鹽城海岸帶土地利用與景觀空間格局動態(tài)變化分析

夏成琪 毋語菲

（1.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100084；2.北京林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院，北京 100083）

濕地作為一種特殊的景觀，具有巨大的資源潛力，并且能夠提供多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，為人類社會提供較高的福祉[1-3]。海岸帶是濕地的重要組成部分，是海洋作用、大氣過程、地質(zhì)過程、生物作用和人類活動等各方面相互作用最為活躍的耦合帶[4]，不僅為人類生產(chǎn)和生活提供了多種資源，而且具有調(diào)節(jié)氣候、控制土壤侵蝕、降解污染物、美化環(huán)境、改善人居條件等多種功能，對維持區(qū)域和全球生態(tài)系統(tǒng)平衡具有重要意義[5]。江蘇鹽城海岸帶，地處江蘇中部沿海，是中國片連面積最大的、生態(tài)類型最齊全的典型淤泥質(zhì)潮灘濕地[6-7]。江蘇省海岸帶的獨特地理位置，使其成為南北球候鳥遷徙的重要驛站，是丹頂鶴全球最大的越冬地，為丹頂鶴等珍稀野生動物提供賴以生存的灘涂濕地生態(tài)系統(tǒng)，該地區(qū)建有中國最大的沿海灘涂濕地保護(hù)區(qū)[8-9]，在2019年被列入《世界遺產(chǎn)名錄》。近年來，該地區(qū)在全球氣候變暖等自然因素以及開發(fā)作業(yè)等人為因素的影響下，大量海岸帶景觀遭受破壞[10]。不少學(xué)者對該地區(qū)進(jìn)行了生態(tài)風(fēng)險評價[11]、植被覆蓋度[12]、景觀格局[13-14]的研究。景觀動態(tài)變化是自然、生物和社會要素相互作用的結(jié)果，研究景觀格局動態(tài)變化能揭示景觀演變的機(jī)制與規(guī)律，進(jìn)而預(yù)測景觀的未來變化趨勢，最終實現(xiàn)景觀的可持續(xù)利用[15]。景觀動態(tài)變化的分析方法主要有景觀格局指數(shù)與空間統(tǒng)計特征比較、馬爾科夫模型和景觀格局動態(tài)模擬等。運(yùn)用馬爾科夫模型仍能對景觀斑塊動態(tài)進(jìn)行有效定量描述并預(yù)測未來的景觀格局[16-17]。景觀格局指數(shù)可定量分析同時異地、同地異時、異時異地的景觀格局靜態(tài)和動態(tài)變化。相關(guān)研究都借助了GIS技術(shù)、Fragstats軟件及統(tǒng)計分析方法，定量分析了不同區(qū)域、不同尺度景觀格局特征[18-19]。

本研究選取鹽城海岸帶作為研究區(qū)域，利用景觀生態(tài)學(xué)的原理和方法，以RS和GIS等相關(guān)技術(shù)手段進(jìn)行支撐，研究該地區(qū)土地利用變化，以及分析該地區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、動態(tài)度和景觀格局指數(shù)，揭示該地區(qū)在近15 a內(nèi)的景觀動態(tài)變化的規(guī)律，以期為鹽城可持續(xù)發(fā)展以及該地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供參考。

1 研究區(qū)概況

鹽城海岸帶是典型的粉沙淤泥質(zhì)濕地，海岸帶長約530 km，其中中部包含了我國最大的灘涂濕地自然保護(hù)區(qū)之一的鹽城濕地珍禽國家級自然保護(hù)區(qū)[20]。本研究將研究區(qū)限定在鹽城射陽縣、東臺縣的東部沿海非城鎮(zhèn)部分，約2 300 km2的區(qū)域，地理范圍為120°18′～120°58′E，32°45′～34°00′N。該區(qū)屬濕潤季風(fēng)氣候，年均氣溫16.1 ℃，年降水天數(shù)100～105 d，年降水量852.6 mm。

