太行山东部县域“三生”用地转型与景观生态风险分析*——以河北省平山县为例

于淑会,康园园,邓 伟,王功明,王洪宽,邢宇华

(1.河北地质大学土地科学与空间规划学院/河北省高校生态环境地质应用技术研发中心 石家庄 050031; 2.四川师范大学地理与资源科学学院 成都 610101; 3.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所 成都 610041)

景观生态学既为空间生态学、建设生态学,也属于人类生态学,国内景观生态学研究始于20世纪80年代初期,在贯通国际前沿研究成果的基础上探寻“中国路径”,日益深入的研究也使得景观生态风险得到了广泛关注。景观生态风险指自然或人为因素影响下景观格局与生态过程相互作用可能产生的不利后果,从景观生态学的生态过程与空间格局耦合关联视角,可实现风险的空间可视化并能有效识别土地利用变化对生态系统完整性与脆弱性的影响。土地利用与景观格局有着外延上的从属关系,土地利用方式与强度变化产生的生态影响与景观生态风险的时空异质性紧密关联,根据土地类型结构变化进行区域景观生态风险评价具有现实意义,当下研讨方向也多基于城镇空间扩张背景下的土地利用演变而开展。为优化与协调土地利用主导功能,“三生”空间(生产空间、生活空间与生态空间)的概念被提出,研究大都聚焦在土地利用现状分类与“三生”空间衔接方面。当前,景观生态风险的研究成果颇丰,就研究对象而言,主要集中在流域、湿地和城市,延伸而来的将“三生”空间理念与土地利用主导功能相衔接的景观生态风险研究尽管已经存在,但相关探讨的研究对象依旧为要素相对单一的流域与边疆地区。就评价方法而言,目前研究集中在基于风险“源-汇”和景观格局两种,相较于前者对于生态胁迫因子的要求较高,具有一定局限性,景观格局的评价方法则一定程度上抛开其限制,以区域视角映射生态风险。

山区作为集山、水、林、田、湖、草于一体的较复杂的生态系统,从“三生”空间视角分析山区景观生态风险的研究较为欠缺。太行山是京津冀地区的天然生态屏障,是水源涵养与土壤保持两种生态系统服务功能的极重要区域,对解决华北干旱缺水、保障京津冀地区“三生”用水具有十分重要的生态战略地位。当前太行山区生态风险评价相关研究主要聚焦在不同研究视角与研究目的的评价指标体系构建,为太行山区生态风险评价指标体系构建、生态安全评估等提供了参考依据,但研究重点大多侧重静态指标,缺乏与生态过程的融合。

鉴于此,本文在分析研究区“三生”用地转型的基础上,从太行山县域视角,以乡镇为评价单元,将“三生”空间理念纳入生态风险评价过程,基于景观格局指数构建了“三生空间”景观生态风险评价模型,对研究区景观生态风险的时空分布特征进行分析,并探讨“三生”用地转型对景观生态风险的影响,以期为山区生态风险防范决策提供参考,为太行山区土地资源的合理配置与高效利用提供理论依据。

1 研究区概况

河北省平山县是典型的山区县,由0.1%的亚高山区、13.1%的中山区、35.3%的低山区、26.4%的丘陵区、25.1%的山前平原区组成,其地貌组成与太行山东部区域较为一致,因此,本研究以河北省平山县为研究区域。平山县地处河北太行山东麓(113°31′～114°15′E,38°9′～38°45′N),西与山西省接壤,东临河北省省会石家庄,是国家批准的环京津、环渤海开放县之一,中国小水电试点县之一,隶属河北省石家庄市。平山县面积2617.6 km²,其中,山地面积占全县面积的74.9%。受多次地壳运行与长时间的剥蚀堆积影响,呈现三面环山、向东敞开、呈簸箕状的地貌轮廓; 地势自东南向西北逐渐增高,最低海拔91 m,最高海拔2282 m,相对高差2191 m (图1)。

图1 研究区河北省平山县地理位置与行政区划Fig.1 Geographical location and administrative divisions of the study area of Pingshan County,Hebei Province

平山县属温带半湿润季风大陆性气候,夏热冬冷。平山县年降水量时空分布不均,平均降水量530～690 mm; 7-8月降水量最大,占全年降水量的65%～70%; 地表径流时空分布极不均匀,年平均径流量18亿m。平山县2016年户籍人口50.5万人,其中农村户籍人口40.0万人(平山县统计局,2016年)。2018年一、二、三产业比重为6.8∶51.4∶41.8,2011年地区生产总值219亿元。

