李 靜, 朱永明, 張 慧, 張貴軍

(河北農(nóng)業(yè)大學 國土資源學院, 河北 保定 071001)

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北戴河新區(qū)景觀生態(tài)安全格局源地動態(tài)識別

李 靜, 朱永明, 張 慧, 張貴軍

(河北農(nóng)業(yè)大學 國土資源學院, 河北 保定 071001)

源地是構(gòu)建景觀生態(tài)安全格局的基礎(chǔ)。考慮到時間動態(tài)變化，提出了進一步完善源地識別的方法，為更加合理地構(gòu)建景觀生態(tài)安全格局奠定基礎(chǔ)。借助Fragstats 3.4，ArcGIS 10.0，Conefor Sensinode 2.2和InVEST 2.2.0軟件，對北戴河新區(qū)1991年、2001年和2013年三期的景觀斑塊質(zhì)量進行動態(tài)評價，并將各時期評價結(jié)果劃分為1—5五個級別(定義級別數(shù)值越小，斑塊質(zhì)量越好)，疊加三個時期的分級結(jié)果，選取三個時期都為1級和2級的斑塊作為2013年的景觀生態(tài)安全格局源地。結(jié)果表明：北戴河新區(qū)源地總面積為73.34 km2，占全區(qū)總面積的14.25%。其中，1級斑塊的面積為37.44 km2，占全區(qū)總面積的7.27%；2級斑塊的面積為35.90 km2，占全區(qū)總面積的6.97%。源地主要分布在水產(chǎn)局及周邊、七里海及周邊、劉臺莊鎮(zhèn)東南部以及國有林場南部地區(qū)，應(yīng)當對這些區(qū)域進行重點管護。

環(huán)境科學; 源地識別; 動態(tài); 北戴河新區(qū)

20世紀90年代以來，隨著城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，諸如水土流失、草場退化、土壤鹽漬化、土地荒漠化、森林資源危機、水資源短缺、生物多樣性減少等各項生態(tài)問題也紛紛出現(xiàn)[1-3]，生態(tài)系統(tǒng)面臨越來越嚴重的威脅，生態(tài)安全問題逐漸引起人們的重視，各界學者從不同的視角對生態(tài)安全展開研究[4-5]。其中，我國著名學者俞孔堅教授提出的“景觀安全格局理論”為生態(tài)安全的研究做出了重要貢獻。俞孔堅教授提出了通過“確定源—建立阻力面—根據(jù)阻力面判別安全格局”的步驟構(gòu)建景觀生態(tài)安全格局[6]，這一方法已被眾多學者引用來研究景觀生態(tài)安全格局[7-10]。源地是現(xiàn)存的鄉(xiāng)土物種的棲息地，是物種擴散和維持的源點，具有內(nèi)部同質(zhì)性和向四周擴張或向“源”本身匯集的能力，是歷史時期生態(tài)系統(tǒng)相對穩(wěn)定的區(qū)域[6,11]，是構(gòu)建景觀生態(tài)安全格局的基礎(chǔ)。因此，對于源地的識別，既應(yīng)考慮斑塊空間上的生態(tài)質(zhì)量優(yōu)良性，又應(yīng)考慮斑塊時間上的生態(tài)質(zhì)量穩(wěn)定性。目前的研究，多是從空間尺度進行評價，選取生態(tài)質(zhì)量優(yōu)良的斑塊作為構(gòu)建景觀生態(tài)安全格局的源地，而從斑塊動態(tài)變化的穩(wěn)定性方面進行評價的較少。本研究從空間和時間兩個尺度綜合考慮，選取生態(tài)質(zhì)量優(yōu)良且變化穩(wěn)定的斑塊，作為景觀生態(tài)安全格局構(gòu)建的源地。

北戴河新區(qū)是我國首批國家智慧城市試點之一，是渤海灣著名的黃金旅游城市，其快速發(fā)展的旅游產(chǎn)業(yè)為當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展做出了巨大貢獻，然而，隨之出現(xiàn)的一些生態(tài)環(huán)境問題阻滯了北戴河新區(qū)生態(tài)旅游的發(fā)展。因此，構(gòu)建景觀生態(tài)安全格局，完善生態(tài)旅游規(guī)劃，意義重大。本研究以北戴河新區(qū)為例，在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上，嘗試從空間和時間兩個尺度綜合考慮，對景觀斑塊質(zhì)量進行評價，探討景觀生態(tài)安全格局源地的識別方法，為景觀生態(tài)安全格局的合理構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

