基于土地利用变化的胶东半岛生态风险评价
2022-07-13李灵敏张志国朱晓伟
李灵敏 王 润 张志国 朱晓伟
(山东省国土空间生态修复中心,250014，济南 )
1 引 言
随着工业化和城镇化进程的加速推进，人类对地表的改造活动加剧，给地表生态系统及其组分带来巨大压力.另一方面生态系统具有脆弱性，即当人类活动对生态系统的扰动超过其自我调节的“阈值”，就会导致的生态功能退化、生态恢复能力减弱甚至完全丧失[1，2].生态风险评估(ERA)描述在某些人为因素和自然灾害对生态系统功能或结构造成的潜在不利影响进行评估，以保障生态安全和生态系统的可持续性利用[3，4].当前，生态风险评价可分为两类，一类是基于风险源汇的评价方法，即采用“源分析—受体评价—暴露及危害评价—风险表征”的范式[5-7]，另一类是基于土地利用/景观格局方法，即采用景观生态学指数来反映土地利用变化所带来的生态效应[8-10].其中，风险源汇评价模式是风险评价的一般模式，常用的方法有压力-状态-响应(PSR)模型[11，12]，模糊评价[13，14]和支持向量[15]等评价方法，但因该类方法常受缺乏实地生态监测数据的影响，其推广应用受到限制[9,16].土地利用是人类开发利用自然环境最直观的表现形式之一，对区域综合生态过程的维持和环境演变影响较大，成为当前可持续发展和全球变化研究的热点之一[17，18].基于土地利用的生态风险评估，不单可定量评价区域整体生态质量，还可以分析风险时空分异特征以及分异格局对生态功能、过程的风险表达，已成为区域生态系统管理的热点之一[19，20].
胶东半岛位于山东省东部沿海地区，是环黄渤海经济圈的重要组成部分，是山东省经济发展水平最高、城市化进程最快的区域[21].近年来，胶东半岛工业和城镇发展挤占了大量生态空间，导致生态环境承载力下降，生态系统安全受到威胁[22].本研究从景观生态学角度，在分析胶东半岛的土地时空演变的基础上，定量评价景观生态风险，以期为胶东半岛景观格局的优化、生态系统保护和可持续发展方面提供科学依据.
2 研究区与数据来源
2.1研究区概况胶东半岛(N35°35′-38°23′，E119°30′-122°42′)是山东省胶莱河以东地区的简称，地处中国华北平原东北部沿海地区，突出于渤海、黄海之间，北与辽东半岛隔渤海相对，东与朝鲜半岛隔黄海相望.胶东半岛是山东省经济较为发达的地区，包括青岛、烟台和威海3市，共25个区(县、市)，土地总面积约30 645.95 km2，占山东省总面积的19.40%.2020年，区域总人口1 947.38万，城市人口1 307.06万，城市化率67.12%，GDP为23 234亿元，占山东省的31.77%.胶东半岛地势为起伏平缓的丘陵地带，以山地、丘陵为骨架，平原盆地交错环列其间.胶东半岛属暖温带湿润季风气候，四季分明，年均气温11～14 ℃，年均降水量在650～850 mm之间.胶东半岛属温带落叶阔叶林生态区，该区兼有涵养水源、保持水土、保护生物多样性和粮食生产等多种生态功能.
图1 研究区位置图
2.2数据来源本研究所使用的土地利用/覆被数据年份包括2000年、2005年、2010、2015年，比例尺为1∶10万，来自资源环境数据云平台共享(http://www.resdc.cn/DOI)，类型划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地 6个一级类[19].本研究采用同期Landsat TM /ETM /OLI 遥感影像对6个一级类的土地数据进行目视修订后，然后利用ArcGIS随机选点的功能进行检验，经检验修正后的 2000年、2005年、2010年和2015年解译结果(图2)精度分别为92.14%、91.30%、93.20%和92.40%，符合数据应用精度要求.
3 研究方法
使用ArcGIS中数据管理工具模块下的 Create Fishnet工具，将研究区划分为3 km × 3 km的格网 (即风险小区) ，选择其中有效采样点(落在第m个格网内的研究区的面积为格网面积的100%，即面积为9 km2) 共计3 059个小格网为研究单元，分别计算景观生态风险指数，以此数值为风险小区格网单元中心点的景观风险值，利用 ArcGIS中的 Kriging 空间插值法将其景观风险值空间化显示.
