区域城市扩张对森林景观破碎化的影响——以粤港澳大湾区为例<br/>

区域城市扩张对森林景观破碎化的影响——以粤港澳大湾区为例

2021-01-16虞文娟周伟奇李伟峰

生态学报 2020年23期

虞文娟,任田,2,周伟奇,2,3,*,李伟峰

1 中国科学院生态环境研究中心,城市与区域生态国家重点实验室,北京 100085

2 中国科学院大学,北京 100049

3 中国科学院生态环境研究中心,北京城市生态系统研究站,北京 100085

森林提供着多种重要的生态系统服务,在全球碳循环、水循环、生物多样性保护等方面发挥着重要作用[1-2]。森林面积缩减和破碎化趋势提高会导致生物多样性下降,外来物种入侵风险增加,以及生态系统质量降低[3-5]。近二十年来,伴随着快速城市化,在我国的诸多城市和城市群,城市扩张逐渐成为森林面积减少和破碎化的主导因子。因此,研究城市化对森林景观破碎化的影响是开展森林生态系统保护与修复的重要前提。

现有的大量城市化对森林景观破碎化影响的研究,主要聚焦于城市扩张幅度(即城市面积增长)对森林面积减少和破碎化程度的影响。研究主要以林业调查图鉴、遥感解译的土地覆盖数据为基础,通过移动窗口法和景观格局分析法刻画林地破碎类型、破碎程度及其在不同时间段上的变化特征[6-10]。在此基础上,通过林地与建设用地间的面积转换[11-13],城-乡梯度上林地景观格局的分异规律[14-16],以及林地破碎化与社会经济要素间的统计关系[17-19]揭示城市扩张加剧森林景观破碎化的现象。城市扩张的特征不仅包括城市面积的增长,还包括城市景观格局的变化,如各要素的斑块大小,斑块聚集度,边缘密度等的改变。在给定范围中,各景观要素的面积此消彼长,其配置间的彼此关系也会随时间发生变化[20-21]。已有研究中,从建设用地格局与林地格局相互关系在长时间序列上变化的角度,探讨城市扩张对森林景观破碎化的影响还较为缺乏。另一方面,以城市群为组织方式推进城市化已成为我国新型城镇化战略的主导方向之一[22]。由于城市群包含各类生态功能供给区和高度城市化区域,地域差异大。已有相关研究仅从单个城市或区域整体两个尺度开展分析,较难全面反映区域城市化过程中森林景观破碎特征的变化。因此,有必要开展多尺度的区域城市扩张对森林景观破碎化的影响研究。

粤港澳大湾区是我国快速城市化的典型区域,其组成包括：珠三角城市群、香港和澳门特别行政区,人口城市化率在2018年已超过80%,城市扩张幅度大,速度快[23]。该区位于我国南方林区,森林资源丰富,是水源涵养与生物多样性保护重要区[24,25]。2016年,珠三角地区被正式复批为“国家森林城市群建设示范区”。同年,广东省政府启动了森林城市群规划与建设工作[26]。2017年,国务院正式提出建设粤港澳大湾区,确立生态优先,绿色发展的原则。因此,研究粤港澳大湾区区域城市扩张与森林景观破碎化之间的定量关系,将有助于区域生境修复与生态功能提升。本文以遥感解译的1980年、1990年、2000年、2010年和2018年土地覆盖/利用专题图为基础,通过定量分析区域、城市和区县尺度上林地格局与建设用地格局间的关系,探讨区域城市扩张对森林景观破碎化的影响。

1 研究区概况

粤港澳大湾区位于我国东南沿海的珠江三角洲区域,包括广东省9个城市(广州、东莞、深圳、佛山、中山、珠海、惠州、江门和肇庆)和香港、澳门2个特别行政区,行政范围总面积为6.5×104km2。湾区地势北高南低,西、北、东三面丘陵山地环绕,中部及东南部以冲击平原为主。由于湾区地处北回归线以南,充沛的光、热、水资源使境内丘陵山地区域分布着丰富的森林资源,植被覆盖占比超过50%,动植物生物多样性高。2000年以来,湾区经济发展迅速,城市化水平也相应迅速提高。至2017年,全区GDP总量超过10万亿元,常住人口约为6900万人。粤港澳大湾区发展潜力广阔,但目前面临着生态空间萎缩、生态环境功能退化、空气二次污染加剧、以及生活与工业水污染加重等生态环境问题,生态建设处于压力叠加时期。

