基于土地利用變化的漓江上游生態風險時空分異

胡金龍，羅 楠，樊亞明

（1. 桂林理工大學 旅游學院，廣西 桂林 541004； 2. 華中農業大學 園藝林學學院，湖北 武漢 430070）

基于土地利用變化的漓江上游生態風險時空分異

胡金龍1,2，羅 楠1，樊亞明1

（1. 桂林理工大學 旅游學院，廣西 桂林 541004； 2. 華中農業大學 園藝林學學院，湖北 武漢 430070）

根據漓江上游1986，2000，2013年三期Landsat遙感影像，提取土地利用數據，構建生態風險指數，借助空間自相關分析等方法，研究漓江上游生態風險時空演化特征。結果表明，1986－2013年，漓江上游土地利用變化顯著，林地面積持續增加，耕地面積不斷減少，建設用地快速擴張，用地類型主要向林地和建設用地轉移；27年間漓江上游生態風險維持在較低水平，并呈持續下降趨勢，空間分布上存在顯著的正自相關性，生態風險高值區聚集在漓江上游的城鎮區域，低值區主要分布在北部和西部的山林地帶；漓江上游以低和較低生態風險區為主，面積逐年增加，較高和中生態風險區減少，高生態風險區很小但擴張迅速；生態風險空間分布整體格局基本穩定，呈南高北低，中間高兩側低，高風險區沿漓江兩岸零散分布的格局特點。

土地利用變化；生態風險；時空分異；漓江上游

生態風險是評估區域生態環境可持續性的重要指標，其評價始于上世紀80年代，經過30多a的發展，評價由單風險源、單一受體的局部小尺度區域擴展到多風險源、多受體的大尺度區域綜合生態風險評價[1-4]，現已成為一種重要的生態環境管理手段[5]。近年來，基于土地利用變化的區域生態風險評價逐漸成為環境管理研究領域中的熱點問題[6]，大多利用土地類型結構數據來構建生態風險指數，通過層次分析等方法確定不同土地利用類型生態風險權重，利用ARCGIS的空間分析功能進行區域生態風險評價[7-9]，研究中引入空間統計分析方法更深入地揭示生態風險時空分異規律。本文借助3S技術，綜合運用地統計和空間統計分析進行生態風險評價，揭示漓江上游27 a間的生態風險時空演化特征，為促進區域協調發展和生態風險管控提供決策依據。

1 研究區概況

漓江流域位于廣西東北部、南嶺山系西南端，24°38′10″ ~ 25°53′59″ N、110°07′39″ ~ 110°42′57″ E，主要包括象山、七星、疊彩、秀峰、雁山五區以及臨桂、靈川、興安、平樂、陽朔部分區域，漓江干流全長164 km。整體地勢北高南低，以漓江為中軸線，呈南北向狹長帶狀分布，具有典型的喀斯特地貌特征。漓江流域屬中亞熱帶季風氣候，四季分明，氣候溫和，年均氣溫18.9°，年均降水量1 941.5 mm，植被覆蓋度高，類型豐富，典型植被以亞熱帶常綠闊葉林為主。本研究的范圍主要為漓江上游（桂林市區以北段），主要涉及流域北部靈川縣、興安縣的大部分鄉鎮（圖1），總面積2 678.17 km2。

圖1 漓江上游區位圖Figure 1 Upper reaches of Lijiang River

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源與處理

以1986年10月（TM）、2000年9月（TM）、2013年10月（OLI）三期Landsat遙感影像為主要數據源。利用ERDAS9.2，采用最大似然法監督分類對漓江上游土地利用類型進行解譯，將研究區土地利用類型劃分為6種：林地、耕地、建設用地、水域、草地和未利用地，不同時期總體分類精度介于87.23% ~ 89.75%。

2.2 采樣方法

根據漓江上游斑塊面積情況，采用2 km×2 km的格網單元，利用等間距系統采樣法對生態風險指數進行空間化，共有格網740個，計算每個格網生態風險值，作為格網中心點的生態風險水平。

