鴨綠江口濕地區域土地利用格局變化及其對生態環境質量的影響

姚有慶，郭屹巖，李富祥，張春鵬

(1. 遼東學院 農學院，遼寧 丹東 118003；2. 遼東學院 理學院，遼寧 丹東 118003)

作為水陸交錯的生態敏感區域[1-2]，濕地是生態、經濟和社會可持續發展的重要資源[3]。濕地生態環境質量作為濕地保護的核心內容，關系著地區生態健康與可持續發展，是衡量濕地保護狀態和發展趨勢的重要內容[4]。土地利用格局是自然與人類活動因子交互作用的結果，其變化對生態環境質量影響深遠。開展濕地區域土地利用格局特征及其對生態環境質量影響的研究具有重要意義[5-6]。

鴨綠江口國家級濕地保護區，位于遼東半島和朝鮮半島交界處，總面積1 081 km2，沿黃海海岸線帶狀分布，區內陸地、灘涂與海洋交匯過渡，形成了內陸濕地與水域、海洋及海岸等相互交錯的復合生態系統，此生態系統具有物種多樣性、結構復雜性等特點，有著重要的生態、經濟和社會價值[1]。但因受人類活動干擾，鴨綠江口濕地的功能退化、生態系統穩定性差等問題日漸突出[1]。目前關于鴨綠江口濕地的研究主要集中在濕地環境對生物的影響方面。宋倫等[7]對鴨綠江口近岸海域生物群落進行了研究，認為鴨綠江口生物群落受外界干擾較嚴重，穩定性較差；孫寶娣等[8]對保護區生物多樣性維持價值進行了評價；張廣帥等[9]研究了近岸海域水質環境與浮游動物群落結構之間的關系，揭示海水水質環境健康狀態；馮晨晨等[10]對5種鳥類的食物組成進行了研究；董志剛等[11]對生物多樣性狀況及分布特點進行了研究。

近年來，濕地生態環境問題成為生態學和地理學研究的熱點，國內研究主要集中在濕地景觀格局動態演變、濕地生態環境及風險評價等方面。吳婷婷等[12]、焉恒琦等[13]對濕地景觀格局演變及影響因素進行了研究；孫才志等[14]對濕地景觀生態健康進行了評價；李富祥等[15]對濕地環境質量進行了風險評價。目前，鴨綠江濕地生態方面的研究具有局限性，對其土地格局的動態演變以及生態環境質量的定量評估有待深入探討。因此，本文以鴨綠江口濕地及周邊用地為研究對象，以其3個時期的遙感影像數據為基礎，通過土地利用動態度、土地利用程度綜合指數、土地利用轉移矩陣和InVEST模型生境質量指標分析等方法，準確計算鴨綠江口濕地區域土地利用格局時空動態變化特征值及對生態環境質量影響程度，為鴨綠江口濕地區域土地利用結構優化和生態環境保護提供科學依據。

1 研究區域概況與數據來源

1.1 研究區域概況

為了研究區域性土地利用動態變化趨勢和綜合因素對濕地生態環境質量的影響,選取鴨綠江口濕地保護區(陸地部分)及周邊鄉鎮土地作為研究區域[16]。根據中華人民共和國生態環境部發布的《關于發布河北大海陀等28處國家級自然保護區面積、范圍及功能區劃的通知》(環函〔2013〕161號)文件劃定的范圍,該濕地保護區包括孤山鎮、菩薩廟鎮、小甸子鎮、黃土坎鎮、椅圈鎮、北井子鎮、長山鎮和東港市中心，其中，新興街道、大東街道、新城街道為3個主要街道。鴨綠江口濕地位于遼寧省東港市境內，處于中國海岸線最北端，沿黃海海岸線向東西延伸，呈帶狀分布，屬于河口沖積平原，平坦開闊，氣候溫暖濕潤，年均氣溫9.8 ℃。濕地保護區周邊城鄉形成以水稻生產、水產養殖、海洋捕撈和旅游服務為主的多元化產業類型。

1.2 數據來源

根據遙感影像的光譜特征及《土地利用現狀分類》(GB/T 21010—2017)標準，結合已有的研究成果[14，17-18]，對研究區域土地利用的實際情況進行調研。本研究將土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、建設用地、養殖水面、沼澤濕地、淺海濕地等8個類型。土地利用數據來源于地理空間數據云(https:∥www.gscloud.cn/search)中的Landsat-5和Landsat-8遙感影像;投影坐標系為WGS_1984_UTM_Zone_51N;空間分辨率為30 m。

利用GIS軟件對數據進行預處理;分別選取Landsat-5和Landsat-8共3個時期遙感影像進行波段合成,其中,將Landsat t-5影像的7、5、1波段進行組合,Landsat t-8影像的7、6、2波段進行組合;結合人工解譯、現場核對等方法對土地類別進行識別,再使用多元聚類和最大似然法對土地類別進行分類;按研究區范圍做拼接及剪裁處理。研究區域的遙感影像數據源參數設置見表1。

