黃河三角洲高效生態經濟區土地利用變化及其與生境質量的相關性

賈艷艷, 王少杰, 劉福勝, 于東明

(1.山東農業大學 林學院, 山東 泰安 271018; 2.山東農業大學 水利土木工程學院, 山東 泰安 271018)

生境質量，又稱棲息地質量，是指在一定的時空范圍內生態系統提供適宜個體和種群持續生存與繁衍的能力，是一種重要的生態系統服務，穩定的生境質量是維持生態系統生物多樣性的重要基礎[1-2]。隨著城鎮化發展，大規模的人類開發建設活動使土地利用方式、強度、格局等發生了深刻變化，導致生境質量退化，進而影響生物多樣性[3]。因此，開展生境質量評估對生物多樣性保護、生態環境保護具有重要意義。InVEST(integrated valuation of ecosystem services and tradeoffs)模型由斯坦福大學、世界自然基金會以及大自然保護協會聯合開發[4]，全稱為生態系統服務和權衡的綜合評估模型，涵蓋淡水、海洋與陸地三大生態系統，模型中的生境質量模塊被國內外學者廣泛用于評估生境質量。如，國外學者利用InVEST模型評估了非洲西部地區的生境質量[5]、印度尼西亞Sumatra地區的老虎棲息地生境質量[6]、澳大利亞維多利亞州中北部生產景觀中的生物多樣性等[7]。目前，基于土地利用變化的生境質量評估以及揭示土地利用變化對生境質量影響是研究熱點之一。包玉斌等[2]利用InVEST模型并結合斑塊數、邊緣密度等表征生境破碎化的景觀指標評估了陜西省黃河濕地自然保護區生境質量以及土地利用變化對生境的影響；王耕等[8]采用InVEST模型和表征人類干擾強度的3個景觀指標，揭示了老鐵山自然保護區人類干擾強度與生境質量的時空變化及相關性；王惠等[9]利用InVEST模型和地理加權回歸模型分析了張家口市耕地、林地、草地、建設用地變化對生境質量的影響；鐘莉娜等[1]利用InVEST模型分析了土地整治前后用地變化對生境質量時空變化的影響；薛曉玉等[10]利用InVEST模型研究了祁連山地區土地利用變化對生境質量的影響。黃河三角洲地區是中國三大河口三角洲之一，土地后備資源優勢突出、自然資源豐富，生態區位極其重要，對維持黃河流域生態環境穩定具有重要意義，同時在環渤海地區發展中具有重要戰略地位[11-12]。2009年國務院通過了《黃河三角洲高效生態經濟區發展規劃》，黃河三角洲高效生態經濟區(下文簡稱“黃三角經濟區”)的開發建設上升為國家戰略，進入快速發展階段。然而，該區域是中國典型的生態環境脆弱區，不合理的開發極易破壞生態環境[11-12]。因此，開展土地利用變化及其與生境質量相關性研究，對黃三角可持續發展具有一定實踐價值。目前，有學者采用InVEST模型對黃三角相關地區生境質量開展研究：周方文等[13]評估了黃河三角洲濱海濕地生境質量；Li等[14]分析了2000—2015年東營市濱鳥棲息地生境質量變化；張文靜等[15]研究了山東半島沿海地區土地利用變化對生境質量的影響。然而，總體上針對黃三角經濟區生境質量評估的研究較少。基于此，本文以2000，2010和2018年的土地利用數據為基礎，采用InVEST模型、土地利用程度指數和雙變量空間自相關模型等方法，揭示21世紀以來黃三角生境質量的時空演變特征以及土地利用程度與生境質量的關聯特征，以期為黃三角土地利用規劃和生態環境保護提供一定參考。

