林媚珍, 葛志鵬, 紀(jì)少婷, 謝國文

中山市土地利用變化及其生態(tài)風(fēng)險響應(yīng)

林媚珍1, 葛志鵬2, 紀(jì)少婷1, 謝國文1

1. 廣州大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 廣州 510006
2. 中山市置信測繪工程有限公司, 中山528403

以中山市1990年、2000年和2013年的TM遙感影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源, 借助相關(guān)輔助資料, 利用RS、GIS等技術(shù)方法, 對中山市近23年的土地利用變化進行時空分析, 并以1 km×1 km的單元網(wǎng)格進行系統(tǒng)空間采樣, 構(gòu)建了中山市的生態(tài)風(fēng)險指數(shù), 借助空間自相關(guān)和半方差分析方法, 探討中山市的生態(tài)風(fēng)險空間分布和變化特征, 以及生態(tài)風(fēng)險指數(shù)與城市化水平間的關(guān)系。具體結(jié)果如下: 1990—2013年間, 中山市的土地利用類型在結(jié)構(gòu)、數(shù)量和變化率上發(fā)生巨大的變化, 總體表現(xiàn)為生態(tài)用地持續(xù)減少而建設(shè)用地持續(xù)增加; 1990—2013年間, 中山市的土地利用生態(tài)風(fēng)險指數(shù)在空間分布上存在著高度的正相關(guān)性, 呈現(xiàn)顯著的空間集聚模式, 并隨著時間推移表現(xiàn)出增加趨勢; 隨著城市化水平提升, 中山市生態(tài)風(fēng)險增加的態(tài)勢越明顯, 城市化對生態(tài)風(fēng)險表現(xiàn)正效應(yīng)。

生態(tài)風(fēng)險評價; 土地利用變化; 空間自相關(guān); 半變異函數(shù); 中山市

1 前言

土地是人類賴以生存和發(fā)展最根本的自然資源[1], 已成為制約人類生態(tài)安全與社會發(fā)展的重要因素。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展, 城市化進程加速,人口劇增, 人類不斷加大對土地的利用程度, 土地利用的類型和結(jié)果都顯著改變, 而過度的人類活動會導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境發(fā)生劇烈變化, 從而對生態(tài)安全構(gòu)成威脅[2]。大量的研究表明土地利用變化與生態(tài)風(fēng)險之間具有密切的相關(guān)性[3–6], 不同土地利用方式和強度所產(chǎn)生的區(qū)域生態(tài)影響具有一定的累積性的特征, 并且可以全面地反映該生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組分, 揭示區(qū)域的綜合性生態(tài)環(huán)境的安全程度和健康狀況[7]。謝花林等[8]運用了景觀干擾度指數(shù)和景觀脆弱度指數(shù)等指標(biāo)對區(qū)域景觀生態(tài)風(fēng)險進行評價。葉長盛和馮艷芬[9]利用多時段的土地變化信息, 借助空間自相關(guān)和半方差分析方法, 探討了珠江三角洲的生態(tài)風(fēng)險空間分布及變化特征?？v觀國內(nèi)外的應(yīng)用研究[8–11], 關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)效應(yīng)及其生態(tài)過程和作用機理耦合關(guān)系不明晰, 很難構(gòu)建一個合適的數(shù)學(xué)或物理模型進行模擬研究, 生態(tài)風(fēng)險評價的定量研究相對較少, 許多研究還停留在區(qū)域生態(tài)風(fēng)險分級評價階段, 缺乏對生態(tài)風(fēng)險在空間上的分異特征進行研究, 專門關(guān)于土地利用變化對生態(tài)風(fēng)險的影響研究也較少。

