王耕，王佳雯

辽宁师范大学地理科学学院，辽宁 大连 116029

土地作为人类赖以生存的源泉，地球上各类生态系统的承载体，是人类社会发展过程中尤为重要的自然资源（Fleskens et al.，2009）。土地利用的类型、强度和格局变化受到自然条件和人类活动影响，土地利用的变化可能会导致土地生态系统结构和功能的改变，并对其生境质量状况产生深刻的影响（王建华等，2010；陈佑启等，2001）。生境质量是生态环境本质属性的客观存在，反映了一定时空内生态系统能够提供给适宜个体与种群持续发展与生存条件的能力，生境质量在一定程度上可以反映研究区生物多样性状况（Fellman et al.，2015；Hillard et al.，2017）。基于土地利用变化对生境质量影响评价，可以阐明研究区土地的利用方式、利用强度格局变化是否合理，呈现生态环境的变化趋势，这对土地可持续利用和生态文明建设具有重要意义（杨志鹏等，2018）。目前国内外对于生境质量的研究主要采用野外实地测量栖息地物种以建立指标体系的指标测量法研究范围较小的区域，此方法不适用与大面积宏观评估，其次也多采用以地类为斑块的模型评估。该评价法更适用于监测大范围研究区生境的全面变化，其中InVEST模型因其数据可得性好，空间分析能力强，评价结果精确度高（胡胜等，2014），在生境质量评价方面得到了较广泛的应用。如刘智方等（2017）基于土地利用与社会经济数据深入阐述了福建省生境质量退化的原因；黄木易等（2020）利用InVEST模型与地形位的方法分析了大别山区生境质量时空演化及景观格局；荣月静等（2016）应用 logistic和CA-Markov模型预测了南京市不同情景下的土地利用发展方向以及生物多样性服务功能分布情况。上述研究工作的开展丰富了区域生境质量评估的研究案例，未来土地利用变化对区域生境质量的驱动机制研究仍是全球环境变化的研究热点。

丹东市沿海地区地理位置重要，物质资源丰富，森林覆盖率高，是吉林、辽宁两省的重要“绿色屏障”，也是重要的水源基地、生态肺和木材等林副产品的主要产区、生物物种的基因库，生物多样性丰富（曹建洲等，2001）。评估生境质量的状态、趋势及其对人类福祉的影响，是当前国际生态系统服务研究领域的重要任务，对丹东沿海地区牢牢抓住绿色发展这个立脚点，推动生态文明建设继续走在全省前列，释放沿海经济发展的潜力，激发沿江社会发展活力，享受生境质量提高带来的绿色福利，使丹东沿海地区在东北亚开放的背景下加快绿色“一带一路”进程具有重要意义（邓宏兵，2017）。作为重要的港口城市，经济的发展刺激城市扩张，围填海造陆在创造经济价值的同时也对地区生态造成干扰。基于此本文在分析了丹东市沿海地区 2000—2018年土地利用变化的基础上，通过InVEST模型对生境质量进行了时空评价，探讨了土地利用变化对生境质量的影响，旨在恢复生境质量低值区，协调好经济发展与生态环境保护之间的关系，在生境质量良好的前提下促进经济快速高效发展，为未来的土地利用规划提供一定的理论支持。本文对加快丹东陆港建设，积极对接吉林“向南发展”战略，推进“白通丹经济带”构建，促进鸭绿江旅游业健康发展，解决与人类密切相关的生态环境问题有重要影响，将生态环境作为丹东未来发展的后发优势，对促进规模适度、布局合理的沿海城市空间发展体系形成具有积极影响。

1 研究区概况

丹东市沿海地区（39°30′—41°15′N，123°15′—125°50′E）位于丹东市东部和南部，包括东港市、振兴区、元宝区、振安区和宽甸满族自治县5个区域（图1），东与朝鲜隔江相望，南临黄海，西部是丹东市凤城区，西南与大连市毗邻，北与本溪市接壤，总面积9155 km2（2018年）。研究区地势北高南低，自东北向西南地貌依次为山地、丘陵、平原。森林面积位居前列，是辽宁东部重要的生态安全屏障。河流属鸭绿江水系、大洋河水系和沿海水系，水资源丰富。地处东北亚中心地带，东北亚经济圈与环渤海、黄海经济圈的重要交汇地，是集工商农贸旅游为一体的沿海、沿边、沿江城市，交通便利，地理位置极为重要。

