三生空間視角下防城港市土地利用景觀生態風險評價

梁慶璇， 廖超明*， 凌子燕， 滕永核， 李延順， 謝鳳杏， 譚綿方

(1.南寧師范大學自然資源與測繪學院， 南寧 530001； 2.南寧師范大學地理科學與規劃學院， 南寧 530001； 3.北京師范大學地理科學學部，遙感科學國家重點實驗室， 北京 100875； 4.廣西遙暢空間信息科技有限公司， 南寧 530200； 5.廣西職業技術學院物流學院， 南寧 530226)

景觀生態風險指在受到自然或人為因素影響的情況下，景觀格局與生態環境相互作用所產生的不良后果[1]。近年來，中國在蔓延式拓展的城市生長模式下城市化水平顯著提高，用地規模急劇擴張，出現了農業生產用地和生態用地受到侵占、景觀破碎化程度加深和生態環境污染等問題，導致三生空間結構比例的失衡[2-3]。尤其在中國沿海地區，自然和人文活動頻繁，經濟發展和城市化水平不斷提高，生態脆弱和環境變化敏感的海岸帶面臨巨大的生態環境壓力[4]。在這一嚴峻形勢下，黨的十八大報告明確提出“要按照人口資源環境相均衡、經濟社會生態效益相統一的原則，控制開發強度，調整空間結構，促進生產空間集約高效、生活空間宜居適度、生態空間山清水秀，給自然留下更多修復空間，給農業留下更多良田，給子孫后代留下天藍、地綠、水凈的美好家園”的發展目標，生態文明建設逐漸成為國土空間開發的主旋律[5]。

學者們關于景觀生態風險的研究理論和方法日趨成熟，但成果大多從土地利用類型的角度出發，研究對象也主要以流域[6-7]和城市[8-9]為主。陳寶強等[10]以三生空間為切入點探討了2008—2018年沿海低丘陵資源富集區的三生用地轉型和生態環境質量變化；郭彥君等[11]按照土地利用主導功能劃分三生空間，對1980—2018年山西中部盆地城市群的三生用地變化情況及景觀生態風險的時空演變進行了定量研究；王娟娟等[12]利用三生空間矢量數據分析了烏魯木齊市2000—2018年的三生空間變化趨勢，定量評價了該地區生態風險的時空分異特征。近年來，學者們對于三生空間的研究成果大多側重于區域三生空間用地的功能轉型以及城市的三生空間景觀生態風險演變，而基于三生空間視角下沿海地區景觀生態風險的研究較為缺乏。因此，在快速城鎮化背景下研究沿海城市三生空間的生態風險水平具有重要的理論與實踐意義。

防城港市是北部灣唯一的全海景生態海灣城市，擁有世界唯一的國家級金茶花自然保護區和中國最大、最典型的海灣紅樹林。作為21世紀“海上絲綢之路”的重要始發港和中國-東盟自貿區的主門戶，防城港市處于北部灣經濟區的核心位置，擁有兩沿三區地理優勢。為此，從三生空間的角度出發，采用景觀生態風險評價模型，結合轉移矩陣和半變異函數分析方法，研究防城港市景觀生態風險的時空變化，旨在優化區域的景觀格局、維護防城港市的生態安全穩定，對促進區域生態環境和社會經濟的協調發展具有重要意義，同時為完善海灣城市的生態保護管理和規劃決策提供理論支持和技術手段。

1 研究區概況

防城港市地處廣西壯族自治區南部、中國大陸海岸線西南端，位于20°36′N～22°22′N，107°28′E～108°36′E(圖1)，屬亞熱帶濕潤海洋性季風氣候區，年平均氣溫為22.5 ℃，多年平均降水量為2 362.6 mm，日照充足，雨量充沛，動物、植物和海洋資源種類多樣。防城港市北部及南部以低山丘陵為主，中部為山地，東南部為沿海丘陵和灘涂丘陵；大山自東向西橫亙防城港市腹部，使得其地勢中間高，兩邊低；土壤分屬水稻土、磚紅壤、赤紅壤、黃壤、紫色土、沖積土、風沙土、沼澤土8個土類，土層深厚，自然肥力較高；市境內中小河流眾多，水資源豐富，因地勢獨特形成南北水系。

近二十年來，防城港市經濟發展迅速，城鎮化水平不斷提高，人口規模持續增加，GDP由2009年的251.04億元上升至2019年的701.23億元，總人口數從2009年的85.28萬人增加至2019年的96.36萬人，城市擴張明顯，加劇了防城港市三生用地的景觀破碎化程度。開展防城港市景觀生態風險研究，對協調防城港市經濟發展與生態保護具有重要現實意義。

