莱州市景观格局变化及生态安全分析

莱州市景观格局变化及生态安全分析摘要：该文以山东省莱州市为研究对象，从斑块类型和景观水平2个层次入手，筛选12个景观格局指数分析了莱州市的土地利用程度及整体景观变化；并采用景观干扰度和景观脆弱度两大指标进行景观生态安全分析，划分生态安全等级，分析2009—2018年的生态安全趋势。结果表明：莱州市受城市经济建设活动的干扰，耕地、林地、水域和建设用地的景观格局在2009—2018年间发生了一定变化，耕地、园地和林地的生态安全度下降。关键词:土地利用；景观格局；生态安全；莱州市AnalysisofLandscapePatternChangesandEcologicalSecurityinLaizhouCityAbstract：ThispapertakesLaizhouCity,ShandongProvinceastheresearchobject.Itfirststartsfromtwolevelsofpatchtypeandlandscapelevel,andselects12landscapepatternindexestoanalyzethespecificlandusedegreeandoveralllandscapechangeofLaizhouCity.Thetwoindicatorsoflandscapedisturbanceandlandscapevulnerabilityareusedtoconstructalandscapeecologicalsecurityanalysis,andtheecologicalsecuritytrendfrom2009to2018isanalyzedthroughtheclassificationofecologicalsecuritylevels.TheresultsshowedthatLaizhouCitywasdisturbedbyurbaneconomicconstructionactivities,andthelandscapepatternofcultivatedland,forestland,waterareaandconstructionlandchangedtosomeextentfrom2009to2018,andtheecologicalsecurityofcultivatedland,gardenlandandforestlanddeclined.Keywords:Landuse;Landscapepattern;Ecologicalsecurity;Laizhoucity1引言近年来,莱州市工业化、城镇化快速发展，在经济持续飞速增长的同时,资源环境快速消耗、局部生态问题突出，经济效益与生态效益渐趋失衡,生态环境压力加大，地区生态安全遭到威胁。而土地利用变化的研究对于深入分析莱州市的生态安全具有重要的作用，将景观格局分析与土地利用变化研究结合起来，可以更好地明确土地利用景观格局变化和生态安全的发展趋势。2020两会中提出要保持加强生态文明建设的战略定力，牢固树立“生态优先、绿色发展”的导向，持续打好“蓝天、碧水、净土”保卫战"'o因此,推动城市生态环境的整治与修复成为现今城市持续健康发展的题中之义。而对城市进行土地利用及生态安全分析有助于科学分析土地利用格局以及推测城市生态安全趋势,为推动城市生态环境保护和用地发展提供科学依据。部分学者运用不同的测度方法对不同区域的土地利用变化及生态安全进行了大量的分析研究，如洛仑兹曲线原理及基尼系数的算法⑵、空间叠加和空间统计分析方法⑵、传统生态足迹模型e'、PSR模型⑶等，也有学者通过结合景观格局指数和空间分析方法*8'分析城市及流域的时空生态安全变化，为本文研究提供了方法借鉴。本研究以山东省莱州市为研究对象，从斑块类型和景观水平2个层次入手，筛选斑块个数(NP)、斑块密度(PD)、最大斑块指数(LP1)等12个景观格局指数,分析莱州市的土地利用程度以及整体景观变化;并采用景观干扰度和景观脆弱度两大指标进行景观生态安全分析，划分生态安全等级,分析2009—2018年的生态安全趋势,为推动城市空间综合整治与生态修复提供参考o2研究区概况与数据来源2.1研究区概况莱州市是山东省辖县级市，位于山东半岛西北部,黄河三角洲的东北翼,下辖6个街道和11个镇,是重要的“黄河三角洲高效生态经济区地理坐标为北纬36。59'~37。28'、东经119°33,~120。18'。土地总面积1928km2，地势自东南部低山向西北部沿海低地呈台阶

