南京市生境质量时空演变特征与影响因素研究

吴 榛,徐可依,钱燕萍,洪玉杰

(1.南京工业大学 建筑学院,江苏 南京 210000;2.南京晓庄学院 环境科学学院,江苏 南京 210000;3.扬州市个园管理处,江苏 扬州 225000)

生态系统能够提供给生物个体与种群持续发展和生存条件的能力,被称为生境质量[1-3]。在高速城镇化发展过程中,随着人类建设用地的扩张,人类活动对区域自然环境的影响逐渐增大,生境质量也出现不同程度的退化。因此,在区域时空演变过程中,识别和预测区域环境生境质量空间分异是识别生境脆弱区、进行区域生态空间保护与修复的前提和基础[4]。

目前,生境质量分析主要包括生境指标建模和区域景观格局评估模型两大类,其中生境指标建模分析主要应用于小尺度生境空间,通过实地调查抽样的方法对相关生境质量数据进行收集,从而对生境空间的生境质量做出精确分析,如水质生境[5]、植被演替等[6]。区域景观格局评估模型的生境质量分析面向区域尺度的研究场地,即在遥感数据基础上使用模型进行运算[7]。在城市建设与生境质量关系的研究中,土地利用变化是城市发展过程中最直观的表现,土地利用方式和强度变化直接体现了城市建设过程在空间与时间的变化规律与分异特征,研究中常用InVEST模型中Habitat Quality模块根据生境威胁源的分布和不同土地利用类型对生境威胁源的敏感程度,分析空间生境质量[8]。在城市时空演变过程中,开展高强度城市建设过程中的生境质量评价有助于揭示城市生境质量变化趋势,识别城市生境脆弱区和空间分异状况,可为城市生态安全、国土空间规划提供决策依据。

南京市作为长三角城市群中快速城镇化的典型城市,不可避免地经历着城市快速扩张所导致的土地利用类型和生境质量的动态变化,如各类用地向建设用地转移、草地及林地的生境质量降低、生物多样性较少、区域生态系统服务能力下降等问题。因此,作为长三角城市群绿色高质量一体化发展的重要组成部分,应积极探索协同推进生态优先和绿色发展的新道路。然而,目前针对南京市生境质量时空演变特征的研究较少,特别是对其时空动态演变中生境质量影响因素研究还有待进一步深入。

鉴于此,本研究选取我国快速城镇化地区的典型城市南京市为对象,在分析南京市土地利用变化的基础上,基于ArcGIS、Fragstats、InVEST模型分析、评估南京市2000-2020年的生境质量变化及演变特征,并利用地理探测器分析影响南京市生境质量变化的主要因子,旨在为南京市生境质量保护和国土空间规划提供数据支撑与科学依据,为快速城镇化地区生态可持续性发展提供参考。

1 研究区概况

南京市为江苏省省会(118°22′-119°14′E,31°14′-32°37′N),是国家生态园林城市,属于亚热带季风气候,地貌属丘陵地区,以低山缓岗为主,平均气温为16.7 ℃,雨量充沛,年降水量1 200 mm,四季分明。2020年南京市城镇化水平提升至86.8%,城镇人口达809万,全市实现地区生产总值14 818亿元,全年人均GDP约15.93万元。南京市水域面积占总面积的11%以上,全市林木覆盖率、自然湿地保护率分别为31.61%、68.6%。

2 材料与方法

2.1 数据来源

选择2000、2010年及2020年3期数据,主要包括土地利用类型、DEM(digital elevation model)、坡度、年降水量、NDVI(normalized difference vegetation index)、建设用地指数、人口密度数据、GDP(gross domestic product)公里格网数据、夜间灯光数据。土地利用类型数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心(https://www.resdc.cn/),主要包括耕地、林地、草地、水域、建设用地和其他用地6类;DEM数据来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/);年降水量来源于《中国1980年以来逐年年降水量空间插值数据集》[9];NDVI来源于《2000-2020年中国30米年最大NDVI数据集》[10];GDP公里格网数据来源于《中国GDP空间分布公里网格数据集》[11];人口密度来源于World Pop网站的人口密度数据(https://hub.worldpop.org/);夜间灯光数据来源于《中国长时间序列夜间灯光数据集(2000-2020)》[12];建设用地指数为每个格网内建设用地面积占所在单个格网面积的比例[13]。