本研究結(jié)合遙感科學(xué)、環(huán)境生態(tài)學(xué)、地理學(xué)及地統(tǒng)計學(xué)的相關(guān)理論, 開展相關(guān)的研究工作。選取中山市作為研究區(qū), 利用RS、GIS等技術(shù)方法, 借助相關(guān)輔助資料, 解譯1990年、2000年和2013年中山市的土地利用類型, 并對之加以時空變化特征分析; 以土地利用變化作為是引起生態(tài)風(fēng)險變化的風(fēng)險源, 構(gòu)建土地利用生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的基礎(chǔ)上, 應(yīng)用GIS的地統(tǒng)計學(xué)的空間自相關(guān)和半方差分析方法對中山市生態(tài)風(fēng)險指數(shù)變量進行定量化和空間化,從而更有效地探討中山市的生態(tài)風(fēng)險空間分布等級與變化特征, 制定與此相應(yīng)的生態(tài)安全調(diào)控措施和對策。本研究在分析中山市土地利用變化和生態(tài)風(fēng)險之間的耦合關(guān)系, 對其生態(tài)安全進行定量定性監(jiān)測的基礎(chǔ)上, 進一步了解其土地利用空間分布變化及安全健康狀況, 為中山市在城市化過程中如何規(guī)避或降低生態(tài)風(fēng)險提供理論依據(jù), 對中山市的城市資源可持續(xù)發(fā)展具有至關(guān)重要的意義。

圖1 中山市在珠江三角洲的位置示意圖Fig. 1 Location of Zhongshan in Pearl River Delta

2 研究區(qū)概況

中山市是廣東省下轄地級市, 珠三角經(jīng)濟圈的九個地級市之一。地理經(jīng)緯度上位于22°11′N至22°46′N, 113°09′E至113°46′E, 東西長度為45.3 km,南北長度為64.3 km, 全市總面積約1761 km2, 在珠江三角洲的位置示意圖如圖1所示。2013年常住人口315.5萬人, 全年生產(chǎn)總值(GDP)2638.93億元,GDP增長10.0%位居珠三角城市群前茅, 是中國經(jīng)濟最發(fā)達、人口最稠密的地區(qū)之一, 也是中國外向型經(jīng)濟最明顯的地區(qū)之一。中山城市發(fā)展還處在快速外延發(fā)展階段, 由于城市化急速發(fā)展, 工業(yè)、交通等產(chǎn)業(yè)的迅猛增長, 大型基礎(chǔ)設(shè)施急速建造, 旅游粗放型開發(fā)和土地不合理開發(fā)等, 導(dǎo)致中山市的土地利用變化以及景觀格局發(fā)生劇烈的變化, 突出表現(xiàn)為農(nóng)業(yè)用地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地, 城市環(huán)境質(zhì)量下降,原有土地生態(tài)系統(tǒng)不斷遭受破壞, 生態(tài)環(huán)境整體功能明顯退化, 生態(tài)風(fēng)險值呈上升的趨勢。

3 數(shù)據(jù)來源與研究方法

3.1數(shù)據(jù)來源

本文研究所用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源是覆蓋中山市三期的Landsat TM遙感影像, 遙感衛(wèi)星軌道號為122/44、122/45, 均來源于美國地質(zhì)勘探局USGS, 其影像質(zhì)量較好, 研究區(qū)內(nèi)無云, 結(jié)合廣東省地圖冊2006年版、全國1︰25萬矢量邊界圖, 廣東中山市行政區(qū)劃圖2010年版, 以此為基礎(chǔ)衍生數(shù)據(jù)。影像空間分辨率 30 m×30 m, 經(jīng)輻射糾正、幾何糾正和人工解譯后得到 1:10 萬土地利用現(xiàn)狀圖。根據(jù)研究區(qū)土地資源特征和景觀類型差異, 把土地利用類型劃分建設(shè)用地、林地、基塘用地、草地、其他水域、耕地以及未利用地7個地類。研究選取200個隨機點對3期解譯結(jié)果進行檢驗, 借助ENVI 5.0菜單下的Confusion Matrix工具, 在Using Ground Truth ROIs工作欄下將分類結(jié)果以感興趣區(qū)ROI輸入, 得到混淆矩陣下的總分類精度和Kappa指數(shù)等精度指標(biāo)。 結(jié)果得到1990, 2000, 2013年三期分類結(jié)果的總分類精度為78.2685%, 85.6317%和82.5465%, Kappa指數(shù)為0.75、0.81和0.78, 結(jié)果符合分類精度要求。

3.2研究方法

3.2.1 構(gòu)建土地利用生態(tài)風(fēng)險指數(shù)