2 研究方法

2.1 数据来源

本文所用的土地覆盖/利用专题数据包括六种典型类型：林地、草地、水体、耕地、建设用地和其他。该数据基于30m空间分辨率的美国陆地卫星Landsat MSS/TM/ETM+/OLI影像,采用结合回溯和面向对象的影像分析方法获取1980—2018年土地覆盖/利用专题数据[27]。该方法首先利用面向对象的图像分析方法提取2018年土地覆盖/利用信息,并结合高空间分辨率遥感影像进行目视解译,获取高精度的专题数据。基于2018年数据,分别提取2010年、2000年、1990年和1980年发生变化的斑块,进一步开展遥感解译工作。未变化斑块的类型属性则与2018年保持一致。分层随机抽样的精度验证显示,1980—2018年共5期专题数据的总体精度分别为79.6%,81.33%,83.00%,85.67%和88.67%。

2.2 景观格局分析方法

景观格局分析法是定量刻画景观破碎化特征的有效手段。本文选用三个典型指标：斑块类型面积比(Percentage of landscape, PLAND)、斑块密度(Patch density, PD)和平均斑块大小(Mean patch size, MPS),从区域、地市、区县三个尺度,首先分析1980—2018年粤港澳大湾区森林景观破碎化的时空特征。为探讨城市扩张格局的影响,本文通过相同指标度量建设用地空间格局的特征。

表1 景观格局指数及其生态学含义Table 1 Landscape metrics and description

2.3 相关分析方法

本研究通过Pearson相关分析和偏相关分析定量解析林地格局与建设用地格局间的关系。涉及的变量为六个景观格局指数,分别是：林地比例(X1)、林地斑块密度(X2)、林地平均斑块大小(X3)、建设用地比例(X4)、建设用地斑块密度(X5)和建设用地平均斑块大小(X6)。

3 研究结果

3.1 森林景观格局及其演变特征

1980—2018年,粤港澳大湾区森林面积从1980年的33304 km2缩减至2018年的32,030km2,净变化1274km2(图1)。空间上,林地丧失具有明显地域差异,东南部林地丧失较其余区域明显(图2)。近40年来,2000—2010年林地丧失幅度明显高于其他时段,消失面积达1853km2。进一步的变化分析显示,建设用地逐渐成为林地流转的主要类型。1980—1990年,林地转变为建设用地的面积占林地丧失面积的比例仅为11%。1990—2018年,每10年的占比分别为35%,43%和42%(图3)。林地丧失的区域主要位于广州、东莞、深圳等城市大幅扩张的区域,呈大面积斑块消失的特征(图4)。位于两翼的肇庆、江门和惠州,林地转变为建设用地的斑块则呈小面积的线状特征(图4)。

图1 1980—2018年林地和建设用地面积及其占国土面积比Fig.1 Area and percentage of forest land and developed land in 1980 to 2018

图2 1980—2018年土地覆盖/利用空间分布Fig.2 Spatial pattern of land cover and land use in 1980 to 2018

图3 1980—2018年林地转换为其他土地覆盖/利用类型的面积 Fig.3 The loss of forest to each land cover/use type in 1980 to 2018

图4 1980—2018年林地丧失的空间分布Fig.4 Spatial pattern of the forest loss in 1980—2018

景观格局分析结果显示,1980—2018年,全区林地斑块密度从0.25个/km2增长至0.53个/km2,平均斑块大小则从2.37km2下降至1.09km2,表明大湾区森林景观呈破碎趋势。比较区域内各城市,斑块密度与平均斑块大小变化差异明显。城市快速扩张的东莞与深圳,斑块密度增长明显,其值分别提高了0.92个/km2和0.79个/km2,远高于全区变化值,即0.28个/km2。平均斑块大小也表现出明显缩减的特点,两市平均斑块面积分别从1980年的2.21km2和2.56km2下降至2018年的0.26km2和0.45km2。而肇庆和惠州两市,林地斑块密度增长程度虽低于全区变化水平,但其平均斑块大小缩减明显。两市平均斑块面积分别从1980年的5.72km2和2.96km2下降至2018年的3.65km2和1.57km2,面积缩减量均高于湾区总体水平(表2)。

表2 1980—2018年粤港澳大湾区及各地市与特区林地斑块密度和平均斑块大小Table 2 Patch density and mean patch size of forest land at regional and city level in 1980—2018

