海口市江东新区30年来海岸带城市扩展与生态格局演变

罗文霞,钟康正,周晓娟,吕晨阳,谢跟踪,2,*,邱彭华,2,张金萍,2

1 海南师范大学地理与环境科学学院, 海口 571158

2 海南省地表过程与环境变化重点实验室, 海口 571158

海岸带是海陆相互衔接作用的过渡地带,也是生态系统中典型的脆弱带和敏感带,其特殊的生态资源使其成为自然环境和人文活动的活跃区域[1],同时海岸带作为社会经济高度发展的区域,对整个社会经济发展具有重要的引领作用[2]。近年来,高强度的城市化进程导致海岸带生态用地急剧减少,严重影响到区域生态安全格局[3—5]。因此就如何在城市扩展过程中协调城市化和生态保护之间的矛盾,已然成为迫切需要解决的现实问题。

城市扩展是一个十分复杂的社会经济现象[6—7]。为了更为准确的模拟城市扩展过程,国内外学者展开了一系列的探索[8]。在早期“均质区域”假设条件下所推导的关于经济空间组织与区位选择的理想模型,并不能很好的模拟实际城市扩展现象[9],谢志文等在传统城市扩展元胞自动机模型的基础上模拟武汉主城区和上海浦东新区2005—2015年期间的城市扩展过程,发现基于多结构卷积神经网络的城市扩展元胞自动机模型(MSCNN-CA)能够有效提高城市扩展模拟的精度,更加真实地反映城市扩展空间演变过程[10]。Tayyebi等利用人工神经网络模型模拟了伊朗德黑兰的城市边界扩展过程,成功构建了研究区城市边界增长模型[11]； Arzu Erener等根据土耳其沿海城市的土地利用格局形式,研究土耳其沿海城市的城市扩展时空变化特征[12]。从模拟“均质区域”条件下的经济发展和位置选择的理想模型,到更为复杂的元胞自动机、人工神经网络以及基于现实生活中城市扩展各种因素综合作用的网络与系统动力学模型[9—12],城市扩展模拟研究与现实逐步贴合,但仍存在问题。其一,研究内容相对单一,很少涉及到城市扩展所带来其他问题,如生态格局、生态风险的变化；其二,这些系统动力学的研究方法运用在城市扩展过程中更加侧重于土地运动的垂直过程,却忽略了其水平过程；其三,社会经济因素具有不确定性[13],而最小累积阻力模型的运用把城市扩展的研究重点转移到生态环境,将区域范围内土地利用覆盖水平变化的过程比作城市扩展过程,并量化阻力因素在城市扩展中的影响作用,使城市扩展模拟向更加精准的方向发展[14—16]。姜晓丽等以“三生”空间为视角,基于MCR模型并结合坡向变率与坡形组合法对研究区建设用地适宜性进行评价,为土地利用格局优化提供一种新思路[17]；王钊等基于MCR模型的城市扩展模拟反映出在区域环境约束下的区域城市扩展的空间态势,并指出未来为避免城市摊大饼式扩展,应加强城市与城市之间隔离带的建设[18]；苏东辉在将城市扩展的动态过程模拟为城市建设用地的水平运动过程中发现MCR模型在城市扩展模拟中与实际城市扩展存在较大差异[9],为此叶玉瑶等在MCR模型的基础上进行方法创新,考虑到不同等级源的相对影响因子和生态障碍因素,构建适合于城市扩展模拟的生态阻力面模型[19],为城市扩展研究提供了更为切合实际的方法,但其只研究了一个时期的城市扩展现象,没有预测城市未来的扩展趋势。另外,国内学者对城市扩展的研究主要集中在内陆经济发展较为快速的地区[9,17—20],对海岸带城市扩展的研究较少,且在研究中运用MCR模型时很少考虑到源地内部的差异,也没有模拟城市扩展过程。

本文在传统研究的基础上,采用多时相的研究方法[21],利用海口市江东新区5个时期(1988年、2001年、2009年、2017年和2019年)的土地利用类型数据,在MCR模型的基础上将源地内部生态阻力划分等级,使得城市发展与生态保护有机地结合起来,从而在确保城市生态安全格局科学性的基础上,以动态可视的角度分别模拟江东新区5个时期城市适宜性分区及扩展过程,综合分析城市扩展现象时空演化规律,为研究区未来的城市发展提供参考。

