白立敏 ,修春亮,馮興華

1.東北師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,長春 130024

2.吉林建筑大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院,長春 130118

3.東北大學(xué)江河建筑學(xué)院,沈陽 110169

0 前言

中國社會科學(xué)院在2013年發(fā)布了以“可持續(xù)與宜居城市—邁向生態(tài)文明”為主題的《2013 中國人類發(fā)展報告》,報告聚焦于“城鎮(zhèn)化轉(zhuǎn)型”和“生態(tài)文明建設(shè)”兩大主題。報告指出:中國只用60年時間就實現(xiàn)了城鎮(zhèn)化率從10%到50%的過程,而目前中國城鎮(zhèn)化到了由速度擴張向質(zhì)量提升的轉(zhuǎn)型關(guān)鍵時期[1]?？焖俪擎?zhèn)化階段,城市發(fā)展通過體量的無限膨脹和擴大來進行生長,蔓延式擴張成為我國城市生長的主要模式。城市的蔓延式拓展作為一種低密度、非連續(xù)性的開發(fā)模式,在景觀和環(huán)境變化上的重要表現(xiàn)就是城市建設(shè)用地不斷蠶食農(nóng)田、林地、草地等生態(tài)空間,打破了原有的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)平衡,并削弱其生態(tài)服務(wù)功能,區(qū)域人地矛盾進一步激化。在快速城鎮(zhèn)化階段,土地利用格局也發(fā)生了顯著的變化,這一變化作為一種外在物理壓力改變了土地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,影響人類社會生產(chǎn)生活,對土地生態(tài)系統(tǒng)及其組分的健康穩(wěn)定發(fā)展造成了一定程度的不利影響,進一步增加生態(tài)風(fēng)險來源種類及其發(fā)生概率和強度[2]。

生態(tài)風(fēng)險是生態(tài)系統(tǒng)及其組分在自然或人類活動的干擾下所承受的風(fēng)險,指一定區(qū)域內(nèi)具有不確定性的事故或災(zāi)害對生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能可能產(chǎn)生的不利影響[3-4],是評估區(qū)域生態(tài)環(huán)境可持續(xù)性的重要指標(biāo)。生態(tài)風(fēng)險評價研究興起于20 世紀90年代,Barnthouse 等提出的生態(tài)風(fēng)險評估框架,標(biāo)志著風(fēng)險評價向多風(fēng)險因子、多風(fēng)險受體及多評價端點發(fā)展[5-6]。伴隨著我國城鎮(zhèn)化進入深入發(fā)展及轉(zhuǎn)型發(fā)展時期,人地系統(tǒng)協(xié)調(diào)、生態(tài)文明發(fā)展成為全國新型城鎮(zhèn)化的重要議題之一。立足于人地關(guān)系這一基本地理學(xué)問題,我國學(xué)者通過構(gòu)建土地利用與生態(tài)風(fēng)險間的關(guān)系模型對城市地區(qū)的生態(tài)風(fēng)險進行了大量實證研究,為區(qū)域生態(tài)文明發(fā)展做出諸多貢獻:基于快速城鎮(zhèn)化背景下的城市擴張現(xiàn)象,王玲等[7]、肖琳等[8]、郭秀銳等[9]均通過構(gòu)建生態(tài)風(fēng)險指數(shù)探討了我國上海、天津、北京等大城市地區(qū)的生態(tài)風(fēng)險的演化狀況,為大城市的生態(tài)空間規(guī)劃提供基礎(chǔ)認知作用。隨后,景觀生態(tài)學(xué)的引入從方法和理論層面為解決土地利用的時空動態(tài)過程研究提供方法支撐,如景觀復(fù)雜性理論、景觀連接度理論、生物多樣性理論等,而用以表征景觀格局水平的眾多指數(shù)也在土地利用生態(tài)風(fēng)險驅(qū)動機制及預(yù)測中起到重要作用。如:時宇等、徐麗等、林媚珍等、劉春艷等、張長勤等、劉發(fā)勇等學(xué)者開始綜合運用空間分析及景觀指數(shù)分析方法從北京[10]、合肥[11]、中山市[12]等不同區(qū)域城市或三江平原[13]、濕地保護區(qū)[14]、景區(qū)[15]等不同類型生態(tài)區(qū)域進行了大量風(fēng)險評價或多情景模擬分析,在一定程度上豐富了生態(tài)風(fēng)險研究的案例。從現(xiàn)有文獻來看,生態(tài)風(fēng)險評價大致經(jīng)歷了從環(huán)境風(fēng)險到生態(tài)風(fēng)險到區(qū)域生態(tài)風(fēng)險評價的發(fā)展歷程[16],評價范圍由局地擴展到區(qū)域景觀水平[17-19];我國的城市生態(tài)風(fēng)險多從經(jīng)濟發(fā)展、城市化進程等社會經(jīng)濟視角對我國特大型或大型城市地區(qū)進行定量分析,而較少聚焦于典型自然環(huán)境背景下的城市生態(tài)風(fēng)險動態(tài)演化狀況,如:喀斯特地貌區(qū)、高寒地區(qū)。