3.2 城市扩张对林地破碎化的影响

区县尺度上,Pearson相关分析显示,林地斑块密度与建设用地比例显著正相关,而林地平均斑块大小与建设用地比例显著负相关。格局方面,林地斑块密与建设用地斑块密度(除2018年外)、建设用地平均斑块大小(除2000年和2010年)呈显著正相关关系。林地平均斑块大小则与建设用地斑块密度、建设用地平均斑块大小(仅1990年和2018年)显著负相关(表3)。

表3 1980—2018年林地格局与建设用地格局的Pearson相关系数Table 3 Pearson correlation coefficients between forest pattern and developed land pattern in 1980—2018

Pearson相关分析还显示,建设用地比例与其斑块密度、平均斑块大小也存在显著的相关性。因此,本文利用偏相关分析方法,控制建设用地比例,进一步分析林地格局与建设用地斑块密度间的关系。结果显示,林地斑块密度与建设用地斑块密度主要正相关,林地平均斑块大小与建设用地斑块密度负相关,但两种关系都不显著。

4 讨论

4.1 林地破碎类型及其成因

近40年来,粤港澳大湾区林地面积总体下降。不同时期中,林地转变为各类土地覆盖/利用的面积占林地变化总面积比例上升,反映了城市扩张逐渐成为林地丧失的主要原因。早期,坐落在珠江三角洲上的核心城市(广州-佛山)最先得到发展。基于建设成本的考虑,城市扩张主要侵占周边耕地(图2)。1990—2018年,生活与生产空间需求的日益增长使城市进一步向外边缘扩张,侵占农田周边的林地(图2)。尤其是在早期林地覆盖比例高,城市扩张快速的区域,如深圳和东莞,林地转变为建设用地对林地丧失的贡献更为显著[28-29]。

林地格局分析结果显示,大湾区森林景观趋于破碎,内部林地破碎化特征区域差异明显。如图4和表2所示,建设用地占比高的城市,如广州、东莞和深圳,森林景观的破碎化主要受大规模城市扩张的影响。这些区域的林地斑块遭到大幅侵占,残存大量小面积的林地斑块分布在城市和周边区域。而林地占比高的城市,如肇庆、惠州和江门三市,林地斑块密度变化并不剧烈,但平均斑块面积显著缩减。这些区域城市扩张规模小,但因处于核心城市与湾区外部的连接区域,路网十分密集,人类干扰活动也较为强烈[30]。原有连片且大面积的林地斑块除遭到小规模城市扩张的侵占外,还受到日益加密路网的切割,进而形成孔洞的、破碎的林地斑块。结果表明,多尺度分析较好地刻画了湾区内部林地破碎化的类型,反映了不同强度的人类活动对森林景观破碎化的影响。

表4 控制建设用地面积的林地格局与建设用地斑块密度偏相关分析Table 4 Partial correlations between forest pattern and patch density of developed land after controlling the developed land percentage

4.2 森林景观空间管理与功能修复

林地格局与建设用地面积在各时段中的显著关系,即林斑块密度与建设用地面积显著正相关和林地平均斑块大小与建设用地面积显著负相关,表明城市面积的增长加剧了森林景观破碎化。林地斑块密度与建设用地斑块密度、平均斑块大小的显著正相关关系显示了城市扩张的空间形态也对森林景观的破碎化产生影响。但偏相关分析显示,控制建设用地面积比后,林地格局与建设用地格局的关系不显著,表明较之于建设用地空间形态,其面积增长对森林景观破碎化的影响更为重要。

基于遥感解译的土地覆盖/利用专题图显示,大湾区林地覆盖比例高,城镇聚合程度高,形成了以林地为基底,镶嵌水体、农田和城镇的格局。本研究显示,大湾区内部森林景观破碎类型与程度存在明显地域特征,形成原因也不尽相同。差异化的格局将引起不同的生态效应,需针对性地开展生态管理与修复[4]。在区域规划与管理中,划定城市增长边界能有效控制城市规模,减缓林地的丧失[31]。另一方面,在开展区域生境修复与功能提升时,需综合考虑不同地域的景观特征,如林地与建设用地在空间上的结构搭配所发挥的作用。在以林地为基底的区域,结合生物活动范围,建构功能性廊道,连通大面积林地斑块,有助于提升生物多样性保护功能。在高度城市化区域,识别关键斑块与廊道,重构生态网络有助于恢复生境的景观连通性,保障生态系统功能的持续发挥[32- 34]。