2 數據與研究方法

2.1 數據來源與處理

以防城港市2000年、2009年、2019年3期土地利用數據為基礎，數據來源于中國環境監測總站。該生態遙感解譯數據分類體系分為耕地、林地、草地、水域、城鄉居民點和工礦用地、未利用地等6個一級土地利用類型以及25個二級土地利用類型。以《土地利用現狀分類》(GB/T21010—2017)為依據，參考楊清可等[13]、羅剛等[14]已有研究，結合土地利用主導功能和研究區土地利用類型，將三生空間劃分為：農業生產空間、工礦生產空間、城鎮生活空間、農村生活空間、林地生態空間、草地生態空間、水域生態空間、其他生態空間，如表1所示。

圖1 防城港市示意圖Fig.1 Schematic diagram of Fangchenggang City

表1 土地利用主導功能分類Table 1 Classification of leading functions of land use

2.2 研究方法

2.2.1 風險小區的劃分

為更好反映防城港市2000年、2009年、2019年3個時期景觀生態風險指數的時空變化特征，結合研究區面積和景觀類型斑塊大小，依據景觀斑塊平均面積2～5倍的原則[15]，在考慮采樣工作量的情況下，借助ArcGIS10.2對防城港市采用1 km×1 km的正方形網格進行等間距采樣的格網化操作處理[16]，共得到6 361個景觀生態風險小區。利用景觀生態風險評價模型計算每個風險小區的生態風險指數，并將該指數值賦給樣地中心點以此作為空間插值分析的樣本。

2.2.2 景觀生態風險模型的構建

景觀格局指數是將景觀格局信息進行高度濃縮，用于反映其結構組成和空間配置特征的定量化指標[17]。而生態風險指數是在景觀格局指標的基礎上構建而成的，用于預測和評價，可以直觀地對各種景觀類型所代表的生態系統在遭受侵害和不確定因素的作用后可能產生的后果進行定量化描述[18]。基于典型案例的研究成果[19]，研究利用景觀破碎度指數Ci、景觀分離度指數Ni和景觀優勢度指數Di計算得到景觀干擾度指數Si，然后依據景觀生態學原理和方法，選取Si、景觀脆弱度指數Fi和景觀損失度Ri指數作為風險評價指標來構建生態風險指數ERI，以揭示防城港市景觀生態風險時空分異特征及格局變化趨勢[20]。在前人已有的研究成果上，結合研究區實際情況對所選參數進行賦值。各景觀格局指數具體計算公式及參數含義[17,19]，如表2所示。

表2 景觀格局指數計算方法Table 2 Calculation method of landscape pattern index

2.2.3 景觀生態風險空間分析方法

土地利用生態風險指數作為區域化變量，能夠借助半變異函數對不同空間單元間生態風險值的差異進行定量分析，并體現區域土地利用生態風險指數的空間異質性[21-22]，具體公式為

i=1,2,…,N(h)

(1)

式(7)中：γ(h)為半變異函數；h為樣本空間分隔距離；N(h)為研究區內抽樣間距為h的樣點總對數；Z(Xi)和Z(Xi+h)分別為土地利用生態風險指數在空間位置Xi和Xi+h的觀測值。

為更清楚地反映防城港市各景觀生態風險的空間分布特征，根據賦值后的樣本點數據，借助ArcGIS10.2的地統計功能對半變異函數進行三角、球面、指數和高斯等模型擬合，并對各模型進行比較分析，選取了較為理想的球面模型擬合結果，利用普通克里金插值法對樣本點進行處理，得到研究區2000年、2009年和2019年的景觀生態風險指數等級空間分布。

3 結果與分析

3.1 土地利用動態變化分析

根據圖2～圖4和表3，對防城港市2000—2019年三生用地結構變化進行分析，就各地類面積和占比變化而言，農業生產空間、工礦生產空間、城鎮生活空間、農村生活空間和水域生態空間面積呈不斷增加的趨勢；其中，農業生產空間增加相對顯著，面積占比由7.76%升至15.86%，增加量為48 475.17 hm2；其次是工礦生產空間，面積增加了7 395.83 hm2，占比從0.74%增加到1.97%。林地生態空間逐年減少，減少了32 962.59 hm2，面積所占比例由79.47%減少為73.96%。草地生態空間先增加后減少，最終呈減少趨勢，且面積減少極其顯著，減少量為34 557.59 hm2。其他生態空間面積呈先增加后減少再增加的趨勢，占比也由0.05%增至0.12%再減為0.09%，面積共增加了220.85 hm2。

