象山港海岸带景观生态风险演变研究

郭意新,李加林*,徐谅慧,郑忠明,钱瑛瑛,任丽燕，关 健

(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；3.宁波大学 海洋学院，浙江 宁波 315211；4.河南省地质环境监测院；河南 郑州 450016)

象山港海岸带景观生态风险演变研究

郭意新1，2,李加林*1，2,徐谅慧1,郑忠明3,钱瑛瑛1,任丽燕1，关 健4

(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；3.宁波大学 海洋学院，浙江 宁波 315211；4.河南省地质环境监测院；河南 郑州 450016)

海岸带景观是沿海地区社会经济可持续发展的基础，研究人类活动影响下的海岸带景观生态风险演变对海岸带景观规划与景观资源的合理开发具有重要意义。本文基于1990—2010年间3期的Landsat TM/ETM+遥感数据源，结合野外实地调查，研究了象山港海岸带景观生态风险及其变化趋势。结果表明： (1)20 a间，象山港海岸带景观格局发生显著变化，耕地、海域和林地等景观类型面积呈下降趋势，而建设用地、未利用地和养殖用地不断增加；(2)1990年以来，象山港海岸带景观生态风险等级有不断增高趋势，部分低、较低等级生态风险区演变为中等级以及较高等级；(3)从不同等级生态风险区的空间分布上看，1990年以来海岸带景观低和较低等级生态风险区空间分布在沿海地区减少，而中等、较高和高生态风险区在沿海地区不断形成并向陆侧扩张。从演化速率上看，近10 a的较高和高生态风险区面积增加速率较前10 a显著加快。

海岸带;景观;生态风险演化;象山港

0 引言

生态风险是一个种群、生态系统乃至整个景观的生态功能受到外界胁迫, 从而在当前和将来对该系统的健康、生产力、 遗传结构、 经济价值和美学价值产生不良影响的一种状况[1]。景观生态风险分析可以从区域的角度出发，结合系统论和控制论理论，评估出人类活动及社会经济活动中的负外部性对区域内部的景观结构和功能产生危害的可能性大小及其影响程度[2]。

国内外学者对不同区域生态风险进行了较为深入的探讨，国外由于工业化和城市化社会发展较早，相关研究也比较成熟，如Chesapeake湾流域的生态风险评价[3]和基于区域尺度的生态风险评价[4]。国内相关研究主要涉及海域生态风险评估[5]、流域生态风险评估[6]、土地利用风险评价[7-8]等。目前国内外对景观生态风险演变的研究，特别是海岸带地区的景观生态风险演变研究相对较少。本文以地处浙江沿海、人类开发影响显著的象山港海岸带为例，研究以人类活动为主要风险源的景观生态风险演化，以期揭示景观生态风险的时空变化规律，服务于象山港海岸带景观的持续利用。

1 研究区概况及边界定义

象山港位于我国大陆海岸线的中部，浙江省中部偏北沿海，地理范围介于29°20′N～29°50′N，121°15′E～122°00′E之间。

为方便区域环境管理，本文以象山港沿岸靠海乡镇作为海岸带区域(图1)，以2010年海岸线为研究区边界，不包含隶属的海湾海域，该区域共包含13个乡镇行政单元，总面积约1 022.82 km2。研究区三面环山，陆域地形属典型低山丘陵地区，地处亚热带季风气候区，年均气温为16.2～17.0 ℃，年均降水量为1 239～1 522 mm。象山港海岸带作为宁波市重要的沿海经济区，随着象山港大桥的建成通车，区域交通更加便利，海岸带开发活动不断增强，海岸带景观演替也将进一步受到人类活动的干扰和影响。

2 研究方法

2.1 数据采集与处理

选取从美国地质调查局网站下载的3个不同时期(1990，2000和2010年)Landsat TM/ETM+影像为数据源，其空间分辨率分别为30 m和15 m，遥感影像的成像时间均为植被覆盖度较高的生长季。以野外实地考察获取GPS控制点，以研究区1∶50 000数字栅格地图为参考。

