基于景观格局分析的青岛市海岸带生态脆弱性评价

张佳辰，高 鹏①，董学德，李 腾，许景伟，囤兴建

(1.山东农业大学林学院/ 山东泰山森林生态系统国家定位观测研究站，山东 泰安 271018；2.山东省林业科学研究院，山东 济南 250014)

生态脆弱性是指在特定时空下，生态环境受自然和人为因素共同作用而产生的易变性[1]。为对区域生态脆弱性进行准确的评价，有些学者从生态脆弱性评价方法的角度进行研究，目前常用的方法有模糊综合评判法[2]、层次分析法[3]等，评估模型包括生态压力-生态敏感性-生态恢复力评价模型[4]、暴露-敏感-适应模型[5]等，有学者将“3S”技术与景观格局分析相结合，在地学空间分析的层面将生态环境与景观空间分布特征联系在一起，进而对区域生态环境的脆弱状况进行分析。如任金铜等[6]结合“3S”技术和景观生态学理论分析草海湿地景观脆弱度变化，并以53个行政村作为评价单元，研究景观生态脆弱性变化及时空分异特征；王丽婧等[7]应用RS和GIS空间分析技术对我国生态环境敏感脆弱区三峡库区进行生态脆弱性研究；卢远等[8]以左江流域作为研究区，对流域的生态脆弱性进行综合定量分析和评价。BOURGOIN等[9]根据越南中部森林景观组成，基于遥感技术提取森林脆弱性指标，建立方法框架来评估景观范围内的森林生态脆弱性。而城市海岸带资源丰富、开发利用强度大，同时也是海陆经济活动相互作用的重要地带。很多学者利用收集的自然、社会和经济方面的离散统计数据对其进行生态脆弱性评价[10-11]，对生态脆弱性空间分布规律的研究存在一定的限制。因此需要从景观生态学角度，利用GIS技术将海岸带生态环境与景观空间分布特征相联系进行生态脆弱性评价。

采用行政边界、政治边界框定中国海岸带范围的划分标准，应用海岸带“三分法”划分中国海岸带边界，即沿海地区、沿海城市和沿海地带[12-13]。将青岛市作为2级海岸带，选取该市沿海的8个区作为海岸带研究区域，基于2009和2018年2期遥感影像数据资料，应用景观生态学理论与GIS技术构建青岛市海岸带生态脆弱性指数模型，研究该区域生态脆弱性变化格局，并对其生态脆弱性等级进行划分，探讨不同景观类型的脆弱性程度，以期为城市海岸带生态脆弱性评价、生态修复与可持续利用提供理论依据。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

青岛市位于山东半岛东南部(35°35′～37°09′ N，119°30′～121°00′ E)，总面积为11 282 km2，包括7个市辖区，即市南区、市北区、李沧区、黄岛区、崂山区、城阳区和即墨区；3个县级市，即胶州市、平度市和莱西市。全市海岸线总长约870 km，其中大陆岸线730 km，占山东省岸线的1/4。其东南濒临黄海，东北与烟台相邻，西部与潍坊毗连，西南与日照接壤。地形地貌特点整体呈现东部高西部低，南北两端隆起，中部低凹。该区属暖温带季风型气候区，同时受到海洋环境直接调节的影响，还具有明显的海洋性气候特点。年平均气温12.7 ℃，年平均降水量662.1 mm。青岛市共有大小河流224条，流域面积在100 km2以上的河流33条，可划分为大沽河、北胶莱河以及沿海诸河流3大水系。以青岛市作为2级海岸带，选取该市沿海的8个区(即黄岛区、胶州市、即墨区、城阳区、崂山区、李沧区、市北区和市南区)作为海岸带研究区域(图1)。

1.2 数据处理

数据基于RS(ENVI 5.3)和GIS(ArcGIS 10.3)技术，选取2009和2018年青岛市海岸带多光谱图像分辨率为30 m的Landsat TM/OLI遥感影像，采用辐射定标、大气校正、几何校正、图像增强和图像裁剪等处理，得到研究区基础影像数据。通过建立感兴趣区并进行监督分类对遥感影像进行人机交互解译。