平山县主要土地利用类型为未利用地与林地,分别占总面积的37.53%和33.35%。在自然资源方面,平山县是石家庄市的重要水源涵养及生态保障区,水资源、矿产资源与旅游资源极其丰富,境内风光秀丽,历史文化独特,被称为太行山上的“绿宝石”。因地处山地,平山县以林果为主要经济作物,近年来大力发展苜蓿(),已形成一定规模。

2 研究方法

2.1 数据来源与处理

本文所用遥感影像数据来自地理空间数据云(https://www.gscloud.cn/),为空间分辨率30 m的TM影像(1990年、2000年、2010年与2018年4期),借助ERDAS IMAGINE 9.2与ArcGIS10.2软件平台,结合30 m DEM数据、Google亚米级高分影像及1∶50 000土地利用数据进行目视解译,得到1990-2018年平山县土地利用分类数据,经校验,解译成果及精度较为理想,Kappa系数均大于0.84。依据GB/T 21010-2017《土地利用现状分类标准》,参考李广东等、张红旗等与王有小等的研究成果,采用主导功能原则,建立适合平山县的“三生空间”与土地利用分类衔接表(表1)。

表1 “三生”空间分类系统与土地利用分类系统衔接表Table 1 Linkage table of “Production-Living-Ecological” spaces classification and land use classification system

2.2 “三生”空间面积变化及结构转移研究方法

2.2.1 动态变化度

“三生”用地面积动态变化度()指研究区一定范围内某一空间用地面积的数量变化情况,其表达式为:

式中:K为某一空间用地面积动态变化度,=1,2,3,分别指生产、生态及生产空间;指研究时段初始年空间用地面积;指研究时段末年空间用地面积;指研究时段。

2.2.2 结构转移

结构转移用来表征“三生”用地彼此间的转移数量与转移空间位置,以栅格为基本单元。数量统计与空间分析均在ArcGIS 10.2软件中完成。

2.3 “三生”空间生态风险测算方法

2.3.1 “三生”空间用地生态风险测算

参考前人研究结果,将“三生”用地作为一级风险源受体,土地利用类型为二级风险源受体,基于景观格局指数构建了平山县“三生”空间景观生态风险评价模型,对平山县景观生态风险指数进行测算(表2)。

表2 景观生态风险测算指标及计算方法Table 2 Measure indexes and calculation methods of landscape ecological risk

2.3.2 生态风险分级标准

为直观显示研究单元景观生态风险变化程度,采用自然断裂法将计算得到的平山县“三生”空间景观生态风险指数分为5个等级,具体如表3所示,等级越高,其风险程度也越高。

表3 平山县“三生”空间景观生态风险分级标准Table 3 Grading standards of landscape ecological risk of “Production-Living-Ecological” spaces in Pingshan County

2.4 “三生”空间用地转型生态风险贡献率

借鉴相关研究,用“三生”用地转型生态风险贡献率来说明用地转型对生态风险的影响,具体是指某一种空间用地类型变化所导致的区域生态风险等级的改变,其值越大,表示其引起的风险指数越高,其变化行为应予以遏制。表达式为:

式中:LERI为“三生”用地转型的生态风险贡献率;LERL与LERL分别为某种空间用地类型变化所对应的变化初期和末期的生态风险等级变化值(取绝对值); LA为该变化类型的面积; TA为区域总面积。

3 结果与分析

3.1 平山县“三生”用地转型

平山县主要以生态用地为主,生态用地面积占比高达74.51%～76.37%,其次为生产用地,生活用地仅占总面积的2.20%～3.43%,“三生”用地结构符合山区县生态功能为主的特征(表4)。28年间,平山县 “三生”用地面积发生了较大变化。总体上看,生产用地面积先减后增,2010-2018年,8年间生产用地共增加1340.83 hm,年均新增面积167.60 hm; 与之相反的是,生态用地面积先增后减,近8年年均减少面积高达341.74 hm,变化幅度较大,动态变化度是1990-2000年年均值的17倍; 生活用地面积呈稳定增加趋势。在“精准扶贫”思想指导下,平山县借助外来资金力量大力发展旅游业与林业,这是生产用地与生活用地面积近期迅速增加的主因。

表4 1990—2018年平山县“三生”空间面积变化Table 4 Change of “Production-Living-Ecological” spaces areas from 1990 to 2018

