甘雪剛，南 穎，孫耀航，樸鸝辰

(延邊大學(xué) 地理與海洋科學(xué)學(xué)院，吉林 延吉 133002)

土地退化是指在長時間的社會進程中，土地由于受人類和自然的單一或共同的擾動破壞影響，其內(nèi)部原有的結(jié)構(gòu)、性狀、質(zhì)量發(fā)生改變，導(dǎo)致土地本身所具有的正常出產(chǎn)效能局部減弱或總體耗盡的過程[1-3]。在該研究中，土地退化主要是指由于城市土地擴展、耕地增長而帶來的自然棲息地(林地、草地、水體)損失，主要表現(xiàn)為林地、草地和濕地等生態(tài)用地轉(zhuǎn)化為城市土地和耕地[4]。由于人類活動和氣候變化，加之經(jīng)濟的飛速發(fā)展，土地退化已經(jīng)成為全球性的重大生態(tài)問題之一，是影響人類及其他生命形式福祉的核心要素之一[5-10]。根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織發(fā)布的研究報告顯示，全球已有超過30%的土地正在或者已經(jīng)發(fā)生退化[11]。這種土地退化過程已經(jīng)對全球32億人的福祉產(chǎn)生了負面影響，已經(jīng)成為引發(fā)地區(qū)沖突、大規(guī)模人口遷徙和疾病沖突的重要原因，同時也威脅到糧食安全、用水安全和生物多樣性保護[12]。從全球來看，亞洲和非洲地區(qū)土地退化最為嚴重，亞洲有超過70%的土地發(fā)生退化，其中35%的農(nóng)業(yè)用地正在遭受荒漠化的影響[13]，嚴重阻礙著社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。因此，及時有效地揭示土地退化過程并分析土地退化過程的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，是分析人類活動所產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)、推進區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。

長白山跨國界地區(qū)地處中國、朝鮮和俄羅斯3國交界處，動植物資源豐富，生物多樣性價值巨大，是“一帶一路”倡議中“中蒙朝俄”國際大通道的重要組成部分和國家重點開發(fā)開放地區(qū)，也是國家重點生態(tài)區(qū)和水源涵養(yǎng)保護區(qū)，更是東北亞區(qū)域協(xié)同發(fā)展的前沿地區(qū)[14-15]。近年來，隨著中國、朝鮮、俄羅斯人口流動和貿(mào)易往來，城市土地不斷擴張；同時作為重要的土地資源，耕地也呈現(xiàn)出明顯的增長過程。特別是在朝鮮一側(cè)，為解決朝鮮嚴峻的糧食問題，耕地呈現(xiàn)持續(xù)增長趨勢。以城市土地擴展和耕地擴展為主要形式的土地退化過程，占用了大量自然棲息地，造成了較為嚴重的生態(tài)和環(huán)境問題[16]。因此，及時有效地評價長白山跨國界地區(qū)土地退化過程及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，可為該地區(qū)可持續(xù)發(fā)展提供參考和借鑒[17-18]。

目前，已有研究者在長白山跨國界地區(qū)開展了土地利用變化及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)等相關(guān)研究，例如董禹麟等[19]分析了1990—2015年朝鮮土地覆被變化過程及驅(qū)動因素，發(fā)現(xiàn)人為因素是朝鮮土地覆被變化的主要原因。Tao等[20]量化了長白山跨國界地區(qū)1977—2015年的森林景觀時空變化過程及其驅(qū)動因素，并評價了森林動態(tài)對生境質(zhì)量的影響。Yang等[21-22]基于共享社會經(jīng)濟路徑(Shared Socioeconomic Pathways，SSPs)和LUSD-urban(Land Use Scenario Dynamics-urban)模型模擬并預(yù)測了長白山跨國界地區(qū)2015—2050年的城市擴展過程，并在此基礎(chǔ)上評價了長白山跨國界地區(qū)城市擴張對自然棲息地的直接和間接影響。Nan等[23]分析了圖們江跨國界地區(qū)2016年的土地利用/覆蓋空間格局及其驅(qū)動力，并在3個國家進行了對比分析。綜合來看，該地區(qū)的相關(guān)研究還存在以下不足：1) 沒有從土地退化的角度來評價該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量；2) 多數(shù)研究側(cè)重于中國一側(cè)，對朝鮮和俄羅斯一側(cè)的研究較少。

