海岸線與海岸景觀格局對人為干擾度的動態響應
——以營口市南部海岸為例

劉富強,吳 濤,,*,蔣國俊,Xuelian Meng,童麗穎,張 勇,索安寧,朱麗東

1 浙江師范大學 地理與環境科學學院, 金華 321004 2 Louisiana State University,College of Humanities & Social Sciences, Baton Rouge, USA,70803 3 國家海洋環境監測中心,大連 116023

海岸線與海岸景觀格局對人為干擾度的動態響應
——以營口市南部海岸為例

劉富強1,吳 濤1,2,*,蔣國俊1,Xuelian Meng2,童麗穎1,張 勇1,索安寧3,朱麗東1

1 浙江師范大學 地理與環境科學學院, 金華 321004 2 Louisiana State University,College of Humanities & Social Sciences, Baton Rouge, USA,70803 3 國家海洋環境監測中心,大連 116023

利用多期遙感數據,提取營口南部海岸五期岸線變化信息、分維值,并利用Arcgis10.2中漁網工具創建評價單元。計算景觀格局指數,構建人為干擾強度指標,并進一步探討岸線變化和景觀格局變化對人類活動的動態響應。結果表明：(1)研究區圍墾導致岸線長度增長、岸線分形維數的增大,1990—2015年四個時段中岸線年增長速率為0.52%、0.53%、4.98%和0.96%；(2)景觀格局指數反映2005年之前景觀邊界、形狀復雜程度與破碎程度有所增加；2005年之后景觀形狀趨于規則化、土地利用趨于均衡化；(3)研究期間強干擾和弱干擾區域面積均有所增加,中等干擾強度區域面積減小；(4)斑塊密度、總邊緣長度、邊緣密度、景觀形狀指數和平均分維值均與平均干擾強度指數變化同步。Shannon多樣性指數與人為干擾強度變化呈反相關；(5)岸線長度變化和岸線分形維數變化都與人類干擾度呈反相關,相關性分別為-0.97和-0.98。

景觀格局指數；人為干擾度；分形維數；岸線變化

海岸帶地區是海洋與陸地相互作用形成的獨特生態過渡帶[1- 2]。具有復雜的生態系統結構,多樣的功能,在防災減災、調節氣候、維持生物多樣性和區域生態安全等方面發揮著及其重要的作用,是沿海地區經濟社會可持續發展的重要生態保障[3]。同時,海岸帶地區又是人類活動影響最密集,強度最大的地區之一。近年來,我國沿海地區經濟發展和沿海城市人口快速增長,海岸帶地區人地矛盾日益突出,生態系統完整性受到嚴重的威脅[4- 5]。

人為干擾與景觀格局變化響應機理分析已成為地理學與景觀生態學研究領域的國際熱點,被廣泛地應用于農業、林業、環境以及城市等諸多領域的生態評價研究[6- 10]。本文以營口南部海岸帶為研究對象,通過分析不同時期人類地表活動過程及其干擾強度對海岸線及海岸帶景觀類型演化的響應機制分析,希翼對深入理解海岸帶人為干擾過程及景觀變遷響應有所裨益,為我國海岸帶開發及其保護規劃提供科學借鑒。

1 研究區域概況

營口市南部海岸(122°5′—122°25′E,40°25′—40°40′N)位于遼東灣頂部,大遼河入海口以南,營口市區渤海大街至蓋州團山基巖海岸之間,區域總面積300 km2。該區域原為平坦開闊的遼東灣淤泥質灘涂濕地,1950年代的在全國圍海曬鹽熱潮下,淤泥質灘涂被圍海建造鹽田,發展海水曬鹽產業。20世紀末海鹽業發展緩慢,沿海部分水交換通暢的鹽田、灘涂被劃分改造成魚、蝦等水產養殖池塘,形成鹽田-養殖池塘復合景觀格局。新世紀以來,隨著遼寧沿海經濟帶發展戰略規劃的提出與實施,大片低產鹽田被回填成為營口市城市規模擴展、沿海產業基地建設的拓展空間,海岸景觀轉變為工業城鎮-鹽田-圍海養殖復合景觀格局。

