基于土地利用变化的福建省生境质量时空变化研究

刘智方, 唐立娜,*,邱全毅,肖黎姗,许 通,杨 丽,2

1 中国科学院城市环境研究所, 城市环境与健康重点实验室,厦门 361021 2 山东科技大学测绘科学与工程学院,青岛 266590

基于土地利用变化的福建省生境质量时空变化研究

刘智方1, 唐立娜1,*,邱全毅1,肖黎姗1,许 通1,杨 丽1,2

1 中国科学院城市环境研究所, 城市环境与健康重点实验室,厦门 361021 2 山东科技大学测绘科学与工程学院,青岛 266590

地利用变化引起的生态效应已经成为生态学研究的核心问题,分析土地利用变化引起生境质量时空变化可以为生态保护和土地规划提供科学依据。以福建省为例,利用InVEST模型对福建省生境质量进行评估,根据生境质量指数将其生境划分为低、中、良好、优等。同时分析了福建省土地利用变化对其生境质量时空格局的影响。 研究结果表明：2000—2010年,福建省景观破碎度指数逐渐降低,斑块之间连通性好,生境破碎化程度降低,整体生境得分值在0.9以上。林地是福建省的优势景观,其覆盖面积达到了福建省的86%以上, 并且林地的破碎化程度低,人类活动对它的干扰较小,所以福建省大部分地区生境质量处于良好、优质等级。但是福建省东南沿海地区生境值低于0.6,处于中、低等级之间,主要因为建设用地的急剧扩张增加了对生境质量的破坏强度。东南沿海地区的GDP占到福建省的65%以上,形成了以二、三产业为主导的产业格局, 对基础设施建设、工业、居住用地等的需求急剧增加。所以,福建省的57%以上的建设用地主要集中于东南沿海地区。东南沿海地区高度聚集的建设用地,侵占了大量的裸地和耕地,严重干扰了该地区整体生态格局,破坏了生境质量,导致其生境质量低于福建省其他地区。

InVEST模型；生境质量；景观格局

土地是人类赖以生存的空间,是人类社会生产中重要的自然资源和生产资源,是地球上各类复杂的生态系统的载体及物种的栖息地[1]。人类的各种生产生活活动都是以土地利用为基础的。随着人类对土地开发利用的逐渐深入,土地利用的格局、深度和强度都不断发生变化。与此同时,土地利用的变化能够影响生境斑块之间的物质流、能量流循环过程,进而改变区域生境分布格局和功能[2]。因此研究土地利用变化对生境质量的影响对于区域的生态保护和土地管理政策的制订具有重要意义[3]。

图1 福建省地区图Fig.1 Administrative map of Fujian province

近年来,许多学者利用模型,如生境适宜性模型HIS[4]、SolVES模型[5]、InVEST模型[6]等,分别在县域[7]、山区[8]、流域[9]等多个尺度对生境质量进行定量评估。在这些模型中,InVEST模型是目前较为成熟且应用最多的生态系统服务评估模型[10]。如Bhagabati等[11]用InVEST模型对苏门答腊岛中部的老虎栖息地生境质量进行评估,并分析指出适合老虎保护的情景模式；包玉斌等[12]利用InVEST模型对陕西省黄河湿地保护区土地利用对生境质量的影响进行了评价。吴健声等[3]利用InVEST模型分析了京津冀地区2000—2010年土地利用变化引起的生境质量的时空演变,得出结论：2000—2010年,由于景观结构异质性的减弱和破碎度的提升,京津冀地区东南部和南部生境质量较低、北部和西部较高。其中,东南部和南部2010年生境质量明显下降,发生了一定生境退化乃至丧失现象。这些学者利用InVEST模型分析了不同地区生境质量的时空演化情况,并且基于土地利用及其景观格局的变化,分析了生境质量变化对土地利用变化的生态响应。本文在国内外学者研究的基础上,以福建省为研究区,利用InVEST模型分析土地利用变化引起的生境质量的时空变化,并且结合社会经济数据深入的阐述了福建省生境质量变化的原因。最终提出如何恢复东南沿海地区的生境质量以及如何在保证闽西、闽北、闽中等地区生境质量良好的情况下,发展这些地区的经济,最终协调好经济发展与生境质量提高之间的关系,为福建省未来的生态规划提供一定的理论支持。

