張宇寧， 陳 琛， 易惠龍， 荊莉華，胡雅凡， 劉明月，2，3,4*， 滿衛(wèi)東，2,3,4*

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院；2.唐山市資源與環(huán)境遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;3.河北省礦區(qū)生態(tài)修復(fù)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院;4.河北省礦業(yè)開(kāi)發(fā)與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室：河北 唐山 063210)

景觀格局變化直接或間接影響著景觀中能量流動(dòng)、氣候變化、物質(zhì)循環(huán)等過(guò)程[1-2]。景觀格局分析能夠有效地揭示景觀格局變化規(guī)律，其主要分析方法包括景觀指數(shù)、空間分析和景觀格局動(dòng)態(tài)模型模擬，其中景觀指數(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的方法[3]。景觀格局指數(shù)應(yīng)用于景觀動(dòng)態(tài)變化的研究成果豐碩，在濕地[4-5]、沿海地區(qū)或河流[6-8]、耕地[9]等方面均有廣泛應(yīng)用。

傳統(tǒng)的景觀格局分析需要研究提取包括地物邊界周長(zhǎng)、面積、斑塊數(shù)量等地物信息，這種方法耗時(shí)耗力，隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，遙感影像能夠及時(shí)為景觀格局分析提供相對(duì)較新的數(shù)據(jù)[10]。湯佳對(duì)南昌市8年間規(guī)劃區(qū)內(nèi)的遙感影像進(jìn)行了分析，并基于GIS和RS等技術(shù)，提取各個(gè)景觀格局指數(shù)，研究并分析其景觀格局變化及驅(qū)動(dòng)力影響因素[11]。王東豪等通過(guò)對(duì)贛江新區(qū)1995—2015年景觀格局分析得出，景觀破碎化程度加強(qiáng)的結(jié)論，并通過(guò)CA-Markov 模型對(duì)景觀格局進(jìn)行預(yù)測(cè)[12]。

曹妃甸作為國(guó)家重要經(jīng)濟(jì)濱海開(kāi)發(fā)區(qū)，圍填海活動(dòng)頻繁，對(duì)景觀格局穩(wěn)定性產(chǎn)生了重要影響。該研究以曹妃甸作為研究區(qū)，基于1990、2000、2010和2017年Landsat TM/ETM+/OLI遙感影像，采用面向?qū)ο蠓诸惙椒ǐ@取曹妃甸土地利用數(shù)據(jù)，探究其景觀格局時(shí)空變化特征，解析其驅(qū)動(dòng)因素，為曹妃甸地區(qū)國(guó)土空間規(guī)劃提供科學(xué)參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

曹妃甸區(qū)地處河北省唐山市南部沿海地區(qū)，研究區(qū)范圍38°54′N～39°26′N，118°59′E～118°54′E，總面積約1 476.21 km2。曹妃甸區(qū)的氣候類型是暖溫帶半濕潤(rùn)大陸季風(fēng)氣候，并兼受短時(shí)海洋性氣候的影響，多年平均氣溫11.2 ℃，多年平均降水量552.2 mm。2003年開(kāi)發(fā)建設(shè)以來(lái)共投入4 000多億元，填海造地210 km2，10大產(chǎn)業(yè)園區(qū)相繼建成。其中，曹妃甸工業(yè)區(qū)從2005年開(kāi)始，通過(guò)大規(guī)模圍海造地進(jìn)行建設(shè)，規(guī)劃面積為310 km2，到2019年，已建成380 km2。根據(jù)曹妃甸區(qū)土地開(kāi)發(fā)利用的特點(diǎn)，將海岸帶的景觀分為11種景觀類型：草地、海、河流、濕地、灘涂、坑塘、耕地、鹽田、養(yǎng)殖池、人工表面(圖1)。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

遙感影像來(lái)自于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn/)，選取河北省唐山市曹妃甸區(qū)云覆蓋量低于10%，1990、2000、2010和2017年時(shí)相為6～10月的Landsat TM/ETM+/OLI影像，空間分辨率30 m。通過(guò)進(jìn)行幾何校正、大氣校正、圖像增強(qiáng)等處理，采用面向?qū)ο蠓诸惙椒ㄌ崛?期土地利用信息，經(jīng)驗(yàn)證精度94.53%，Kappa系數(shù)0.93，滿足研究需求。GNP、人口數(shù)據(jù)來(lái)自《唐山統(tǒng)計(jì)年鑒》。