(1) 風(fēng)險小區(qū)劃分

利用等間距系統(tǒng)采樣法, 采用Fishnet格網(wǎng)將研究區(qū)劃分為若干個的評估單元, 對生態(tài)風(fēng)險評估指數(shù)進行系統(tǒng)空間重采樣[8], 得到樣地數(shù)1890個。再利用生態(tài)風(fēng)險指數(shù)公式, 計算出每個樣地的綜合生態(tài)風(fēng)險指數(shù)值, 并借助Excel軟件進行匯總,以此值作為研究區(qū)樣地方格中心點的生態(tài)風(fēng)險水平[12]。

(2) 生態(tài)風(fēng)險指數(shù)計算

為表征土地生態(tài)系統(tǒng)變化與區(qū)域生態(tài)風(fēng)險間的關(guān)聯(lián), 本研究擬采取各土地生態(tài)系統(tǒng)所占的面積比重來構(gòu)建其土地利用變化的生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(ecoriskindex, ERI), 用來描述研究區(qū)內(nèi)每一個評估單元的綜合生態(tài)風(fēng)險的相對大小[12]。利用這種指數(shù)采樣法, 可把研究區(qū)的生態(tài)風(fēng)險變量空間化, 并以研究區(qū)的土地利用面積結(jié)構(gòu)來轉(zhuǎn)化得出, 土地利用的生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的計算公式如下[8]:

式中,ERII為研究區(qū)土地利用生態(tài)風(fēng)險指數(shù); i為評估單元內(nèi)土地利用類型;iS為評估單元內(nèi)第i種土地利用類型的面積; n為評估單元內(nèi)土地利用類型的數(shù)量; S為評估單元內(nèi)土地利用類型的總面積; Wi為第i種土地利用類型所反映的生態(tài)風(fēng)險強度參數(shù)。

由于中山市屬于珠三角的一部分, 參考葉長盛和馮艷芬[9]的研究成果, 存在基塘用地一級地類。同時參照前人的研究成果[4,8,9，13-14], 采用層次分析法和專家打分法來確定研究區(qū)土地利用的生態(tài)風(fēng)險強度參數(shù)iW (表1)。生態(tài)風(fēng)險強度參數(shù)設(shè)定基本原則是: 土地利用類型的脆弱度越大, 則抵抗力越小,生態(tài)風(fēng)險強度也越大。由于水體相對耕地、草地來說, 對外界干擾的敏感性更顯著, 脆弱度較大和抵抗能力稍差, 因此水體的生態(tài)風(fēng)險強度值略高于耕地和草地; 基塘的主體以水塘水體為主, 及包圍水塘的小地塊, 總體上, 基塘用地生態(tài)風(fēng)險強度值低于水體, 高于耕地、草地。因此, 其生態(tài)風(fēng)險強度參數(shù)值可信, 可作用于研究。

表1 土地類型的生態(tài)風(fēng)險強度參數(shù)[9]Tab. 1 Ecological risk intensity parameter of land type

3.2.2 生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的空間分析方法

(1) 空間自相關(guān)分析法

研究變量值在整個研究區(qū)域的空間差異通過全局空間自相關(guān)來描述[15]。一般情況下, Moran’s I系數(shù)可以用來表征研究區(qū)內(nèi)土地利用總體結(jié)構(gòu)的空間自相關(guān)程度及顯著性[8]。計算式如下[16]:式中,ix和jx分別是研究單元i、研究單元j在相鄰配對空間點的觀測值; Wij是指變量在鄰接或距離空間權(quán)重矩陣, 如果空間點i與j相鄰, 那么Wij=1, 否則Wij=0; x為屬性值的平均值; n為空間單元的總數(shù)。Moran’s I 系數(shù)的取值[–1, +1]之間, 反映了由空間相鄰相似的正相關(guān)向空間相鄰相異的負(fù)相關(guān)的過渡。其取值大于零, 表明相似的觀測值趨于空間聚集, 呈正相關(guān), 反之呈負(fù)相關(guān), 若等于零, 則事物間不存在任何相關(guān)依賴關(guān)系, 呈獨立隨機分布。

利用局部Moran's I統(tǒng)計量(LISA)和Moran 散點圖可以檢驗各個區(qū)域空間單元內(nèi)的局部空間差異程度。其公式為[16]:

當(dāng)Ii≥E(Ii)時, 說明在第i個地理單元內(nèi)的變量值與相鄰單元的觀測值類似, 在空間上形成一種集聚狀態(tài), 即表明了該變量在空間呈現(xiàn)正相關(guān); 相反, 當(dāng)Ii＜E(Ii)時, 說明第i個地理單元相鄰的變量值差異明顯, 形成一種空間離散現(xiàn)象, 即空間負(fù)相關(guān)。

(2) 半方差函數(shù)法

許多研究表明半方差函數(shù)是用來挖掘地理現(xiàn)象空間分布規(guī)律的極為重要工具之一[17]。利用半方差函數(shù)方法對研究區(qū)的生態(tài)風(fēng)險指數(shù)進行空間分析,可研究其空間分異特征。其公式計算如下[15]:式中, r(h)為變異函數(shù); h為樣點空間的距離, 即步長; N(h)為間隔距離h的樣本對數(shù); Z(xi)和Z(xi+h)分別為系統(tǒng)內(nèi)某個變量Z(x)在空間位置xi和xi+h的觀測值。

4 結(jié)果與分析

4.1土地利用變化分析

一個地區(qū)不同時期的土地利用變化特征可以用土地利用總量變化及相對變化率來表征[7]。通過分析研究區(qū)在研究時期的土地類型總體數(shù)量變化和相對數(shù)量變化, 可明晰研究區(qū)的土地利用類型結(jié)構(gòu)變化和土地利用總的變化態(tài)勢[18]。中山市各土地利用占比及變化情況如表2所示, 結(jié)合表2和面積統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知:

從土地利用結(jié)構(gòu)來看, 1990年中山市的用地類型以耕地為主, 占總面積41.65%, 居絕對優(yōu)勢?；劣玫睾土值乇戎卮沃? 也分別達到18.84%、16.98%。2000年, 建設(shè)用地、基塘用地的比例分別達到17.09%、27.58%, 耕地比例占22.76%, 而林地比例稍下降, 總體上, 該時期的用地類型結(jié)構(gòu)趨于均勻化。2013年, 建設(shè)用地占總面積最大, 比例達到26.17%, 耕地有小幅度的上升, 占總面積24.59%,與基塘用地占有量相近。

表2 中山市土地利用類型比例及變化率(%)Tab. 2 Zhongshan City land use type and rate of change

從土地利用變化的幅度及變化率來看, 在1990—2000年間, 中山市的建設(shè)用地上升最為顯著, 面積增加了257.77 km2, 變化率達到583.00%, 基塘用地面積也有所上升, 達46.43%, 而其他地類占有量都有所下降, 耕地的減少速度最快, 面積減少了333.06 km2, 其次為其他水域, 變化率為24.61%。在2000—2013年間, 建設(shè)用地面增加速度相對有所減慢, 但依然處于上升的趨勢。而未利用地面積減少速度最快, 下降率達85.85%, 其次, 草地也下降35.13%。

總體上看, 在這23年間, 建設(shè)用地幅度變化最大, 達到945.97%, 面積一共增加了417.36 km2。同時, 基塘用地面積也增加了28.82%, 其他地類的變化率都有不同程度的下降。其中, 未利用地面積縮減變化率最大, 達到88.77%, 林地面積變化不大。

4.2生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的空間自相關(guān)分析

4.2.1 全局空間自相關(guān)

利用Arcgis 10.2下的Spatial Autocorrelation (Moran's I)模塊, 并進行標(biāo)準(zhǔn)化處理, 得出1990年、2000年和2013年中山市三期的生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的全局Moran's I值。三個時期的全局 Moran's I分別為0.724595、0.728862、0.736965, 呈現(xiàn)上升態(tài)勢, 并且P值顯著性水平都小于0.05。全局Moran's I估計值均大于0, 表明了中山市的土地利用生態(tài)風(fēng)險指數(shù)在空間分布上存在著高度的正相關(guān)性, 即是研究區(qū)相鄰地物之間存在相互依賴, 相互影響, 存在一定的空間相關(guān)性, 呈現(xiàn)顯著的空間集聚模式。1990年至2013年間, 在空間上中山市的生態(tài)風(fēng)險指數(shù)相似樣地集聚程度總體表現(xiàn)逐時段增加趨勢。

4.2.2 局部空間自相關(guān)