图1 研究区概况图Fig. 1 Regional overview map of the study area

2 数据与方法

2.1 数据来源与处理

本研究土地利用数据（2000、2005、2010、2015、2018年）来源于中国科学院资源环境科学数据中心（http://www.resdc.cn），数据分辨率为1 km×1 km。其中土地利用类型包括6个一级地类和25个二级地类，研究区域丹东沿海地区涉及了其中 20个二级地类，基于 ArcGIS对数据进行分类汇总，建立土地利用二级分类体系（如表1）。本文所有数据都统一采用Krasovsky_1940_Albers投影。

表1 土地利用分类体系Table 1 Land use classification system

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用变化测算

采用净变化指数、总变化指数、净变化速率来深入分析丹东市沿海地区土地利用类型变化的过程和发展趋势，主要指数的计算方法见公式（1—3）（闫国振等，2017；王燕等，2020）。在此基础上运用ArcGIS软件的空间叠加功能，对研究区2000—2005、2005—2010、2010—2015、2015—2018年的各土地利用类型进行统计和叠加处理，得到土地利用类型转移矩阵以计算出各类土地的流失去向。

式中，Cn、Ct和Sr分别代表某一土地利用类型面积的净变化指数，总变化指数和净变化速率，%；Ua、Ub分别为研究初期和末期该土地利用类型的面积，km2；ΔUout为研究时段内某一土地利用类型转变为其他土地利用类型的面积之和，km2；ΔUin为同时期内其他土地利用类型转变为该类土地利用类型的面积之和，km2；T为研究时段，a。

2.2.2 生境质量模型

InVEST模型是由美国斯坦福大学、世界自然基金会大自然保护协会联合开发，用于评估生态系统服务的功能量与经济价值，支持生态系统管理和决策的一套模型系统，包括生境质量、土壤保持等多种模块（王志强等，2010）。本文采用InVEST模型中的生境质量（Habitat Quality）模块，根据威胁因子的位置、威胁强度、最大威胁距离以及不同土地利用类型对威胁因子的敏感度，计算出生境质量与生境退化程度。本研究参照包玉斌等（2015）、刘园等（2019）、王保盛等（2020）的研究并结合现有数据及实地情况选取水田、旱地、城镇用地、农村居民点和其他建设用地作为威胁源，参考模型推荐的数值得到威胁因子参数表（表2）。通过参考模型的推荐值、相关文献（钟莉娜等，2017；张文静等，2019；张学儒等，2020）综合相关专家意见以及当地实际情况，最终确定生境敏感性参数表（表3）。具体公式见参考文献（吴健生等，2017）。

表2 威胁源的权重和最大影响距离Table 2 Weight and the maximum influence distance of threat factors

表3 不同土地利用类型生境适宜度及其对各威胁源的敏感度Table 3 Habitat suitability of different land use types and their sensitivity to various threat factors

2.2.3 生境质量冷热点分析

运用全局自相关 Moran’sI指数和热点分析方法以揭示研究区生境质量在空间上的聚类分布特征，识别生境质量在空间分布上显著的高值区（热点）和低值区（冷点）。运用 ArcGIS平台提供的空间分析工具 Global Moran’sI指数和基于Getis-Ord Gi统计指数的热点分析工具对丹东市沿海地区 2000、2005、2010、2015、2018年生境质量进行分析，得到生境质量空间分布的热点和冷点区域以及其在空间上的集聚情况。具体公式参考相关文献（李双成等，2014；宋磊等，2018）。

3 结果分析

3.1 土地利用变化分析

通过研究 2000—2018年土地利用变化转移情况（图2），显然可见丹东市沿海地区土地利用类型以林地、耕地为主，2018年林地、耕地面积分别为5758、2356 km2，各占研究区总面积的62.895%、25.735%。研究区北部地区作为吉林辽宁两省生态屏障的重要组成部分，林地水域覆盖率高；南部沿海平原地区是沿海经济带重点发展的区域，农业用地规模大，城乡建设用地比重大，生态建设任务压力大。2000—2005、2005—2010、2010—2015、2015—2018年发生变化的土地面积分别占研究区总面积的0.370%、0.697%、0.196%、11.103%，其中以2015—2018年土地利用变化最为突出。

图2 研究区土地利用类型分布及其变化（2000—2018）Fig. 2 Land use distribution and changes of the study area (2000-2018）