1 研究区概况与数据

1.1 研究区概况

海口市江东新区东起东寨港(海口行政边界),西至南渡江,北临东海岸线,南至绕城高速二期和212省道[22],总面积约298 km2,包含33 km2的国际重要湿地东寨港国家级自然保护区。研究区陆域部分为琼州海峡海岸线向南延伸至海南环城高速路和212省道的滨海陆地,水域部分主要由南渡江、东寨港两大水域及河流、坑塘洼面等生态系统组成(图1)。自设立海口江东新区,并将其作为建设中国(海南)自由贸易试验区的重点先行区域以来,在相关政策的大力推动下,江东新区的城市建设用地扩展现象尤为突出[23]。

图1 研究区区位图

1.2 数据来源与预处理

本文选取的主要数据分别为1988年(海南建省)和2001年空间分辨率为30 m的TM影像数据、2009年空间分辨率为5 m的SPOT- 5全色影像数据、2017年和2019年空间分辨率为0.56 m的GOOGLE影像数据。经过对遥感影像的处理[24],实现5期影像的空间配准,使用裁剪工具确保5期影像区域范围的统一性。由于遥感影像和自然实体对尺度均存在依赖性,在不同尺度下,同一地物的信息特征并不完全相同[25],为了保证影像解译结果的一致性,先把2009年、2017年和2019年影像的空间分辨率均降为30 m,然后再采用面向对象的信息提取方法对5期影像进行解译。为了验证解译精度,采用混淆矩阵(Confusion matrix)方法对解译结果进行精度评价[26]。评价结果显示总体精度均超过85%,且Kappa系数均超过0.80,满足分类精度要求。依据海口市海岸带土地利用特点及本文研究需求,参照《土地利用现状分类》(GB/T 21010—2017)标准将研究区重新划分为:耕地、园林草地、水域及湿地、建设用地和其他土地5大类[27]。其中水域及湿地包括各级河流水面、坑塘水面、滩涂、水库等[28],建设用地包括各级建制镇、村庄、商服用地、城镇住宅用地、工矿仓储用地、交通运输用地等[29](表1)。

表1 海口市海岸带土地利用重分类表

2 研究方法

2.1 MCR模型

最小累积阻力(Minimal cumulative resistance model,MCR)模型由荷兰生态学家Knaapen等于1992年提出[30],最早应用于物种扩散过程的研究,后经国内学者俞孔坚等优化完善[31],现已将MCR模型拓展到城市扩展模拟的研究中[14,15,32—33]。其实质是模拟土地的水平运动,计算所有“源”到空间中任一点距离所需要的最小阻力值,以水平方向阻力值的大小为依据,判断土地建设开发适宜性[14,32]。基本公式如下:

(1)

式中,MCR表示最小阻力累积模型；fmin表示所有源到景观i的最小阻力值；Dij表示从源j到景观单元i的空间距离；Ri表示景观单元i对运动过程的阻力系数。

2.2 UEER模型

在MCR模型基础上引入不同等级源的相对阻力因子Kj,构建城市扩展的生态阻力面(Urban expansion ecological resistance,UEER)模型,模型考虑了4个方面的因素, 即源、源地等级、阻力特征和距离因素[9,19],基本公式如下:

(2)

式中,UEER表示源地扩展需要克服的最小生态累积阻力值,Dij表示源j到景观单元i的距离大小,Ri表示景观单元i对城市扩展过程的阻力系数,Kj表示源j作为某一等级的扩展源所对应的相对阻力因子。

将式(2)中计算出的建设用地扩展和生态用地扩展的最小生态累积阻力值相减,得到最小生态累积阻力差值。表达式为:

UEER差值=UEER建设-UEER生态

(3)

式中,UEER差值表示最小生态累积阻力差值。UEER差值综合考虑源的等级以及生态障碍对于城市扩展的影响,体现了城市扩展水平过程所需克服的生态阻力[19,32],可根据UEER差值进行建设用地适宜性分区。