2.3 生態風險指數

利用各地類的面積比例，構建生態風險指數（ERI），用于測度格網內生態風險的相對大小，以建立土地利用結構與區域生態風險之間的經驗聯系[10]。計算公式如下：

式中：Ak為第k個樣地總面積；Aki為第k個樣地第i類土地類型的總面積；Wi為第i類土地類型的生態風險強度參數；N為土地利用類型數量。采用層次分析法，通過咨詢12位從事土地管理、生態評估等方面專家確定判斷矩陣，最終得出不同土地利用類型的Wi[10]，依次為：林地0.042 7，耕地0.191 6，建設用地0.393 4，水域0.142 5，草地0.072 6，未利用地0.157 2。

2.4 空間分析方法

2.4.1 空間自相關分析法 空間自相關分析分為全局自相關和局部自相關分析，用來檢驗某一變量是否在空間上相關及其相關程度[11]。

全局空間自相關是對屬性值在整個區域空間特征的描述。全局Moran’s I是最常用的全局自相關統計指標[12]，可從整體上反映區域生態風險的空間自相關性，其值介于-1 ~ 1，小于0表明生態風險值空間分布呈負相關，大于0表明生態風險值空間分布呈正相關，等于0表示不相關。計算公式如下[13]：

式中，n為空間點總數；xi和xj別是變量x在相鄰配對空間點的取值；wij表示鄰接或距離空間權重矩陣；`x為變量的平均值。

局部空間自相關可以反映整個區域中，局部小區域某一屬性值與周邊單元同一屬性值的相關程度。用局部空間自相關指標LISA來揭示各個區域單元生態風險值空間自相關的程度，具體計算公式如下[13]：

式中，xi，xj，wij和`x 的含義同（2）。LISAi小于0表示非相似生態風險值的空間聚集，LISAi大于0表示該區域單元周圍生態風險高值或低值空間聚集。

2.4.2 半方差分析法

區域生態風險指數作為一種空間變量，可以利用ArcGIS中的地統計分析模塊，計算半變異函數，進行區域生態風險程度的空間分析。計算公式如下[14]：

式中，r(h)為變異函數；h為樣本空間距離（步長）；N(h)為樣本對總數；Z(xi)和Z(xi+h)分別為空間位置xi，xi+h處的生態風險值。在理論擬合的基礎上，利用普通克里格法編制不同時期漓江上游生態風險程度圖。

3 結果與分析

3.1土地利用動態變化

1986－2013年，林地一直是漓江上游的優勢景觀，占總面積的80%以上，面積持續增加，2013年比1986年林地面積凈增187.44km2，2013年所占比例高達88.61%。耕地作為流域第二大土地利用類型，面積持續減少，由1986年的397.50 km2下降到2013年的157.54 km2，下降近60%。建設用地快速增加，由1986年的19.83 km2增加到2013年的54.09 km2，凈增34.26 km2。水域呈先減少后增加的趨勢，研究期內整體小幅減少1.92 km2。草地先小幅減少后快速增加，2013年比1986年大幅增加15.08 km2。未利用地持續增加，但絕對面積少，在整體變化中反映不明顯（表1）。從整個研究期來看，各土地利用類型都發生了一定程度的轉移（表2），發生變化的面積占13.61%，其中草地最為劇烈，轉化率為84.62%，其次為未利用地，轉化率為71.33%。由于退耕還林、石漠化治理、林果種植等措施的實施以及城鎮擴張和旅游開發等因素的驅動，用地類型主要向林地和建設用地轉移。

表1 1986－2013年漓江上游土地利用變化Table 1 Land use changes in upper reaches of Lijiang River between 1986 and 2013

表2 1986－2013年漓江上游土地利用轉移矩陣Table 2 The matrix of land-use transition from 1986 to 2013

3.2生態風險指數的空間自相關特征

3.2.1 全局空間自相關分析 全局空間自相關指標用于驗證整個研究區域某一要素的空間模式[12]。利用Geo9.5計算1986，2000，2013年漓江上游生態風險指數的全局Moran′s I估計值分別為：0.758 3，0.744 5，0.711 2。三個時期全局Moran′s I 估計值均大于0，并不斷下降，顯著性水平均小于0.05。結果表明，漓江上游生態風險指數存在明顯的空間正自相關性，相鄰樣地在空間上呈現高度相似性和聚集分布。1986－2013年，生態風險指數空間聚集程度呈不斷下降的趨勢。

