市化和工业化的加剧,区域人口、资源压力等问题严重,生态系统服务功能及土地利用冲突问题较为严重。

1.2 数据来源及处理

基础数据包括以下3部分:①以2020年的郑州都市圈核心区土地利用数据为基础,参考中国科学院资源环境科学与数据中心的土地利用类型划分标准,提取出草地、农田、建设用地、森林、湿地、水域这6大类景观类型数据。将景观类型数据中的森林、草地、灌木丛、湿地、水域定义为前景,合并作为生态源地的备选斑块。②筛选气象少云的Landsat影像(2020年),基于ENVI软件对影像进行大气校正、几何校正、图像拼接等操作,提取相应波段得到完整的研究区范围影像数据。③提取铁路、公路、农村道路等要素矢量数据,为后期构建综合阻力面提供基础数据。

故基于ENVI平台对遥感数据进行预处理来减少误差,其主要步骤为辐射校正(辐射校正和大气校正)—选择训练样本—可分离度验证—分类器选择—分类后处理—精度验证,最后将影像图转为tif格式数据,利用ArcGIS 10.2出图。合并后的影像图利用数据聚类方式处理,结合研究需要,对数据进行精度检验,精度达到98.8%,Kappa系数为0.984。结合实际情况及研究目的,将郑州大都市圈核心区土地利用类型划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地、湿地6类。

1.3 基于MSPA方法的生态源地选取

形态学空间格局分析(MSPA)是一种偏向测度结构连接性的方法,是基于腐蚀、膨胀、开运算、闭运算等数学形态学原理提出的图像处理方法[16]。本研究基于土地利用数据,采用重分类的方法提取林地、湿地、水域等生态要素作为前景,其他用地类型作为背景。把矢量数据转为二值tif数据文件,参考前人研究成果[17-18],将栅格数据大小设定为30 m×30 m。最后,利用Guidos分析软件,采用八邻域规则,边缘宽度设置为1,并利用工具箱分析软件,对栅格数据进行MSPA分析。

1.4 生态源地景观连通性评价

景观连通性水平可通过定量的方式定性某景观类型是否适合物种交换和迁移,对于生物多样性保护、生态系统平衡和景观连通性具有重要意义[19]。利用Conefor 2.6软件,将距离阈值设置为500 m,连通阈值设为0.5,选取斑块整体连通性指数(IIC)、重要性指数(IdPC)、可能连通性连接指数(IPC)对研究区的景观核心区重要性进行评估,获取IdPC数据作为参考,IdPC≥0.5的核心区为一级生态源地(极重要),0.1

(1)

IdPC=(IPC-IPCremove)/IPC×100%;

(2)

(3)

式中:n为研究区内所有斑块的数量;ai和aj为斑块i、j的面积;IIC为斑块整体连通性指数;范围为0～1,数值越高表明研究区内整体连通性越好;IdPC为斑块重要性指数;IPC为可能连通性连接指数;IPC remove为斑块从研究区域剔除后的景观连接度指数;AL为背景景观的面积;lij为斑块i与斑块j之间连接数;Pij为物种在斑块i和斑块j中所有路径运行的最大可能性。

1.5 生态阻力面构建

研究区阻力指标体系见表1。有研究者认为,物种迁移从源点到目标地间经过不同的景观类型会有不同的阻力值影响,物种在生态源地间进行物质交流、能量交流等需要克服不同的阻力值,阻力值表征物种迁移的难易程度,对生态网络规划有重要意义[20]。因此将土地利用数据、坡度、高程、距水体的距离、距道路的距离、距居民点的距离在参考前人研究后,根据相关文献和专家打分进行赋值,进而构建阻力指标体系,共分为5个阻力等级,将阻力值设定在1～10,将土地利用数据、坡度、高程、距道路的距离、距居民点的距离、距水体的距离的权重确定为:0.30、0.10、0.10、0.25、0.15、0.10(表1)。数值与阻力值成正比,数值越小表明生态源地对物种的适宜度越高,迁徙过程中的障碍越小,对于生态网络的构建越有利。最终采用30 m×30 m的栅格单元大小,在ArcGIS 10.2中利用栅格计算器得到综合阻力面,作为最小累积阻力模型(MCR)模型的最小成本数据。

1.6 基于最小累积阻力模型的生态廊道构建

最小累积阻力模型(MCR)能够通过计算源与目标之间的最小累积阻力距离来确定路径,从而较好地反映景观中的物质能量及生物物种在各生境斑块间的运动可能性和趋向性[21]。

(4)

式中:FMCR为最小累积阻力;fmin为最小阻力函数;Dij为从源点j到空间单元i的距离;Ri表示空间单元i的阻力数值。

MCR的关键是阻力面体系的选择和构建,景观阻力面表示基质阻碍物质、能量和信息流动的程度[22]。综合考虑研究区实际情况,筛选坡度、高程、土地利用类型、距道路的距离、距水体的距离、距居民点距离6个要素作为研究的阻力因子,根据不同因子对物种迁移的阻力,划分不同的阻力值,构建研究区的综合阻力面。景观阻力是指物种在不同景观单元之间迁移的难易程度,斑块生境适宜度越高,物种迁移的景观阻力越低[23]。