1 研究区概况

福建省位于中国东南沿海(28°30′—28°22′N, 115°50′—120°40′E),东北与浙江省毗邻,西、西北与江西省接界,西南与广东省相连,东隔台湾海峡与台湾岛相望。陆域面积12.4万km2,海域面积13.6万km2。大部分属中亚热带,闽东南部分地区属南亚热带；年均气温在17—21℃,沿海全年高于10℃。冬季温暖,1月沿海平均气温7—10℃,山区6—8℃。夏季炎热,平均气温20—39℃。年降水量1400—2000mm,从东南向西北递减。季节分配不均,有较明显雨季和干季。年日照时数为1700—2300h。沿海及岛屿地区有效风能达2500—6500kWh/m2。主要河流有闽江、晋江、九龙江、汀江。福建的森林覆盖率为63.1%,居全国首位。林地面积617.9万km2,全国六大林区之一(图1)。

2 数据获取与研究方法

2.1 数据来源

2000 年、2005 年的土地利用数据由Landsat TM遥感影像目视解译获取,2010年的土地利用数据由HJ- 1卫星CCD 影像目视解译获取,数据分辨率均为30 m × 30 m。建立了土地利用类型二级分类体系,如表1所示,共划分为6个一级类和17个二级类。人口和国民经济数据来源于福建省统计年鉴。

表1 土地利用分类体系

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用变化分析

首先计算出福建省土地利用数量的变化,通过土地利用转移矩阵计算出各类型土地的流失去向以及研究末期各土地利用类型的来源构成。其次,选取景观格局指数进一步分析福建省土地利用景观格局特征及其演变,基于类型水平和景观水平进行分析。在类型水平上选择的指数有：斑块数量(NP)、平均斑块面积(AREA_MN)、边界密度(PD)、 凝聚度指数(COHESION)；在景观水平上选择的指数有斑块数量(NP) 、边界密度(PD) 、蔓延度指数(CONTAG) 、破碎度指数(表2)。指数计算由Fragstats4.2软件完成[13]。各指数描述如下表[14- 15]所示。

表2 景观指数描述

NP：斑块数Number of Patches；PD： 斑块密度Patch Density； LPI：最大斑块指数Largest Patch Index；AREA_MN：平均斑块面积Mean of Patch Area；COHESION：凝聚度指数Cohesion Index；CONTAG：蔓延度指数Contag Index；破碎度指数：FN Fragmentation index

2.2.2 InVEST 模型的生境质量模块

本研究选择美国斯坦福大学、世界自然基金会和大自然保护协会联合开发的生态系统服务评估工具InVEST模型(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs Model) 计算空间效应[16- 17]。本研究选取其中的生境质量模块,生境质量实际上是指生态系统能够提供给物种生存繁衍所需条件的潜力。InVEST模型假设生境质量好的地区,其生物多样性也高。生境质量用生境质量指数来反映,其计算公式如下:

(1)

式中,Qxj为土地利用与土地覆盖(生境类型)j中栅格x的生境质量；Dxj为土地利用与土地覆盖(生境类型)j中栅格x所受胁迫水平；x为半饱和常数,通常取Dxj最大值的一半(模型运行一次获得)；Hj为土地利用与土地覆盖j的生境适合性；z为归一化常量,通常取值2.5。

InVEST模型中生境质量是4个变量的函数: 各期土地利用/土地覆被和各期胁迫因子图层数据、胁迫因子表(包括胁迫强度、最大胁迫距离等)。

一个生境类型受威胁敏感度是基于景观生态学生物多样性保护的一般性原则而定的[18- 19],一般而言,自然环境对于外来威胁因子敏感度最大,半人工环境次之,人工环境基本不受影响,因此本文将地类划分为自然环境和人工环境。由于建设用地是人类活动最为集中的体现,因此本文将建设用地作为胁迫因子；各胁迫因子最大胁迫距离、权重及不同生境类型对胁迫因子敏感性的设置结合InVEST模型的实例,参照BethStys等[20]、Foresman[18]、肖明[4]和包玉斌等[12]的研究以及专家的建议进行赋值(表3和表4)。