研究区景观类型分类采用全国土地利用一级分类标准，并结合青岛市海岸带的实际情况，将土地利用景观类型划分为林地、耕地、草地、水域、未利用地和城乡工矿用地6个一级类型，利用ENVI软件的混淆矩阵法对分类结果进行精度评估，2009年和2018年解译精度分别为88.00%和91.03%，Kappa系数分别为84.03%和87.08%，能够满足研究需要。利用ArcGIS 10.3软件对解译后的青岛市海岸带2期土地利用景观格局图叠加分析，分析土地利用景观类型变化特征。运用Fragstats 3.3软件计算景观特征指数，以90 m×90 m分辨率的SRTM DEM数据为基础提取坡度数据，并对坡度分级后与土地利用数据进行叠加处理，以计算土地生态适宜度。

结合前人研究以及青岛市海岸带景观格局特点，根据研究区的范围和数据计算量，利用等间距采样法[14]，将研究区划分为5 km×5 km的379个正方形评价单元，逐一计算每一评价单元的生态脆弱性指数，利用ArcGIS 10.3软件提取每个评价单元中心点坐标，并将每个评价单元生态脆弱性指数赋给中心点，在此基础上进行普通克里格插值，通过重分类后获得青岛市海岸带生态脆弱性空间分布图。

1.3 研究方法

1.3.1景观类型脆弱度计算

不同景观类型对外界干扰的敏感性和适应能力存在差异，适应性与敏感性的强弱影响景观的稳定性，因此，以敏感性指数与适应性指数的比值表示景观类型脆弱度[15]，其计算公式为

Ii=(αGi+βFi+γDi+δVi)/Pi。

(1)

式(1)中，Ii为景观类型i的脆弱度；Gi为景观类型i的聚集度，%；Fi为景观类型i的分维数倒数；Di为景观类型i的斑块密度，个·km-2；Vi为景观类型i的植被覆盖指数；Pi为景观类型i的生态适宜度；α、β、γ、δ为指标权重，并且α+β+γ+δ=1。

敏感性指数包括景观特征指数(聚集度、分维数倒数、斑块密度)和植被覆盖指数，其中聚集度和斑块密度能够反映不同景观的破碎化程度，分维数能够表明景观几何形状的复杂程度，在一定程度上反映出人类活动对景观格局的影响[16]。仅根据景观特征指数反映的信息难以充分说明生态脆弱性问题，因此选取能够反映研究区主要生态环境问题的植被覆盖指数和生态适宜度进行补充，使评价结果能够对景观生态环境状况以及所受干扰程度进行综合反映[17]。景观特征指数运用Fragstats 3.3软件结合遥感解译数据计算得出；结合归一化植被指数(NDVI)及对青岛市2009和2018年遥感图像的解译数据，基于植被覆盖度遥感定量模型，对研究区植被覆盖度划分等级(0～25%、>25%～40%、>40%～60%、>60%～80%、>80%～100%)，并按1、3、5、7、9作为植被覆盖指数的相对权重级别，由于各级权重总和为1，因此给各级权重分别赋值为0.04、0.12、0.20、0.28、0.36，利用如下公式[17]计算植被覆盖指数：

(2)

式(2)中，Vi为某一景观类型的植被覆盖指数；Cia为i景观类型分布在a植被覆盖等级上的面积，m2；Ci为景观类型i的面积，m2；Wa为a等级植被覆盖的权重；i为景观类型；a为植被覆盖等级；n为景观类型总数。

适应性指数选取能代表一个区域生态环境状况优劣的生态适宜度表示，它能在一定水平上反映该区域生态环境的自我恢复能力[18]，对研究区坡度划分等级(0°～5°、>5°～8°、>8°～15°、>15°～25°、>25°～35°)，并给各级权重分别赋值为0.04、0.12、0.20、0.28、0.36，其计算公式为

