丹東沿海地區土地利用變化對生境質量的影響研究

王耕，王佳雯

遼寧師范大學地理科學學院，遼寧 大連 116029

土地作為人類賴以生存的源泉，地球上各類生態系統的承載體，是人類社會發展過程中尤為重要的自然資源（Fleskens et al.，2009）。土地利用的類型、強度和格局變化受到自然條件和人類活動影響，土地利用的變化可能會導致土地生態系統結構和功能的改變，并對其生境質量狀況產生深刻的影響（王建華等，2010；陳佑啟等，2001）。生境質量是生態環境本質屬性的客觀存在，反映了一定時空內生態系統能夠提供給適宜個體與種群持續發展與生存條件的能力，生境質量在一定程度上可以反映研究區生物多樣性狀況（Fellman et al.，2015；Hillard et al.，2017）。基于土地利用變化對生境質量影響評價，可以闡明研究區土地的利用方式、利用強度格局變化是否合理，呈現生態環境的變化趨勢，這對土地可持續利用和生態文明建設具有重要意義（楊志鵬等，2018）。目前國內外對于生境質量的研究主要采用野外實地測量棲息地物種以建立指標體系的指標測量法研究范圍較小的區域，此方法不適用與大面積宏觀評估，其次也多采用以地類為斑塊的模型評估。該評價法更適用于監測大范圍研究區生境的全面變化，其中InVEST模型因其數據可得性好，空間分析能力強，評價結果精確度高（胡勝等，2014），在生境質量評價方面得到了較廣泛的應用。如劉智方等（2017）基于土地利用與社會經濟數據深入闡述了福建省生境質量退化的原因；黃木易等（2020）利用InVEST模型與地形位的方法分析了大別山區生境質量時空演化及景觀格局；榮月靜等（2016）應用 logistic和CA-Markov模型預測了南京市不同情景下的土地利用發展方向以及生物多樣性服務功能分布情況。上述研究工作的開展豐富了區域生境質量評估的研究案例，未來土地利用變化對區域生境質量的驅動機制研究仍是全球環境變化的研究熱點。

丹東市沿海地區地理位置重要，物質資源豐富，森林覆蓋率高，是吉林、遼寧兩省的重要“綠色屏障”，也是重要的水源基地、生態肺和木材等林副產品的主要產區、生物物種的基因庫，生物多樣性豐富（曹建洲等，2001）。評估生境質量的狀態、趨勢及其對人類福祉的影響，是當前國際生態系統服務研究領域的重要任務，對丹東沿海地區牢牢抓住綠色發展這個立腳點，推動生態文明建設繼續走在全省前列，釋放沿海經濟發展的潛力，激發沿江社會發展活力，享受生境質量提高帶來的綠色福利，使丹東沿海地區在東北亞開放的背景下加快綠色“一帶一路”進程具有重要意義（鄧宏兵，2017）。作為重要的港口城市，經濟的發展刺激城市擴張，圍填海造陸在創造經濟價值的同時也對地區生態造成干擾。基于此本文在分析了丹東市沿海地區 2000—2018年土地利用變化的基礎上，通過InVEST模型對生境質量進行了時空評價，探討了土地利用變化對生境質量的影響，旨在恢復生境質量低值區，協調好經濟發展與生態環境保護之間的關系，在生境質量良好的前提下促進經濟快速高效發展，為未來的土地利用規劃提供一定的理論支持。本文對加快丹東陸港建設，積極對接吉林“向南發展”戰略，推進“白通丹經濟帶”構建，促進鴨綠江旅游業健康發展，解決與人類密切相關的生態環境問題有重要影響，將生態環境作為丹東未來發展的后發優勢，對促進規模適度、布局合理的沿海城市空間發展體系形成具有積極影響。

1 研究區概況

丹東市沿海地區（39°30′—41°15′N，123°15′—125°50′E）位于丹東市東部和南部，包括東港市、振興區、元寶區、振安區和寬甸滿族自治縣5個區域（圖1），東與朝鮮隔江相望，南臨黃海，西部是丹東市鳳城區，西南與大連市毗鄰，北與本溪市接壤，總面積9155 km2（2018年）。研究區地勢北高南低，自東北向西南地貌依次為山地、丘陵、平原。森林面積位居前列，是遼寧東部重要的生態安全屏障。河流屬鴨綠江水系、大洋河水系和沿海水系，水資源豐富。地處東北亞中心地帶，東北亞經濟圈與環渤海、黃海經濟圈的重要交匯地，是集工商農貿旅游為一體的沿海、沿邊、沿江城市，交通便利，地理位置極為重要。

