2000—2020年煙臺(tái)市生境質(zhì)量時(shí)空演變分析

楊單單 馬立婷

(1. 煙臺(tái)黃金職業(yè)學(xué)院, 山東 煙臺(tái) 265401;2. 濰坊市勘察測(cè)繪研究院, 山東 濰坊 261000)

0 引言

生物多樣性是人類社會(huì)持續(xù)生存及發(fā)展的前提,生物多樣性的良好狀況為其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[1-2]。生境質(zhì)量,即生態(tài)系統(tǒng)在一定時(shí)空維度內(nèi)為生物個(gè)體和族群提供維持生存和發(fā)展的能力,高層次的生境質(zhì)量對(duì)維持生物多樣性影響深遠(yuǎn)[3]。

人類社會(huì)的發(fā)展影響生境質(zhì)量,土地利用是人類活動(dòng)影響生境質(zhì)量的主要方式[4]。21世紀(jì)以來,隨中國城鎮(zhèn)化的建設(shè),土地大規(guī)模的開發(fā)使土地利用強(qiáng)度發(fā)生明顯改變,引發(fā)生境質(zhì)量下降[5～7]。研究生境質(zhì)量為保護(hù)生物多樣性和改善生態(tài)現(xiàn)狀影響深遠(yuǎn),根據(jù)研究需求的不同,目前開發(fā)的生境質(zhì)量模型種類多樣,常用的有生物多樣性模塊IDRISI、生境適宜性模型HIS、C-Plan和ConsNet,但這些模型需要生物多樣性數(shù)據(jù)和環(huán)境中物種數(shù)量的信息,因此應(yīng)用比較困難[8-9]。InVEST(integrated valuation of ecosystem services and tradeoffs)模型是包含陸地,河湖與海洋三大生態(tài)系統(tǒng)的綜合評(píng)估模型[10-11]。其生境質(zhì)量模塊(habitat quality model)可快速評(píng)估不同威脅源與土地利用/覆被對(duì)生物多樣性的影響。研究生境質(zhì)量對(duì)保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要意義。為此,國內(nèi)外學(xué)者在全球不同區(qū)域,通過不同的方法開展生境質(zhì)量研究。Valero等[12]通過河流生境指數(shù)和河岸帶植被指數(shù)對(duì)西班牙加利西亞河流生境質(zhì)量進(jìn)行了研究,李發(fā)榮等[13]在地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)和遙感(remote sensing,RS)技術(shù)支持下,利用層次分析法等建立指標(biāo)體系對(duì)蘭州市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行分析,楊建強(qiáng)等[14]對(duì)萊州灣運(yùn)用生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)法進(jìn)行生境質(zhì)量長時(shí)序分析。本文基于InVEST模型對(duì)煙臺(tái)市生境質(zhì)量進(jìn)行分析,其具有參數(shù)需求較少、獲取數(shù)據(jù)方便、分析能力精準(zhǔn)等特點(diǎn),因而更適用于生境質(zhì)量的評(píng)估。

煙臺(tái)市為我國首批沿海開放城市,人口密集,經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),是海洋生態(tài)系統(tǒng)和陸地生態(tài)系統(tǒng)典型交織區(qū)域。由于城市的發(fā)展和城鎮(zhèn)化的建設(shè),使城市生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步受到威脅,如何科學(xué)合理規(guī)劃社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展形勢(shì),保護(hù)生態(tài)空間,避免生態(tài)功能弱化,是當(dāng)今需要研究的重要課題。因此,評(píng)估煙臺(tái)市生境質(zhì)量時(shí)空演化已經(jīng)迫在眉睫。基于此,本文以2000、2010、2020年土地利用狀況為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),根據(jù)土地利用類型變化情況,分析區(qū)域土地利用現(xiàn)狀和不同土地利用類型轉(zhuǎn)化狀況。基于InVEST模型生境質(zhì)量模塊,從多個(gè)時(shí)間段對(duì)煙臺(tái)市生境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估,獲取近二十年生境質(zhì)量趨勢(shì),為煙臺(tái)市經(jīng)濟(jì)建設(shè)的開展和生態(tài)環(huán)境的保護(hù)提供參考。

1 研究區(qū)域概況

煙臺(tái)市(119°34′E～121°57′E,36°16′N～38°23′N)位于山東半島東北部沿海(圖1),毗鄰渤海、黃海與日本、韓國隔海相望。地勢(shì)整體不高,為低山丘陵區(qū),中小河流眾多,生物資源豐富,為溫帶季風(fēng)性氣候。煙臺(tái)市總面積為1.38×104km2,海岸線總長為1 038 km,是膠東經(jīng)濟(jì)圈和環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈重要城市、是我國“一帶一路”國家戰(zhàn)略重點(diǎn)建設(shè)港口城市。近年來,隨著城鎮(zhèn)化速度的不斷加快,人口大規(guī)模聚集,從而使生態(tài)環(huán)境遭到破壞。因此,對(duì)其生境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)研究,對(duì)解決城市發(fā)展面臨的生態(tài)環(huán)境問題有較大的實(shí)踐意義。

