20世纪以来，中国城镇化进程不断加快，城市大规模扩张，不仅影响了土地利用结构和效率，而且严重破坏了城市生态系统的结构和功能^[1]。城市面临着生态斑块减少、生物多样性丧失及景观破碎化程度加剧等严峻问题，直接威胁着人类安全和健康，国土空间规划面临着资源承载失衡、生态空间过度开发等巨大挑战^[2]。生态系统的划分并不以其空间属性为特征，而是以生态系统中不同景观要素的功能进行界定^[3]。在生态系统中的诸多景观要素中，以建设行为为主的土地开发和利用占有绝对优势，其开发建设行为强度对生态系统结构造成区域叠加影响，并且可以直观地反映在生态系统的结构和组成上^[4]。由此诸多学者将城市土地利用格局与城市生态系统结合，探究城市生态安全和生态系统的变化规律。在生态系统和生态安全研究中，评价指标的选择上主要以景观指标、土地利用指标等为主；研究方法主要从评价指标入手，逐渐创新算法，但仍以景观格局指标等为依托。人类活动对城市生态系统构成了严重威胁^[5-6]。在对城市景观生态系统的研究中，研究对象多以自然保护区、湿地等自然生态景观为主，缺乏面向城市土地利用的复合生态系统研究。

综上所述，本次研究以青岛西海岸新区为研究区，利用景观格局分析和空间分析等手段，基于1992年、2002年、2009年和2017年的遥感影像，结合城市建设用地扩张变化指标和景观格局指数，构建景观生态系统结构风险指数，分析青岛西海岸新区的生态系统结构安全格局；并利用地理加权回归分析生态系统结构敏感区域的时空演变特征，把握城市生态安全格局变化趋势。

1 数据和方法 1.1 研究区域与数据

青岛西海岸新区是中国青岛西南方位的辖区，东临黄海。2014年设立青岛西海岸新区，成为中国国家级海洋战略新区。随着区域政策经济扶持，产业快速转型升级，城市规模扩张，改变了土地利用格局和生态系统结构，生态问题亟待重视。

本次研究利用国家地理空间数据云平台的Landsat系列数据，利用1992年、2002年、2009年、2017年4个年份的遥感影像数据进行监督分类，分为城市建设用地、植被和水体3类，并利用青岛市统计局公布的统计公报和统计年鉴数据统计区域人口数据，计算相邻实验年份的人口增长率指标。利用数字高程模型(digital elevation model，DEM)数据提取坡度，并通过人工判读和资料收集获得1992年主要建成区范围，区域截至2017年11个港口和区域内全长约24 km的铁路线路，获得特征景观影响因子。

1.2 研究方法 1.2.1 景观生态系统结构风险指数模型

根据前人已有的研究成果^[7]，选择景观脆弱度指数(F)和景观干扰度指数(U)来评价景观生态系统结构风险，构建风险指数(E_I)。计算主要分为以下3个步骤。

1) 景观脆弱度指数在已有的研究中是直接赋值的^[8]。本次研究为了突出城市开发建设对生态系统结构的影响，选择景观扩展强度指数(M_I)和空间扩展弹性系数(E_C)两个指标描述城市景观类型的脆弱度指数。

景观扩展强度指数表示城市生态系统在某一段时间内相对起始时间该类型景观的年扩展比例^[9]。其计算公式为：

$ {M_{I_i}} = \frac{{\Delta {U_{jk}}}}{{\Delta {t_{jk}} \times {M_{jk}}}} \times 100\% $

(1)

式中，M_Ii为i景观要素的扩展强度指数；ΔU_jk为j到k时段i景观类型扩展面积；Δt_jk为j到k时段的时间跨度；M_jk为j到k时段i景观类型初期面积。

空间扩展弹性系数原本用于测度城市建成区是否良性扩张，本次研究将其延伸至其他景观要素，测度3类景观要素的扩展韧性^[10]。其计算公式为：

$ {E_{C_i}} = \frac{{{G_{A_i}}}}{{{G_P}}} $

(2)

式中，E_Ci表示i类型景观空间扩展弹性系数; G_Ai表示i类型景观面积转化率；G_P表示人口增长率。根据中国城市规划设计院的研究结果可认为，当该系数越偏离1.12时，景观要素脆弱度越高；越靠近1.12时，脆弱度越低。

由此综合景观扩展强度和扩展弹性系数得到其脆弱度指数。其计算公式为：

$ {F_i} = a \times {M_{I_i}} + b\left| {{E_{C_i}} - 1.12} \right| $

(3)

式中，F_i表示i景观要素的脆弱度指数；a、b分别表示景观扩展强度和空间扩展弹性系数的权重，其权重赋值为a=b=0.5。

2) 景观干扰度指数是由景观格局指标演化而来，它是指原有景观斑块变化为其他斑块类型的速度，速度越快，其干扰度越高。借鉴前人研究^[7]，以景观破碎度(F_N)、景观分离度(F_D)和景观优势度(D_O)3类景观格局指标综合计算景观干扰度。其计算公式为：