利用ENVI软件，对遥感数据进行辐射校正、几何纠正以及研究区范围裁剪等预处理工作。依据全国土地利用现状分类标准[9]，将研究区的景观类型划分为林地、耕地、建设用地、水域(湖泊、河流等陆上水体)、养殖用地、滩涂、未利用地及海域(特指海洋水体)8种景观类型并进行初编码，运用遥感软件 eCogntion 8.0面向像元(对象)分类方式进行初分类；然后，对初分类结果进行对照以及人机交互式解译、精度检验和校正，以确保结果可靠；最后得到3期研究区景观类型矢量数据。由最近时相(2010年)的遥感影像及其解译结果(图2)可知，养殖用地、建设用地、未利用地和耕地等主要集中在象山港沿岸和象山港流域周边河流的两岸，水域和林地则主要分布于山地。

图1 研究区区位图

图2 2010年遥感影像(a)及解译结果(b)

2.2 风险小区划分

依据景观生态学方法，将生态风险指数落实到具体的地理区域。将研究区划分为4 km×4 km大小的生态风险小区格网，共有113个生态风险小区。计算出每一格网的景观生态风险指数，以此为基础计算格网中心点的生态风险值。

2.3 景观生态风险指数

前人对湖泊[10]、湿地[11]等的生态风险评价成果表明，不同的景观类型对风险源的暴露-响应度是不同的，不同景观也具有相当的空间异质性，生态系统的微小变化也表现出景观结构组份的空间结构和功能的变化。

本研究拟用不同时相研究区海岸带景观来表征风险受体对人类活动的响应度，其中土地利用方式的转变，是人类对区域的生态系统施加影响最显著的方式之一。为了研究景观空间异质性，根据前人经验，本文通过构建景观格局指数作为响应系数，进而计算生态风险值ERI用于评价研究区的生态风险水平。

本文选用的景观格局指数包括：破碎度指数Bi，分离度指数Ci、优势度指数Di、干扰度指数Ei、脆弱度指数Si及损失度指数Ri，各指数的具体含义可参考文献[2]。其中景观干扰度指数表示景观受到人类活动影响的干扰大小，计算公式为：

Ei=aBi+bCi+cDi

(1)

式中：a，b，c为相应各景观指数的权重，且a+b+c=1，根据分析比较，破碎度指数Bi最为重要，其次是分离度指数Ci和优势度指数Di，分别赋予3个指数0.5，0.3和0.2的权值。

本文对研究区的8种景观类型脆弱性进行评价及结果的归一化处理，得到了各景观类型的脆弱度指数Si[2,12](见表1)。

景观损失度指数Ri主要用来表征不同景观类型受体所代表的生态系统在受到外部风险源(包括自然因素和人为因素)的干扰时其空间范围被剥夺的可能性，计算公式为：

Ri=Ei×Si

(2)

景观生态风险指数是用于表征一个风险小区内综合的生态损失的相对大小，从而通过样方法将景观风险格局转化为空间化的生态风险值，计算公式为：

(3)

式中：ERIi是第i个风险小区的景观生态风险指数，Aki是第k个风险小区第i类景观的面积，Ak是第k个风险小区内的景观总面积，i表示风险格网内景观类型数目。各指数含义参见文献[2,13]。

2.4 空间分析方法

地学空间统计中用于解释空间自相关的方法主要有Moran′I法和半方差分析法。Moran′I法对局部区域自相关解释度不足，于是产生了解释局部空间自相关的LISA作为补充，但对连续变量的解释仍然有缺陷。半方差分析是一种描述和识别格局的空间结构和空间局部最优化插值(用于解释空间连续变量)的方法[13]。景观生态风险指数作为一种连续的空间变量,半方差是度量其空间依赖性和空间异质性的综合指标，本文借助半方差分析方法中的半方差变异函数对格网中心点数据进行拟合[13-14]。根据实际程度的半方差图，选择最适合的模型进行计算，最终得到了生态风险指数的空间分布图。

3 研究结果

3.1 景观格局时空变化

利用Fragstats 3.4计算模块，得到象山港海岸带不同时期各景观类型的景观格局指数(表1)，由表1可知，20 a间，象山港海岸带的景观类型和分布发生了交叉演替。耕地、海域和林地等景观的面积均呈现不断下降趋势，林地面积减少量居第一位，达52.75 km2，主要出于经济目的而遭到人类大范围砍伐，转变为未利用地或耕地。其次是耕地减少了45.51 km2，主要转变为建设用地。相反，建设用地增加了71.91 km2。此外，围海养殖也使得养殖用地增加了36.40 km2。