据土地利用类型面积变化及指数变化表（表4）、土地利用变化转移矩阵（表5）显示，2000—2005年丹东市沿海地区耕地面积减少了17 km2，主要向林地和水域用地转移，使其面积各增加了10、7 km2；水域净变化速率突出。2005—2010年草地和建设用地面积分别增加了21、11 km2，来源于耕地、林地和未利用地的流失，同时也有少部分耕地向林地转移；草地在这5年内净变化速率突出，净变化较大。2010—2015年耕地面积减少了9 km2，减少的面积主要转向水域和建设用地；建设用地在此期间净变化最大，占地面积增加较快，净变化速率突出。2015—2018年土地利用变化强烈，耕地是此期间内面积减少最多的土地利用类型，分别向林地、草地、水域和建设用地发生了转移；林地在“青山工程”的推行下从耕地、草地转来，面积增加较多；草地在这3年内净变化速率突出，向林地、水域、建设用地以及耕地转移；水域净变化速率也较为突出，面积增加较快，增加的面积来源于建设用地、耕地、林地的流失以及未利用地的开发；建设用地仍然保持较快的增涨态势；此外部分未利用地在这3年内开发为耕地、水域，改良了土壤质地，改善了地表景观生态环境，开发为城市建设用地获得了经济效益。

表4 2000—2018各土地利用类型面积变化及指数变化Table 4 Changes in area and indexes of each land use type in 2000-2018 (km2, %)

表5 研究区土地利用转移矩阵Table 5 Land use transfer matrix in the study area km2

3.2 生境质量时空变化

InVEST模型采用生境质量指数来表示生境质量状况，土地开发利用强度越强，威胁源越多，威胁范围越大，生境质量越趋近于低值。将 5期生境质量指数运算结果划分为0—0.2、0.2—0.4、0.4—0.6、0.6—0.8和0.8—1等5个区间，分别对应低、较低、中、较高和高等级的生境质量，为了更好地比较分析土地利用类型变化对生境质量的影响，统计出各等级的生境质量所占的面积比例（表6）。

表6 2000—2018年各等级生境质量面积及百分比Table 6 Habitat quality area and percentage of each grade in 2000-2018 (km2, %)

基于InVEST模型对研究区2000—2018年的生境质量变化进行评估，结果表明：研究区生境质量时空分布特征明显（图3）。生境质量高值区分布在研究区东北部，面积较大，多年平均占研究区面积的61.497%，该地带土地利用类型以林地、河渠为主，受人类活动影响较小，生物多样性丰富；生境质量较高区主要散布在中部草地、水库坑塘用地及其周围地区，生物多样性也较为丰富，生态环境良好；生态质量中等区域面积最少，主要为滩地分布地区；西南部、中部地区生境质量较差，平均约占研究区的29.512%，通过与土地利用类型的对比可以看出，该地以平原地形为主，地势平坦适合发展农业，主要土地利用类型是水田和旱地，农业活动与人类关系密切，受人类的影响较大，生态破坏严重；研究区的西南边缘、西南沿海地区以及较差区的周围地区主要为生境质量低值区，呈狭长的带状分布，以沼泽等未利用地、建设用地为主要的土地利用类型。未利用地由于受地形等因素的限制，生物多样性差，生态环境恶劣。沿海建设用地人口聚集规模较大，城镇化水平高，经济发达，人类活动频繁，原有自然生境被改造为人工环境，生境质量较差。通过时序变化统计分析可以看出：生境质量指数在 2000、2005、2010、2015、2018年平均值分别为0.73263、0.73377、0.73328、0.73314、0.74534，生境质量波动不大，近年稍有提高；生境质量指数的标准差从 0.35087、0.35054、0.35058、0.3509、0.3532，表明空间上栅格单元之间的生境质量差异在扩大。

图3 研究区生境质量空间分布Fig. 3 Spatial distribution of habitat quality in the study area

3.3 土地利用类型及其变化对生境质量影响

为了衡量土地利用与生境质量的变化情况，将5个阶段的生境质量图相减得到图4，图4中负值（-1— -4）代表生境质量退化的区域，0是生境质量没有变化的区域，正值（1—4）代表生境质量改善的区域，由于 2000—2005、2005—2010、2010—2015年生境质量变化微弱，以2000—2015年和2015—2018年生境质量变化图表示。通过生境质量变化图与土地利用变化图对比可以发现，土地利用变化不大的 2000—2015年，生境质量变化也很微小，2015—2018年土地利用变化突出，导致生境质量变化也较大。2015—2018年生境质量退化的区域面积达1435 km2，提升的面积达1333 km2。东部沿岸地区生境质量退化最为明显，该地河渠用地在近年修建水库坑塘，农业用地被城市发展吞灭，造成了沿海生境质量显著的退化，相反东港南岸沿海地区，原本的海港沿岸建设用地为恢复生态，逐渐将人工景观向自然景观改善，生境质量得到改善；同时恢复林地覆盖地区也可以看出生境质量明显得到提升。

