郭意新,李加林*,徐諒慧,鄭忠明,錢瑛瑛,任麗燕，關 健

(1.寧波大學 城市科學系，浙江 寧波 315211；2.浙江省海洋文化與經(jīng)濟研究中心，浙江 寧波 315211；3.寧波大學 海洋學院，浙江 寧波 315211；4.河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院；河南 鄭州 450016)

象山港海岸帶景觀生態(tài)風險演變研究

郭意新1，2,李加林*1，2,徐諒慧1,鄭忠明3,錢瑛瑛1,任麗燕1，關 健4

(1.寧波大學 城市科學系，浙江 寧波 315211；2.浙江省海洋文化與經(jīng)濟研究中心，浙江 寧波 315211；3.寧波大學 海洋學院，浙江 寧波 315211；4.河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院；河南 鄭州 450016)

海岸帶景觀是沿海地區(qū)社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的基礎，研究人類活動影響下的海岸帶景觀生態(tài)風險演變對海岸帶景觀規(guī)劃與景觀資源的合理開發(fā)具有重要意義。本文基于1990—2010年間3期的Landsat TM/ETM+遙感數(shù)據(jù)源，結合野外實地調(diào)查，研究了象山港海岸帶景觀生態(tài)風險及其變化趨勢。結果表明： (1)20 a間，象山港海岸帶景觀格局發(fā)生顯著變化，耕地、海域和林地等景觀類型面積呈下降趨勢，而建設用地、未利用地和養(yǎng)殖用地不斷增加；(2)1990年以來，象山港海岸帶景觀生態(tài)風險等級有不斷增高趨勢，部分低、較低等級生態(tài)風險區(qū)演變?yōu)橹械燃壱约拜^高等級；(3)從不同等級生態(tài)風險區(qū)的空間分布上看，1990年以來海岸帶景觀低和較低等級生態(tài)風險區(qū)空間分布在沿海地區(qū)減少，而中等、較高和高生態(tài)風險區(qū)在沿海地區(qū)不斷形成并向陸側(cè)擴張。從演化速率上看，近10 a的較高和高生態(tài)風險區(qū)面積增加速率較前10 a顯著加快。

海岸帶;景觀;生態(tài)風險演化;象山港

0 引言

生態(tài)風險是一個種群、生態(tài)系統(tǒng)乃至整個景觀的生態(tài)功能受到外界脅迫, 從而在當前和將來對該系統(tǒng)的健康、生產(chǎn)力、 遺傳結構、 經(jīng)濟價值和美學價值產(chǎn)生不良影響的一種狀況[1]。景觀生態(tài)風險分析可以從區(qū)域的角度出發(fā)，結合系統(tǒng)論和控制論理論，評估出人類活動及社會經(jīng)濟活動中的負外部性對區(qū)域內(nèi)部的景觀結構和功能產(chǎn)生危害的可能性大小及其影響程度[2]。

國內(nèi)外學者對不同區(qū)域生態(tài)風險進行了較為深入的探討，國外由于工業(yè)化和城市化社會發(fā)展較早，相關研究也比較成熟，如Chesapeake灣流域的生態(tài)風險評價[3]和基于區(qū)域尺度的生態(tài)風險評價[4]。國內(nèi)相關研究主要涉及海域生態(tài)風險評估[5]、流域生態(tài)風險評估[6]、土地利用風險評價[7-8]等。目前國內(nèi)外對景觀生態(tài)風險演變的研究，特別是海岸帶地區(qū)的景觀生態(tài)風險演變研究相對較少。本文以地處浙江沿海、人類開發(fā)影響顯著的象山港海岸帶為例，研究以人類活動為主要風險源的景觀生態(tài)風險演化，以期揭示景觀生態(tài)風險的時空變化規(guī)律，服務于象山港海岸帶景觀的持續(xù)利用。

1 研究區(qū)概況及邊界定義

象山港位于我國大陸海岸線的中部，浙江省中部偏北沿海，地理范圍介于29°20′N～29°50′N，121°15′E～122°00′E之間。

為方便區(qū)域環(huán)境管理，本文以象山港沿岸靠海鄉(xiāng)鎮(zhèn)作為海岸帶區(qū)域(圖1)，以2010年海岸線為研究區(qū)邊界，不包含隸屬的海灣海域，該區(qū)域共包含13個鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政單元，總面積約1 022.82 km2。研究區(qū)三面環(huán)山，陸域地形屬典型低山丘陵地區(qū)，地處亞熱帶季風氣候區(qū)，年均氣溫為16.2～17.0 ℃，年均降水量為1 239～1 522 mm。象山港海岸帶作為寧波市重要的沿海經(jīng)濟區(qū)，隨著象山港大橋的建成通車，區(qū)域交通更加便利，海岸帶開發(fā)活動不斷增強，海岸帶景觀演替也將進一步受到人類活動的干擾和影響。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)采集與處理