从斑块数量变化来看，各景观类型的斑块总数显著增加，建设用地斑块数量增加量最多，由1990年的40个增加到2010年的149个，净增加达2.7倍。人类经济活动范围的扩大导致了林地、海域以及水域空间破碎度和分离度明显增加。特别当前正处于城乡一体化加速阶段和快速工业化的时期，建设用地比例持续增加，导致建设用地的空间分离度不断减小和优势度不断增加，具体表现为建设用地在地域上由零散分布到集中连片，如经济开发区。

3.2 景观生态风险格局时空演变

由景观生态风险指数算式，计算出象山港海岸带113个风险小区3期的生态风险指数格网数据，基于变异函数的理论模型进行拟合，为保证结果精度，确定插值的栅格大小为30 m×30 m。在此基础上，对3期的生态风险指数进行Kriging插值。为了让不同时期的生态风险指数图形空间化，本文采用相对指标法对风险小区的生态风险指数按照自然断点等距划分，等级间隔为0.010，划分5个风险等级：低生态风险区(ERI<0.025)，较低生态风险区(0.025≤ERI<0.035)，中生态风险区(0.035≤ERI<0.045)，较高生态风险区(0.045≤ERI<0.055)，高生态风险区(ERI≥0.055)。最后得到了象山港海岸带生态风险格局演变图(图3)，经过栅格计算，可以得到不同生态风险等级所占面积(表2)。

表1 景观格局指数

图3 象山港海岸带景观生态风险演变图(1990—2010年)

表2 生态风险等级面积变化

由表2可知，1990年研究区内处于低生态风险等级和较低生态风险等级的区域面积为981.41 km2，共占全区总面积的95.95%。象山县、宁海县的山区一带主要是低生态风险区。较低生态风险区主要在研究区海岸呈带状分布。处于中生态风险等级的区域主要分布在象山港流域各条河流的河口附近，面积约为41.41 km2，约占总面积的4.05%，此区域以平原为主，人口高度集中，社会经济活动活跃，城镇和交通用地集中，造成了景观类型斑块的分离度和破碎度都较大，也正是生态风险相对较大的区域。

相比1990年，2000年低生态风险区面积减少了222.39 km2，而较低生态风险区逐渐向陆侧方向拓展，侵占了林地和耕地。随着城市化和工业化进程的不断发展，人类对土地资源的需求不断增加，人类活动的范围逐渐由沿海平原区域向山地拓展，导致林地演变为生态风险脆弱度较高的耕地以及经济建设用地。研究区中等生态风险等级区域的分布面积增长迅速，从1990年的41.41 km2增加到2000年的130.83 km2。随着象山港湾区自然淤积和人类围海垦殖，更多的海域逐渐转变为人工化景观，导致海岸带生态风险不断增大。

2010年，研究区生态风险等级分布表现为低、较低生态风险等级区域面积持续下降。较高生态风险等级和高生态风险等级区域显著增加，面积比重分别由2000年的1.36%和0%增加到2010年的4.45%和4.33%，净增加面积分别为31.64 km2和44.33 km2。近10 a来象山港经济社会高速发展，海洋生产力、海洋经济成为热词，人类不顾海岸带自然承载力的限度而贸然向海洋进军，特别是在象山港湾区出口处的两岸，各种小规模、粗放的海洋围垦、围海养殖和海洋化工等经济活动大行其道。结果不仅导致经济效益低下，而且景观的生态风险增加。区域发展应从整体出发，重视统筹规划和因地制宜地发展工农业生产，充分考虑到海岸带生态的脆弱性，实现经济、环境和人类社会的全面、协调和可持续发展。

3.3 景观生态风险转化分析

为进一步了解风险等级转变的内在规律，利用ArcGIS面积制表工具对近20 a 2个时段内的各生态风险等级转化方向、面积和速率进行了定量分析(表3)。

表3 1990—2010年生态风险等级转换面积及速率

对比前后2个10 a间的年均变化，生态风险等级呈下降趋势的转化类型有中生态风险等级向较低生态风险等级转化和较低生态风险等级向低生态风险等级转化；生态风险向高等级转化的趋势类型主要有低生态风险等级向中和较高生态风险等级转化，较低生态风险等级向中、较高和高生态风险等级转化，中生态风险等级向较高和高生态风险等级转化以及较高生态风险等级向高生态风险等级转化等等。从2个时段内的变化速率来看，各生态风险等级向高风险等级转换的速率均有所加快。