因此，該研究的目的是基于1992—2018年4期土地利用數(shù)據(jù)，從土地退化的角度評估土地退化過程對生境質(zhì)量的影響。1) 利用土地利用動態(tài)度模型和轉(zhuǎn)移矩陣，分析1992—2018年的土地退化過程；2) 利用InVEST模型量化生境質(zhì)量，分析生境質(zhì)量的時空變化情況；3) 根據(jù)分析結(jié)果評估土地退化過程對生境質(zhì)量的影響，進而分析土地退化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。該研究能夠為區(qū)域土地資源的保護與合理利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

長白山跨國界地區(qū)位于中國的東北部地區(qū)(39°27′N～44°51′N，123°38′E～132°47′E)，包括中國一側(cè)的丹東市、通化市、白山市、延邊朝鮮族自治州、本溪市；朝鮮一側(cè)的平安北道、慈江道、兩江道和咸鏡北道；俄羅斯一側(cè)的海參崴(符拉迪沃斯托克)、阿爾喬姆、那捷日金斯克和哈桑地區(qū)(圖1)。

圖1 研究區(qū)

總面積約為16.67萬km2，其中，中國一側(cè)面積約為9.95萬km2，約占全區(qū)總面積的59.69%；朝鮮一側(cè)面積約為6.01萬km2，約占全區(qū)總面積的36.05%；俄羅斯一側(cè)面積約為0.71萬km2，約占全區(qū)總面積的4.26%。該地區(qū)屬溫帶大陸性季風氣候，年均降水量約為400～650 mm，年均氣溫約為2～6 ℃[24-25]。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

土地利用數(shù)據(jù)來源于歐空局(http://www.esa.int/)，選取1992、2000、2010、2018年共4期數(shù)據(jù)，參考Yang等[21]的研究將數(shù)據(jù)重分類為耕地、林地、草地、濕地、城市、未利用地和水體共7種土地利用類型。

地理信息輔助數(shù)據(jù)來自于全球行政邊界數(shù)據(jù)(http://www.gadm.org/)和中國國家地理信息中心(http://www.ngcc.cn/ngcc/)以及朝鮮1∶5萬地形圖，包括行政中心、國道、省道等矢量數(shù)據(jù)。所有數(shù)據(jù)采用墨卡托投影，重采樣為300 m。

2.2 研究方法

2.2.1 土地退化分析

1) 單一土地利用類型的變化速度，反映特定區(qū)域內(nèi)一定時間范圍內(nèi)某種土地利用類型的變化情況，對土地利用/覆蓋變化在時間和區(qū)域差異分析上具有重要意義[26]。

(1)

式中，K為研究時段內(nèi)某一土地利用類型的動態(tài)度；Ub為研究期末某一土地利用類型面積；Ua為研究期初的面積；T為研究周期。當研究周期為年時，K為某種土地利用類型的年均變化率。

2) 土地利用/覆蓋變化的空間轉(zhuǎn)化情況是基于狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣分析[27]，能在時空上對土地類型的變化狀態(tài)進行定量的表達。

(2)

式中，i，j(i，j=1，2，…，n)分別代表轉(zhuǎn)移前后的土地類型，Uij表示轉(zhuǎn)移前的i地類轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)移后的j地類的面積。

2.2.2 生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評價

生境質(zhì)量是指生態(tài)系統(tǒng)支持適合物種條件的能力[28]。該文采用InVEST模型中的Habitat Quality模塊進行生境質(zhì)量的評估。計算生境質(zhì)量，首先要計算生境退化程度，公式如下[29]：

(3)

(4)

(5)

式中，Dxy指生境退化程度；R指脅迫因子個數(shù)；Wr指脅迫因子r的權(quán)重；Yr指脅迫因子層在土地利用類型圖中的柵格個數(shù)；ry指土地利用類型圖每個柵格上的脅迫因子的個數(shù)；Sjr指j類型土地利用/覆蓋對脅迫因子r的敏感性；irxy指柵格y中的威脅因子r對柵格x的影響；dxy為柵格x(生境)與柵格y(威脅因子)的距離；drmax指威脅因子r的影響范圍；βx指法律保護程度，該研究不考慮法律保護程度因子，因此將βx設(shè)為1。