3.2.2 局部空間自相關分析 根據公式（3）得出漓江上游1986，2000，2013年生態風險度局部空間自相關LISA結果（圖2）。結果表明，1986－2013年漓江上游生態風險指數的高值和低值聚集區保持著基本穩定的空間格局。高值區域聚集在漓江上游沿岸的興安鎮、嚴關鎮、溶江鎮和靈川鎮等地，主要由于上述地方的區域經濟發展水平較高，建設用地面積大，人類活動劇烈。低值聚集區主要分布在漓江上游的北部和西部，此區域生態風險低，植被狀況良好，受人類活動干擾少。

3.3生態風險時空分異

3.3.1 生態風險指數的空間結構分析 利用ARCGIS10.0進行理論半變異函數擬合，發現球狀模型的擬合較為理想，基于此模型分析漓江上游生態風險空間結構。

圖2 漓江上游生態風險值LISA指數空間分布圖Figure 2 LISA of ecological risk in upper reaches of Lijiang River

表3 生態風險指數的理論半變異函數Table 3 Theoretical semivariable function of eco-risk index

由表3可知，1986－2013年的基臺值介于0.002 322 7 ~ 0.002 501 2，均較小，但呈現逐漸增長的趨勢，說明研究時段內漓江上游生態風險強度的空間分布較為均勻，生態系統的穩定性相對較好，但研究后期伴隨城鎮化不斷加快和旅游活動的日趨增多，高生態風險區不斷擴張，空間分布差異逐漸變大、不均勻性增強。1986－2013年變程由18 437.8 m逐漸增加到20 916.4 m，表明生態風險強度的空間相關距離逐漸增大。研究前期區域內的主要人為改造活動為低強度的農業生產，受復雜地形條件和道路可達性的影響比較大，因此生態風險強度相關距離較短；研究后期，特別是2000年以來，旅游開發和城市建設等大規模土地開發活動，使道路系統不斷完善、交通可達性增強，導致生態風險強度空間相關距離不斷增大。由于研究區復雜的地形條件，仍是生態風險空間擴散的主要限制因素，所以生態風險指數的變程增加緩慢，并維持較小的變程。3.3.2 生態風險時序變化 利用ARCGIS 10.0，根據公式（1）分別計算1986，2000，2013年漓江上游740個格網的生態風險值，1986年生態風險值介于0.001 5 ~ 0.204 0，均值為0.067 5，2000年介于0.001 8 ~ 0.246 5，均值為0.064 8，2013年介于0.001 3 ~ 0.248 9，均值為0.060 3。研究期內漓江上游的生態風險均值由0.067 5減少到0.060 3，峰值由0.204 0持續增加到0.248 9，整體上持續處于較低生態風險水平，局部高風險區域趨向集中。參考相關研究[12]，采用相對指標法將生態風險指數劃分為高生態風險（≥0.20）、較高生態風險（0.15 ~ 0.20）、中生態風險（0.10 ~ 0.15）、較低生態風險（0.05 ~ 0.10）、低生態風險（≤0.05）等5個等級，統計三個時相不同生態風險等級分布面積及比例。

表4 漓江上游不同等級生態風險變化特征Table 4 Changes of eco-risk grades in upper reaches of Lijiang River

結果顯示（表4），1986－2013年間漓江上游以低和較低生態風險為主，合計占比均在80%以上，并呈逐年增加的趨勢，占比由1986年的82.32%增加到2013年的90.05%。中生態風險先增后減，較高生態風險持續下降，主要由于研究區中部生態風險較高的農田朝向林地和建設用地雙向轉移的結果。高生態風險面積快速增加，由0.07 km2增加到7.50 km2，主要由于流域內城鎮快速擴張、景區開發帶來的建設用地增加。

3.3.3 生態風險空間變化 采用普通克里格法對三個時相的生態風險值進行空間插值[14]，編制不同時期漓江上游生態風險空間分布圖。由圖3可以看出，1986－2013年漓江上游生態風險的整體格局基本穩定，但空間差異顯著，呈南高北低，中間高兩側低，高風險區沿漓江兩岸零散分布的格局特點。研究期內低生態風險區集中分布在研究區北部的貓兒山國家級自然保護區、西部的青獅潭水源林保護區。低生態風險區域持續增加，特別2000年后退耕還林、封山育林等措施的實施，使其面積快速擴大。較低生態風險區主要環繞中高風險區域圈層狀分布，面積先增加后減少。中生態風險區主要分布在漓江上游的中間區域，屬于低風險和高分險區的過渡地帶。較高生態風險區環繞高風險區分布，面積持續減少，由風險水平較高的農田轉化為建設用地和林地所致。高生態風險區主要分布在靈川鎮，其他區域零星分布，面積增加迅速?？傮w來看，1986－2013年漓江上游一直處于較低的生態風險水平，并呈逐漸向好的趨勢，但高風險區增加迅速，此類區域需加強生態環境建設，適度降低區域生態風險。