選取從美國地質(zhì)調(diào)查局網(wǎng)站下載的3個不同時期(1990，2000和2010年)Landsat TM/ETM+影像為數(shù)據(jù)源，其空間分辨率分別為30 m和15 m，遙感影像的成像時間均為植被覆蓋度較高的生長季。以野外實地考察獲取GPS控制點，以研究區(qū)1∶50 000數(shù)字柵格地圖為參考。

利用ENVI軟件，對遙感數(shù)據(jù)進行輻射校正、幾何糾正以及研究區(qū)范圍裁剪等預處理工作。依據(jù)全國土地利用現(xiàn)狀分類標準[9]，將研究區(qū)的景觀類型劃分為林地、耕地、建設用地、水域(湖泊、河流等陸上水體)、養(yǎng)殖用地、灘涂、未利用地及海域(特指海洋水體)8種景觀類型并進行初編碼，運用遙感軟件 eCogntion 8.0面向像元(對象)分類方式進行初分類；然后，對初分類結果進行對照以及人機交互式解譯、精度檢驗和校正，以確保結果可靠；最后得到3期研究區(qū)景觀類型矢量數(shù)據(jù)。由最近時相(2010年)的遙感影像及其解譯結果(圖2)可知，養(yǎng)殖用地、建設用地、未利用地和耕地等主要集中在象山港沿岸和象山港流域周邊河流的兩岸，水域和林地則主要分布于山地。

圖1 研究區(qū)區(qū)位圖

圖2 2010年遙感影像(a)及解譯結果(b)

2.2 風險小區(qū)劃分

依據(jù)景觀生態(tài)學方法，將生態(tài)風險指數(shù)落實到具體的地理區(qū)域。將研究區(qū)劃分為4 km×4 km大小的生態(tài)風險小區(qū)格網(wǎng)，共有113個生態(tài)風險小區(qū)。計算出每一格網(wǎng)的景觀生態(tài)風險指數(shù)，以此為基礎計算格網(wǎng)中心點的生態(tài)風險值。

2.3 景觀生態(tài)風險指數(shù)

前人對湖泊[10]、濕地[11]等的生態(tài)風險評價成果表明，不同的景觀類型對風險源的暴露-響應度是不同的，不同景觀也具有相當?shù)目臻g異質(zhì)性，生態(tài)系統(tǒng)的微小變化也表現(xiàn)出景觀結構組份的空間結構和功能的變化。

本研究擬用不同時相研究區(qū)海岸帶景觀來表征風險受體對人類活動的響應度，其中土地利用方式的轉(zhuǎn)變，是人類對區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)施加影響最顯著的方式之一。為了研究景觀空間異質(zhì)性，根據(jù)前人經(jīng)驗，本文通過構建景觀格局指數(shù)作為響應系數(shù)，進而計算生態(tài)風險值ERI用于評價研究區(qū)的生態(tài)風險水平。

本文選用的景觀格局指數(shù)包括：破碎度指數(shù)Bi，分離度指數(shù)Ci、優(yōu)勢度指數(shù)Di、干擾度指數(shù)Ei、脆弱度指數(shù)Si及損失度指數(shù)Ri，各指數(shù)的具體含義可參考文獻[2]。其中景觀干擾度指數(shù)表示景觀受到人類活動影響的干擾大小，計算公式為：

Ei=aBi+bCi+cDi

(1)

式中：a，b，c為相應各景觀指數(shù)的權重，且a+b+c=1，根據(jù)分析比較，破碎度指數(shù)Bi最為重要，其次是分離度指數(shù)Ci和優(yōu)勢度指數(shù)Di，分別賦予3個指數(shù)0.5，0.3和0.2的權值。

本文對研究區(qū)的8種景觀類型脆弱性進行評價及結果的歸一化處理，得到了各景觀類型的脆弱度指數(shù)Si[2,12](見表1)。

景觀損失度指數(shù)Ri主要用來表征不同景觀類型受體所代表的生態(tài)系統(tǒng)在受到外部風險源(包括自然因素和人為因素)的干擾時其空間范圍被剝奪的可能性，計算公式為：

Ri=Ei×Si

(2)