我國城市蔓延對土地生態(tài)風(fēng)險影響具有典型意義,城市蔓延受轉(zhuǎn)型發(fā)展、氣候、經(jīng)濟發(fā)展影響而作用于區(qū)域景觀生態(tài)格局與過程、進而影響城市生態(tài)風(fēng)險狀況。在我國城市發(fā)展體系中,中等與大型城市仍占據(jù)主導(dǎo)地位,研究其生態(tài)風(fēng)險評價對生態(tài)文明下城市可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。作為中高緯度地區(qū)城市,長春市與我國大多數(shù)城市一樣,其在經(jīng)歷東北振興的“黃金十年”這一時期,經(jīng)濟快速發(fā)展、城鎮(zhèn)化水平顯著提升的同時也逐步出現(xiàn)城市蔓延式擴張、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)急需轉(zhuǎn)型等問題,城市生態(tài)服務(wù)需求進一步增強、生態(tài)風(fēng)險概率也呈增長趨勢?；诖?本文以長春市為例,從土地利用視角出發(fā)對城市生態(tài)風(fēng)險時空演化及其影響因子進行定量分析,為長春市土地利用決策和生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)化提供科學(xué)參考,也為東北地區(qū)城市可持續(xù)發(fā)展提供一定認知和借鑒作用。

1 研究區(qū)概況

長春市位于吉林省中部長春平原腹地(東經(jīng)124°18′—127°02′,北緯43°05′—45°15′之間),是我國東北地區(qū)的地理中心,吉林省的政治、經(jīng)濟、文化中心。長春市東北與黑龍江省接壤,東南與吉林市相依,西南與四平市相連,西北與松原市毗鄰。本研究區(qū)選取的范圍為長春市區(qū),包括中心城區(qū)及九臺區(qū)、雙陽區(qū)(九臺區(qū)、雙陽區(qū)為縣改區(qū))城區(qū),面積為695057.79 hm2。長春市域位于東北地區(qū)東部山地的西緣和松嫰平原的東緣,地處東部低山丘陵向中西部臺地平原的過渡地帶,地勢東高西低、南高北低,相對高度和緩。長春市以大黑山脈為分界線,其西北方向為平原區(qū),東南方向為山區(qū)。西部和北部為地勢平坦的松遼平原,為草原、農(nóng)田交互型生態(tài)系統(tǒng),雖然土地資源豐富,但植被覆蓋率低,土地鹽堿化和局部地區(qū)沙化嚴重,農(nóng)田防護林、片林較少,草地由于過度放牧受到不同程度的破壞,造成水土流失嚴重;東部地區(qū)主要為低山丘陵地帶,系大黑山脈的一部分,為森林生態(tài)系統(tǒng),東部地區(qū)的主要生態(tài)環(huán)境問題是植被覆蓋率低、水土流失嚴重;另外長春市水系破壞嚴重,河流生態(tài)功能逐步喪失。由于城市社會經(jīng)濟發(fā)展及城市土地利用變化對城市生態(tài)影響,造成長春市西部草原破壞、土地的鹽堿化和沙化逐年加重,東部地區(qū)的森林采育失調(diào),生態(tài)系統(tǒng)失衡以及河流水域遭受污染等生態(tài)環(huán)境問題日益突出,城市生態(tài)風(fēng)險逐漸加劇。

本文從土地利用視角構(gòu)建生態(tài)風(fēng)險指數(shù),評估長春市生態(tài)風(fēng)險時空演化,為提高估算生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的精確度以及空間分異特征的有效呈現(xiàn),根據(jù)研究區(qū)斑塊面積情況,采用1 km×1 km 的正方形樣地對生態(tài)風(fēng)險指數(shù)進行空間化,采樣方式為等間距系統(tǒng)采樣法,將研究區(qū)劃分為7346 個樣區(qū),每個樣區(qū)計算出一個綜合性生態(tài)風(fēng)險值(圖1)。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