表3 生态胁迫因子属性

表4 福建省不同生境类型对不同胁迫因子的敏感度

2.2.3 生境质量变化原因分析

基于福建省社会经济因素结合区域内土地利用及其景观格局特征的变化,深入的阐述福建省生境质量变化的原因。

3 结果与分析

3.1 福建省土地利用其转移的变化

相比2000年,福建省2005年建设用地烈扩张,增加了1016.16 km2,增幅面积最大,为28.5%；裸地仅减少了6.69 km2,但是由于裸地的基数小,所以裸地的减幅最大,为28.3%；林地、耕地、草地和湿地均有不同程度的增加和减少,其中林地增加了242.34 km2,但是由于林地的基数较大,所以仅增长了0.2%,变化幅度最小；耕地减少了1073.85 km2,减幅达到9.41%,草地和湿地分别减少了52.98 km2和125.46 km2,减幅达到11.3%和7.8%。

2005—2010年,福建省的建设用地增加546.36 km2,增长幅度略微放缓,为11.9%；裸地减少了14.14 km2,减幅最大,达到83.5%；林地增加了365.79 km2,增长了0.03%,变化幅度最小；耕地减少了937.42 km2,减幅达到9.07%；湿地和草地分别增加了49.5km2和20.02 km2,增幅达到3.3%和 4.5%。

2000—2010年,福建省裸地减少了20.83 km2,由于整体基数小,所以裸地的减幅最大,达到了88.1%；建设用地大面积扩张,增加了1562.22 km2,增幅最大,为43.8%；耕地面积大幅度减少了2011.27 km2,减幅达到17.6%；草地和湿地都有不同程度的减少,减幅分别达到7.02%和4.7%；林地略有增加,增加了0.5%；总体来说,建设用地急剧扩张、耕地资源逐渐减少是福建省土地利用变化的一大特点(图2)。

图2 福建省土地利用类型分布及其变化(2000—2010)Fig.2 Land use distribution and changes of the Fujian province (2000—2010)

为全面理解福建省土地利用在这一时期内变化的结构特征,构建了土地利用转移矩阵。如表5所示：2000—2005年,裸地虽然基数小,但是向其他地类转变最为剧烈,分别约有63%和10%的裸地转换为林地和建设用地,8.4%和7%的裸地转变为耕地和湿地；约有91%的耕地较为稳定,并未发生转换,减少的耕地主要转为建设用地和林地,分别为4.6%和3.7%；草地向其他地类也有较剧烈的转换,其中约有28%和5%的草地转换为林地和建设用地,也有约7%的湿地转换为林地。

2005—2010年,裸地和草地向其他地类的转换仍然最为剧烈,但是裸地有较大一部分转换为建设用地,为61.3%,向林地、耕地和湿地的转换减少,分别为19%,7%和3%；草地向林地和建设用地的转换增加到约40%和9%,耕地仍然以转换为建设用地和林地为主,分别为约2%和6%；同时约有15%和9%的湿地转换为林地和耕地。

总体来说,从2000—2010年,裸地和草地向其他地类的转变最为剧烈。福建省有65%、12%、8%的裸地转换成林地、建设用地、耕地和湿地；约50%和10%的草地转换为林地和建设用地；约有84%的耕地保持稳定,并未发生转换,减少的的耕地主要转换成建设用地,约为9%； 同时约有16%和9%的湿地转换成林地和建设用地。因此,福建省裸地向其他用地的转换,草地、耕地、湿地向建设用地与林地的转化是福建省这一时期主要土地利用变化类型。

