谢嘉琪，文超祥
(厦门大学建筑与土木工程学院,福建 厦门 361005)
0 引言
联合国颁布的《生物多样性公约》和《2030年可持续发展议程》提出要对生态系统保护状况进行评估,特别是对生境质量的科学评估[1]。这对保护生物多样性、发展可持续经济、维护生态系统的和谐稳定具有重要意义。生境质量表征生态系统为物种提供可持续发展的能力,高质量生态环境是可持续发展的基础。然而,伴随着经济快速增长和城市扩张,导致了栖息地减少也制约了物种的可持续发展,造成生态系统失调[2]。因此,研究土地利用变化和生境质量指数变化特征与空间关系,是科学进行土地利用规划以及制定区域发展战略的重要前提。海岸带作为陆海系统重要交互地带,近年来越发成为生态系统脆弱的空间单元[3]。
福建省海岸带物种多样性丰富、生态结构稳定且复杂,拥有众多国家级生态名片,因此本文选取福建省海岸带作为研究区,探讨生境质量在土地利用变化中对未来土地利用变化预测的基础上提供生态保护指导。
1 数据与方法
1.1 数据来源
福建省海岸带2000,2010,2020三期土地利用数据、行政边界均来源中国科学院资源环境科学与数据中心(http://www.resdc.cn),其中土地利用类型划分为6类,空间分辨率为30 m×30 m。
本文驱动土地利用变化的空间变量分为自然生态因素、社会经济因素和空间可达性区位因素,如图1所示。气候、地形、植被覆盖率等因素决定了土地资源可利用的适宜性。选择代表人类活动强度的人口密度、GDP和夜光数据作为经济社会因素,并与城镇用地的建设呈现正相关。此外,空间可达性是使得自然用地转化为城市发展用地的重要影响因素,因此选择距铁路、河流、高速路、主干道和港口的距离来表达空间可达性[4]。
1.2 研究方法
1.2.1 土地利用转移矩阵
土地利用转移矩阵可反映出一段时间内研究区土地利用类型的结构变化特征,其计算公式见式(1):
(1)
其中,S为土地利用面积;n为土地利用类型数;i,j分别为研究初期和末期的土地利用类型;Sij为研究期内第i类向第j类转化的面积。
1.2.2 未来土地利用预测模型
本研究采用PLUS模型对未来土地扩张进行预测,该模型采用了土地扩张策略分析模块和基于多类随机斑块种子的元胞自动机模型对未来的土地利用进行预测,并且根据以往研究以及地区发展特征,设置了邻域转移系数和土地利用需求来模拟未来的土地利用情况[5]。
PLUS模型已通过Kappa系数和OA系数对模拟结果进行验证,保证该模型在福建省海岸带地区的适用性。
1.2.3 生境质量评估
生境质量是衡量区域生物多样性、生态环境水平和生态系统服务功能的重要指标。本文采用InVEST模型的生境质量模块计算福建省海岸带多时相生境质量,根据威胁因素最大胁迫距离和影响权重、生境适宜性评分以及LUCC来评判生境质量[6],采用耕地、林地、草地、水域、建设用地以及未利用土地6项一级土地利用类型,其中,将耕地、建设用地和未利用地选为威胁源地。土地利用对威胁源的敏感范围是0～1,例如林地和草地的生境适宜性为1,建设用地对生境适宜性为0,值越高表示对土地利用变化的敏感性越高。
生境质量计算公式见式(2):
(2)
其中,Hpq为土地利用j中栅格p的生境质量,值域范围为0～1,值越高则表示生境质量越好,反之则越差;Sq为土地利用q的生境适宜度;k为半饱和常数,k的取值为退化度最大值的一半;Dpq为生境退化程度,即土地利用类型为q的栅格对栅格p的威胁程度,这一指标通常与土地利用类型相关。
2 结果与分析
2.1 土地利用变化与模拟预测分析
研究统计了2000年—2020年各类土地面积及比例,如表1所示,福建省海岸带地区2000年、2010年、2020年的土地利用类型以林地和耕地为主,并且均呈现逐年减少的趋势。
表1 2000年—2020 年研究区各期不同土地利用类型面积及比例
2020年耕地占区域内面积最大的林地占比46.14%,较2020年比例有少许下降。耕地占土地利用面积的22.86%,较之2000年的耕地下降了4.21%。其次,草地占总面积的14.18%,建设用地占总面积的11.26%。而水域和未利用地的面积均较少,总面积均不到5%。20年来,福建省海岸带各地类都有明显的变化,其中,建设用地和未利用地不断扩大,耕地、林地和草地面积不断缩小,水体呈现波动变化趋势。
建设用地的增长幅度最大,增长了5.6%,而耕地的占地面积减少最为显著,减少了126 219 hm2,占2000年耕地面积的15.55%。
基于ArcGIS分析了2000年—2020年福建省海岸带的土地利用变化, 并构建土地利用转移矩阵,矩阵结果如表2所示,并通过对研究区20年来的土地利用转移分析,发现耕地大量转为了建设用地,其转出量占总转出量的81.59%。20年来由于城市化进程的加快,建设用地不断侵占周围的耕地,这一趋势目前仍在延续,造成了严峻的耕地保护问题。
在此基础上预测2030年的自然发展情形,与2020年相比,2030年自然发展情形下耕地、草地、水体分别减少1.03%,0.08%,0.31%;而林地、建设用地分别增加0.74%和1.69%。城镇的不断扩张体现了经济发展的需求,符合城镇化建设不断加强的现状,并且这部分侵占耕地和水体,福建省的地形地势特征为“八山一水一分田”,耕地和水体的面积不断减少不利于保障粮食安全和水资源环境的保护。