(3)

式(3)中，Pi为某一景观类型的生态适宜度；Bij为i景观类型分布在j坡度级别上的面积，m2；Bi为景观类型i的面积，m2；Pij为适宜度权重；m为坡度等级数；j为坡度级别。

由于各个评价指标的量纲和物理意义存在差异，需要对各项评价指标进行标准化处理，采取极差标准化法来解决参数不可比的问题[19]，标准化后值在0～1之间。权重计算方法采用熵值赋权法[20]，运用熵权法确定的各指标的权重α、β、γ、δ依次为0.413、0.182、0.209和0.197。

1.3.2生态脆弱性指数模型的构建

将青岛市各景观类型脆弱度(Ii)经面积加权得到生态脆弱性指数的计算模型[21]，其公式为

(4)

式(4)中，IEV为生态脆弱性指数；Ai为景观类型i的面积，m2；n为景观类型总数；S为评价单元总面积，m2；Ii为景观类型i的脆弱度。

1.3.3生态脆弱性等级划分方法

根据各评价单元生态脆弱性指数(IEV)以及青岛市环境特点和土地利用格局进行普通克里格插值，综合分析2009和2018年数据，运用ArcGIS软件的自然断点法[22]对研究区的生态脆弱性进行划分。

2 结果与讨论

2.1 青岛市海岸带土地利用景观格局分析

2009—2018年青岛市土地利用景观类型发生明显的变化(图2)，从空间尺度上看，耕地、未利用地和城乡工矿用地变化显著，青岛市西部的胶州市和西南部黄岛区是未利用地和耕地转移较为集中的区域，同时城阳区也存在大量耕地转出的现象；城乡工矿用地扩张的趋势极为明显，表现为由南部沿海胶州湾地区向四周扩散；水域、林地面积变化不大，呈现出增加趋势，草地面积减少。

从表1可以看出，青岛市海岸带各土地利用景观类型面积在10 a间发生较大变化，而通过土地利用转移矩阵(表2)能够定量反映土地利用景观类型相互转化的动态过程，及其面积转出和转入的信息[23]。2009—2018年面积呈减小趋势的有耕地、草地和未利用地，其中未利用地减少幅度最大，主要转移到耕地和城乡工矿用地，面积分别占55.75%和33.78%，还有部分转移到草地和林地，表明10 a来土地利用强度提高，对未利用地开垦力度增加；草地大部分转变为耕地和林地，在向外转移的同时，部分土地利用类型也在向草地转移，表明人们环保意识增强，退耕还草政策已见成效；耕地向城乡工矿用地和林地转移的面积分别占47.96%和21.10%，由于城市向外扩张以及交通建设等因素影响，导致大量耕地被占用，在退耕还林政策和生态保护政策的推动下，部分不适宜耕种的山地和丘陵区逐渐被林地覆盖。

表1 2009—2018年青岛市海岸带土地利用面积变化

表2 2009—2018年青岛市海岸带土地利用转移矩阵

表格横向为由其他景观类型转移来的面积，纵向为转移到其他景观类型的面积。

面积呈增加趋势的景观类型有林地、水域和城乡工矿用地，城乡工矿用地增加幅度最大，增加的面积中有69.30%来自耕地，17.11%来自未利用地，由于城镇大面积扩张，大量耕地和未利用地被开发成为城乡工矿用地，经济的快速发展和城市化进程影响土地利用类型的变化，结合高琳等[24]对2005—2015年青岛市区土地利用变化的研究，到2018年青岛市海岸带土地利用变化依旧呈现出未利用地减少幅度较大、城乡工矿用地大幅度扩张的状态；水域增加的面积中有86.55%来自耕地，部分沿海耕地转变为养殖区，结合王德智等[25]对海口海岸带水域扩张原因的分析发现，渔盐业迅速发展的沿海地区将近海耕地和红树林开发建设为水产养殖地，这是海岸带水域面积扩张的主要原因；林地增加的面积中有62.76%来自于耕地，29.84%来自草地，由于“国家森林城市”建设，对林地实施保护管理和植树造林，使森林覆盖率有所增加。

