張雅洲， 謝小平

(曲阜師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院，日照 276826)

0 引言

城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)張是城鎮(zhèn)化研究和土地利用/覆被變化的研究重點(diǎn)之一[1]。城鎮(zhèn)化過程不僅會(huì)直接侵占、破壞濕地，更會(huì)間接地改變周邊濕地的水文特征和水質(zhì)安全，從而影響區(qū)域的生態(tài)健康。城鎮(zhèn)化對(duì)濕地的影響包括直接影響和間接影響，前者往往表現(xiàn)為濕地的消失； 后者一般包括水文效應(yīng)和水環(huán)境效應(yīng)，例如洪峰徑流增加和徑流水質(zhì)惡化等[2]。針對(duì)城鎮(zhèn)化與濕地的關(guān)系，國外研究主要集中在2個(gè)方面，一是在微觀上注重具體的水文水質(zhì)脅迫因子與濕地關(guān)系，二是在宏觀上從區(qū)域角度定量描述城鎮(zhèn)化與濕地關(guān)系[3-7]。目前國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究大多停留在直接影響方面，間接影響的研究較少，鄭小康等[2]指出國內(nèi)的城市化與濕地關(guān)系研究需重視長期監(jiān)測和資料積累，并強(qiáng)調(diào)動(dòng)態(tài)、區(qū)域和視角三位一體的分析。

生態(tài)易損性研究是區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)研究的重要內(nèi)容，區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)表征了區(qū)域遭受風(fēng)險(xiǎn)的可能性和承受力[8]。許多學(xué)者從景觀學(xué)的角度研究了區(qū)域生態(tài)易損性。杜軍等[9]基于景觀學(xué)建立了相關(guān)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，并利用半變異函數(shù)進(jìn)行空間插值，編制了武漢生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度分布圖； 李謝輝等[10]構(gòu)建了適用于渭河下游的綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值的計(jì)算模型； 陳鵬等[11]構(gòu)造了景觀損失指數(shù)和綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)作為區(qū)域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)采樣結(jié)果進(jìn)行半方差分析和空間插值，揭示了阜康三工河流域的生態(tài)環(huán)境的空間分布特征； 王娟等[12]以景觀干擾指數(shù)和土地利用類型的敏感度指數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析了不同研究時(shí)段內(nèi)瀾滄江不同空間范圍的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化情況。

山東省南四湖是我國北方重要濕地。近30 a來湖區(qū)及周邊人口增長迅速，城市經(jīng)濟(jì)取得巨大進(jìn)步，但也面臨著濕地面積趨減、生物生存環(huán)境脆弱等嚴(yán)重的生態(tài)問題[12]。土地城鎮(zhèn)化是一個(gè)明顯的景觀變化過程，必然對(duì)區(qū)域的生態(tài)易損性產(chǎn)生影響。本研究以遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，借助GIS系統(tǒng)的空間分析功能，旨在探究南四湖區(qū)域城鎮(zhèn)化與該區(qū)生態(tài)易損性的關(guān)系。

1 研究區(qū)概況

南四湖是南陽湖、獨(dú)山湖、昭陽湖和微山湖4個(gè)相互貫連的湖泊總稱，位于山東省西南部，E116°34′～117°21′，N34°27′～35°20′之間，屬河跡洼地湖，由古泗水河道被黃河泥沙淤塞而成，地處暖溫帶、半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)[13]。

研究區(qū)范圍包括南四湖湖區(qū)和周邊的濟(jì)寧市任城區(qū)、魚臺(tái)縣和微山縣陸地部分，總面積約3 358 km2。據(jù)濟(jì)寧市2011年統(tǒng)計(jì)年鑒[14]，研究區(qū)總?cè)丝?73.3萬，城鎮(zhèn)人口69萬，2011年城鎮(zhèn)化率39.81%，全年實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)總值627.11億元。研究區(qū)目前已經(jīng)進(jìn)入了城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展階段，且土地形態(tài)的城鎮(zhèn)化快于人口的城鎮(zhèn)化[15](圖1)。

圖1 研究區(qū)范圍示意圖

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源及研究路線

該研究選用1987年6月15日和2010年9月18日4景空間分辨率為30 m的TM圖像，以ENVI 4.8為平臺(tái)進(jìn)行研究，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法進(jìn)行監(jiān)督分類，以《土地利用系統(tǒng)分類標(biāo)準(zhǔn)》為基礎(chǔ)，結(jié)合研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖，將分類結(jié)果整理成5類景觀： 水面、綠地(濕地和草地)、農(nóng)田、荒地(未利用地)和城鎮(zhèn)，并利用2011年12月和2012年9月實(shí)地考察所獲得的地表覆被數(shù)據(jù)進(jìn)行了精度檢驗(yàn)。