1 研究區概況

黃三角經濟區(116°55′—120°19′E，36°25′—38°14′N)位于山東省北部地區，渤海灣南岸和萊州灣西岸，是以黃河歷史沖積平原和魯北沿海地區為基礎，向周邊延伸擴展形成的經濟區域，2009年上升為國家戰略[12]。區域范圍涉及東營、濱州兩市以及濰坊的壽光市、寒亭區、昌邑市，德州的樂陵市、慶云縣，淄博的高青縣和煙臺的萊州市，共19個縣市區，本研究區面積為25 473.47 km2。2018年，研究區年末總人口1 041.72萬人，地區生產總值9 850.18億元。屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年均氣溫14.6 ℃，年均降水量約620 mm，集中于夏季。研究區總體地勢低平，南高北低，沿黃河由西南向東北傾斜[16]。研究區內濕地資源優勢顯著，黃河、馬頰河、小清河等近20條河流水系縱橫境內，是中國暖溫帶上最完整、最廣闊、最年輕的河口濕地生態系統，形成了數量眾多的國家級自然保護地，包括黃三角經濟區和濱州貝殼堤島與濕地2處國家級自然保護區、黃河口和鶴伴山2處國家級森林公園、山東黃河島和濱州秦皇河等9處國家級濕地公園以及濱州市中海水利風景區、東營清風湖水利風景區等24處國家級水利風景區。據濕地中國(http:∥www.shidi.org/)，黃河三角洲自然保護區共有植物400余種、野生動物1 627種，其中有丹頂鶴(Grus japonensis)、東方白鸛(Ciconia boyciana)等國家一級保護鳥類12種和大天鵝(Cygnus cygnus)、灰鶴(Grus grus)等國家二級保護鳥類51種。黃三角經濟區處在多種生態系統交錯帶，擁有河海交匯、濱海灘涂景觀、油氣礦產等資源，獨具特色，被譽為中國“最具開發潛力的三角洲”，也是特殊的生態功能區和典型的生態敏感區[12,16]。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

基礎數據為2000，2010和2018年黃三角經濟區地區的土地利用/覆被柵格數據，空間分辨率為30 m，DEM數據空間分辨率為30 m，均來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http:∥www.resdc.cn)。根據《土地利用現狀分類(GB/T21010-2017)》和研究目的將研究區用地類型分為耕地(水田、旱地)、林地(有林地、灌木林、疏林地、其他林地)、草地(高覆蓋度草地、中覆蓋度草地、低覆蓋度草地)、濕地(河渠、湖泊、水庫坑塘、灘涂、灘地、沼澤地)、建設用地(城鎮用地、農村居民點、工礦交通用地)和未利用地(沙地、鹽堿地、裸土地、裸巖石質地、其他用地)6個一級類型和23個二級類型。社會經濟和人口數據來源于2001—2019年《山東省統計年鑒》《東營市統計年鑒》《濱州市統計年鑒》《濰坊市統計年鑒》《德州市統計年鑒》《淄博市統計年鑒》和《煙臺市統計年鑒》以及各區縣政府官網。

2.2 研究方法

2.2.1 基于InVEST模型的生境質量評估 InVEST模型中的生境質量模塊(Habiat Quality Model)將土地覆被與生物多樣性威脅因子相結合，是生境質量量化研究的重要工具[8-9]。本研究采用該模塊對黃三角經濟區地區21世紀以來的生境質量進行分析。生境質量計算公式為：

(1)

(2)

式中：Qxj為用地類型圖j中柵格x的生境質量;Hj為地類j的生境適宜度;k為半飽和常數,一般設置為生境退化程度最大值的1/2[1];z為模型默認參數,一般設置為2.5[17-18];Dxj為生境退化程度;R為脅迫因子個數;wr為脅迫因子r的權重;Yr為脅迫因子層在用地類型圖中的柵格個數;ry為用地類型圖中每個柵格上脅迫因子的個數;Sjr為j類型土地覆被對脅迫因子r的敏感性;irxy為柵格y中的威脅因子r對柵格x的影響;βx設置為1[1]。參考模型推薦值和相關研究[9,14-15],威脅源及生境類型對各威脅源的敏感度詳見表1—2。

表1 威脅源的最大影響距離、權重及其衰退類型

表2 不同土地利用類型的生境適宜度及對威脅源的敏感度

2.2.2 土地利用程度指數 土地利用程度在一定程度上體現了人類活動的干擾強度。隨著社會經濟發展和城鎮化建設，人類活動的干擾逐漸改變了土地的原始自然屬性，不同的土地利用類型代表不同的人類活動或土地利用程度特征[19-20]。土地利用程度指數的計算公式為：