圖1 研究區范圍示意圖Fig.1 Schematic diagram of study

2 數據來源與研究方法

2.1 數據獲取與處理

本文收集到能夠完全覆蓋研究區域且影像質量較好的5期衛星遙感影像,各期衛星遙感影像數據源參數見表1。

表1 本文采用的各期衛星遙感影像參數

在研究區域內均勻布設并測量地面控制點25個,利用ERDAS IMAGE9.2對各期衛星遙感影像進行精校正,校正方法參考相關文獻[11]。利用精校正好的高分一號衛星遙感影像和SPOT5衛星遙感影像對比檢查其他精校正影像的校正效果。在現場踏勘基礎上,將研究區域景觀類型劃分為鹽田、養殖池塘、建設地、道路、堤壩、農田、草地、湖泊、濕地、取排、荒草地、蘆葦濕地、水口共13種景觀類型,并建立每種景觀類型的遙感影像特征庫,各景觀類型描述見表2。以遙感影像特征庫為基礎,在ArcGIS10.0軟件支持下,首先對2005年采集的SPOT5衛星遙感影像和2015年采集的高分一號遙感影像進行人機交互式判讀[12],目視解譯得到2005年和2015年研究區景觀格局矢量數據。然后以2005年研究區景觀格局矢量數據為基礎,疊加1990年和2000年衛星遙感影像,根據遙感影像信息,目視解譯修改成1990年和2000年研究區景觀格局矢量數據；以2015年研究區景觀格局矢量數據為基礎,疊加2010年衛星遙感影像,根據遙感影像信息,目視解譯修改成2010年研究區景觀格局矢量數據。采用現場GPS驗證點,對遙感影像解譯的各期數據景觀斑塊類型進行精度評價,計算得出1990年、2000年、2005年、2010年和2015年遙感影像整體解譯精度分別為95%、96%、99%、98%和100%。

表2 海岸景觀類型分類描述與影像特征

2.2 研究方法

2.2.1評價單元構建

將營口南部海岸的五期(1990年、2000年、2005年、2010年和2015年)矢量數據添加到Arcmap10.2中,以研究區域作為底圖,利用ArcGIS10.2數據管理模塊下的創建漁網工具,構建以研究區為范圍的800m×800m網格,每個網格作為一個評價單元。

2.2.2人為干擾度計算

采用干擾度7分制的分級標準如表3所示。該標準經過前人大量的實證和改進[13- 15],對比其它相關分級標準,該標準以遙感數據和土地分類系統為基礎,更具有可操作性和可對比性。

表3 干擾強度等級及說明[13- 15]

參考前人研究成果,給出干擾指數的計算方法,如公式3

(1)

式中，M為干擾指數,n為干擾度等級(n=7),h為干擾度,fn為干擾度等級為h的用地類型面積比值。計算每個評價單元的干擾指數,并將計算結果作為網格中心點值,在ArcGIS空間分析模塊中,進行柵格差值,生成營口南部海南人類活動干擾度時空分布圖。

2.2.3分形維數計算

利用網格法計算岸線分形維數,計算公式如(2)所示：

N(r)=r-D

(2)

當網格長度r取不同值時,N(r)也對應不同的值。然后在雙對數坐標軸中以r為橫軸,lnN(r)為縱軸作散點圖,然后對點做回歸分析可以得到公式(3)：

lnN(r)=-Dlnr+lnC

(3)

式中C為待定常數,D即為被測海岸線的分形維數。采用不同的r值和對應的N(r)值,通過擬合分析即可得到分形維數D(r的取值分別為50、100、200、400、8000、1600、3200m)。

得到岸線分形維數后,引進公式(4),計算分形維數的變化強度。

(4)

式中：FCIij為第i年至第j年岸線分形維數的變化強度；Fi為第i年海岸線的分形維數；Fj為第j年海岸線分形維數。

2.2.4岸線長度變化強度

為了客觀對比各個時段海岸線長度變化速度的時空差異,采用某一段時段內海岸線長度的平均變化百分比來表示海岸線的變化強度[16]。

(5)