從1987年和2010年2個(gè)時(shí)相遙感圖像中解譯研究區(qū)城鎮(zhèn)及其他景觀信息，運(yùn)用GIS技術(shù)，分析土地城鎮(zhèn)化的發(fā)展特點(diǎn)，分析生態(tài)易損性的發(fā)展變化，并結(jié)合景觀變化的假設(shè)情況，分析城鎮(zhèn)景觀變化給景觀格局指數(shù)、生態(tài)脆弱度以及生態(tài)易損性帶來的影響，探討城鎮(zhèn)化與湖區(qū)生態(tài)易損性的關(guān)系(圖2)。

圖2 技術(shù)路線流程圖

用2010年城鎮(zhèn)替換1987年城鎮(zhèn)，即假設(shè)1987—2010年間僅城鎮(zhèn)景觀有發(fā)展變化，其他景觀不變。用2010年其他景觀替換1987對(duì)應(yīng)景觀，情況與上述假設(shè)類似。

2.2 土地城鎮(zhèn)化水平和生態(tài)易損性的度量

本研究沿用國內(nèi)普遍使用的土地城鎮(zhèn)化概念，用建成區(qū)面積占區(qū)域總面積的比重衡量城鎮(zhèn)化水平的高低[1，6]，用景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)表征生態(tài)易損性。景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)便于預(yù)測和評(píng)價(jià)，能夠清晰地、定量化地描述各種景觀類型所代表的生態(tài)系統(tǒng)在受到危害性和不確定性因素作用后可能導(dǎo)致的結(jié)果[17]。區(qū)域景觀的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)對(duì)區(qū)域尺度十分敏感，本研究建立了3 357個(gè)面積1 km2的方格為風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)，以較可靠地體現(xiàn)研究區(qū)生態(tài)易損性的空間特性?；诖?，本研究的生態(tài)易損性可用

(1)

模型度量，式中：ERIk為第k個(gè)小區(qū)的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；N為小區(qū)內(nèi)景觀總數(shù)；Si為小區(qū)內(nèi)第i類景觀組分的面積；S為風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)的總面積；Ri為第i種景觀所對(duì)應(yīng)的生態(tài)損失度，計(jì)算方法如表1所示。

表1 景觀格局指數(shù)計(jì)算方法

景觀結(jié)構(gòu)指數(shù)Ti反映了相對(duì)于整個(gè)研究區(qū)域而言的各個(gè)景觀類型受到人為活動(dòng)干擾的程度，Ti由破碎度Ci、分離度Ni和優(yōu)勢度Di疊加得到，通過分析權(quán)衡并結(jié)合已有研究經(jīng)驗(yàn)[10-11,18-19]，其相應(yīng)指數(shù)的權(quán)重本文取值為a=0.6，b=0.3，c=0.1。

Fi是生態(tài)系統(tǒng)脆弱度，反映各個(gè)生態(tài)系統(tǒng)本身的抗干擾能力，同時(shí)還反映其對(duì)環(huán)境改變的敏感性[9]，景觀的自然演替過程與生態(tài)系統(tǒng)的脆弱度關(guān)系緊密，一般來說處于初級(jí)演替階段、食物鏈單一并且生物多樣性差的生態(tài)系統(tǒng)脆弱性較高[10，20]。Fi可結(jié)合已有研究經(jīng)驗(yàn)[10-11，19]，并根據(jù)專家打分并歸一化得到。

生態(tài)損失度Ri的大小由Ti和Fi決定。

3 結(jié)果與分析

3.1 城鎮(zhèn)面積變化分析

利用ENVI4.8的動(dòng)態(tài)監(jiān)測功能模塊得到研究區(qū)1987—2010年間地表覆被轉(zhuǎn)移矩陣，如表2所示。

表2 1987—2010年研究區(qū)地表覆被變化轉(zhuǎn)移矩陣

由表2可以看出，2010年研究區(qū)城鎮(zhèn)景觀面積是1987年近7倍，建成區(qū)覆蓋率從1987年的3.4%增長到2010年的17.2%，年平均增長率6.99%，其中396.09 km2由農(nóng)田轉(zhuǎn)化而來，占所有新增城鎮(zhèn)面積的85%以上，另外還占用了10.64 km2的水面、50.86 km2的綠草地及36.42 km2的未利用地。水體面積的增長和綠地面積減少，除了本身覆被變化的原因外，水位變化也是重要因素之一，但不影響本文針對(duì)城鎮(zhèn)化的研究。

3.2 生態(tài)損失度的變化分析

1)將遙感解譯結(jié)果載入到ArcMap9.3軟件中，統(tǒng)計(jì)斑塊數(shù)與面積，根據(jù)表1計(jì)算得到表3。

表3 1987—2010年景觀生態(tài)損失度及其變化率

由表3可以看出，從1987—2010年，各生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)損失度都有不同程度的上升，其中綠地和荒地的幅度最大，分別增長10.34倍和3.05倍。

2)用2010年景觀斑塊替換對(duì)應(yīng)的1987年景觀斑塊，統(tǒng)計(jì)斑塊數(shù)與面積，并計(jì)算Ri值得到表4。

表4 景觀替換發(fā)生后生態(tài)損失度及其變化率

①指用2010年某景觀替換1987年對(duì)應(yīng)景觀，1987年其他景觀不變，如“城鎮(zhèn)Ri”即為1987年城鎮(zhèn)景觀被2010年城鎮(zhèn)景觀替換后，某景觀的R值； ②指景觀替換后Ri值相對(duì)未發(fā)生替換1987年Ri值的變化。