1.3 研究方法

1.3.1 景觀動(dòng)態(tài)格局變化分析方法

景觀格局變化的原因在于外界的干擾作用，其結(jié)果使得景觀系統(tǒng)內(nèi)個(gè)別景觀要素的穩(wěn)定性和景觀的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致景觀格局發(fā)生變化[13]。選取指數(shù)包括:1) 面積指數(shù)：面積所占比例(PLAND)、最大斑塊面積指數(shù)(LPI)、平均斑塊面積(AREA-MN)；2) 分散指數(shù)：斑塊數(shù)(NP)、斑塊密度(PD)；3) 邊緣指數(shù)：總邊緣長(zhǎng)度(TE)、邊緣密度(ED);4) 聚集指數(shù)：聚類指數(shù)(CLUMPY)、相似臨近百分比(PLADJ)、連通度指數(shù)(COHESION)、聚合度指數(shù)(AI)；5) 形狀指數(shù)：景觀形狀指數(shù)(LSI)、面積加權(quán)的平均形狀指數(shù)(AWMSI)；6) 多樣性指數(shù)：香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)、香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)，分析曹妃甸區(qū)1990—2017年的景觀格局動(dòng)態(tài)特征。

1.3.2 動(dòng)態(tài)度模型

該模型可以描述研究區(qū)各類型景觀動(dòng)態(tài)變化的程度和速率，計(jì)算公式為[14-15]：

(1)

式中,K為研究時(shí)段內(nèi)土地利用類型動(dòng)態(tài)度；Ua，Ub，分別為研究期初與期末土地利用類型面積/km2；T為研究時(shí)間間隔。

2 結(jié)果與分析

2.1 曹妃甸土地利用時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征

曹妃甸區(qū)不同時(shí)期的土地利用類型空間分布特征如圖2所示。4個(gè)時(shí)期耕地占主導(dǎo)地位，主要分布于曹妃甸北部；其次為鹽田和養(yǎng)殖池，主要分布于沿海地區(qū)；建設(shè)用地呈現(xiàn)明顯的空間擴(kuò)張?zhí)卣鳎饕蜓睾５貐^(qū)擴(kuò)張；草地2010年開(kāi)始出現(xiàn)，主要因?yàn)閲詈；顒?dòng)擴(kuò)張出的土地未被利用，而成為稀疏草地。

由圖3和表1可知，曹妃甸區(qū)各時(shí)期土地利用類型以耕地為主，1990—2017年，耕地面積呈現(xiàn)先增加后減少趨勢(shì)，整體呈減少狀態(tài)，減少量為47.95 km2，動(dòng)態(tài)度為-0.29%；1990—2000年，耕地呈增加趨勢(shì)，增加的面積主要來(lái)源于對(duì)濕地的侵占，侵占面積達(dá)75.31 km2；2000—2017年，耕地減少11.69 km2，減少的耕地主要被人工表面侵占。1990—2017年，人工表面呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，增加量為258.16 km2，動(dòng)態(tài)度為6.75%；1990—2000年，增加的人工表面，主要來(lái)源于耕地，分布在曹妃甸北部，2000—2017年，增加面積為211.2 km2，主要分布在南部沿海地區(qū)，受圍填?；顒?dòng)的影響嚴(yán)重。1990—2017年，坑塘動(dòng)態(tài)度最高，其面積增加了20.90 km2。圍填海獲取的土地主要類型為人工表面和草地。

2.2 景觀格局分析

2.2.1 景觀水平上景觀格局變化

由表2可知，1990—2017年，曹妃甸地區(qū)景觀水平上的景觀格局變化主要特征有：NP和PD都出現(xiàn)了先減小后增加的情況，NP由1990年的1 280個(gè)增加到2000年的2 020個(gè)，后又減少到2017年的1 310個(gè)，PD由0.87增加到1.37后，又減少到0.89，說(shuō)明近27年來(lái)曹妃甸地區(qū)的景觀，破碎化程度先降低后增高。

表2 景觀水平上曹妃甸景觀指數(shù)變化

AREA_MN呈現(xiàn)出先增大后減小的情況，說(shuō)明曹妃甸區(qū)的景觀破碎化程度出現(xiàn)先增強(qiáng)后減小的情況，并在2010年達(dá)到最大值163.48 hm2。AWMSI則呈現(xiàn)出一直增加的趨勢(shì)，說(shuō)明曹妃甸區(qū)的斑塊形狀1990—2017年，變得愈來(lái)愈復(fù)雜，且景觀空間格局的復(fù)雜性也愈來(lái)愈高。

CONTAG出現(xiàn)先增加后下降現(xiàn)象，由1990年的58.35增加到2000年的60.98后減少到2017年的59.92，說(shuō)明曹妃甸區(qū)域的斑塊連接度呈先增加后下降趨勢(shì)，總體破碎化程度升高。SHDI和SHEI先減少后增加，說(shuō)明曹妃甸的土地利用豐富多樣性先減少后增加，但不定性的信息含量也隨之先減少后增加，優(yōu)勢(shì)板塊的主導(dǎo)作用先增高后降低。