式中：LCIij為第i年至第j年海岸線長度變化強度(Length Change Intensity)；Li為第i年海岸線的長度；Lj為第j年海岸線長度。

圖2 不同時期的岸線變化Fig.2 The shoreline changes in different periods

2.2.5景觀格局指數計算

景觀格局指數在景觀生態學研究中被廣泛應用[17- 18]。本文根據研究區域景觀分布特征、研究目的、研究內容以及景觀格局指數的生態學意義,在類型、斑塊及景觀水平尺度上選取7個景觀格局指數,分別為景觀面積(TA)、Shannon多樣性指數(SHDI)、斑塊密度(PD)、邊緣密度(ED)、景觀形狀指數(LSI)、平均分維數(FRAC_MN)、總邊緣長度(TE)。在fragstats軟件中進行相關計算。

3 結果分析

3.1 岸線長度及分形維數變化

自1990—2015年,營口南部海岸岸線長度逐年遞增,從1990年的41.7km,增長到2000年的43.86km,2005年的46.17km,2010年的69.15km,最后2015年達到了75.8km(圖2、圖3)。其中1990—2000年間,岸線年增長速率為0.52%,2000—2005年間岸線年增長速率為0.53%,2005—2010年間,岸線年增長速率突然增大到4.98%,2010—2015年間,岸線年增長速率降低為0.96%。岸線長度的變化導致了岸線分形維數的變化,根據公式2,3計算岸線分形維數值,從圖3中看出,分形維數的變化趨勢與岸線變化趨勢保持一致,即隨岸線的增長而增大。岸線長度與分形維數的相關系數為0.93,而岸線變化強度與分形維數變化強度的相關系數為0.99。

圖3 岸線長度與分形維數關系 Fig.3 The relationship between Coastline Length and fractal dimension

3.2 海岸帶景觀格局指數變化

在fragstats軟件中計算出整個研究區域1990年、2000年、2005年、2010年以及2015年7個類型及景觀水平尺度上的景觀格局指數,分別為景觀面積(TA)、Shannon多樣性指數(SHDI)、斑塊密度(PD)、邊緣密度(ED)、景觀形狀指數(LSI)、平均分維數(FRAC_MN)、總邊緣長度(TE),計算結果如表4所示：

由表4分析可知,景觀面積(TA)自1990年至2015年逐漸增大,而2005年至2015年此階段增加速度最快,此種變化主要與營口南部海岸圍墾面積增大有關。研究期間營口市南部海岸地區在研究期間斑塊密度和邊緣密度大體呈現出“低—高—低”的動態過程,表明從1990年到2005年期間,研究區域生態過程越來越活躍,而2005年至2015年期間,研究區生態過程逐漸趨于穩定。而景觀形狀指數(LSI)與平均分形維數(FRAC_MN)也呈現出同樣的變化趨勢,說明從1990年至2005年期間,整體的景觀邊界形狀復雜程度與破碎程度都有所增加,2005年后變化相反,表明景觀形狀趨于規則化發展。Shannon多樣性指數(SHDI),SHDI反映在研究期間,從2005年至2010年SHDI呈現出明顯增大趨勢,表明在此段時期內,土地利用類型在自然狀態下增加且趨于均衡化分布。

3.3 海岸帶人為干擾指數變化

為進一步探索營口南部海岸帶人為干擾度時空動態變化,在ArcGIS10.2中的漁網工具創建800m×800m的網格,每個網格作為一個評價單元,利用公式(1)計算出每個評價單元的干擾強度。并將計算結果作為網格中心點值,然后利用ArcGIS空間分析功能進行柵格插值,生成營口南部海南人類活動干擾度時空分布圖如圖4所示。

表4 景觀格局指數計算結果

圖4 研究區干擾強度變化Fig.4 Heremoby variation

從整體變化看,研究區域北部地區,人為干擾度從1990年到2015年顯著增強,并逐漸向南擴張,主要是因為城市化的發展,人類活動聚集地向南蔓延,大量原有的鹽田和低洼坑塘轉變為建筑用地和工業區。在研究區西部離海域較近的地區,自1990年到2015年人為干擾強度逐漸變弱,并且有從靠海較近向較遠的內陸地區蔓延的趨勢,原因在于圍墾養殖加劇,出現大量養殖池塘,使得干擾強度數值降低。東部地區人為干擾強度在1990年到2005年期間變化并不明顯,在2005年到2015年期間,朝著人為干擾強度較弱的方向發展,主要是由于大量的鹽田變為了濕地和草地。