鹽城海岸帶是淤積淤長型海岸帶、豐富多樣的灘涂濕地生態(tài)系統(tǒng)，孕育著異常豐富的動物資源。其中國家重點保護(hù)的一級野生動物有丹頂鶴（Grus japonensis）、白頭鶴（Grus monacha）、白鶴（Grus leucogeranus）等共14種，二級國家重點保護(hù)野生動物有85種，是東北亞與澳大利亞候鳥遷徙的重要停歇地，也是水禽的重要越冬地。特殊的氣候條件下發(fā)育出獨特的灘涂濕地生態(tài)環(huán)境，蘊(yùn)藏了較豐富的植物資源，區(qū)域植被屬暖溫帶禾草、雜草類鹽生草甸，植被以蘆葦（Phragmites communis）為主[21]。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究使用的景觀遙感數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站（http://www.gscloud.cn/）下載的2001年、2006年、2010年與2015年的4期鹽城的Landsat遙感影像（表1），選擇的4期遙感影像的云量均小于10%，遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，能夠滿足土地利用分類的需要。

表1 遙感圖像來源與具體參數(shù)Table 1 The data source and specific parameters of remote sensing images

本研究使用的社會、經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于鹽城年鑒。

2.2 土地利用分類

本研究采用最佳指數(shù)法和特征值法相結(jié)合，共同確定了最佳波段組合，Landsat TM的4、3、2波段，分別賦予紅、綠、藍(lán)色作為標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成的RGB波段。這一假彩色影像最關(guān)鍵的是突出了植被特征，并且能提供豐富的信息，能充分顯示各種地物特征的差別，便于分類，可以保證分類的準(zhǔn)確性。采用的Landsat系列圖像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正（FLAASH 模型）。按照確定好的研究區(qū)，繪制矢量圖形，對遙感圖像進(jìn)行裁剪，獲得本研究所需要的4期（2001年、2006年、2010年與2015年）預(yù)處理后的遙感影像。

通過ENVI 5.3軟件對4期預(yù)處理后的遙感影像采用Isodata非監(jiān)督分類方法進(jìn)行分類，將初始分類定義的20個類別進(jìn)行過濾、去除分析，基于《土地利用現(xiàn)狀分類》（GB/T 21010—2017）[22]國家標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合鹽城現(xiàn)有土地利用類型，合并成為6種類型：居民區(qū)、耕地、林地、灘涂、濕地、海洋。總體分類精度為81.69%，滿足本研究后續(xù)研究要求。

2.3 土地利用動態(tài)變化分析

2.3.1 面積轉(zhuǎn)移矩陣

轉(zhuǎn)移矩陣表示區(qū)域土地利用的轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)、方向等特征，反映研究區(qū)從T向T+1時段內(nèi)，景觀實際狀態(tài)下的轉(zhuǎn)變過程，從而揭示景觀格局在某時間段內(nèi)動態(tài)變化的具體過程[16]，其表達(dá)形式：

式中：Sij為研究初期和末期土地利用狀態(tài)，n為土地利用個數(shù)。向量為各種土地利用的面積，反映不同事情景觀結(jié)構(gòu)與其來源構(gòu)成。

2.3.2 變化速率指標(biāo)

1）單一土地利用動態(tài)度。單一土地利用動態(tài)度表達(dá)的是某研究區(qū)一定時間范圍內(nèi)某種土地利用的數(shù)量變化情況[23]，其表達(dá)式為：

式中：K為研究時段內(nèi)某一土地利用動態(tài)度；Ua、Ub分別為研究期初和研究期末土地利用的數(shù)量；T為研究時段長。當(dāng)T的時段設(shè)定為年時，K為研究時段內(nèi)某一土地利用的年變化率。

2）綜合土地利用動態(tài)度。綜合土地利用動態(tài)度表達(dá)的是某研究區(qū)一定時間范圍內(nèi)整體景觀的變化情況[23]，其表達(dá)式為：