2.2.2 斑塊水平上景觀格局變化

由表3可知，1990—2017年，耕地PLAND由33.69%減少到31.05%，AREA_MN呈先減小后增大再減小趨勢(shì)，NP、PD出現(xiàn)先減少再增多現(xiàn)象，說(shuō)明耕地斑塊變化劇烈，分布先聚集后分散，總體耕地景觀破碎度增加。從邊緣指數(shù)來(lái)看，TE和ED分別增加了451 020 km和30.05 m/hm2，反映了耕地景觀在外部影響下切割程度增大，景觀格局破碎化程度增加。從聚集指數(shù)來(lái)看，PLADJ和AI略微下降，說(shuō)明景觀鑲嵌體連通性下降，破碎化程度略有升高，景觀類型穩(wěn)定性下降。CLUMPY略有減小，說(shuō)明景觀略有分散。COHESION下降0.1%，說(shuō)明耕地斑塊的物理連接度略微下降。

表3 斑塊水平上曹妃甸景觀指數(shù)變化

同時(shí)，人工表面NP出現(xiàn)先增多后減少的現(xiàn)象，PLAND出現(xiàn)大幅度增加，AREA_MN由1990年的29.99 hm2增加到2017年的98.45 hm2，人工表面斑塊較大，PD由2000年的0.62減少到2017年的0.28，說(shuō)明人工表面分布較為聚集，景觀優(yōu)勢(shì)度上升。TE和ED分別增加了178 065 km和10.52 m/hm2，說(shuō)明人工表面景觀切割程度增大，景觀格局破碎化程度增加。從聚集指數(shù)來(lái)看，PLADJ增加了5.02%，COHESION略有增加，說(shuō)明人工表面趨于聚集，物理連接度增加。

養(yǎng)殖池斑塊在1990，2000，2010和2017年的PLAND分別為13.50%，17.44%，16.77%和17.08%，1990—2017年，養(yǎng)殖池PLAND總體呈增加趨勢(shì)，NP和PD總體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，說(shuō)明總體養(yǎng)殖池景觀破碎度增加。從聚集指數(shù)來(lái)看，PLADJ、COHESION、CLUMPY、AI 4個(gè)指數(shù)總體都出現(xiàn)了減小的現(xiàn)象，說(shuō)明養(yǎng)殖池斑塊趨于破碎，斑塊間物理連接度減小。

曹妃甸區(qū)濕地AREA_MN從1990年的100.90 m2下降到2017年的35.48 m2，說(shuō)明較多的自然景觀斑塊被改造為較小的斑塊，增加了景觀的破碎度。濕地PLAND不斷減小且NP，PD，TE，ED分別出現(xiàn)先減小后增大現(xiàn)象，說(shuō)明濕地在2017年破碎化程度較大。

續(xù)表3 斑塊水平上曹妃甸景觀指數(shù)變化

2.3 景觀動(dòng)態(tài)格局變化的驅(qū)動(dòng)力

2.3.1 政策因素

1990—2017年,曹妃甸景觀格局的變化與國(guó)家和地方政策密不可分。2009年國(guó)家海洋局下發(fā)了《關(guān)于曹妃甸循環(huán)經(jīng)濟(jì)示范區(qū)中期工程及曹妃甸國(guó)際生態(tài)城起步區(qū)區(qū)域建設(shè)用?？傮w規(guī)劃的批復(fù)》，批復(fù)的用海規(guī)劃區(qū)域面積達(dá)162.33 km2，2000—2010年,曹妃甸區(qū)大面積海域被圍填，主要用于工業(yè)區(qū)建設(shè)，使人工表面快速擴(kuò)張，人工表面斑塊呈現(xiàn)聚集趨勢(shì)，成為曹妃甸地區(qū)優(yōu)勢(shì)景觀，但仍有圍填海新增的土地未被利用，而形成了稀疏草地。土地利用結(jié)構(gòu)在經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)動(dòng)下有低收入土地結(jié)構(gòu)向高收入土地結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移，耕地急速減少，耕地景觀破碎程度增加[16-17]。2008年起，簽訂耕地保護(hù)責(zé)任書陸續(xù)簽訂，使得2010年以后耕地下降的形勢(shì)有所緩解。20世紀(jì)80～90年代以來(lái)，大量的天然濕地被人工開(kāi)發(fā)，主要是濕地轉(zhuǎn)化為水田等，使得濕地面積迅速下降，斑塊破碎化程度加深。在2005年9月，《唐海濕地和鳥(niǎo)類省級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理辦法》明確規(guī)定了要在本轄區(qū)內(nèi)劃出一定特殊保護(hù)和管理的區(qū)域，保護(hù)區(qū)范圍涉及了7農(nóng)場(chǎng)、4農(nóng)場(chǎng)和11農(nóng)場(chǎng)的部分區(qū)域，總面積11 064 hm2，使得濕地的消失速率大大減緩。