景觀生態(tài)風險指數(shù)是用于表征一個風險小區(qū)內(nèi)綜合的生態(tài)損失的相對大小，從而通過樣方法將景觀風險格局轉(zhuǎn)化為空間化的生態(tài)風險值，計算公式為：

(3)

式中：ERIi是第i個風險小區(qū)的景觀生態(tài)風險指數(shù)，Aki是第k個風險小區(qū)第i類景觀的面積，Ak是第k個風險小區(qū)內(nèi)的景觀總面積，i表示風險格網(wǎng)內(nèi)景觀類型數(shù)目。各指數(shù)含義參見文獻[2,13]。

2.4 空間分析方法

地學空間統(tǒng)計中用于解釋空間自相關的方法主要有Moran′I法和半方差分析法。Moran′I法對局部區(qū)域自相關解釋度不足，于是產(chǎn)生了解釋局部空間自相關的LISA作為補充，但對連續(xù)變量的解釋仍然有缺陷。半方差分析是一種描述和識別格局的空間結構和空間局部最優(yōu)化插值(用于解釋空間連續(xù)變量)的方法[13]。景觀生態(tài)風險指數(shù)作為一種連續(xù)的空間變量,半方差是度量其空間依賴性和空間異質(zhì)性的綜合指標，本文借助半方差分析方法中的半方差變異函數(shù)對格網(wǎng)中心點數(shù)據(jù)進行擬合[13-14]。根據(jù)實際程度的半方差圖，選擇最適合的模型進行計算，最終得到了生態(tài)風險指數(shù)的空間分布圖。

3 研究結果

3.1 景觀格局時空變化

利用Fragstats 3.4計算模塊，得到象山港海岸帶不同時期各景觀類型的景觀格局指數(shù)(表1)，由表1可知，20 a間，象山港海岸帶的景觀類型和分布發(fā)生了交叉演替。耕地、海域和林地等景觀的面積均呈現(xiàn)不斷下降趨勢，林地面積減少量居第一位，達52.75 km2，主要出于經(jīng)濟目的而遭到人類大范圍砍伐，轉(zhuǎn)變?yōu)槲蠢玫鼗蚋?。其次是耕地減少了45.51 km2，主要轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO用地。相反，建設用地增加了71.91 km2。此外，圍海養(yǎng)殖也使得養(yǎng)殖用地增加了36.40 km2。

從斑塊數(shù)量變化來看，各景觀類型的斑塊總數(shù)顯著增加，建設用地斑塊數(shù)量增加量最多，由1990年的40個增加到2010年的149個，凈增加達2.7倍。人類經(jīng)濟活動范圍的擴大導致了林地、海域以及水域空間破碎度和分離度明顯增加。特別當前正處于城鄉(xiāng)一體化加速階段和快速工業(yè)化的時期，建設用地比例持續(xù)增加，導致建設用地的空間分離度不斷減小和優(yōu)勢度不斷增加，具體表現(xiàn)為建設用地在地域上由零散分布到集中連片，如經(jīng)濟開發(fā)區(qū)。

3.2 景觀生態(tài)風險格局時空演變

由景觀生態(tài)風險指數(shù)算式，計算出象山港海岸帶113個風險小區(qū)3期的生態(tài)風險指數(shù)格網(wǎng)數(shù)據(jù)，基于變異函數(shù)的理論模型進行擬合，為保證結果精度，確定插值的柵格大小為30 m×30 m。在此基礎上，對3期的生態(tài)風險指數(shù)進行Kriging插值。為了讓不同時期的生態(tài)風險指數(shù)圖形空間化，本文采用相對指標法對風險小區(qū)的生態(tài)風險指數(shù)按照自然斷點等距劃分，等級間隔為0.010，劃分5個風險等級：低生態(tài)風險區(qū)(ERI<0.025)，較低生態(tài)風險區(qū)(0.025≤ERI<0.035)，中生態(tài)風險區(qū)(0.035≤ERI<0.045)，較高生態(tài)風險區(qū)(0.045≤ERI<0.055)，高生態(tài)風險區(qū)(ERI≥0.055)。最后得到了象山港海岸帶生態(tài)風險格局演變圖(圖3)，經(jīng)過柵格計算，可以得到不同生態(tài)風險等級所占面積(表2)。

表1 景觀格局指數(shù)

圖3 象山港海岸帶景觀生態(tài)風險演變圖(1990—2010年)