土地利用矢量數(shù)據(jù)來自于長春市1985年、2000年、2015年土地利用/覆蓋Landsat TM 遙感影像數(shù)據(jù),經(jīng)過影像融合、幾何校正、拼接裁剪等圖像預(yù)處理,利用ArcInfo Workstation 進行人機交互式判斷解譯,解譯精度達到85%以上,參照《土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 21010—2007)土地用地分類方法,將土地利用體系分類合并為草地、耕地、建設(shè)用地、林地、水域及未利用地等6 類一級土地類型(圖2)。

圖1 長春市區(qū)概況及生態(tài)風(fēng)險評價單元劃分圖 Figure1 Overview diagram and the division of ecological risk for Changchun

夜間燈光數(shù)據(jù)來源于美國國家地理數(shù)據(jù)中心(The National Geophysical Date Center,NGDC),人口及經(jīng)濟柵格數(shù)據(jù)、區(qū)域DEM 數(shù)據(jù)來源于中國資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(http://www.resdc.cn/data.aspx? DATAID=252)。

2.2 生態(tài)風(fēng)險指數(shù)

以往生態(tài)風(fēng)險研究多以單一城市作為基本研究單元,忽略了城市生態(tài)風(fēng)險的空間異質(zhì)性特征。本文基于網(wǎng)格采樣法,通過計算各樣區(qū)內(nèi)的地類面積比例來構(gòu)建土地利用生態(tài)風(fēng)險指數(shù),用以描述一個樣地內(nèi)綜合生態(tài)風(fēng)險的相對大小,從而通過采樣方式將土地利用結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為生態(tài)風(fēng)險值,構(gòu)建起土地利用與生態(tài)風(fēng)險之間的關(guān)系模型[7-8]。具體計算方法如下:

圖2 1985—2015年長春市土地利用空間分布圖 Figure2 Land use spatial distribution of Changchun from 1985 to 2015

式中,ERI為土地利用生態(tài)風(fēng)險指數(shù);i為各土地利用類型;n為土地利用類型數(shù)量;Ai為樣地內(nèi)第i種土地利用類型的面積;A為樣地總面積;Wi為第i種土地利用類型所反映的生態(tài)風(fēng)險強度權(quán)重。景觀 生態(tài)學(xué)中的“源-匯”理論認為景觀對同一生態(tài)過程的貢獻作用將異質(zhì)景觀分為“源”、“匯”兩種景觀類型,其中“源”景觀是指能夠促進過程發(fā)展的景觀類型、而“匯”景觀則為阻止或延緩過程發(fā)展的景觀類型[20-21]。為此,將城市生態(tài)風(fēng)險作為發(fā)展過程,林地、草地作為生態(tài)用地,其在生態(tài)風(fēng)險增長過程中具有阻礙作用,因其斑塊面積及其空間配置對生態(tài)風(fēng)險具有不同程度的緩解作用;建設(shè)用地為人類社會經(jīng)濟活動聚集地,高強度的人類活動往往是生態(tài)風(fēng)險的高發(fā)地區(qū),明顯提升了生態(tài)風(fēng)險的發(fā)生頻率;適度的耕地及水域范圍及其合理配置可有效緩解城市風(fēng)險過程,因此,在不同情景和規(guī)模下,其對生態(tài)風(fēng)險具有顯著的促進或阻礙作用。為此,本文立足于長春市各地類利用方式和開發(fā)強度對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的作用程度,綜合借鑒前人研究成果[22-24]及專家打分法基礎(chǔ)上,將生態(tài)風(fēng)險強度權(quán)重Wi依次設(shè)定為:林地0.12、草地0.16、耕地0.32、水域0.53、未利用地0.82、建設(shè)用地0.85。