從土地利用類型轉換來看，城鎮生活空間、工礦生產空間、農村生活空間、農業生產空間、其他生態空間和水域生態空間的變化主要是面積的轉入；其中，城鎮生活空間主要由工礦生產空間和林地生態空間轉入，轉入面積分別為1 243.79 hm2和1 136.09 hm2；其他生態空間轉入來源為水域、林地生態空間，轉入量分別為331.98 hm2、162.27 hm2；工礦生產空間、農村生活空間、農業生產空間和水域生態空間的面積都主要由林地生態空間轉入。由此可知，作為主導地類的林地生態空間，是其他地類面積的主要轉入來源。

圖2 2000—2019年防城港市土地利用分類Fig.2 Land use classification of Fangchenggang City from 2000 to 2019

圖3 2000—2019年防城港市三生用地面積占比Fig.3 Proportion of production-life-ecological land area in Fangchenggang city from 2000 to 2019

研究期間草地生態空間轉出明顯，主要轉化為林地生態空間，面積為28 070.03 hm2。

3.2 景觀格局指數的時序變化

依照表2中各景觀指數的計算方式，利用Excel計算整理后，得到防城港市2000—2019年各土地利用功能類型的景觀格局指數(表4)。

由表4可知，19年間防城港市各景觀格局指數變化明顯，整體上均呈增加的趨勢。其中，各三生用地的斑塊數逐年增加，尤其在2009—2019年，斑塊數NP的個數增加異常顯著；2000—2009年，農業生產空間的景觀破碎度Ci和分離度Ni有小幅度的減少，草地生態空間、工礦生產空間和其他生態空間的Ni也呈微減之勢，間接反映了2009—2019年，由于防城港市城鎮化進程的加快，農村、城鎮生活空間和工礦生產空間的面積急劇增加，農業生產和草地生態空間被分割利用，土地利用類型趨于復雜且分布離散。研究期間，草地生態空間的Di呈先增加后減少的趨勢，林地生態空間的Di則是先減少后增加，這與草地生態空間面積的轉入轉出，林地生態空間的轉出量相符合。工礦和農業生產空間、林地和其他生態空間的景觀損失度Ri先減少后增加，其余三生用地則是持續增加，且后10年比前9年增加的程度明顯，說明后10年里防城港市的擴張使得各三生用地受到強烈的人為因素干擾，其生態系統自然屬性的損失程度較大。

3.3 景觀生態風險的時空分異及其格局變化

利用ArcGIS10.2的疊加分析和統計匯總模塊以及屬性表字段編輯計算功能，計算6 361個格網的ERI值，將每個格網的ERI值賦予其中心點，采用克里金法對格網中心點進行插值。借鑒前人研究成果[20,23]，結合研究區的實際情況和ERI值的分布范圍，利用自然斷點法將景觀生態風險指數劃分為5個風險等級：低生態風險區≤0.17，0.17<較低生態風險區≤0.57，0.57<中生態風險區≤0.98，0.98<較高生態風險區≤1.38，高生態風險區>1.38，統計防城港市3個時期各景觀生態風險的面積和比例。

由防城港市不同時期各級景觀生態風險區所占面積比例(圖5)可知，2000—2019年防城港市主要以較低風險區為主，其他等級風險區的面積比例差異顯著。其中，低風險區面積減少，呈先微減后巨減之勢，面積占比從46.87%降低至0.51%；中風險、較高風險和高風險的面積持續增加，且均表現為先小幅度增加后大幅度增加的趨勢，面積所占比例分別從2.19%、0.22%和0.16%上升至25.34%、12.46%和6.73%。因此，從各風險等級面積比例的升降可以看出，19年間防城港市整體景觀生態風險正朝著上升的方向演變。