Dxy計算生境質(zhì)量，計算公式如下：

(6)

式中，Qxj指土地利用類型圖j中柵格x的生境質(zhì)量；Hj指土地利用類型圖j的生境屬性；k是半飽和常數(shù)。

生境退化指數(shù)需要結(jié)合研究區(qū)具體情況調(diào)整威脅因子的最大影響距離及權(quán)重、各土地利用類型的生境質(zhì)量及其對威脅因子的敏感程度等相關(guān)參數(shù)決定。根據(jù)研究區(qū)的具體狀況，查詢相關(guān)文獻和咨詢專家意見，選擇城市和耕地作為脅迫因子，具體參數(shù)設(shè)置如表1、2所示[14,30-32]。

表1 威脅因子及脅迫強度

表2 土地利用類型對生境威脅因子的敏感度

計算出由于土地退化而帶來的生境質(zhì)量的變化情況，利用ArcGIS對下降的生境質(zhì)量進行等級劃分，0～-0.21為輕度下降，-0.22～-0.44為中度下降，-0.45～-0.66為高度下降，小于-0.67為嚴重下降。

3 結(jié)果與分析

3.1 長白山跨國界地區(qū)城市和耕地空間格局

2018年，長白山跨國界地區(qū)城市土地總面積約為1 361.15 km2，占全區(qū)總面積的0.82%。其中，中國一側(cè)城市總面積約為974.88 km2，占全區(qū)城市土地總面積的71.62%。朝鮮一側(cè)城市土地總面積約為263.16 km2，占全區(qū)城市土地總面積的19.33%。俄羅斯一側(cè)城市土地總面積約為124.29 km2，占全區(qū)城市土地總面積的9.13%。

2018年全區(qū)耕地總面積約為35 337.74 km2，占全區(qū)總面積的21.22%。其中，中國一側(cè)耕地總面積約為19 898.82 km2，占全區(qū)耕地總面積的56.31%。朝鮮一側(cè)耕地總面積約為14 970.33 km2，占全區(qū)耕地總面積的42.36%。俄羅斯一側(cè)耕地總面積約為420.39 km2，僅占全區(qū)耕地總面積的1.19%。

空間分布上耕地呈環(huán)形分布于研究區(qū)的西南部、東部及北部區(qū)域(圖2)，大面積且連續(xù)的耕地主要分布于地勢較為低平的西南部、西部、北部及東南部區(qū)域。這些區(qū)域主要包括中國一側(cè)的丹東市西南部、通化市北部及延邊朝鮮族自治州的北部和東南部地區(qū)，朝鮮一側(cè)的平安北道西南部、兩江道的中部等地區(qū)。小面積的耕地主要分布于中部長白山附近海拔較高的山地周邊及俄羅斯一側(cè)的阿爾喬姆等地。城市主要分布于地勢低平的耕地中心或周邊區(qū)域。

3.2 長白山跨國界地區(qū)1992—2018年土地退化過程

3.2.1 全區(qū)土地退化過程

1992—2018年，全區(qū)城市土地增長729.12 km2(表3)，增長1.15倍，占全區(qū)面積比例從0.38%增長到0.82%，年均增長28.04 km2，年均增長率為4.44%。其中，城市擴展過程占用耕地最多，林地次之，水體和濕地最少。城市擴展過程占用耕地面積約為281.72 km2，占全區(qū)新增城市土地的38.64%。占用林地面積約為228.70 km2，占全區(qū)新增城市土地的31.37%。占用濕地和水體面積為9.45 km2，占全區(qū)新增城市土地的1.30%。