圖3 1986－2013年漓江上游生態風險空間分布Figure 3 Spatial distribution of eco-risk in upper reaches of Lijiang River during 1986－2013

4 結論與討論

（1）1986－2013年，漓江上游土地利用變化顯著，其生態風險一直維持在較低水平，并略有下降，但局部地區呈快速增加之勢。三個時期生態風險存在明顯的空間正自相關性，高值和低值聚集區保持著基本穩定的空間格局，高值區明顯聚集在漓江上游沿岸的興安鎮、嚴關鎮、溶江鎮和靈川鎮等人類活動干擾劇烈的區域，低值聚集區主要分布在研究區北部的自然山林地帶，人類活動干擾少，靈川、定江等地生態風險變化顯著。

（2）研究期內，漓江上游以低和較低生態風險區為主，面積逐年增加，中生態風險區先增后減，較高生態風險區不斷下降，高生態風險面積快速增加。生態風險的整體格局基本穩定，但空間差異顯著，呈南高北低，高生態風險區沿漓江兩岸離散分布的特點。低生態風險區集中分布在北部和西部，高生態風險區主要分布在靈川鎮，其他區域零星分布，面積增加迅速。

（3）研究基于不同土地利用類型生態風險強度構建生態風險指數，來評價漓江流域的相對生態風險，但沒有考慮土地利用的破碎度、分離度等斑塊特征以及社會、經濟及生態環境的其它因素，故不具有絕對性。但由于土地利用變化必然引起區域生態功能的變化，因此通過研究不同土地利用的遷移特征來分析生態風險的變化趨勢以及驅動因素是有效的。

（4）作為漓江的源頭區域，在今后區域發展中應加強土地資源管理，優化土地利用結構，確定合理的景觀組分構成及功能和空間分布，減少土地利用格局的破碎度和分離度，合理安排建筑用地密度，嚴禁重點保護區域的非法建設，有效保護自然山林等低生態風險區，減少人為干擾，確保區域生態安全，協調環境保護與社會經濟發展的關系，促進區域可持續發展。

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Spatiotemporal Variation of Ecological Risk in Upper Reaches of Lijiang River by Land Use Change

HU Jin-long1,2，LUO Nan1，FAN Ya-ming1
（1. Tourism College, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China; 2. College of Horticulture & Forestry Science, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China )

Based on remote sensing images of upper reaches of Lijiang River, Guangxi, in 1986, 2000 and 2013, the land-use data were extracted and ecological risk index was constructed. The characteristics of spatiotemporal variation of ecological risk were analyzed by spatial autocorrelation. The results showed that land use changed significantly from 1986 to 2013 in upper reaches of Lijiang River. Woodland and construction land increased while farmland decreased. Ecological risk kept at a low level and decreased continuously in the research area. The spatial distribution of ecological risk showed significant positive autocorrelation. Cities and towns had higher ecological risk along Lijiang River, mountain and forest in the northern and western of the research area had lower risk. The research demonstrated that ecological risk was low in upper reaches of Lijiang River, with increase of areas, and small area has high ecological risk but increased quickly.

land use change; ecological risk; spatiotemporal variation; upper reaches of Lijiang River

S718.5

A

1001-3776（2017）02-088-07

10.3969/j.issn.1001-3776.2017.02.014

2016-10-30；

2017-02-15

國家科技支撐計劃課題（2012BAC16B04）；廣西自然科學基金項目（2012jjBA50033）；廣西高?？蒲许椖浚╕B2014146），桂林市科技計劃課題（20140117-2）

胡金龍，副教授，博士，從事景觀規劃、旅游用地管理等研究；E-mail：43765934@qq.com。通信作者：樊亞明，講師，博士，從事風景園林與旅游規劃設計研究；E-mail：51661906@qq.com。