2.3 地理探測器

地理探測器是一種有效探測地理現(xiàn)象空間分異性、揭示其驅(qū)動因子的統(tǒng)計學(xué)方法,能夠探測多因子在不同空間單元下的不同影響程度及其相互關(guān)系。其原理在于地理現(xiàn)象都存在特定的空間位置,而影響其變化的驅(qū)動因子在空間上也存在差異性,如果其中某驅(qū)動因子對地理現(xiàn)象具有重要的影響,那么地理現(xiàn)象與該驅(qū)動因子在空間分布上則應(yīng)具有相似性的假設(shè)[25-27]。地理探測器包括因子探測、風(fēng)險探測、交互作用探測及生態(tài)探測等4 大模塊,其中因子探測器主要用于探測因變量的空間分異特征以及自變量對因變量的解釋力,交互作用探測器可以用來探測雙變量間的交互作用,通過對比單因子及雙因子的影響力值可以有效判斷主導(dǎo)因子和交互作用的方向與方式。本文在分析生態(tài)風(fēng)險的空間異質(zhì)性特征基礎(chǔ)上,引入人口、經(jīng)濟等社會經(jīng)濟因子及坡度、地形等自然因子對生態(tài)風(fēng)險因子進行相關(guān)探測。借鑒地理探測器中的因子探測器及交互作用探測器,引入影響因素的地理探測力值q,探測分析不同影響因素對長春市生態(tài)風(fēng)險的影響度。計算公式為:

式中:h=1,2,...,L為自變量X的分層;Nh和N為層h內(nèi)和區(qū)域內(nèi)的單元數(shù);σh2與σ2分別是層h和全區(qū)的Y值的方差;SSW、SST分別為層內(nèi)方差之和和區(qū)域內(nèi)總方差;q為影響因子對生態(tài)風(fēng)險的探測力值,q的值域區(qū)間為[0,1];q越大,表明風(fēng)險因子對生態(tài)風(fēng)險的影響越大;根據(jù)q值大小可以識別生態(tài)風(fēng)險的主導(dǎo)因子。交互作用判斷依據(jù)如表1所示:

表1 影響因子對生態(tài)風(fēng)險的交互作用方式 Table1 Interaction mode of impact factors on ecological risk

地理探測器在運行過程中,其輸入變量需為類別數(shù)據(jù),為此需對連續(xù)變量進行離散化處理。依據(jù)王勁峰等提出的數(shù)據(jù)離散化方法[26]及先驗知識,將網(wǎng)格平均人口密度、GDP、聚合度、香農(nóng)多樣性指數(shù)、海拔、坡度等影響因子按照等間距分類方法劃分為8 類,網(wǎng)格生態(tài)風(fēng)險指數(shù)則為因變量,將因子及生態(tài)風(fēng)險指數(shù)導(dǎo)入地理探測器進行因子及交互因子探測分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 長春市土地利用總體變化特征

長春市土地利用結(jié)構(gòu)在1985—2015年30年間發(fā)生了顯著變化(表2),建設(shè)用地面積持續(xù)增加,水域面積大幅減少,耕地面積呈現(xiàn)波動式下降趨勢,而林地、草地、未利用地面積則呈現(xiàn)波動式上升趨勢(圖2)。各類用地中以耕地、林地和建設(shè)用地為主要用地類型,占研究區(qū)總面積的95%以上。建設(shè)用地面積變化最為顯著,面積持續(xù)增加,總計增加42923.18 hm2,增加幅度達到59.53%,尤其2000—2015年用地呈現(xiàn)急劇擴張趨勢,年均增幅達6.67%。水域面積持續(xù)下降,總計減少10091.95 hm2,減少 幅度達32.34%。耕地、林地、草地、未利用地面積均呈現(xiàn)波動式變化,其中耕地面積1985—2000年略有增加,2000—2015年呈減少趨勢,減幅僅為6%;林地、草地、未利用地面積均呈現(xiàn)先減少后增加趨勢,研究期前后變化總面積略有不同,林地研究期末總面積減少幅度達7.47 %;而草地、未利用地研究期末總面積均增加,增加幅度較大、高達121.57%和135.99%。