2.2 青岛市海岸带景观类型脆弱度分析

青岛市不同景观类型在10 a间的景观特征指数和景观类型脆弱度都存在一定的变化(表3)，在指数层面上：(1)水域的聚集度指数最高，表明其具有良好的连续性，水域景观相对聚集，由于农耕和城市发展使少部分水域出现围湖造田等现象，导致聚集度下降；近些年研究区林地和草地景观生态环境保护较好，使得草地和林地聚集度增加。(2)水域的分维数倒数最高，其次是城乡工矿用地和草地。沿海地带的城镇不断扩张、人口增长及产业结构变化，造成景观类型面积变化的同时也会对其产生扰动，2011年“山东半岛蓝色经济区”战略规划中的填海造陆等工程也会导致人为干扰增强。(3)城乡工矿用地、未利用地、耕地、林地和水域斑块密度都有所增加，城乡工矿用地扩张，使原土地类型为耕地的区域受复垦影响，土壤侵蚀状况严重，景观破碎化程度增大，同时林地是野生动物的重要栖息地，人类活动在对林草地产生破坏时也会影响动物的生存及发展。(4)青岛市林地的植被覆盖指数与其他景观类型相比始终处于较高水平，其次是草地和耕地。受自然因素和人为因素共同作用，青岛市自2012年开始进行“国家森林城市”建设和大沽河综合治理，在生态美化绿化、湿地修复等工程的实施下，到2018年全市林木、绿化覆盖率都有所提升。另一方面，气候因子也对植被覆盖指数产生影响，其中年降水总量与植被相关关系显著，而青岛市2009—2018年降水量总体呈减少趋势，植被生长受到影响，植被覆盖指数呈下降趋势[26]。(5)生态适宜度不仅能表示生态环境的好坏，还能在一定水平上反映生态环境的自我恢复能力，草地、耕地、水域生态适宜度呈增加趋势，表明区域生态环境得到一定改善。林地、城乡工矿用地和未利用地的适宜度表现为逐年下降趋势，反映出这3种景观类型自身的恢复能力下降，生态环境受到一定影响。

表3 2009—2018年青岛市景观类型脆弱度指数

在研究区整体的景观类型脆弱度层面上，各景观类型平均脆弱度排序为未利用地>草地>林地>耕地>城乡工矿用地>水域，由于未利用地、草地和林地大多分布在地势较高的东部地区，容易发生水土流失和滑坡灾害，而未利用地多为裸地，植被覆盖率不高，水土保持能力较差，导致其景观类型脆弱度较高。结合庞立华等[14]对胶州湾地区的研究，景观类型脆弱度较高的土地利用景观类型稳定性较弱，抵抗外界环境侵袭的能力较差，极易被周边变化所影响且恢复能力较弱，而城乡工矿用地和水域景观脆弱度较低，景观相对稳定。

Gi为聚集度,%；Fi为分维数倒数；Di为斑块密度,个·km-2；Vi为植被覆盖指数；Pi为生态适宜度；Ii为景观类型脆弱度。

2.3 青岛市海岸带生态脆弱性等级划分与时空变化特征

2.3.1生态脆弱性等级划分

运用ArcGIS软件中的自然断点法，对2009和2018年生态脆弱性指数综合分析，将青岛市海岸带生态脆弱性划分5个等级：重度脆弱区(≥1.267)、脆弱区(1.192～<1.267)、一般脆弱区(1.143～<1.192)、轻度脆弱区(0.804～<1.143)、生态良好区(<0.804)。

