欒春鳳,郭欣然

(鄭州大學(xué)建筑學(xué)院,河南 鄭州 450002)

隨著城市化的快速推進,城市建設(shè)空間迅速膨脹且呈現(xiàn)盲目無序的態(tài)勢,對于生態(tài)空間造成極大的沖擊,土地利用格局演進較為劇烈,土地利用沖突問題備受關(guān)注。生態(tài)安全是區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ),可以從景觀格局優(yōu)化、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值、土地利用優(yōu)化等方面為切入點,構(gòu)建“點(核心源地)—線(潛在廊道)—面(生態(tài)網(wǎng)絡(luò))”的區(qū)域生態(tài)安全格局分布,進而最大限度地降低人類活動對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的干擾,通過景觀要素優(yōu)化資源配置,維持區(qū)域景觀的連續(xù)性、完整性,鞏固區(qū)域可持續(xù)發(fā)展能力[1-2]。

以生態(tài)安全為基礎(chǔ)的土地利用沖突研究,在構(gòu)建區(qū)域生態(tài)安全格局的基礎(chǔ)上,定量地識別土地變化沖突的程度,判斷土地轉(zhuǎn)化矩陣的類型。土地利用沖突研究的重要研究內(nèi)容包括土地利用沖突的產(chǎn)生原因、沖突空間識別及分析方法等方面,在產(chǎn)生原因方面,Pondy[3]、Babette[4]認為土地資源分配不均及土地資源的稀缺是造成土地利用多方?jīng)_突的原因;在沖突空間識別方法上,Pau[5]通過GIS技術(shù)分析土地利用沖突的空間演變規(guī)律;Anantha等[6]利用LUCIS模型對沖突產(chǎn)生的因素進行定性。我國在土地利用空間沖突方面的相關(guān)研究起步較晚,20世紀80年代后期的過度工業(yè)化及城市化對土地利用的沖擊,引起國內(nèi)學(xué)者對于土地問題的思考[7]。學(xué)者們認為土地生態(tài)系統(tǒng)處于動態(tài)平衡,是系統(tǒng)在物質(zhì)、能量、信息交換三者之間的動態(tài)變換[8]。由于研究切入點及視角的差異,致使對于土地利用沖突的側(cè)重不同,如從社會學(xué)視角出發(fā),土地利用沖突是源于土地與個人相互作用下的過激結(jié)果[9],利害雙方間的矛盾沖突則是社會學(xué)視角下的土地利用沖突[10]。而基于生態(tài)安全視角下的土地利用沖突研究主要表現(xiàn)為耕地與建設(shè)用地、水域與建設(shè)用地等建設(shè)用地與生態(tài)空間用地需求之間的沖突[11]。一些學(xué)者借助不同的研究對象,以區(qū)域生態(tài)安全格局為基礎(chǔ),借助土地利用類型[11]、地理要素數(shù)據(jù)[12]、“三生空間”適應(yīng)性評價[13]等方式,對土地利用沖突進行識別研究,進而對土地利用管理提供依據(jù)。

鄭州都市圈核心區(qū)作為河南省重要的經(jīng)濟、政治、文化片區(qū),在統(tǒng)籌區(qū)域范圍內(nèi)的生態(tài)空間保護與建設(shè)方面意義重大,但城市化的進程中建設(shè)空間與耕地、農(nóng)田、水域等空間沖突較為突出,致使區(qū)域城鎮(zhèn)化發(fā)展與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)保護之間的矛盾日益嚴峻[14]。立足區(qū)域生態(tài)安全格局進而識別土地利用沖突問題上十分必要[15]。因此本研究以鄭州都市圈核心區(qū)為研究對象,在區(qū)域生態(tài)安全格局的構(gòu)建基礎(chǔ)上,借助土地利用轉(zhuǎn)化矩陣對土地轉(zhuǎn)化類型、程度進行分析,識別土地利用空間沖突分類,為核心區(qū)的土地利用規(guī)劃管理及生態(tài)空間的保護提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