由于全局Moran's I僅能用來描述某種現(xiàn)象的整體分布狀況, 判斷這種現(xiàn)象空間上是否存在聚集特性, 但并不能確切地指出聚集在哪些地區(qū), 而局部空間自相關(guān)則表達局部空間高值或低值集聚, 并且其系數(shù)是可選擇度量指標(biāo)。

利用Arcgis 10.2下的Anselin Local Moran’s I模塊, 可以得出三期中山市的生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的局部空間自相關(guān) LISA系數(shù)值。從圖2可以看出, 1990—2013年間, 高—高聚集(HH)和低—低聚集(LL)的地區(qū)分布比較集中, 而高—低集聚(HL)與低—高集聚(LH)則比較少, 呈零散分布。

1990—2013年間, 中山市生態(tài)風(fēng)險指數(shù)變化較為明顯的高值區(qū)(H—H)逐漸增多, 主要聚集在靠近江門市區(qū)和佛山順德區(qū)的西北部地區(qū)、中山城區(qū)周邊地區(qū)、以及靠近珠海市區(qū)的南部地區(qū), 表明城市化進展加快, 經(jīng)濟迅猛發(fā)展, 建設(shè)用地大量增加,導(dǎo)致生態(tài)風(fēng)險指數(shù)顯著提高。而生態(tài)風(fēng)險度的低值區(qū)(L—L)基本都聚集在五桂山及邊緣地區(qū)、沙灣鎮(zhèn)與坦洲鎮(zhèn)交界的山地, 是因為中山市政府一直重視五桂山等山地的生態(tài)環(huán)境保護, 提高山地的森林覆蓋率, 保護其郁閉度, 因此該區(qū)域的生態(tài)風(fēng)險程度相對較低。

圖2 中山市1990年、2000年、2013年生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的局部空間自相關(guān)Fig. 2 Local spatial autocorrelation of eco-risk index in Zhongshan of 1990(a), 2000(b) and 2013(c)

4.3生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的空間分異特征

4.3.1 生態(tài)風(fēng)險指數(shù)半變異函數(shù)分析

利用ArcGIS 10.2中的地統(tǒng)計分析模塊對1990年、2000年、2013年三期的采樣數(shù)據(jù)變異函數(shù)統(tǒng)計分析, 并依據(jù)殘差和擬合度的大小來決定選取最佳數(shù)學(xué)模型, 發(fā)現(xiàn)球狀模型的擬合最為理想, 從而計算出中山市三個時期的半變異函數(shù)及參數(shù), 包括基臺值、塊金值和變程等, 見表3。

塊金值表示隨機部分的空間異質(zhì)性[2]。1990年、2000年、2013年的塊金值都較小, 分別為0.003507、0.006921、0.010655, 這表明生態(tài)風(fēng)險指數(shù)隨機分布的可能性很小?；_值可用來衡量生態(tài)風(fēng)險指數(shù)值波動的幅度[2]。1990年基臺值只有0.010518, 說明這期間各評估單元內(nèi)的生態(tài)風(fēng)險強度在空間分布上比較均勻, 該時期的生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好。研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的空間相關(guān)距離主要通過變程來說明[8,17], 1990年的變程為11786 m, 2013年明顯增加到23095 m。塊金基臺比可以反映塊金方差, 占總空間異質(zhì)性變異的大小[17]。1990年、2000年和2013年的塊金基臺比分別為33.34%、45.31%、65.72%, 表明了研究區(qū)的生態(tài)風(fēng)險強度在空間上呈現(xiàn)中等相關(guān)性,中山市土地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性因素, 如母質(zhì)巖性、地貌特征、土壤屬性等, 仍是影響中山市生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的空間分異主導(dǎo)因素。但人為干擾等隨機因素也影響著中山市的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量, 且呈現(xiàn)不斷加強趨勢。

表3 土地利用生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的理論空間變異函數(shù)Tab. 3 Theoretical semivariagram of land use ecological risk index

圖3 中山市1990年、2000年、2013年土地利用生態(tài)風(fēng)險等級空間分布圖Fig. 3 Distribution of ecological risk of land use in Zhongshan of 1990(a), 2000(b) and 2013(c)

