潘翔, 孫元敏, 吳劍, 陳鵬

國家海洋局第三海洋研究所, 廈門 361005

廈門灣海岸帶景觀格局時空動態(tài)演變研究

潘翔, 孫元敏, 吳劍, 陳鵬*

國家海洋局第三海洋研究所, 廈門 361005

以廈門灣海岸帶為研究區(qū), 基于1989年與1997年Landsat TM、2010年SPOT5遙感影像, 在遙感和GIS技術支持下, 建立了廈門灣海岸帶景觀類型空間數(shù)據(jù)庫。運用景觀類型變化表征模型與景觀格局指數(shù)方法, 對近22年來研究區(qū)景觀格局變化時空動態(tài)特征進行了定量分析。研究結果表明： 廈門灣海岸帶景觀格局發(fā)生了較大的變化。農(nóng)用地面積持續(xù)減少且降幅最顯著, 而城鎮(zhèn)用地與建設用地則快速擴展; 其中前者由占總面積的 72.75%下降到 30.67%,后者由占總面積的 4.60%上升到 38.97%。土地利用類型之間、以及各土地利用類型與濱海濕地之間的動態(tài)轉化頻繁,土地利用類型之間的轉化以農(nóng)用地和濱海濕地向城鎮(zhèn)用地與建設用地轉化為主。在 1989—1997年農(nóng)用地凈轉出面積為13862.55 hm2, 濱海濕地轉出面積為4268.82 hm2; 在1997—2010年農(nóng)用地轉出達到20910.24 hm2, 典型濱海則轉出5931.64 hm2。在景觀水平尺度上, 景觀格局向著多樣化方向發(fā)展, 景觀的異質性增強, 景觀破碎化程度加深。景觀格局變化的驅動因素主要為社會經(jīng)濟發(fā)展與政策調整。

廈門灣; 海岸帶; 景觀格局; 時空演變

1 前言

自國際地圈-生物圈(IGBP)和全球變化中的人文領域計劃(HDP)于1995年聯(lián)合提出LUCC研究計劃以來, 土地利用/覆蓋變化(LUCC)已經(jīng)成為全球變化研究的前沿和多學科研究的交叉點[1-2]。IGBP和IHDP更將海岸帶的陸海相互作用(LOICZ)作為其重要的子計劃[3], 近年來, 國內外學者已在海岸帶LUCC動態(tài)變化監(jiān)測、驅動力機制及環(huán)境響應方面開展了較多的研究[4-5]。運用景觀生態(tài)學的方法度量LUCC與生態(tài)過程之間的關聯(lián)已經(jīng)成為研究熱點[6-7],海岸帶景觀格局演變研究在海岸帶區(qū)域性災害防治、污染控制、環(huán)境保護等方面具有重要意義[8-10]。隨著海峽西岸經(jīng)濟區(qū)上升為國家戰(zhàn)略, 以及廈門市海灣型城市發(fā)展戰(zhàn)略的實施, 廈門灣已經(jīng)成為最引人注目和最具有活力的地區(qū), 正在經(jīng)歷快速的城市化過程, 人類活動這一外營力必將展示其不斷增強的態(tài)勢。本文在遙感技術與 GIS技術支持下, 分析了廈門灣海岸帶近 22年間的景觀格局轉化過程及其空間變化特征。

2 研究區(qū)與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

廈門灣位于福建東南、北回歸線附近(24°N左右), 是較為典型、具代表性的亞熱帶海灣[11]。廈門灣是一個半封閉型海灣, 岸線曲折, 地形復雜。東有大小金門島, 南有大小擔島, 西有九龍江徑流, 北有眾多海堤。灣內海水的流動主要受制于臺灣海峽的潮汐系統(tǒng)和九龍江的徑流。本研究考慮到資料的可獲得性與行政管理的可行性, 將廈門灣的研究范圍界定為廈門市行政轄區(qū)范圍內, 研究區(qū)向陸地一側延伸以廈門市所轄鎮(zhèn)(街道)的行政轄區(qū)邊界為界(圖1)。廈門市地處福建省東南部九龍江入海處, 背靠漳州、泉州, 面對金門, 瀕臨臺灣海峽, 與臺灣、澎湖列島遙遙相對, 是閩南金三角的核心, 也是中國東南沿海的重要門戶。廈門市下轄有廈門島內的思明湖里2個行政區(qū), 以及廈門島外的集美、海滄、同安和翔安4個行政區(qū)[12]。