北戴河新區(qū)位于秦皇島市域濱海地區(qū)的西側(cè)，在119°1′—119°24′E、39°25′—39°50′N，總面積514.79 km2。新區(qū)地勢平坦，海拔較低，年平均氣溫11℃，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，降水豐沛，雨熱同季。新區(qū)產(chǎn)業(yè)發(fā)展以旅游度假和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主，有連片的耕地和少量的園地等農(nóng)業(yè)資源，有諸如沙灘海水浴場、海洋大漠、瀉湖濕地和連綿林地等豐富的旅游資源，為發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)和生態(tài)旅游產(chǎn)業(yè)提供了得天獨厚的條件。然而，近些年來，人類活動程度的加劇，對北戴河新區(qū)的生態(tài)環(huán)境造成了一定破壞，耕地、水域等生態(tài)用地面積不斷減少。為維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定運行，為北戴河新區(qū)提供一個良好的旅游業(yè)發(fā)展環(huán)境，必須采取措施保護生態(tài)用地。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究所需不同時期土地利用類型分布圖由遙感影像解譯而來。研究選取了1991年9月的landsat 5 TM影像、2001年9月的landsat 5 TM影像和2013年10月的landsat8 OLI_TIRS影像。此三期遙感影像云量少、成像質(zhì)量好，有利于解譯的精確性。此外，還獲取了Google Earth 歷史圖像和北戴河新區(qū)2013年土地利用現(xiàn)狀矢量數(shù)據(jù)，用于解譯標志的建立。其他社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來自于北戴河新區(qū)統(tǒng)計年鑒和北戴河新區(qū)整治規(guī)劃資料。

遙感影像的解譯借助ENVI 4.7軟件，通過波段疊加、幾何校正、圖像融合、圖像鑲嵌、圖像裁剪和圖像增強等手段對3期遙感影像進行預處理。然后，進行監(jiān)督分類，根據(jù)研究所需數(shù)據(jù)類別，將研究區(qū)土地分為耕地、園地、林地、草地、水體、建設(shè)用地和未利用地。最后，對分類結(jié)果進行修正，并運用混淆矩陣和Kappa系數(shù)分別對1991年、2001年和2013年三期監(jiān)督分類后的影像進行解譯精度檢驗。經(jīng)檢驗，三期研究區(qū)遙感影像分類結(jié)果的Kappa系數(shù)分別為0.862 6，0.863 8，0.870 3，解譯精度均在80%以上，能夠滿足研究需要。將柵格圖像轉(zhuǎn)換為可以在ArcGIS 10.0軟件中編輯的矢量數(shù)據(jù)，參考前人對生態(tài)用地概念和分類的研究[12-13]，提取耕地、園地、林地、草地、水體作為生態(tài)用地，進行源地的識別研究。

2 研究思路與方法

源地的選取通過景觀斑塊質(zhì)量的評價來實現(xiàn)。景觀斑塊質(zhì)量的優(yōu)劣既表現(xiàn)在斑塊自身的特征屬性方面，又表現(xiàn)在斑塊對外界環(huán)境的響應(yīng)方面[14]。本研究從這兩個方面構(gòu)建景觀斑塊質(zhì)量評價體系，采用層次分析法確定權(quán)重，建立評價模型，分別對北戴河新區(qū)1991年、2001年和2013年的生態(tài)用地景觀斑塊質(zhì)量進行評價，并將結(jié)果劃分為五個級別，定義級別數(shù)值越小，景觀斑塊質(zhì)量越好。在此基礎(chǔ)上，疊加三期景觀斑塊質(zhì)量評價結(jié)果，選取三期都為1級和2級的斑塊作為2013年景觀生態(tài)安全格局的源地。

2.1 評價體系構(gòu)建

研究基于維持景觀過程完整性、維持生物多樣性和維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的，從斑塊自身特征屬性和斑塊對外界環(huán)境的響應(yīng)兩方面選取6項指標，運用層次分析法確定指標權(quán)重，構(gòu)建景觀斑塊質(zhì)量評價體系(表1)。

