象山港海岸带景观格局演化

徐谅慧，李加林＊，袁麒翔，王明月，卢雪珠，杨 磊

（1.宁波大学 城市科学系，浙江 宁波315211；2.浙江省海洋文化与经济研究中心，浙江 宁波315211）

0 引言

景观空间格局是指大小和形状不一的景观斑块在空间上的排列方式，它是景观异质性的重要表现，同时也是各种生态过程在不同尺度上作用的结果［1－2］。区域景观格局演变及景观生态分析对于理解人类活动与景观格局之间的变化，促进人类和自然的可持续发展都具有重要意义［3－5］。近年来，景观生态学更多地关注景观格局、景观过程以及景观变化方面的研究，其中对于景观格局的研究主要集中在两个方面：一是以探讨景观空间异质性为主的景观静态格局分析［6－8］；二是以相对稳定的空间区域为研究对象，探讨景观格局的时间异质性问题［9－10］。而景观的空间格局演变分析是探讨景观格局和生态过程之间相互关系的基础［11－12］，同时也是景观生态学研究的重点内容之一。近年来，国内外学者运用3S技术研究景观格 局 变 化 主 要 涉 及 流 域［13－14］、湿 地［15－16］和 城 市 森林［17－19］等方面，而对海岸带港湾地区景观格局变化研究尚不多见。

港湾作为海岸带地区的重要区域，具有良好的区位优势和资源优势，也正因为如此，海湾承受了人类高强度的开发和利用活动，深受海陆的双重影响，具有生态脆弱性。从区域的角度对港湾海岸带景观空间格局变化进行研究对明析港湾景观生态现状，把握区域景观变化过程和趋势，正确评价人类活动对港湾生态系统影响及合理利用港湾资源都具有重要的意义。本文从景观生态学角度出发，探讨了1990—2010年象山港海岸带地区景观的空间格局变化。

1 研究区概况

象山港地处浙江省北部沿海地带，是浙江省三大内湾之一，北面紧邻杭州湾，南邻三门湾，东侧为舟山群岛，通过青龙门、双屿门和牛鼻山水道与外海相连，是一个由宁波东部沿海至西南向内陆深入的纵长约为62.8km的狭长型半封闭海湾［20］，陆域涉及宁波市象山、宁海、奉化、鄞州和北仑5个县市区，海岸线长达270km有余，海域面积达391.76km2。

为考虑行政区划的完整性，本研究所指的象山港海岸带范围特指象山港大陆沿岸靠海乡镇街道（29°20′N～29°49′N，121°21′E～121°57′E），共涉及宁波市5个县市区，14个乡镇，总面积约1 022.75km2（图1）。研究区地处天台山山脉的北延地带，三面环山，属典型的山地丘陵区，总体地势西南高，东北低。地处亚热带季风性湿润气候区，受季风影响，多年各站平均气温在16.2～16.5℃之间。区内各类自然资源丰富，各类海洋生物资源种类繁多，数量丰富，具有天然的深水良港，同时土地资源丰富，综合利用潜力巨大［21］。截至2010年，区域生产总值（GDP）年均增长12%，人均总产值从2.3万元增加到4.5万元，第一、二、三产业结构比例也调整到13∶42∶45［22］。然而，近年来，象山港内渔业资源衰退和各类环境问题凸显，为此，从景观生态学角度研究近20a来象山港海岸带景观格局变化，对探讨象山港海岸带景观发展趋势以及象山港海洋环境修复治理均具有重要的意义。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据收集与处理