(3)

式中：L為研究區土地利用程度指數;n為用地類型數量;Ai為第i類用地類型的面積(km2)；A為研究區總面積(km2)；Pi為不同類型的土地利用程度參數,表示不同土地利用類型人類改造、管理等活動的強度和屬性特征,其取值(表3)根據參考文獻[19-20]。

為了在更小尺度上揭示土地利用程度對生境質量的影響，根據研究區鄉鎮單元的大小以及計算工作量，在ArcGIS中利用網格法對研究區進行6 km×6 km的幅度采樣，共形成827個網格，計算每個網格的單位面積土地利用程度指數。

表3 不同土地利用類型的土地利用程度參數值(Pi)

2.2.3 雙變量空間自相關模型 空間自相關模型能夠反映某種因素在空間位置的相關程度，分為全局和局部空間自相關，多采用Moran’sI和Local Moran’sI指數描述，雙變量空間自相關能夠揭示不同要素空間分布的相關性[21-22]。本文依托該模型，利用GeoDa軟件，采用Moran散點圖和空間聯系的局部指標(LISA)進行空間自相關分析，依據空間分布關系將集聚類型劃分為高高聚集(H-H)、高低聚集(H-L)、低高聚集(L-H)和低低聚集(L-L)，探究土地利用程度和生境質量的空間相關特征。具體計算公式詳見參考文獻[23-24]。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化分析

黃三角經濟區各土地利用類型面積及占比表明(表4)，2000—2018年，耕地始終為優勢用地類型，3個時期占比均在61%以上；其次是濕地。近18 a來研究區各地類變化多樣，耕地先增后減，整體增加168.07 km2；林地先減后增，整體減少65.06 km2；草地減少1 506.39 km2；濕地占比由13.51%增至18.77%，增加1 338.70 km2，增幅為38.89%；建設用地增加1 421.87 km2，增幅達52.19%；未利用地先減后增，整體減少1 357.19 km2，減幅達93.04%，變化率最大。

表4 黃三角經濟區各土地利用類型面積及占比

為充分了解各用地類型的結構變化，構建土地利用轉移矩陣(表5)，分析可知，2000—2010年，耕地主要流向建設用地和濕地，由于城鎮化建設有1 370.40 km2的耕地轉為建設用地，占耕地轉出量的82.30%，主要分布在東營區、鄒平市、濱城區、廣饒縣、博興縣、壽光市；有256.85 km2耕地轉為濕地。林地減少70.34 km2，主要流向耕地和建設用地。草地主要流向耕地(697.54 km2)、濕地(676.90 km2)和建設用地(151.68 km2)。有250.96 km2的濕地轉為耕地，集中在河口區；有153.71 km2的濕地轉為建設用地，集中在寒亭區西北部，原因在于寒亭經濟技術開發區自2000年被確定為山東省“8321”工程中的8個省級重點開發區之一后進入大規模建設階段。有668.17 km2,150.00 km2的建設用地分別轉為耕地和濕地，均集中分布在東營市河口區，這與工礦廢棄地復墾、村莊歸并及濕地保護措施緊密相關。未利用地主要流向耕地、濕地和建設用地，42.13%的未利用地轉為耕地，主要分布在沾化區、墾利區、河口區、無棣縣的中部區域；39.50%的未利用地轉為濕地，主要集中在河口區、沾化區、無棣縣北部的濱海區域；13.67%的未利用地轉為建設用地，集中分布在河口區東北部濱海區域(因為該區域在2006年被批準設立東營港經濟開發區，其用地均為荒堿地)和東營區，2000—2010年東營區主城區及經濟技術開發區急劇擴張，大量未利用地被占用，這與《東營市土地利用總體規劃(1996—2010年)》中土地利用的基本方針相一致。