1992—2018年，全區(qū)耕地增長3 984.34 km2，增長12.71%，占全區(qū)總面積的比例從18.83%增長到21.22%，年均增長153.24 km2，年均增長率為0.49%。其中，耕地增長過程占用林地最多，水體和草地次之，濕地最少。耕地在增長的過程中占用林地面積約為4 557.05 km2，占全區(qū)新增耕地面積的114.37%。占用水體和草地分別為15.45 km2和14.86 km2，分別占全區(qū)新增耕地面積的0.39%和0.37%。占用濕地面積約為3.88 km2，僅占全區(qū)新增耕地面積的0.1%。

圖2 研究區(qū)1992—2018年土地利用/覆被類型空間分布圖

表3 長白山跨國界地區(qū)1992—2018年自然棲息地向城市土地和耕地的轉(zhuǎn)移情況

3.2.2 分區(qū)尺度土地退化過程

1992—2018年，中國一側(cè)城市土地增長554.94 km2，增長1.32倍，占全區(qū)面積比例從0.42%增長到0.98%，年均增長21.34 km2，年均增長率為5.08%。在自然棲息地中，城市土地擴展過程占用林地最多，草地次之，水體和濕地最少。城市土地擴展過程占用林地面積約為158.13 km2，占全區(qū)新增城市土地的28.49%。占用草地49.86 km2，占全區(qū)新增城市土地的8.98%。占用濕地和水體共5.67 km2，占全區(qū)新增城市土地的1.02%。耕地增長1 965.42 km2，增長10.96%，占中國一側(cè)面積比例從18.04%增長到20.02%，年均增長75.59 km2，年均增長率為0.42%。其中，耕地增長過程占用林地最多，水體、濕地和草地都較少。耕地在增長的過程中占用林地面積約為2 410.47 km2，占全區(qū)新增耕地面積的122.64%。占用水體、濕地和草地的面積約為9.99 km2，僅占新增耕地面積的0.51%(圖3)。

朝鮮一側(cè)城市土地增長了103.41 km2，增長了64.73%，占朝鮮一側(cè)面積比例從0.27%增長到0.44%，年均增長3.98 km2，年均增長率為2.49%。其中，城市土地擴展過程占用林地和草地較多，分別為18.45和17.46 km2。占朝鮮一側(cè)新增城市土地面積的34.7%以上。水體和濕地只占了15.57。耕地共增加了1 953.81 km2，增長了15.01%，占朝鮮一側(cè)的面積比率從21.69%增長到24.94%。耕地增長過程占用了林地2 067.48 km2，占全區(qū)新增耕地面積的105.82%。占用草地和水體共25.02 km2，僅占新增耕地面積的1.28%。

俄羅斯一側(cè)城市土地增長了73.62 km2，增長率145.29%，占俄羅斯一側(cè)面積比例從0.72%增長到1.78%，年均增長率為5.59%。城市土地擴展過程中占用林地最多，草地次之，水體和濕地最少。城市土地擴展過程中占用林地面積約為54.27 km2，占新增城市土地面積的73.72%。占用草地面積8.19 km2，占新增城市土地面積的11.12%。占用水體和濕地面積共占新增城市土地面積的1.83%。耕地共增加了55.89 km2，增長率15.33%，占俄羅斯一側(cè)的面積比例從5.21%增長到6.01%。耕地增長的來源主要為林地，共占用林地67.59 km2。占新增耕地面積的120.93%。

1992—2018年，研究區(qū)的林地減少速率朝鮮一側(cè)最快，俄羅斯一側(cè)次之，中國一側(cè)最少。耕地增長速率在逐年放緩，城市土地增長速率在逐年增加(表4)。分區(qū)尺度上，耕地增長速率最快的為俄羅斯一側(cè)，朝鮮一側(cè)次之，中國一側(cè)最慢；城市土地增長速率俄羅斯一側(cè)最快，中國一側(cè)次之，朝鮮一側(cè)最慢。這些區(qū)域主要集中在中國一側(cè)的丹東市西南部，通化市北部和延邊朝鮮族自治州的西北和西部地區(qū)；朝鮮一側(cè)的平安北道西部與東南部、慈江道的北部、兩江道的北部與東北部和咸鏡北道的東南部區(qū)域；俄羅斯一側(cè)的阿爾喬姆和海參崴等地。