鄭州大都市圈核心區(qū)(113.65°～114.35°E,34.02°～34.79°N),即鄭州市域、開封市域、許昌市域。國土總面積約1.8萬hm2,約占鄭州都市圈面積的30%,鄭州大都市圈核心地處河南腹地,地理位置優(yōu)越。大都市圈核心區(qū)為北溫帶大陸性季風(fēng)氣候,平原和低山丘陵為其主要地形分布。研究區(qū)地處黃土高原地區(qū)與黃淮平原地區(qū)交界處,黃河、淮河與海河三大流域在區(qū)域穿過,黃河、南水北調(diào)中線在鄭州市域形成“十”字。鄭州都市圈核心區(qū)包含鄭州、開封、許昌3個城市,是整個區(qū)域的核心引擎,城市化和工業(yè)化的加劇,區(qū)域人口、資源壓力等問題嚴重,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及土地利用沖突問題較為嚴重。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括以下3部分:①以2020年的鄭州都市圈核心區(qū)土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),參考中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心的土地利用類型劃分標準,提取出草地、農(nóng)田、建設(shè)用地、森林、濕地、水域這6大類景觀類型數(shù)據(jù)。將景觀類型數(shù)據(jù)中的森林、草地、灌木叢、濕地、水域定義為前景,合并作為生態(tài)源地的備選斑塊。②篩選氣象少云的Landsat影像(2020年),基于ENVI軟件對影像進行大氣校正、幾何校正、圖像拼接等操作,提取相應(yīng)波段得到完整的研究區(qū)范圍影像數(shù)據(jù)。③提取鐵路、公路、農(nóng)村道路等要素矢量數(shù)據(jù),為后期構(gòu)建綜合阻力面提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

故基于ENVI平臺對遙感數(shù)據(jù)進行預(yù)處理來減少誤差,其主要步驟為輻射校正(輻射校正和大氣校正)—選擇訓(xùn)練樣本—可分離度驗證—分類器選擇—分類后處理—精度驗證,最后將影像圖轉(zhuǎn)為tif格式數(shù)據(jù),利用ArcGIS 10.2出圖。合并后的影像圖利用數(shù)據(jù)聚類方式處理,結(jié)合研究需要,對數(shù)據(jù)進行精度檢驗,精度達到98.8%,Kappa系數(shù)為0.984。結(jié)合實際情況及研究目的,將鄭州大都市圈核心區(qū)土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、濕地6類。

1.3 基于MSPA方法的生態(tài)源地選取

形態(tài)學(xué)空間格局分析(MSPA)是一種偏向測度結(jié)構(gòu)連接性的方法,是基于腐蝕、膨脹、開運算、閉運算等數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)原理提出的圖像處理方法[16]。本研究基于土地利用數(shù)據(jù),采用重分類的方法提取林地、濕地、水域等生態(tài)要素作為前景,其他用地類型作為背景。把矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為二值tif數(shù)據(jù)文件,參考前人研究成果[17-18],將柵格數(shù)據(jù)大小設(shè)定為30 m×30 m。最后,利用Guidos分析軟件,采用八鄰域規(guī)則,邊緣寬度設(shè)置為1,并利用工具箱分析軟件,對柵格數(shù)據(jù)進行MSPA分析。

1.4 生態(tài)源地景觀連通性評價

景觀連通性水平可通過定量的方式定性某景觀類型是否適合物種交換和遷移,對于生物多樣性保護、生態(tài)系統(tǒng)平衡和景觀連通性具有重要意義[19]。利用Conefor 2.6軟件,將距離閾值設(shè)置為500 m,連通閾值設(shè)為0.5,選取斑塊整體連通性指數(shù)(IIC)、重要性指數(shù)(IdPC)、可能連通性連接指數(shù)(IPC)對研究區(qū)的景觀核心區(qū)重要性進行評估,獲取IdPC數(shù)據(jù)作為參考,IdPC≥0.5的核心區(qū)為一級生態(tài)源地(極重要),0.1