4.3.2 生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的空間分布特征

在對生態(tài)風(fēng)險指數(shù)進行正態(tài)分布檢驗后發(fā)現(xiàn),數(shù)據(jù)在空間上具有相關(guān)性, 因此擬合計算出生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的半變異函數(shù)和參數(shù), 運用普通克里金(Ordinary Kriging)插值法對1990年、2000年和2013年的生態(tài)風(fēng)險指數(shù)進行空間插值, 并參考相關(guān)文獻[17,19,20],將插值后分布圖按Natural Break法進行空間重采樣,劃分為5個等級: 低生態(tài)風(fēng)險區(qū)(＜0.17)、較低生態(tài)風(fēng)險區(qū)(0.17≤＜0.34)、中等生態(tài)風(fēng)險區(qū)(0.34≤＜0.51)、較高生態(tài)風(fēng)險區(qū)(0.51≤＜0.68)以及高生態(tài)風(fēng)險區(qū)(≥0.68), 從而得出1990—2013年中山市的土地利用生態(tài)風(fēng)險等級空間分布圖(圖3), 并統(tǒng)計各級別的面積及百分比(圖4)。圖2是運用Arcgis計算得到的三期中山市生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的局部空間自相關(guān)LISA系數(shù)值, 可表達局部空間的高值或低值聚集, 反映空間上中山市區(qū)域間的生態(tài)風(fēng)險指數(shù)變化是否顯著。而圖3是通過插值, 對中山市的生態(tài)風(fēng)險指數(shù)進行不同級別的生態(tài)風(fēng)險區(qū)進行劃分, 能更直觀地反映中山市的土地利用生態(tài)風(fēng)險等級的空間分布特征。

圖4 中山市生態(tài)風(fēng)險等級比例統(tǒng)計圖Fig. 4 Proportion of the ecological risk grades in Zhongshan

1990年中山市生態(tài)風(fēng)險主要以低風(fēng)險和較低風(fēng)險為主, 但出現(xiàn)生態(tài)高風(fēng)險區(qū)域。2000年, 除了低風(fēng)險區(qū)分布位置保持不變之外, 中山市的高風(fēng)險區(qū)、較高風(fēng)險區(qū)和中等風(fēng)險區(qū)的分布都有大幅度的增加。2013年, 中山市的高風(fēng)險區(qū)分布急劇增加, 大部分由較高風(fēng)險區(qū)轉(zhuǎn)入, 主要分布: 西北部, 中部的沙溪鎮(zhèn)、石岐區(qū)、東區(qū)的中山火炬高技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū), 南部的三鄉(xiāng)鎮(zhèn)和坦洲鎮(zhèn)部分地區(qū)等。

由圖4可知, 1990—2013年間, 中山市的高、較高生態(tài)風(fēng)險區(qū)面積快速增加, 由114.45 km2上升到902.51 km2, 占中山市土地總面積的比例由6.50%升至51.23%, 其中, 高風(fēng)險區(qū)面積上升了284.31km2,較高風(fēng)險區(qū)面積則上升了502.75 km2; 中等風(fēng)險區(qū)是三期生態(tài)風(fēng)險區(qū)占總土地面積之一, 其占土地總面積比例先從30.61%上升到44.11%, 后降低到32.52%; 低生態(tài)風(fēng)險區(qū)的面積略有減少, 由258.35 km2減少到155.85 km2; 較低風(fēng)險區(qū)面積則急速減少,由849.49 km2減少到130.27 km2, 占土地總面積的比例由48.22% 減少至7.40%。

1990—2013年, 中山市的生態(tài)風(fēng)險逐年加大,生態(tài)風(fēng)險分布主要受地形和地類的影響較大。由于深灣鎮(zhèn)與坦洲鎮(zhèn)和三鄉(xiāng)鎮(zhèn)交界處的山地、五桂山地勢較高, 主要為林地, 受經(jīng)濟和社會的干擾相對較少, 其生態(tài)風(fēng)險小; 該市的北部鄉(xiāng)鎮(zhèn), 中部鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道等地區(qū)的生態(tài)風(fēng)險較高, 主要是由于城市化的發(fā)展, 人口聚居, 第二產(chǎn)業(yè)發(fā)達, 人類活動頻繁, 盲目開發(fā), 建設(shè)用地集中, 侵占大量的耕地和基塘用地。原本該生態(tài)系統(tǒng)受到的干擾一直超過自身承載的能力, 導(dǎo)致該高生態(tài)風(fēng)險區(qū)域的范圍不斷擴大。相應(yīng)的, 較高的生態(tài)風(fēng)險區(qū)域也有大幅度的增加。