土地利用變化除了不同類型面積的增減,還表現(xiàn)為類型之間的相互轉(zhuǎn)換。利用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣表現(xiàn)各地類間的相互轉(zhuǎn)化面積,追蹤發(fā)生變化的土地利用類型的軌跡,進一步揭示土地利用現(xiàn)狀空間分布及變化規(guī)律(表3)。1985—2000年,土地利用主要表現(xiàn)為建設(shè)用地、耕地面積增加,凈增加面積分別為3907.995 hm2和5478.388 hm2;林地面積持續(xù)收縮、其面積減少8866.63 hm2,建設(shè)用地主要由耕地及林地轉(zhuǎn)入,其中耕地貢獻率達到99.46%;耕地則主要由林地轉(zhuǎn)入。2000—2015年,土地利用主要表現(xiàn)為建設(shè)用地、林地及草地面積均呈現(xiàn)出增長趨勢,其中建設(shè)用地面積增幅尤為顯著,耕地是幾類非農(nóng)用地增長的主要轉(zhuǎn)出地類?？傮w來看,快速城市化背景下長春市土地利用類型轉(zhuǎn)換速度明顯加快,兩個階段內(nèi)的轉(zhuǎn)移面積比重分別達到2.25%和20.38%,而在各種轉(zhuǎn)換關(guān)系中,耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地及林地和耕地間的相互轉(zhuǎn)換是土地利用變化的主要形式,建設(shè)用地增加主要以侵占耕地為主要來源,其擴張導(dǎo)致農(nóng)用地向非農(nóng)用地不斷轉(zhuǎn)換,突出表現(xiàn)在耕地銳減與建設(shè)用地大幅增加,同時建設(shè)用地開發(fā)占用自然空間,造成水域面積急劇減少,人地關(guān)系矛盾進一步凸顯;林地、草地作為生態(tài)系統(tǒng)重要組成部分,耕地與林地間兩個時期具有相互轉(zhuǎn)換特征,具體來看前一時段受墾荒、農(nóng)業(yè)發(fā)展影響,耕地的侵占導(dǎo)致林地及草地面積的銳減,而后一階段則受退耕還林、退耕還草等生態(tài)保育政策作用,林地、草地面積明顯增長,生態(tài)系統(tǒng)也得到一定程度改善。

表2 長春市土地利用類型結(jié)構(gòu) Table2 Land use type structure of Changchun

3.2 生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的空間分布及其關(guān)聯(lián)格局分析

利用 ArcGIS 軟件對1985、2000 和2015年7346 個樣區(qū)的生態(tài)風(fēng)險指數(shù)進行計算,依據(jù)長春市生態(tài)風(fēng)險狀況,以0.15、0.25、0.35、0.45 為風(fēng)險臨界閾值,將其分為低生態(tài)風(fēng)險區(qū)、較低生態(tài)風(fēng)險區(qū)、中等生態(tài)風(fēng)險區(qū)、較高生態(tài)風(fēng)險區(qū)及高生態(tài)風(fēng)險區(qū)等五類,得到長春市土地利用生態(tài)風(fēng)險等級時空分布圖(圖3)、以探討土地利用背景下城市生態(tài)風(fēng)險的動態(tài)演化特征。

表3 1985—2015年長春市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 Table3 Transition matrix of land use in Changchun from 1985 to 2015 hm2

圖3 長春市土地利用生態(tài)風(fēng)險空間分布圖 Figure3 Spatial distribution of ecological risk for land use in Changchun

長春市土地利用生態(tài)風(fēng)險空間分布異質(zhì)性顯著,整體呈現(xiàn)“西高東低”差異特征。高風(fēng)險區(qū)呈團快狀聚集于長春市中心城區(qū)、九臺區(qū)、雙陽區(qū)等平原地區(qū),土地利用類型以建設(shè)用地為主;較高風(fēng)險區(qū)呈帶狀及散點狀分布于水域周邊(南北走向飲馬河沿線、新立城、石頭口門水庫區(qū))、中心城區(qū)外圍及長春市東部邊緣區(qū);中等、較低風(fēng)險區(qū)面積廣闊,分布于平原地區(qū);低風(fēng)險區(qū)主要分布于東部、南部山區(qū)、半山區(qū)及西南至東北走向大黑山脈沿線山區(qū),土地利用類型主要以林地、耕地為主。可見生態(tài)風(fēng)險空間分布受地形、土地用地類型等因素影響顯著。高風(fēng)險區(qū)出現(xiàn)持續(xù)擴張現(xiàn)象、尤其長春市中心城區(qū)表現(xiàn)最為突出,其增長趨勢與建設(shè)用地的擴展呈顯著正相關(guān);同時,交通因素也是導(dǎo)致高風(fēng)險區(qū)面積增加的重要原因,隨著九臺、雙陽撤縣設(shè)區(qū)、長吉一體化等政策實施,長吉公路、長雙公路交通沿線區(qū)域城鎮(zhèn)得到進一步發(fā)展,建設(shè)用地增加,導(dǎo)致了高風(fēng)險區(qū)域面積進一步擴大。可見,城市擴張及交通因素對區(qū)域生態(tài)風(fēng)險具有明顯的擾動作用。進一步分析各生態(tài)風(fēng)險等級面積變化及比例可知,高風(fēng)險比例雖出現(xiàn)顯著增長趨勢但整體占比較小,區(qū)內(nèi)較低、中等風(fēng)險等級一直居于主導(dǎo)地位,1985—2015年長春市土地利用生態(tài)風(fēng)險整體呈現(xiàn)下降趨勢。