(1)

IdPC=(IPC-IPCremove)/IPC×100%;

(2)

(3)

式中:n為研究區(qū)內(nèi)所有斑塊的數(shù)量;ai和aj為斑塊i、j的面積;IIC為斑塊整體連通性指數(shù);范圍為0～1,數(shù)值越高表明研究區(qū)內(nèi)整體連通性越好;IdPC為斑塊重要性指數(shù);IPC為可能連通性連接指數(shù);IPC remove為斑塊從研究區(qū)域剔除后的景觀連接度指數(shù);AL為背景景觀的面積;lij為斑塊i與斑塊j之間連接數(shù);Pij為物種在斑塊i和斑塊j中所有路徑運行的最大可能性。

1.5 生態(tài)阻力面構(gòu)建

研究區(qū)阻力指標體系見表1。有研究者認為,物種遷移從源點到目標地間經(jīng)過不同的景觀類型會有不同的阻力值影響,物種在生態(tài)源地間進行物質(zhì)交流、能量交流等需要克服不同的阻力值,阻力值表征物種遷移的難易程度,對生態(tài)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃有重要意義[20]。因此將土地利用數(shù)據(jù)、坡度、高程、距水體的距離、距道路的距離、距居民點的距離在參考前人研究后,根據(jù)相關(guān)文獻和專家打分進行賦值,進而構(gòu)建阻力指標體系,共分為5個阻力等級,將阻力值設(shè)定在1～10,將土地利用數(shù)據(jù)、坡度、高程、距道路的距離、距居民點的距離、距水體的距離的權(quán)重確定為:0.30、0.10、0.10、0.25、0.15、0.10(表1)。數(shù)值與阻力值成正比,數(shù)值越小表明生態(tài)源地對物種的適宜度越高,遷徙過程中的障礙越小,對于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建越有利。最終采用30 m×30 m的柵格單元大小,在ArcGIS 10.2中利用柵格計算器得到綜合阻力面,作為最小累積阻力模型(MCR)模型的最小成本數(shù)據(jù)。

1.6 基于最小累積阻力模型的生態(tài)廊道構(gòu)建

最小累積阻力模型(MCR)能夠通過計算源與目標之間的最小累積阻力距離來確定路徑,從而較好地反映景觀中的物質(zhì)能量及生物物種在各生境斑塊間的運動可能性和趨向性[21]。

(4)

式中:FMCR為最小累積阻力;fmin為最小阻力函數(shù);Dij為從源點j到空間單元i的距離;Ri表示空間單元i的阻力數(shù)值。

MCR的關(guān)鍵是阻力面體系的選擇和構(gòu)建,景觀阻力面表示基質(zhì)阻礙物質(zhì)、能量和信息流動的程度[22]。綜合考慮研究區(qū)實際情況,篩選坡度、高程、土地利用類型、距道路的距離、距水體的距離、距居民點距離6個要素作為研究的阻力因子,根據(jù)不同因子對物種遷移的阻力,劃分不同的阻力值,構(gòu)建研究區(qū)的綜合阻力面。景觀阻力是指物種在不同景觀單元之間遷移的難易程度,斑塊生境適宜度越高,物種遷移的景觀阻力越低[23]。

1.7 土地利用空間沖突分類研究

將研究區(qū)土地利用分類圖與生態(tài)安全格局圖疊加,通過分區(qū)統(tǒng)計獲取目標年限間土地利用沖突情況,綜合運用ArcGIS軟件的空間分析等工具,從時間變化、空間特征等方面分析鄭州都市圈核心區(qū)的土地利用沖突時空演變特征。在綜合生態(tài)安全空間的基礎(chǔ)上,從生態(tài)安全的角度將土地利用沖突定義為農(nóng)業(yè)種植、城市擴張等經(jīng)濟建設(shè)活動對生態(tài)安全空間的不合理占用,而產(chǎn)生的土地資源競爭結(jié)果[24]。因此,將土地利用空間沖突定義為耕地生態(tài)沖突、建設(shè)用地生態(tài)沖突、綜合土地利用沖突,耕地生態(tài)沖突和建設(shè)用地生態(tài)沖突分別指農(nóng)業(yè)耕作和城市開發(fā)建設(shè)對綜合生態(tài)安全空間的不合理占用。按照生態(tài)安全水平空間的重要性程度,根據(jù)耕地/建設(shè)用地對生態(tài)安全格局的占比,對沖突類型進行劃分[25]。低生態(tài)安全水平、中等生態(tài)安全水平、高生態(tài)安全水平3個生態(tài)安全格局等級分別對應(yīng)極嚴重沖突、一般嚴重沖突、不沖突。

