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        基于MCE-CA-Markov的土地利用預(yù)測及生境質(zhì)量評價

        2021-12-09 02:46:20呂利娜崔慧珍
        關(guān)鍵詞:雙鴨山市生境林地

        呂利娜, 崔慧珍, 葉 欣

        (黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)

        0 引 言

        我國處于高速城鎮(zhèn)化發(fā)展時期,城市的可持續(xù)發(fā)展成為研究重點。20世紀(jì)末,黑龍江省作為我國老工業(yè)基地,為東北地區(qū)二、三產(chǎn)業(yè)的繁榮發(fā)展起到了重要的推動作用,但也付出了巨大的環(huán)境成本。包括雙鴨山在內(nèi)的眾多煤炭資源型城市憑借天然資源迅速發(fā)展,人口數(shù)量大幅增加,區(qū)域生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重惡化,呈現(xiàn)出短時間迅速發(fā)展、資源高消耗的特征[1]。土地利用變化不僅是人類活動對生態(tài)環(huán)境作用的直接體現(xiàn),也是引起其變化的重要因素。因此,應(yīng)高度重視生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域與土地利用相關(guān)的研究[2]。將土地利用時空變化與生境質(zhì)量結(jié)合,預(yù)測未來區(qū)域土地結(jié)構(gòu)與生境質(zhì)量的變化特征和趨勢,可為政府規(guī)劃和生態(tài)文明建設(shè)提供決策意見[3]。

        目前,國內(nèi)外對于生境質(zhì)量的研究主要集中于通過野外調(diào)查、利用生態(tài)評估模型和構(gòu)建評價體系進行生境質(zhì)量評估。研究中多采用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和權(quán)衡的綜合評估模型Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs(InVEST)模型、Hue Saturation Intensity(HIS)模型、Social Values for Ecosystem Services(SolVES)模型等[4-7]。其中,InVEST模型因操作簡易、輸出結(jié)果可讀性高、客觀性強等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用[8]。另一方面,現(xiàn)階段土地利用變化分析及預(yù)測的研究相對成熟,在若干地理空間動態(tài)模型中,元胞自動機(CA)模型是常用模型之一。為了增強模擬結(jié)果在空間、數(shù)量及質(zhì)量上的精度,CA模型衍生出了多種擴展模型,其中基于多標(biāo)準(zhǔn)評價(Multi-criteria evaluation,MCE)與馬爾可夫鏈的MCE-CA-Markov綜合元胞自動機模型在兼具Markov模型對長時間序列模擬的優(yōu)勢以及元胞自動機模型強大的空間預(yù)測能力的基礎(chǔ)上,結(jié)合多標(biāo)準(zhǔn)評價(MCE)方法綜合量化各種自然因素、社會因素,彌補了元胞自動機轉(zhuǎn)換規(guī)則約束條件的不足[9-11]。相對其他模型而言,該綜合模型精度提高,預(yù)測結(jié)果可解釋性,模擬效果明顯改善,且已有許多成功案例,如河西走廊[12]。

        近年來,學(xué)者們對生態(tài)環(huán)境的變化做了大量分析,但對于資源型城市的生態(tài)環(huán)境研究較少,尤其是針對自然資源衰退、急需轉(zhuǎn)型的資源枯竭型城市,缺乏對未來生態(tài)化發(fā)展的理論指導(dǎo)。為促進雙鴨山市未來生態(tài)化發(fā)展,筆者運用MCE-CA-Markov模型,設(shè)置不同的約束條件對2025年土地利用格局多情景預(yù)測,并進行生境評價,以期為土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整、資源優(yōu)化及生態(tài)環(huán)境恢復(fù)提供參考。

        1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

        1.1 概 況

        雙鴨山市位于黑龍江省東北部,與俄羅斯僅一江之隔,并與七臺河、佳木斯和雞西等地均有接壤。城市位于丘陵地帶,屬于完達(dá)山山脈,南面地區(qū)群山繚繞,延綿不絕,以林地為主;北面是地域廣闊的三江地區(qū);地勢整體上呈現(xiàn)西南高、東北低的趨勢。雙鴨山市有4縣4區(qū)共8個管轄地,其中4縣分別是饒河、寶清、集賢和友誼縣,4區(qū)分別是寶山、嶺東、尖山和四方臺,市域面積達(dá)2.25 km2研究區(qū)地理位置見圖1。