3.3 生境質(zhì)量時空變化情況

2018年，全區(qū)的生境質(zhì)量為0.703；其中，俄羅斯一側(cè)最高、為0.755，中國一側(cè)次之，為0.708，朝鮮一側(cè)最低，僅為0.691。生境質(zhì)量高值地區(qū)分布在長白山系及其除城市土地外的周邊地區(qū)，這些地區(qū)主要是森林、濕地，多以山地、丘陵和溝谷為主。低值地區(qū)主要分布在延邊朝鮮族自治州(其中以延吉、敦化和琿春市較為明顯)、白山、通化、本溪和丹東市的城鎮(zhèn)用地及周邊縣市的建成區(qū)與周邊地區(qū)；朝鮮一側(cè)主要集中在平安北道的西南部地區(qū)、慈江道的西北部地區(qū)、兩江道的中部和東北部、咸鏡北道的北部與東南部地區(qū)；俄羅斯一側(cè)分布在海參崴、阿爾喬姆、那捷日金斯克等市區(qū)周邊、哈桑地區(qū)西南部與中朝兩國交界的地區(qū)。

1992—2018年，長白山跨國界地區(qū)的生境質(zhì)量呈下降趨勢(圖4)。從0.716下降到0.703，下降了1.76%。生境質(zhì)量在1992—2000年下降的最快，從0.716下降到0.708，下降了1.06%。1992—2018年，研究區(qū)由土地退化引起的生境質(zhì)量下降的區(qū)域主要集中在人類活動較為頻繁的城市土地及耕地周邊(圖5)。主要分布在西部、北部和西南部地區(qū)。它們位于中國一側(cè)的丹東市、通化市、敦化市和延吉市周邊；朝鮮一側(cè)分布較為零散，但面積較廣，主要集中在平安北道的大部分地區(qū)和慈江道、兩江道的北部；俄羅斯一側(cè)主要集中在哈桑地區(qū)西南部和海參崴地區(qū)。

1992—2018年，俄羅斯一側(cè)生境質(zhì)量下降最快，從0.770下降到0.755，下降了1.99%；其次是朝鮮一側(cè)，從0.704下降到0.691，下降了1.96%；中國一側(cè)生境質(zhì)量下降速度最慢，從0.719下降到0.708，下降了1.63%。生境退化的空間變化反映了區(qū)域生境質(zhì)量的退化嚴重程度，分析結(jié)果顯示在區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展較快的地區(qū)其生境質(zhì)量更容易被破壞，尤其是城市土地擴展對生境質(zhì)量產(chǎn)生顯著的影響。因此，生境退化的高值區(qū)域多集中在城市土地建成區(qū)及其周邊地區(qū)，在城市內(nèi)部，其退化度保持一個低增長的狀態(tài)，因為生境已經(jīng)遭到破壞且恢復(fù)較為困難。在山脈、河流等開發(fā)難度大的地區(qū)，生境質(zhì)量基本保持原有的狀態(tài)，但其周邊地區(qū)或多或少也會受到人類活動的干擾，所以周邊地區(qū)也會有小范圍的生境退化現(xiàn)象存在。

從土地退化引起的生境質(zhì)量變化分類等級上來看，研究區(qū)生境質(zhì)量主要以輕度下降為主(表5，圖6)，1992—2018年，輕度下降面積占全區(qū)總面積的47.93%，中度下降占全區(qū)總面積的2.90%，高度下降占全區(qū)總面積的0.06%，嚴重下降占全區(qū)總面積的0.79%。分區(qū)尺度上，輕度下降面積中國一側(cè)最多，占中國一側(cè)總面積的52.4%；中度下降面積朝鮮一側(cè)最多，占朝鮮一側(cè)總面積的3.53%；高度和嚴重下降面積俄羅斯一側(cè)最多，分別占俄羅斯一側(cè)總面積的0.12%、0.79%。

