快速城市化地區景觀生態安全時空演化過程分析
——以東莞市為例

楊青生，喬紀綱，艾 彬

(1.廣東商學院資源與環境學院，廣州 510320;2.中山大學地理與規劃學院，廣州 510275)

近年來，隨著建設用地迅速擴張，土地利用格局不斷變化，產生了環境污染、森林植被退化、水土流失、土地荒漠化、熱島效應以及生物多樣性減少等全球性和區域性的生態安全問題，這些問題又嚴重威脅著人類生存環境和經濟社會的可持續發展［1-2］。生態環境和人類社會的交互式復雜關系，使得生態安全成為了研究的熱點問題，美國在1997年將生態安全提高到國家戰略高度，以保持區域生態可持續發展［3］。生態安全是指在人的生活、健康、安樂、基本權利和生活保障來源、必要資源、社會次序和人類適應環境變化的能力等方面不受威脅的狀態，包括自然生態安全、經濟生態安全和社會生態安全。生態安全一方面強調生態系統自身健康、完整和可持續性，同時又強調生態系統對人類提供的生態服務或為人類生存安全提供保障的能力，而為人類提供的生態服務又是以生態系統自身的健康、完整性和可持續性為基礎的［3-4］。因此，生態安全的評價主要集中在土地、水、森林等自然資源和人口、人均GDP、人均醫院床位數等人文資源的數量和質量及其可持續性評價，如李月成研究了我國北方13省市的生態安全動態變化［5］，Huang等研究了新疆北屯綠洲的生態安全格局［6］，Singandhupe等研究了印度第12農業-生態區2025年的水和食物安全情景［7］，Wu等用模糊優化方法對安徽省的生態安全進行了預警［8］，Su等對上海市的生態安全進行了評價［9］，Zhao等對我國西藏拉孜縣的生態安全進行了評價［10］，任志遠等對陜西省生態安全進行了定量分析［11］，王振祥等對安徽省沿淮地區的生態安全進行了評價［12］。這些研究極大地推動了區域尺度上生態安全的評價、預警研究，區域及更大尺度上的生態安全研究可以從宏觀上評價區域的生態安全，數據主要來源于統計年鑒。為了使生態安全規劃能夠得到有效的實施，精細尺度上生態安全的研究就成為了一個非常好的選擇。越來越多的學者采用景觀生態學的理論和方法從景觀尺度上研究生態安全，景觀生態安全主要包括景觀自身的穩定性、景觀的風險性，健康度及景觀可持續地為人類提供生態服務的功能，如喻鋒等研究了皇甫川流域的景觀生態安全格局［13］，龔建周等研究了廣州市的生態安全景觀格局［14］，俞孔堅等研究了北京市生態安全格局及城市增長預警［15］，李綏等研究了南充城市的景觀生態安全格局［16］，孫翔等研究了廈門市的城市生態安全景觀格局［17］。這些研究為景觀尺度上的生態安全提供了基本方法和思路，推動了生態安全的景觀格局研究。景觀生態安全的評價主要以像元為評價單元，評價單元的非空間統計指標及景觀格局指標主要采用行政區尺度上的數據插值獲取，插值的數據精度依賴于插值方法及樣點(區)的選擇。如果能獲取更精細的非空間指標和景觀格局指標值，得到的評價結果會更為客觀。因此，景觀尺度上的生態安全評價指標如何投影到評價單元上，快速城市化地區景觀生態安全時空變化規律及其成因等需要深入研究。從景觀尺度評價區域生態安全狀況，掌握景觀退化和生態安全變化的規律，可以為生態可持續發展的政策制定提供科學的決策依據。

本文結合RS、GIS和景觀生態學理論和方法，以城市化快速發展的東莞市為例，以遙感數據和GIS數據為主要數據源，采用“壓力—狀態—響應”(Pressure-State-Response，簡稱PSR)框架模型，構建區域景觀生態安全評價指標體系，對不同時間和空間上的景觀生態安全狀況進行對比，實現生態安全動態與演化趨勢研究，揭示快速城市化地區景觀生態安全的時空變化規律。