表5 福建省土地利用转移矩阵

3.2 福建省土地利用景观格局变化

3.2.1 类型水平景观格局分析

在分析土地利用数量变化的基础上,基于景观格局的视角进一步探讨土地利用的变化。在三个时期,林地的NP、PD指数不断减少,AREA_MN指数不断增加且LPI指数是最高的,说明林地是福建省的优势景观。建设用地的LPI指数呈迅速增长的趋势,在2005年之后成为福建省除林地外的优势景观,它的NP、PD、AREA_MN、COHESION指数均为不断增长。耕地的NP和PD指数是整个研究区最高的,它的AREA_MN、COHESION、LPI指数均为不断下降的趋势。草地NP、PD、LPI 指数呈下降趋势,但AREA_MN、COHESION 指数为先减后增的趋势。湿地的NP、LPI指数均呈现不断下降的趋势,但是其AREA_MN、COHESION 指数不断增加(图3)。

3.2.2 景观水平分析

2000—2010 年期间研究区PD、NP指数呈下降趋势,CONTAG 指数增加说明研究区破碎化程度降低。FN指数的降低更能体现出研究区破碎化程度降低(表6)。

图3 类型水平景观指数变化(2000—2010)Fig.3 Landscape index changes on class metric (2000—2010)

年份YearNPAREA_MNCONTAGPDFN200088173137.710778875.00040.7260.0073200587453138.843984875.17860.720.0072201086222140.859415275.2070.710.0071

3.3 福建省生境质量的时空变化

生境质量指数在模型中呈现在栅格图层上0—1之间连续变化的值,值越靠近1,生境质量越好,就相对越完整,并具有相应的结构和功能,有利于生物多样性的维持。通常,土地利用强度的增加会引起威胁源地的增加和强度的增大,而使其附近的生境质量退化[21]。为便于比较和说明保护区土地利用变化对生境质量的影响,将3 期生境质量指数运算结果划分为0—0.2,0.3—0.6,0.6—0.9,0.9—1共计4个区间并据此将生境质量划分为低、中、良好和优等4个级别,统计了各等级生境所占百分比。

从空间格局来看(图4),福建省总体生境质量处于较高水平,良好、优质等级生境占据绝大部分面积。生境质量呈现趋势为从西北地区向东南沿海地区递减。东南部沿海地区的厦门市各区、泉州市辖区、晋江市、石狮市、惠安县、莆田市辖区、仙游县、福州市辖区、福清市、长乐市、平潭县等地区的生境得分值多在0.6以下,存在较多的0-0.3等级的生境。福建省其他地区的生境得分值大多位于中等级以上,但是距离小型建设用地斑块近的地区,受到的威胁程度较大,生境得分较低,零星的分布与东南沿海地区外的其他地区。

从时间格局来看(表7),2000年,低等级的生境占3%,中等级占9.9%；2005年低等级的生境占3.8%,中等级占9.4%；2010年,低等级生境占4.2%,中等级占8.7%；从2000—2010年,中等级以上的生境几乎没有发生变化。

表7 福建省不同年份各等级生境比例

图4 福建省生境质量空间分布Fig.4 Spatial distribution of habitat quality in Fujian Province

3.4 福建省生境质量变化的原因分析

建设用地的增加是生境质量变化的主要威胁源,城镇人口增长、经济发展水平的提高、工业化进程的推进和地方政策是建设用地变化的核心驱动力,本文通过分析经济发展带来的土地利用数量的变化和景观格局的变化,分析福建省生境质量变化的原因。

2000—2010年,福建省整体景观蔓延度指数分别为75.0004、75.1786、75.207,景观破碎度分别为0.0073、0.0072、0.0071,景观蔓延度指数的上升和景观破碎度指数的降低,表明福建省整体斑块集聚程度高,景观连通性较好,破碎化程度低,在一定程度上减缓了区域维持生态平衡和保持生境质量的压力。所以,福建省整体生境质量较好,生境质量总体处于0.9以上。同时,福建省闽北、闽西、闽东、闽中地区生境质量处于良好、优质等级,占福建省面积的87%,这主要是由于：林地不仅是这些地区的优势景观,并且面积占这些地区的93%以上,受“退耕还林”等政策的影响,福建省的林地面积一直处于增长的状态,2000—2010年林地的聚集度指数分别为99.8、99.9、99.99,破碎化程度低,连通性好,覆盖度大,人类活动对它的影响很小,所以这些地区生境质量处于较高的水平。