相較上一時段，2010—2018年各用地類型的轉出量均顯著減少。246.01和221.15 km2的耕地分別流向濕地、建設用地，其中耕地轉為濕地集中在河口區中部和昌邑市西北部，零散分布在墾利區、無棣縣、博興縣和鄒平市。林地和草地轉移不明顯。濕地主要流向建設用地，達212.13 km2，占建設用地增加量的47.67%，主要分布在河口區、東營區、壽光市、寒亭區、昌邑市和萊州市，表明建設用地對濕地生態空間的侵占依然嚴峻。同時，有83.40 km2的建設用地轉為濕地，集中在河口區東北部區域，這與黃河三角洲自然保護區的管理緊密相關。

表5 黃三角經濟區土地利用轉移矩陣 km2

3.2 生境質量時空變化分析

生境質量指數是0～1的連續變量，越接近1，生境質量越好，表明生物多樣性維持越好[9-10]。參考已有成果[25]，結合研究區實際情況，將生境質量劃分為低[0,0.1]、較低(0.1,0.3]、中等(0.3,0.5]、較高(0.5,0.7]和高(0.7,1]5個等級，各等級生境質量的面積及占比詳見表6，其空間分布如附圖11所示。

表6 黃三角經濟區不同等級生境質量面積、占比及生境質量平均值

3.2.1 生境質量時間上變化 各等級生境質量面積占比(表6)和轉移矩陣(表7)表明，黃三角經濟區生境質量總體上處于中等以上水平，處于中等、較高和高生境的面積達82%以上，這與研究區耕地面積廣闊和河流、湖泊、灘涂等濕地自然生境面積較大緊密相關。2000—2018年，低生境不斷增加，增加1 043.19 km2，增幅為33.49%，其中前10 a主要由中等轉化而來，占低生境增加量的74.68%，原因是城鎮化擴張大量建設用地侵占耕地；后8 a主要由中等、高生境轉化而來，分別占低生境增加量的49.94%和45.14%，結合上文，這一時段建設用地擴張主要是侵占耕地和濕地，使得生境適宜度較高的用地類型面積減少。較低生境呈波動減少趨勢，在前10 a急劇減少，減少1 283.42 km2，減幅為88.83%，主要流向中等和高生境。中等生境先增后減，整體減少420.84 km2，主要轉為低和高生境；前10 a有1 433.72和480.72 km2的中等生境分別轉為低、高生境；后8 a有223.05和260.01 km2的中等生境分別轉為低、高生境。較高生境不斷減少，由2000年的6.13%減至2018年的2.42%，其中前10 a主要轉為高、中生境，這一時期草地主要轉為濕地和耕地；后8 a主要轉為高生境，占轉出量的92.24%。高生境持續增加，占比由11.30%增為17.55%(其中前10 a增加顯著，增幅達42.07%)，結合上文，這一時期生境適宜度最高的濕地持續增加，使生境質量得到改善。2000，2010和2018年黃三角經濟區生境質量指數平均值分別為0.403 5，0.409 6和0.410 4(表6)，進一步表明研究區生境質量整體呈提升態勢。