熱冷點可以有效探測相鄰區(qū)域間生態(tài)風(fēng)險指數(shù) 的空間關(guān)聯(lián)模式。在ArcGIS 軟件平臺下,計算得出3 個時間斷面下土地利用生態(tài)風(fēng)險的G 指數(shù),利用自然斷裂點將其分為熱點區(qū)、次熱點區(qū)、溫點區(qū)、次冷點區(qū)、冷點區(qū)5 類,以識別生態(tài)風(fēng)險“熱點區(qū)域”和“冷點區(qū)域”(圖4)。結(jié)果表明:長春市生態(tài)風(fēng)險的熱冷點空間分布相對穩(wěn)定。3 個時間斷面下,長春市生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的全局Moran'sI指數(shù)均達到 0.7 以上(p＜0.01),表明長春市形成相對穩(wěn)固的生態(tài)風(fēng)險熱點區(qū)和冷點區(qū)空間分布。熱點區(qū)呈團塊狀穩(wěn)固分布于長春市中心城區(qū)、九臺、雙陽城區(qū)等建成區(qū),與城市發(fā)展快速擴張相吻合,呈現(xiàn)逐步擴張的發(fā)展格局;冷點區(qū)呈帶狀集聚于大黑山脈、市區(qū)東部及“U”狀分布于市區(qū)東南部的山地丘陵,與城市生態(tài)空間保護區(qū)相一致。次熱點區(qū)主要呈環(huán)狀分布于熱點區(qū)外圍、帶狀分布于沿水域周邊及長春市東部邊緣地區(qū),1985—2000年集聚明顯,2015年沿水域收縮;溫點區(qū)1985—2000年面積分布廣闊,但隨著長春市實施“森林城市”、“退耕還林”等多項生態(tài)安全保障政策取得成效,2015年除主要城區(qū)外次冷點區(qū)基本形成覆蓋。

3.3 生態(tài)風(fēng)險影響因素分析

作為一個復(fù)雜的生態(tài)過程,生態(tài)風(fēng)險不僅受景觀格局的空間配置影響,而且受社會經(jīng)濟以及自然因素的雙重作用。通過分析可知,長春市生態(tài)風(fēng)險

圖4 長春市土地利用生態(tài)風(fēng)險冷熱點空間分布圖 Figure4 Spatial distribution of hot and cold point pattern for ecological risk of land use in Changchun

自2000年以后增長最為顯著,而在1985—2000年間生態(tài)風(fēng)險擴張相對較小。為此,本文以生態(tài)風(fēng)險高速增長期2000—2015年為研究期限,對這一階段的生態(tài)風(fēng)險影響因素進行探測分析具有更顯著的認知和規(guī)劃啟示作用。景觀指數(shù)高度濃縮景觀格局特征信息,能夠反映景觀結(jié)構(gòu)特征、揭示景觀空間格局異質(zhì)性特征。從生態(tài)風(fēng)險與景觀動態(tài)過程關(guān)系出發(fā),本文選取聚合度(AI)及香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)用以表征景觀格局的空間配置狀況,其中聚合度主要用于描述不同斑塊類型的聚集程度或延展趨勢,在城市化地區(qū)景觀聚合度越高生態(tài)風(fēng)險因子則越多、其潛在風(fēng)險則越高;香農(nóng)多樣性指數(shù)反映了景觀類型的多樣性狀況,一般而言,一定區(qū)域內(nèi)景觀類型越豐富(多樣化),鄰近景觀單元之間相互作用則越強,系統(tǒng)在風(fēng)險效應(yīng)下崩潰的可能性則越小;聚合度及香農(nóng)多樣性指數(shù)均通過Fragstats 4.1 軟件平臺計算得到。夜間燈光指數(shù)表征了區(qū)域發(fā)展活力,亦反映了人類活動對自然生態(tài)系統(tǒng)的干擾作用,夜間燈光強度越大表明人類活動的干擾強度越大、生態(tài)風(fēng)險則越高;區(qū)域發(fā)展是人口、經(jīng)濟作用于自然生態(tài)系統(tǒng)的重要主體,人口高度集聚、經(jīng)濟高速發(fā)展區(qū)域,生態(tài)環(huán)境受社會經(jīng)濟活動干擾越明顯、生態(tài)風(fēng)險則越突出,反之亦然。海拔及坡度是生態(tài)風(fēng)險的重要自然影響因子,海拔較高、坡度較大區(qū)域內(nèi)的社會經(jīng)濟活動普遍較少,生態(tài)系統(tǒng)的干擾因素越小,其風(fēng)險相對較低,坡度因子通過DEM 數(shù)據(jù)在Arcgis 平臺下計算得到。為滿足地理探測器的數(shù)據(jù)需求,將以上因子均按照等間距分類法分為8 類。運用地理探測器模型探測長春市土地利用生態(tài)風(fēng)險的影響因素,計算得到影響因子及其交互作用對生態(tài)風(fēng)險影響力q 值(表4、表5)。