2.3.2生态脆弱性时间变化

将青岛市各景观类型脆弱度经面积加权可以计算得到2009和2018年379个评价单元的生态脆弱性指数，明确每个评价单元生态脆弱性的变化。对研究区所有评价单元的生态脆弱性指数分级后，统计每个等级所占面积(图3)，不同生态脆弱性等级的发展趋势各有其特点，轻度脆弱区面积占研究区的主导地位，是青岛市海岸带最主要的脆弱级别。生态良好区和重度脆弱区面积减少，每年比上一年的年平均减少率分别为16.24%和16.83%；轻度脆弱区、一般脆弱区、脆弱区面积均呈增加趋势，每年比上一年的年平均增长率分别为0.95%、10.74%和11.24%。重度脆弱区生态环境有所改善，在逐渐向良好方向转变。

图4为10 a间青岛市海岸带不同生态脆弱性等级的结构变化，从整体上看，青岛市重度脆弱区面积呈减小趋势，生态环境得到改善。各个市区的分布情况为：(1)黄岛区生态良好区和重度脆弱区面积均呈减少趋势。研究表明，随着景观变化趋于稳定，生态脆弱性降低[27]。受新黄岛经济开发区建设的影响，景观间变化频繁，生态良好区受到扰动，导致面积减少，2018年土地利用景观逐渐趋于稳定，处于重度脆弱区的土地面积下降，生态环境问题得到一定改善。(2)市南区、市北区和李沧区生态脆弱性等级结构类似，2009年以生态良好区为主，其他几种脆弱性等级少量分布，2018年轻度脆弱区基本覆盖整个区域；(3)崂山区是重度脆弱区面积变化最大的区域，2009年崂山区重度脆弱区面积所占比重最大，到2018年重度脆弱区面积大量减少，通过10 a的环境保护，重度脆弱区逐渐向脆弱区转变；(4)城阳区生态良好区面积所占比重下降，轻度脆弱区面积大量增加。付刚等[28]研究认为土地利用转移产生的影响会反映在生态脆弱性上，而笔者研究中的城阳区、黄岛区是土地利用变化相对较多的地区，大量耕地受到城市化和工业化影响，因此生态良好区呈现出减少趋势；(5)2018年轻度脆弱区基本覆盖整个即墨区，重度脆弱区逐渐被脆弱区和一般脆弱区代替，生态环境有所改善；(6)胶州市主要被轻度脆弱区覆盖，且10 a间整体脆弱性等级结构变化不大，重度脆弱区向低脆弱性区域转变，脆弱区面积所占比例有所增加。

2.3.3生态脆弱性空间变化

由图5可知，青岛市海岸带生态脆弱性整体呈东部和西南部高、中部低的格局。脆弱区和重度脆弱区分布的西南区和东部区，同时也是整个研究区地势较高的区域，耕地和林地景观较集中，而中部地区是青岛市脆弱度较低的地区。具体分布状况如下：(1)2009年青岛市生态脆弱性指数平均值为1.042，重度脆弱区集中分布在黄岛区西北部、崂山区东北部、城阳区和即墨区东部；脆弱区和一般脆弱区分布在重度脆弱区外缘，受重度脆弱区影响，生态环境较为脆弱；轻度脆弱区是整个研究区主导的生态脆弱性类型，面积超过整个研究区的一半；生态良好区主要分布在城阳区、李沧区、市北区和市南区，其面积占比为11.85%。(2)2018年生态脆弱性指数平均值为1.114，生态脆弱性有所增长，但整体仍处于轻度脆弱。2009年重度脆弱区相对集中的黄岛区、崂山区和即墨区到2018年生态脆弱性都有所减轻，面积占比由21.67%下降至4.13%；重度脆弱区生态环境得到改善，脆弱区和一般脆弱区面积扩张；在胶州湾沿岸的城阳区、市北区、市南区以及李沧区生态良好区面积减少明显，面积占比减少至2.41%，胶州湾沿岸是城乡工矿用地扩张最为迅速的区域，土地利用变化剧烈，同时渔盐业发展，围海养殖和填海造陆等活动导致潮滩湿地面积不断减少，参考王志成等[29]和方中祥等[30]对胶州湾潮滩湿地的研究，30 a来潮滩湿地边界不断向胶州湾内部移动，围填海用地大部分被城乡工矿用地利用，潮滩湿地面积减少，并且景观格局发生变化显著，破碎化程度逐渐增加，导致该区域生态脆弱性变化显著。