1 研究區概況

東莞市位于廣東省中南部，珠江口東岸，北接廣州南鄰深圳，經濟發展區位優勢明顯。2010年全市完成生產總值4246.25億元，比上年增長10.3%。其中，第一產業增加值16.64億元，增長1.9%;第二產業增加值2183.18億元，增長16.8%;第三產業增加值2046.43億元，增長3.9%。2010年末，全市建成區土地面積798.48 km2，公共設施用地面積61.31 km2。隨著廣州和深圳市產業結構的不斷調整，東莞市面臨著良好的發展機遇，過去20a中東莞的經濟得到了飛速發展，與之相適應的城市建設用地規模快速增長，已經帶來了一系列資源環境問題［18］。采用合理的方法評價經濟社會快速發展地區的生態環境問題，可以為區域可持續發展政策制定提供科學依據。

2 景觀生態安全評價

2.1 景觀生態安全評價指標體系

2.1.1 評價單元確定

生態安全評價單元的選擇對評價結果有重要的影響，在區域、國家乃至全球尺度上，評價單元往往以行政單元為尺度，評價結果可以反映區域的生態安全狀況，而無法反映生態安全在區域內的差異。為了研究生態安全在區域內的差異，景觀尺度上的生態安全評價成為了必然的選擇，龔建周等采用像元為評價單元評價廣州市的景觀生態安全狀況［19］;喻峰等采用像元為評價單元研究了皇甫川流域的生態安全［13］，孫翔等以像元為評價單元研究了廈門市的景觀生態安全［17］。以像元為評價單元，每個像元只有一類地類，無法計算建設用地開發強度、景觀結構等指標。目前主要通過選取不同行政區的數據計算建設用地開發強度，景觀結構等指標，然后采用空間插值計算每個評價單元的值。采用插值獲取的指標精度依賴于插值方法和樣點(區)的選擇，如果以每個像元的特定距離的鄰域為范圍，獲取特定尺度的區域作為該像元的開發強度、景觀結構等指標，研究結果會更為客觀。為了確定像元的鄰域范圍，根據龔建周等在廣州市景觀粒度效應的研究，廣州市景觀在幅度1000 m時等級結構明顯，可以選取1000 m作為景觀分析的數據粒度［14］，考慮到東莞市和廣州市相鄰，快速城市化是景觀變化的主要動力之一，結合東莞市建設用地主要沿道路和鎮中心擴展的特征，以遙感影像的像元為基本評價單元，像元的尺度是30 m×30 m。評價時，采用景觀粒度效應顯著的1 km×1 km公里格網值作為每個像元的指標值。這種評價單元有利于解決建設用地開發利用強度、景觀結構指數等指標的計算，可以利用翔實的高分辨率土地分類數據，同時，與公里網格評價單元相比，這種評價單元在生態安全等級劃分時不同級別之間的邊緣非常平滑。

2.1.2 評價指標體系

借鑒國內外學者研究生態安全主要采用的“壓力—狀態—響應”模型［9-10，20-23］，建立東莞市景觀生態安全評價指標體系。PSR模型由環境壓力、環境狀態和社會響應指標組成。其中，環境壓力描述人類直接或者間接帶給環境的壓力，包括土地等自然資源數量和質量的減少;環境狀態描述環境的現狀、資源的數量和質量，以及資源環境隨時間的變化狀態;社會響應描述人類社會對環境變化響應和關注的程度［24］。

景觀生態安全評價指標體系構建需要充分體現景觀生態學研究的重點，即景觀結構、功能，景觀斑塊動態演替，景觀系統的完整性和穩定性，干擾的阻抗和可恢復性;同時設計的指標可空間量化，能充分反映景觀的時空演替;指標具有系統性和代表性［17］。東莞市景觀生態壓力主要來自于快速城市化帶來的建設用地快速擴張占據大量生態用地，生態景觀不斷被城市景觀代替，景觀的穩定性不斷下降，生態服務功能不斷降低。為了表征快速城市化對景觀造成的壓力，選取景觀擾動最主要的要素:建設用地開發強度、人口密度，以及建設用地擴展的中心和軸線“離商業服務業中心的距離和離交通干道的距離”作為景觀生態安全壓力指數評價指標;景觀安全狀態主要考慮景觀自身的結構完整性、穩定性以及生態服務功能和景觀可恢復性，選擇景觀結構安全性、功能安全性和景觀脆弱性為評價指標;景觀響應指數主要考慮人類社會對景觀變化的反饋機制，選擇功能區調控力度作為評價指標。指標的權重采用特爾斐法確定，東莞市景觀生態安全評價指標及權重見表1。

