黄河流域城市群土地利用变化与生态风险评价

卿 希,李 巍,陆中桂 (北京师范大学环境学院,水环境模拟国家重点实验室,北京 100875)

土地利用变化能够反映人类活动与环境相互作用的结果[1],是导致区域生态风险变化的主要因素[2];景观生态风险代表自然或人为干扰对景观格局产生的不利影响[3].因此基于土地利用变化开展生态风险评价,能够揭示区域内自然或人为因素对景观格局和生态过程产生的不良后果[4],反映区域内生态安全的状况[5],有助于消除不合理的土地利用方式所带来的负面影响[6],对促进土地资源合理保护和生态安全屏障建设具有重要意义[7].

根据黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要,国家级城市群主要包括山东半岛城市群、中原城市群、关中平原城市群、几字弯都市圈和兰州-西宁城市群[8],面积占黄河流域总面积的43.88%,截至2020 年拥有全流域92.03%的人口并贡献了93.84%的GDP(表1).现阶段相关研究大多在流域或省域尺度上展开[9-11],对城市群的研究主要涉及城市网络结构演化[12]、生态保护与经济发展耦合[13]、资源环境承载力演变[14]、生态韧性演化[15]、人口分布格局[16]、生态系统服务价值[17]等内容,鲜见聚焦多个城市群尺度的生态风险评价研究.目前有关城市化区域的生态风险综合评价,大多通过景观生态风险指数来分析和表征.这些研究主要针对单个城市群或一个具体的研究单元.而本文同时考虑5个城市群,既将5个城市群作为整体来评价,也针对单个城市群做个别分析,采用统筹整体和个体的评价单元划分和生态风险值计算方式,在回溯1990～2020年5 个国家级城市群土地利用变化的基础上,运用生态风险指数分析评价城市群地区生态风险特征和演化趋势,旨在为城市群开展国土空间差异化管控和生态风险管理提供参考.

表1 黄河流域5 个国家级城市群概况Table 1 An overview of the five national urban agglomerations in the Yellow River Basin

1 研究方法

1.1 研究区概况

黄河流域5 个城市群基本概况及地理位置具体见表1、图1.

图1 黄河流域5 个城市群地理位置示意Fig.1 Geographic locations of the 5urban agglomerations in the Yellow River Basin

1.2 数据来源

数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn),该数据源主要使用了Landsat 8 遥感影像数据,分辨率为1km,土地利用类型包括耕地、林地、草地、水体、建设用地和未利用地.通过叠加已知的城市群规划范围,获得5 个城市群1990,1995,2000,2005,2010,2015,2020 年7 期的土地利用数据.运用fragstats4.2 软件计算出不同土地利用类型的斑块面积和斑块数量作为评价生态风险指数的基础数据.

1.3 评价单元划分

采用ArcGIS10.2 软件渔网工具进行生态风险评价单元的划分.考虑到研究区的面积大小及计算的精度和强度,参考已有的研究成果[9-10],将研究区划分为30km×30km大小的网格.为获取和比较5个城市群生态风险空间分布及其差异化特征,需以城市群整体划分的评价单元进行生态风险指数可视化,将其划分为1363 个评价单元.而研究单个城市群风险区面积和面积占比时,由于涉及到5 个城市群交界处的生态风险指数,不能将城市群整体划分的结果直接带入到单个城市群中,需分别对5 个城市群划分评价单元.这里,将关中平原、山东半岛、兰西、中原城市群和几字弯都市圈分别划分为237,221,259,263 和454 个评价单元,并计算每一个评价单元的生态风险指数,将其视为中心点的生态风险值.

1.4 生态风险指数构建

依据评价单元内不同土地利用类型面积和总面积,结合景观损失度指数构建生态风险指数(ERI),具体公式如下式(1):

式中:ERI 代表生态风险指数;Ai代表i类景观类型的面积;A代表景观总面积;Hi代表景观损失度指数.

景观损失度指数是区域景观干扰度与景观脆弱度的综合反映,见下式(2):

式中:Hi代表i类景观损失度;Fi代表i类景观干扰度;Gi代表i类景观脆弱度.

通过对景观破碎度、景观分离度、景观优势度赋权0.5,0.3,0.2[18-19]得到景观干扰度指数,见下式(3)～(6):

式中:Ci代表i类景观破碎度;ni代表i类景观斑块的数量;Ai代表i类景观面积和.

式中:Ni代表i类景观分离度;A表示所有景观总面积;Ai代表i类景观面积和;ni代表i类景观斑块的数量.

