浙江沿海城市化时空格局演变及其对生境质量的影响——基于InVEST模型的研究

潘 艺，鲍海君，黄玲燕，祝锦霞

（1. 浙江财经大学土地与城乡发展研究院，浙江·杭州 310019；2. 浙江省自然资源厅，浙江·杭州 310007；3. 浙江大学城市学院商学院，浙江·杭州 310015）

沿海地区处于陆地与海洋的交汇地带，凭借优越的地理位置、丰富的自然资源和良好的经济基础，长期以来是人类活动、社会发展最为活跃的区域[1-2]，同时也是全球生态环境最为复杂和脆弱的地域之一，面临着气候变化、人类干扰、生态环境退化等问题。高速城市化进程促使沿海土地利用不断转型与重构，对其生境质量产生重要影响[2-3]。生境质量是指生态系统为个体及种群的持续生存与发展提供适宜条件的能力，是表征区域生物多样性和生态服务水平的重要指标，对于区域生态安全保障和人类福祉提升具有关键作用[4]。研究城市化时空格局演变规律对其生境质量影响，对于土地利用规划、城市空间布局优化和区域可持续发展具有重要意义。

国内外学者已对生境质量开展大量研究，从早期关注特定物种生境特征研究为主拓展到对不同领域和不同尺度的生境质量定量化和精细化评价[5-6]。其研究主要包括两种途径，一是通过构建指标评价体系进行生境质量估算，另一种是基于模型计算。随着3S技术发展和生境质量评估模型逐渐成熟，利用InVEST、SolVES、HSI等模型方法已成为研究土地利用变化对生境质量影响最有效的手段[6-8]。InVEST模型中生境质量模块通过分析土地利用/覆被图及不同地类对生物多样性的威胁程度来评估生境质量，是生境质量量化研究的重要工具，在空间分析、价值量化、管理情景决策等方面优势明显，该模型已被国内外学者广泛应用。国内学者开展生境质量评价研究重点集中于自然保护区[4]、流域[9]、县市[10-11]等区域，涉及具有重要生态价值的沿海城市生态系统较少，且主要集中在渤海湾和江苏沿海区域[12-13]，对于经历高速城市化的浙江省沿海区域生境质量定量研究甚是缺乏。

浙江沿海不仅是浙江全省经济发达地带，更是对接国家“一带一路”和长江经济带战略的核心区域之一，近几十年来已成为我国城市化最为剧烈地区之一。高速发展经济与狭小的陆域空间矛盾日益激化，导致浙江沿海大量耕地、水体、湿地、滩涂等生态功能用地被蚕食，陆地面积不断向海洋扩张，给浙江沿海生态系统造成巨大压力[14]。随着海洋发展战略的深入推进，《浙江省环杭州湾产业带》《浙江省产业集聚区发展总体规划（2011—2020）》《浙江省沿海港口布局规划》《义甬舟开发大通道建设规划》《长三角区域一体化发展规划》等战略规划相继提出，这一系列政策促使浙江沿海经济发展势头迅猛，资源与环境约束趋紧，对生物多样性维持和生态环境造成深远影响[15-18]。本文选择浙江沿海为研究区，开展多尺度长时间序列的遥感监测，快速获取浙江省沿海城市化时空格局演变特征及其对生境质量的影响规律，其结论或可为空间差异化的生物多样性保护政策和沿海城市空间布局优化提供支持。

1 研究区概况

研究区位于浙江东部沿海，包括杭州市、宁波市、嘉兴市、绍兴市、台州市、温州市和舟山市的中心城区及其辖属的沿海县区(图1)，并展开三个尺度的对比分析（三大都市圈：杭州—嘉兴—绍兴、宁波—舟山、温州—台州，市域尺度和县域尺度）。该研究区涵盖了环杭州湾、宁绍平原、东南沿海平原和滨海岛屿，地形以平原、丘陵为主，河流水系纵横交叉。属于典型的亚热带季风性气候，四季分明，光照条件好。拥有全国最长的海岸线和最多的海岛，港口航道资源、水产资源、滩涂土地资源、海洋能资源等海洋资源优势突出，沿海湿地和红树林等重要自然资源承担着重要的生态服务功能[17-18]。浙江省沿海地区经济活跃，工商业发达，其GDP几乎占到浙江省的2/3，拥有环杭州湾产业带、舟山海洋经济特区及温台沿海都市圈等典型经济发展区域，宁波—舟山一体化港口更是中国东南沿海和长江中下游地区走向世界的重要海上通道。