圖1 山東省數(shù)字高程圖

圖2 煙臺(tái)市數(shù)字高程圖

2 數(shù)據(jù)來源

數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM)數(shù)據(jù)(圖2)來自地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/),土地利用數(shù)據(jù)來自中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn),主要為煙臺(tái)市2000、2010、2020年30 m分辨率土地利用數(shù)據(jù)。

3 研究方法

本研究是評(píng)估研究區(qū)內(nèi)生境質(zhì)量等級(jí)的高低,基于InVEST模型中的Habitat Quality模塊來獲取生境質(zhì)量指數(shù)。指數(shù)越高,表征生物多樣性越豐富,反之亦然[15]。計(jì)算公式為

(1)

式中,Qxy為第j種用地類型中柵格x的生境質(zhì)量;Hj為第j種用地類型相應(yīng)的生境適宜性指數(shù);k指半飽和參數(shù);可根據(jù)使用數(shù)據(jù)分辨率自定義;Z為模型尺度常數(shù)[16]。威脅源與不同用地類型對(duì)各威脅源的敏感度見表1[17]。

表1 生態(tài)脅迫因子量表

4 結(jié)果分析

4.1 土地利用變化

由表2可知,2000—2020年煙臺(tái)市草地和建設(shè)用地面積變化幅度較大,其他類型變化幅度較小。其中草地面積減少后趨于穩(wěn)定,3個(gè)年份的面積分別為3 129.27 km2、2 226.39 km2、2 231.83 km2;耕地面積占比呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì),前后整體差別不大,分別為51.4%、53.1%和51.7%;林地變化幅度較小,呈現(xiàn)小幅度減少,分別為1732.65 km2、1693.01 km2和1694.17 km2;未利用土地占比最小且變化不大;濕地面積增幅最大,為71.4%;建設(shè)用地面積增加量最大,占比由10.2%增長至14.8%,總量增加633.39 km2。

運(yùn)用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(表3),計(jì)算煙臺(tái)市土地利用類型轉(zhuǎn)化方向,由表3可知,2000—2010年,草地流出面積最大,為943.76 km2,主要流向耕地(706.98 km2)和建設(shè)用地(173.16 km2);耕地面積流出720.58 km2,其中82%流向建設(shè)用地;建設(shè)用地和林地流出面積分別為256.11 km2、218.98 km2,主要流向耕地和濕地;濕地和未利用地轉(zhuǎn)出面積小,分別為40.29 km2和17.49 km2。

2010—2020年,煙臺(tái)市土地利用類型轉(zhuǎn)出量相較上一時(shí)段,明顯減少。轉(zhuǎn)出方向整體差別不大。

表2 煙臺(tái)市各土地類型利用面積即占比

表3 煙臺(tái)市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 單位：km2

4.2 生境質(zhì)量時(shí)空變化

4.2.1 生境質(zhì)量時(shí)間變化

從時(shí)間變化來看(表4),2000—2010年煙臺(tái)市低等級(jí)生境質(zhì)量面積占比從10.2%增加至14.5%,增幅達(dá)42.2%,而等級(jí)為較低、中等、較高和高的面積分別減少了23.9%、4.2%、1.7%、1.6%,生境質(zhì)量平均值由0.596 0降低至0.580 2,生境質(zhì)量整體趨于下降的狀態(tài)。2010—2020年低等級(jí)、較高等級(jí)和高等級(jí)生境質(zhì)量面積增加了2.0%、15.0%和4.8%,較低和中等等級(jí)生境質(zhì)量分別減少7.06 km2和287.38 km2,生境質(zhì)量平均值由0.580 2升高至0.583 2,生態(tài)環(huán)境得到一定的恢復(fù)。

表4 煙臺(tái)市不同等級(jí)生境質(zhì)量面積、占比

4.2.2 生境質(zhì)量空間變化

2000—2020年,煙臺(tái)市土地利用現(xiàn)狀與生境質(zhì)量空間分布基本一致(圖3),空間分布上異質(zhì)性表現(xiàn)明顯。低等級(jí)生境主要集中在北部、西部沿海地區(qū)和各市縣區(qū)建成區(qū)、工礦企業(yè)分布區(qū),較低等級(jí)生境主要集中在中北部區(qū)域,中等等級(jí)生境占比較大,分布較為分散,集中在研究區(qū)西北、西南部。高和較高等級(jí)生境分布在研究區(qū)中、東部丘陵區(qū)域。