圖5 1992—2018年土地退化引起的生境質(zhì)量變化

表5 土地退化引起的與生境質(zhì)量面積變化和占比

1992—2018年，長白山跨國界地區(qū)土地退化現(xiàn)象明顯，耕地和城市土地面積增長迅速，這在很大程度上是由前所未有的經(jīng)濟發(fā)展所驅(qū)動的[33]。土地退化是引起生境質(zhì)量變化與生境破碎的重要因素，城市和耕地作為該地區(qū)的威脅因子，其面積的變化直接導(dǎo)致生境質(zhì)量的變化[34]。近些年，中國一側(cè)發(fā)生了快速的城市擴展[21]，朝鮮一側(cè)由于糧食安全問題，砍伐森林用來補充耕地是解決糧食問題的必然手段，近幾十年，這種進程已經(jīng)造成了嚴重的水土流失和自然棲息地的喪失[23]。俄羅斯一側(cè)施行了相關(guān)政策加快工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展[35]。城市土地的擴展基本是基于耕地展開的，這就導(dǎo)致如需滿足正?；蚋咚降募Z食供應(yīng)，就必須開發(fā)更多的耕地來滿足需求。研究發(fā)現(xiàn)土地退化主要是發(fā)生在地勢較低的地區(qū)，因此，應(yīng)注意保護低海拔地區(qū)的重要農(nóng)田來抑制生態(tài)環(huán)境的進一步惡化。朝鮮政府也相繼出臺了一系列保護高質(zhì)量耕地與城市土地擴展不得侵占耕地的相關(guān)政策，我國更是將保護土地資源與生態(tài)環(huán)境問題提升到綠色發(fā)展的高度。所以，長白山3國應(yīng)加強合作，互利合作，采取有效措施促進跨國區(qū)域土地資源的可持續(xù)利用與發(fā)展。

圖6 1992—2018年土地退化引起的生境質(zhì)量變化等級

4 結(jié)論與不足

該研究基于1992—2018年4期土地利用數(shù)據(jù)來評估長白山跨國界地區(qū)的土地退化過程，并在此基礎(chǔ)上利用InVEST模型計算了生境質(zhì)量，以此來評估該區(qū)的生態(tài)環(huán)境。

1) 1992—2018年,長白山跨國界地區(qū)土地退化過程顯著，城市土地與耕地增長主要是占用林地進行。分區(qū)尺度上，俄羅斯一側(cè)城市土地增長速率最快，中國一側(cè)次之，朝鮮一側(cè)最慢。俄羅斯一側(cè)耕地增長速率最快，朝鮮一側(cè)次之，中國一側(cè)最慢。空間分布上，土地退化主要發(fā)生在研究區(qū)的西部、西南部和西北部地區(qū)。主要是包括中國一側(cè)的通化市、敦化市和東港市等地。朝鮮一側(cè)的土地退化主要集中在兩江道和慈江道的中部和北部、平安北道的東南部和西北部區(qū)域。

2) 1992—2018年，長白山跨國界地區(qū)的生境質(zhì)量呈下降趨勢，1992—2000年,生境質(zhì)量下降的最快，2000年以后，生境質(zhì)量降低的速率逐漸放緩。在分區(qū)尺度上，俄羅斯一側(cè)生境質(zhì)量下降最快，其次是朝鮮一側(cè)，中國一側(cè)生境質(zhì)量下降速度最慢。由土地退化引起的生境質(zhì)量下降的區(qū)域主要集中在人類活動較為頻繁的城市土地及耕地周邊。

3) 從土地退化引起的生境質(zhì)量等級變化上來看，研究區(qū)生境質(zhì)量主要以輕度下降為主，分區(qū)尺度上，輕度下降面積中國一側(cè)最多，中度下降面積朝鮮一側(cè)最多，高度和嚴重下降面積俄羅斯一側(cè)最多。

由于生態(tài)環(huán)境的下降受到自然和人文多種因素的影響，所以該研究還存在一定的局限。1) 該研究僅以生境質(zhì)量來評估該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，沒有考慮到自然過程與氣候方面的因素，后續(xù)的分析應(yīng)綜合考慮多種因素對生態(tài)環(huán)境的變化進行全面的分析；2) 該研究定義的土地退化僅對自然棲息地向城市土地和耕地的轉(zhuǎn)化進行了分析；3) 該研究采用的數(shù)據(jù)分辨率較為粗糙，未來的研究將結(jié)合高分辨率的數(shù)據(jù)進行更為深入的分析。