本文主要以1990年、2000年以及2010年象山港沿海区域的TM遥感影像作为数据源（成像时间均为植被覆盖率较高的6—10月份，数据情况详见表1），同时，参考结合了宁波市各县级市行政区划图和浙江省1∶250 000地理背景资料等基础数据。在Erdas遥感软件的支持下，以浙江省1∶250 000地形图为基准并结合GPS野外调查控制点对1990年、2000年及2010年3期的TM遥感影像数据进行几何纠正、图像配准、图像拼接及研究区裁剪等综合处理。景观分类系统在参考全国农业区划委员会的土地利用分类方案［23］和国家质量监督检验检疫总局的《土地利用现状分类》［24］的基础上，结合研究区景观系统特征及研究的实际需要，将研究区内的景观类型划分为林地、耕地、建设用地、水域、养殖用地、滩涂、未利用地①注：未利用地专指城镇、村庄、工矿内部尚未利用的土地，或已开垦但尚未明确利用方向的荒地等；以及指表层为土质，基本无植被覆盖的山区山体。及海域8大类（其中，由于向海一侧研究边界的选取以2010年的海岸线作为基准，故2010年景观分类图中无海域这一景观类型）。利用eCognition Developer 8.7基于样本的分类方式进行初步分类，再通过分类后比较法［25］以及人机交互式解译等方法，借助Arcgis 10.0对分类结果进行校对和更正，以提高解译精度。通过精度报告得到3个时期遥感影像分类精度分别为0.89（1990年），0.87（2000年）和0.91（2010年），均达到最低允许判别精度要求［26］，可以满足研究的需求。景观分类结果见图2。

表1 卫星遥感数据表Tab.1 The data of satellite remote sensing

2.2 景观格局指标的选取

尽管目前国内外学者已用大量的景观格局指数来描述不同尺度、不同方面的景观格局变化特征，但各个景观格局指标之间的相关性和冗余性仍然受到了生态学界研究者的广泛关注。本文在总结了HARGIS et al［27］的研究成果，并参考前人的研究经验［28－30］，全面了解每个指标的生态学含义及其所反映的景观结构侧重点的基础上，根据本文研究的目标、数据来源以及精度限制，主要从类型和景观两个水平上对象山港海域的景观格局变化进行定量化分析。在类型水平上，主要选取斑块数量（NP）、平均斑块面积（MPS）、斑块密度（PD）、边界密度（ED）、形态指数（LSI）和平均斑块分维数（F）等6个指标，分别从各个类型斑块的数量、大小、形状及其内部的关联性等几个方面对景观类型变化特征进行分析；在景观水平上，除了选取类型水平上的几个指标外，还选取了斑块凝聚度指数（COHESION）、Shannon多样性指数（SHDI）及Shannon均匀度指数（SHEI）3个指标，对象山港海岸带1990—2010年的景观格局变化特征进行定量分析。以上所有指标的计算均借助景观指数计算软件Fragstats 3.4来完成。

图1 研究区地理位置Fig.1 Geographical location of the study area

图2 1990—2010年象山港海岸带景观分类图Fig.2 Landscape type of coastal zone around the Xiangshangang Bay from 1990to 2010

2.3 景观变化特征

为描述不同景观类型变化的快慢状况，在此引入景观类型动态度（K）和景观整体动态度（LC）两个指标来定量评估象山港海域地区景观变化的动态特征［31－32］。具体计算公式如下：

式中：Ui0和Uit分别表示景观类型i在研究初期和研究末期的面积，LU表示研究区景观总面积，ΔLUi－j表示研究期内第i类景观类型转变为非i类景观类型面积的绝对值，T表示研究时间间隔。

3 结果与分析

3.1 景观总体动态变化特征

各景观之间的多向转化导致了景观面积和空间分布的变化。通过对1990年、2000年及2010年3个时期的TM遥感影像进行处理，同时，借助Arcgis统计分析工具可以得到20a间象山港海岸带地区各景观面积变化情况（图3）以及象山港海岸带各时期景观类型动态度表（表2）。

由图3可知，1990—2010年的20a间，象山港海岸带景观类型中，林地、海域以及耕地面积整体呈现出逐年下降的趋势（其中耕地前10a变化甚小），建设用地、水域、养殖用地及未利用地则呈现出不断增加的趋势，而滩涂面积则呈现出先增加后减少的态势。其结构变化主要表现为林地、海域、耕地等景观不断向建设用地、养殖用地、水域（多为水库用地等）及未利用地等人工景观转变。其中，林地减少最多，20a间的净减少量达52.682km2，面积指数减少5.15%，海域和耕地分别减少了4.11%和4.45%；而建设用地增加最多，为71.917km2，面积指数共增加7.03%，其次为养殖用地和未利用地，面积指数增加量分别为2.89%和2.84%。

图3 1990—2010年象山港海岸带各景观类型面积Fig.3 The area of the landscape type of coastal zone around the Xiangshangang Bay from 1990to 2010