4.4生態(tài)風(fēng)險與城市化的關(guān)系

隨著城市化的快速發(fā)展, 建設(shè)用地不斷增加,城市土地景觀結(jié)構(gòu)及其格局發(fā)生明顯變化[21]。一個城市的城市化水平在一定程度上可以通過單位面積內(nèi)建設(shè)用地的面積比重來表征[22]。因此, 建設(shè)用地密度可以間接用來反映地區(qū)城市化水平。為更好地探討生態(tài)風(fēng)險與城市化之間的關(guān)系, 構(gòu)建城市化水平與生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的擬合函數(shù)(表4)。

1990—2013年, 中山市3個時期的生態(tài)風(fēng)險值變化與城市化水平之間的線性擬合方程決定系數(shù)(R2)分別為0.2092、0.6111、0.6905, 由于1990年建設(shè)用地所占的比重比較小, 城市化水平不高, 因此其決定系數(shù)R2較低, 但由于城市化發(fā)展加快, 2000年、2013年的建設(shè)用地大幅度增加, 因此2000年、2013年的線性方程擬合效果較佳。1990—2013年中山市的生態(tài)風(fēng)險與城市化水平的相關(guān)系數(shù), 分別為0.46、0.78、0.85, 因此中山市的生態(tài)風(fēng)險與城市化水平的相關(guān)性持續(xù)上升。隨著城市化水平提升, 中山市生態(tài)風(fēng)險增加的態(tài)勢越明顯, 城市化對生態(tài)風(fēng)險呈現(xiàn)出正效應(yīng)。

表4 中山市1990、2000、2013年生態(tài)風(fēng)險與城市化的線性擬合關(guān)系Tab. 4 The relationship between ecological risk and urbanization in Zhongshan of 1990, 2000 and 2013

5 結(jié)論

本研究利用覆蓋中山市1990年、2000年和2013年的基礎(chǔ)遙感影像數(shù)據(jù)源, 以中山市土地利用變化為研究對象, 分析中山市的土地利用變化過程, 確定以土地利用變化作為是引起中山市生態(tài)風(fēng)險變化的風(fēng)險源, 構(gòu)建土地利用生態(tài)風(fēng)險指數(shù), 借助空間自相關(guān)和半方差分析方法, 并利用ArcGIS中的地統(tǒng)計模塊, 在總結(jié)已有的文獻的基礎(chǔ)上, 針對中山市的土地利用變化及生態(tài)風(fēng)險評價得出了以下結(jié)論:

(1) 中山市土地利用時空變化特征

從土地利用類型的結(jié)構(gòu)、數(shù)量和變化率來看, 1990年, 中山市的用地類型以耕地為主, 居絕對優(yōu)勢, 結(jié)構(gòu)比較單一。2000年, 建設(shè)用地、基塘用地均有大幅度增加, 各土地利用類型逐漸趨于均勻化。2013年, 建設(shè)用地持續(xù)增加, 比例達到26.17%。在空間分布上, 建設(shè)用地的增加部分主要由耕地和基塘用地轉(zhuǎn)入, 集中在與江門市區(qū)和佛山順德區(qū)的接壤的西北部地區(qū)、中山中心城區(qū)周圍地帶, 以及鄰近珠海市區(qū)的南部地區(qū)。地勢比較平坦地區(qū)的耕地變?yōu)轲B(yǎng)殖水面, 基塘用地有所增加, 西北部基塘用地的幾何中心也逐漸朝中西部、南部及東部移動, 并在南朗鎮(zhèn)沿海處出現(xiàn)大面積的魚塘。

從土地利用變化的速度和空間相互轉(zhuǎn)移過程來看, 1990—2013年, 中山市建設(shè)用地的面積數(shù)量上增加了417.36 km2, 在所有土地利用類型中增加速度最快, 主要由耕地和基塘用地轉(zhuǎn)入。同時,基塘用地面積也增加了28.82%, 轉(zhuǎn)入源主要是耕地, 其他地類的變化率都有不同程度的下降。其中,未利用地面積縮減變化率最大, 達到88.77%, 主要轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地、基塘用地及耕地。耕地和草地也分別下降達40.96%、42.19%, 林地面積變化不大。