福建省大部分地区生境质量处于良好、优质等级,但是厦门市各区、泉州市辖区、晋江市、石狮市、惠安县、莆田市辖区、仙游县、福州市辖区、福清市、长乐市、平潭县等东南沿海地区生境得分值位于0.6以下,存在较多的0—-0.3等级的生境。

图5 福建省东南沿海地区土地利用图Fig.5 The land use map in the southeast coastal area of Fujian Province

从社会经济因素来看,自改革开放以来,以厦门、泉州、莆田、福州为代表的东南沿海地区经济快速发展,2004 年“海峡西岸经济区”的建立并且以厦门、泉州、福州等6个城市为中心区更大力推动了东南沿海地区经济的发展,2000年、2005年、2010年的GDP分别为2534.8亿元、4157.35亿元以及8930.33亿元,增长率达到64%、115%和252.3%；而福建省2000—2010年的GDP为3764.54亿元、6554.69亿元、14737.12亿元,这3个时间段东南沿海城市的GDP占据福建省的67.3%、63.4%和61%。

从表8可以看出,从2000—2010年,东南沿海地区三大产业的产值变化为：第一产业发展相对缓慢,10年间其产值增加了80%； 第二产业一直占主导地位,其产值增加了266.7%； 第三产业也呈高速发展的态势,10 年间其产值增加了274%,形成二三产业主导的产业格局。第二三产业的发展,需要大量的就业人口,而这10年间东南沿海4个城市非农业人口为329.4万人、531.68万人、629.9万人,增长了91.2%。

表8 福建省东南沿海地区三大产业产值变化(2000—2010)

GDP数据与建设用地是呈正相关的[22],经济的发展、人口的增加也相应的对基础设施建设、工业、居住用地的需求增加,东南沿海城市已经没有裸地等未利用地,且东南沿海地区的土地面积仅占福建省的约14%,从2000—2010年,东南沿海地区的建设用地面积为2181.2、2748.5、2938.8 km2,占福建省土地利用面积的57%以上,社会经济的发展使建设用地的迅速增加且侵占了裸地和耕地等用地,加大了对这几个地区的生境威胁程度,使生境质量低于福建省其他地区。

4 结论与讨论

2000—2010年,福建省整体景观破碎化程度呈现降低的趋势,总体生境得分值在0.9以上。 自 1999 年“退耕还林”政策在我国全面实施以来,福建省各地区积极开展造林绿化工程。2000年,习近平同志在福建创新性地提出了“生态省”战略构想。围绕这一战略构想,2001年至今,福建年均造林绿化面积超过133333.33hm2, 2003 年福建省推行集体林权制度改革,促进人们主动保护林地,造林面积继续增加,2010年启动的“绿色城市、绿色村镇、绿色通道、绿色屏障”城乡绿化一体化建设,都促使福建省林地面积不断增加。除了东南沿海地区以外,林地面积覆盖福建省大部分地区,林地的覆盖度大,景观破碎化程度低,受人类活动影响小,所以福建省大部分地区生境质量处于良好、优质等级。

2000—2010年,福建省耕地面积减少了2011.27 km2,减幅达到17.6%；耕地的破碎化程度有所增加,除了受退耕还林政策的影响之外,很大程度上受快速城市化进程的影响。建设用地取代耕地成为福建省除林地外最大的优势景观,人为的开发和建设使得建设用地的斑块不断聚集,在空间上主要聚集在东南沿海区域且集中连片分布。虽然东南沿海地区的面积仅占福建全省的14%,但其GDP总量却占到61%以上。东南沿海地区二、三产业主导的产业格局,吸引了大量人口的涌入,导致对建设、工业、居住用地的需求的急剧增加,建设用地急剧扩张且不断侵占耕地、裸地等未利用地。作为生境质量威胁源的建设用地的高度聚集,对东南沿海地区生境质量造成巨大威胁,使得该地区生境得分值低于0.6,例如厦门市各区、泉州市辖区、晋江市、石狮市、惠安县、莆田市辖区、仙游县、福州市辖区、福清市、长乐市、平潭县等地区均处于0—0.3之间,且生境质量持续下降。