2.2 評價指標計算

本研究以斑塊為評價單元，計算各指標分值，并采用自然間斷點分級法將各指標分值劃分為1—5五個級別數(shù)值，定義級別數(shù)值越小，斑塊質(zhì)量越高，以此實現(xiàn)指標的無量綱化。各指標的計算方法如下：

(1) 斑塊面積、分維數(shù)、邊界破碎度的計算。斑塊面積、分維數(shù)和邊界破碎度的計算，借助Fragstats 3.4景觀分析軟件進行，并運用ArcGIS 10.0軟件將計算結(jié)果轉(zhuǎn)換為柵格格式。

表1 北戴河新區(qū)景觀斑塊質(zhì)量評價指標體系與權(quán)重

(2) 斑塊重要值的計算。斑塊重要值通過景觀連通性指數(shù)來實現(xiàn)，本研究選取可能連通性指數(shù)PC來進行斑塊重要值dPC的衡量?？赡苓B通性指數(shù)是一種可能性模型，反映斑塊之間連通性的可能性與斑塊之間的距離有關(guān)[15]。計算公式如下：

斑塊的重要值指在此點處斷裂(或者移除后)整個區(qū)域景觀連通性的變化量，斑塊重要值的計算公式如下：

(2)

式中：dPC為斑塊重要值；I表示景觀中所有斑塊的整體指數(shù)值；Iremove是去除某單個斑塊后剩余斑塊的整體指數(shù)值。

斑塊重要值的計算借助ArcGIS 10.0軟件、Conefor Inputs for ArcGIS 10插件模塊和Conefor Sensinode 2.2軟件共同完成。先計算斑塊節(jié)點數(shù)據(jù)和各斑塊之間的距離數(shù)據(jù)，再計算斑塊重要值，并將結(jié)果轉(zhuǎn)換為柵格格式。

(3) 生境質(zhì)量的計算。生境質(zhì)量的評估借鑒由美國斯坦福大學、世界自然基金會和大自然保護協(xié)會聯(lián)合開發(fā)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估工具InVEST模型來實現(xiàn)。InVEST模型通過分析生境斑塊受周圍環(huán)境的威脅程度來實現(xiàn)生境質(zhì)量的評估[16]，其執(zhí)行需要土地覆蓋圖、各威脅因子的影響程度及最大影響距離、土地覆蓋類型對各威脅因子的敏感度數(shù)據(jù)以及土地能夠受到合法保護的程度數(shù)據(jù)。土地覆蓋圖來自遙感解譯的30×30 m土地利用類型分布柵格圖，耕地、園地、林地、草地和水體為生境數(shù)據(jù)，生境適宜度(Habitat)賦值為1，其他土地為非生境數(shù)據(jù)，生境適宜度(Habitat)賦值為0。威脅源包括高速公路、鐵路、主要公路、其他建設(shè)用地和工礦用地五種，通過在土地利用類型分布圖中提取得到。各威脅因子的影響程度和最大影響距離及土地覆蓋類型對各威脅因子的敏感度數(shù)據(jù)參考相關(guān)文獻[14,17-19]并結(jié)合研究區(qū)實際得到(表2，表3)。考慮到土地合法保護程度數(shù)據(jù)的難獲取性，本研究不將此指標考慮在生境質(zhì)量的評估指標體系中。在ArcGIS 10.0軟件中添加InVEST 2.2.0工具，導入相應(yīng)數(shù)據(jù)，評估斑塊生境質(zhì)量。

表2 北戴河新區(qū)生境威脅因子影響程度與最大影響距離

表3 北戴河新區(qū)生境類型對各威脅因子的敏感度

(4) 生態(tài)服務(wù)價值的計算。生態(tài)服務(wù)價值的評估借鑒謝高地等人制定的中國生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值當量表來實現(xiàn)[20]。依據(jù)此表，得到耕地、園地、林地、草地和水體的生態(tài)服務(wù)價值，其中，園地的生態(tài)服務(wù)價值取林地與草地的平均值(表4)。將結(jié)果轉(zhuǎn)換為柵格格式。

表4 北戴河新區(qū)不同生態(tài)用地類型生態(tài)服務(wù)價值

2.3 評價模型構(gòu)建與源地識別

綜合評價在權(quán)重確定和指標無量綱化的基礎(chǔ)上，按加權(quán)模型來運算(公式3)，結(jié)果為五個級別，級別數(shù)值越小，斑塊質(zhì)量越好。