(1)景觀生態壓力指標

結合東莞市的實際，環境壓力主要由快速城市化過程中的人口急速增長、建設用地快速擴張形成的，景觀生態壓力評價指標由建設用地開發利用強度、人口密度、離交通干道的距離和離商業服務業中心的距離構成。其中，建設用地開發利用強度計算如下:

表1 東莞市景觀生態安全評價指標體系Table 1 Landscape ecological security evaluation system

人口密度按下式計算:

離交通干道的距離選擇離省道和國道的距離、離高速公路的距離和離鐵路的距離，加權計算得到離交通干道的距離，通過下式計算:

離商業服務業中心距離用下式計算:

景觀生態壓力指數可通過下式計算:

(2)景觀安全狀態指標

景觀安全狀態指標主要考慮景觀生態的結構安全性、功能安全性和景觀脆弱性。其中，景觀結構安全性由景觀斑塊密度來度量，景觀斑塊密度通過下式計算:

景觀功能安全性由景觀生態系統服務價值度量，生態系統服務價值反映生態系統為人類社會提供的直接或間接的各種服務，生態系統服務價值的計算采用謝高地等提出的方法，結合東莞市實際進行［25］，生態系統服務價值越高，景觀功能越安全。

景觀脆弱性反映盡管自我維持、自我調節和抵抗外界壓力與擾動的情況，參考孫翔等在廈門市的研究［17］，通過評價不同土地利用類型對城市擴張的抵抗能力和自我維持能力，結合東莞市實際，未利用地、基塘和耕地被開發為建設用地的概率較大，而園地、林地開發為建設用地的概率較小，按照不同類型土地發展為建設用地的概率進行景觀脆弱性賦值，即，按照未利用地、建設用地、水體、耕地、園地、草地和林地的順序分別賦值1、2、3、4、5、6和7。值越小，景觀越脆弱，抵抗外界壓力與擾動能力越小，安全性越低。

景觀安全狀態指數通過下式計算:

(3)景觀響應指標

景觀響應指數反映人類社會對景觀變化的關注和響應程度，參考孫翔等在廈門市的研究，結合研究區實際，選擇不同時期對生態功能區的調控力度來反映。運用德爾菲法，對不同功能區的響應指數賦值如表2。景觀生態響應指數越大，景觀生態安全程度越高。

表2 不同功能區的響應指數Table 2 Response of human beings to different function districts

結合上述景觀生態壓力指數、景觀安全狀態和景觀響應指數，綜合景觀生態安全指數可通過下式計算:

2.2 數據來源及處理

研究的基礎數據來源于Landsat TM衛星遙感數據(1988年12月10日，1997年8月6日和2005年10月22日)，衛星軌道號為122/44，該景遙感影像覆蓋了東莞市全部區域。采用監督分類方法分類對遙感數據，得到7類土地利用類型，1988年、1997年和2005年分類精度分別達到81%，81.2%和81.4%。人口數據來自于東莞市統計年鑒，道路交通資料和自然保護區、森林公園等資料采用城市規劃及環境保護規劃等相關規劃資料。

距離變量采用ArcGIS 9.3中的空間分析的Eucdistance工具計算，人口密度通過建設用地密度加權的反距離權重插值計算，景觀斑塊密度運用Fragstats3.3軟件計算。不同圖層之間的加權運算通過ArcGIS9.3的空間分析工具計算。

2.3 結果及分析

2.3.1 景觀生態壓力變化及空間分異

景觀生態壓力指數從1988年到2005年不斷增加，由1988年的0.317增加到0.472，生態景觀承受的壓力不斷增大。景觀生態壓力指數的最小值由1988年的0.068減小到2005年的0.011，最大值由0.958增加到0.970，表明景觀生態壓力指數越來越像兩個極化方向發展，過去景觀生態壓力較大的地方隨著不斷發展壓力越來越大，自然保護區和森林公園等景觀生態壓力比較小的地區隨著保護程度的不斷提高，景觀承受的壓力越來越小(圖1)。