式中：LUi為監(jiān)測起始時間第i類土地利用面積；ΔLUi－j為監(jiān)測時段第i類土地利用轉(zhuǎn)為非i類土地利用面積的絕對值；T為監(jiān)測時段長度。當(dāng)T的時段設(shè)定為年時，LC的值就是該研究區(qū)土地利用年綜合變化率。

2.3.3 景觀空間格局分析

本研究在類型水平和景觀水平上選取了11個指標(biāo)。其中，能夠表征景觀破碎化程度的指數(shù)有斑塊平均面積（AREA_MN）、斑塊密度（PD）和邊界密度（ED）；表征景觀復(fù)雜程度的指數(shù)有景觀形狀指數(shù)（LSI）和周長面積分維數(shù)（PAFRAC）；表征景觀連通性的指數(shù)有聚合度（AI）、聚集度（CONT）和斑塊內(nèi)聚力指數(shù)（COHESION）；表征景觀均衡程度的指數(shù)有Shannon多樣性指數(shù)（SHDI）、Shannon均勻度指數(shù)（SHEI）、Simpson多樣性指數(shù)（SIDI）。

2.4 驅(qū)動因素分析

選取同一時期影響土地利用的自然指標(biāo)（如年降水、年平均溫度）和社會經(jīng)濟(jì)指標(biāo)（如人均收入、固定資產(chǎn)投資、城鎮(zhèn)化率、GDP）分別與6種土地利用類型兩兩進(jìn)行相關(guān)性分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用動態(tài)變化特征

3.1.1 土地利用時空變化特征

鹽城土地利用類型空間分布見圖1。各類土地利用面積統(tǒng)計可以看出，各土地利用面積占比大小分別為耕地（36.1%～45.9%）＞濕地（24.7%～35.9%）＞灘涂（12.4%～25.4%）＞林地（3.9%～9.7%）＞海洋（1.5%～7.1%）＞居民區(qū)（0.3%～0.9%）（表2）。

圖1 2001—2015年鹽城海岸帶土地利用空間分布Fig.1 Spatial distribution of land use in coastal zone of Yancheng City from 2001 to 2015

表2 2001—2015年鹽城海岸帶土地利用特征Table 2 Characteristics of land use in coastal zone of Yancheng City from 2001 to 2015

從土地利用的結(jié)構(gòu)上來看，該地區(qū)對糧食生產(chǎn)的重視程度不斷大，2001—2015年耕地面積擴(kuò)大了227.0 km2。濕地主要是人工濕地，包括魚塘和海鹽田，濕地面積的變化表明了養(yǎng)殖業(yè)和曬鹽產(chǎn)業(yè)的面積在2010年到達(dá)了頂峰。海岸帶處于射陽河口至新港岸段以南的泥沙淤漲地帶，屬于淤積淤長型海岸帶，泥沙主要來源于長江含沙水流入海[18]，2001—2015年灘涂往東側(cè)一直擴(kuò)張，但由于人類活動范圍擴(kuò)張，灘涂不斷被改造成其他土地類型，因此2001—2015年間其面積下降了292.4 km2。海洋面積減少同樣是因為該海岸線是淤積淤長型海岸帶，在該研究范圍中，海岸線不斷向東進(jìn)，2001—2015年海洋面積下降了143.2 km2。林地在景觀中主要是作為防護(hù)林，零星分布在耕地間、河邊，面積呈現(xiàn)先增（2001—2006年）后減（2006—2010年）再增（2010—2015年）的趨勢，2001—2015年間增加了81.0 km2。居民區(qū)在景觀中面積占比最小，通常分布在耕地邊上。人口的增加，人為活動范圍的增大，使得居民區(qū)面積增長了14.4 km2。