        圖1 研究區(qū)地理位置Fig. 1 Geographical location of study area

        雙鴨山市以煤炭資源開采為支撐產(chǎn)業(yè),是黑龍江省典型的資源型城市。隨著城市采礦行業(yè)的發(fā)展,土地被大規(guī)模破壞,地面塌陷、水土流失等生態(tài)惡化現(xiàn)象頻出。由于防護林遭到破壞,林地資源減少,天然樹種減少,種植的人工林樹種有限,抵御森林火災(zāi)與病蟲害的能力減弱,生態(tài)嚴(yán)重失調(diào)[13]。探究雙鴨山市土地結(jié)構(gòu)變化與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量特征,預(yù)測及評估生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化,可為將來生態(tài)恢復(fù)工作提供理論支撐。

        1.2 數(shù)據(jù)來源

        以1990、2000、2010、2015年30 m分辨率的Landsat TM/ETM/OLI遙感影像為主要數(shù)據(jù)源,經(jīng)過影像融合、幾何校正、圖像增強與拼接等處理后,通過人機交互目視解譯的方法,參照《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T21010—2017)及劉紀(jì)遠(yuǎn)等[14]對土地利用的分類標(biāo)準(zhǔn),將雙鴨山市土地利用類型劃分為(耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地及未利用地)6個一級類、25個二級類;DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺,分辨率為30 m;行政區(qū)劃、道路、水域等數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心。

        2 研究方法

        2.1 單一土地利用動態(tài)度

        動態(tài)度有助于了解土地利用變化的程度,能更直觀清晰地分析區(qū)域內(nèi)土地利用變化的差異[9]。通常采用單一土地利用動態(tài)度表示具體某種土地利用類型的穩(wěn)定情況,該模型公式表述為

        (1)

        式中:k——研究時段內(nèi)該土地利用類型動態(tài)度;

        At1、At2——評測初期和末期各土地利用類型的面積;

        t1、t2——土地利用變化初期與末期[15]。

        2.2 情景模擬

        運用MCE-CA-Markov模型,設(shè)置不同的約束條件對2025年土地利用格局進行情景預(yù)測,分為自然發(fā)展情景和生態(tài)保護情景。

        (1)自然發(fā)展情景:按照現(xiàn)有歷史發(fā)展規(guī)律,根據(jù)兩期土地利用數(shù)據(jù)計算土地利用面積轉(zhuǎn)移矩陣及概率矩陣。

        (2)生態(tài)保護情景:主要依靠限制因子(不可轉(zhuǎn)出)的改變,對耕地、林地、草地及水域4種生態(tài)環(huán)境友好、有利于城市生態(tài)發(fā)展的土地類型設(shè)為優(yōu)先保護,形成生態(tài)化適宜性圖集,約束土地利用變化轉(zhuǎn)移面積及概率。其中,水域?qū)夂?、水文和土壤等起到重要的環(huán)境調(diào)節(jié)功能,是生態(tài)功能顯著的用地類型,設(shè)置水域為必須限制因子(表1)。

        表1 限制條件及高程、坡度適宜范圍

        在建設(shè)用地的適宜性分析中,除DEM、坡度外,對距道路、河流、建設(shè)用地的距離進行歐氏距離分析,選擇中間適宜區(qū)域設(shè)為1,過遠(yuǎn)和過近均不適宜,設(shè)為0。運用層次分析法(AHP)得到各約束因子權(quán)重:高程為0.084 3、坡度為0.124 7,距建設(shè)用地的距離為0.292 4,距道路的距離為0.348 1,距河流的距離為0.150 5。

        進行多情景模擬前,對MCE方法生成的適宜性圖集進行精度評定。采用該方法模擬2010年研究區(qū)土地利用狀況,得到Kappa系數(shù)為83.46%,確定該模型精度較高,可進行土地利用預(yù)測。

        2.3 生境質(zhì)量評價

        生境質(zhì)量評價是指對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能所提供的生物多樣性繁衍和生存環(huán)境、條件潛力的評價。人類的各種社會活動是影響生物多樣性發(fā)展變化的重要因素。通過對土地利用變化與生物多樣性威脅之間關(guān)系的分析,可以對區(qū)域生境質(zhì)量及其退化進行評價[3]。