圖1 研究區概況圖Fig. 1 Regional overview map of the study area

2 數據與方法

2.1 數據來源與處理

本研究土地利用數據（2000、2005、2010、2015、2018年）來源于中國科學院資源環境科學數據中心（http://www.resdc.cn），數據分辨率為1 km×1 km。其中土地利用類型包括6個一級地類和25個二級地類，研究區域丹東沿海地區涉及了其中 20個二級地類，基于 ArcGIS對數據進行分類匯總，建立土地利用二級分類體系（如表1）。本文所有數據都統一采用Krasovsky_1940_Albers投影。

表1 土地利用分類體系Table 1 Land use classification system

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用變化測算

采用凈變化指數、總變化指數、凈變化速率來深入分析丹東市沿海地區土地利用類型變化的過程和發展趨勢，主要指數的計算方法見公式（1—3）（閆國振等，2017；王燕等，2020）。在此基礎上運用ArcGIS軟件的空間疊加功能，對研究區2000—2005、2005—2010、2010—2015、2015—2018年的各土地利用類型進行統計和疊加處理，得到土地利用類型轉移矩陣以計算出各類土地的流失去向。

式中，Cn、Ct和Sr分別代表某一土地利用類型面積的凈變化指數，總變化指數和凈變化速率，%；Ua、Ub分別為研究初期和末期該土地利用類型的面積，km2；ΔUout為研究時段內某一土地利用類型轉變為其他土地利用類型的面積之和，km2；ΔUin為同時期內其他土地利用類型轉變為該類土地利用類型的面積之和，km2；T為研究時段，a。

2.2.2 生境質量模型

InVEST模型是由美國斯坦福大學、世界自然基金會大自然保護協會聯合開發，用于評估生態系統服務的功能量與經濟價值，支持生態系統管理和決策的一套模型系統，包括生境質量、土壤保持等多種模塊（王志強等，2010）。本文采用InVEST模型中的生境質量（Habitat Quality）模塊，根據威脅因子的位置、威脅強度、最大威脅距離以及不同土地利用類型對威脅因子的敏感度，計算出生境質量與生境退化程度。本研究參照包玉斌等（2015）、劉園等（2019）、王保盛等（2020）的研究并結合現有數據及實地情況選取水田、旱地、城鎮用地、農村居民點和其他建設用地作為威脅源，參考模型推薦的數值得到威脅因子參數表（表2）。通過參考模型的推薦值、相關文獻（鐘莉娜等，2017；張文靜等，2019；張學儒等，2020）綜合相關專家意見以及當地實際情況，最終確定生境敏感性參數表（表3）。具體公式見參考文獻（吳健生等，2017）。

表2 威脅源的權重和最大影響距離Table 2 Weight and the maximum influence distance of threat factors

表3 不同土地利用類型生境適宜度及其對各威脅源的敏感度Table 3 Habitat suitability of different land use types and their sensitivity to various threat factors

2.2.3 生境質量冷熱點分析

運用全局自相關 Moran’sI指數和熱點分析方法以揭示研究區生境質量在空間上的聚類分布特征，識別生境質量在空間分布上顯著的高值區（熱點）和低值區（冷點）。運用 ArcGIS平臺提供的空間分析工具 Global Moran’sI指數和基于Getis-Ord Gi統計指數的熱點分析工具對丹東市沿海地區 2000、2005、2010、2015、2018年生境質量進行分析，得到生境質量空間分布的熱點和冷點區域以及其在空間上的集聚情況。具體公式參考相關文獻（李雙成等，2014；宋磊等，2018）。

3 結果分析

3.1 土地利用變化分析

通過研究 2000—2018年土地利用變化轉移情況（圖2），顯然可見丹東市沿海地區土地利用類型以林地、耕地為主，2018年林地、耕地面積分別為5758、2356 km2，各占研究區總面積的62.895%、25.735%。研究區北部地區作為吉林遼寧兩省生態屏障的重要組成部分，林地水域覆蓋率高；南部沿海平原地區是沿海經濟帶重點發展的區域，農業用地規模大，城鄉建設用地比重大，生態建設任務壓力大。2000—2005、2005—2010、2010—2015、2015—2018年發生變化的土地面積分別占研究區總面積的0.370%、0.697%、0.196%、11.103%，其中以2015—2018年土地利用變化最為突出。

圖2 研究區土地利用類型分布及其變化（2000—2018）Fig. 2 Land use distribution and changes of the study area (2000-2018）