图4 生境质量变化情况Fig. 4 Change of habitat quality

研究区的生境质量与土地利用类型存在显著的相关性，人类活动改变土地利用状况，将自然景观开发为水田、旱地、城镇用地、农村居民点以及其它建设用地，人类活动强度越大对生境质量造成的干扰也强（吴健生等，2017），土地利用类型的变化直接影响了生境质量的变化。通过对研究区2000、2005、2010、2015、2018年各类土地利用类型生境质量进行分区统计，得到各土地利用类型的平均生境质量（图5）。生境质量较高的土地利用类型有有林地、河渠、灌木林、湖泊、高覆盖度草地，平均生境质量分别为 0.99980、0.99976、0.99966、0.99828、0.79990，生境质量较低的土地利用类型有裸岩石质地、沼泽地、低覆盖度草地、滩涂、滩地（平均生境质量分别为 0.00000、0.00000、0.39998、0.59944、0.59980）以及作为威胁因子的水田、旱地、城镇用地、农村居民点和其他建设用地，其他类型土地生境质量值介于二者之间。2000—2005年林地水域面积增加，而作为威胁因子的耕地面积减少，对周围生态环境干扰降低，此阶段林地、草地、水域的生境质量都有提高。2005—2010年林地面积减少，威胁因子中建设用地扩张，威胁周边生态环境，耕地、林地、水域生境质量有所降低。2010—2015年建设用地持续扩张，加大对周围环境压力，因此各土地利用类型生境质量在这5年里都有不同程度降低，生境质量指数总体也降低了0.00014。2015—2018年由于草地面积流失较多，高、中、低覆盖度草地生境质量指数都有降低；水域面积增加，水库坑塘的生境质量指数提高了0.0004。

图5 研究区各土地利用类型生境质量Fig. 5 Habitat quality of different land types in the study area

研究区的东北部区域宽甸满族自治县土地利用类型主要以林地为主，生境质量相对较高，但是随着城镇化建设发展，林地的不合理的开发利用使得生态环境遭到破化，生境质量在近年来呈下降的趋势；东港市、振兴区、元宝区以及振安区城市化建设强度大，相对而言生境质量较差，特别是在沿海城市周围、港口地区生态质量退化强；南部与大连市接壤处土地利用类型由建设用地转为水域，生境质量明显得到改善。总体来看，丹东市滨海研究区生态环境的保护与城市化建设矛盾尖锐，未来可通过集约利用土地，预留生态用地，将生态环境理念贯彻到优化土地利用布局中，改善人居环境，提高沿海地区的生态服务功能和景观经济价值，在促进经济发展的同时建设好生态文明。

3.4 生境质量冷热点分析

对研究区 2000—2018年的生境质量进行全局自相关分析，结果如表7所示，Moran’sI大于0，P-value为0.000000，相应的Z-score均大于1.96表明在研究期间内生境质量的空间分布存在显著的空间自相关性，生境质量分布在空间上存在集聚情况。Moran’sI由2000年的0.162259下降为2018年的0.076234，表明研究区的生境质量聚集有分散的趋势。

表7 研究区生境质量空间自相关分析结果Table 7 Spatial autocorrelation analysis of habitat qualityin the study areas

生境质量的热点或冷点区域是指生境质量的特征值分布聚集度高或低的区域。对研究区域的生境质量的“热点”及“冷点”进行分析，研究区不同年份生境质量在空间上的聚集和离散状况如图6所示，冷热点分布与生境质量分布状况密切相关，2000—2015年研究区生境质量热点主要分布在研究区东港市的西北部有林地、灌木林、疏林地这些生境质量较高值聚集地区以及其东南部建设用地、沼泽等生境质量低值聚集分布地区，振安区西北部林地等生境质量较高值分布相对聚集区，元宝区振兴区内生境质量较高值聚集地区；冷点主要分布在东港市东南沿海生境质量低值分散分布的地区。到2018年生境质量聚集状况有分散的趋势，区域间的生境质量差异在扩大，东港市东南沿海依然为生境质量冷点区；振兴区与元宝区的沿海地区城乡建设用地集中分布，生境质量低值聚集，是生境质量热点区；宽甸满族自治县西南沿海地区土地利用类型由河流建设成为水库，较高的生境质量分布更为聚集，是新产生的热点区。总体而言，生境质量的热点和冷点区在研究区内所占比例有所下降，由2000年的9.21%下降到2018年的8.36%，说明生境质量的聚集状况有了分散的趋势。