        通過運用InVEST模型中的“Habitat Quality”模塊來評估生境質(zhì)量,該模型結(jié)合景觀類型敏感性和外界威脅強度來計算生境質(zhì)量,計算公式為

        (2)

        式中:Qxj——j類型中柵格x的生境質(zhì)量;

        Hj——土地利用類型j的生境適合性;

        k——半飽和參數(shù),通常取Dxj最大值的1/2;

        z——歸一化常量,通常取2.5;

        Dxj——j類型柵格x所受的脅迫水平,即生境退化度。

        Habitat Quality模塊需輸入數(shù)據(jù):土地利用數(shù)據(jù)、威脅因子、半飽和參數(shù)、威脅因子敏感性程度。根據(jù)威脅影響的因素分為自然威脅和人為威脅。自然威脅因子多為雪災(zāi)、洪澇災(zāi)害、泥石流等,人為威脅因子包括采礦、盜獵等[16]。據(jù)雙鴨山市土地利用狀況,文中重點考慮人為影響,將農(nóng)村居民點、城鎮(zhèn)用地、其他建設(shè)用地、沼澤地與裸巖石質(zhì)地設(shè)為威脅因子(表2)。參考InVEST應(yīng)用手冊以及現(xiàn)有的應(yīng)用研究,設(shè)定權(quán)重和最大影響距離、距離衰減函數(shù)及各土地利用類型對各威脅因素的敏感指數(shù)(表3)。通常情況下,自然環(huán)境的敏感度較高,建設(shè)用地等有人為干擾的原因,受威脅因素的影響程度微弱或不受影響,參考雙鴨山市對生態(tài)保護政策及現(xiàn)有研究,敏感度取值范圍設(shè)為0~1,1表示敏感度極高,0表示不敏感[16]。

        表2 威脅因子屬性

        表3 各地類對不同威脅因素的相對敏感指數(shù)

        3 土地利用變化分析

        3.1 動態(tài)變化

        由表4單一土地利用動態(tài)度可知,1990—2000年之間,耕地與建設(shè)用地的變化顯著,建設(shè)用地呈負(fù)增長狀態(tài)。20世紀(jì)80年代,隨著煤炭采掘業(yè)的發(fā)展和“北大荒”地區(qū)的開發(fā)建設(shè),雙鴨山市步入發(fā)展階段。在這一階段,雙鴨山市經(jīng)歷了3輪總體規(guī)劃,城市的空間格局基本形成。2000—2015年間,建設(shè)用地、草地和未利用地的變化也較為活躍。2000年之后,城市發(fā)展定位由原來的以煤炭、電力工業(yè)為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐悦禾慨a(chǎn)業(yè)相關(guān)的電力、化工、建材為重點發(fā)展的綜合工業(yè)城市,工業(yè)化建設(shè)加速了城鎮(zhèn)建設(shè)用地的擴張,不斷以外延式和填充式的發(fā)展模式擴大建設(shè)用地規(guī)模,侵占其他用地類型。然而隨著煤炭資源逐漸枯竭,城市在2012年左右開啟了轉(zhuǎn)型發(fā)展,有大批煤炭企業(yè)未能及時轉(zhuǎn)型,一時間經(jīng)濟斷崖式下挫, 2013—2015年經(jīng)濟衰退,非農(nóng)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占地區(qū)生產(chǎn)總值的比重也出現(xiàn)波動性下降,呈現(xiàn)逆城鎮(zhèn)化的趨勢,工礦用地的廢棄使得未利用地規(guī)模增加。這5 a間建設(shè)用地變化率呈增長狀態(tài),動態(tài)度為2.252%,生態(tài)環(huán)境恢復(fù)壓力巨大。耕地的動態(tài)度相比1990—2000年間稍有下降,主要原因是20世紀(jì)末,國家出臺生態(tài)修復(fù)政策(如退耕還林還草、封山育林等),以應(yīng)對日益惡化的環(huán)境問題。2000年是這些政策的實施起步階段,屬于生態(tài)建設(shè)和發(fā)展時期,故耕地多向林地、草地轉(zhuǎn)化。