表2 生態(tài)風險等級面積變化

由表2可知，1990年研究區(qū)內(nèi)處于低生態(tài)風險等級和較低生態(tài)風險等級的區(qū)域面積為981.41 km2，共占全區(qū)總面積的95.95%。象山縣、寧?？h的山區(qū)一帶主要是低生態(tài)風險區(qū)。較低生態(tài)風險區(qū)主要在研究區(qū)海岸呈帶狀分布。處于中生態(tài)風險等級的區(qū)域主要分布在象山港流域各條河流的河口附近，面積約為41.41 km2，約占總面積的4.05%，此區(qū)域以平原為主，人口高度集中，社會經(jīng)濟活動活躍，城鎮(zhèn)和交通用地集中，造成了景觀類型斑塊的分離度和破碎度都較大，也正是生態(tài)風險相對較大的區(qū)域。

相比1990年，2000年低生態(tài)風險區(qū)面積減少了222.39 km2，而較低生態(tài)風險區(qū)逐漸向陸側(cè)方向拓展，侵占了林地和耕地。隨著城市化和工業(yè)化進程的不斷發(fā)展，人類對土地資源的需求不斷增加，人類活動的范圍逐漸由沿海平原區(qū)域向山地拓展，導致林地演變?yōu)樯鷳B(tài)風險脆弱度較高的耕地以及經(jīng)濟建設用地。研究區(qū)中等生態(tài)風險等級區(qū)域的分布面積增長迅速，從1990年的41.41 km2增加到2000年的130.83 km2。隨著象山港灣區(qū)自然淤積和人類圍海墾殖，更多的海域逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯せ坝^，導致海岸帶生態(tài)風險不斷增大。

2010年，研究區(qū)生態(tài)風險等級分布表現(xiàn)為低、較低生態(tài)風險等級區(qū)域面積持續(xù)下降。較高生態(tài)風險等級和高生態(tài)風險等級區(qū)域顯著增加，面積比重分別由2000年的1.36%和0%增加到2010年的4.45%和4.33%，凈增加面積分別為31.64 km2和44.33 km2。近10 a來象山港經(jīng)濟社會高速發(fā)展，海洋生產(chǎn)力、海洋經(jīng)濟成為熱詞，人類不顧海岸帶自然承載力的限度而貿(mào)然向海洋進軍，特別是在象山港灣區(qū)出口處的兩岸，各種小規(guī)模、粗放的海洋圍墾、圍海養(yǎng)殖和海洋化工等經(jīng)濟活動大行其道。結果不僅導致經(jīng)濟效益低下，而且景觀的生態(tài)風險增加。區(qū)域發(fā)展應從整體出發(fā)，重視統(tǒng)籌規(guī)劃和因地制宜地發(fā)展工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，充分考慮到海岸帶生態(tài)的脆弱性，實現(xiàn)經(jīng)濟、環(huán)境和人類社會的全面、協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展。

3.3 景觀生態(tài)風險轉(zhuǎn)化分析

為進一步了解風險等級轉(zhuǎn)變的內(nèi)在規(guī)律，利用ArcGIS面積制表工具對近20 a 2個時段內(nèi)的各生態(tài)風險等級轉(zhuǎn)化方向、面積和速率進行了定量分析(表3)。

表3 1990—2010年生態(tài)風險等級轉(zhuǎn)換面積及速率

對比前后2個10 a間的年均變化，生態(tài)風險等級呈下降趨勢的轉(zhuǎn)化類型有中生態(tài)風險等級向較低生態(tài)風險等級轉(zhuǎn)化和較低生態(tài)風險等級向低生態(tài)風險等級轉(zhuǎn)化；生態(tài)風險向高等級轉(zhuǎn)化的趨勢類型主要有低生態(tài)風險等級向中和較高生態(tài)風險等級轉(zhuǎn)化，較低生態(tài)風險等級向中、較高和高生態(tài)風險等級轉(zhuǎn)化，中生態(tài)風險等級向較高和高生態(tài)風險等級轉(zhuǎn)化以及較高生態(tài)風險等級向高生態(tài)風險等級轉(zhuǎn)化等等。從2個時段內(nèi)的變化速率來看，各生態(tài)風險等級向高風險等級轉(zhuǎn)換的速率均有所加快。

4 結論

本文以1990,2000和2010年3期的Landsat TM/ETM+遙感影像為基礎，根據(jù)景觀生態(tài)學的原理，構建了綜合生態(tài)風險指數(shù)，較客觀地反映了研究區(qū)不同時期的生態(tài)風險狀況。對研究區(qū)生態(tài)風險指數(shù)結果進行了分析，得出以下幾點結論：

