2. 中国科学院地理科学与资源研究所, 北京 100101;
3. 淮南市毛集区科技局, 淮南 232181
2. Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China;
3. Science & Technology Burean of Maoji District, Huainan 232181, China
湿地景观功能多样,生态服务价值(气候调节、 生物多样性维持,生态平衡维护等)巨大,是维持地圈、 生物圈以及痕量气体释放与水循环所需大量物质流与能量流的源和汇[1,2]. 作为一个典型的巨大耗散结构体系,湿地生态系统结构功能复杂,受人为影响显著[3],其土地利用格局变化在时间尺度上表现为不同景观的演替过程和变化规律,在空间尺度上则表现出不同景观格局和组合模式[4,5],这种异质性变化不仅对系统物质迁移和能量流动影响深刻,对区域生物和地理生态过程也产生了巨大的环境效应[6,7]. 当前学者们对湿地格局变化的研究多遵循“压力-状态-响应(PSR)”的三段式研究范式[8],研究地集中于经济发达区域,研究重心为湿地水质变化,土地利用格局演变,湿地变化驱动力构成及权重大小,或随着尺度上推,探索驱动机制变化情况与发展阶段等方面[9, 10, 11]. 对于能够直接反映湿地生态系统健康运转,区域自然-社会-经济耦合系统可持续性的长时间动态性研究相对较少. 本研究利用土地变化测度模型从不同时间、 空间尺度探究湿地土地利用格局变化特征,并根据可持续性的生态学[12]理念,构建区域可持续性评价体系,对湿地生态系统可持续发展水平进行量化分析,以期为湿地综合管理和可持续规划提供科学依据,对其他生态系统可持续性研究也有借鉴作用.
1 材料与方法
1.1 研究区概况
焦岗湖湿地位于淮北平原,地理位置116°20′~116°42′ E,32°33′~32°44′N,流域面积497 km2,是淮河中游最大的生态湿地,辖区内湿地、 煤炭、 生物资源丰富,被誉为“安徽白洋淀[13]”(图 1). 近年来,以湿地资源为依托,研究区建成“国家湿地公园”,“可持续发展示范区”,“生态旅游观光区”等绿色产业,有效的推动了当地生态文明建设及经济发展的进程. 然而随着人口增长,旅游开发及部分乡镇工业的发展,焦岗湖湿地景观变化剧烈,湖泊富营养化日趋严重,湿地服务功能退化,人地关系矛盾上升,区域可持续性受到当地政府及民众的广泛关注[14].
![]() | 图 1 研究区概况及验证点分布 Fig. 1 Research area and distribution of verification point stations |
引入动态变化中“流[15]”的概念来表示土地利用变化[流入(Fin)和流出(Fout)]的矢量属性. 土地转移流流量(Ft)和流变程度采用单一土地利用动态度[9][K,研究时段(T、 a)内土地转移流净值(Fn)占初期该土地利用类型面积(A)比重]和综合土地利用动态[9](Ls,区域各地类转出流与2倍研究初期地类面积的百分比)表示,公式分别为:
土地转移流程度大小及变化特征采用土地系统信息熵Hi[15]、 土地转移程度综合指数Ij[16]和土地转移程度变化指数Ib-a[16]表示,公式为:
由于近年来研究区受城市化影响显著,具有区别于自然湿地的显著特征,同时考虑湿地管理的便利性,以集水区范围划分研究区域[11](集水区范围通过ArcGIS 10.0对淮南市30 m分辨率的DEM数据进行水文分析,并结合1 ∶50 000地形图校正后获取).
生态系统的健康运行是指其景观网络在适应性和多样性逐步提高的过程中系统内关键景观和有机组分保存完整,物质流与能量流循环有序,并对长期或突变的自然及人为扰动造成的代谢耗散保持弹性和稳定性[6,12]. 而传统的可持续性评价手段倾向于短时间、 小尺度的经济指标[6],忽视了湿地格局变化影响下区域社会发展、 环境负荷、 资源禀赋等非线性过程变化结点,易造成指标信息量缺失,评价结果不够客观[3]. 基于此,本研究在参考国内外研究进展[2, 8, 10]的基础上,结合当地区域景观特征构建区域可持续性评价体系,用区域生产力(权重为0.347 8)、 区域受胁度(权重为0.321 1)和区域稳定性(权重为0.331 1)3个子系统衡量和分析研究区可持续发展水平和存在风险. 测评体系包括1个目标层,3个决策层和12个准则层(图 2),各子系统权重通过Delphi法[6]确定.