2.2 數(shù)據(jù)源與處理

基本信息源為1989年、1997年Landsat TM以及2010年SPOT5遙感數(shù)據(jù), 輔助資料為海灣城市行政區(qū)劃圖、廈門市土地利用圖等。數(shù)據(jù)處理平臺為ERDAS(version 9.0)遙感圖像處理系統(tǒng)和 ArcGIS (version 9.3)地理信息系統(tǒng)。

參考土地利用現(xiàn)狀分類標準(GB/T 21010-2007),結合研究區(qū)域土地利用特征, 將非濕地景觀劃分為7種類型： L1 農(nóng)用地、L2 林地、L3 城鎮(zhèn)用地、L4農(nóng)村居民地、L5 建設用地、L6 交通用地; 同時參考廈門濱海濕地分類體系相關研究成果[13], 將其中3種典型濱海濕地類型(W1 淺海、W2 灘涂、W3養(yǎng)殖區(qū))納入景觀類型轉移矩陣分析。對3個時相的遙感影像進行幾何校正、空間配準、假彩色合成與融合、影像圖像增強與影像裁剪等預處理; 運用監(jiān)督分類法與人機交互結合方法解譯, 提取出 3個時期的景觀類型矢量數(shù)據(jù), 建立研究區(qū)域不同時期的景觀類型數(shù)據(jù)庫并繪制其空間分布圖(圖2)。

圖1 研究區(qū)范圍示意圖Fig. 1 Study area in coastal zone of Xiamen Bay

2.3 景觀類型變化表征模型

土地利用動態(tài)度模型可以定量描述土地利用變化的劇烈程度[2,14], 其中單一土地利用動態(tài)度模型反映土地利用類型變化的速度[15]。轉移矩陣可以全面而具體地反映土地利用變化的結構特征與各用地類型的變化方向[2,10]。本研究采用上述模型方法分析了1989—1997年時段(第I時段)、1997—2010年時段(第 II時段)研究區(qū)景觀類型變化的時空特征以及各景觀類型相互轉化情況。通過對研究區(qū)三個時期的海岸帶景觀類型矢量數(shù)據(jù)進行疊加計算, 得到了2個時段的景觀類型轉移矩陣(表1、表2)。

2.4 景觀格局指數(shù)

景觀格局指數(shù)方法是景觀生態(tài)學空間分析方法的一種, 利用它能夠定量地反映景觀結構組成和空間配置的特征, 也可揭示格局變化對景觀生態(tài)過程的影響[16]。本文在景觀水平尺度上, 選擇多樣性指數(shù)(SHDI)、均勻度指數(shù)(SHEI)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)、并列與散布指數(shù)(IJI)、景觀分離度(DIVISION)、斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、形狀指數(shù)(LSI)等。景觀格局指數(shù)的計算通過綜合運用ArcGIS 9.3、景觀格局分析軟件Fragstats 4.1(http：//www.umass.edu/ landeco/index.html)實現(xiàn), 其生態(tài)學意義參考相關文獻[2,16]與Fragstats用戶指南, 其結果見圖4。

圖2 廈門灣海岸帶1989—2010年景觀類型空間分布Fig. 2 Spatial distribution maps of landscape types in coastal zone of Xiamen Bay from 1989 to 2010

表1 1989—1997年研究區(qū)景觀類型轉移矩陣Tab. 1 Conversion matrix of landscape types in research region from 1989-1997

表2 1997—2010年研究區(qū)景觀類型轉移矩陣Tab. 2 Conversion matrix of landscape types in research region from 1997-2010

3 結果與分析

3.1 景觀格局基本現(xiàn)狀

廈門灣海岸帶2010年景觀類型總面積為71776.12 hm2,其中農(nóng)用地面積最大(21569.95 hm2), 占總面積的30.67%, 為環(huán)廈門灣海岸帶的景觀基質; 其次為城鎮(zhèn)用地(15294.53 hm2), 占 21.48%; 再次為林地(13659.90 hm2), 占 19.14%; 建設用地(12219.19 hm2)占17.49%, 農(nóng)村居民地(4617.41 hm2)占6.43%, 交通用地(3530.91 hm2)占4.8%(表1)。從2010年各景觀類型的空間分布情況看(圖2), 林地資源在集美區(qū)、海滄區(qū)分布最多, 其次為思明區(qū)和同安區(qū); 翔安區(qū)農(nóng)地資源分布最多, 其次為同安區(qū)和集美區(qū); 城鎮(zhèn)用地主要集中分布在廈門島內的思明區(qū)和湖里區(qū);同安區(qū)建設用地分布最多, 其次為海滄區(qū)、集美區(qū)與翔安區(qū); 農(nóng)村居民用地只在島外4個分區(qū)有分布。