图1 研究区区位图Fig.1 The location of the coastal regions in Zhejiang Province

2 数据与方法

2.1 数据来源与处理

本文以浙江沿海1980、1990、2000和2010年4期的土地利用数据为基础，数据下载自中国科学院资源环境科学数据中心。并借助高分影像及Google Earth影像，采用人机交互解译修正土地利用分类结果。根据浙江省沿海土地利用类型特点及研究目标，对分类结果进行调整和归并，得到耕地、林地、建设用地、水体、未利用地五种地类，总体精度达到90%以上。DEM数据（空间分辨率90 m）从美国地质调查局网站（http://glovis.usgs.gov）下载。并对多时相数据进行统一坐标投影、图形剪切等处理。行政边界、交通道路等数据来源于国家基础地理信息数据库。相关决策规划来源于浙江省政府网站。四个时期土地利用分布如图2所示。

图2 浙江省沿海土地利用分类图（1980-2010）Fig.2 Land use maps of coastal regions in Zhejiang Province (1980-2010)

2.2 研究方法

2.2.1 城市化时空格局演变指数

（1）建设用地强度及年均扩张速率

城市建设用地比例用来反映城市建设用地密集程度，计算公式如下：

其中：UIi是i区域建设用地强度；Aurban表示i区域内建设用地总面积；A表示i区域总面积。

年均建设用地扩张速率计算公式如下：

其中：Ri是i时期城市建设用地扩张速率；AT2指研究时期未的建设用地面积，AT1是研究初时期的建设用地面积；T1和T2分别是研究始末时期。

（2）城市建设强度水平差异

城市化进程加速地推进，各地区建设用地扩张情况不同，引入标准差指数SUI指数来反映建设强度的相对差距，城市化发展不平衡的状况。

式中：Ui表示第i个县/市的建设用地强度；n表示县/市数目；代 表n个研究单元的平均建设用地强度。

2.2.2 城市化景观格局指数

景观生态学已被广泛引入到土地利用变化研究及城市空间形态特征格局研究中，通过景观指数对其特征及演变过程进行定量描述，揭示浙江省沿海城市发展格局，能够为未来城市规划以及生态保护提供科学依据。基于本文研究目标、前人研究成果以及景观指数共性特点[10,17]，选取了五种景观指数：斑块面积（TA），表征区域内某类景观所有斑块面积总和；斑块密度（PD），表征每平方千米的某类型的斑块数量。PD＞0，值越大表明斑块分布越复杂，空间异质性越大；最大斑块指数（LPI），表征景观中最大斑块的景观中的优势度。0＜LPI≤100，值越大说明斑块类型在景观优势度越大；平均形状指数（MSI），表征景观形状的复杂度和不规则性。MSI≥1，MSI=1表明斑块形状为正方形，值越大表明类型斑块形状越不规则；聚集度指数（AI），AI表征景观中斑块类型的非随机性或聚集程度。0＜AI≤100，值越大表明斑块聚集度越高。

2.2.3 InVEST模型及其生境质量模块

利用InVEST（Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs）模型的生境质量模块对浙江沿海生境质量进行计算。并将生境质量划分为高[0.8-1.0]、较高[0.6-0.8]、中[0.4-0.6]、较低[0.2-0.4]、低[0-0.2]五个等级，对其变化情况进行统计分析。通常，土地利用强度的增加会引起附近的生境质量退化。模型中影响生境质量的因素有：威胁因子，威胁因子间的相互作用，不同土地利用类型对威胁因子的敏感程度，威胁因子的影响范围以及政府机构、社会组织、法律等对区域的保护程度。生境质量指数（范围为0-1）数值越高表明受到的生态环境胁迫越少，有利于生物多样性的维持。