        表4 單一土地利用動態(tài)度

        3.2 流向分析

        土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可清晰地展示前后兩個時期土地利用轉(zhuǎn)化關(guān)系,含有比土地利用面積表格更詳細(xì)的轉(zhuǎn)出、轉(zhuǎn)入信息[17]。

        在1990—2000年間,土地轉(zhuǎn)化較明顯的是耕地向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)移,城市的擴張占用土地多是耕地。2000—2015年耕地轉(zhuǎn)為林地最多,建設(shè)用地次之(表5、6)。

        表5 1990—2000年土地利用面積轉(zhuǎn)移矩陣

        2000年以后,土地利用格局變化的人為驅(qū)動因素不僅單以開發(fā)土地資源為主,同時開始注重土地保護。本階段正處于“退耕還林還草”高峰時期,故林地、草地、耕地之間轉(zhuǎn)換較多。城市的城鎮(zhèn)化發(fā)展和經(jīng)濟的增長需要大量建設(shè)用地做支撐,耕地、林地是建設(shè)用地的首要來源,其中67.3%來自耕地,30.8%來自林地。林地的轉(zhuǎn)入部分73%來自耕地,隨著人口的增加,對耕地需求量增大,存在林地被開墾為耕地的現(xiàn)象。

        表6 2000-2015年土地利用面積轉(zhuǎn)移矩陣

        4 多情景土地利用預(yù)測與生境評價

        4.1 不同情景下土地利用預(yù)測

        4.1.1 自然發(fā)展情景

        按照雙鴨山市現(xiàn)有城市土地利用歷史發(fā)展規(guī)律,對其進行2025年土地利用模擬預(yù)測。由圖2、表7可知,在自然發(fā)展情景下,研究區(qū)以林地為主,耕地多轉(zhuǎn)向草地,這得益于“退耕還林還草”政策的有效實施;建設(shè)用地面積增加,多為耕地、林地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)換,以尖山區(qū)南部與嶺東區(qū)北部為主;未利用地向草地與水域轉(zhuǎn)化,符合當(dāng)下社會的可持續(xù)發(fā)展理念。

        圖2 2025年自然發(fā)展情景下土地利用預(yù)測Fig. 2 Land use forecast under natural development scenario in 2025

        表7 2015-2025年自然發(fā)展情景下土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

        4.1.2 生態(tài)保護情景

        通過對耕地、林地、草地及水域4種生態(tài)環(huán)境友好、有利于城市生態(tài)發(fā)展的土地類型設(shè)為優(yōu)先保護,預(yù)測得到2025年研究區(qū)生態(tài)保護情景下的土地利用狀態(tài)(圖3、表8)。由于限制因子的設(shè)置傾向于生態(tài)環(huán)境保護,在理想狀態(tài)下,相比自然情景,耕地轉(zhuǎn)向生態(tài)價值較高的草地;四方臺區(qū)和寶山區(qū)北側(cè),林地多轉(zhuǎn)向水域。該區(qū)域原以有林地為主,少量位于已建成用地附近的林地因城市擴張轉(zhuǎn)為建設(shè)用地;少量不穩(wěn)定草地被開墾為耕地,多留存為草地;因水域多處于林地之間,故水域更易與林地之間發(fā)生轉(zhuǎn)換;建設(shè)用地少量發(fā)展為林地;未利用地向其他地類均有轉(zhuǎn)化。林地、水域、草地生物多樣性豐富,生態(tài)質(zhì)量較好,生態(tài)保護程度較高,符合城市生態(tài)發(fā)展理念。

        圖3 2025年生態(tài)保護情景下土地利用預(yù)測Fig. 3 Prediction of land use in ecological protection scenario in 2025

        表8 2015-2025年生態(tài)保護情景下土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

        4.2 不同情景下生境質(zhì)量評價

        研究發(fā)現(xiàn),在空間分布上,兩種情景預(yù)測的生境質(zhì)量評價結(jié)果見圖4、表9。不同情況下生境退化程度評價見圖5、表10。

        圖4 自然發(fā)展情景與生態(tài)保護情景下生境質(zhì)量評價Fig. 4 Assessment of habitat quality under the natural development and ecological protection scenarios