![]() | 各模块面积大小为其所在系统权重图 2 区域可持续性评价体系 Fig. 2 System structure of evaluation index of regional sustainability |
区域生产力[17]可反映区域景观的生产能力水平,包括湿地生态系统服务能力[18]、 水资源承载力[19]、 土地利用经济效益和土地生产潜力这4个方面. 其中湿地生态系统服务能力采用湿地单位面积产值(C1)表示; 土地利用经济效益采用地均工农业产值(C3)表示; 考虑到农业机械总动力与农业生产力关系密切,可在一定程度上代表农业现代化程度[17],因此采用地均农业机械总动力表示研究区土地生产潜力(C4).
区域受胁度[5,9]指人类扰动对区域景观的胁迫程度,用于对不良代谢因子的识别. 受胁度越高,景观网络负荷越大,区域持续性越差. 可分为景观危机触发值,人口负荷,土地系统负荷和水体负荷4方面. 引入社会物理学中“系统和谐[20]”理念,即区域景观熵增达到可以跃迁的能量储备时,便会在“危机触发值”的点燃下,引发不同尺度的景观无序化和劣质化[20],对系统“危机触发值”的度量就能对区域生态系统退化趋势做出有效判断和预测,因此选取不同系统劣质化因子进行加权求和来表示湿地景观危机触发值(C5); 水体负荷采用湖泊富营养化水平[6](C6)表示; 复种指数[21](耕种面积/耕地总面积)可有效反映土地利用效率及研究区光、 热、 水、 气等自然资源状况,因此使用逆向指标复种率(C7)(耕地总面积耕/种面积)衡量土地系统负荷大小,复种率越高,土地系统负荷越大; 人口负荷采用人口密度表示(C8).
区域稳定性[12,22]可反映区域景观对外界扰动的反应能力和自我调控能力,包括土地利用变化剧烈程度、 景观异质性水平、 景观多样性水平和地表透水功能这4个方面. 其中土地利用变化剧烈程度采用土地转移程度综合指数[16](C9)表示; 景观聚集度(C10)和景观多样性指数(C11)可有效反映区域景观异质性和多样性格局[22,23]; 地表透水功能强弱是体现湿地生态功能价值,维持地域水循环及其他物质和能量循环的基础[12,24],可用度量地表景观组成格局的自然度指数[24](C12)来表示.
运用Delphi法[6]进行指标筛选和调整,并通过Pearson相关分析(P<0.05)对重复指标进行剔除,所选具体指标见表 1. 湿地单位面积产值、 水资源承载力、 湖泊富营养化水平、 景观聚集度、 景观多样性和景观自然度等模型计算方法分别参看文献[18, 19, 21, 22, 23, 24]. 按不同模型要求计算准则层各指标得分,标准化后进行加权求和即为相应决策层及目标层得分(目标层计算时对景观受胁度得分进行逆向转换[3]). 各指标权重通过Delphi法[6]结合层次分析模型[3]获取(表 1). 应用模糊数学模型[25]对目标层进行综合评价. 结合相关文献建议值将指标评价等级标准划分为很差(0.1,Ⅰ级)、 差(0.3,Ⅱ级)、 中(0.5,Ⅲ级)、 良(0.7,Ⅳ级)、 优(0.9,Ⅴ级)5级. 应用梯形隶属函数建立评价矩阵,评价结果为评价矩阵与指标层权重权重的线性相乘[25].
![]() | 表 1 可持续性评价指标体系 Table 1 Index system of regional sustainability evaluation |
土地利用数据采用1995、 2000、 2005、 2010和2013年5期TM影像数据(轨道号为122/37,均为5~7月夏季时相),利用ENVI 4.8 对影像进行校正和转换后,在ArcGIS 10.0软件中参照文献[26]划分为旱地、 湿地、 水田、 建筑用地和未利用地这5类,并选取76个典型特征点进行验证(图 1).