式下降，总体较为平坦,土地肥沃'91。2.2数据来源本研究数据来源于《莱州市2018年统计年鉴》《山东省统计年鉴》、莱州市土地利用变更调查数据以及相应的国土资源部门网站资料。结合莱州市实际的土地利用现状类型,将莱州市土地利用景观类型整合为7类,分类结果如表1所示。表1莱州市景观分类与土地利用现状关系序号景观类型土地利用现状类型1建设用地采矿用地、城市、村庄、风景名胜及特殊用地、港口码头用地、公路用地、建制镇、农村道路、设施农用地、铁路用地2园地果园3水域内陆滩涂、坑塘水面、水库水面、河流水面、沿海滩涂、湖泊水面、沟渠、水工建筑用地4林地灌木林地、有林地、其他林地续表1莱州市景观分类与土地利用现状关系序号景观类型土地利用现状类型5未利用地沙地、裸地、盐碱地6耕地早地、水浇地7草地其他草地同时,利用ArcGIS10.2软件对莱州市2009年、2012年、2016年和2018年4段时期的土地利用变更调查数据进行地类分类。如图1所示,经面转栅格工具处理，得到4期莱州市土地利用景观类型栅格数据。借助Fragstats4.2软件进行景观指数分析,并运用景观干扰度指数和景观脆弱度指数评价莱州市生态安全整体水平。图12009—2018年莱州市景观分类变化3研究方法3.1景观格局分析景观格局主要是指空间格局，景观格局分析是对不同景观地类以及整体景观进行空间结构以及配置关系的分析，比较不同景观镶嵌体的特征及变化，确定景观格局和功能过程的相互关系。选取斑块类型和景观水平2个层次进行莱州市土地利用景观格局变化特征和趋势的分析。通过Fragstats4.2软件完成景观格局指数的计算，所选取的12个景观格局指数®，指数分别为斑块个数(NP)、斑块密度(PD)、最大斑块指数(LP1)、边缘密度(ED)、景观形状指数(LSI)、平均斑块大小(AR-EA_MN)、加权平均形状指数(SHAPE_AM)、周长面积分维数(PAFRAC)、景观连通度(COHESION)、分裂度指数(DIVISION)、香农多样性指数(SHDI)和香农均匀度指数(SHE1)。3.2景观生态安全分析在对莱州市7大景观类型整合与整体景观水平分析的基础上，景观干扰度和景观脆弱度指数由景观破碎度、景观分离度和景观优势度3个方面组成,定量化分析莱州市七大景观与莱州市整体的土地生态安全度。其中，景观干扰度和景观脆弱度运用阈值法进行标准化处理,两者权重结合前人研究成果与莱州市实际，景观干扰度和景观脆弱度各赋权0.5。3.2.1景观干扰度指数城市景观在自然及人为活动的干扰下，由单一、均质和连续的整体逐步转变为复杂、异质以及不连续的斑块镶嵌体""o本文对景观破碎度、分离度以及优势度指数进行叠加分析，构建景观干扰度指数，计算公式如下TOC\o"1-5"\h\zH=dCi+fUi+gVi (1)C=MB (2)U=何2G (3)Oi=MJB (4)C=BJB (5)Vi=dWJeGi (6)Wi=MJM (7)式中，H为景观干扰度;C为景观破碎度,Ui为景观分离度，Vi为景观优势度,d、f、g分别为三者的权重；Wi为景观类型相对密度,Gi为景观类型相对盖度,d、e分别为二者的权重;Oi为景观类型距离指数,Mi为景观斑块数量,N为景观斑块总数,Bi为景观斑块面积,B为景观总面积'61o根据前人对生态安全定量化分析的研究成果，同时与莱州市土地利用、景观格局变化等实际情况相结合，探析各景观指数对生态环境的贡献程度,分析发现景观干扰度计算的重要程度由高到低分别为景观的优势度、分离度和破碎度，分别赋权0.5、0.3、0.2,其中景观优势度中的相对盖度和相对密度分别赋权0.6、0.4"21o3.2.2景观脆弱度指数景观脆弱度是指不同景观类型所代表的生态系统当受到外界干扰后的易损性，景观脆弱度值的大小是由景观在自然演替中所处的阶段决定的ll3lo景观的利用变化在受到土地自然的影响的前提下，也会受到人为和自然的干扰。本文结合前人学者对景观脆弱度的研究成果g与莱州市多年土地利用变化情况，建立莱州市利用地类和景观的脆弱程度相关性,建设用地园地、水域、林地、未利用地、耕地和草地赋值从1~7依次递增,表示景观脆弱程度从脆弱至稳定。D=GJ (9)式中,D为景观脆弱度，/为景观脆弱度赋值，〃:为景观分离度，G为景观类型相对盖度。4结果与分析4.1景观格局时空变化4.1.1斑块类型格局变化通过莱州市景观斑块类型相关指数变化,解析莱州市城市景观整体格局变化和演变趋势。(1)建设用地:建设用地景观斑块总数在2009—2018年内降低13,景观连通度增加2.24%，如表2所示，表明莱州市建设用地景观的聚集性提高。随着莱州市工业化、城市化的发展,景观边缘密度和平均斑块大小呈增长趋势,莱州市景观破碎化程度随着城市活动的发展而增强。在此基础上,莱州市2009—2018年的建设用地加权平均形状指数明显上升，说明建设用地空间格局越来越复杂。而建设用地周长面积分维数有所增加，景观形状指数先下降再上升,到2018年再下降，说明莱州市建设用地斑块形状变化加大。最大斑块指数在2009—2018年内增加0.92%，在莱州市推动工矿业建设发展下，建设用地的景观优势度逐渐增加。表22009—2018年莱州市建设用地斑块指数年份NPLPIEDLSIAREA_MNSHAPE_AMPAFRACCOHESION20099655.049613.699733.817740.81153.41771.472189.632520129695.847714.126333.764743.44513.73471.480590.892920169735.867614.346134.101143.89333.89481.484991.237920189525.971514.398633.978945.48184.13821.49691.8715(2)园地：园地景观斑块个数减少,平均斑块大小总体增大，表明莱州市园地景观破碎化程度呈下降趋势。