续表2

1990-2000年间“三生”用地转型主要为“生态转生产”与“生产转生态”,面积占转型总面积的81.18%(表5)。“生态转生产”区域主要分布在温塘镇南部五龙山南侧; 受1996年平山县洪灾影响,“生产转生态”区域分布在岗南水库与黄壁庄水库周边(图2),具体表现为农业生产用地转为生态用地。2000-2010年间“三生”用地的主要转型为 “生态转生产”与“生产转生活”,此期间平山县生态用地面积大幅减少(1441.15 hm),生活用地面积增加近1000 hm(表5)。洪灾后,生态用地再次作为农业生产用地使用,因此,“生态转生产”同样集中分布于黄壁庄水库与岗南水库周边; “生产转生活”区域分布相对分散,主要集中在南甸镇与温塘镇南部五龙山附近(图2)。2010-2018年间平山县“三生”用地转移类型较以前复杂,8年间平山县生态用地大幅减少(2733.93 hm),新增生产用地1340.83 hm(表5)。生产用地转变为生态或生活的区域集中在水库沿岸,“生态转生产”主要发生在岗南水库支流沿线,“生产转生活”区域主要分布于平山镇西部山区居民点沿线(图2)。总体来看,“三生”用地转型主要分布于道路及居民点沿线或者水域周边。

图2 1990—2018年平山县“三生”空间用地转型空间分布(a:1990—2000年; b:2000—2010年; c:2010—2018年)Fig.2 Spatial distribution of “Production-Living-Ecological” spaces lands transformation in Pingshan County from 1990 to 2018(a:1990-2000; b:2000-2010; c:2010-2018)

表5 1990—2018年平山县“三生”空间结构转移数量特征Table 5 Quantitative characteristics of structure transfer of “Production-Living-Ecological” spaces in Pingshan County from 1990 to 2018 hm2

3.2 平山县“三生”空间景观生态风险

“三生”空间用地转型会导致原景观单元斑块面积与边界的变化,以及廊道连通性的改变,从而改变区域景观生态风险指数。本文以行政单元为生态风险测算单元,得到平山县23个乡镇的“三生”空间景观生态风险指数(图3)。平山县生态用地风险指数呈现由西北向东南逐渐降低的趋势,而生产与生活用地风险指数则与之相反,这与“三生”空间用地“西北主生态、东南主生产/生活”的分布格局具有较强的一致性。西北部地势高,主导空间为生态空间,随着旅游业的发展,开发强度变大,生态景观破碎度增加,景观生态风险逐年上升。东南部地势平缓,聚集了平山县约62%的人口,是人类的主要居住地与活动场所,人为活动加剧了景观结构的不规则性,由此加大了东南部生产与生活空间的景观生态风险。

图3 1990—2018年平山县“三生”空间用地景观生态风险等级空间分布(a:1990年; b:2000年; c:2010年; d:2018年)Fig.3 Spatial distribution of landscape ecological rise grades of “Production-Living-Ecological” spaces lands in Pingshan County from 1990 to 2018 (a:1990; b:2000; c:2010; d:2018)

为更直观科学地反映平山县“三生”空间景观生态风险,本文进一步通过测算景观生态风险等级变化来分析平山县的风险变化趋势。将风险等级Ⅰ-Ⅴ分别量化为数值1～5,以1990年与2018年2期“三生”空间景观生态风险为测算变化的起始点,风险降低、风险不变、风险加剧(Ⅰ级)与风险加剧(Ⅱ级)4种风险变化趋势分别对应数值-1、0、1与2。图4可以看出,从生态空间用地视角看,平山县中部8个乡镇处于风险加剧区,景观破碎化严重,应重点保护高海拔深山区生态景观的完整性与生态环境的持续性; 从生产空间用地视角看,县中西部7个乡镇及东部5个乡镇处于风险加剧区,应降低人为活动的干预强度以保证生产空间边界的完整性; 从生活空间用地视角看,平山县大部分地区风险等级没有发生变化,只有南部呈“马鞍”型分布的8个乡镇表现为风险加剧,且5个乡镇为Ⅰ级加剧,生活空间用地相对较安全。未来用地规划应更加关注风险加剧区,科学调整用地结构,减少土地景观破碎度,保证土地生态系统的高效稳定运行。

图4 1990—2018年平山县“三生”空间用地景观生态风险变化趋势(a:生态空间; b:生产空间; c:生活空间)Fig.4 Change trend of landscaped ecological risk of “Production-Living-Ecological” spaces lands in Pingshan County from 1990 to 2018 (a:ecology space; b:production space; c:living space)