2.3 水文分析(Hydrology)模型

Hydrology模型常用于对数字高程模型 (Digital elevation model, DEM)的特征提取[33], DEM是通过对有限的地形高程数据实现地形曲面的数字化模拟,是进行流域地形分析和流域地物识别的基础[34]。本文采用基于平面曲率提取地形特征线的方法将研究区UEER差值数据类比为DEM数据进行焦点统计均值邻域分析,并据此区别出正负地形[16],同时对UEER差值数据进行反地形DEM处理及洼地填充处理,计算汇流累积量和流向,分别与正负地形相交得到建设用地适宜扩展路径(谷线)及生态隔离带(脊线)[35]。

3 结果与讨论

3.1 阻力面评价指标体系的构建

3.1.1扩展源的选择

“源”(Source)不仅是事物或事件向外扩散的起点和基点,也具有向四周扩展或吸引的能力,扩展能力或吸引能力的大小与“源”的性质和四周传播媒介的性质有关[36]。根据本文研究内容及方法,选取建设用地和生态用地两类扩展源[37]。参考前人研究[19,37—38],确定建设用地扩展“源”为海口市江东新区海岸带建成区,包括城市建设用地、建制镇、村庄、工矿用地等(图2)；生态用地扩展“源”为研究区自然保护区(东寨港自然保护区)和各类湿地及水域等(图3)。

图2 建设用地扩展源地

图3 生态用地扩展源地

3.1.2成本阻力面的构建

土地的空间异质性决定不同的土地单元具有不同的影响作用,从而具有不同的阻力系数,不同阻力系数在空间上的分布构成了阻力面[39]。本文将建设用地的成本阻力值表示为城市扩展的阻力值[40]。首先确定海口市江东新区的生态障碍包括三类,第一类是重要水域,包括各级水库、河流以及坑塘水面；第二类是各级自然保护区如东寨港自然保护区；第三类是基本农田。这些为城市扩展过程中的刚性约束,建设用地扩展阻力等级应赋予最大值,生态用地则与建设用地相反赋予最小值。再从自然因素、区位因素、环境因素三方面建立建设用地及生态用地成本阻力的评价指标,结合本文研究主体为生态安全前提下的建设用地扩展,环境因素较与土地覆盖和区位因素相比更为重要,权重为0.4,另两类权重均为0.3[16,19,32](表2,表3)。依据式(1)分别构建建设用地(图4)及生态用地的成本费用面(图5)。

表3 生态源地扩展阻力评价体系

图4 建设用地成本费用面

图5 生态用地成本费用面

表2 建设源地扩展阻力评价体系

3.2 建设用地扩展适宜性分区分析

以建设用地成本费用面和生态用地成本费用面为基础,将建设源地划分3个等级,一级源为住宅用地、建制镇、村庄等；二级源为各种交通运输用地；三级源为其他建设用地包括设施农用地、工矿仓储用地等,并对各个等级赋予相应的相对阻力因子Kj,一级源为0.85,二级源为0.90,三级源为0.95[19,39],相对阻力因子增大表明建设用地的扩展能力减弱。依据式(2)得出源地的最小生态累积阻力面,并根据式(3)可得到建设用地扩展过程中的最小生态累积阻力差值,表示建设用地扩展的综合阻力,在此基础上进行重分类。结合实际情况以自然间断点分割法对UEER差值面进行阈值分类[40],将范围重新分成5个区,得到研究区建设用地土地适宜性分区图,分别为重点建设区、优化建设区、限制建设区、禁止建设区以及生态恢复区(图6)。在ArcGIS中统计5个时期内各级建设区的面积(表4)。