3.1.2 土地利用轉(zhuǎn)移特征

鹽城海岸帶不同研究時間段土地利用轉(zhuǎn)移面積見表3。由表3可知，15 a間6類土地利用都發(fā)生了一定數(shù)量的轉(zhuǎn)移。從轉(zhuǎn)出角度看，15 a間，海洋（87.1%）＞居民區(qū)（79.1%）＞林地（76.6%）＞灘涂（74.7%）＞濕地（35.8%）＞耕地（24.3%）。從轉(zhuǎn)入角度看，濕地、海洋、泥地、耕地、林地、居民區(qū)最大轉(zhuǎn)入的土地利用分別是灘涂（229.7 km2）、灘涂（3.7 km2）、海洋（109.6 km2）、濕地（158.3 km2）、耕地（126.7 km2）、耕地（8.3 km2）。2001—2006年，各類土地利用轉(zhuǎn)變成其他類型比例的大小為林地（78.4%）＞居民區(qū)（73.8%）＞海洋（59.7%）＞灘涂（55.6%）＞濕地（22.9%）＞耕地（22.0%）；2006—2010年，各類土地利用轉(zhuǎn)變成其他類型比例的大小為居民區(qū)（87.3%）＞林地（85.3%）＞海洋（75.5%）＞灘涂（36.7%）＞耕 地（25.9%）＞濕 地（14.4%）；2010—2015年，各類土地利用轉(zhuǎn)變成其他類型比例的大小為居民區(qū)（81.2%）＞林地（65.7%）＞海洋（52.5%）＞灘涂（48.7%）＞濕地（32.5%）＞耕地（21.4%）（表3）。

表3 鹽城海岸帶不同研究時間段土地利用轉(zhuǎn)移面積Table 3 Land use area transfer for different research periods in coastal zone of Yancheng City km2

3.1.3 土地利用變化速率

從綜合地利用動態(tài)度來看，2001—2006年、2006—2010年、2010—2015年的動態(tài)度分別為3.72%、3.91%、3.33%，說明景觀變化速率在2006—2010年變化最快，2001—2015年整體的綜合景觀動態(tài)度為1.44%，小于任何一個單期的時間段（表4）。

表4 2001—2015年鹽城海岸帶土地利用動態(tài)變化Table 4 Land use dynamics of coastal zone of Yancheng City from 2001 to 2015 %

從單一土地利用動態(tài)度來看，2001—2006年海洋、灘涂呈現(xiàn)負(fù)增長，濕地、耕地、林地、居民區(qū)為正增長，這一時間段居民區(qū)面積相對變化率最大；2006—2010年海洋、耕地、林地呈現(xiàn)負(fù)增長，濕地、灘涂、居民區(qū)為正增長，這一時間段海洋面積相對變化率最大；2010—2015年，海洋、耕地、林地、居民區(qū)為正增長，這一時間段林地面積相對變化率最大；2001—2015年濕地、耕地、林地、居民區(qū)為正增長，這一時間段海洋面積變化最劇烈。此外，居民區(qū)面積在2001—2006年變化的最快；濕地、海洋面積在2006—2010年變化的最快；灘涂、耕地、林地面積在2010—2015年變化的最快（表4）。

3.2 土地利用變化驅(qū)動力分析

鹽城海岸帶土地利用變化驅(qū)動力相關(guān)性分析見表5。鹽城海岸帶土地利用變化受到了自然因素和社會經(jīng)濟(jì)因素驅(qū)動力的共同作用。從自然因素看，溫度與海洋面積呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.986；降水與灘涂面積呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），相關(guān)系數(shù)為-0.986，與居民區(qū)面積呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），相關(guān)系數(shù)為0.964。從社會經(jīng)濟(jì)因素看，只有城鎮(zhèn)化率與灘涂面積呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），相關(guān)系數(shù)為-0.976，與居民區(qū)面積呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），相關(guān)系數(shù)為0.996。

表5 鹽城海岸帶土地利用變化驅(qū)動力相關(guān)性分析Table 5 Correlation analysis on driving forces of land use change in coastal zone of Yancheng City