(2) 中山市生態(tài)安全風(fēng)險評價

1990—2013年, 中山市的土地利用生態(tài)風(fēng)險指數(shù)在空間分布上存在著高度的正相關(guān)性, 呈現(xiàn)顯著的空間集聚模式, 并隨著時間推移表現(xiàn)出增加趨勢。生態(tài)風(fēng)險指數(shù)由1990年的0.3622上升至2013年的0.4638, 風(fēng)險程度增加了28.05%, 主要受地形和地類的影響較大。生態(tài)風(fēng)險高值聚集區(qū)主要分布在市西北部(小欖鎮(zhèn)、古鎮(zhèn)鎮(zhèn)、東升鎮(zhèn)、橫欄鎮(zhèn)、南頭鎮(zhèn)、東鳳鎮(zhèn)等), 中部的沙溪鎮(zhèn)、石岐區(qū)、東區(qū)、中山火炬高技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū), 南部的三鄉(xiāng)鎮(zhèn)和坦洲鎮(zhèn)部分地區(qū)等。高、較高生態(tài)風(fēng)險區(qū)面積快速增加,由114.45 km2上升到902.51 km2, 占土地總面積的比例由6.50%增至51.23%。隨著城市化水平提升, 中山市生態(tài)風(fēng)險增加的態(tài)勢越明顯, 城市化對生態(tài)風(fēng)險表現(xiàn)正效應(yīng)。2013年, 中山市的生態(tài)風(fēng)險指數(shù)為0.4638, 處于較安全等級, 但是大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)的生態(tài)安全瀕臨臨界安全。

目前, 中山市的城市化快速發(fā)展, 人口聚居,工業(yè)用地的需求量急速增加, 大量的耕地和基塘用地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地, 耕地已經(jīng)不能滿足發(fā)展的需求, 由此灘涂、海洋等水域被改造利用, 圍海造陸, 造成部分河道被填埋堵塞, 生態(tài)服務(wù)功能受到干擾。因此, 中山市應(yīng)對不同的生態(tài)風(fēng)險區(qū)進行針對性管理, 進一步加強環(huán)境綜合整治、優(yōu)化景觀生態(tài)格局, 改善中山市生態(tài)環(huán)境并維持區(qū)域生態(tài)安全。

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Ecological risk assessment and land use change in Zhongshan City

LIN Meizhen1, GE Zhipeng2, JI Shaoting1, XIE Guowen11.School of Geographical Science,Guangzhou University,Guangzhou510006,China
2.Zhongshan Zhixin Mapping Engineering Co.,Ltd,Zhongshan528403,China

Land use changes were analyzed by RS and GIS during recent 23 years in Zhongshan City. The basic data came from TM remote-sensing images of 1990, 2000 and 2013. An ecological risk index was also proposed by formulate sampling in 1 km×1 km grid cells across the area. At last, it discussed the spatial pattern of ecological risk, variation features and the relationship between ecological risk index and urbanization level by spatial autocorrelation, semivariance analysis and the geostatistics module in the ArcGIS. There appeared great difference of structure, quantity and variability of land-use types in Zhongshan from 1990 to 2013. It showed that the ecological lands reduced continuously, and construction land continued to increase. It was dramatically spatial agglomeration of the land use ecological risk index, and the distribution was highly correlated in 1990-2003. The tendency developed across the period. It suggested that urbanization accelerated ecological risk which developed obviously in Zhongshan City.

evaluation for the ecological risk; land use change; spatial autocorrelation; semivariable function; Zhongshan city

10.14108/j.cnki.1008-8873.2016.05.014

F301.24

A

1008-8873(2016)05-096-09

林媚珍, 葛志鵬, 紀(jì)少婷, 等. 中山市土地利用變化及其生態(tài)風(fēng)險響應(yīng)[J]. 生態(tài)科學(xué), 2016, 35(5): 96-104.

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2015-06-03;

2015-07-21

國家自然科學(xué)基金資助項目(40771002, 31270259); 廣州市教育局科技項目(2012A007)

林媚珍(1963—), 女, 廣東梅縣人, 教授, 主要從事資源開發(fā)利用及環(huán)境生態(tài)的教學(xué)和研究, E-mail: lmzh888@163.com