模型基本形式如下：

式中：

Qxj是土地利用与土地覆盖j中栅格x的生境质量；Dxj是土地利用与土地覆盖或生境类型j栅格x的生境胁迫水平：

栅格y中胁迫因子r（ry）对栅格x中生境的胁迫作用为irxy，(线性)；(指数)

dxy为栅格x与栅格y之间的直线距离，drmax是胁迫因子r的最大影响距离；

wr为胁迫因子的权重，表明某一胁迫因子对所有生境的威胁程度；

βx为栅格x的可达性水平，1表示极容易达到；

Sjr为土地利用与土地覆盖（或生境类型）j对胁迫因子r的敏感性，该值越接近1表示越敏感；

k是为半饱和常数，当=0.5时，k值等于D值；

Hj为土地利用与土地覆盖j的生境适合性。

参照InVEST模型的介绍实例以及前人应用成果[4,8,11]，结合专家建议确定威胁因子及其敏感度赋值如表1、表2所示。本研究选取的威胁因子是道路、建设用地、耕地。

表1 威胁因子及其权重和距离衰减函数Table 1 Threats and their weight and distance decay function

表2 不同生境类型对各威胁因子的敏感程度Table 2 The sensitivity of habitat types to each threat factor

3 结果与分析

3.1 沿海城市扩张时空演变规律

1980至2015年间，浙江省沿海建设用地强度不断递增，建设用地面积显著扩张（表3）。在时间尺度上，从1980年的2399.64 km2增加到2015年的6808.09 km2，35年间增长了183.71%，年均扩张速率（R）到达5.40%。其中1990-2000年期间建设用地扩张最快5.69%，其次为2000-2015年期间的4.89%，远超出1980-1990期间扩张水平。从市域范围看，建设强度最高地区主要集中在北部的杭嘉绍都市圈以及宁波市，7个城市建设用地强度均不断上升，但开发强度差距逐渐加大（图3）。研究初期，温台地区建设用地强度相对较低，2000-2015年期间进入快速扩张阶段，台州市建设用地扩张速率上升到首位。整个研究时期来看建设用地扩张最快的地区为嘉兴市（10.47%），最慢的为舟山市（3.00%）。在区县尺度上，基于沿海46个区县的建设用地强度分析发现：沿海各区县建设用地平均强度明显高于区域总体水平，其中嘉兴市的近海区县扩张幅度最大，均超过300%；舟山市嵊泗县的建设用地强度最低。此外，近15年来中心城市外围各区县城市化进程加快，建设用地扩张迅速，基本高于各城市主城区建设用地扩张速度，主要由于市区建设用地趋于饱和，土地供应紧张，而区县普遍通过粗放发展推进城市化进程。进一步对比各区县建设用地强度（图3），可以看出，标准差SUI 值逐年增大，这表明进入21世纪以后，浙江省沿海区县建设用地强度显著增强，相对差距逐渐扩大。

从空间格局上看，35年来浙江沿海城市化时空格局演变特征差异显著，整体呈现北部强于南部、近海强于内陆的趋势。其中北部城市群和宁波市的建设用地强度和扩张速度一直处于领先位置，基本呈现连片态势，主要由于这些城市地理区位优越、经济基础良好、人口高度密集，城市快速发展加剧了建设用地需求，平坦的地形更加利于其城市扩张[18,19]。温台地区在2000-2015年期间建设用地快速扩张。舟山市建设用地面积最小且扩张较慢，主要因为舟山市属于海岛，平地资源有限，而且经济基础相对落后、人口数量少限制了研究初期的城市扩张。近15年，随着海洋经济战略推进，宁波—舟山区域优势凸显，跨海大桥和舟山连岛工程的实施极大地推进了舟山城市化进程，尤其是具有深水岸线的海岛建设用地显著增强，伴随着大量围填海工程和沿海产业园区建设[17]。

表3 浙江省沿海建设用地总体扩张强度Table 3 The urban expansion in the coastal region of Zhejiang Province

3.2 沿海建设用地景观格局变化特征

基于GIS空间分析和景观格局方法，测算浙江省沿海建设用地景观指数变化的空间自相关性（表4）。结果所示，1980-1990期间研究区建设用地景观指数的Moran’s I指数较低，1990-2000年TA、NP和AI指数呈现显著的空间正相关性，2000-2015年期间5个景观指数的Moran’s I均呈现显著的空间正相关性，尤其建设用地TA，NP两个景观指数，其Moran’s I 值均在0.4以上，表明随着建设用地不断扩张，浙江沿海城市建设用地景观格局变化具有一定的区域集聚效应，各县市建设用地变化在相邻县间呈现更为显著的相似趋势。

图3 浙江省沿海各县市建设用地强度差异性分析Fig.3 The variance of urban land intensity among the coastal cities and counties