在空間上，景觀壓力增大的地區主要表現為沿道路發展的軸線模式和沿市中心—鎮中心—道路發展的點軸擴展模式，這與東莞市建設用地沿道路—鎮中心發展的模式基本一致。景觀壓力的最高值從1988年的“市中心-鎮中心”高值區發展到1997年的“市中心—鎮中心—道路”高值區，2005年成為“市中心”集中高值區。

圖1 東莞市景觀生態壓力分布圖Fig.1 Landscape pressure distribution in Dongguan City

2.3.2 景觀安全狀態變化及空間分異

景觀安全狀態指數從1988年的0.473減小到2005年的0.375，表明景觀的結構穩定性不斷降低，景觀破碎度不斷增加，生態服務價值功能不斷減少，景觀脆弱性不斷增加。景觀生態安全狀態指數的最小值從1988年的0.125降低到2005年的0.033，最大值從0.933降低到0.917，表明景觀結構穩定性、生態服務功能均向低值方向發展(圖2)。

空間分布上，景觀結構穩定的地區集中在東莞市自然保護區、清溪森林公園、觀音山森林公園、大屏樟森林公園、蓮花山森林公園、大嶺山森林公園、同沙森林公園和樟木頭林場。道路周圍和市中心、鎮中心周圍的景觀破碎度越來越大、生態結構穩定性越來越低，生態服務功能越來越小。

2.3.3 景觀響應變化及空間分異

對東莞市1988、1997和2005年的景觀響應指數賦值，得到景觀生態響應變化空間分布(圖3)。隨著經濟的不斷發展，景觀生態服務功能的不斷降低，各級政府非常重視對自然保護區、森林公園的保護，景觀響應變化較小。在空間上，自然保護區和森林公園，以及水系分布區響應指數較高，其他地區響應指數響較低。

2.3.3 綜合景觀生態安全指數變化

圖2 東莞市景觀安全狀態指數Fig.2 Landscape security state distribution in Dongguan City

圖3 東莞市景觀生態響應指數Fig.3 Landscape response distribution in Dongguan City

根據式(8)計算東莞市1988、1997和2005年的綜合景觀生態安全指數并進行分級(圖4，表3)。結合東莞市實際，將景觀生態綜合指數分為4個級別，一級(低安全)、二級(中低安全)、三級(中高安全)和四級(高安全)。分級閾值通過案例判斷的方法來確定，即選擇不同年份的綜合指數和對應的公里網格遙感影像，結合對實地情況的描述，通過專家打分劃分案例的生態安全級別，采用相鄰案例間的顯著分割點作為分級的閾值，各級別間的閾值分別為 0.35、0.42 和 0.55。

圖4 東莞市景觀生態安全綜合指數Fig.4 Integrated landscape ecological security dynamics in Dongguan City

東莞市綜合景觀生態安全指數從1988年的0.497降低到1997年的0.436，到2005年的0.395，景觀生態安全分別處于中高安全狀態、中高安全狀態和中低安全狀態，景觀尺度上的生態安全越來越低。綜合景觀生態安全指數的最小值從1988年的0.137減小到2005年的0.098，最大值從0.841降低到0.788，表明景觀尺度上的生態安全整體向低值區發展。生態低安全(一級)的區域從1988年的3.70%增加到1997年的27.93%，到2005年的48.35%，生態低安全區域到2005年幾乎占了全市面積的一半(表4)，生態中低安全(二級)區域從1988年的16.00%降低到2005年的9.96%，而中高安全(三級)區域從1988年的53.55%降低到2005年的20.77%，高安全(四級)區域從1988年的26.74%降低到2005年的20.92%。

表3 東莞市綜合景觀生態安全指數統計Table 3 Statistics of integrated landscape ecological security index