2.3.2 人口因素

1990—2017年,曹妃甸的人口總數(shù)也從13萬(wàn)增長(zhǎng)到29萬(wàn)人，其中,變化最為明顯的是2010年和2013年的2個(gè)大幅度的上升。為了滿足人民生產(chǎn)，生活，學(xué)習(xí)，娛樂(lè)等活動(dòng)的需要，加快了當(dāng)?shù)氐木用駞^(qū)、基礎(chǔ)設(shè)施等人工表面建設(shè)，使得人工表面面積增加，斑塊物理連接度增加，1990—2000年,人工表面主要來(lái)源為耕地，2000—2017年，人工表面主要來(lái)自于圍填海地區(qū)。人口數(shù)量增長(zhǎng)使得糧食需求量不斷增加，1990—2010年,大量自然濕地轉(zhuǎn)化為耕地。人口是影響土地利用變化的關(guān)鍵因素[18](圖4)。

2.3.3 經(jīng)濟(jì)因素

1990—2017年，曹妃甸國(guó)民生產(chǎn)總值從4.55億元大幅提升到439.15億元，這一結(jié)果說(shuō)明曹妃甸區(qū)的經(jīng)濟(jì)得到了快速發(fā)展。曹妃甸區(qū)填海建設(shè)完成，工業(yè)區(qū)面積規(guī)模擴(kuò)大，第一產(chǎn)業(yè)人口比重下降，第二產(chǎn)業(yè)得到快速發(fā)展，國(guó)民生產(chǎn)總值大幅度提升，與此同時(shí)，部分耕地改造為人工表面使得耕地斑塊破碎化程度加深，濕地大量被占用，自然景觀遭到破壞，使天然濕地斑塊物理連接度大大降低。圍填海運(yùn)動(dòng)以及其他斑塊類型的轉(zhuǎn)化使得人工表面板塊區(qū)域聚集，景觀優(yōu)勢(shì)度上升(圖5)。

3 結(jié)論

1) 曹妃甸土地利用類型中耕地主要分布在北部地區(qū)；鹽田和養(yǎng)殖池橫貫曹妃甸中部地區(qū)，2010—2017年，由于圍填?；顒?dòng)頻繁導(dǎo)致南部沿海地區(qū)出現(xiàn)大量人工表面以及未開(kāi)發(fā)的草地。曹妃甸區(qū)主要以耕地為主，呈現(xiàn)減少趨勢(shì)并趨于穩(wěn)定。

2) 1990—2017年，曹妃甸地區(qū)景觀水平上NP和PD都呈現(xiàn)了先減小后增加的趨勢(shì)，整體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，景觀破碎化程度先降低后增加，整體區(qū)域破碎化。SHDI和SHEI先減少后增加，曹妃甸的土地利用豐富多樣性先減少后增加。曹妃甸地區(qū)斑塊水平上人工表面AREA_MN增加，PD減少，人工表面分布較為聚集，景觀優(yōu)勢(shì)度上升；耕地PLADJ和AI略微下降,景觀鑲嵌體連通性下降,破碎化程度略有升高,景觀類型穩(wěn)定性下降;曹妃甸區(qū)濕地AREA_MN減小，較多的自然景觀斑塊被改造為較小的斑塊。政策、經(jīng)濟(jì)和人口等社會(huì)因素對(duì)景觀格局的變化產(chǎn)生了重要影響。

在曹妃甸土地利用類型驅(qū)動(dòng)力的研究中，可知土地利用格局的社會(huì)驅(qū)動(dòng)力主要有政策因素、經(jīng)濟(jì)因素和人口因素。在國(guó)家和地方政策的支持下，人口的增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)提升推動(dòng)了當(dāng)?shù)氐某擎?zhèn)化建設(shè)，對(duì)土地利用類型的變化產(chǎn)生了直接影響。

綜上所述，建議曹妃甸在城鎮(zhèn)化進(jìn)程中，強(qiáng)調(diào)注重生態(tài)與城市發(fā)展的平衡，轉(zhuǎn)向新型城鎮(zhèn)化建設(shè)，邁入以生態(tài)文明為導(dǎo)向的新時(shí)代，將生態(tài)文明融入城鎮(zhèn)化進(jìn)程中，減輕城鎮(zhèn)化對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞作用，同時(shí)控制人口增長(zhǎng)，減輕人類對(duì)對(duì)自然資源過(guò)度利用，為優(yōu)化曹妃甸的未來(lái)土地利用格局提供參考。