表4 浙江省沿海各区县建设用地景观格局变化的Moran’s I 值(p＜0.01)Table 4 The Moran’s I results of urban landscape pattern changes in the coastal region at the county level (p＜0.01)

结合建设用地景观指数分析结果（表5），表明：（1）浙江省沿海建设用地AI指数不断上升，斑块密度（PD）保持下降，表明沿海城市扩张整体态势向着集聚的方向发展；（2）最大斑块指数（LPI）在1990年之前递减，而后保持增长。LPI指数不断攀升表明城市建成区快速扩张，沿海城市空间的优势地位逐渐提高；（3）以2000为时间节点，平均斑块形状指数（MSI）呈先增加后下降趋势，表明研究初期沿海建设用地不断扩张过程中形状边界越来越复杂然后趋于连片；（4）沿海地区包括以杭州、宁波和温州为核心的三个都市经济圈，在2000-2015年期间，建设用地斑块密度递减，聚集度指数上升，说明三个区域城市建设用地扩张呈现集聚效应，沿海三大都市圈发展格局已初显雏形。以上变化主要原因在于：浙江沿海经济带崛起得益于农村工业化的推进和发达的乡镇企业，导致早期建设用地低密度蔓延和破碎的景观格局[16]。随着城市化水平的进一步提升，诸多城市发展模式逐渐从单核转为多核，卫星城镇不断壮大，沿岸大型开发项目如工业园区、物流中心、港口园区等纷纷在建，形成不规则的扩张形态，大规模的交通网络建设很大程度上也对建设用地扩张和空间分布起到诱导作用。此后，在政府加强区域统筹发展引导下，建设用地扩张趋于集聚连片，城市空间的优势地位不断提升。但高速扩张和高强度建设反映出浙江沿海发展对周围生态用地侵占现象十分突出，伴随着“过度开发，不合理布局、发展不均衡、土地资源浪费”等诸多问题[16,18]。

3.3 沿海生境质量时空格局分析

表5 浙江省沿海建设用地景观指数变化分析Table 5 Spatial metrics for urban landscape at the whole and regional level

运行InVEST模型的生境质量模块得到浙江沿海地区1980-2015年生境质量空间分布图（图4）。从时间尺度看（图5），1980、1990、2000、2010、2015年浙江沿海地区平均生境质量分别为0.3871、0.3837、0.3758、0.3599和0.3604，呈逐年下降趋势。分析不同级别的生境面积比例（图5），发现沿海地区较低和低等级生境面积比例明显高于优质生境，且2000-2010年期间生境质量下降最为显著，主要是由于浙江沿海社会经济活动剧烈，导致建设用地、未利用地大幅增加，不断占用耕地、水体等生态地类，引起生境质量下降。

图4 浙江省沿海生境质量空间分布图（1980-2015）Fig.4 Habitat quality in the coastal region of Zhejiang Province (1980-2015)

图4 浙江省沿海不同等级生境质量比例Fig.4 Percentage of each habitat level in the coastal region

图5 浙江省沿海生境质量变化分布图（1980-2015）Fig.5 The change of habitat quality in the coastal region of Zhejiang Province(1980-2015)

从空间格局看（图4和图5），浙江省沿海生境质量空间差异显著，整体上生境较差，内陆生境优于近海，三大都市圈的核心城市周围生境质量较低，尤其以环杭州湾区域生境最差。高等生境主要分布于温台两市的山地和丘陵区，以及舟山市部分海岛，且部分区域的优等生境呈现增加态势。这是由于林地的平均生境适宜度优于耕地，且山区森林覆盖率高、建设强度低、人类活动较弱，加上森林公园、自然保护区等生态保护政策的实施，使其生境质量维持在较高水平。中等和较低等生境主要分布于高等和低等生境之间的过渡区域，主要由于城市不断向外扩张占用生态用地导致中等和较低等生境区域持续缩减、破碎化程度加剧。低等生境集中在主城区周围及其近岸区域，生境质量35年来保持在较低水平，尤其在平原水网区和沿海围垦区域有所下降，主要原因在于：一是平原地带耕地连片、人类活动频繁、生态系统相对单一、生境质量基地较低。二是这些区域经济发达，工厂企业众多、人口高度密集，经济高速发展的迫切需求使得城镇用地和交通设施扩张迅速，不断挤压、蚕食生境空间，同时生产生活排放的污染物可能进一步破坏干扰周围物种的休憩环境 [10,19]。三是研究区次级生境向海扩张趋势明显，由于宁波市、温州市、台州市以及舟山市等地开展大量围垦工程以缓解建设用地需求，导致近海区域生境质量不断退化。值得注意的是：近十年，随着海岛开发加强加大，作为发展相对落后的舟山市区（普陀区和定海区）及其周围港口型海岛生境质量退化尤为突出。这不仅影响陆地生态系统的多样性维持功能，也直接威胁到湿地生态系统及海洋环境。