表4 生態安全分級面積統計Table 4 Statistics of ecological security level areas

2.4 討論

(1)東莞市景觀生態安全變化的特征分析

從1988年到2005年，東莞市綜合景觀生態安全指數越來越低，表明區域生態安全不斷降低。生態低安全(一級)區域增加幅度最大，達到44.65%，增加的低生態安全(一級)區域主要來自于生態中低安全(二級)和生態中高安全(三級)區域的減少，分別減少6.04%和22.78%，而高生態安全(四級)區域基本保持穩定。

生態安全變化在空間上表現為:景觀結構和生態服務功能穩定的地區是生態高安全(四級)區域，主要集中在南部和東南部，包括東莞市自然保護區、清溪森林公園、觀音山森林公園、大屏樟森林公園、蓮花山森林公園、大嶺山森林公園、同沙森林公園和樟木頭林場。景觀結構越來越不穩定，破碎度越來越高，生態服務功能不斷降低，景觀受到脅迫越來越大的區域主要是建設用地聚集發展的區域，集中分布在市中心、鎮中心和道路周圍的區域，景觀生態安全不斷降低的區域與城市擴張的區域相一致。

生態安全變化在土地利用類型上表現為:生態高安全區域(四級)主要是森林公園、自然保護區和水系，在城市化過程中保持了相對穩定的景觀結構和生態服務功能;生態低安全(一級)區域主要是聚集的建設用地，生態中低安全(二級)區域主要是建設用地相對分散的區域，生態中高安全(三級)區域主要是耕地、園地和草地。在東莞市，耕地、園地和草地往往是城市化過程中首先轉換為城市用地的土地類型，也是生態安全變化最劇烈的地類。因此，景觀生態安全最主要的變化是中低安全(二級)和中高安全(三級)區域的大量減少而生態低安全(一級)區域大量增加。

(2)東莞市景觀生態安全變化的成因分析

快速城市化是形成區域景觀生態安全變化的主要成因之一。改革開放以來，由于廉價的勞動力和優惠的土地、稅收政策的吸引，越來越多的工業企業進入東莞市，導致了工業用地、商業服務業用地的高速擴張。隨著企業對勞動力需求的加劇，越來越多的人口高速聚集到東莞市，加速了商住用地的進一步擴張。建設用地的高速擴張占據了大量的農用地，生態景觀受到的脅迫越來越大，景觀結構穩定性逐步降低，生態服務功能不斷降低，景觀生態安全逐步降低。

(3)保持景觀生態安全的建議

東莞市景觀生態安全變化中，“源景觀”(主要包括森林公園、自然保護區)和景觀廊道(主要河流)在快速城市化過程中受到的脅迫相對較小，保持相對穩定的景觀結構和生態服務功能，而生態安全的降低主要是耕地、園地和草地等生態景觀不斷減小，建設用地不斷增加造成的。為保持區域內較好的生態安全狀態，需要繼續保護生態“源景觀”和景觀廊道，進一步降低人類對自然景觀的脅迫;同時，以新一輪土地利用總體規劃為依據，加強建設用地復墾的力度，盡可能減少建設用地總量，增加生態用地數量，增強景觀生態服務功能。考慮到建設用地開發強度對景觀生態安全的影響，進一步調整建設用地的空間布局，通過城市規劃，分區域分產業門類控制建設用地密度，進一步增加城市綠地，增加城市和工業區內部生態用地的比例，通過調整建設用地空間布局增加局部景觀的生態服務功能達到增加總體生態安全的目的。

3 結論

為研究城市化快速發展地區的生態安全時空發展變化過程，基于PSR概念框架模型，以30 m×30 m像元為基本評價單元，以評價單元為中心的1 km×1 km的滑動模板的值作為該評價單元的指標值，在景觀尺度上建立生態安全評價指標體系，以城市化快速發展的東莞市為例，評價了1988—2005年的景觀生態安全程度。研究結果表明，采用的以像元為中心的1 km×1 km的滑動模板的值作為該評價單元的指標值，可以有效解決景觀結構、建設用地開發利用強度等指標的計算問題，而且生態安全分級時各級間邊界更為光滑;景觀尺度上的生態安全評價可以反映生態安全的時空變化規律，為生態安全的區域可持續發展政策制定提供科學依據。致謝:感謝加拿大萊斯布里奇大學地理系Ian Maclachlan教授潤色英文摘要，特此致謝。

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