(3)

式中：Fi為第i個評價單元的質(zhì)量總分值；pij為第i個評價單元第j個指標的級別數(shù)值；wij為第i個評價單元第j個指標的綜合權(quán)重。

疊加1991年、2001年和2013年三個時期的景觀斑塊質(zhì)量綜合評價結(jié)果，選取三期都為1級和2級的斑塊，作為2013年景觀生態(tài)安全格局的源地。

3 結(jié)果與分析

根據(jù)上述研究方法，分別計算1991年、2001年和2013年的各評價指標分值，并采用自然間斷點分級法分為五個級別(圖1—6)，然后計算3個時期的綜合評價結(jié)果(圖7)，最后疊加得到源地分布圖(圖8)。

圖1 北戴河新區(qū)1991年、2001年和2013年斑塊面積級別

圖2 北戴河新區(qū)1991年、2001年和2013年分維數(shù)級別

圖3 北戴河新區(qū)1991年、2001年和2013年邊界破碎度級別

圖4 北戴河新區(qū)1991年、2001年和2013年斑塊重要值級別

根據(jù)景觀斑塊質(zhì)量綜合評價結(jié)果，結(jié)合各年各級別斑塊的面積統(tǒng)計數(shù)據(jù)(表5)，得到其時間變化和空間分布上的特征。

圖5 北戴河新區(qū)1991年、2001年和2013年生境質(zhì)量級別

圖6 北戴河新區(qū)1991年、2001年和2013年生態(tài)服務(wù)價值級別

圖7 北戴河新區(qū)1991年、2001年和2013年景觀斑塊

圖8 北戴河新區(qū)2013年景觀生態(tài)安全格局源地動態(tài)識別

3.1 1991—2013年，北戴河新區(qū)景觀斑塊質(zhì)量呈現(xiàn)先下降后上升的時間變化規(guī)律

從時間動態(tài)變化來看，1級斑塊的面積1991年為53.24 km2，2001年為47.10 km2，較1991年下降了11.53%，2013年為62.26 km2，較2001年上升了35.19%，可見，1991—2013年，1級斑塊的面積總體呈現(xiàn)先下降后上升的態(tài)勢。2級斑塊的面積1991年為67.04 km2，2001年為53.26 km2，較1991年下降了20.55%，2013年為47.02 km2，較2001年下降了11.72%，可見，1991—2013年，2級斑塊的面積總體呈現(xiàn)下降的態(tài)勢，但下降幅度逐漸降低。1級斑塊和2級斑塊的總面積1991年為120.28 km2，2001年為100.36 km2，較1991年下降了16.56%，2013年為109.28 km2，較2001年上升了8.89%，可見，1991—2013年，1級斑塊和2級斑塊的總面積總體呈現(xiàn)先下降后上升的態(tài)勢。總體來說，1991—2001年，景觀斑塊質(zhì)量呈現(xiàn)下降的態(tài)勢，景觀破碎化加劇，人為活動對景觀的干擾加強，生態(tài)安全受到威脅；2001—2013年，景觀斑塊質(zhì)量逐漸提高，主要是因為這12 a間，新區(qū)經(jīng)過河道疏浚、沿海防護林培育、土地整治等有利于生態(tài)防護措施的實施，生態(tài)環(huán)境得到改善，總體斑塊質(zhì)量得到一定提升。

3.2 2013年，北戴河新區(qū)源地呈現(xiàn)向連片的水體及林地附近散布的空間分布規(guī)律

從空間分布來看，2013年源地的總面積為73.34 km2，占北戴河新區(qū)總面積的14.25%。其中，1級斑塊的面積為37.44 km2，占新區(qū)總面積的7.27%；2級斑塊的面積為35.90 km2，占新區(qū)總面積的6.97%。源地主要分布在水產(chǎn)局及周邊、七里海及周邊、劉臺莊鎮(zhèn)東南部以及國有林場南部地區(qū)，國有林場所占比例最大，約有73.07%。水產(chǎn)局以及七里海周邊生態(tài)用地類型主要為水體，平均斑塊面積較大，斑塊連通性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值較高，七里海屬于黃金海岸國家級自然保護區(qū)的核心區(qū)范疇，水生動植物資源豐富，其中有國家二級保護動物文昌魚。劉臺莊鎮(zhèn)東南部分布有面積較大的成片水田，景觀連通性比較好；國有林場是國家級自然保護區(qū)，其南部地區(qū)有較大面積的水體資源和森林資源，動植物物種豐富，其中有國家二級保護植物狹葉瓶爾小草和世界瀕危動物黑嘴鷗，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值非常高。應(yīng)當加強景觀生態(tài)安全格局源地的保護力度，降低人為活動對生態(tài)環(huán)境的不良干擾。