4 结论与讨论

本文综合遥感、景观格局理论、InVEST模型和GIS空间分析方法，测度1980-2015年期间浙江沿海城市化时空格局分异特征及其对生境质量影响，主要结论如下：

资源禀赋限制城市化进程和生境质量的总体水平，而产业发展与土地利用方式在一定程度上决定其变化趋势，两者综合影响着城市空间布局及其生境质量演变。35年来浙江沿海经济高速发展伴随着建设用地高强度扩张、生境质量持续退化，均呈现显著的时空差异特征。为使沿海生态系统生境质量得到有效保护，必须提高土地利用效率，减少对生境适合性高的湿地、林地和水体的侵占，使得沿海经济建设与生态环境可持续发展。

在沿海地势平坦区域，建设占用耕地现象严重。耕地除了粮食生产的重要作用外，其生态功能和社会功能不可忽视，尤其要重视浙江沿海耕地非粮化、耕地非农化、耕地污染、占优补劣、耕地抛荒再占用等现象，真正实现优质耕地有效保护和可持续利用。其次，浙江沿海水域和湿地资源丰富，素有“江南水乡”的美称。然而城乡扩建不断占用水体，频繁的填海造地等活动导致沿海生境质量和美学价值下降。在沿海山区地带，生境质量维持较好，但仍要加强对重要森林资源的保护养育，重视林地立体生态开发，严控林地垦造耕地等行为。

虽然中国政府长期以来严格管控耕地资源及新增建设用地指标，在一定程度上限制了过度开发、占用耕地等问题，但未从根本上解决浙江沿海经济发展与生态保护的尖锐矛盾。一系列沿海发展战略规划的颁布表明政府已经开始积极推进沿海城市发展转型和产业升级，追求区域社会经济高质量发展，以实现生态友好、功能互补、协调发展的城市群格局。这些政策实施确实推动了浙江经济发展和区域协作深入，到2018年浙江城市化率达到68.9%，但浙江沿海发展仍存在半城市化问题突出、土地过度城市化、城乡差距扩大、环境与资源压力增大、土地制度和管理机制制约严重等问题[18-20]。

沿海地域多样复杂的生物物理环境和社会经济环境、地方文化都使得城市发展、土地利用管理和生态系统之间的耦合关系更加复杂。在融入长三角一体化发展和新型基础设施升级的背景下，如何更好保证浙江沿海江南水乡的生态优势和社会经济综合效益将是实现区域统筹协调发展的重要内容。由此建议：（1）坚持以人为本和以自然为本相统一的规划观，强化对社会—生态系统的整体性的理解，以弹性思维做好预留应对，给予新型基础设施发展空间更多的宽约束。比如像沿海一些生态重要敏感区适当部署生态友好的物联网传感器和人工智能设施，提高空间管控效率；（2）重视新型基础设施升级的空间赋能效应，突破自然地理约束和传统行政壁垒，走技术创新引领、绿色增长、区域均衡协调发展路径。凭借沿海地区社会经济基础优势和城镇化转型迫切需求，通过技术迭代更新、竞争力和高端人才聚合，扩大发展优势，以更低成本实现区域协调统筹、缩小发展差距。并且极化发展的区域经济空间格局；（3）突出智能技术引领，优化城市系统仿真模拟和精细化布局，提高城市空间韧性。要应对城市快速发展中诸多问题的时空异质性和不确定性风险，需要借助智能技术对城市空间进行高精度建模和仿真，实时对空间各类行为做出动态反馈，提高动态预测和预警能力，理解城市空间自组织发展规律和城市耦合系统的多元互动过程，支持规划决策预演和判断，并构建政府、市场和公民等多元主体的协同治理机制，提高城市适应性治理效能。