分別計算出研究區域1990年、2000年、2005年、2010年以及2015年各干擾等級的面積變化,并結合實際將海岸帶人為干擾強度劃分為五個等級(低干擾強度：干擾等級≤3、中低干擾強度：3<干擾等級≤4、中干擾強度：4<干擾等級≤5、中高干擾強度：5<干擾等級≤6、高干擾強度：6<干擾等級≤7)；通過分析(表5)可以看出1990年到2005年間干擾等級為2(濕地)的面積逐步減少,主要因為人類活動使得天然濕地的面積逐步縮小,2005年到2010年間迅速增加,主要原因是人工濕地面積的大幅度增加,尤其是2008年營口市實施的五大工程之一的西炮臺濕地公園的建立,也是東北地區最大的城市濕地公園,人工湖區和湖心島及進入園區的林地面積達到30萬平方米,蘆葦蕩面積10萬平方米。而2010年至2015年間面積呈現下降趨勢主要是因為研究區東部大面積的濕地轉變為草地。干擾等級為3的區域面積在1990到2000年間完全消失,而在2005年到2010年迅速增加主要是研究區西北部大面積的鹽田轉變為荒草地,2010年到2015年間增加主要是研究區東部大面積濕地轉變為草地。干擾等級為4的區域面積在研究期間均呈上升趨勢而干擾等級為5的面積呈下降趨勢,主要原因是研究區域大量低效鹽田轉變為養殖池塘、建設用地、低洼坑塘等[19]。干擾等級為6的區域面積持續增加主要是因為城市化的擴張,使得建設用地面積增加。干擾等級為7的區域面積在研究期間變化較小,主要為道路與堤壩。從整體變化來看,隨著時間變化,干擾強度相對較弱區域的面積和相對較強區域的面積都有所增加,干擾強度較弱區域的面積增長更多,且2005年之前變化相對較小,而2005年之后變化較為強烈。

圖5 不同干擾等級的面積變化Fig.5 Area variation of different disturbance levels

3.4 海岸帶景觀格局指數對人為干擾強度的動態響應

海岸帶人為活動的不斷加強,導致其景觀空間結構、景觀多樣性和景觀破碎度對人類活動做出不同程度的響應。從景觀格局指數計算結果和干擾強度計算結果分析,可以看出景觀格局指數反映出來的信息和干擾強度變化反映出的信息具有一定的同步性。為進一步研究景觀格局指數對不同干擾強度的動態響應,計算出1900年、2000年、2005年、2010年以及2015年整個研究區域的平均干擾強度分別為4.94、4.96、5.51、4.59和4.46。

圖6 平均干擾強度與景觀格局指數變化趨勢Fig.6 The dynamic tendency of landscape pattern index and average Heremoby

由圖6可以明顯看出,在研究期間景觀格局指數斑塊密度(PD)、總邊緣長度(TE)、邊緣密度(ED)、景觀形狀指數(LSI)和平均分維值(FRAC_MN)均與平均干擾強度指數擁有同步變化趨勢,當人類活動在海岸帶地區加強時,斑塊密度(PD)、總邊緣長度(TE)、邊緣密度(ED)、景觀形狀指數(LSI)和平均分維值(FRAC_MN)也隨之增大,而人類活動減弱時,這幾個景觀格局指數趨于減小。此結果與孫永光[20]對大洋河口景觀格局對人為干擾動態響應研究結果基本一致,海岸帶景觀格局指數表明人類活動是影響區域景觀格局變化的驅動力之一。表明人類活動從1990年至2005年間人類活動不斷增強,生態過程較為活躍,景觀邊界形狀復雜程度與破碎程度都有所增加,2005年后變化相反,表明景觀形狀趨于規則化發展。2005年為此段時期內人類活動最為強烈、生態最為活躍的一個年份。