因子探測器的運行結(jié)果表明(表4):在生態(tài)風(fēng)險快速增長時期,經(jīng)濟、人口增長、發(fā)展活力及其空間分布成為長春市生態(tài)風(fēng)險提升的主要影響因素,其影響力值均在0.5 以上并呈現(xiàn)出顯著提升趨勢,表明經(jīng)濟增長、人口集聚以及城市發(fā)展活力對生態(tài)風(fēng)險的干擾作用進一步提升、風(fēng)險潛在因素增多。為此,在快速城鎮(zhèn)化時期,合理配置人口及產(chǎn)業(yè)的空間格局、實施“新城”(新區(qū))戰(zhàn)略、構(gòu)建多層級生態(tài)風(fēng)險分擔(dān)網(wǎng)絡(luò)是緩解區(qū)域生態(tài)風(fēng)險的重要途徑之一。景觀格局的空間配置雖對區(qū)域生態(tài)風(fēng)險影響較弱,但其指數(shù)得到一定程度增長;景觀的多樣性增長對生態(tài)風(fēng)險降低具有正向作用,而聚合度增長受城市擴張影響而提升迅速。從景觀空間配置來看,實現(xiàn)景觀的多樣性、保護綠色景觀的完整性、控制城市增長邊界的迅速外擴是城市內(nèi)部景觀優(yōu)化的有效舉措。坡度、海拔對生態(tài)風(fēng)險的影響力雖逐步降低,但仍具有顯著影響。高海拔地區(qū)往往具有相對完整的綠色景觀系統(tǒng),而低海拔地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展相對活躍。為控制生態(tài)風(fēng)險的進一步增長,在高海拔及低海拔地區(qū)應(yīng)分別加快“退耕還林”、“森林城市”等戰(zhàn)略的落實。

表4 各因子對生態(tài)風(fēng)險影響探測q 值統(tǒng)計 Table4 The q values of each influencing factors for ecological risk

表5 因子交互作用對生態(tài)風(fēng)險影響探測 Table5 The dominant interactions between two covariates for ecological risk

交互因子探測器作用結(jié)果表明因子間兩兩交互作用均會增強對土地生態(tài)風(fēng)險的解釋力,而不同年份內(nèi)主導(dǎo)交互影響因子相對穩(wěn)定,將解釋力排在前三位的交互因子進行統(tǒng)計,統(tǒng)計結(jié)果如表5所示。交互作用解釋力排在第一位的均為海拔與人口的協(xié)同作用,是生態(tài)風(fēng)險的顯著控制因子,解釋力均高于97%,表明不同海拔地區(qū)的人口分布格局間的生態(tài)風(fēng)險差異明顯。海拔與經(jīng)濟、海拔與夜間燈光指數(shù)成為城市生態(tài)風(fēng)險快速增長時期的第二及第三交互因子,其解釋力均在95%以上,意味著在快速城市化影響下,人類的社會經(jīng)濟活動仍是誘發(fā)區(qū)域生態(tài)風(fēng)險的重要因素之一。為此,在平原地區(qū)應(yīng)提高土地利用效率、控制建設(shè)用地蔓延式擴張,而在山地丘陵地區(qū)應(yīng)實施生態(tài)保育政策,維持生態(tài)系統(tǒng)平衡。