3.3 景觀空間格局分析

3.3.1 類型水平格局變化特征

鹽城海岸帶斑塊水平格局指數(shù)見圖2。由圖2可知，耕地、濕地平均斑塊面積較大，斑塊之間連接性、團(tuán)聚程度最高。耕地、林地、濕地、居民區(qū)的斑塊密度、邊緣密度、景觀形狀指數(shù)呈上升趨勢，景觀破碎化、邊界被割裂的程度加劇，景觀復(fù)雜程度、曲折層度加大；灘涂反之。耕地、灘涂、濕地的聚集度指數(shù)、斑塊內(nèi)聚力指數(shù)較高且穩(wěn)定，說明其連通性好并受其他因素干擾較少；海洋、林地景觀連通性呈現(xiàn)下降的趨勢；居民區(qū)的連通性比較低，但逐年上升。

圖2 鹽城海岸帶斑塊水平格局指數(shù)Fig.2 The patch-level landscape index of coastal zone of Yancheng City

3.3.2 景觀水平格局變化特征

鹽城海岸帶景觀水平格局指數(shù)見圖3。由圖3可知，2001—2015年斑塊密度、邊界密度呈上升趨勢，斑塊平均面積呈下降趨勢，表明整個研究區(qū)域景觀破碎化加劇。景觀形狀指數(shù)和周長面積分維數(shù)能夠表征景觀的復(fù)雜程度，景觀形狀指數(shù)和周長面積分維數(shù)在2001—2006年有所上升，在2006—2010年有所下降，在2010—2015年大幅上升，這說明景觀的復(fù)雜程度逐漸呈現(xiàn)增加趨勢。聚集度和斑塊內(nèi)聚力指數(shù)能夠表征相同景觀的連通性，聚集度和斑塊內(nèi)聚力指數(shù)在2001—2010年呈上升趨勢，在2010—2015年呈下降趨勢，說明相同景觀在2010年連通性最好。Shannon多樣性指數(shù)、Shannon均勻度指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)能夠表征景觀由少數(shù)幾個主要土地類型控制的程度，進(jìn)一步表征景觀均衡程度，3個指數(shù)在2001—2015年逐漸呈下降趨勢，這說明景觀多樣化下降，分布變得不協(xié)調(diào)。

鹽城海岸出現(xiàn)了景觀破碎化加劇的趨勢，這是由于濕地、林地、耕地、居民區(qū)人工景觀類型無序擴(kuò)張的結(jié)果，破碎化導(dǎo)致了景觀被割裂的程度增加。景觀破碎化是景觀由勻質(zhì)、連續(xù)的整體趨向復(fù)雜、異質(zhì)、不連續(xù)的過程，因此無論是單一土地利用還是整體景觀的復(fù)雜程度和景觀破碎化程度都表現(xiàn)出一致的演變趨勢。景觀連通性能受到斑塊的大小、形狀、距離等因素影響，2010年景觀連通性較好，可能是因為研究區(qū)的2010年耕地平均面積較高。同樣，破碎化是景觀多樣性喪失的表現(xiàn)之一，因此研究區(qū)景觀多樣性同樣是呈現(xiàn)下降趨勢。

圖3 鹽城海岸帶景觀水平格局指數(shù)Fig.3 The landscape-level index of coastal zone of Yancheng City

4 結(jié)論與討論

整個研究期間，各土地利用面積占比大小分別為耕地＞濕地＞灘涂＞林地＞海洋＞居民區(qū)。研究區(qū)自然景觀面積比重逐年下降，人工景觀面積比重持續(xù)上升，主要表現(xiàn)為灘涂面積逐漸減少，耕地、濕地（魚塘與鹽田為主）、居民區(qū)面積增加，出現(xiàn)了自然灘涂景觀向人工的濕地（魚塘、鹽田為主）和耕地轉(zhuǎn)變的趨勢，不同土地利用在不同時間的變化速率不同，整個景觀在2006—2010年變動速率最快。本研究沒有考慮海洋面積受到潮汐漲落的影響，因此會對研究結(jié)果產(chǎn)生影響，在未來研究中需要考慮獲取的遙感圖像在1天中時間上的一致性。