2 結(jié)果與分析

2.1 綜合生態(tài)安全格局構(gòu)建結(jié)果

利用MSPA分析方法得到7種不重疊景觀類型,并統(tǒng)計其分類結(jié)果(表2)。

表2 景觀格局分類統(tǒng)計結(jié)果

對于MSPA分析方法處理的數(shù)據(jù)進行提取,得到全部核心區(qū)生態(tài)源地為2 045個,選取面積在2.5 hm2以上的生境斑塊,獲取52個作為研究區(qū)的生態(tài)源地,共計706.35 hm2,之后對獲取的生態(tài)源地進行重要性排序從而劃分等級(圖1a—1d)。根據(jù)阻力因子及賦值確定研究區(qū)阻力因子指標體系,利用MCR模擬出生態(tài)源地到目標源之間的最小成本路徑,計算出兩者間的最小阻力分布?；谧钚±鄯e阻力模型計算綜合阻力面,采用ArcGIS軟件平臺,在ArcGIS的空間分析工具箱下,利用距離加權(quán)工具生成每個源斑塊的累積成本面,利用距離最短路徑工具生成從源斑塊到目標斑塊的最小路徑。計算生成鄭州都市圈核心區(qū)各源地間的潛在生態(tài)廊道(圖1e、1f),剔除重復(fù)冗雜的廊道后,生成生態(tài)廊道共668條,長度為9 715.93 km。

圖1 研究區(qū)重要生態(tài)源地及潛在生態(tài)廊道分布Fig. 1 The important ecological sources and potential ecological corridors of the study area

根據(jù)ArcGIS 10.2中的空間分析,利用最小累積阻力柵格分布的拐點[26],劃分不同安全水平的緩沖區(qū)。通過自然斷點法將緩沖區(qū)域進行安全等級劃分[27],把鄭州都市圈核心區(qū)劃分為高、中、低三級生態(tài)安全水平(圖2a),區(qū)域的生態(tài)安全格局分布是由源地斑塊、生態(tài)廊道及生態(tài)節(jié)點共同組成,以此構(gòu)建研究區(qū)不同等級的生態(tài)安全格局分布圖(圖2b)。

低生態(tài)安全區(qū)的構(gòu)成要素主要為生態(tài)源地,對保護生態(tài)源地的擴展阻力高、抗干擾能力強[26],區(qū)域生態(tài)源地的面積較大,為2 490.29 hm2(表3),該區(qū)域包括研究區(qū)內(nèi)所有重大的生態(tài)管控區(qū)和重點風(fēng)景名勝保護區(qū),這些區(qū)域具有較強的生態(tài)敏感性,是維持區(qū)域生態(tài)穩(wěn)定的核心區(qū)域,屬于需重點保護的生態(tài)片區(qū)[28]。

表3 生態(tài)安全水平等級

中等生態(tài)安全區(qū)的面積為 9 989.57 hm2,占研究區(qū)面積占比的53.49%,中等生態(tài)安全水平區(qū)是潛在的生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施培育區(qū),要適度開展人類經(jīng)濟活動。高生態(tài)安全區(qū)面積為 6 195.42 hm2,該區(qū)域抗干擾能力較差,是生態(tài)保護的重點區(qū)域,在區(qū)域水土保持和生物多樣性保護中發(fā)揮著重要作用。