選取景觀格局指數中的Shannon多樣性指數(SHDI)來進一步探討景觀格局指數與人為干擾度之間的關系,在研究區域選取了30個評價單元,選取原則為以岸線附近人類活動較強的區域為主,同時兼顧離海岸較遠區域。通過計算每個評價單元的人為干擾強度和Shannon多樣性指數,所得結果如圖7所示,在選取的30個評價單元中Shannon多樣性指標與人為干擾度指數大致呈現出反相關的特征,人為干擾強度越高,Shannon多樣性指數數值越小,圖中矩形區域內的評價單元的Shannon多樣性指數和人為干擾度指數都能夠很好的一一對應。說明Shannon多樣性指數可以較好的表征人類活動的方向與強弱。因此,同樣可以說明人為干擾強度變化也是影響景觀格局變化的驅動因素之一。

圖7 人為干擾度與Shannon多樣性指數Fig.7 Relationship between Heremoby and SHDI

3.5 人為干擾度對岸線變化的影響

營口南部海岸岸線增長的主要原因是沿海地區圍海養殖用地的快速發展,導致岸線向海擴張。1990—2000年共新增土地面積252.9×104m2,其中圍海養殖用地占用地比例的74%,2000—2005年間,新增土地面積約180.6×104m2,圍海養殖用地占96%,2005—2010年間新增土地面積約1718×104m2,圍海養殖用地占85%,2010—2015年間新增土地面積約581×104m2,圍海養殖用地占99.98%(表5),圍墾面積變化與岸線長度變化速率和岸線分形維數變化強度保持一致。從表5中可以看出,圍海養殖用地的快速發展導致岸線形態發生了劇烈改變, 2005—2010年為該地區岸線變化最為劇烈的時段,岸線年變化強度達到了4.98%,而這一時段的圍墾總面積占近25年來的63%。同時通過研究發現,營口南部海岸圍墾類型屬于岸線增長型圍墾,該類型圍墾以某個區域為核心,不斷向海凸,導致海岸線向外海延伸,岸線變長。該類型的人類圍墾活動使岸線形態由“簡單”變為“復雜”。

表5 不同時間段新增土地面積及其利用類型/m2

圖8 岸線長度和岸線分形與干擾強度關系Fig.8 Relationship between Heremoby and the length of coastline(The fractal dimension of the coastline)a為岸線長度與干擾強度的關系；b為岸線分析與干擾強度的關系

營口南部海岸岸線長度增長,岸線長度變化與人為干擾強度呈現明顯的負相關(圖8a)。尤其是2005年后,營口南部海岸大范圍圍墾養殖,岸線向海突出,使得人為干擾指數趨于下降,岸線長度急劇增長。而分形維數的變化趨勢與人為干擾強度指數的變化也大致呈負相關。其中岸線長度與人為干擾強度的相關性達到了-0.97,岸線分形維數與人為干擾強度的相關性達到了-0.98。表明人類活動越弱,岸線長度變長,岸線的復雜程度越大。

4 結論

(1)自1990年到2015年期間,圍海養殖快速發展導致岸線形態發生了劇烈改變,岸線長度逐年遞增,其中1990—2000年間岸線年增長速率為0.52%,2000—2005年間岸線年增長速率為0.53%,2005—2010年間岸線年增長速率突然增大到4.98%,2010—2015年間岸線年增長速率降低為0.96%。岸線長度的變化導致了岸線分形維數的同步變化。

(2)景觀格局指數變化表明1990年至2005年期間整體的景觀邊界、形狀復雜程度與破碎程度都有所增加,而2005年至2015年期間,景觀邊界形狀的復雜度與破碎度趨于減小,表明景觀形狀趨于規則化、土地利用趨于均衡化。

(3)從整體變化來看,研究區北部干擾強度指數隨著城市化的推進而不斷增強；西南部沿海地區由于圍墾養殖而出現大量養殖池塘,使得干擾強度指數變低；東部地區2005年之前干擾強度指數變化不大,2005年以后東部地區大部分低效鹽田轉變為濕地、草地和受圍墾圍堰池塘致使干擾度指數降低。隨著時間變化,干擾強度相對較弱區域的面積和相對較強區域的面積都有所增加,且2005年之后增速較快。