3.3 “三生”用地转型对景观生态风险的影响

利用2.4中公式(2)计算得到1990-2018年间 “三生”用地转型对生态风险的贡献率(表6)。可以看出,每个行政乡镇“三生”用地转型对生态风险的贡献差异较大(0～29.97%)。但总体来看,对生态风险贡献率最大的用地转型为“生态用地转为生产用地”,乡镇尺度贡献率为1.47%～5.19%; 其次为“生产用地转为生活用地”与“生产用地转为生态用地”,贡献率为0.31%～3.08%,这正是国家重视发展生产的政策以及人口增长现状的映射。

表6 1990—2018年“三生”用地转型对景观生态风险的贡献率Table 6 Contribution rates of “Production-Living-Ecological” spaces land transformation to landscape ecological risk from 1990 to 2018 %

4 讨论与结论

4.1 讨论

在社会经济迅速发展、休闲游憩需求日益增强的背景下,山区生态旅游得到蓬勃发展,人类活动对山区“三生”空间的改造愈发强烈,原有的景观结构与生态过程受到影响,从而导致景观生态风险的演变。生态空间视角下的平山县西北部中高山区景观生态风险总体呈上升趋势,是生态与经济发展用地冲突的结果。以侵占山区生态资源为代价谋发展,会导致山区生态系统失衡、景观破碎化严重以及景观多样性与生态多样性的退化。生活/生产空间视角下,以中心镇平山镇为核心的平山县东南部人口集聚区景观生态风险呈上升趋势,城镇化是主要的驱动力。城镇化背景下,建设用地增加、生态用地减少,引起景观破碎化与生态系统功能退化,导致景观生态风险的增加,这与诸多学者对城市景观生态风险的研究结果较为一致。

郭年冬等从土地利用强度与生态系统服务价值变化的角度分析平山县生态敏感性,测算得出的平山县生态敏感性等级布局与本文生产/生活空间用地生态风险等级分布基本吻合,高敏感性地区分布在东部低山平原的用地转型频繁区。但仅从土地利用转型视角分析区域生态敏感性,会模糊研究区地块单元边界破碎性与彼此间的连通性特征,忽视生态过程变化对生态风险的影响。平山县西部中山、亚高山区的用地转型数量不多,从用地转型的角度看生态敏感性较低,但2000-2018年此区域生态用地景观斑块破碎性与廊道连通性变化较大,并且呈现景观生态风险加大的趋势,是生态保护的重点区域。因此,相较于以往研究,从景观生态视角分析生态风险融入了生态过程,可从生态系统完整性与脆弱性分析生态风险的时空异质性,研究结果更为准确。

本文生态风险分级采用的是简易直观的自然断裂法,是通过评价单元间的景观生态风险指数规律来体现的,并在此基础上进一步分析了风险等级变化趋势,从而探讨了其风险等级的时间尺度差异,进一步阐述太行山区乡镇尺度上景观生态风险的时空特征,对乡镇政府把控生态管控方向、完善国土空间规划与治理提供依据。但文中测算景观生态风险时未充分考虑山区的地理过渡性与垂直地带性特征,山区地理环境的分级特征会导致生态风险阈值的差异性,譬如,周鹏等提出以海拔1000 m和坡度15°作为太行山区国土空间分异的阈值,阈值以上生态空间增幅最显著。此外,温雪静等与朱建佳等也分别从生态修复与水资源耗比的视角提出了太行山区的生态阈值。未来应在参考前人研究结果的基础上,综合考虑山地垂直分区内与分区间的异同,判别不同视角下的生态风险阈值,深化太行山区生态风险分析。

4.2 结论

1)1990-2018年平山县“三生”空间用地面积发生较大变化,生产用地与生活用地面积逐年增加,生态用地面积逐年减少。增加的生产与生活用地主要来自生态用地,分布在道路沿线与水域周边。

2)平山县生态用地风险指数由亚高中山区向低山丘陵区逐渐降低,生产与生活用地风险指数趋势则与其相反。县中部8个乡镇处于生态空间的风险加剧区,未来应科学划定生态保护红线及加强深山区生态保护; 县中西部及东部12个乡镇处于生产空间的风险加剧区,未来应更关注耕地保护及其高效利用; 县南部呈“马鞍”型分布的8个乡镇为生活空间风险加剧区,未来应调整国土资源利用方式、科学规划旅游资源布局。

3)平山县乡镇单元“三生”用地转型对生态风险的贡献差异性较大,但总体来看,对生态风险贡献最大的用地转型为“生态用地转为生产用地”,其次为 “生产用地转为生活用地”。

感谢河北地质大学土地科学与空间规划学院闫海明、卿冀川在数据处理方面给予的帮助。