2.2 景观格局分析方法

景观格局指数可以定量反映景观空间结构、空间组成及景观配置特征。本研究运用Fragstats4.2景观格局分析软件在景观整体层次上计算南京市土地利用的景观格局指数,选取最大斑块指数(LPI)、分离度指数(SPLIT)、香农多样性指数(SHDI)、景观蔓延度指数(CONTAG)4个指标[14-15](表1)。

表1 景观格局指数指标选取及研究意义Table 1 Index selection of landscape pattern and research significance

2.3 生境质量评估方法

InVEST模型是评估区域生态系统服务和支撑生态系统决策的综合模型系统[16-18]。其中Habitat Quality模块主要用于计算区域生境质量,通过Habitat Quality模块计算生成的生境质量分布图可以从地理空间分布上反映栖息地生境质量信息[19-21]。

运用InVEST 3.9软件中Habitat Quality模块对南京市2000-2020年的生境质量进行分析。生境质量计算公式如下[22]。

(1)

(2)

式中:Qxj为生境质量指数;Hj为土地利用类型j的适宜性;k为半饱和常数;z为归一化常量;Dxj为土地利用类型j中栅格x的总威胁水平;r为生境威胁因子;y指威胁图上的所有栅格;Yr指威胁图上的一组栅格;ωr为r的权重;ry为栅格y的威胁强度;βx为栅格x的可达性水平;Sjr为土地利用类型j对威胁因子r的敏感度;irxy为ry对x栅格的威胁水平;其公式如下[23]。

(3)

(4)

式中:irxy为栅格y中的威胁因子;dxy为栅格x与y之间的线性距离;drmax是威胁因子r的最大作用距离。

根据国内外相关文献确定每种土地类型的生境适宜性和各生境对每种威胁源的敏感性(表2、表3)[23-24]。运行模型后得到2000、2010年及2020年的南京市生境质量分布图。为进一步分析南京市生境质量的变化趋势,在ArcGIS中运用自然断点法将2000年生境质量分为高、中、低3类,并依2000年生境质量分类标准对2010年及2020年南京市生境质量进行分类。

表2 生境威胁源及相关参数Table 2 Habitat threat sources and related parameters

表3 不同土地利用类型的生境适宜性及对威胁因子的敏感性Table 3 Habitat suitability of different land use types and sensitivity to different threat sources

为了更好地分析南京市生境质量时空变化,探究不同土地利用类型对生境质量变化的生态贡献率[24],依据生态贡献率公式进行进一步分析。

(5)

式中:Cit为t时间段内i种土地利用变化类型生境贡献率;HQCit为t时间段内i种土地利用变化类型区块内生境质量变化平均值;LAit为t时间段内i种变化类型面积;TA为区域总面积;n为土地利用变化类型数量。

2.4 地理探测器方法

地理探测器是探测因变量与自变量间空间分布格局的新兴统计方法[25-26],旨在探测空间分异性,揭示驱动因子影响程度。本研究采用地理探测器中因子探测,以生境质量值为因变量,以自然因子(高程、坡度、年降水量、NDVI)及社会因子(建设用地指数、人口密度、GDP公里格网数据、夜间灯光)为自变量。研究过程中通过自然断点法将自变量分为9类,利用ArcGIS建立1 km的渔网,以网格中心点为采样点,对自变量和因变量进行数据统计,并通过地理探测器分析识别南京市生境质量的影响驱动因子。

3 结果与分析

3.1 生态环境特征变化

3.1.1 土地利用时空变化 南京市域范围内土地总面积约6 586.61 km2。2000年南京市建设用地面积为1 058.08 km2,2010年增长到1 552.86 km2,到2020年增长到1 752.31 km2,2010-2020年的增长幅度为12.84%。南京市城市平均生境质量指数在2000年为0.38,2010年下降到0.30,2020年下降到0.27,整体生境质量退化明显(图1)。