表1 研究區遙感影像數據源參數設置

2 研究方法

運用土地利用變化數據測算土地利用動態度、土地利用轉移矩陣及土地利用綜合指數3項指標,研究2000—2020年鴨綠江濕地區域土地利用格局演變特征;通過生態環境質量指數及運用InVEST模型對生境質量指標進行計算,評估鴨綠江濕地土地利用變化對生態環境質量的影響。

2.1 衡量土地利用變化的指標測算方法

2.1.1 土地利用動態度

土地利用動態度K值描述某一土地利用類型一定時期內的轉化強度[19]。K的計算公式為

(1)

式中：Ua為初始時期的某土地利用類型面積,Ub為終止時期的某土地利用類型面積,T為期間時長。

2.1.2 土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣能反映研究期間各種土地利用類型相互轉化的動態信息，可以較好地表征土地利用類型的轉換狀態[20]。土地總面積A的計算公式為

(2)

式中：ai j為土地利用類型面積，ij為轉移前后的土地利用類型；n為土地利用類型數。

2.1.3 土地利用程度綜合指數

土地利用程度綜合指數L的值越高，表明其土地開發利用強度越大，反之越小[21]。L的計算公式為

(3)

式中：Ai為第i級土地利用程度分級指數，Ci為區域內第i種土地利用類型的面積比例。

本文研究的土地利用程度分級指數和生態環境質量指數[22-24]設置見表2。

表2 土地利用程度分級指數和生態環境質量指數設置

2.2 生態環境質量評估

2.2.1 生態環境質量指數

生態環境質量指數E為表征區域生態環境質量的總體狀況，其值越大，表示生態環境質量越好。E的計算公式[25]為

(4)

式中，Li為區域內第i種土地利用類型的面積。

2.2.2 土地利用對生境質量的影響

利用InVEST模型計算生境質量(habitat quality)指標，選取養殖水面、耕地、城鎮和農村建設用地4個典型土地利用類型作為威脅源，結合參考模型推薦值、專家意見及研究區域實際情況，確定生境質量威脅因子和敏感性參數，最終確定生境質量值域范圍。土地利用類型的生境退化程度Dxj的計算公式為

(5)

(6)

式中：R為脅迫因子個數；wr為脅迫因子r的權重；Yr為脅迫因子土地利用類型圖層中的柵格數；ry為每個柵格上脅迫因子數;Sjr為j類土地利用類型對脅迫因子r的敏感性;irxy為柵格y中的威脅因子r對柵格x的影響,其為線性衰退;dxy為柵格x(生境)與柵格y(威脅因子)的距離;dr為威脅因子r的影響距離;βx為保護程度,根據實際情況設為1。

當土地空間衰退類型為指數衰退時，irxy的計算公式為

(7)

土地利用類型生境質量指標Qxj的數值計算公式為

(8)

式中：Hj為土地利用類型圖j的生境屬性；k為半飽和常數，k值一般設置為生態環境退化程度最大值的1/2；依據InVEST 3.12.0 模型的使用說明，z值為模型默認參數，本文設置為2.5。

根據上述研究內容,確定生境質量指標值域為0～1。威脅源的權重及最大影響距離[6,26-27]和生境類型對各脅迫因子的敏感度[6,26-27]等參數設置見表3和表4。

表3 威脅因子最大影響距離、權重及其空間衰退類型的參數設置

表4 生境類型對脅迫因子的敏感度設置

3 結果與分析

3.1 土地利用變化指標測算結果

3.1.1 土地利用動態度

以2000—2020年的土地利用類型數據為基礎，利用公式(1)計算研究區域的單一土地利用類型動態度，計算結果見表5。

表5 單一土地利用類型動態度 單位：%

由表5可知，建設用地和養殖水面為正增長，其他用地為負增長。其中，沼澤濕地、草地、淺海濕地面積持續減小的趨勢明顯，且沼澤濕地面積減少最多。表明研究時期內研究區域用地受城鎮化發展的影響較大，生活和生產用地逐年擴張，擠壓了生態類型用地，造成濕地退化顯著。

3.1.2 土地利用轉移矩陣

利用土地利用轉移矩陣的時空變換和面積變化，分析研究區域的用地變化情況，結果見表6。

表6 研究區土地利用類型面積轉移矩陣 單位：km2

由表6可知，不同土地利用類型之間存在動態轉換關系,但研究區域建設用地與養殖水面的單向轉入特征明顯:2000—2010年有14.25 km2耕地轉為建設用地，10.40 km2水域轉為養殖水面;2010—2020年有11.01 km2耕地和15.26 km2淺海濕地轉為建設用地，11.43 km2淺海濕地轉為養殖水面；2000—2020年，20年建設用地和養殖水面的轉入面積分別為56.54和35.80 km2，分別占轉入土地面積的50.85%和32.2%；耕地、淺海濕地和水域為轉出地類，轉出面積分別為34.16、28.11和12.24 km2，分別占轉出土地面積的30.72%、25.28%和11.01%。上述數據表明，城鎮化和漁業產業的發展對研究區域的土地利用影響較大。