图6 研究区生境质量冷热点（2000—2018）Fig. 6 Hotspots and coldpots of habitat quality in the study area (2000-2018)

4 讨论

本文基于InVEST模型，分析了2000—2018年丹东市沿海地区生境质量时空演化规律，并对生境质量变化与土地利用的相关性进行分析。虽然InVEST模型相对较为成熟，在定量分析空间表达等方面有其优越性，但计算的参数设置存在一定的主观性问题，参数设置的合理性有待验证。InVEST模型对生物多样性的估算还有一定的局限性（唐尧等，2015），模型采用对威胁因子叠加计算生境质量的方法，但现实情况中有时多种威胁的综合影响可能会超过个体之和，但目前的研究尚未解决该问题（邹天娇等，2020）。在未来的研究探索中应尝试结合其他模型，多方探索寻求最合理的布局方式。

在《丹东市土地利用总体规划（2006—2020）年》的规划实施过程中，政策的调控使土地利用格局提升成效显著，退耕还林、退田还湖、青山工程等措施的实施下，研究区耕地向林地和水域大量转移。随着经济快速发展，城镇用地、农村居民点及其它建设用地面积也在不断扩大，铁路、公路港口等基础设施的建设对环境造成了一定程度的破坏，加大了区域生态环境压力。增加的城镇用地主要集中在振兴区元宝区以及东港市的东部沿海区域，农村居民点分散在宽甸满族自治县等地。2015年全市土地工作会议中指出对于土地工作部署要大力清理闲置土地，集约利用好土地资源，受政策的影响一定程度上把过去提供农产品为主体功能的地区恢复为能够提供生态产品为主体功能的地区，是对过去开发中主体功能的不合理规划的纠正，为全市经济发展提供了用地保障。本文基于近 20年的遥感影像景观图结合InVEST模型，为在大尺度上定量化评估人类活动强度对生态环境的影响，较精确的识别未来生态重点保护区域提供了可能，能够为丹东市沿海地区生态保护政策及城市发展规划提供科学支撑。

生境质量时空格局演化深受土地利用变化影响，人类活动的影响深度远远超出人类的控制范围，然而两者内部的影响机理、耦合机制有待进一步揭示。未来对于如何协调好社会经济发展与生态效益之间的关系仍需要不断探索。

5 结论

本研究表明，（1）研究区耕地、草地、未利用地面积减少，且耕地面积仍呈连年递减趋势，林地、水域用地面积有所增加，建设用地在研究期间内也在不断扩大，未来仍保持递增的趋势。（2）研究区生境质量低值区扩大，较低值区缩小，中等级、较高、高值区面积增加。（3）生境质量空间分布与土地利用的分布密切相关，土地利用变化大时生境质量变化显著，生境质量高值区主要分布在东北区域的林地、河渠所在地；中部草地、水库坑塘用地及其周围地区的生境质量较好；滩地生态质量中等；西南部以及中部地区耕地受人类农业活动影响较大生境质量较差；西南沿海城市建设用地区生境质量低。（4）研究区生境质量分布状况存在空间聚集性，通过热点分析发现生境质量的聚集效应近年来有分散趋势，区域间的生境质量差异有所扩大。

未来丹东市沿海地区的生态经济建设可以通过提高生产技术水平，优化作物种植结构，立足特色优势农业，推动农业供给侧结构性改革来应对耕地流失的问题；集约用地，林地保育，划定生态保护红线，合理规划土地利用以改善生境质量维护生态系统平衡；改革生产技术，优化产业结构，延长产业链，树立绿色发展理念来提升产业综合效益。在保护好生态环境的同时，保证经济社会的健康可持续发展。合理利用丹东市沿海地区土地资源，创建生态文明，对推进丹东市沿海地区发挥位置优势，海陆统筹发展，积极融入辽宁沿海经济带的发展大格局之中具有重要意义。