(a)2000年 (b)2010年 (c)2020年

4.2.3 生境質(zhì)量時(shí)空變化分析

從時(shí)間上看,煙臺(tái)市生境質(zhì)量整體呈先下降后提高的趨勢(shì),2000—2010年研究區(qū)生境狀況下降明顯,這一時(shí)期,礦業(yè)開采造成植被破壞,導(dǎo)致景觀破碎度增加,水土流失嚴(yán)重。城市城鎮(zhèn)化和生產(chǎn)用地規(guī)模擴(kuò)大加劇了建設(shè)用地對(duì)耕地和草地的侵占,使生物多樣性受損。另外，工業(yè)廢水過度排放,研究區(qū)水質(zhì)污染嚴(yán)重。2010—2020年研究區(qū)生境質(zhì)量逐步提高,在這一時(shí)期內(nèi),生態(tài)環(huán)境問題越來越受到重視,針對(duì)飲用水的問題,煙臺(tái)市政府2011年出臺(tái)《關(guān)于煙臺(tái)市飲用水水源保護(hù)區(qū)劃定方案的復(fù)函》,2016年和2019年省政府先后頒布了《山東省企業(yè)環(huán)境信用評(píng)價(jià)辦法》和《關(guān)于建設(shè)項(xiàng)目涉及生態(tài)保護(hù)紅線有關(guān)事項(xiàng)的通知》,多項(xiàng)政策和措施的頒布促使研究區(qū)生態(tài)環(huán)境逐步改善。

從空間上看,低等級(jí)生境主要集中在芝罘區(qū)、福山區(qū)和各縣市沿海部分區(qū)域,隨著時(shí)間的變化,范圍擴(kuò)大到各縣市中心區(qū)域。該區(qū)域人口稠密,經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),人類活動(dòng)影響大,生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重。較低等級(jí)生境分布范圍較為分散,蓬萊市和萊州市分布較多,以蓬萊市為例,該地城市生態(tài)環(huán)境建設(shè)跟不上城市建設(shè)發(fā)展速度,因城市建設(shè)而引起的濫伐林木、侵占綠地的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生,導(dǎo)致城市人均綠化面積過低。另外蓬萊作為知名的海濱旅游度假城市,2018年蓬萊接待游客1 125萬人次,且集中在7、8月份,給該市帶來了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境壓力[18]。中等等級(jí)生境分布較為廣泛,主要集中在研究區(qū)西北和西南區(qū)域,該地主要以耕地為主。較高和高等級(jí)生境主要分布在東部丘陵區(qū)域,以林地和草地為主,經(jīng)濟(jì)發(fā)展較弱,受人類活動(dòng)影響較小。

5 結(jié)束語

本研究以煙臺(tái)市為研究區(qū)域,分析了2000—2020年該區(qū)域土地利用和生境質(zhì)量變化狀況,討論了影響生境質(zhì)量的因素。分析表明：

煙臺(tái)市主要土地利用類型為耕地,其次為草地、林地和建設(shè)用地。在2000—2020年,草地、林地、未利用地面積減少,耕地、建設(shè)用地、濕地面積逐漸增加。各用地類型轉(zhuǎn)換主要為草地、耕地和林地流向建設(shè)用地和濕地,且后10年相較前10年轉(zhuǎn)出量顯著減少。隨著城市化進(jìn)程的發(fā)展,人類對(duì)土地資源和水資源的需求也隨之增長。因此,保護(hù)研究區(qū)水域,合理開發(fā)建設(shè)用地對(duì)維護(hù)生物多樣性和人民過上文明健康新生活具有重要意義。

通過生境質(zhì)量分析,研究區(qū)整體的生境質(zhì)量處于中等偏高等級(jí),空間上,低等級(jí)生境主要集中在北部、西部沿海地區(qū)和各市縣區(qū)建成區(qū)、工礦企業(yè)分布區(qū),較低等級(jí)生境主要集中在中北部區(qū)域,中等等級(jí)生境占比較大,分布較為分散,主要集中在研究區(qū)西北和西南區(qū)域。較高和高等級(jí)生境質(zhì)量主要分布在研究區(qū)中、東部丘陵區(qū)域。時(shí)間上生境質(zhì)量平均值先下降后上升,總體來說,低等級(jí)、較高等級(jí)和高等級(jí)生境質(zhì)量上升,較低和中等等級(jí)生境質(zhì)量下降。人類活動(dòng)對(duì)土地利用類型造成影響,進(jìn)而導(dǎo)致研究區(qū)內(nèi)生境質(zhì)量發(fā)生變化。

在山水林田湖草一體化的今天,應(yīng)不斷協(xié)調(diào)各類用地的分配,在經(jīng)濟(jì)發(fā)展社會(huì)進(jìn)步的同時(shí),更加注重生態(tài)環(huán)境的保護(hù),提高生境質(zhì)量進(jìn)而實(shí)現(xiàn)區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。

土地利用數(shù)據(jù)源精度的高低會(huì)對(duì)土地類型統(tǒng)計(jì)情況產(chǎn)生一定的誤差,從而對(duì)生境質(zhì)量的結(jié)果會(huì)有一定的影響。本次研究所采用的土地利用數(shù)據(jù)源為30 m分辨率,能夠滿足本次2000—2020年煙臺(tái)市生境質(zhì)量演變趨勢(shì)的研究需求,但對(duì)生境質(zhì)量結(jié)果的進(jìn)一步精細(xì)化分析會(huì)有一定的影響,將在未來的實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步改進(jìn)完善。