但研究區各等級生境質量變化呈現“增—減—減—減—增”的特征，即生境質量變化表現為較低、中等、較高減少而高、低生境持續增加的“中段縮減、兩端增長”發展特征。

表7 黃三角經濟區生境質量轉移矩陣 km2

3.2.2 生境質量空間上變化 2000—2018年，黃三角經濟區生境質量空間分布與土地利用狀況基本吻合。空間分布上表現出顯著的異質性，呈現以濕地為主的濱海和黃河沿岸帶狀區域生境質量高、耕地和建設用地分布區生境質量普遍低的總體特征(附圖11)。低生境質量主要集中在各區縣的建成區和工礦企業分布區(如墾利區的孤東油田區域生境質量為低等級)，其中東營區低生境面積最大，原因在于東營區是東營市的中心區，經濟相對發達、人口眾多、產業密集，人類活動對生境干擾強度大；前10 a各區縣的低生境面積顯著增加，以東營區、濱城區、廣饒縣和壽光市尤為突出，結合前文可知前10 a上述各區域的建設用地擴張極為顯著，社會經濟發展對生境質量影響較大，因此，必須采取有效措施減少開發建設對生態環境的破壞。較低生境質量在2000年主要集中在河口區北部和沾化區中南部，之后顯著減少。較高和高生境質量分布在無棣縣、沾化區、河口區、墾利區、東營區、壽光市、寒亭區和昌邑市的濱海區域以及黃河沿岸，原因是該區域河海交匯，河湖、灘涂、沼澤等濕地多樣，生物多樣性豐富、自然資源多樣，生態環境較好。為更直觀地反映黃三角經濟區生境質量時空變化特征，借助ArcGIS中的柵格計算器功能獲得2000—2018年的變化結果，并采用自然斷點法將生境質量變化程度劃分為顯著下降、中度下降、基本不變、中度提升和顯著提升5個等級(附圖11)。由附圖11可知，2000—2018年黃三角經濟區生境質量變化程度呈明顯的地域差異性，河口區、沾化區和無棣縣的生境質量顯著提升，墾利區、壽光市、寒亭區和昌邑市的濱海區域生境質量為中度提升，主要得益于國家和地方政府加大對黃河三角洲國家自然保護區的保護管理力度、濕地生態恢復措施、刁口河流路生態補水工程等使濕地面積大量增加，以及自然保護地的建設，如黃河島國家濕地公園、壽光濱海國家濕地公園、昌邑濱海國家濕地公園等；但在生境質量提升的區域也存在局部區域生境下降現象，這種變化主要是人類活動的影響，如河口區、墾利區、東營區、壽光區和寒亭區，因此，必須加強高等級生境質量的連通性保護，防止生境破碎化。東營區、濱城區、鄒平市、博興縣、廣饒縣、壽光市、寒亭區的建成區生境退化嚴重，其中東營市、濱州市2018年的GDP分別是2000年的8.93和9.78倍，2000—2018年東營市和濱州市常住人口增長率分別為21.14%和10.06%，經濟發展、人口增加、城鎮擴張使土地利用程度增強，人地矛盾更為激烈，加大了生境威脅度。

3.3 土地利用程度與生境質量相關性分析

為進一步探明土地利用程度對生境質量的影響程度，引入雙變量空間自相關模型。借助ArcGIS的空間分析工具提取對應網格的平均生境質量指數，采用雙變量空間自相關模型分析土地利用程度(單位面積土地利用程度指數)和生境質量的空間關聯特征。結果表明(圖1)，散點主要分布在第二象限(H-L)和第四象限(L-H)，2000，2010和2018年的全局Moran′sI指數分別為-0.582 5，-0.731 8和-0.751 1，說明土地利用程度與生境質量在空間上呈顯著的負相關性，且相關性不斷增強，即土地利用程度越大，生境質量越低，反之，生境質量越高。LISA聚類分析表明，研究區土地利用程度與生境質量的集聚形態以低程度—高生境相關和高程度—低生境相關為主，低程度—高生境區主要分布在濱海區域，高程度—低生境區主要分布在各區縣的建成區。2000—2018年，低程度—高生境集聚分布面積持續增加，占比由14.42%增至17.24%，變化明顯區域主要為沾化區和河口區的北部濱海區域，主要原因在于山東省著力推進引供水體系建設和黃河入海流路治理，于2009年啟動了刁口河生態補水工程，之后又實施了汛前調水調沙，對黃河三角洲濕地有計劃地生態補水和多項濕地生態修復措施，并加大管理力度[26]，使退化濕地生境得到了修復，水生植物種類及鳥類數量顯著增加，生態效果顯著；高程度—低生境集聚分布面積占比由7.35%增至11.02%，變化明顯區域主要為東營區、濱城區、博興縣、廣饒縣、壽光市和鄒平市的建成區，主要原因是城鎮空間擴張力度大，耕地和濕地轉化為建設用地，使得生境威脅源地的面積顯著增加，從而導致低等級生境質量面積明顯增加。

圖1 黃三角經濟區生境質量與土地利用程度的Moran散點圖

4 討論與結論

4.1 結 論

(1) 黃三角經濟區主要用地類型是耕地和濕地。耕地先增加后減少；林地和草地整體呈減少趨勢；濕地和建設用地持續增加，增幅分別為38.89%和52.19%；未利用地減少顯著，減幅為93.04%。各用地類型間的轉換以耕地、草地和未利用地向建設用地及濕地轉換為主；相較前10 a，后8 a各用地類型轉出量顯著減少。