將1987年城鎮(zhèn)置換成2010年城鎮(zhèn)，雖然新增城鎮(zhèn)主要由農(nóng)田轉(zhuǎn)化而來，但是從表4看出，Ri值變化最大的是綠地和荒地，分別增長5.99倍和3.51倍； 將1987年其他景觀用2010年對(duì)應(yīng)景觀置換后，研究區(qū)內(nèi)5種景觀的Ri值均發(fā)生了不同程度的變化，但大多數(shù)Ri值變化不明顯。

將2時(shí)相5種景觀分別互換后計(jì)算得到的Ri值，與Ri原值相比，其景觀替換后Ri值發(fā)生了不同程度的變化，分析景觀Ri原值的變化率和景觀替換后Ri值變化率的相關(guān)性，如圖3所示。

圖3 Ri值變化率相關(guān)分析圖

由圖3看出，城鎮(zhèn)替換變化率與自然變化率有很大的相關(guān)性，R2為0.914 2，表明1987—2010年間城鎮(zhèn)景觀的變化體現(xiàn)了研究區(qū)生態(tài)損失度變化的主要特征。其他4類景觀替換變化率與自然變化率表現(xiàn)不出明顯的相關(guān)性，說明該4類景觀對(duì)區(qū)域生態(tài)損失度的變化影響不大。綜上所述，城鎮(zhèn)用地的擴(kuò)張是研究區(qū)1987—2010年間景觀損失度變化的主要原因。

3.3 生態(tài)易損性的變化分析

將統(tǒng)計(jì)的不同景觀面積值和Ri原值與城鎮(zhèn)替換后得到的Ri值代入式(1)，得到景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值。研究區(qū)共劃分成3 357個(gè)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)，故亦有3 357個(gè)ERI值。統(tǒng)計(jì)3種情況的ERI值，結(jié)果如表5所示。

表5 ERI值統(tǒng)計(jì)表

①由1987年城鎮(zhèn)景觀被2010年城鎮(zhèn)替換后求得。

以小區(qū)的ERI值為風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)的中心點(diǎn)屬性值進(jìn)行普通克里金插值，模擬得到整個(gè)研究區(qū)的生態(tài)易損性的空間分布，如圖4所示。

(a) 1987年(b) 2010年(c) 1987年城鎮(zhèn)替換后

對(duì)比3種情況可看出，研究區(qū)1987年的生態(tài)易損性總體比較低，空間表現(xiàn)比較平均(圖4(a))，標(biāo)準(zhǔn)差為0.425； 2010年的生態(tài)易損性遠(yuǎn)超過了1987年，平均值增加2.347倍，標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到了1.923(圖4 (b))，ERI高值區(qū)主要集中在南四湖濱湖地區(qū)和二級(jí)壩周邊范圍。

將1987年城鎮(zhèn)景觀用2010年城鎮(zhèn)景觀替換，其他景觀不變，重新測定ERI值(圖4(c))，平均值增長0.809倍，標(biāo)準(zhǔn)差增加0.412。與未進(jìn)行替代的1987年生態(tài)易損性相比，變化主要發(fā)生在上級(jí)湖湖西濱湖區(qū)和二級(jí)壩以南零星地區(qū)。

綜上所述，南四湖湖濱區(qū)對(duì)周邊城鎮(zhèn)擴(kuò)張的反應(yīng)十分敏感。

4 結(jié)論

本文利用景觀格局指數(shù)搭建了研究城鎮(zhèn)化與生態(tài)易損性關(guān)系的橋梁，并得出以下結(jié)果：

1)1987—2010年間研究區(qū)城鎮(zhèn)面積年平均增長率6.99%，共計(jì)增加463.10 km2，占所有景觀有效變化面積的60%以上； 而損失度變化最大的景觀為水域和綠地，主要變化區(qū)域?yàn)槟纤暮I地區(qū)。

2)1987—2010年間景觀損失度變化的原因主要是城鎮(zhèn)用地的擴(kuò)張； 而隨著城鎮(zhèn)用地的擴(kuò)張，南四湖湖區(qū)所受到的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)也愈加明顯和突出。

3)本研究進(jìn)行的相關(guān)性分析有助于找到研究區(qū)生態(tài)損失度變化的原因，但在定量描述城鎮(zhèn)發(fā)展對(duì)損失度變化的貢獻(xiàn)方面還表現(xiàn)不足； 而且研究僅從空間上描述了城鎮(zhèn)發(fā)展與生態(tài)易損性的關(guān)系，其內(nèi)在聯(lián)系的機(jī)理還需要更加深入地探討。

志謝： 感謝曲阜師范大學(xué)南四湖濕地生態(tài)與環(huán)境保護(hù)省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。

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