3.1.3 土地利用綜合指數

根據公式(3)計算出2000—2020年3個時期土地利用綜合指數分別為217.002 8、219.565 2和225.581 8，2000—2010年綜合指數增加2.562 4，變化率為1.18%；2010—2020年增加6.016 6，變化率為2.74%；2000—2020年增加8.579 0，變化率為3.95%(表7)。

表7 土地利用程度綜合指數分析

研究區域土地利用強度主要受2個方面因素影響，建設用地方及養殖水面的增加導致土地利用強度增大。結果表明，此期間研究區域土地利用強度逐年上升。

3.2 對生態環境質量的影響

3.2.1 生態環境質量指數分析

利用土地利用數據計算鴨綠江濕地區域生態環境質量指數，以此分析土地利用變化對生態環境的影響程度，結果見表8。

表8 生態環境質量指數

由表8可知,2000、2010和2020年的生態環境質量指數分別為0.462 9、0.455 7和0.441 6。2000—2010年生態環境變化值為-0.007 2，變化率為-1.56%；2010—2020年變化值為-0.014 1，變化率為-3.09%；2000—2020年變化值為-0.021 3,變化率為-4.60%。說明生態環境質量總體呈下降趨勢。

3.2.2 生境質量指標的時空變化

基于InVEST模型，根據已有研究和實際數據情況，將生境質量指標的值域范圍[0，1]以0.2為間隔分為5個區間，分別對應低、較低、中、較高和高5個等級，計算得到2000—2020年生境質量指標結果(表9)。

表9 不同等級的生境質量指標結果

由表9可知，生境質量指標在0～0.2的土地比例從12.15%增加到16.52%，在0.8～1.0的從32.84%下降到29.32%，在0.2～0.8的呈現緩慢下降趨勢，說明2000—2020年研究區域總體生態環境質量逐漸惡化;2000、2010和2020年研究區域生境質量指標的平均值分別為0.462 9、0.455 7、0.441 6,生態環境整體呈惡化趨勢;2000—2020年生境質量指標析空間特征為“南高北低”的空間分布格局,高和較高等級的區域主要分布在沿海區域和濕地保護核心區,低和較低等級的區域主要分布在城鎮建設用地和耕地區域,高等級和低等級區域為主要變化區域,高等級區域土地利用類型面積所占比例從32.84%下降到29.32%,低等級區域土地利用類型面積所占比例從12.15%上升到16.52%,表明城鄉建設活動導致的土地利用類型變化對生態環境質量造成負面影響,生態環境質量呈現逐年惡化的趨勢。

4 結論與討論

1)土地利用動態結果表明，土地利用類型存在相互轉化的關系，主要向建設用地與養殖水面用地轉入，轉入面積大、比例高，而耕地、淺海濕地和水域為主要轉出地類，建設用地快速擴張，生態用地大幅度縮減。

2)土地利用程度綜合指數逐漸上升，表明人類活動干擾增加，研究區域土地開發利用強度逐年加強。

3)生態環境質量指數逐漸下降，表明研究區域生態環境質量呈下降趨勢。

4)生境質量得分結果表明，高等級和低等級生態環境質量區域為主要變化區域，其中低等級地類面積逐漸增多，高等級地類面積逐漸減少，表明生境環境質量水平下降。

本研究表明，城鎮擴張對土地利用類型的改變導致區域生態環境質量整體下降趨勢明顯。2000—2020年城鎮擴張導致鴨綠江口濕地區域建設用地和養殖水面面積逐漸增加，林地、耕地、水體和海域面積逐漸減少，且各土地利用程度綜合指數變化增速提升，土地利用強度逐漸加強；土地利用類型變化對生態環境質量的影響為高等級生境質量用地數量減少趨勢明顯，低等級生境質量用地數量逐漸增加，說明濕地生態環境保護政策及相關策略對區域環境質量影響效應較弱，研究區域生境質量逐漸下降。

受周邊用地影響濕地區域生態環境質量的退化趨勢，對于濕地環境安全提出重要警示。為保護濕地生態系統，改善生態環境質量，緩解經濟發展與生態保護之間的矛盾，提出以下建議：

1)政府引領各部門協同,完善相關法律制度,嚴守濕地保護紅線,注重經濟與生態協調發展;

2)加大生態保護宣傳力度，提高周邊居民對濕地生態環境的保護意識；

3)科學合理地規劃用地，優先發展綠色生態產業，拓展生態用地面積，優化鴨綠江口濕地區域土地利用結構。

鴨綠江國家濕地保護區生態退化的主要原因是周邊城市化建設的影響。由于土地利用的綜合性、動態性及對生境質量影響的復雜性，明確土地利用對濕地生境質量的深度影響，還有待于進一步研究和探索。