图1 南京市2000-2020年土地利用变化流向Fig.1 The flow chart of land use change in Nanjing from 2000 to 2020

2000、2010年及2020年土地利用以耕地、建设用地为主要类型。2000-2020年,土地利用类型变化的总面积为838.85 km2,占南京市总面积的12.74%,这一时段内南京市土地利用类型中建设用地面积逐年增加,净增长694.23 km2,增幅为65.61%,而林地、耕地面积逐年下降,其中林地面积净缩减34.37 km2,降幅为4.90%,耕地面积净缩减802.37 km2,降幅为19.37%(表4)。

表4 2000-2020年南京市土地利用转移矩阵Table 4 Land use transfer matrix of Nanjing from 2000 to 2020 km2

3.1.2 景观格局动态变化 表5为2000、2010年和2020年南京市在整体景观水平上的景观格局指标。最大斑块指数(LPI)在2000年为27.43%,2010年为21.27%,2020年为19.66%,表明南京市整体景观中最大斑块面积逐渐变小;景观蔓延度指数(CONTAG)用来表征斑块间的连接性特点,研究区内CONTAG在2000年为63.53%,2010年为59.83%,2020年为59.37%,呈减少趋势,说明研究区内斑块间的连接度下降;分离度指数(SPLIT)为聚散指数的评价指标,研究区内SPLIT值在2000年为9.04%,2010年为13.94%,2020年为15.51%,呈增长趋势,表明研究区景观具有多种要素的密集格局,景观的破碎化愈发增加;香农多样性指数值(SHDI)在2000年为1.09,2010年为1.22,2020年为1.24,不同年份香农多样性指数增大同样表明了南京市景观系统中景观向均衡化分布趋势发展,土地破碎化程度也越高。

表5 2000-2020年南京市景观格局指数统计Table 5 Statistics of Nanjing landscape pattern index from 2000 to 2020

3.2 生境质量动态变化

2000、2010年和2020年的南京市生境质量指数分别为0.38、0.30和0.27。2000-2010年生境质量指数降幅为21.05%,2010-2020年降幅为10.00%,前一时段降幅远超后一时段。2000-2020年南京市高质量生境面积占比减少4.37%,中质量生境面积减少19.36%,低质量生境面积从17.74%增加到41.47%。其中在2000-2010年,低质量生境面积增加18.10%,相比于2010-2020年增加5.63%而言,2000-2010年时段生境退化更为明显(表6)。

表6 2000-2020年南京市生境质量指数统计Table 6 Statistics of Nanjing habitat quality index from 2000 to 2020

研究期内南京市生境质量有退化也有提升,但总体看来,南京市城市扩张过程中建设用地的扩张造成整体生境质量向退化方向发展(图2)。因此,对2000-2020年各时间阶段内南京市生境质量退化的主要土地利用变化类型及贡献率进行了分析统计(图3)。表明在2000-2010年与2010-2020年2个时期,耕地向建设用地转移及耕地自身生境质量降低是南京市生境质量退化的主要原因,两者对生境质量降低的贡献比分别占38.08%、23.18%与52.60%、12.97%(表7)。除上述2类原因外,林地与水域生境下降及林地与水域向建设用地转移为生境质量变化的次要原因。

图2 南京市2000-2020年生境质量空间分布Fig.2 Spatial distribution of habitat quality in Nanjing from 2000 to 2020

图3 南京市2000-2020年土地利用转移变化Fig.3 Land use transfer change map of Nanjing from 2000 to 2020

表7 影响南京市生境质量的主要土地利用变化类型及贡献率Table 7 Major types and contribution rates of land use change affecting the habitat quality in Nanjing

通过地理探测器因子分析得出2000年南京市的年降水量、GDP和建设用地指数对生境质量的影响程度最高,2010年各影响因子中年降水量、GDP和夜间灯光对生境质量的解释程度相对较高,2020年影响数值最大的因子为年降水量、夜间灯光和建设用地指数(图4)。