(1)耕地、海域和林地的面積呈現(xiàn)逐年減少的趨勢，其破碎度和分離度增大，優(yōu)勢度不斷減小，受到了人類活動的干預而愈加分散化。建設用地和養(yǎng)殖用地面積增加明顯，空間上的分離度持續(xù)減小，優(yōu)勢度增大，此類景觀在空間上具有集聚效應。

(2)1990年，象山港海岸帶以低和較低等級生態(tài)風險區(qū)為主，面積占比達95.95%。2000年較低和中等生態(tài)風險區(qū)面積則增加明顯。說明低等級正在向更高等級演化。至2010年，低生態(tài)風險區(qū)面積持續(xù)減少，而較高與高生態(tài)風險區(qū)面積明顯增加。

(3)研究區(qū)內(nèi)的景觀生態(tài)風險在空間上的演化趨勢和速率表明，低生態(tài)風險等級區(qū)域不斷向陸側(cè)后退，較高和高生態(tài)風險等級區(qū)域不斷向陸側(cè)推進，呈現(xiàn)出此消彼長的趨勢。到2010年，較高和高生態(tài)風險區(qū)域集中在灣區(qū)出口處兩岸經(jīng)濟發(fā)達片區(qū)，該區(qū)域在近年得到了高強度開發(fā)，而耕地和建設用地成為主要的風險源。近10 a的低生態(tài)風險區(qū)面積減少速率與10 a前相比降低；另外較高和高風險面積增加速率明顯提升，反映了人類對海岸帶開發(fā)利用的強度不斷加大。

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Change of landscape ecological risk on coastal zone of Xiangshangang Bay

GUO Yi-xin1，2， LI Jia-lin*1，2， XU Liang-hui1， ZHENG Zhong-ming3， QIAN Ying-ying1, REN Li-yan1， GUAN Jian4

(1.UrbanScienceDepartmentofNingboUniversity,Ningbo315211,China;2.ResearchCenterforMarineCultureandEconomy,Ningbo315211,China; 3.SchoolofMarineSciences,NingboUniversity,Ningbo315211,China；4.InstituteofGeologicalEnvironmentalMonitoringinHenanProvince,Zhengzhou450016,China)

Coastal landscape is the foundation of social and economic sustainable development in coastal areas. It is significant to make an analysis about the change of landscape ecological risk on coastal zone to optimize the evolution of the coastal landscape planning and rational development of landscape resources. Based on the Landsat TM/ETM+ remote sensing data of 1990-2010 and field survey, the temporal-spatial change of landscape ecological risk on coastal zone of Xiangshangang Bay was analyzed in this study. The results show that: (1) Over 20 years, great changes of landscape patterns have taken place in Xiangshangang Bay. The areas of arable, sea and woodland have decreased, while the areas of construction land, unused land and aquaculture land have increased. (2) Since 1990, coastal landscape ecological risk grades of Xiangshangang Bay have a constantly increasing trend. Some low and lower grades of ecological risk areas have evolved to medium and higher grades. (3) Judging from the spatial distribution of different levels of ecological risk, it embodies that the low and lower grade ecological risk areas decreased in the coastal region from 1990 to 2010. The medium, high and higher grade ecological risk areas formed in the coastal region continuously and expanded landward. In terms of the evolutionary rate, for nearly 10 years, the high and higher ecological risk areas had a significantly acceleration comparing with those of previous 10 years.

coastal zone; landscape; ecological risk evolution ; Xiangshangang Bay

10.3969/j.issn.1001-909X.2015.01.009.

2014-11-04

2015-01-15

國家海洋公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目資助(201205005)；浙江省自然科學基金項目資助(Y5110321)；浙江省社科規(guī)劃項目資助(14JDHY01Z，11JCGL13YB)

郭意新(1993-)，男，安徽肥西縣人，主要從事海岸帶環(huán)境與資源開發(fā)方面的研究。E-mail：guo_yx@yeah.net

*通訊作者:李加林(1973-)，男，教授，主要從事海岸帶環(huán)境與資源開發(fā)方面的研究。E-mail：nbnj2001@163.com

P901；X826

A

1001-909X(2015)01-0062-07

10.3969/j.issn.1001-909X.2015.01.009

郭意新,李加林,徐諒慧，等.象山港海岸帶景觀生態(tài)風險演變研究[J].海洋學研究,2015,33(1):62-68,

GUO Yi-xin，LI Jia-lin，XU Liang-hui, et al. Change of landscape ecological risk on coastal zone of Xiangshangang Bay[J]. Journal of Marine Sciences,2015,33(1):62-68, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2015.01.009.