(2) 研究區生境質量總體上處于中等以上水平，中等、較高和高的占比之和達82%以上；生境質量整體趨于提升，但呈現較低、中等、較高減少而高、低生境持續增加的“中段縮減、兩端增長”發展特征。

(3) 研究區生境質量具有顯著空間異質性，高等級生境質量集中在以濕地景觀為主的濱海區域及黃河沿岸，呈帶狀分布；低等級生境質量集中在建設用地和耕地分布區。

(4) 黃三角經濟區土地利用程度與生境質量在空間上呈顯著負相關性，且相關性不斷增強；LISA聚集類型以低程度—高生境相關和高程度—低生境相關為主，且該兩類集聚分布呈增加趨勢。

4.2 討 論

土地利用變化是引起生境質量變化與生境破碎的重要因素[27]，黃三角經濟區各時期生境質量處于中等的面積占比最高，均在63%以上，這是由于各年份耕地面積占比高于61%，耕地作為一種生境威脅因子，其生境適宜度強于建設用地、鹽堿地，而低于濕地、林地、草地，又因耕地多分布于研究區中部平原區域，故中等生境多分布于研究區中部。2000—2018年，黃三角經濟區生境質量變化表現為“中段縮減、兩端增長”的發展特征；高生境質量集中在濱海和黃河沿岸的濕地生態系統區域，且面積不斷增加，與濕地景觀面積變化趨勢相一致，這主要得益于自然保護地的建設與管理和一系列濕地保護工作，2002年起黃河三角洲國家自然保護區通過修筑圍壩、引灌黃河水、增加濕地淡水存量等措施實施恢復濕地工程，并且自2009年黃三角經濟區發展上升為國家戰略以來，國家和地方政府針對黃三角經濟區濕地和生物多樣性保護也采取了一系列生態保護政策和恢復措施，如《全國濕地保護工程實施規劃(2011—2015年)》《山東省濕地保護辦法》《山東黃河三角洲國家級自然保護區詳細規劃(2014—2020年)》和刁口河流路生態調水工程等均對濕地保護起到積極作用；低生境質量集中在建成區，根據土地利用分析結果可知，2000年以來黃三角經濟區各區縣建設用地大量增加，其中以東營市中心區——東營區建成區擴張尤為顯著，而其生境質量退化也極為明顯，表明建設用地的增加是研究區生境質量最大的威脅。

研究區各等級生境質量在2010—2018年的轉出量均顯著少于2000—2010年的轉出量，這種變化特征與土地利用類型的轉出規律相一致。此外，本研究采用網格法揭示了單位面積土地利用程度指數與生境質量在空間上呈顯著負相關性，并且相關性不斷增強，進一步表明土地利用強度是影響生境質量的重要因素，整體上土地利用強度越大生境質量相對越差，原因是土地利用強度加大會使威脅源地的面積擴張，導致周邊區域生境退化。因此，針對高等級生境質量區要保護林草、濕地等生態源地，加強監管，嚴守生態保護紅線，防止建設用地侵占生態空間；針對低等級生境質量區要強化城鎮集約化發展，防止建設用地無序蔓延擴張，同時必須加強城市公園、濕地公園、街頭綠地、城市綠道等城鎮綠色空間的建設以改善生境質量。

在黃河流域大保護背景下，開展黃三角經濟區土地利用變化對生境質量影響研究對生物多樣性和生態環境保護起到一定支撐作用。黃三角經濟區在開發建設過程中，必須堅持“山水林田湖草生命共同體理念”，應依托境內的優勢景觀資源——濕地，加強濕地生態系統連通性保護，防止生境破碎化。InVEST模型在空間表達、生物量評估等方面具有優勢[4-10]，是目前進行生境質量評估應用較廣泛的模型，但模型中關于威脅源最大影響距離、生境敏感度等參數的設置以及生境質量等級劃分沒有統一標準，不利于同一時期不同地區間生境質量的比較。因此，在未來需關注關鍵參數的確定及其對結果的影響。此外，今后還需進一些揭示不同土地利用類型與生境質量的相關性及其對生境質量影響的空間分布特征。