4 結(jié)論與討論

本文基于土地利用數(shù)據(jù)構(gòu)建格網(wǎng)尺度下的城市生態(tài)風(fēng)險指數(shù),定量分析了城市生態(tài)風(fēng)險的動態(tài)演化特征并利用地理探測器對其進行定量歸因分析,得到以下主要結(jié)論:(1)長春市土地利用結(jié)構(gòu)受城市化影響呈現(xiàn)出顯著的階段性特征,2000—2015年為城市化快速發(fā)展時期,建設(shè)用地面積呈現(xiàn)出持續(xù)增長、耕地面積則出現(xiàn)波動下降現(xiàn)象;而快速擴張的城市建成區(qū)加快了城市周邊地區(qū)耕地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)換的頻率、農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展及生態(tài)保護之間的相互關(guān)系在一定程度上促使了耕地與林地之間的相互轉(zhuǎn)換。(2)長春市生態(tài)風(fēng)險格局及其空間關(guān)聯(lián)格局整體呈現(xiàn)出“西高東低”、“東冷西熱”的異質(zhì)性特征。高風(fēng)險區(qū)主要聚集于以建設(shè)用地為主要類型的城區(qū),低風(fēng)險區(qū)主要分布在山地丘陵地形的自然空間;風(fēng)險熱點區(qū)空間分布及擴展與城市建成區(qū)擴張呈現(xiàn)出正相關(guān)性,而冷點區(qū)分布與城市生態(tài)空間保護相一致。(3)在快速城市化時期,長春市生態(tài)風(fēng)險格局受人口、經(jīng)濟、城市活力等社會經(jīng)濟要素的分布格局影響顯著,景觀格局的優(yōu)化配置可緩解區(qū)域生態(tài)風(fēng)險的發(fā)展進程;交互因子探測進一步顯示了自然環(huán)境背景下的社會經(jīng)濟集聚增長仍是誘導(dǎo)生態(tài)風(fēng)險的主要因素,海拔與人口、經(jīng)濟、城市活力的疊加作用成為這一時期穩(wěn)固的交互因子。

土地利用是城市發(fā)展環(huán)境的顯著表現(xiàn)形式,是人類社會經(jīng)濟活動在地域空間內(nèi)的表征;基于土地利用動態(tài)演化格局探討城市生態(tài)風(fēng)險,在一定程度上豐富了城市生態(tài)風(fēng)險研究的案例,對城市實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有一定的啟示意義。研究表明了土地擴張會加劇城市建成區(qū)生態(tài)風(fēng)險,但與區(qū)域整體生態(tài)風(fēng)險增高并不存在必然聯(lián)系,評價其影響程度需結(jié)合建成區(qū)規(guī)模、占比等因素,整體生態(tài)風(fēng)險的強弱變化與生態(tài)保育政策及生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等因素均具有相關(guān)性。建成區(qū)是高生態(tài)風(fēng)險聚集區(qū),為防止高風(fēng)險區(qū)進一步連接成片擴張,城市發(fā)展應(yīng)設(shè)定“城市增長邊界”,逐步改變蔓延式增長方式、高效集約利用建設(shè)用地,防止其對耕地及自然空間無節(jié)制占用,加劇人地矛盾,破壞生態(tài)系統(tǒng)平衡。自然空間為主的區(qū)域,人為干擾弱,生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性好,生態(tài)風(fēng)險等級低,為進一步防止人類干擾及不合理土地使用,應(yīng)劃定生態(tài)紅線,對自然生態(tài)空間嚴格保護,并加強自然保育,防止景觀破碎化,加強景觀連接度、聚合度,以維持區(qū)域較低的生態(tài)風(fēng)險,促進城市可持續(xù)發(fā)展。

本文從土地利用單一方面對生態(tài)風(fēng)險進行有效測定,能總體反映城市生態(tài)格局及其過程。作為一個復(fù)雜的社會、經(jīng)濟及生態(tài)系統(tǒng),自然地理條件及其與人類活動相互作用造成的自然、社會風(fēng)險均會對區(qū)域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生顯著影響。因此,基于多元風(fēng)險要素構(gòu)建區(qū)域生態(tài)風(fēng)險定量評估模型將有利于相對全面的測度其發(fā)展?fàn)顩r,也是未來將進一步研究的方向。