表5 北戴河新區(qū)1991年、2001年和2013年各級別

4 結(jié)論與討論

本研究以北戴河新區(qū)為例，探討了景觀生態(tài)安全格局源地的動態(tài)識別方法，為更加合理地構(gòu)建景觀生態(tài)安全格局提供基礎(chǔ)。研究從斑塊自身特征屬性和斑塊對外界環(huán)境的響應(yīng)兩個方面選取指標，對北戴河新區(qū)景觀斑塊質(zhì)量進行了動態(tài)評價和分級，在此基礎(chǔ)上，選取質(zhì)量良好且生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的斑塊作為景觀生態(tài)安全格局構(gòu)建的源地。源地分布在景觀連通性好、生態(tài)服務(wù)價值高、生物多樣性豐富、生態(tài)系統(tǒng)較穩(wěn)定的區(qū)域，這些區(qū)域不僅對新區(qū)的生態(tài)安全格局有重要的影響，也對新區(qū)產(chǎn)業(yè)尤其旅游業(yè)的發(fā)展有重大影響，因此，應(yīng)當加強對這些區(qū)域的保護，合理限制人為活動對其景觀的干擾。

本研究從空間和時間兩個層面識別源地，比單單考慮空間層面更能相對準確地定位源地的位置與規(guī)模。由于數(shù)據(jù)獲取方面的限制性，本研究對某些一定程度上影響源地識別的指標如生境質(zhì)量評估中的土地合法保護程度等未加考慮，今后的研究中，應(yīng)當進一步探索調(diào)查源地識別的影響因素，完善指標體系，以更加準確地定位源地的位置與規(guī)模。

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Dynamic Recognition of Source Area of Landscape Ecological Security Pattern in Beidaihe New District

LI Jing, ZHU Yongming, ZHANG Hui, ZHANG Guijun

(CollegeofLandandResources,AgriculturalUniversityofHebei,Baoding,Hebei071001,China)

Source area is the foundation of constructing ecological landscape security pattern. Taking into account the effect of time dynamics, we propose a new methodology to improve source area recognition in order to lay foundations for the reasonable construction of ecological landscape security pattern. With the aid of software such as Fragstats 3.4，ArcGIS 10.0，Conefor Sensinode 2.2 and InVEST 2.2.0, we present a dynamic evaluation of landscape patch quality in three specific periods, respectively 1991, 2001 and 2013 in Beidaihe New District. All the final results of evaluation are divided into five levels, representing with numbers 1 to 5(the smaller the level, the better the quality of the patch). Afterwards, the classification results of the three years are superimposed, and the patches in level 1 and 2 are selected as the source area for landscape ecological security pattern in 2013. It turns out that the total source area in Beidaihe New District is 73.34 km2, accounting for 14.25% of the total area of Beidaihe New District. Among them, the patch of level 1 is 37.44 km2, which makes up 7.27% of the total area of Beidaihe New District; the patch of level 2 is 35.90 km2, presenting 6.97% of the total area of Beidaihe New District. The patches of source area mainly distribute in Aquatic Bureau and Seven Caspian Sea and surroundings, southeast of Liutaizhuang town and south of State-owned Forest. It is extremely essential to focus on the management and protection of these areas.

environmental science; recognition of source area; dynamic; Beidaihe New District

2015-12-28

2016-01-22

河北省社會科學基金項目(HB14GL039);河北省社會科學發(fā)展研究課題(2014030224)

李靜(1989—),女,河北保定人,研究生,碩士,從事土地資源利用與規(guī)劃研究。E-mail:bdlj1989@163.com

朱永明(1969—),男,黑龍江綏化人,副教授,碩士,從事土地資源利用與規(guī)劃研究。E-mail:zhyming2005@126.com

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1005-3409(2016)06-0340-05