(4)人類活動對營口南部海岸的景觀格局變化產生了巨大的影響。主要表現在景觀形狀、景觀邊界復雜度、景觀破碎化程度和景觀多樣性的變化；研究表明：1990年到2005年間,人類活動逐漸增強,景觀邊界、形狀復雜程度與破碎程度都有所增加,而2005年以后人類活動強度下降,景觀形狀、邊界復雜度和破碎化程度也隨之變小,景觀逐漸趨于規則化。景觀Shannon多樣性指數則與人為干擾強度變化呈反相關,在所選取的評價單元可以看出當人為干擾越大的區域、干擾活動越強,Shannon多樣性指數變小,因此說明人為干擾強度變化也是影響景觀格局變化的驅動因素之一。

(5)研究期間,營口南部海岸岸線長度變化與人類干擾度呈反相關,岸線分形變化與人為干擾強度變化也大致呈反相關。相關性分別為-0.97和-0.98。表明人類活動越弱,岸線長度變長,岸線的復雜程度越大。

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DynamicresponseofthecoastlineandcoastallandscapepatternstoHemeroby:AcasestudyalongthesouthcoastofYingkou

LIU Fuqiang1,WU Tao1,2,*,JIANG Guojun1, Xuelian Meng2,TONG Liying1,ZHANG Yong1,SUO Anning3,Zhu Lidong1

1CollegeofGeographyandEnvironmentalScience,ZhejiangNormalUniversity,Jinhua321004China2LouisianaStateUniversity,CollegeofHumanities&SocialSciences,BatonRouge,USA,708033NationalMarineEnvironmentalMonitoringCenter,Dalian116023,China

Multi-temporal remote sensing data were used to extract coastline change information and calculate fractal dimensions from 1990 to 2015 for the south coast of Yingkou. Fishnet tools in Arcgis10.2 were used to create the analysis units. This study explored the dynamic response of the coastline and coastal landscape patterns to Hemeroby along the south coast of Yingkou using landscape pattern and Hemeroby indexes. The results showed that (1) Reclamation increased the shoreline and coastline fractal dimensions. Shoreline annual growth rate were 0.52%(1990—2000), 0.53%(2000—2005), 4.98%(2005—2010), and 0.96%(2010—2015); (2) The landscape pattern index reflected the landscape boundary, complexity, and fragmentation of the landscape, which increased prior to 2005, but exhibited a decreasing trend thereafter. (3) During the study period, the areas of low and high Hemeroby increased, whereas the area of moderate intensity decreased. (4) Synchronous changes occurred in Patch Density,Edge Density,Total Edge,Landscape Shape Index,Mean Fractal Dimension and the Hemeroby Index. The Shannon diversity index was inversely related to human disturbance intensity. (5) The change in shoreline length and shoreline fractal dimensions was negatively correlated with the degree of human disturbance, with correlation coefficients of -0.97 and -0.98, respectively. This indicated that the weaker human activity was, the longer and more complex the shoreline became.

landscape pattern index; Hemeroby; fractal dimension; shoreline change

國家自然科學基金項目(41376120, KYZ04Y15098)

2016- 09- 21; < class="emphasis_bold">網絡出版日期

日期:2017- 07- 12

*通訊作者Corresponding author.E-mail: 121295149@qq.com

10.5846/stxb201609211902

劉富強,吳濤,蔣國俊,Xuelian Meng,童麗穎,張勇,索安寧,朱麗東.海岸線與海岸景觀格局對人為干擾度的動態響應——以營口市南部海岸為例.生態學報,2017,37(22):7427- 7437.

Liu F Q,Wu T,Jiang G J, Xuelian Meng,Tong L Y,Zhang Y,Suo A N,Zhu L D.Dynamic response of the coastline and coastal landscape patterns to Hemeroby: A case study along the south coast of Yingkou.Acta Ecologica Sinica,2017,37(22):7427- 7437.