        表9 2025年生境質(zhì)量統(tǒng)計

        對比可知生境質(zhì)量較低級別多圍繞在建設(shè)用地周圍,大體分布趨勢相同。林地作為雙鴨山市最大的綠色空間,在未來的發(fā)展中仍舊是主要的生境環(huán)境,雖均處于優(yōu)秀水平,但自然發(fā)展情景優(yōu)秀等級占比較低,應(yīng)采取對應(yīng)措施,優(yōu)化生態(tài)環(huán)境布局。生態(tài)保護情景整體生境質(zhì)量較高,處于良好等級以上的占比較自然發(fā)展情景高7.90%。

        圖5 自然發(fā)展情景與生態(tài)保護情景下生境退化評價Fig. 5 Habitat degradation assessment under natural development scenario and ecological protection scenarios

        生境退化指數(shù)的高低代表研究區(qū)在受威脅因子影響后生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)的好壞變化。若指數(shù)得分越高,表示該對應(yīng)的地類在受威脅因素影響后,生境退化程度越大。

        表10 生境退化統(tǒng)計

        兩種模擬情景下,生境退化較高的地段均以城鎮(zhèn)用地為中心呈環(huán)狀分布,與生境質(zhì)量結(jié)果相符。隨著人類活動的增強,建設(shè)用地周邊生境退化度較高,主要圍繞在尖山區(qū)附近。尖山區(qū)作為雙鴨山市經(jīng)濟文化交流中心,近年來受到政府扶持,經(jīng)濟發(fā)展迅速,但生態(tài)保護被忽視,環(huán)境遭到破壞。兩種情境下的退化趨勢基本相同,但總體情況顯示,在生態(tài)保護情景下,占比較高的部分處在較弱退化度區(qū)間,且退化度最大值從0.090 3降低到0.069 8,說明生態(tài)保護情景明顯減弱生態(tài)環(huán)境的退化速度。

        5 結(jié) 論

        雙鴨山市作為黑龍江省典型的煤炭資源型城市,在其城市發(fā)展擴張進程中,侵占了大量耕地與林地,同時煤礦開采等活動對草地、林地等土地類型破壞嚴(yán)重。采礦業(yè)興起產(chǎn)生的經(jīng)濟效益致使人們忽視了生態(tài)環(huán)境的保護,大規(guī)模的開墾,造成森林綠地減少,水域污染嚴(yán)重。生態(tài)環(huán)境與人類活動息息相關(guān),任何一種生境斑塊遭到破壞后,都會對其周邊環(huán)境產(chǎn)生影響,從而威脅整體地區(qū)的生態(tài)安全。結(jié)合兩種情景下的土地利用預(yù)測結(jié)果,依據(jù)雙鴨山市未來生態(tài)化發(fā)展考慮,提出如下建議:

        (1)尖山區(qū)城鎮(zhèn)中心周邊生境退化度較高,生境退化尤為明顯。因此,控制城市擴張,對水域等優(yōu)質(zhì)土地利用類型進行特殊保護,獲得更大的生態(tài)效益。應(yīng)優(yōu)化城市中耕地與建設(shè)用地結(jié)構(gòu),合理規(guī)劃林地、草地、水域等生態(tài)格局。

        (2)針對資源型城市轉(zhuǎn)型,應(yīng)結(jié)合實際自然環(huán)境,科學(xué)合理地規(guī)劃土地利用格局,修復(fù)礦區(qū)塌陷土地,對斷流、污染的水域二次處理,恢復(fù)生態(tài)建設(shè)。優(yōu)先發(fā)展低消耗、高產(chǎn)出、零污染企業(yè),制定經(jīng)濟扶持政策,確保城市轉(zhuǎn)型與生態(tài)保護同步進行。

        (3)生態(tài)保護情景是完全理想化狀態(tài),實際存在更多的人為因素與政策因素的干擾。在未來的研究中,應(yīng)考慮加入政策、經(jīng)濟等因素,探究研究區(qū)土地利用修復(fù)等現(xiàn)狀,豐富生境質(zhì)量評價因子,完善評價體系,為生境質(zhì)量評價提供更精細(xì)的計算分析。

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