$ {U_i} = c \times {F_{{N_i}}} + d \times {F_{{D_i}}} + e \times {D_{{O_i}}} $

(4)

式中，U_i表示i类型景观干扰度；F_Ni、F_Di、D_Oi分别为i景观要素的破碎度、分离度和优势度；c、d、e分别表示这3类指标的权重，其权重赋值为c=0.5、d= 0.3、e=0.2。

3) 景观要素的生态系统结构风险指数的计算公式为：

$ {E_{{I_i}}} = {U_i} \times {F_i} $

(5)

式中，E_Ii表示i景观要素的生态系统结构风险指数。

1.2.2 地理加权回归模型

基于景观格局分析，为识别风险区域的时空变化，以景观破碎度为依托，选取有效筛网作为因变量，选取与城市建设用地、植被和水体演变相关的因素作为自变量因子，即1992年主要建成区、截至2017年底的港口建设和铁路线路、对应年份的归一化建筑指数(normalized difference build-up index，NDBI)、坡度5个方面，用于地理加权回归模型分析，探究青岛西海岸新区生态系统结构变化的影响因素变化和风险区域变化。计算主要分为两步。

1) 有效筛网大小(M_eff)表示在区域中随机抽取2个点，这2个点不被港口、铁路、建成区或自然地物阻隔而位于同一个非破碎化的斑块中的概率^[11]。有效筛网大小公式为：

$ {M_{{\rm{eff}}}}\left( i \right) = {A_i} \times \sum\limits_i^n {{{\left( {\frac{{{A_{il}}}}{{{A_i}}}} \right)}^2}} $

(6)

式中，n表示i景观要素未破碎的斑块的个数；A_i表示景观i的面积；A_il表示落在景观i中的斑块l的面积。

2) 地理加权回归(geographically weighted regression，GWR)通过计算局部空间参数，表征地理位置变化下的变量关系，反映空间结构分异结果。GWR模型计算如下：

$ {y_m} = {a_{m0}}\left( {{u_m}, {v_m}} \right) + \sum\limits_{m = 1}^P {{a_{m{\rm{ }}n}}\left( {{u_m}, {v_m}} \right){x_{m{\rm{ }}n}} + {\varepsilon _m}} $

(7)

式中，(u_m, v_m)为第m个移动窗口的空间位置；x_{m n}为第m个样本点的独立变量；a_m0(u_m, v_m)和a_{m n}(u_m, v_m)x_{m n}分别为第m个移动窗口的常数项和参数估计值；P为第m个移动窗口处独立变量的个数；ε_m为误差修正项。

2 景观生态系统结构时空变化 2.1 风险指数变化

根据青岛西海岸新区地表覆盖监督分类结果(图 1)分析，青岛西海岸新区的土地利用类型的面积从大到小依次为植被、城市建设用地、水体。1992- 2017年，青岛西海岸新区地表覆盖变化表现为城市建设规模持续扩大，植被和水体面积逐年减少。其中，区域植被减少347.16 km²，水体减少110.57 km²。城市建设用地增加457.73 km²，城市建设用地年平均增长面积为19.07 km²，增长来源于植被和水体生态景观。

根据青岛西海岸新区1992-2017年景观生态系统结构指数统计(表 1)分析可得，城市建设用地、植被和水体的景观脆弱度和景观干扰度指数的变化趋势是一致的，都呈现了先增加后降低的阶段变化。以1992年为基准，第一阶段是1992-2009年，除了水体景观干扰度指数之外，其他景观脆弱度和干扰度指数都呈现升高趋势；第二阶段是2009-2017年，景观脆弱度和干扰度指数都呈现下降趋势，不同的是，2017年的3类景观脆弱度指数均低于2002年，而2017年的城市建设用地和植被的干扰度指数在4年中是最高值。水体干扰度指数整体呈现平稳波动状态，这是由于水域空间具有不可移动性，水域面积由边缘收缩，所以水体的抗干扰程度最高。

景观生态系统结构风险指数的变化从整体来看，城市建设用地、植被和水体的风险指数都呈现先升高后降低的趋势，且2017年的城市建设用地和水体的风险指数低于2002年，降到阶段最低值。其中，城市建设用地的风险指数从1992-2009年呈现大幅度上升，结合1992年、2002年和2009年的地表覆盖分类结果可以认为，2002年的西海岸新区的生态系统结构已经呈现高风险状态，并在2002-2009年阶段持续走高，城市进入高速扩张发展阶段; 到2017年回落至0.564，并且大大低于2002年的城市建设用地生态系统结构风险指数，体现了城市建设强度回落至相对平衡状态，区域生态系统结构格局初步定型; 植被和水体的风险指数变化相对平稳。从整体变化趋势上看，植被的生态系统结构风险指数处于升高状态，表明植被的生态系统格局受到不可逆的破坏，从植被的干扰度系数变化情况可以认为，植被持续受到建设行为的影响，是生态系统高风险景观要素。水体的风险指数总体呈现降低状态，但结合区域地表覆盖变化情况可以看出，水域消减情况突出，伴随着填海造陆的建设行为，水体的生态系统结构风险严重，也是生态系统高风险景观类型。