福建省的生境质量总体上处于较高的水平,但是东南沿海部分地区建设用地的急剧扩张导致其生境质量的持续下降。所以未来决策者如何维持生境质量不会退化且恢复东南沿海地区的生境质量是一个关键的问题。未来东南沿南海地区的城市土地利用规划中,土地规划和生态保护工作中需优化林地、耕地、建设用地等景观格局,在保持合理的经济增长基础上也应配置必要的生态用地。从政策层面分析,在未来城镇化发展过程中,应当在保证生境质量维持在较高水平的基础上,着重开发闽西、闽北、闽中等地区,协调好经济发展与生境质量维持之间的关系,促进福建省整体经济与生态保护的协调发展。

本研究只考虑了生境质量对于土地利用变化的响应,深入研究可以结合模型的其他子模块,定量评估土地利用变化对于多种生态系统服务的变化,如：碳储量、水源涵养等,综合的评估土地利用变化的生态效应。

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Temporal and spatial changes in habitat quality based on land-use change in Fujian Province

LIU Zhifang1, TANG Lina1,*, QIU Quanyi1, XIAO Lishan1, XU Tong1, YANG Li1,2

1 Key Laboratory of Urban Environment and Health, Institute of Urban Environment, Chinese Academy of Sciences, Xiamen 361021, China2 College of Geomatics, Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China

The ecological effect of land use change has become a core issue in ecological studies. Analyzing the spatial and temporal changes in habitat quality caused by land-use change can provide a scientific basis for ecological protection and land planning. Taking Fujian Province as an example, we utilized the InVEST model to evaluate habitat quality. The habitat in Fujian can be classified into low, medium, good, and excellent grades based on the habitat quality index. We also analyzed the influence of land-use change on the spatiotemporal characters of habitat quality in Fujian Province. The results showed that: from 2000 to 2010, the landscape fragmentation index for Fujian Province gradually decreased, the connectivity between patches was acceptable, the extent of habitant fragmentation was improved, and the overall habitat value was higher than 0.9. In Fujian Province, woodland is a beneficial landscape covering almost 86% of the lands. The degree of fragmentation was quite low with little human interference; therefore, the majority of habitats in Fujian Province were of good and excellent quality. However, the southeast coastal areas of Fujian Province are of low and poor habitat quality (less than 0.6), the reason for which might be the rapid expansion of construction land that has increased the extent of damage to habitat quality. More than 65% of the GDP in Fujian Province can be attributed to the southeast coastal areas, and the structure of secondary or tertiary industries increasing the demand for infrastructure, industry, and residential land. As a consequence, more than 57% of the construction land in Fujian Province is concentrated in the southeast coastal areas. The high density of construction land in these areas has seriously encroached on large areas of bare land and farmland, disturbed the entire ecological pattern of the area, and destroyed habitat quality, which accounts for the typically lower habitat quality in the southeast than in other areas of Fujian Province.

InVEST model; habitat quality; landscape pattern

中国科学院城市环境研究所青年人才领域前沿项目(IUEZD201404);中国科学院城市环境研究所青年人才领域前沿项目(IUEQN201302); 福建省自然科学基金(2015J01177)

2016- 02- 05; 网络出版日期:2017- 02- 23

10.5846/stxb201602050263

*通讯作者Corresponding author.E-mail: lntang@iue.ac.cn.

刘智方, 唐立娜,邱全毅,肖黎姗,许通,杨丽.基于土地利用变化的福建省生境质量时空变化研究.生态学报,2017,37(13):4538- 4548.

Liu Z F, Tang L N, Qiu Q Y, Xiao L S, Xu T, Yang L.Temporal and spatial changes in habitat quality based on land-use change in Fujian Province.Acta Ecologica Sinica,2017,37(13):4538- 4548.