表2 象山港海岸带各时期景观动态变化Tab.2 The dynamic changes of landscape in the coastal zone around the Xiangshangang Bay at different period

从单一类型的景观动态度来看，1990—2000年，养殖用地的动态度最大，达11.39%（表2），其次为未利用地，也达到了10.69%。而2000—2010年的10a间，未利用地的动态度最大，高达113.92%，远高于其他各类景观，由此说明后10a间，更多的景观类型被开发利用建设成为其他人工景观用地。此外，建设用地的动态度在后10a间也达到了21.71%。从景观整体动态度来分析各景观之间的内部变化可知，20 a来，象山港海岸带地区景观整体动态度呈现出上升趋势，由0.84%升高到1.35%，说明近10a来，人类开发利用活动力度的加大导致象山港海岸带景观变化更为频繁。

3.2 不同景观类型转移特征

通过对1990、2000和2010年3个时期的TM遥感影像的处理，利用Arcgis统计工具得到象山港海岸带20a来的景观类型转移矩阵（表3和表4）。由此可知：

（1）1990—2000年的10a间，有9.73%的林地转化为了耕地，这类转化主要在山麓地带更为明显；而耕地转变为林地的为12.51%，主要原因是象山港地区开展退耕还林措施；此外，有4.08%的耕地转变为建设用地，3.72%转变为养殖用地，而这类转化主要集中在沿海平原一带。由于人类活动围海工程的不断外扩，随着泥沙淤积的加快，有25.57%的海域转变为滩涂，4.96%直接被围垦从而转变为养殖用地。随着海洋水动力的改变，也有10.64%的滩涂转变为海域，6.44%转变为养殖用地。而从来源看，转化为建设用地的各类景观中，耕地所占比重最大；转化为养殖用地的各类景观中，亦是耕地所占比重最大。此外，在前10a间，未利用地更多地转变为了耕地，其位置主要集中在沿海一带（表3）。

（2）2000—2010年的10a间，各类景观类型也发生了一定程度的转移（表4）。其中，未利用地变化最为剧烈，46.05%的未利用地变为建设用地，这类转变尤以沿海区域更为集中；22.49%和17.73%转变为林地及养殖用地，由此表明农业开发活动以及城市扩张对未利用地的转变有着较大的驱动作用。此外，养殖用地也发生了较大的变化，主要流向是未利用地及建设用地，还有少量流向耕地和林地，由此表明城市扩张、植被恢复以及农业的开发活动是养殖用地转变的主要驱动因素。此外，耕地的转化率虽不高，但转化面积却较大，其中有15.84%的耕地转变为林地，主要是由于退耕还林政策的实施以及象山港沿岸乡村旅游业的发展等；40.893km2的耕地转变为建设用地，还有少量转化为养殖用地和水域等。水域景观大多流向耕地、养殖用地及林地，填水造陆用于农业生产开发是水体损失的最直接原因。而海域的流向主要集中在滩涂、水域以及未利用地等景观类型上。林地的转化率最低，主要流向为耕地及建设用地。

表3 1990—2000年象山港海岸带景观利用转移矩阵Tab.3 Landscape conversion matrix of coastal zone around the Xiangshangang Bay from 1990to 2000 km2

表4 2000—2010年象山港海岸带景观利用转移矩阵Tab.4 Landscape conversion matrix of coastal zone around the Xiangshangang Bay from 2000to 2010 km2

3.3 景观水平格局的变化特征

借助Arcgis 10.0软件将3个时期的象山港景观类型分类矢量图转为栅格图，采用Fragstats软件和数据库软件计算得到3个时期的景观水平格局指数（表5）。

表5 1990—2010年象山港海岸带景观水平格局指数Tab.5 Overall landscape pattern indexes of coastal zone around the Xiangshangang Bay from 1990to 2010

由表5可知，在研究期内的20a间，象山港海岸带景观水平的格局指数发生了较大的变化。斑块总数不断增加，由1990年的235个增加到2010年的481个，增加了近104.7%；与此同时，斑块平均面积不断下降，从1990年的4.352km2减小到2010年的2.126km2。由此说明，近20a来，象山港海岸带的景观破碎化程度不断加深，景观整体朝着细粒方向转化。此外，斑块密度也是衡量景观破碎化程度的重要指标，从1990—2010年，象山港海岸带景观的斑块密度不断变大，景观更为破碎化。