濕地、林地、耕地、居民區(qū)等利用類型無序擴(kuò)張，導(dǎo)致其類型水平景觀破碎化加、邊界被割裂的程度加劇，景觀復(fù)雜程度加大，進(jìn)而導(dǎo)致整個鹽城海岸帶景觀的景觀水平格局指數(shù)反應(yīng)了反映出景觀破碎化加劇，景觀整體形狀趨于復(fù)雜，景觀多樣性下降，分布變得不均衡的變化趨勢。景觀格局指數(shù)的變化是由各個土地利用轉(zhuǎn)變所造成的，更是各種驅(qū)動因素造成。景觀格局對當(dāng)?shù)厣锒鄻有员Ｗo(hù)（尤其是候鳥遷徙）十分重要，因此需要在發(fā)展經(jīng)濟(jì)合理保護(hù)景觀格局。

在2001—2015年這個時間維度看，社會經(jīng)濟(jì)因素（包括人均收入、固定資產(chǎn)投資、城鎮(zhèn)化率、GDP）對鹽城海岸帶土地利用變化的關(guān)聯(lián)相較于自然因素（包括降雨、溫度）更大，因此說明，該地區(qū)土地利用變化是主要受到人為驅(qū)動力控制的。其中，灘涂、耕地、居民區(qū)的面積主要受到社會經(jīng)濟(jì)因素的驅(qū)動而發(fā)生變化，濕地、海洋、林地的面積受到自然因素的驅(qū)動而發(fā)生變化。賀肖芳等[12]、何春華等[14]、劉力維等[24]同樣發(fā)現(xiàn)人為因素是該地區(qū)土地利用變化的關(guān)鍵驅(qū)動因素。

遙感影像成為景觀動態(tài)變化分析的主要數(shù)據(jù)來源，本研究使用的4期鹽城海岸帶遙感圖像空間分辨率為30 m，精度不是很高，在一定程度上會影響遙感分類結(jié)果，如灘涂面積在整體上呈現(xiàn)減少趨勢，但在2006—2010年呈現(xiàn)小幅增加，推測是遙感精度不高造成的誤差。為了提高研究的精度，可采用更高分辨率的QickBird和IKONOS影像進(jìn)行分類。在進(jìn)行遙感影像分類時，可以采取監(jiān)督分類、面向?qū)ο蠓诸惖确椒ㄌ岣叻诸惥取?/p>

研究區(qū)為候鳥遷徙的重要停歇地，也是水禽的重要越冬地。候鳥多數(shù)生存在濕地、灘涂這類的生態(tài)系統(tǒng)中，研究區(qū)的濕地多數(shù)為海鹽田、魚塘之類的人工濕地，當(dāng)?shù)厝嗣駷榱吮Ｗo(hù)自身財產(chǎn)會在這些土地上驅(qū)逐候鳥。盡管由于泥沙淤積，自然生態(tài)系統(tǒng)灘涂往東擴(kuò)大，但是人為活動侵占了其面積，這減少了候鳥的棲息空間，不利于生物多樣性保護(hù)。在今后的規(guī)劃中，需要保護(hù)好自然生態(tài)系統(tǒng)，維持鳥類等生物生存的空間。傳統(tǒng)印象中，社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展會對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響，如破壞區(qū)域景觀格局會使得野生動物棲息地減少等。然而兩者其實是可以兼容，每個地區(qū)可以根據(jù)自身的優(yōu)勢發(fā)展綠色產(chǎn)業(yè)，通過發(fā)展綠色產(chǎn)業(yè)來實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)保護(hù)[25]，如在鹽城候鳥保護(hù)區(qū)發(fā)展旅游業(yè)等。鹽城擁有獨特的海岸帶生態(tài)系統(tǒng)，政府在發(fā)展當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)時應(yīng)該要更好得利用這種資源，樹立可持續(xù)發(fā)展的觀念。