魏明欢等[31]研究发现，生态脆弱性低的区域受到的人为干扰程度低且地形平缓，而重度脆弱区集中分布在地势高、坡度大的区域。研究区地势东高西低，南北两侧隆起，中间低凹，而生态脆弱性也呈现出东部和西南部高、中部低的格局，可见研究区的地势坡度是影响生态脆弱性的重要因素，由于地势高，生态环境问题较为突出，加之耕地和林地这类脆弱度较高的景观分布较集中，土地利用变化剧烈，受人类活动影响较大，导致其生态脆弱性较高。

3 结论与建议

3.1 结论

(1)通过对青岛市土地利用景观格局的分析可知，2009—2018年青岛市林地、水域和城乡工矿用地面积逐年增加，而耕地、草地和未利用地则呈减少趋势。耕地和草地类型的转移导致林地面积增加，城乡工矿用地扩张侵占了耕地和未利用地，导致其面积减少，水域面积增加主要由耕地转移而来。

(2)2009—2018年景观类型脆弱度排序从大到小依次为未利用地、草地、林地、耕地、城乡工矿用地、水域。未利用地、草地和林地是研究区脆弱度较高的景观类型，其系统稳定性弱，极易受到人为因素和外界环境的干扰从而发生退化。

(3)青岛市海岸带生态脆弱性整体呈东部和西南部高、中部低的格局，轻度脆弱是主要脆弱性等级。青岛市海岸带重度脆弱区占研究区面积比例由10 a前的21.67%下降到4.13%。黄岛区、即墨区和崂山区重度脆弱区脆弱性变化较为显著，呈现减小趋势，重度脆弱区朝生态良好的状态转变，导致脆弱区和一般脆弱区面积扩张。2018年生态脆弱性指数有所增长，但青岛市海岸带整体依旧处于轻度脆弱状态。

3.2 建议

在自然因素及人为因素的共同作用下，青岛市海岸带整体处于轻度脆弱，黄岛区、即墨区、崂山区部分区域脆弱度较高，这将严重制约青岛海岸带生态环境的可持续发展。

(1)未利用地、草地以及林地景观类型脆弱度较高，极易受人为因素的影响，大量无序的资源开发只会加重土地的脆弱程度。随着“山东半岛蓝色经济区”战略的实施，青岛被定位为山东省和黄河流域经济社会发展的龙头城市，而西海岸城区是实施国家海洋强国战略的主体空间，受黄岛新经济开发区建设的影响，土地利用变化剧烈，尤其是城乡工矿用地的扩张，对生态脆弱性变化的影响较为显著。同时耕地和林草地的相互转化，说明退耕还林政策下毁林开荒现象仍然存在，围海养殖和填海造陆等活动导致潮滩湿地面积不断减少，生态脆弱性加重。

(2)加强对海岸带的生态保护，要根据青岛市海岸带各区域的生态脆弱性特点，在脆弱区和重度脆弱区重点实施生态恢复工程，同时要重视土地利用和景观变化给生态环境带来的影响，在不同生态脆弱性地区实施不同的土地利用开发战略。对于生态脆弱性高、开发利用强度大的黄岛区、崂山区等区域，要合理控制填海开发和城乡工矿用地的扩张，加强滨海区域生态防护林建设，提高生态系统的稳定性，改善近海生态环境问题。全国海洋生态文明建设和“蓝色海湾”整治工程是整个青岛市绿色协调发展的重中之重，严守生态保护红线，加大治理力度，以减轻海岸及近海生态系统结构和功能的损害。同时要继续推进国家森林城市建设，建设高质量森林，进一步提高胶州市、即墨区和城阳区森林绿地覆盖率。