与此同时，边界密度和斑块形态指数呈现出不断增加的趋势，而平均斑块分维数先增大后减小，但总体上还是呈现出增大趋势，斑块的破碎化导致了斑块形状不断向着复杂化的方向转变。斑块凝聚度指数不断减小，景观的空间连接性不断减弱，趋向于由许多不同类型的小斑块相互交错叠加组成。此外，景观的多样性指数和均匀度不断增加，表明景观异质性不断增强。

3.4 类型水平格局的变化特征

3.4.1 斑块数量

随着城市化以及工业化的快速发展，象山港海岸带景观斑块数目不断增加。从各类不同景观看，林地、海域、建设用地、水域及养殖用地等类型的斑块数目呈现出逐年增长的趋势，其中尤以建设用地增长最为显著，从1990年的40个增加到2010年的149个，增加了272.5%，这主要与乡镇地区居民点建设以及各类基础设施完善等有关。耕地景观的斑块数目呈现出先减少后增加的趋势，这主要是由于前10a，随着退耕还林等措施的实施，使得许多碎小的耕地斑块被不断改造为林地等景观，斑块数目减少；而后10a，随着居民城镇用地的不断增加，更多的耕地被利用分割，斑块个数又呈现出增加趋势。滩涂斑块数量在20a间整体呈现出下降的趋势，更多细碎的滩涂斑块被围垦利用为养殖用地等。而未利用地斑块数目在后10a明显下降，这主要与人们加快了改造利用未利用地速度有关（图4a）。

3.4.2 平均斑块面积

从1990—2010年，象山港海岸带不同景观类型的平均斑块面积有着不同程度的变化，其中林地、海域、耕地以及养殖用地的平均斑块面积整体呈现出下降的趋势（图4b）。平均斑块面积下降最快的是林地，共减少了10.9km2；耕地的平均斑块面积在前10 a略有增加，后10a内明显下降，减少了56.2%。海域和养殖用地的平均斑块面积减少量相对较小。而建设用地、滩涂、水域及未利用地的平均斑块面积呈现出增加的趋势。其中未利用地的平均斑块面积增加最显著，增加了9.9km2，这主要与人类活动大面积地开发沿海地区滩涂有关。建设用地的平均斑块面积也有所提高，城市化进程的不断推进使得农村地区居民点不断拆迁合并，从而使得平均斑块面积增加。

3.4.3 斑块密度

斑块密度是斑块数量与面积的比值，其主要用来表征景观斑块的破碎化程度。1990—2010年，林地和建设用地、水域和养殖用地由于受到人类活动的干扰程度提高，斑块密度均呈现出不断增长的趋势（图4c）。其中建设用地增加最为明显，表明城市化过程中建设用地的扩建较为分散，使得破碎化程度增加。耕地的斑块密度虽呈现出先下降后上升的趋势，但整体呈现出上升趋势，表明人类活动对耕地的占用，使得耕地越来越破碎。而滩涂和未利用地的斑块密度则呈现出下降的趋势，表明人类活动对这两种景观的开发使得其形状趋于规则，破碎化程度下降。

3.4.4 边界密度

景观边界密度能直观地反映景观或景观类型边界被割裂的程度，同时反映景观的破碎化程度。1990—2010年，研究区内各景观类型（除滩涂外）的边界密度均呈现出增加趋势（图4d）。其中，边界密度增加最多的是建设用地，增加了9.0km／km2，由此表明，城乡建设用地及农村居民点在整改过程中还是缺少必要的规划，使得其形状趋于不规则化，由此增加了斑块的周长。其次，耕地的边界密度也有相当程度的增加，增加量达31%，这主要是由于耕地集中分布的地区往往也是乡镇居民点较为密集的地区，城镇建设以及乡镇基础设施的完善使得耕地被不断切断，变得更为破碎化。林地和养殖用地的边界密度分别增加了3.14km／km2和3.2km／km2，前者主要是由近年来山麓地带的林地被不断砍伐所致，而后者主要与象山港沿岸渔民围垦过程中缺乏适宜的整体部署规划和统筹安排，使得养殖用地破碎化程度加大有关。此外，海域和滩涂的边界密度有所下降，这主要是由于人类活动对海岸地区的自然岸线加以干涉，不少岸段被截弯取直后使得岸线曲折度下降。而水域和未利用地的边界密度增加相对不大。