3.2 景觀類型動態(tài)變化從1989—2010年, 研究區(qū)景觀類型總面積在波動中呈上升趨勢, 22年間共增加3185.14 hm2(表1)。其中, 城鎮(zhèn)用地和建設用地增長幅度最大(分別為12318.59 hm2與12090.64 hm2), 而農(nóng)用地則大幅下降(27535.2 hm2)。第I時段林地、城鎮(zhèn)用地的增量明顯, 交通道路增量最小, 農(nóng)用地變化幅度遠大于其他類型; 第II時段城鎮(zhèn)用地、建設用地、交通道路的增量明顯, 農(nóng)村居民地僅有小幅增長, 而農(nóng)用地降幅最為顯著, 林地在此時段則在減小。

廈門灣海岸帶景觀類型動態(tài)變化程度顯著(表 1),并表現(xiàn)出不同的階段性特點。第 I時段變化速度依次為建設用地＞城鎮(zhèn)用地＞農(nóng)村居民地＞林地＞農(nóng)用地＞交通道路, 而第II時段則依次為建設用地＞城鎮(zhèn)用地＞交通道路＞農(nóng)用地＞林地＞農(nóng)村居民地。

3.3 景觀類型轉移分析

3.3.1 第I時段轉移特征

農(nóng)用地： 主要轉化為林地(5130.3 hm2)、城鎮(zhèn)用地(2914.61 hm2)與農(nóng)村居民地(2310.83 hm2), 其次轉向建設用地(1594.48 hm2)與養(yǎng)殖區(qū)(1542.28 hm2);此階段轉入的類型主要為林地(2654.43 hm2), 其次為農(nóng)村居民地(635.24 hm2)與養(yǎng)殖區(qū)(339.02 hm2)。林地： 主要轉化為農(nóng)用地與城鎮(zhèn)用地(175.83 hm2),轉向農(nóng)村居民地、建設用地與交通道路的分別為99.67 hm2、76.84 hm2和54.21 hm2。城鎮(zhèn)用地： 主要轉向林地(170.43 hm2)與農(nóng)村居民地(165.4 hm2), 而轉入部分主要來自于農(nóng)用地, 其次為農(nóng)村居民地(368.16 hm2)、林地(175.83 hm2)。農(nóng)村居民地： 主要轉向農(nóng)用地, 其次為城鎮(zhèn)用地; 轉入部分主要來自城鎮(zhèn)用地, 其次為林地。建設用地： 轉向林地的面積為 1.87 hm2; 轉入部分來自農(nóng)用地, 其次為養(yǎng)殖區(qū)(108.88 hm2)與灘涂(101.66 hm2)。交通道路： 轉向農(nóng)用地189.97 hm2, 其次為城鎮(zhèn)用地(62.89 hm2); 而轉入部分主要來自于農(nóng)用地, 其次為養(yǎng)殖區(qū)(84.59 hm2)。

淺海： 轉向非濕地的類型主要為城鎮(zhèn)用地(61.43 hm2)和交通道路(36.93 hm2)。灘涂： 轉向非濕地的類型主要為城鎮(zhèn)用地(261.49 hm2)、農(nóng)用地(115.12 hm2)和建設用地(101.66 hm2)。養(yǎng)殖區(qū)： 轉向非濕地的類型主要為農(nóng)用地(339.02 hm2), 其次為建設用地與城鎮(zhèn)用地(108.25 hm2)。