在空间分布上如图2所示,2000年的建设用地面积仍较少,分布在东南沿海地区和闽江沿岸。耕地分布集中成片,主要分布在地势平坦、水源充足的沿海地区。自2010年—2020年间,建设用地集中成片增加,并且集中在厦门市、泉州市市区和福州市鼓楼区,鼓楼区处于闽江沿岸,城市扩张趋势十分显著。
根据2030年的预测结果,城镇建设用地将在东南沿海地区尤其是厦门市区、泉州市区、莆田市区和福州市区进一步扩张。
2.2 生境质量时空演变特征
以四期土地利用数据为基础,通过InVEST模型得出福建省海岸带的生境质量结果,并将结果范围规定到0～1之间,如图3所示。并且,为明晰生境质量的空间分布特征,在ArcGIS中通过重分类方法将四期的生境质量分布变化分为三类:提升、下降和基本不变,见图4。
从空间分布上可以得出,研究区域内大部分地区生境质量降低显著,并且呈现持续下降的态势。从数量上看,福建省海岸带地区2000年—2030年的生境质量统计总平均值为0.736,0.719,0.71,0.701,总体生境质量下滑。并且,生境质量下降的面积在研究期内占70.37%,并呈现逐年上升趋势,生境质量提升的区域仅占24.59%。直到2020年—2030年间,在模拟预测中加入了生态保护要求,生境降低的区域面积才有所下降。从行政区划来看,生境质量变化最为明显的集中在东部沿海,尤其是厦门市域范围和泉州市域范围内,在整个区域处于生境质量的低值中心并显著降低。
生境质量恶化严重的厦门市海岸带区域范围,在2000年—2020年下降率达到13.01%,并预计在2030年进一步下降到0.469,并在2010年低于泉州市,成为福建省海岸带地区生境质量最低的地区。
其中,宁德市域生境质量最高且波动不大,保持相对稳定,原因为宁德市内有大量的原始森林覆盖且坚持走生态优先、绿色发展的道路。在对所有的县市单元进行统计中发现,仅有东山县在2000年—2030年内总体平均生境质量呈现上升的趋势,其生态发展战略与政策值得其余县市参考借鉴。
2.3 小结
通过以上分析可以得出以下结论:
1)PLUS模型可以较好预测福建省海岸带未来土地利用格局,在土地利用分析结果中显示,耕地减少较快,并且大多向建设用地转移,从而带来生境质量的持续下降,转移的建设用地主要分布在厦门市、泉州市市区和福州市鼓楼区。
2)生境退化占研究区内70.37%的面积,而生境质量提高的部分主要集中在研究区的西北部山区、宁德市内以及漳州市内部分山地。如图5所示,生境质量的平均值在2000年—2030年内都呈现持续下降的趋势,研究区内的市县除了东山县的生境质量均退化,土地利用模式变化破坏生物栖息地,影响生物生存安全。
3)城镇化的不断扩张与地区的生境质量呈反比,表明在海岸带地区的城镇开发中未能达到发展与生态相结合,致使生境质量不断下降。在发展的过程中,研究得出海岸带地区的土地使用强度提高,破坏了生态要素相互作用,最终影响了生境质量。因此,在未来的海岸带规划与建设中应更加注重保护与发展相结合。
3 海岸带生态规划策略
3.1 以生态保护为核心,构建用地管控体系
海岸带地区是人口急剧增长以及城市快速扩张的地区,在规划建设中缺乏对于生态影响的合理评估,导致出现诸多生态问题。管控和规划海岸带陆域空间的用地规划,前期需要考虑到海岸带地区独特的地理特征,纳入陆海统筹的观点,在陆域开发的同时也需考虑空间外溢效应对海洋生态的影响,尤其是对于水体基础环境进行维护,减少城镇污水排放入河入海。
从具体的措施上,对城市建成区开拓生态通廊,而对于未来预测规划建设成建设用地的地区,规划保留重要的生态通廊和保障充足的生物栖息地,对生物栖息地与城镇空间保留一定的缓冲地区,削弱由于土地开发对重要生态环境的破坏与冲击。
3.2 开展生态修复工作,构筑安全屏障
生态修复是辅助自然进行自我恢复的过程,在规划过程纳入开发行为对海岸带地区的生态系统影响评估,开展对陆域地区生态受损的林地和河湖等系统进行修复,打造重要的生态节点。
对目前已有的各类资源和自然保护地进行归类和摸清底图,以系统性和整体性为出发点,优化目前已有的生态保护地,科学布局新用地,并且对已开发建设的用地受损部分开展生态保育工作,进行科学修复并达成满足基本的生态功能要求。
3.3 完善协同保护机制,打造智慧保护平台
在过去的海岸带规划中,常常以“以海定陆”或“以陆定海”的陆海分割思路进行谋划,导致海岸带地区的规划和管理事权模糊,使得用地开发建设与生态保护之间产生一定冲突。在新时期国土空间规划需要整合多个部门的职责,统一山水林田湖草的资源底图保护海岸带地区独特的生态资源,平衡生态保护的要求与用地功能布局。
结合相关技术打造智慧保护平台,运用遥感图像实时获取生态监测数据,分析预测得出生态保护修复重要节点,并且对开发建设过程中引发的生态问题进行及时预警和管理。这一模块可纳入国土空间规划的生态板块,各部门之间互联互通,为海岸带规划提供技术支撑。