景观聚集度计算采用Fragstats软件. 社会统计数据来自各年份《安徽省统计年鉴》、 《淮河片水资源公报》、 《淮南市统计年鉴》、 《淮南水资源公报》、 《毛集实验区志》和《毛集区统计公报》. 原数据根据各自模型要求进行不同量化处理,Pearson相关分析和数据线性拟合采用SPSS 17.0,水资源承载力、 景观危机触发值及模糊综合评价应用Matlab 7.0进行计算. 2 结果与讨论 2.1 土地利用空间格局分析
研究区各时段土地利用类型分布状况如图 3(a)所示,整体符合典型的“斑块-廊道-基质”景观格局[12,15]. 其中未利用地和建筑用地成团块状分布,隶属于湿地景观格局中的“斑块”[15]. 未利用地主要分布在研究区中部,在1995~2000年大幅流出,其余各时段变化不大,近20 a尺度上净流出32.02 km2,减幅达到99.54%[图 4(a)]. 建筑用地在1995~2000年和2010~2013年出现两个扩张期,扩张幅度分别为34.48% 和28.07%,前一个扩张时段景观分布比较分散,后一个扩张时段呈“突变式”增长,扩张重心向研究区中东部迁移(新政府所在地),近20a尺度上净流入49.14 km2[图 4(a)],增幅达到123.32%. 湿地(湖泊、 河流、 滩涂)呈带状分布,为研究区景观系统的“廊道”[15],主要分布在东南部. 湿地在2000~2005年和2005~2010年两个时段内明显减少,减幅为7.96% 和14.73%,2013年湿地面积略有回升,但流入量不大(1.05 km2),整体减幅23.15%. 水田和旱地是构成湿地景观的“基质”[15],并作为研究区连接性较好、 面积最大的两种景观要素类型. 其中水田主要分布在中部,在区域各地类中转移幅度最大,在1995~2005年大幅流出(从189.69~134.09 km2,幅度29.31%),2005~2010年后净流入2.54 km2,之后再次流出13.57 km2,18 a尺度上减幅为35.13%[图 4(a)]; 旱地是区域各地类中比重最大的景观类型(42.35%),呈两段式(北部和南部)分布,1995~2000年大幅流入,流量比占到当年净流量的42.16%,之后开始持续减少,到2013年旱地面积减少至194.8 km2.
![]() | 图 3 不同尺度土地利用空间变化特征
Fig. 3 Land-use pattern of ecosystem in the study area at different scales
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![]() | 图 4 不同尺度土地利用格局动态变化
Fig. 4 Dynamic change of land-use at different scales
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研究区在近20 a年尺度上共存在16种土地利用转移关系,不同地类转移比重及转移量各有差异[图 3(b)]. 其中各时段转移比重较大的土地利用类型(用a、 b、 c、 d、 e等依次表示)和转移关系数量分别为:1995~2000年为水田、 旱地、 建筑用地,共有16种转移关系,2000~2005年为旱地、 湿地、 建筑用地,共有13种转移关系,2005~2010年为旱地、 湿地、 水田,共有13种转移关系,2010~2013年为旱地、 水田、 建筑用地,共有12种转移关系,1995~2013年为水田、 旱地、 建筑用地,共有16种转移关系. 水田、 旱地、 建筑用地为研究区土地利用变化主导地类. 近20 a年尺度上水田转移净流值达到66.63 km2(流出),占转移流贡献率29.04%,主要汇流用地类型为旱地(48.63%)和建筑用地(31.42%); 旱地转移净流值为65.69 km2(流入),流入源用地类型主要为水田(50.87%)、 裸地(35.13%)和湿地(13.10%). 建筑用地集聚特征最为明显,各尺度均有地类流入,流入源主要为水田、 旱地和湿地.
2.2 土地利用动态变化特征分析图 4(b)为研究区不同时段内各地类的土地利用动态度,水田在2005~2010年、 旱地在1995~2000年动态度为正值,其他时段这两种用地类型均为负向变化,农业发展是基质景观变化主要驱动因素. 湿地在2010~2013年动态度为正值,其他时段为负向变化,以2005~2010变化最为显著(-2.95%),旅游开发和农业发展为“廊道”景观萎缩的主要驱动因素. 建筑用地各时段动态度均为正向递增,以1995~2000年(5.75%)和2010~2013年(9.36%)变化最为显著. 未利用地各时段动态度均为负向变化,1995~2000年变化程度剧烈(-15.25%),其他时段变化不大.