從防城港市3個時期各景觀生態風險的空間分布(圖6)可以看出，研究區總體上呈現出由低風險等級區域不斷向高風險等級區域轉變的趨勢。2000—2009年低生態風險區面積減少了71 807.91 hm2，面積占比從46.87%降至34.87%，兩時期的低生態風險區均主要分布在上思縣，這主要是因為上思縣作為廣西林業大縣，且十萬大山水源林自然保護區坐落于上思縣，森林資源稟賦，生態環境底子好；與之對應的是較低生態風險區面積的大幅度增加，增加了67 999.98 hm2,其面積占比由50.57%增加到61.93%，分布范圍廣，遍布各個區域，而期間由于上思至東興邊境公路、上思至大寺公路、上思木材批發市場和上思城西工業園區的建設，以及上思縣蔗糖、制藥加工業、旅游業的發展和新區開發、老城改造，其建設用地面積不斷擴張，導致上思縣大部分低生態風險區轉為較低生態風險區；中生態風險區面積增加了2 491.17 hm2，面積所占比例從2.19%升至2.60%，2000年中生態風險區主要分布在東興市和港口區(東興市邊境出口加工工業、邊境貿易和跨國旅游業一直在加快發展，港口區的港口經濟、海洋產業和臨海工業園區也持續建設)，少量分布在上思縣，沒有分布在防城區，而2009年防城區成了中生態風險分布的主要區域之一(防城區城區和漁萬島的改造建設)；較高和高生態風險區面積分別增加了670.32 hm2和646.44 hm2，面積占比分別從0.22%、0.16%升至0.33%、0.27%，兩者出現了由2000年只分布在東興市而2009年只分布于防城區的空間格局變化情況，反映了東興市生態旅游業發展的顯著成效以及防城區向行政中心區方向發展建設力度的加強。

圖4 2000—2019年防城港市三生用地面積變化圖Fig.4 Changes of production-life-ecological land area in Fangcheng city from 2000 to 2019

表3 2000—2019年土地利用轉移矩陣Table 3 Land use transfer matrix from 2000 to 2019

表4 防城港市2000—2019年景觀格局指數Table 4 Landscape pattern index of Fangchenggang city from 2000 to 2019

圖5 2000—2019年防城港市各級生態風險區面積比例Fig.5 Area proportion of ecological risk zones at all levels in Fangchenggang city from 2000 to 2019

圖6 2000—2019年防城港市景觀生態風險空間分布Fig.6 Spatial distribution of landscape ecological risk in Fangchenggang city from 2000 to 2019

2009—2019年，防城港市處于低生態風險等級的區域面積驟然劇減，減少了205 635.55 hm2，面積所占比例由34.87%下降至0.51%，其在2019年只有極少量分布在上思縣；較低生態風險區的面積也較大幅度地減少，減少量為41 688.68 hm2，面積所占比例從61.93%減少到54.96%；而相應的則是中、較高和高生態風險區的顯著增加，分別增加了136 074.77 hm2、72 569.25 hm2和38 680.21 hm2，面積占比分別從2.60%、0.33%和0.27%增至25.34%、12.46%和6.73%。2009—2019年，防城港市較高和高風險區主要分布在上思縣、東興市和港口區，上思縣的資源型產業、旅游業的迅猛發展以及城鎮建設用地的急劇擴張，東興試驗區、跨境經濟合作區等的建設，港口企沙工業區、現代化大型臨港工業區和港口物流園區等的推進，導致各三生用地的破碎度和分離度提高，損失度隨之增加，人為干擾作用大，生態風險進一步升高，說明在實現經濟持續快速發展這一挑戰的同時，防城港市仍需更加重視生態環境問題。

2000—2019年，防城港市總體景觀生態風險程度加深，主要是因為低風險區面積的持續轉出，其他風險區面積增加且不斷朝著更高等級的風險區演變。同時防城港市面臨著西部大開發和廣西“兩個建成(實現與全國同步全面建成小康社會，基本建成西南中南地區開放發展新的戰略支點)等重大機遇，為保持經濟社會持續快速發展，伴隨著土地、人才、資金、能源等要素的制約以及環境保護、節能減排、沿邊沿海發展不均衡等問題亟待解決，城市生態風險不斷提高。

為直觀反映研究區景觀生態風險等級間的轉變，通過ArcGIS10.2的疊加分析功能以及Excel數據透視表的排列，繪制防城港市2000—2019年生態風險等級轉移矩陣(表5)。由表5可知，2000—2019年間，低等級生態風險向高等級生態風險轉換的面積為492 765.88 hm2，占研究區總面積的82.34%，高等級生態風險轉換成低等級生態風險的面積為2 355.21 hm2，比例為0.39%。其中，低生態風險向較低生態風險轉移的速率最高，達到11 997.27 hm2/a，其次是較低生態風險轉換為中生態風險的速率，為6 007.34 hm2/a。2000—2009年，較低向低生態風險、中向較低生態風險、較高和高向中生態風險以及高向較高生態風險(均為高等級轉向低等級)的轉換速率高于2009—2019年間的速率，說明這一期間的生態環境有所改善；其他各類景觀的轉移速率則是后10 a的高，且后10 a低等級向高等級轉換的速率高于高等級轉向低等級，并較于前9 a的速率顯著加快，反映了城市化進程的提速以及人類對土地利用不當而給環境質量帶來的不良影響。就2000—2019年的研究期間而言，防城港市整體景觀生態環境呈持續退化的趨勢，說明當地在面臨經濟發展機遇的同時，雖通過政策在一定程度上改善了環境質量，但仍需進一步加強生態建設，實現經濟持續健康發展。