2.2 生态系统结构风险区域空间变化

根据1992-2017年有效筛网大小(M_eff)与各影响因子的判定系数统计结果(表 2)可知，总体上有效筛网大小对坡度因素的敏感性最高，其判定系数基本处于平稳波动状态；自1992年以来，景观生态系统结构对1992年主要建成区、港口和铁路的敏感性逐渐增强，其中对距1992年主要建成区的距离这一因素相关在2017年达到最高；对NDBI指数的敏感程度在1992-2009年处于小幅度波动之中，但在2009-2017年骤降，降幅低至44.76%。

根据各影响因子最敏感区域的面积的统计结果(图 2)和空间分布(图 3)可知，1992-2009年景观生态结构对NDBI的风险区域最大，在2017年降到最低，从56.57%降到2.04%，结合地理加权回归模型相关性分析，其敏感要素从不透水面比例向其他建设行为要素转变，在空间上从全域分布转变为集中在北部经济区。景观生态结构对距1992年主要建成区的距离、距港口的距离和距铁路的距离的风险区域在总体上呈现升高的趋势，对距离1992年主要建成区的风险区域从3.76%升高至23.23%，所占比例在建设因素中占据首位，对距离港口和铁路的风险区域分别占比18.68%、19.87%。其中，对距1992年主要建成区的距离最敏感区域从点状分布转变为集中连片式分布，主要集中在临港经济区、珠海街道和黄岛区开发区，与4个年份的城市建设用地分布具有较强的空间关联性；对距港口的距离最敏感的区域在2009-2017年迅速由点成面，集中在西南部大村镇、大场镇和海青镇区域；对铁路线路建设最敏感的区域从最初距离铁路线路最近的王台镇和黄山经济区逐步向发达港口地区扩散。而对坡度最敏感的区域相对固定，这是由于区域地形地势限制开发而造成的区域保护。

3 结束语

青岛西海岸新区是海洋资源丰富的国家战略新区，其生态系统结构安全格局受到多种因素的影响。根据其不同景观要素的生态系统结构风险指数和风险区域的时空变化，可以得出以下结论。

1) 2002年、2009年和2017年的青岛西海岸新区的整体生态系统结构风险指数均值分别为0.715、1.16、0.503，区域整体生态系统结构波动变化，逐渐形成稳定的生态格局。城市建设用地生态系统结构趋于稳定，而植被和水体由于受到不可逆的建设破坏，导致2017年的生态结构风险和2002年相差不大，依然处于高风险状态。

2) 自1992年以来，青岛西海岸新区的景观生态系统结构对不同的城市建设因子十分敏感。NDBI指数、距1992年主要建成区的距离、距港口的距离和距铁路的距离均与景观结构的破碎程度呈现显著的相关性，表明城市扩张、港口和铁路建设等对区域生态系统结构的格局造成了影响。并且其敏感区域呈现边缘扩张趋势，并向东部临港口区域延伸。

3) 青岛西海岸新区的景观生态系统结构的变化与其区域宏观政策调控和经济发展息息相关。从1992年胶南经济技术开发区获批成立之后，城市建设和工业产业急速扩张，以前湾港、唐岛湾、董家口为例港口建设。到2002年前后，城市扩张趋势明显，出现大规模填海造陆现象，前湾港集装箱码头正式落成，中国宏观经济发展也进入了快车道。在这个阶段城市生态系统结构安全格局受到城市建设行为的影响，区域植被和水体生态格局发生突变。2009年以后，黄岛组团工业和仓储业继续发展，城市工业用地向胶州方向蔓延，同时在政策鼓励下沿海养殖业也迅速发展。2014年青岛西海岸新区成立，胶南、黄岛两区进入统筹协调发展阶段，区域空间联系密接，城市建设进入高质量稳定发展阶段。这个阶段的景观生态系统结构变化幅度趋于平稳，但由于植被和水体的规模不断缩小，整体生态安全格局仍处于高风险状态。

本文利用景观生态系统结构风险指数，评价青岛西海岸新区的生态系统安全格局，针对性地研究了区域城市建设用地对景观生态系统中其他生态景观要素的影响和演变。但本研究对生态景观要素的分类较少，并未挖掘城市建设用地对生态系统功能的影响。在国土空间规划的时代背景下，未来如何保护与利用蓝绿空间, 控制城市开发建设还需进一步研究。