4 结论

本文以1990,2000和2010年3期的Landsat TM/ETM+遥感影像为基础，根据景观生态学的原理，构建了综合生态风险指数，较客观地反映了研究区不同时期的生态风险状况。对研究区生态风险指数结果进行了分析，得出以下几点结论：

(1)耕地、海域和林地的面积呈现逐年减少的趋势，其破碎度和分离度增大，优势度不断减小，受到了人类活动的干预而愈加分散化。建设用地和养殖用地面积增加明显，空间上的分离度持续减小，优势度增大，此类景观在空间上具有集聚效应。

(2)1990年，象山港海岸带以低和较低等级生态风险区为主，面积占比达95.95%。2000年较低和中等生态风险区面积则增加明显。说明低等级正在向更高等级演化。至2010年，低生态风险区面积持续减少，而较高与高生态风险区面积明显增加。

(3)研究区内的景观生态风险在空间上的演化趋势和速率表明，低生态风险等级区域不断向陆侧后退，较高和高生态风险等级区域不断向陆侧推进，呈现出此消彼长的趋势。到2010年，较高和高生态风险区域集中在湾区出口处两岸经济发达片区，该区域在近年得到了高强度开发，而耕地和建设用地成为主要的风险源。近10 a的低生态风险区面积减少速率与10 a前相比降低；另外较高和高风险面积增加速率明显提升，反映了人类对海岸带开发利用的强度不断加大。

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Change of landscape ecological risk on coastal zone of Xiangshangang Bay

GUO Yi-xin1，2， LI Jia-lin*1，2， XU Liang-hui1， ZHENG Zhong-ming3， QIAN Ying-ying1, REN Li-yan1， GUAN Jian4

(1.UrbanScienceDepartmentofNingboUniversity,Ningbo315211,China;2.ResearchCenterforMarineCultureandEconomy,Ningbo315211,China; 3.SchoolofMarineSciences,NingboUniversity,Ningbo315211,China；4.InstituteofGeologicalEnvironmentalMonitoringinHenanProvince,Zhengzhou450016,China)

Coastal landscape is the foundation of social and economic sustainable development in coastal areas. It is significant to make an analysis about the change of landscape ecological risk on coastal zone to optimize the evolution of the coastal landscape planning and rational development of landscape resources. Based on the Landsat TM/ETM+ remote sensing data of 1990-2010 and field survey, the temporal-spatial change of landscape ecological risk on coastal zone of Xiangshangang Bay was analyzed in this study. The results show that: (1) Over 20 years, great changes of landscape patterns have taken place in Xiangshangang Bay. The areas of arable, sea and woodland have decreased, while the areas of construction land, unused land and aquaculture land have increased. (2) Since 1990, coastal landscape ecological risk grades of Xiangshangang Bay have a constantly increasing trend. Some low and lower grades of ecological risk areas have evolved to medium and higher grades. (3) Judging from the spatial distribution of different levels of ecological risk, it embodies that the low and lower grade ecological risk areas decreased in the coastal region from 1990 to 2010. The medium, high and higher grade ecological risk areas formed in the coastal region continuously and expanded landward. In terms of the evolutionary rate, for nearly 10 years, the high and higher ecological risk areas had a significantly acceleration comparing with those of previous 10 years.

coastal zone; landscape; ecological risk evolution ; Xiangshangang Bay

10.3969/j.issn.1001-909X.2015.01.009.

2014-11-04

2015-01-15

国家海洋公益性行业科研专项经费项目资助(201205005)；浙江省自然科学基金项目资助(Y5110321)；浙江省社科规划项目资助(14JDHY01Z，11JCGL13YB)

郭意新(1993-)，男，安徽肥西县人，主要从事海岸带环境与资源开发方面的研究。E-mail：guo_yx@yeah.net

*通讯作者:李加林(1973-)，男，教授，主要从事海岸带环境与资源开发方面的研究。E-mail：nbnj2001@163.com

P901；X826

A

1001-909X(2015)01-0062-07

10.3969/j.issn.1001-909X.2015.01.009

郭意新,李加林,徐谅慧，等.象山港海岸带景观生态风险演变研究[J].海洋学研究,2015,33(1):62-68,

GUO Yi-xin，LI Jia-lin，XU Liang-hui, et al. Change of landscape ecological risk on coastal zone of Xiangshangang Bay[J]. Journal of Marine Sciences,2015,33(1):62-68, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2015.01.009.