據土地利用類型面積變化及指數變化表（表4）、土地利用變化轉移矩陣（表5）顯示，2000—2005年丹東市沿海地區耕地面積減少了17 km2，主要向林地和水域用地轉移，使其面積各增加了10、7 km2；水域凈變化速率突出。2005—2010年草地和建設用地面積分別增加了21、11 km2，來源于耕地、林地和未利用地的流失，同時也有少部分耕地向林地轉移；草地在這5年內凈變化速率突出，凈變化較大。2010—2015年耕地面積減少了9 km2，減少的面積主要轉向水域和建設用地；建設用地在此期間凈變化最大，占地面積增加較快，凈變化速率突出。2015—2018年土地利用變化強烈，耕地是此期間內面積減少最多的土地利用類型，分別向林地、草地、水域和建設用地發生了轉移；林地在“青山工程”的推行下從耕地、草地轉來，面積增加較多；草地在這3年內凈變化速率突出，向林地、水域、建設用地以及耕地轉移；水域凈變化速率也較為突出，面積增加較快，增加的面積來源于建設用地、耕地、林地的流失以及未利用地的開發；建設用地仍然保持較快的增漲態勢；此外部分未利用地在這3年內開發為耕地、水域，改良了土壤質地，改善了地表景觀生態環境，開發為城市建設用地獲得了經濟效益。

表4 2000—2018各土地利用類型面積變化及指數變化Table 4 Changes in area and indexes of each land use type in 2000-2018 (km2, %)

表5 研究區土地利用轉移矩陣Table 5 Land use transfer matrix in the study area km2

3.2 生境質量時空變化

InVEST模型采用生境質量指數來表示生境質量狀況，土地開發利用強度越強，威脅源越多，威脅范圍越大，生境質量越趨近于低值。將 5期生境質量指數運算結果劃分為0—0.2、0.2—0.4、0.4—0.6、0.6—0.8和0.8—1等5個區間，分別對應低、較低、中、較高和高等級的生境質量，為了更好地比較分析土地利用類型變化對生境質量的影響，統計出各等級的生境質量所占的面積比例（表6）。

表6 2000—2018年各等級生境質量面積及百分比Table 6 Habitat quality area and percentage of each grade in 2000-2018 (km2, %)

基于InVEST模型對研究區2000—2018年的生境質量變化進行評估，結果表明：研究區生境質量時空分布特征明顯（圖3）。生境質量高值區分布在研究區東北部，面積較大，多年平均占研究區面積的61.497%，該地帶土地利用類型以林地、河渠為主，受人類活動影響較小，生物多樣性豐富；生境質量較高區主要散布在中部草地、水庫坑塘用地及其周圍地區，生物多樣性也較為豐富，生態環境良好；生態質量中等區域面積最少，主要為灘地分布地區；西南部、中部地區生境質量較差，平均約占研究區的29.512%，通過與土地利用類型的對比可以看出，該地以平原地形為主，地勢平坦適合發展農業，主要土地利用類型是水田和旱地，農業活動與人類關系密切，受人類的影響較大，生態破壞嚴重；研究區的西南邊緣、西南沿海地區以及較差區的周圍地區主要為生境質量低值區，呈狹長的帶狀分布，以沼澤等未利用地、建設用地為主要的土地利用類型。未利用地由于受地形等因素的限制，生物多樣性差，生態環境惡劣。沿海建設用地人口聚集規模較大，城鎮化水平高，經濟發達，人類活動頻繁，原有自然生境被改造為人工環境，生境質量較差。通過時序變化統計分析可以看出：生境質量指數在 2000、2005、2010、2015、2018年平均值分別為0.73263、0.73377、0.73328、0.73314、0.74534，生境質量波動不大，近年稍有提高；生境質量指數的標準差從 0.35087、0.35054、0.35058、0.3509、0.3532，表明空間上柵格單元之間的生境質量差異在擴大。

圖3 研究區生境質量空間分布Fig. 3 Spatial distribution of habitat quality in the study area

3.3 土地利用類型及其變化對生境質量影響

為了衡量土地利用與生境質量的變化情況，將5個階段的生境質量圖相減得到圖4，圖4中負值（-1— -4）代表生境質量退化的區域，0是生境質量沒有變化的區域，正值（1—4）代表生境質量改善的區域，由于 2000—2005、2005—2010、2010—2015年生境質量變化微弱，以2000—2015年和2015—2018年生境質量變化圖表示。通過生境質量變化圖與土地利用變化圖對比可以發現，土地利用變化不大的 2000—2015年，生境質量變化也很微小，2015—2018年土地利用變化突出，導致生境質量變化也較大。2015—2018年生境質量退化的區域面積達1435 km2，提升的面積達1333 km2。東部沿岸地區生境質量退化最為明顯，該地河渠用地在近年修建水庫坑塘，農業用地被城市發展吞滅，造成了沿海生境質量顯著的退化，相反東港南岸沿海地區，原本的海港沿岸建設用地為恢復生態，逐漸將人工景觀向自然景觀改善，生境質量得到改善；同時恢復林地覆蓋地區也可以看出生境質量明顯得到提升。