综合土地利用动态度(Ls)变化呈先减少后增加的趋势[图 4(c)],其中1995~2000年和2010~2013年为两个明显的增长峰. 湿地土地系统信息熵(H)变化与综合动态度变化类似[图 4(c)],1995~2000年熵值较高,土地系统活动剧烈,2000~2010年熵值下降,土地利用系统渐趋稳定,有序性增强. 2010年后熵值再度回升,土地系统受人为干扰程度增加系统劣质化程度加快. 研究区土地利用程度变化指程度与Ls和H变化类似[图 4(d)],5个时相的土地利用程度综合指数分别为250.4、 267.3、 270.6、 273.8和279.7,呈逐年增长趋势[图 4(d)],说明焦岗湖湿地土地利用的深度和广度不断增大,但与极限值(Imax=400)[16]相比,研究区土地利用程度仍隶属中等水平. 综合以上指标可以看出1995~2000年研究区土地利用变化剧烈,区域人类活动对土地系统干扰程度较高,主要表现为耕地和建筑用地的扩张,2000~2010年,随着湿地景观结构调整和功能优化,湿地生态系统抗逆性增强,但土地利用效率不高. 2010年后,由于建筑用地的“突变式”增长使土地系统变化剧烈程度再次提升. 当前研究区土地利用程度较为稳定,但生态服务功能性用地比例偏低,土地后备资源稀缺,且由于规划不合理,大量投资开发土地闲置,土地资源浪费较为严重,存在一定生态风险.
2.3 区域可持续性评价评价体系各指标计算结果如图 5所示,近20 a尺度上各评价指标变化差异较大. 区域生产力系统(B1)中C1~C4均成线性增长关系(R2,0.927~0.967),以C1和C3增加最为明显,增幅分别为161.23%和144.75%,对该系统影响最大的C2(权重为0.3352)先增大后减小,整体增幅119.10%. 景观受胁度系统(B2)中,C7呈线性减少趋势(R2=0.852),C8为线性增长(R2=0.798)趋势,其他两项指标增长趋势线性拟合结果较差(R2,0.061~0.239); 对该系统影响较大的C5(权重为0.3872)先减小再升高,2010年数值为各时段最低,2013年升至最高. 景观稳定性系统(B3)中,C9呈线性增加趋势(R2=0.870),C10呈线性减少趋势(R2=0.963),C11线性拟合效果较差(R2=0.372),呈逐年减小趋势,C12各时段变化不大(R2=0.067).
![]() | 图 5 各子系统指标可持续性动态变化
Fig. 5 Dynamic changes of sustainability level for each subsystem indicator
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研究区各时段可持续性得分和隶属等级依次为0.289 2(差,Ⅱ级隶属)、 0.350 4(差,Ⅱ级隶属)、 0.534 4(中,Ⅲ级隶属)、 0.612 3(良,Ⅳ级隶属)和0.574 1(中,Ⅲ级隶属). 1995~2000年,研究区正处于发展初期[13],不合理的土地利用规划和大规模的低效率垦田导致景观格局熵变剧烈,自然、 半自然景观强烈分割,同时由于水利设施落后,灾害频发,区域受胁度高,稳定性差,可持续发展水平低下. 2000~2005年土地系统变化程度降低,社会、 经济发展水平略有提高,由于研究区发展主题仍不明确,自然-社会-经济耦合系统协调度低,振荡明显,区域生产力提升缓慢,系统抗逆性差. 2005~2010年,研究区以“因地制宜,减灾消贫,绿色发展,提升观念”[13]为发展模式,环境绩效逐步上升,区域景观格局片段化现象改善,系统对外界干扰及内部的涨落基本稳定,经济效率上升显著,研究区可持续性大幅提高. 但湿地面积的萎缩,环境负荷的提升,污染积累的放大效应也导致了少量生态异常现象出现. 2010~2013年,随着经济的快速发展,建筑用地呈“突变式”扩张,研究区景观趋向单一化,破碎化. 在政策导向下,湿地面积在2010年后略有回升[图 3(a)],但缺乏空间层次的单一湿地格局并不能很好发挥湿地生态系统服务功能. 虽然该时段区域经济水平提升迅速,但随着湿地环境质量的下降,区域生产力降低,受胁度增高,可持续发展活力受阻,应引起决策者和公众的广泛重视. 3 结论
旱地、 水田和建筑用地的转移关系决定着焦岗湖湿地土地变化特征. 不同尺度下土地系统稳定程度不一,20 a尺度上呈先增加后减小趋势. 可持续性评价结果显示近20 a尺度上,研究区在环境绩效、 社会和谐和经济活力这3个方面取得了不错的成绩,但也对区域生态环境产生了一定的负外部效应. 2010年后,湿地生态系统环境负荷的增大和区域受胁度的攀升导致研究区可持续发展活力受阻. 面对新的驱动因素(生态旅游)和发展模式(生态文明),优化土地利用格局、 提升景观多样性,培育生态资源禀赋是推进该地可持续发展的主要措施. 建立的评价体系可完整、 系统、 连续的表征研究区可持续发展水平,也可为其他生态系统可持续性研究提供借鉴.
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