图6 土地适宜性分区图

表4 建设用地适宜性分区统计

UEER差值小于0指建设用地扩展阻力小于生态用地扩展阻力,表现为适宜建设用地扩展,这些地区的共同特征是地形平坦、连续集群,与生态保护区相距较远,包括重点建设区、优化建设区和限制建设区。UEER差值大于0指建设用地扩展阻力大于生态用地扩展阻力,表现为适宜生态用地扩展,含禁止建设区和生态恢复区,主要位于东寨港红树林自然保护区、南渡江岸及其周边和基本农田,其作为区域生态安全的核心,维护了区域生态完整性,同时也是江东新区生态安全的保护屏障。从数值上看,1988年、2001年、2009年、2017年重点建设区的面积分别为:49.48 km2、55.02 km2、68.41 km2、75.96 km2,占研究区总面积的比重分别为:16.61%、18.46%、22.96%、25.49%。自海南建省至2017年重点建设区面积呈现出稳步增长的趋势,其主要影响因素是该区域位于滨海地区,自然资源丰富,水陆交通便利,且人口稳步增长带动的研究区经济发展,使得研究区土地需求量增加,城市建设进程加快,建设用地扩展现象显著；而到2019年重点建设区的面积又下降14.39 km2,占比减少4.83%,其主要受到2018年自贸港相关政策的影响,国家级生态保护区制约了城市建设用地的扩展。从空间分布上看,2017年前,研究区重点建设区逐渐由零散分布过渡到集中连片的“山”形分布,且有以美兰机场等主要交通枢纽和中西部地区规模较大的居民区、商业区为中心向外扩展的趋势。在江东新区西部南渡江附近的重点建设区分布较为集中,这表明靠近水域的建设用地在一定程度上能够快速有效地增加城市集聚力,有利于城市的进一步扩展,同时受人类活动影响明显,分布均匀且规律性极强。2017年后,自贸港政策的实施为后续的城市建设提供发展方向,使得2019年的重点建设区相较于2017年前更加注重江东新区内部区域的建设发展,例如划分的滨海旅游度假区、桂林洋开发区、沿江生活区等。

3.3 建设用地扩展方向分析

由UEER差值得到的“谷线”实际上是生态成本面中阻力值相对于周边阻力值较小形成的,是建设用地适宜扩展路径,趋向于连接各主要建设用地,其连接的土地可重点开发为建设用地；“脊线”是阻力值相对于周边阻力值较大形成的,是生态用地与建设用地之间的临界线,生态效应显著(图7)。自海南建省以来,“谷线”分布逐渐单一化,“脊线”主要分布在大型自然保护区如东寨港红树林自然保护区,且“脊线”逐渐较“谷线”更长、分支更多且相互之间连接程度高,在建设用地扩展源之间穿越,生态隔离带的生成打破了建设用地扩展的传统模式。(1)1988—2001年间海口江东新区建设用地适宜扩展路径几乎遍布整个研究区,分布较杂乱且路径普遍较短,两期数据相比变化不大,这是由于海南建省初期各方面发展均处于起步阶段,故研究区发展较为缓慢,变化不明显。(2)2001—2009年间在东寨港附近地区出现另外一条较长的生态隔离带,在一定程度上维护了东寨港的生态安全,在东寨港自然保护区以及附近的建设用地适宜扩展路径明显减少。另外,海岸带及南渡江边的生态隔离带由零星的散状分布变为连续的带状分布,这表明2006年发布的《海南省基本农田保护规定》已有显著成效。(3)2009—2017年间建设用地适宜扩展路径在空间上逐渐远离东寨港自然保护区,且集中分布在保护区以西的地区,区域内生态隔离带在数量上也有所减少；与生态隔离带相比,建设用地适宜扩展路径相对较短且更杂乱。(4)2017—2019年间生态隔离带在数量上明显增加,逐渐向优化建设区和限制建设区内部延伸,打破了建设用地适宜性区域集中连片的扩展态势,且分布形式也逐步趋于多元化,其作为生态安全的底线,在城市化进程中应予以重视。(5)1988—2019年间在各种政策的引导下,建设用地和生态用地分布更加规范合理。总体来说,适宜扩展路径和生态隔离带都从密变疏,在数量上大幅减少,同时生态隔离带也不断侵入建设区,阻碍了城市建设适宜扩展路径的发展进程。