圖4 生境質量變化情況Fig. 4 Change of habitat quality

研究區的生境質量與土地利用類型存在顯著的相關性，人類活動改變土地利用狀況，將自然景觀開發為水田、旱地、城鎮用地、農村居民點以及其它建設用地，人類活動強度越大對生境質量造成的干擾也強（吳健生等，2017），土地利用類型的變化直接影響了生境質量的變化。通過對研究區2000、2005、2010、2015、2018年各類土地利用類型生境質量進行分區統計，得到各土地利用類型的平均生境質量（圖5）。生境質量較高的土地利用類型有有林地、河渠、灌木林、湖泊、高覆蓋度草地，平均生境質量分別為 0.99980、0.99976、0.99966、0.99828、0.79990，生境質量較低的土地利用類型有裸巖石質地、沼澤地、低覆蓋度草地、灘涂、灘地（平均生境質量分別為 0.00000、0.00000、0.39998、0.59944、0.59980）以及作為威脅因子的水田、旱地、城鎮用地、農村居民點和其他建設用地，其他類型土地生境質量值介于二者之間。2000—2005年林地水域面積增加，而作為威脅因子的耕地面積減少，對周圍生態環境干擾降低，此階段林地、草地、水域的生境質量都有提高。2005—2010年林地面積減少，威脅因子中建設用地擴張，威脅周邊生態環境，耕地、林地、水域生境質量有所降低。2010—2015年建設用地持續擴張，加大對周圍環境壓力，因此各土地利用類型生境質量在這5年里都有不同程度降低，生境質量指數總體也降低了0.00014。2015—2018年由于草地面積流失較多，高、中、低覆蓋度草地生境質量指數都有降低；水域面積增加，水庫坑塘的生境質量指數提高了0.0004。

圖5 研究區各土地利用類型生境質量Fig. 5 Habitat quality of different land types in the study area

研究區的東北部區域寬甸滿族自治縣土地利用類型主要以林地為主，生境質量相對較高，但是隨著城鎮化建設發展，林地的不合理的開發利用使得生態環境遭到破化，生境質量在近年來呈下降的趨勢；東港市、振興區、元寶區以及振安區城市化建設強度大，相對而言生境質量較差，特別是在沿海城市周圍、港口地區生態質量退化強；南部與大連市接壤處土地利用類型由建設用地轉為水域，生境質量明顯得到改善。總體來看，丹東市濱海研究區生態環境的保護與城市化建設矛盾尖銳，未來可通過集約利用土地，預留生態用地，將生態環境理念貫徹到優化土地利用布局中，改善人居環境，提高沿海地區的生態服務功能和景觀經濟價值，在促進經濟發展的同時建設好生態文明。

3.4 生境質量冷熱點分析

對研究區 2000—2018年的生境質量進行全局自相關分析，結果如表7所示，Moran’sI大于0，P-value為0.000000，相應的Z-score均大于1.96表明在研究期間內生境質量的空間分布存在顯著的空間自相關性，生境質量分布在空間上存在集聚情況。Moran’sI由2000年的0.162259下降為2018年的0.076234，表明研究區的生境質量聚集有分散的趨勢。

表7 研究區生境質量空間自相關分析結果Table 7 Spatial autocorrelation analysis of habitat qualityin the study areas

生境質量的熱點或冷點區域是指生境質量的特征值分布聚集度高或低的區域。對研究區域的生境質量的“熱點”及“冷點”進行分析，研究區不同年份生境質量在空間上的聚集和離散狀況如圖6所示，冷熱點分布與生境質量分布狀況密切相關，2000—2015年研究區生境質量熱點主要分布在研究區東港市的西北部有林地、灌木林、疏林地這些生境質量較高值聚集地區以及其東南部建設用地、沼澤等生境質量低值聚集分布地區，振安區西北部林地等生境質量較高值分布相對聚集區，元寶區振興區內生境質量較高值聚集地區；冷點主要分布在東港市東南沿海生境質量低值分散分布的地區。到2018年生境質量聚集狀況有分散的趨勢，區域間的生境質量差異在擴大，東港市東南沿海依然為生境質量冷點區；振興區與元寶區的沿海地區城鄉建設用地集中分布，生境質量低值聚集，是生境質量熱點區；寬甸滿族自治縣西南沿海地區土地利用類型由河流建設成為水庫，較高的生境質量分布更為聚集，是新產生的熱點區。總體而言，生境質量的熱點和冷點區在研究區內所占比例有所下降，由2000年的9.21%下降到2018年的8.36%，說明生境質量的聚集狀況有了分散的趨勢。