但是其景观连通度由2009年的61.30%下降至2018年的59.67%,如表3所示，最大斑块指数下降，说明园地景观结合紧密度和景观优势度并不高。而周长面积分维数更趋近于1,说明园地景观形状更简单，人为干扰有所增大。表32009—2018年莱州市园地斑块指数年份NPLPIEDLSIAREA_MNSHAPE_AMPAFRACCOHESION20097720.24097.027232.515814.11251.68131.547661.297420127730.24097.006732.421114.04411.67511.546561.188220167660.24096.919832.021114.02081.67131.542161.142620187370.18546.830831.663214.64481.58441.533359.666水域：水域景观斑块的个数和边缘密度总体下降，表明莱州市水域景观破碎化程度下降。莱州市水域景观最大斑块指数在2009—2018年内降低0.76%，如表4所示，说明水域的景观优势度逐渐下降。同时，景观形状指数、加权平均形状指数和景观连通度由23.72.2.15和81.42%增加到24.81、2.39和81.47%,说明水域景观受人类活动影响。例如，莱州市对各河流河道的整治、对各湿地公园的统一规划等，使得形状和空间格局更加复杂，水域景观更加聚集。表42009—2018年莱州市水域斑块指数年份NPLPIEDLSIAREA_MNSHAPE_AMPAFRACCOHESION20097673.43335.555623.715520.89342.14831.48981.420420127752.63275.659425.596318.37952.2721.498679.945820167722.62765.633125.486218.37572.29091.49880.127420187122.67385.450324.807319.84262.39071.520781.4641林地：林地景观斑块总数和边缘密度由975、10.2612增加为995和10.28hm2，平均斑块大小由25.61hm2下降为24.97hm2，如表5所示,说明林地景观破碎化程度上升。而加权平均形状指数和景观连通度呈现下降趋势，说明林地空间分布结构有一定规则，但是景观不够紧密。同时景观最大斑块指数明显下降，由3.12下降到2.88，林地景观优势度降低。表52009—2018年莱州市林地斑块指数年份NPLPIEDLSIAREA_MNSHAPE_AMPAFRACCOHESION20099753.129610.260232.020825.60483.29921.522287.091820129773.112110.239731.958325.39393.2961.522287.052420169833.11210.17931.99325.09123.30031.521687.073620189952.879310.271932.013924.97343.07681.517486.0938未利用地:未利用地面积较小,主要有盐碱地、裸地和沙地组成，集中分布在莱州市南部及沿海，2009-2018年未利用地景观斑块总数未发生明显的变化。而未利用地周长面积分维数、加权平均形状指数和景观连通度由1.43.1.80和74.02%降低到1.41、1.62和70.68%，如表6所示，说明未利用地空间格局更加规则，但是景观并不聚集。未利用地最大斑块指数明显下降，景观优势度较低。由于盐碱地、裸地和沙地一般难以利用，目前受人类的干扰较小。表62009—2018年莱州市未利用地斑块指数年份NPLPIEDLSIAREA_MNSHAPE_AMPAFRACCOHESION20091070.26351.306212.040826.95931.80411.432774.024720121070.26351.30161226.1451.81581.449373.433620161070.26351.299312.229226.05461.81351.450773.394220181130.14781.281412.041724.58551.62021.413170.6808耕地:耕地景观是莱州市的主要景观，耕地景观斑块总数在2009—2018年内降低11,平均斑块大小在2009—2018年内增加12.08hm2，如表7所示，表明莱州市耕地景观破碎化趋势减小。最大斑块指数由2009年的24.38%增加到2018年的31.49%，表明耕地在莱州市的景观优势度在逐渐上升。