2.2 土地利用沖突空間識別分類結(jié)果

2.2.1 土地利用空間沖突分類

耕地沖突、建設(shè)用地沖突和綜合土地利用沖突分布見圖3。耕地生態(tài)沖突分布較為集中,研究區(qū)地勢較為平坦,耕地面積也較大,耕地生態(tài)綜合沖突中,各個沖突等級面積表現(xiàn)為不沖突>一般嚴重沖突>極嚴重沖突,一般嚴重沖突位于鞏義市、登封市范圍內(nèi),嚴重沖突位于鄭州市域范圍內(nèi)以及與鄭州周邊郊區(qū),該地區(qū)人口密度大、城市化程度高,并且靠近黃河流域,生態(tài)服務(wù)系統(tǒng)較高,是生境較好的地區(qū),更適合作為生態(tài)用地,所以耕地矛盾較為突出。建設(shè)用地生態(tài)沖突分布較為分散,不沖突區(qū)主要分布在各個市域范圍的主城區(qū)中部,一般嚴重沖突、極嚴重沖突主要位于研究區(qū)的北部,這部分用地范圍內(nèi)缺少生境質(zhì)量較好的生態(tài)源地,因此生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能較低,達不到做為生態(tài)用地的要求,反而地勢較為平坦,適宜為城市發(fā)展建設(shè)用地。在綜合土地利用沖突中,各個沖突等級面積表現(xiàn)為不沖突>一般嚴重沖突>極嚴重沖突。一般嚴重沖突、極嚴重沖突主要發(fā)生在耕地生態(tài)沖突中,由此可得出耕地生態(tài)沖突較為突出。該地區(qū)主要分布在鄭州市域、開封市域范圍內(nèi)且靠近黃河流域,這些地區(qū)人口密集、建設(shè)活動頻繁、土地空間擴張面積較大,以建設(shè)用地、耕地為主,人為因素占比過多,致使土地退化、水土流失等問題激增,導(dǎo)致土地利用沖突問題較嚴重。不沖突地區(qū)地勢較好,適宜人類開發(fā)建設(shè),市域生態(tài)環(huán)境較好,利于城市可持續(xù)發(fā)展,因此土地利用沖突不明顯。

圖3 土地利用沖突類型分布Fig. 3 Distribution of land use conflict type

2.2.2 土地利用空間格局變化

隨著城市化的發(fā)展,城市建設(shè)用地不斷擴大,表現(xiàn)在生態(tài)用地被侵占、環(huán)境問題引發(fā)的水資源枯竭等。在某種程度上可以通過土地利用強度的變化來反映一定時期內(nèi)各類用地類型在規(guī)模上的變化[29]。首先通過分析都市圈在2000、2018及2020年各用地類型的用途轉(zhuǎn)變、規(guī)模及占比情況,了解土地利用強度。鄭州都市圈在2000—2020年土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的變化,表現(xiàn)為耕地占比減少4.11%;建設(shè)用地占比增加7.80%,約2 767.62 hm2。其中耕地依然是鄭州都市圈占比最多的土地利用類型。從各地類面積數(shù)量變化上可看出,草地占比減少了3.41%,林地占比增加了0.96%,水域占比減少了1.11%。綜上,在鄭州大都市圈快速城市化的過程中,土地利用演變主要表現(xiàn)為耕地減少和建設(shè)用地急劇增加(表4)。

表4 鄭州都市圈土地利用數(shù)據(jù)變化(2000—2020)

選取2000、2020年的土地利用數(shù)據(jù),將用地類型分為草地、林地、水域、耕地、建設(shè)用地以及未利用地等6種類型,生成20年內(nèi)鄭州大都市圈核心區(qū)(鄭州、開封、許昌)的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣,結(jié)果見表5。