1.7 土地利用空间冲突分类研究

将研究区土地利用分类图与生态安全格局图叠加,通过分区统计获取目标年限间土地利用冲突情况,综合运用ArcGIS软件的空间分析等工具,从时间变化、空间特征等方面分析郑州都市圈核心区的土地利用冲突时空演变特征。在综合生态安全空间的基础上,从生态安全的角度将土地利用冲突定义为农业种植、城市扩张等经济建设活动对生态安全空间的不合理占用,而产生的土地资源竞争结果[24]。因此,将土地利用空间冲突定义为耕地生态冲突、建设用地生态冲突、综合土地利用冲突,耕地生态冲突和建设用地生态冲突分别指农业耕作和城市开发建设对综合生态安全空间的不合理占用。按照生态安全水平空间的重要性程度,根据耕地/建设用地对生态安全格局的占比,对冲突类型进行划分[25]。低生态安全水平、中等生态安全水平、高生态安全水平3个生态安全格局等级分别对应极严重冲突、一般严重冲突、不冲突。

2 结果与分析

2.1 综合生态安全格局构建结果

利用MSPA分析方法得到7种不重叠景观类型,并统计其分类结果(表2)。

表2 景观格局分类统计结果

对于MSPA分析方法处理的数据进行提取,得到全部核心区生态源地为2 045个,选取面积在2.5 hm2以上的生境斑块,获取52个作为研究区的生态源地,共计706.35 hm2,之后对获取的生态源地进行重要性排序从而划分等级(图1a—1d)。根据阻力因子及赋值确定研究区阻力因子指标体系,利用MCR模拟出生态源地到目标源之间的最小成本路径,计算出两者间的最小阻力分布。基于最小累积阻力模型计算综合阻力面,采用ArcGIS软件平台,在ArcGIS的空间分析工具箱下,利用距离加权工具生成每个源斑块的累积成本面,利用距离最短路径工具生成从源斑块到目标斑块的最小路径。计算生成郑州都市圈核心区各源地间的潜在生态廊道(图1e、1f),剔除重复冗杂的廊道后,生成生态廊道共668条,长度为9 715.93 km。

图1 研究区重要生态源地及潜在生态廊道分布Fig. 1 The important ecological sources and potential ecological corridors of the study area

根据ArcGIS 10.2中的空间分析,利用最小累积阻力栅格分布的拐点[26],划分不同安全水平的缓冲区。通过自然断点法将缓冲区域进行安全等级划分[27],把郑州都市圈核心区划分为高、中、低三级生态安全水平(图2a),区域的生态安全格局分布是由源地斑块、生态廊道及生态节点共同组成,以此构建研究区不同等级的生态安全格局分布图(图2b)。

低生态安全区的构成要素主要为生态源地,对保护生态源地的扩展阻力高、抗干扰能力强[26],区域生态源地的面积较大,为2 490.29 hm2(表3),该区域包括研究区内所有重大的生态管控区和重点风景名胜保护区,这些区域具有较强的生态敏感性,是维持区域生态稳定的核心区域,属于需重点保护的生态片区[28]。

表3 生态安全水平等级

中等生态安全区的面积为 9 989.57 hm2,占研究区面积占比的53.49%,中等生态安全水平区是潜在的生态基础设施培育区,要适度开展人类经济活动。高生态安全区面积为 6 195.42 hm2,该区域抗干扰能力较差,是生态保护的重点区域,在区域水土保持和生物多样性保护中发挥着重要作用。

2.2 土地利用冲突空间识别分类结果

2.2.1 土地利用空间冲突分类

耕地冲突、建设用地冲突和综合土地利用冲突分布见图3。耕地生态冲突分布较为集中,研究区地势较为平坦,耕地面积也较大,耕地生态综合冲突中,各个冲突等级面积表现为不冲突>一般严重冲突>极严重冲突,一般严重冲突位于巩义市、登封市范围内,严重冲突位于郑州市域范围内以及与郑州周边郊区,该地区人口密度大、城市化程度高,并且靠近黄河流域,生态服务系统较高,是生境较好的地区,更适合作为生态用地,所以耕地矛盾较为突出。建设用地生态冲突分布较为分散,不冲突区主要分布在各个市域范围的主城区中部,一般严重冲突、极严重冲突主要位于研究区的北部,这部分用地范围内缺少生境质量较好的生态源地,因此生态系统服务功能较低,达不到做为生态用地的要求,反而地势较为平坦,适宜为城市发展建设用地。在综合土地利用冲突中,各个冲突等级面积表现为不冲突>一般严重冲突>极严重冲突。一般严重冲突、极严重冲突主要发生在耕地生态冲突中,由此可得出耕地生态冲突较为突出。该地区主要分布在郑州市域、开封市域范围内且靠近黄河流域,这些地区人口密集、建设活动频繁、土地空间扩张面积较大,以建设用地、耕地为主,人为因素占比过多,致使土地退化、水土流失等问题激增,导致土地利用冲突问题较严重。不冲突地区地势较好,适宜人类开发建设,市域生态环境较好,利于城市可持续发展,因此土地利用冲突不明显。