景观形状指数和边缘密度在2009—2018年内分别增加0.54hm2、0.11hm2，表明耕地景观斑块形状和边界形状有一定变化。加权平均形状指数、周长面积分维数和景观连通度指数均呈现增加的趋势，表明莱州市耕地景观斑块聚集逐渐加强。表72009—2018年莱州市耕地斑块指数年份NPLPIEDLSIAREA_MNSHAPE_AMPAFRACCOHESION200924524.38224.444740.0549366.95120.5611.634599.07201225824.206324.488140.2794346.716620.50331.634699.0549201626324.125424.49240.2904339.554520.42991.631999.049201823431.491524.548640.5904379.029924.83891.643999.2936草地:草地景观斑块总数、边缘密度以及平均斑块大小在2009—2018年变化不大，因此草地景观破碎化程度变化较小。景观形状指数、加权平均形状指数由2009年的32.20和1.57增加为2018年的32.35和1.62,如表8所示，而草地景观的周长面积分维数由2009年的1.59下降到2018年的1.57,表明莱州市草地景观斑块不规则趋势加大,景观形状复杂性增强，草地景观受人类一定干扰。在此基础上,最大斑块指数、景观连通度由2009年的0.29和53.77增加为2018年的0.30和54.43,说明草原景观优势度和聚集度仍有一定的上升。表82009—2018年莱州市草地斑块指数年份NPLPIEDLSIAREA_MNSHAPE_AMPAFRACCOHESION20098570.28866.21532.197710.26171.57421.586253.775120128380.28866.067831.800010.25181.58351.587154.03420168250.28865.979831.714310.26081.58141.58754.046720188560.29826.134932.352910.05321.62471.57854.4318图22009—2018年莱州市土地景观类型景观格局指数变化注:NP为斑块总数;COHESION为景观连通度;LPI为最大斑块指数;ED为边缘密度；LSI为景观形状指数；AREA_MN为平均斑块大小;SHAPE_AM为加权平均形状指数;PAFRAC为周长面积分维数。4.1.2景观水平格局由表9可知，莱州市2009—2018年间景观水平尺度格局发生了明显的变化。景观形状指数、周长面积分维数、最大斑块指数和景观连通度呈上升趋势，而景观斑块总数、斑块密度、景观分裂度、香农多样性指数以及均匀度指数呈逐渐下降趋势。莱州市耕地和水域景观变化较大，呈现缩减的趋势，建设用地面积不断扩大，这使得莱州市城市结构稳定性下降，城市格局复杂性加大。随着莱州市的城市化、工业化进程加速，从土地利用变化和景观格局变化分析来看，莱州市要更注重对城市的生态环境的保护与建设用地的高效利用，以统筹城市经济、生态与社会的可持续发展。表92009—2018年莱州市景观格局变化指数年份NPPDLSIPAFRACDIVISIONSHDISHEILPICOHESION200946882.430939.63131.51930.9171.51760.779924.38297.0117201246972.435639.841.52370.91761.50680.774324.206396.9995201646892.431439.81881.52420.9181.50460.773224.125497.0026201845992.381139.951.52530.88751.50850.775231.491597.5286注:NP为斑块总数;PD为斑块密度；LSI为景观形状指数;PAFRAC为周长面积分维数;DIVISION为景观分裂度;SHDI为香农多样性指数;SHEI为香农均匀度指数;LPI为最大斑块指数;COHESION为景观连通度。建设用地园地水域林地未利用地耕地草地建设用地园地水域林地未利用地耕地草地4.2景观生态安全由图3可知,莱州市2009—2018年间建设用地、耕地、园地和林地的生态安全度分别下降了0.03,0.01,0.001和0.003。近年来,莱州市城市第二、三产业加速发展，建设用地与耕地、林地的矛盾加大，耕地、园地和林地等自然景观受到较大的干扰，导致莱州市耕地、林地的生态安全明显降低。莱州市2009—2018年间水域的生态安全度有所上升，由2009年的0.893上升为2018年的0.906，主要是因为莱州市对河流水面、湖泊水面等水域的整治以及对湿地公园等生态环境的保护。根据参考文献并结合莱州市实际研究结果，将莱州市景观格局生态安全分为重警区、预警区、较安全区和安全区，2009一2018年莱州市景观类型安全等级发生了一定的变化，重警区的面积有所减少，安全区的面积有所增加。水域景观的安全等级由较安全区变为安全区，耕地景观的安全等级