图7 “谷线”“脊线”示意图

3.4 建设用地适宜性分区与实际对比分析

将研究区上一时期适宜性分区结果与下一时期实际建设用地进行叠加分析,并统计实际建设用地在各适宜性分区内的面积(表5)。

从实际建设用地在上一时期适宜性分区内的分布情况结果来看:(1)2001年实际建设用地总面积为50.15 km2,其中49.32%的建设用地分布在1988年适宜性分区的重点建设区,0.30%分布在禁止建设区和生态恢复区,侵占面积相对较小,主要集中在江东新区的滨海地区。(2)2009年建设用地已逐步向海岸带扩展,且有向基本农田侵占的趋势。该时期实际建设用地总面积达到74.51 km2,其中有34.88%分布在重点建设区,同比2001年减少了14.46%,建设在禁止建设区和生态恢复区的实际建设用地达到15.24 km2,占该时期现有建设用地的20.45%,同比2001年增长20.15%。该时期的城市扩展并不规范,因为东寨港自然保护区限制了附近区域建设用地的扩展格局,所以建设用地主要沿海岸带扩展,其生态格局也因此发生变化,生态安全受到威胁。(3)2017年有51.37%的建设用地分布在重点建设区,且建设用地侵占禁止建设区和生态恢复区面积5.03 km2,占现有建设用地总面积的8.78%。建设用地主要沿着交通线扩展向内延伸侵占大量耕地,另外因政策对海岸带生态格局保护力度加大,海岸带及其附近的建设用地逐步向禁止建设区转变。(4)2019年建设用地分布在重点建设区的面积为33.75 km2,占现有建设用地总面积的54.86%,同比2017年占比增加3.49%,侵占禁止建设区和优化生态区的建设用地面积为5.94 km2,占该时期研究区总建设用地面积9.66%,同比2017年占比增加0.88%。2018年海口江东新区正式设立,相关政策对农用地以及生态用地进行了保护管理,研究区生态格局逐渐优化,但并不明显。(5)整体上建设用地面积由1988年建省时期的50.15 km2增长到61.52 km2,交通运输道路明显增加,居民用地逐渐集聚化,建设用地分配也在逐渐合理化,同时建设在重点建设区的面积占比由2001年的49.32%减少到2019年的34.19%,侵占禁止建设区和生态恢复区的建设用地面积由2001年的0.15 km2增长到2019年的9.63 km2,占比由0.30%增长到15.65%,主要分布在沿江沿海地区,生态安全依然存在隐患,但为满足城市发展需要,研究区的城市扩展现象整体上呈现符合城市发展标准的态势。

4 结论

本研究将UEER模型和Hydrology模型相结合,提取建设用地扩展过程中生态阻力面特征,划定适宜性分区以探讨建设用地适宜扩展空间,同时建立生态隔离带和适宜扩展路径来描述城市扩展方向,得出以下结论:

(1)1988年以来,研究区重点建设区的面积整体上呈增长趋势,且主要以交通枢纽和规模较大的居民区、商业区为中心向外扩展。研究区重点建设区表现出“摊大饼”式蔓延格局,2017年前研究区重点建设区大规模地沿美兰机场和居民区向外扩展,由于2018年海南自贸港政策的实施改变了这一现状,使得2019年的重点建设区相较于2017年前更加规范合理,国家级生态保护区的生态安全得到有力保障。

(2)在研究时域内,研究区城市是沿着适宜扩展路径进行扩展的,城市扩展因受制于生态隔离带,非直接与相邻建设用地相连。由“适宜扩展路径”引导建设用地优化开发,避免盲目的向外扩展,而沿“适宜扩展路径”扩展的建设用地,并不与相邻建设用地直接相连,生态隔离带的存在打破了适宜性区域集中连片的扩展态势。

(3)由于东寨港红树林自然保护区的存在,使得研究区东海岸以东寨港红树林自然保护区为中心形成的片状区域是生态安全核心区域。在研究时域内研究区生态用地逐步向建设用地渗入,这与研究区保护生态环境的建设理念基本相符。基于《海南自由贸易港建设总体方案》中提到的创新生态文明体制机制,在一定程度上使研究区的生态风险逐渐减小。

(4)研究区建设用地扩展现象受政策因素影响较大,生态格局依旧需要优化。综合分析城市扩展格局发现,海岸带及其附近的建设用地已逐步向生态用地演变,且居民用地逐渐集聚化,整体上逐渐规范化,但现有建设用地在禁止建设区和生态恢复区内面积占总建设面积的比重由0.30%增长到15.65%,面积增长了9.48km2,生态安全问题依旧存在。

(5)综合考虑生态安全的影响因素,针对研究区海岸带城市扩展提出以下建议:一是城市建设用地在扩展过程中应严格控制在生态隔离带以内,并且与生态用地之间建立缓冲区,避免盲目扩展。二是禁止建设区应注重该区域内的生态保护,生态恢复区作为生态安全屏障应禁止一切建设开发并适当扩大其规模,实现地区的可持续发展。