從表5可以看出,都市圈核心區(qū)在2000—2020年地物之間都發(fā)生了不同程度的轉(zhuǎn)化,2000、2020年耕地和林地總面積分別占國土面積的80%和70%以上,表明出現(xiàn)了小面積的水土流失和土地退化,部分自然生態(tài)保護地通過開發(fā)改造轉(zhuǎn)化為其他類型,耕地是城市建設(shè)用地的主要轉(zhuǎn)化類型?？傮w上看,鄭州都市圈核心區(qū)在近20年的發(fā)展中,空間擴張較為明顯,城市化進程顯著,其中建設(shè)用地面積增長顯著,其他各方面都有一定程度的波動。

2.2.3 土地利用空間沖突的影響因素分析

通過對鄭州都市圈核心區(qū)的土地利用空間沖突的分析,可以將空間沖突影響因素分為自然地理因素、社會經(jīng)濟因素兩大類型[30],由于研究區(qū)的地勢為平原和低山丘陵,對空間沖突的影響較小,其中社會經(jīng)濟因素是最為主要的影響因素。

鄭州都市圈核心區(qū)是整個鄭州都市圈發(fā)展?jié)摿ψ畲?、人口聚集最大的區(qū)域。2021年河南省統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)顯示,人口規(guī)模超過2 000萬人,都市圈核心區(qū)人均收入1.40萬元,人均消費1.58萬元(表6),實現(xiàn)都市圈核心區(qū)經(jīng)濟、社會的“雙驅(qū)動”發(fā)展。因此在人口數(shù)量、經(jīng)濟發(fā)展的驅(qū)動下,人口的迅速膨脹致使用地緊張,生產(chǎn)生活空間不足,進而通過空間擴張來滿足自身的發(fā)展需要,導(dǎo)致一定程度上對于生態(tài)空間等非建設(shè)空間的沖突。

表6 2021年鄭州大都市圈核心區(qū)各市人口 面積及收支情況

3 結(jié) 論

1)生態(tài)源地是物種生存與遷徙的重要節(jié)點,其生境質(zhì)量對生物多樣性的保護具有重要意義,研究區(qū)的生態(tài)源區(qū)包括自然保護區(qū)、森林公園、濕地、林地等。同時依托現(xiàn)狀道路、河流、綠帶形成3種模式的生態(tài)廊道,生成生態(tài)廊道共668條,長度為9 715.93 km,重要的生態(tài)廊道分布在一級源地附近,而東部的生態(tài)廊道較為欠缺。

2)根據(jù)景觀形態(tài)分析方法,提取高連通性斑塊作為本研究的生態(tài)源,利用最小累積阻力模型(MCR)構(gòu)建阻力面進行緩沖分析。根據(jù)最小累積阻力在鄭州都市圈核心區(qū)的空間分布情況,采用自然斷點法對研究區(qū)生態(tài)安全等級進行劃分,確定了研究區(qū)生態(tài)安全等級分別為低、中、高的格局。其中低、中、高阻力空間占比分別為13.33%、53.49%、33.17%。

3)鄭州都市圈核心區(qū)土地利用沖突分布特征顯著,耕地生態(tài)沖突分布較為集中,以不沖突為主;建設(shè)用地生態(tài)沖突分布較為分散,不沖突區(qū)主要分布在各個市域范圍的主城區(qū)中部,一般嚴重沖突、極嚴重沖突主要位于研究區(qū)的北部;在耕地建設(shè)生態(tài)綜合沖突中,各沖突等級面積大小為不沖突>一般嚴重沖突>極嚴重沖突,其中耕地生態(tài)沖突在土地利用沖突中占比最大。

4)研究區(qū)土地利用空間格局變化趨勢為2000—2020年區(qū)域景觀格局破碎化程度較高,分布不均衡。2000—2020年的斑塊密度變化幅度較高,表征2020年斑塊破碎化加快,破碎化現(xiàn)象較為嚴重;在最大斑塊指數(shù)和景觀聚集度指數(shù)空間尺度上,2000年最大斑塊指數(shù)值較高,表征研究區(qū)的核心區(qū)中面積較大的斑塊變少,表明核心區(qū)斑塊面積較大區(qū)域受斑塊破碎化的影響較大。