式中:Di代表i类景观优势度;ni代表i类景观斑块数量;V代表斑块总数;mi代表i类景观斑块出现的样方数;M代表样方总量;A表示所有景观总面积;Ai代表i类景观面积和.

1）萌芽和开花。大樱桃对温度反应比较敏感，当日均温到10℃左右时，花芽开始萌动，日均温达到15℃左右开始开花，花期10天左右，1朵花通常开3天，其中开花第1天授粉坐果率最高。为提高产量，要抓住开花头一天的良好时机放蜂或人工授粉。

式中:Fi代表景观干扰度;Ci代表景观破碎度;Ni代表i类景观分离度;Di代表i类景观优势度;a、b、c分别代表Ci、Ni、Di对应的权重,分别为0.5、0.3、0.2,a、b、c之和为1.

通过对6 种土地利用类型:未利用地、水体、耕地、草地、林地、建设用地赋值6,5,4,3,2,1[20],进行归一化处理得到景观脆弱度指数Gi.

1.5 区域生态风险分析

计算得到各评价单元的ERI 后,通过运用普通克里金插值法将生态风险指数可视化,得到整个研究区域ERI 空间分布.采用自然断点法将ERI 分为5 个等级:低风险区(ERI≤0.0318)、中低风险区(0.0318

2 结果与讨论

2.1 土地利用变化分析

整体而言,耕地、林地、草地是最主要的景观类型,分布范围广,三者面积占比大于80%.中原和山东半岛城市群耕地面积最大,草地主要分布在兰西城市群和几字弯都市圈,林地在中原城市群分布较多.具体见表2、图2、图3.

图2 1990～2020 年5 个城市群的土地利用变化Fig.2 Variations of Land uses in the 5 urban agglomerations from 1990 to 2020

图3 1990～2020 年5 个城市群土地利用面积及比例Fig.3 Land use areas and ratio in the 5 urban agglomerations from 1990 to 2020

表2 1990～2020 年5 个城市群各土地类型面积及占比Table 2 Land use areas and ratio in the 5urban agglomerations from 1990 to 2020

5 个城市群耕地呈先小幅减少后增加,后持续减少的趋势,由2000 年394680km2减少至2020 年377902km2,减少了近1.5%.还林还草是耕地的主要去向[21],2004 年和2020 年是退耕还林还草的高峰年,且黄河中上游是退耕还林还草的重点区域.林地面积占比基本稳定,近10 年间面积占比约12.5%,几字弯都市圈和关中平原城市群林地分别增加2028km2、665km2,山东半岛城市群林地减少918km2.城市群整体草地减少7976km2,水体增加4554km2.建设用地持续增加,由46778km2增加至73063km2,平均每年增加876.2km2,面积占比由4.54%增至7.09%,其中山东半岛城市群增长近1.5 倍.黄河中下游城市群土地利用转变明显,与人口增长、经济发展和黄河流域整体土地利用变化对应[22].

2.2 生态风险分析

30a 间,5 个城市群低风险区面积先减少后增加,面积占比增加7.1%,2015～2020 年增加最显著;高风险区面积先增加后降低,整体增加9257km2,面积占比增加0.89%(表3).关中平原和中原城市群低风险区面积占比较大,山东半岛城市群中高风险区面积占比最大,高风险区主要分布在几字弯都市圈和山东半岛城市群沿海地区(图4、图5).

图4 1990～2020 年5 个城市群地区生态风险时空分布Fig.4 Spatiotemporal distributions of ecological risk of the 5urban agglomerations from 1990 to 2020

图5 1990～2020 年5 个城市群中各类生态风险区面积及占比变化Fig.5 Areas and ratio of the graded ecological risk zones in the five urban agglomerations from 1990 to 2020

表3 1990～2020 年城市群地区各类生态风险区面积及占比Table 3 Areas and ratio of the ecological risk zones in the urban agglomerations from 1990 to 2020

20 世纪90 年代初期水资源利用效率低,浪费严重[23],1990～1995 年黄河下游山东段经常发生断流[24-25],导致1995年后生态风险逐渐增加.20世纪后期黄河流域着力加强了水资源管理和生态环境保护,重要区域的生态得到修复[26],黄河口大保护、下游滩区生态治理及现代化水利设置建设[27-29],使2015～2020年高风险区面积减小,以山东半岛城市群最显著.