本研究选择土地利用动态度来衡量各风险小区内土地利用变化程度，利用每种景观类型的景观损失指数和每种景观类型占采样区的面积比重，计算各风险小区的生态风险，公式如下，
(1)
式中：ERIm为第m个风险小区的景观生态风险指数；Ri为第i类景观的景观损失度指数；Ami为第m个风险小区内景观类型i的面积；Am为第m个风险小区的面积.
图2 2000-2015年土地利用类型图
本研究选择景观干扰度指数和景观脆弱度指数来构建景观损失指数(Ri)，其中，景观脆弱度指数(Fi)通过专家打分法，未利用地=6、水域=5、耕地=4、草地=3、林地=2、建设用地=1，并进行归一化处理，得到各自的脆弱度指数；景观干扰度指数由景观破碎度指数(Ci)、景观分离度指数(Ni)和景观优势度指数(Di)加权叠加获得(表1)，结合已有研究成果，认为破碎度指数最为重要，其次为分离度指数和优势度指数，以上三种指数分别赋权重 0.5、0.3、0.2[16,23].
表1 景观损失度指数(Ri)的计算
表2 景观脆弱度赋值表
本研究采用取单变量局部 Moran'sI和局部自相关 LISA集聚图[24]来反映胶东半岛生态风险指数的聚集性和相关性.其中，Moran'sI的取值范围为[-1,1]， 其值大于0时，表示数据呈现空间正相关，且值越大，空间相关性越明显；其值小于 0时，表示数据呈现空间负相关，且值越小，空间差异越大；Moran'sI为0时，空间呈随机性.LISA 集聚图可反映生态风险值的高值和低值局部空间的集聚情况，在 LISA 集聚图中，集聚分为四种情况，每一种情况确定一个区域及其与其邻近区域的关系.
单一土地利用类型动态度[18]表达的是某研究区一定时间范围内某种土地利用类型的数量变化情况，可真实地反映各类土地利用的变化快慢，计算公式为，
(2)
式中，K表示研究时段内的土地利用动态度；Ua、Ub分别表示研究期初、末的景观类型面积；T表示研究时段.
4 结果与讨论
4.1土地利用格局变化通过4期胶东半岛土地利用矢量数据得出土地利用格局表(表3)，采用单一土地利用类型动态度分析对胶东半岛土地利用的变化进行计算，得到2000-2015年胶东半岛土地利用年变化表(表4).
表3 2000-2015年土地利用格局表
根据表3可知，胶东半岛土地利用类型以耕地、建设用地和草地为主，建设用地从2000年开始持续增长，其中2005到2010年间增幅最大，变化率达26%，2015年建设用地比2000年面积增长了89.74 km2，分析其原因就是城市化进程加快，城镇人口增多，建设用地大面积增长.而草地面积一直在减少，由2000年的4 323.71 km2减少到2015年的2 634.98 km2，耕地面积在2000到2015年间基本保持不变，这与山东省政府的一系列政策有关，如拆迁部分建设用地并整改土地，所以该时期耕地面积不减反增.
表4 2000-2015年土地利用年变化表(%)
4.2景观格局时序变化基于 Fragstats 软件计算得到2000-2015年各景观类型的相关景观指数(表5).
通过 ArcGIS 和 Excel 软件，根据公式(1)及表1计算每个风险小区单元的生态风险值，分别与所对应风险小区的的中心点一一关联，利用Kriging空间插值的方法对其进行空间分析.由表5可知，2000-2015年间水域与建设用地的斑块数总体上呈现增加的趋势，耕地、林地、草地、未利用地斑块数总体上呈现减少的趋势；其中2005-2010年间，只有水域、建设用地的斑块数在增加，耕地、林地及草地的斑块数目在减少，景观分离度和干扰度总体上是一直处于上升趋势，这说明胶东半岛地区抵抗外界干扰的能力在下降，主要是因为青岛、烟台、威海城市的高速化发展，并且受到城市化过程中新工业区、新城区建设的影响；2010-2015年间人类活动对胶东半岛景观的干扰最为强烈，各景观的分离度、干扰度在该时间内最大.综合来看，2000-2015年间草地面积急剧减少，经济发展、城区建设等一系列人类活动对胶东半岛地区的草地景观产生了较大影响，并给其生态环境带来了较高的风险.将插值所得的4期数据的风险值进行分级统计，共分为五级，即低风险区(ERI≤0.25)、较低风险区(0.25
表5 2000-2015年各景观类型景观指数统计表
表6 2000-2015 年土地利用生态风险等级面积及占比
利用GeoDa软件，计算出胶东半岛生态风险指数的2000-2015年4期全局 Moran′sI值，分别为0.687 3、0.648 4、0.664 9、0.659 7；Moran′sI数值总体呈现减少的趋势，说明了土地利用生态风险等级在空间上呈现不断集聚的趋势，表明胶东半岛土地利用生态风险强度的整体空间分异性增加.