3.4.5 形态指数

图4 1990—2010年象山港海岸带景观格局指数变化Fig.4 Changes of the landscape pattern indexes of coastal zone around the Xiangshangang Bay from 1990to 2010

斑块形态指数通常用来表征斑块的复杂程度，形态指数越大则表明斑块的形状越复杂，从而斑块的破碎化程度也越高。1990—2010年的20a间，除海域、滩涂及水域外，其余景观类型的斑块形态指数都呈现不断上升的趋势（图4e）。各景观类型中，耕地的斑块形态指数在3个时期中均处于最高，由此表明相对其他景观类型，耕地的形状最为不规则，这与象山港海岸带地区以山地为主，耕地多散落分布在山麓地带有关。此外，20a间，建设用地的形态指数净增加值最大，达20.1，这表明随着城镇化步伐的加快，象山港海岸带乡镇的建设用地日益增多的同时，由于缺乏统一的规划，更多的居住用地深入到山麓内部，使得其形状越来越复杂。养殖用地、耕地和林地的形态指数也呈现出增加趋势。对于海域、滩涂及水域，由于人类活动的干涉，使得其曲折的边界日益规则化，形态指数总体呈现出波动下降的趋势。而未利用地由于多为人类围垦后在获取影像当时还未作开发的地类，故其形态大多以规则几何状为主，故20a间形态指数变化较小。

3.4.6 平均斑块分维数

平均斑块分维数是用来表征景观各个斑块之间自相似程度的指标，分维数越接近1，则表明斑块的自相似性越强，斑块形态越有规则。各类景观类型中建设用地的平均斑块分维数呈现出不断增加的趋势，共增加了0.028，斑块间的自相似程度越来越低，斑块趋于复杂化。林地、耕地、养殖用地及未利用地的平均斑块分维数呈现出波动上升的趋势，且斑块间的自相似性越来越小。而滩涂和水域的平均斑块分维数则分别降低了0.008和0.013，这主要与区内河流水网的整治和沿海滩涂围垦、水库建造等有关（图4f）。

4 讨论与结论

（1）1990—2010年间，象山港海岸带景观发生了较大的变化，主要表现为林地、海域以及耕地面积的下降，建设用地、水域、养殖用地及未利用地面积的增加以及滩涂面积先增加后减少的态势。在空间格局上，主要表现为由景观斑块破碎化导致的景观斑块数量增加了近104.7%，斑块密度不断增加，平均斑块面积由1990年的4.352km2减小到2010年的2.126 km2，斑块的边界密度和形态指数不断增加，景观斑块形状朝着复杂化发展，景观的多样性指数和均匀度不断增加，景观异质性不断增强。整体动态度呈现出上升趋势，人类开发利用活动力度的加大导致象山港海岸带景观变化更为频繁。

（2）象山港海岸带地处沿海，与内陆地区相比，其景观变化除受单一的人文因子的驱动外，还较大程度地受到了海岸带自然因子的驱动。在人文因子上，近20a来，研究区的社会经济发展及人民生活水平的提高导致景观利用发生了较大的调整，主要包括社会生产水平提高导致的城镇化和非农化使得大量的农田转变为城镇工业用地以及居民住宅用地，但又由于不少乡镇缺乏整体的规划，从而导致建设用地面积增加的同时，破碎度也越来越大。此外，沿海地区人类的围垦等行为使得大量的滩涂湿地转化为农用地及养殖用地。从自然因子看，海域来沙及河流输沙导致的岸滩淤涨以及围垦活动导致的岸线不断向海推进均促进了沿岸滩涂的迁移和演化，从而为景观演变提供了可能。

（3）采用TM遥感影像作为研究的主要数据源，利用GIS和RS的技术进行研究区景观类型及格局演变的研究，其结果的可信度很大程度上取决于景观类型的分类精度以及景观指数的选取。因此，如何提高不同类型景观的分类精度是需要进一步探讨研究的问题。

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