图3 土地利用冲突类型分布Fig. 3 Distribution of land use conflict type

2.2.2 土地利用空间格局变化

随着城市化的发展,城市建设用地不断扩大,表现在生态用地被侵占、环境问题引发的水资源枯竭等。在某种程度上可以通过土地利用强度的变化来反映一定时期内各类用地类型在规模上的变化[29]。首先通过分析都市圈在2000、2018及2020年各用地类型的用途转变、规模及占比情况,了解土地利用强度。郑州都市圈在2000—2020年土地利用结构发生较大的变化,表现为耕地占比减少4.11%;建设用地占比增加7.80%,约2 767.62 hm2。其中耕地依然是郑州都市圈占比最多的土地利用类型。从各地类面积数量变化上可看出,草地占比减少了3.41%,林地占比增加了0.96%,水域占比减少了1.11%。综上,在郑州大都市圈快速城市化的过程中,土地利用演变主要表现为耕地减少和建设用地急剧增加(表4)。

表4 郑州都市圈土地利用数据变化(2000—2020)

选取2000、2020年的土地利用数据,将用地类型分为草地、林地、水域、耕地、建设用地以及未利用地等6种类型,生成20年内郑州大都市圈核心区(郑州、开封、许昌)的土地利用转移矩阵,结果见表5。

从表5可以看出,都市圈核心区在2000—2020年地物之间都发生了不同程度的转化,2000、2020年耕地和林地总面积分别占国土面积的80%和70%以上,表明出现了小面积的水土流失和土地退化,部分自然生态保护地通过开发改造转化为其他类型,耕地是城市建设用地的主要转化类型。总体上看,郑州都市圈核心区在近20年的发展中,空间扩张较为明显,城市化进程显著,其中建设用地面积增长显著,其他各方面都有一定程度的波动。

2.2.3 土地利用空间冲突的影响因素分析

通过对郑州都市圈核心区的土地利用空间冲突的分析,可以将空间冲突影响因素分为自然地理因素、社会经济因素两大类型[30],由于研究区的地势为平原和低山丘陵,对空间冲突的影响较小,其中社会经济因素是最为主要的影响因素。

郑州都市圈核心区是整个郑州都市圈发展潜力最大、人口聚集最大的区域。2021年河南省统计年鉴数据显示,人口规模超过2 000万人,都市圈核心区人均收入1.40万元,人均消费1.58万元(表6),实现都市圈核心区经济、社会的“双驱动”发展。因此在人口数量、经济发展的驱动下,人口的迅速膨胀致使用地紧张,生产生活空间不足,进而通过空间扩张来满足自身的发展需要,导致一定程度上对于生态空间等非建设空间的冲突。

表6 2021年郑州大都市圈核心区各市人口 面积及收支情况

3 结 论

1)生态源地是物种生存与迁徙的重要节点,其生境质量对生物多样性的保护具有重要意义,研究区的生态源区包括自然保护区、森林公园、湿地、林地等。同时依托现状道路、河流、绿带形成3种模式的生态廊道,生成生态廊道共668条,长度为9 715.93 km,重要的生态廊道分布在一级源地附近,而东部的生态廊道较为欠缺。

2)根据景观形态分析方法,提取高连通性斑块作为本研究的生态源,利用最小累积阻力模型(MCR)构建阻力面进行缓冲分析。根据最小累积阻力在郑州都市圈核心区的空间分布情况,采用自然断点法对研究区生态安全等级进行划分,确定了研究区生态安全等级分别为低、中、高的格局。其中低、中、高阻力空间占比分别为13.33%、53.49%、33.17%。

3)郑州都市圈核心区土地利用冲突分布特征显著,耕地生态冲突分布较为集中,以不冲突为主;建设用地生态冲突分布较为分散,不冲突区主要分布在各个市域范围的主城区中部,一般严重冲突、极严重冲突主要位于研究区的北部;在耕地建设生态综合冲突中,各冲突等级面积大小为不冲突>一般严重冲突>极严重冲突,其中耕地生态冲突在土地利用冲突中占比最大。

4)研究区土地利用空间格局变化趋势为2000—2020年区域景观格局破碎化程度较高,分布不均衡。2000—2020年的斑块密度变化幅度较高,表征2020年斑块破碎化加快,破碎化现象较为严重;在最大斑块指数和景观聚集度指数空间尺度上,2000年最大斑块指数值较高,表征研究区的核心区中面积较大的斑块变少,表明核心区斑块面积较大区域受斑块破碎化的影响较大。