3.3.2 第II時段轉移特征

農(nóng)用地： 主要轉化為建設用地(7313.78 hm2),其次轉向城鎮(zhèn)用地(4616.98 hm2)與林地(3201.57 hm2);轉入部分主要為林地(2654.43 hm2), 其次為農(nóng)村居民地(635.24 hm2)與養(yǎng)殖區(qū)(339.02 hm2)。林地： 主要轉化為農(nóng)用地(1408.46 hm2), 其次為城鎮(zhèn)用地(909.16 hm2)與建設用地(874.05 hm2); 轉入部分來自農(nóng)用地(3201.57 hm2)。城鎮(zhèn)用地： 主要轉向交通道路(401.98 hm2)與建設用地(354.18 hm2); 轉入部分主要來自于農(nóng)用地, 其次為農(nóng)村居民地(2144.58 hm2)、建設用地(1247.27 hm2)。農(nóng)村居民地： 主要轉向城鎮(zhèn)用地(1247.27 hm2); 轉入部分主要來自農(nóng)用地(2774.11 hm2)。建設用地： 主要轉向城鎮(zhèn)用地; 轉入部分來自農(nóng)用地, 其次為養(yǎng)殖區(qū)(1851.97 hm2)。交通道路： 轉向城鎮(zhèn)用地 278.9 hm2, 其次為建設用地(147.67 hm2); 而轉入部分主要來自于農(nóng)用地(1438.93 hm2), 其次為城鎮(zhèn)用地(401.98 hm2)。

淺海： 轉向非濕地的類型主要為建設用地(363.31 hm2), 其次為城鎮(zhèn)用地(90.88 hm2)與交通道路(74.41 hm2)。灘涂： 轉向非濕地的類型主要為建設用地(760.42 hm2), 其次為城鎮(zhèn)用地(214.9 hm2)與交通道路(111.3 hm2)。養(yǎng)殖區(qū)： 轉向非濕地的類型主要為建設用地(1851.97 hm2), 其次為城鎮(zhèn)用地(530.55 hm2)、農(nóng)用地(395.4 hm2)與交通道路(279.55 hm2)。

圖3 廈門灣海岸帶農(nóng)用地與典型濕地轉移變化空間分布Fig. 3 Spatial distribution of arable land and typical wetlands conversion in coastal zone of Xiamen Bay

3.3.3 典型景觀類型空間轉移

以廈門灣海岸帶農(nóng)用地與典型濱海濕地為例, 揭示這兩種景觀類型轉移變化的空間分布情況(圖 3)。第 I時段農(nóng)用地向城鎮(zhèn)用地與建設用地的轉化主要發(fā)生在廈門島內的湖里區(qū)和島外的集美區(qū), 而向農(nóng)村居民地的轉化主要集中在島外的翔安區(qū)與同安區(qū); 濕地流轉主要發(fā)生在西海域區(qū)域。第 II時段農(nóng)用地向城鎮(zhèn)用地與建設用地的轉化在島內集中于廈門島東部區(qū)域, 在島外則沿著廈漳泉高速公路向兩側輻散; 濕地的流轉主要集中環(huán)同安灣區(qū)域。

圖4 廈門灣景觀水平上的景觀格局指數(shù)Fig. 4 Landscape index of the landscape level in Xiamen Bay

3.4 景觀格局響應過程

近 22年來廈門灣海岸帶內的景觀格局指數(shù)變化趨勢一致, 第I時段各景觀指數(shù)變化較為平緩, 而在第II時段變化劇烈。景觀格局多樣性指數(shù)(SHDI)與均勻度指數(shù)(SHEI)的不斷增大, 表明景觀構成要素多樣, 景觀格局在人為干擾下, 向著多樣化方向發(fā)展; 破碎化指數(shù)(PD)由 1.887驟增至 6.258, 表明研究區(qū)內整個景觀的破碎化程度正日益加深; 最大斑塊指數(shù)(LPI)由32.439驟減至4.522, 表明優(yōu)勢景觀類型控制力下降, 各景觀類型的比例逐漸趨向均勻分布, 必然導致景觀穩(wěn)定性下降, 因而降低了景觀抗干擾的能力; 蔓延度指數(shù)(CONTAG)不斷下降, 表明廈門灣海岸帶景觀中不同斑塊類型的聚集程度下降, 空間分布趨向分散, 景觀的異質性增強; 景觀形狀指數(shù)(LSI)持續(xù)增大, 說明海岸帶人類活動的加劇, 導致區(qū)域內景觀形狀的復雜程度增加; 散布與并列指數(shù)(IJI)數(shù)值不斷增大,表明斑塊類型之間的鄰接性增強, 景觀各類型之間的分布關系變得復雜, 也間接說明了區(qū)域景觀格局的破碎化趨勢。