单变量局部 Moran'sI采用二阶邻接权重矩阵计算出胶东半岛2000-2015年LISA 集聚图 (图3).结果表明，4个时期的生态风险指数空间分布以高—高聚集 (HH) 和低—低聚集 (LL) 类型为主，生态风险指数高—高聚集(HH)主要聚集在烟台市中部，低—低(LL)主要聚集在威海南部及青岛北部.
图3 2000-2015年局部自相关图
4.3土地利用景观生态风险空间分异将风险小区单元中心点数据进行Kriging空间插值处理并按照自然断点法分级，得到胶东半岛生态风险等级空间分布图(图4).由图可知，2000-2015年间，较高风险和高风险的区域面积在逐年增加；由2005年开始，烟台及威海沿海地区出现较低风险及中风险区域，生态风险程度加剧.2000-2010年中级生态风险不断向内陆扩展，沿海区域逐渐转化为较低等级风险区，低和较低生态风险区向城区边缘移动，烟台招远市边缘开始出现高风险区，其原因在于该时期工业的发达以及该地建成区的扩建，导致斑块破碎度增加，因此生态风险指数提高.2005 年较高等级生态风险区面积显著增大，主要分布于烟台中部、威海以西的内陆区域.这一时期山东省大力实施经济改革，打造了胶东半岛经济圈，新兴产业发展迅速，与此同时沿海和中部交通便利，大部分林地、草地都转为了建设用地，用于交通、工矿、房屋建设等，建成区及沿海附近生态风险上升，导致较高生态风险区增大.由于胶东半岛濒临渤海和黄海，地处平原，沿海水网分布密集，有利于发展渔业资源，但其由于规模较小且较分散，增加了沿海的土地利用风险，导致土地利用的生态风险程度不断上升.
图4 2000-2015年生态风险等级空间分布图
5 结 语
本研究基于ArcGIS 、Fragstats及Excel等软件，对胶东半岛2000、2005、2010、2015 年土地利用数据进行处理分析，以3 km×3 km格网为研究尺度，通过建立景观类型生态风险模型来对胶东半岛土地利用变化的景观进行生态风险评价.
1) 2000-2015 年间研究区内土地利用类型以耕地为主，面积占58%以上，其次是建设用地和草地，其中2000-2005年以草地为主，占比14%以上；2005-2010年以建设用地为主，占比16%以上；在此期间，林地、草地面积均呈现减少趋势，其中草地的分离度不断增大；水域、建设用地面积呈现递增趋势，分离度和破碎度不断减小；耕地先减少后增加，但其破碎度和分离度基本不变.
2) 综上所述，胶东半岛近 15 年景观类型分布较前几年更加复杂，城市化及工业化的发展导致草地、水域的土地利用类型逐渐分离化、破碎化；其中2005-2015 年间人类活动对景观的干扰最为强烈，景观生态风险峰值在此阶段内出现，土地利用结构不稳定.
3) 胶东半岛生态风险的空间分布差异显著，沿海地区逐渐转变为较低风险区.低生态风险区和较低生态风险区向城市边缘移动，总体呈由中部向四周、内陆向沿海递增的趋势.低风险区的面积在不断减少，其中2000—2005年间下降速度最快，这个时期工业发展迅速，城市迅速扩张，使得各种景观类型的破碎度变大，生态风险等级上升；中风险区、较高风险区及高风险区的面积呈现从无到有的增长趋势.
4) 2000年-2015年四期土地利用数据的Moran′sI介于-1到1之间，说明胶东半岛地区生态风险存在空间聚集性，4个时期的生态风险指数空间分布以高—高聚集 (HH) 和低—低聚集 (LL) 类型为主，生态风险低值区主要聚集在威海南部、烟台北部及青岛北部.