圖6 研究區生境質量冷熱點（2000—2018）Fig. 6 Hotspots and coldpots of habitat quality in the study area (2000-2018)

4 討論

本文基于InVEST模型，分析了2000—2018年丹東市沿海地區生境質量時空演化規律，并對生境質量變化與土地利用的相關性進行分析。雖然InVEST模型相對較為成熟，在定量分析空間表達等方面有其優越性，但計算的參數設置存在一定的主觀性問題，參數設置的合理性有待驗證。InVEST模型對生物多樣性的估算還有一定的局限性（唐堯等，2015），模型采用對威脅因子疊加計算生境質量的方法，但現實情況中有時多種威脅的綜合影響可能會超過個體之和，但目前的研究尚未解決該問題（鄒天嬌等，2020）。在未來的研究探索中應嘗試結合其他模型，多方探索尋求最合理的布局方式。

在《丹東市土地利用總體規劃（2006—2020）年》的規劃實施過程中，政策的調控使土地利用格局提升成效顯著，退耕還林、退田還湖、青山工程等措施的實施下，研究區耕地向林地和水域大量轉移。隨著經濟快速發展，城鎮用地、農村居民點及其它建設用地面積也在不斷擴大，鐵路、公路港口等基礎設施的建設對環境造成了一定程度的破壞，加大了區域生態環境壓力。增加的城鎮用地主要集中在振興區元寶區以及東港市的東部沿海區域，農村居民點分散在寬甸滿族自治縣等地。2015年全市土地工作會議中指出對于土地工作部署要大力清理閑置土地，集約利用好土地資源，受政策的影響一定程度上把過去提供農產品為主體功能的地區恢復為能夠提供生態產品為主體功能的地區，是對過去開發中主體功能的不合理規劃的糾正，為全市經濟發展提供了用地保障。本文基于近 20年的遙感影像景觀圖結合InVEST模型，為在大尺度上定量化評估人類活動強度對生態環境的影響，較精確的識別未來生態重點保護區域提供了可能，能夠為丹東市沿海地區生態保護政策及城市發展規劃提供科學支撐。

生境質量時空格局演化深受土地利用變化影響，人類活動的影響深度遠遠超出人類的控制范圍，然而兩者內部的影響機理、耦合機制有待進一步揭示。未來對于如何協調好社會經濟發展與生態效益之間的關系仍需要不斷探索。

5 結論

本研究表明，（1）研究區耕地、草地、未利用地面積減少，且耕地面積仍呈連年遞減趨勢，林地、水域用地面積有所增加，建設用地在研究期間內也在不斷擴大，未來仍保持遞增的趨勢。（2）研究區生境質量低值區擴大，較低值區縮小，中等級、較高、高值區面積增加。（3）生境質量空間分布與土地利用的分布密切相關，土地利用變化大時生境質量變化顯著，生境質量高值區主要分布在東北區域的林地、河渠所在地；中部草地、水庫坑塘用地及其周圍地區的生境質量較好；灘地生態質量中等；西南部以及中部地區耕地受人類農業活動影響較大生境質量較差；西南沿海城市建設用地區生境質量低。（4）研究區生境質量分布狀況存在空間聚集性，通過熱點分析發現生境質量的聚集效應近年來有分散趨勢，區域間的生境質量差異有所擴大。

未來丹東市沿海地區的生態經濟建設可以通過提高生產技術水平，優化作物種植結構，立足特色優勢農業，推動農業供給側結構性改革來應對耕地流失的問題；集約用地，林地保育，劃定生態保護紅線，合理規劃土地利用以改善生境質量維護生態系統平衡；改革生產技術，優化產業結構，延長產業鏈，樹立綠色發展理念來提升產業綜合效益。在保護好生態環境的同時，保證經濟社會的健康可持續發展。合理利用丹東市沿海地區土地資源，創建生態文明，對推進丹東市沿海地區發揮位置優勢，海陸統籌發展，積極融入遼寧沿海經濟帶的發展大格局之中具有重要意義。