4 小結

(1) 研究表明, 近22年來廈門灣海岸帶景觀格局發(fā)生了較大的變化。1989年研究區(qū)景觀格局構成以農(nóng)用地為主, 占總面積的 72.75%, 而至 2010年則下降到30.67%。于此同時, 城鎮(zhèn)用地與建設用地所占比例從 1989年的 4.6%上升到 2010年的38.97%。

(2) 景觀類型轉化主要表現(xiàn)為農(nóng)用地和典型濱海濕地向城鎮(zhèn)用地與建設用地轉化。第 I時段農(nóng)用地凈轉出面積為13862.55 hm2, 濱海濕地轉出面積為4268.82 hm2; 第II時段農(nóng)用地轉出達到20910.24 hm2,典型濱海則轉出5931.64 hm2。

(3) 在景觀水平尺度, 通過景觀格局指數(shù)的測量反映出研究區(qū)的景觀格局在人為干擾下, 向著多樣化方向發(fā)展, 景觀的異質性增強, 景觀形狀的復雜程度增加, 區(qū)域景觀格局呈破碎化趨勢。

(4) 廈門灣海岸帶景觀格局變化主導過程為快速城市化過程, 社會經(jīng)濟發(fā)展與政策調整是區(qū)域景觀格局變化的主要驅動力。近22年來, 廈門市總人口由171萬人增加到353萬人, GDP由47.9億元增加到2060.1億元, 工業(yè)總產(chǎn)值由19.2億元增加到865.9億元[12]。特別是在2000年廈門市城市發(fā)展戰(zhàn)略定位從海島型邁向海灣型, 而在 2009年國家戰(zhàn)略則定位為海峽西岸先行先試區(qū), 城市化區(qū)域沿著交通干線呈帶狀擴展, 島外傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)耕作區(qū)被蠶食, 景觀格局變化具有明顯的區(qū)域分異特征。

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Study on the spatial-temporal characters of landscape pattern changes in coastal zone of Xiamen Bay

PAN Xiang, SUN Yuanmin, WU Jian, CHEN Peng*
Third Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Xiamen 361005, China

In the present study, the coastal zone of Xiamen Bay was chosen as the study area and a spatial information database of land use was established, based on Landsat TM image (in 1989 and 1997) and SPOT5 images (in 2010) aided by the RS and GIS techniques. We quantified the spatial-temporal dynamic characteristics of land use in this area from 1989 to 2010, using the models of land use dynamic degree, transition matrix of land use types, and index method of landscape pattern as well. The results showed that the land use pattern of this area changed conspicuously during the study period. Farmland decreased continuously in large scale, decreasing from 72.75% to 30.67%, while the land for urban and construction use expanded rapidly, increasing from 4.6% to 38.97%. There was frequent conversion among different types of land use, and between land use and typical wetlands types. The conversion between land use types was mainly characterized by the conversion from farmland and typical wetland to urban and construction land use. Among them, the net transferred area of the farmland and typical wetland was 13862.55 and 4268.82 hectares respectively during 1989-1997. In the period of 1997 to 2010, the number arose to 20910.24 and 5931.64 hectares. Landscape pattern tended to diversify at landscape scale, meanwhile landscape heterogeneity increased, and the fragmentation degree deepened. Local socioeconomic development and readjustment of policies were the main driving forces for the dynamic changes of land use pattern.

Xiamen bay, coastal zone, landscape pattern, spatial-temporal changes

10.14108/j.cnki.1008-8873.2016.01.018

Q149

A

1008-8873(2016)01-117-07

2015-01-30;

2015-05-28

中國海監(jiān)技術支撐體系項目(2200208); 廈門市科技計劃項目(3502Z20062011)

潘翔(1989—), 男, 碩士, 助理工程師, 研究方向為海島保護與利用, E-mail： panxiang@tio.org.cn

*通信作者：陳鵬(1973—), 男, 博士, 教授級高工, 研究方向為海島海岸帶資源環(huán)境綜合評價, E-mail： chenpeng@gmail.com

潘翔, 孫元敏, 吳劍, 等. 廈門灣海岸帶景觀格局時空動態(tài)演變研究[J]. 生態(tài)科學, 2016, 35(1)： 117-123.

PAN Xiang, SUN Yuanmin, WU Jian, et al. Study on the spatial-temporal characters of landscape pattern changes in coastal zone of Xiamen Bay[J]. Ecological Science, 2016, 35(1)： 117-123.