4 討論

通過對防城港市景觀生態風險研究，為防城港市各區縣采取相應措施以提高研究區的抗風險能力提供對策。港口區重點發展港口經濟，應加大整治港口碼頭粉塵污染和發展綠色海洋產業，持續改善空氣質量，改善海島生態安全；東興市側重發展口岸經濟、旅游經濟和海洋經濟，可大力建設生態旅游項目、擴展現代海洋漁業和發展生態經濟，實現經濟與生態的協調發展。同時，港口區和東興市作為沿海區域，應以濱海生態防護帶為骨架，以紅樹林保護和近岸海域、主要流域污染為重點，加強海洋生態環境的保護和監控。防城區在推進園區建設和發展上下游產業鏈的同時，應抓緊環境整治工程建設，加強金茶花自然保護區監管和物種多樣性保護，保持并降低生態風險等級。上思縣自然資源底蘊豐厚，需要重點發展生態經濟和現代特色產業，建設自治區重點生態功能區，抓好森林生態系統的保護修復，維持自然生態系統功能的穩定。

表5 防城港市2000—2019年景觀生態風險轉移矩陣Table 5 Landscape ecological risk transfer matrix of Fangchenggang city from 2000 to 2019

目前，中國三生空間的分類體系尚處于研究階段，有關三生空間區域景觀生態風險的研究成果較少。通過定量分析防城港市三生用地的景觀生態風險時空分異特征，可為防城港市的景觀格局優化、生態風險防控和環境保護提供參考依據，為豐富和完善沿海城市的景觀生態風險評價提供借鑒意義。下一步將在防城港市三生空間生態風險演變驅動機制方面進行探討，以完善區域三生空間的生態風險評價研究。

5 結論

以2000年、2009年和2019年3期土地利用類型數據為基礎，對土地利用主體功能進行分類，構建生態風險指數模型，并借助半變異函數對防城港市進行定量分析，以揭示防城港市景觀生態風險時空分異特征及演變趨勢，得出如下結論。

(1)土地利用變化方面，2000—2019年林地和草地生態空間面積減少顯著，分別減少了5.51%和5.78%，草地生態空間主要轉化為林地生態空間，林地生態空間面積雖持續減少，但仍是研究區的優勢景觀，各時期的面積占比均為70%以上；農業和工礦生產空間、城鎮和農村生活空間、水域和其他生態空間整體上均呈增加之勢，面積所占比例的增加量分別為8.10%、1.23%、0.52%、0.88%、0.52%、0.04%，農業生產空間面積的增加最為明顯；其他生態空間變化不大。景觀格局指數變化方面，研究期間各地類的景觀指數在后10年的變化比前9年顯著，且整體上呈增加趨勢。

(2)研究期間，防城港市的生態風險呈升高趨勢。時間尺度上，前9年防城港市以低和較低風險區為主，其中低風險區面積逐步減少，中、較高和高風險區面積逐步增加；后10年以較低和中風險區為主，低風險區銳減，較低風險區有所減少，中、較高和高風險區顯著增加。區域生態風險特征方面，各區域整體景觀生態風險有不同程度的增加，上思縣風險等級程度增加相對明顯，其次為港口區和東興市；防城區在2019年主要生態風險等級為較低和中風險，生態風險小于其他區域。

(3)2000—2019年防城港市各等級的生態風險轉移特征顯著。其中前9年低等級生態風險轉換成高等級生態風險的速率為9 816.20 hm2/a，高等級生態風險向低等級生態風險轉換的速率為1 547.37 hm2/a；后10年低等級生態風險向高等級生態風險轉移的速率為43 733.33 hm2/a，高等級生態風險轉移為低等級生態風險的速率為428.52 hm2/a。防城港市生態風險由低等級向高等級轉換的速率遠高于高等級向低等級的轉換速率，反映了低風險等級轉為其他風險等級的難度小，而高風險等級轉換為其他風險等級的難度大，且后10年比前9年相比更為明顯，說明人類活動干擾程度的加深使得防城港市的生態環境出現了逐步退化。