山东半岛城市群30a 间高风险区面积占比由10%下降至2%,中高风险区面积占比减少16%,低风险区面积占比增加17%,变化主要集中在2015～2020年,生态风险明显降低,生态质量显著提升.1990～2015 年高风险区主要分布在沿海的滨州市,以及淄博市、潍坊市、日照市、临沂市、枣庄市、济宁市的交界处.2020 年聊城市、德州市和滨州市生态风险显著降低,但临沂市和淄博市交界处由中高风险区转变为高风险区.

兰西城市群整体生态风险较低.由于水土流失等原因[34]使海南藏族自治州一直存在高风险区;2000 年海北藏族自治州出现高风险区;2005 年兰州市出现的高风险区在2015 年扩大至临夏回族自治州,这可能是由于10a 间兰州市土地利用强度变化率增加导致的[35].30a间高风险区面积占比一直低于4%,中高风险区面积占比降低4%,低风险区面积占比增加2%,整体生态风险呈下降趋势.

关中平原城市群高风险和中高风险区面积占比低于6%,2020 年高风险区面积占比增加1%,中风险区面积占比由31%增加至36%.由于土地利用与生态环境失调[36]、土地利用结构均衡度降低[37]等原因导致渭南市、商洛市和平凉市生态风险较高.生态风险整体较低但高风险区面积有小幅上升.

中原城市群中高风险区和高风险区面积占比低于5%,主要分布在长治市、信阳市和三门峡市,这是由于工矿建设用地的增加[38]、土地资源的不合理开发[39]等原因导致的;2015 年南阳市出现中高风险区.低风险区和中低风险区面积占比在5 个城市群中最大,低风险区面积占比由32%上升至47%,其中2015～2020 年提升显著,中风险区面积占比由23%下降至14%,生态风险在5 个城市群中最低,生态质量有显著提升.

2.3 建议

2.3.1 国土空间规划建议 要以调整城市群土地利用为重点,不断推进土地的开发整理,促进黄河流域土地利用结构均衡度的整体提升.重点对几字弯都市圈和中原城市群的草地、山东半岛城市群的草地和林地合理采取生态保护和修复,因地制宜推进森林和草原植被建设;城市化迅速发展的同时,不断提升城市土地集约利用水平,注意城市群建设用地和生态用地的协调发展,合理布局城市绿化带和乡村生态用地的建设.将城市群和流域的土地利用管理相融合,从而达到黄河流域土地资源的整体优化.

2.3.2 生态风险管控建议 要注重5 个城市群生态风险的差异化管控,防止几字弯都市圈高风险区的进一步扩大;山东半岛、兰西和关中平原城市群生态质量虽有提升,但要重视中高风险新出现的地区,将该地区的土地利用变化强度控制在合理区间,不能因为城市群整体生态好转而忽视局部地区的生态环境恶化;中原城市群需保持当前土地利用模式,将生态风险始终控制在低水平,同时不断促进中低风险区和中风险区进一步向低风险区的转化.通过实施流域上中下游城市群生态风险差异化管控,促进黄河流域整体生态安全的提升和高质量发展.

本次研究区范围较大且侧重于城市群生态风险及其差异化特征分析,选择了1km 空间分辨率的土地利用数据并以30km×30km 大小的网格划分.后续研究可针对识别出的高风险区或者重点管控区,进一步提高分析精度,在土地利用变化基础上加强生态风险演变的影响因素和驱动因子识别,深入探究因子间的协同权衡关系.

3 结论

3.1 黄河流域城市群主要土地利用类型为草地、耕地、林地,研究期间整体上耕地减少16778km2,草地减少7976km2,林地和水体面积基本保持稳定,建设用地持续增加,面积占比由4.54%增至7.09%.黄河中下游3 个城市群土地利用转变明显.几字弯都市圈、山东半岛和中原城市群草地分别减少4358,5488,1423km2,兰西和关中平原城市群草地分别增加2452,837km2;关中平原城市群和几字弯都市圈林地分别增加665,2028km2,山东半岛城市群林地减少918km2,城市群之间土地利用变化差异显著.

3.2 城市群整体ERI 呈先上升后下降的趋势,低风险区面积占比增加 7.1%,高风险区面积增加9257km2,占比增加0.89%,生态风险呈好转态势.几字弯都市圈高风险区面积最大且占比由1990 年16%增加至2020 年21%;山东半岛城市群高风险区面积占比由10%下降至2%,生态风险明显降低,生态质量显著提升,但有新的中高风险区出现;兰西城市群生态风险有所降低,但兰州市高风险区有扩大趋势;关中平原城市群整体生态风险较低但高风险区面积有小幅增加;中原城市群生态风险在5 个城市群中最低,生态质量显著提升.