图4 地理探测器指标qFig.4 Index of q statistic of Geodetector

研究结果表明,自变量中自然因子与社会因子对南京市生境质量空间分异的影响效能不同。自然因子中年降水量在2000、2010年及2020年生境质量分布中解释力最高,对生境质量分布的基本格局起重要作用,高程、坡度、NDVI的解释力较低。社会因子中建设用地指数与夜间灯光的解释力相对较高,说明建设用地指数与夜间灯光对生境质量分布分异影响作用明显。

4 结论与讨论

4.1 结论

2000-2020年南京市土地利用转型明显。第一阶段(2000-2010年)建设用地大面积增加,增幅为46.76%,第二阶段(2010-2020年),建设用地增幅为12.84%,其中土地利用变化主要以耕地向建设用地的转化为主,占总面积的10.35%。

南京市整体景观格局指数中LPI、CONTAG值逐渐下降,SPLIT、SHDI值逐渐上升,表明南京市整体景观格局呈破碎化发展趋势,斑块间的连接度逐渐降低。

南京市生境质量呈逐渐减弱的趋势。2000-2020年间高质量生境面积减少4.37%,2000-2010、2010-2020年区域生境质量降幅分别为21.05%和10.00%,相对而言,生境质量退化速度逐渐放缓。其中受建设用地扩张影响的耕地生境质量降低以及耕地向建设用地的转化是区域生境质量降低的2个主要原因,两者在各时段内对生境质量降低的贡献比分别占38.08%、23.18%与52.60%、12.97%。

2000、2010、2020年的年降水量因子的地理探测器指标q为0.12、0.30和0.27,数值相对较高,说明自然因子中降水量因子对南京市生境质量空间分异的影响驱动力最强,该因子对生境质量基本格局形成有重要影响。社会因子中建设用地指数与夜间灯光的地理探测器指标q相对较高,说明建设用地指数与夜间灯光对南京市生境质量分布分异作用明显。

4.2 讨论

南京市生境质量均值在2000-2020年总体呈下降趋势,2000-2010年与2010-2020年时段生境质量降幅分别为21.05%和10.00%,前一时段降幅远超后一时段,土地利用类型变化的总面积各时期分别为1 317.74 km2和405.79 km2,占研究区总面积的20.01%和6.16%,因此可知,2000-2010年时段是南京市生境质量下降最明显和土地利用变化最显著的时期。这一时期受人类高强度的经济开发影响,近郊区耕地自身生境质量下降与建设用地大面积扩张导致耕地向建设用地转变是区域生境质量降低的2个主要原因,两者在各时段内对生境质量降低的贡献比分别占38.08%、23.18%与52.60%、12.97%。2000-2020年自然因子中年降水量q值最高,建设用地指数与夜间灯光强度q值次之,说明该时段内年降水量对生境质量空间分异的影响驱动力最强,同时,一定程度上说明降水量、建设用地指数与夜间灯光奠定了生境质量空间分异的基础,对南京市生境质量分布分异影响作用明显。

由于近20 a南京城市大幅扩张,周边林地、耕地等被不断侵占,生境质量发生不可逆的损坏,区域内高等级生境斑块的面积逐渐下降,影响到区域范围内各栖息地斑块内的生物繁衍与生态系统服务供给。受社会经济发展情况制约,大面积生态重建已不符合当下发展现实,需通过产业升级改变经济结构,减少产业发展对建设用地的利用需求,高效集约利用土地,减少建设用地扩张对生境质量的干扰。同时,在国土空间保护与开发过程中,应进一步加强城镇开发边界及生态保护红线的管控,对生境质量退化的栖息地斑块进行生态修复,对退化严重的区域优先进行生态重建,推动低生境区域向高生境区域用地类型的转化。并且可进一步通过加强城市绿地生态廊道与网络建设,促进生物多样性保护,提升生境格局的完整性和连通性[27]。