基于景觀格局的干旱區綠洲生態風險評價與管理
——以青銅峽市為例

韓曉佳, 劉小鵬,2, 王亞娟, 溫勝強, 葉均艷

(1.寧夏大學 資源環境學院, 銀川 750021; 2.寧夏(中阿)旱區資源評價與環境調控重點實驗室,銀川 750021)

基于景觀格局的干旱區綠洲生態風險評價與管理
——以青銅峽市為例

韓曉佳1, 劉小鵬1,2, 王亞娟1, 溫勝強1, 葉均艷1

(1.寧夏大學 資源環境學院, 銀川 750021; 2.寧夏(中阿)旱區資源評價與環境調控重點實驗室,銀川 750021)

干旱區綠洲抗干擾能力弱，開展其生態風險評價具有的重要意義。以景觀生態學理論為指導，選取青銅峽市作為研究對象，采用三期遙感數據，運用景觀格局指數評估生態風險，并對生態風險指數進行空間化，繪制研究區2006年、2010年、2016年的生態風險空間分布圖。在此基礎上，結合空間統計法分析了研究區生態風險的聚集模式。結果表明：(1) 研究期間，青銅峽市景觀格局變化明顯。耕地、水域和未利用土地的景觀破碎度增加，大斑塊破碎化趨勢明顯，區域的景觀穩定性降低。景觀格局指數的空間分布顯示景觀破碎度、損失度較高區分布在人口和經濟活動聚集的綠洲核心區。(2) 研究區的生態風險時空變化差異較大。其中高風險區面積減少最為顯著，并隨著風險等級之間的轉換，中等風險區成為研究區的主要風險類型。生態風險呈現緩和趨勢。(3) 研究區的生態風險存在顯著空間正相關，“低低”和“高高”聚集是主要的生態風險聚集模式，低值為高值包圍或高值為低值包圍的空間孤立點表現不顯著，高低風險之間嚴重分化是研究區亟待解決的問題。

景觀格局; 生態風險; 干旱區綠洲; 風險管理; 青銅峽市

在一定區域內，不確定性的事故和災害對生態系統造成的不利影響稱為生態風險，具有潛在性、不確定性和危害性等特點[1-2]。隨著土地退化、物種滅絕以及環境污染等生態問題相繼出現，嚴重影響和制約了社會經濟發展。因此對環境中潛在的不利效應加以評估和識別，并作為風險管理依據應用于風險預警和防范之中[3]，是降低生態風險對生態系統損傷的重要途徑。生態風險評價始于20世紀80年代。歷經30多年的發展，風險評價的風險源識別由單一的化學污染物擴展到自然災害、人類活動等宏觀因子[4-6]，風險受體也從人體健康擴展到對種群、景觀類型以及整個生態系統的研究[7-9]；評價方法由簡單的定性描述發展為利用模型法[10]、熵值法[11]并結合3S技術[12]完成定量的計算和空間模擬分析；評價對象的尺度，由流域研究擴展至城市等行政區域[13-14]。因此，區域生態風險評價便具有了動態性、空間異質性以及綜合性等特征。景觀格局，綜合反映了自然與人為相互作用下產生的區域生態環境，充分體現了生態過程作用在不同研究尺度上的最終結果?；诰坝^格局的生態風險評價，從景觀要素的多樣性和空間關系中揭示了區域景觀的安全格局，直觀地反映出風險壓力因子的空間分布規律和風險值梯度演變特征[15]，是目前生態風險研究與評估熱點。

綠洲是干旱區內人類生產生活發展的主要空間，是自然與人文要素共同作用下的復合生態系統[16]，屬干旱區內特有的生態景觀現象。干旱區綠洲的生態安全，直接關系到干旱區的生存環境安全與社會經濟發展。因此，對綠洲生態系統的穩定性研究成為近年來干旱區的研究熱點，大多集中在綠洲的形成機制與演化規律[17]、土地覆被變化[18]以及景觀格局[19]研究上。其中，基于綠洲景觀的高度異質性和強烈人為干擾下形成的景觀獨特性，從景觀格局視角研究綠洲生態安全，能充分揭示綠洲景觀特征，是評價綠洲生態安全的有效方法。

青銅峽市位于寧夏平原中部，屬西北內陸干旱區，境內黃河過境水量約400億m3，有得天獨厚的引黃灌溉條件，是典型干旱區綠洲地帶，脆弱性與環境敏感性是其生態環境典型特點。而近年來，隨著人類活動的擴張，加之實施的寧夏“十二五”中南部生態移民工程帶來的新生態壓力，預防和解決青銅峽市面臨的生態風險刻不容緩。本研究立足于這一典型區域，選取2006年、2010年和2016年三期TM遙感影像為數據基礎，依據景觀生態學原理，結合研究區當地實際情況構建景觀生態風險指標，運用景觀格局分析軟件Fragstats 3.4計算景觀指數。在ArcGIS平臺上，揭示生態風險的空間分異，為研究區的生態風險管理提供科學依據，對于保障整個干旱區生態系統功能與穩定性具有重要意義。

1 研究區與研究方法

1.1 研究區概況

青銅峽市位于黃河上游，寧夏平原的中部，隸屬吳忠市，地處105°22′—109°09′E，37°41′—38°33′N，南北長60 km，東西寬30 km，市轄8個鎮和2個場。地勢由西南向東北自高而低呈現階梯狀分布，境內地貌可分為山地、丘陵、洪積扇、黃河沖積平原以及庫區5大類地貌類型，屬中溫帶大陸性氣候，年降水量約260.7 mm，四季分明，晝夜溫差較大，水資源較為豐富，是寧夏回族自治區重要的工業基地之一?！笆濉逼陂g，寧夏實施了大規模的生態移民工程，移民人口約7.65萬戶(32.9萬人)，涉及南部山區原州、西吉、隆德、涇源、彭陽、同心、海原等縣區。其中青銅峽市，共承接2.75萬來自南部山區的移民，建成有4個生態移民安置區。

1.2 研究方法

研究數據來源于研究區2006年、2010年和2016年三期分辨率為30 m的LandsatTM遙感影像(L129R34)。以ENVI 5.1為圖像處理平臺，采用監督分類、目視解譯和實地驗證相結合的方法對研究區的遙感影像進行解譯。結合研究區的土地利用現狀，將景觀類型劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用土地6種作為風險受體。選取樣本分離度均高于1.87，三期影像解譯Kappa指數分別是0.84，0.85，0.83，達到解譯精度需求。最后分別得到三期景觀類型圖。借鑒鞏杰等[20]學者的相關研究，構建包括景觀結構指數、景觀脆弱度指數和生態風險綜合指數在內的景觀格局風險指標體系。

1.2.1 景觀結構分析 人類活動通過土地利用影響區域的生態系統。在區域生態系統受到干擾后，風險受體的變化顯著地表現在景觀結構的空間組成上。而景觀結構指數用以反映景觀生態系統遭受到外界壓力干擾和脅迫程度?？紤]青銅峽市的實際情況，本研究選取景觀破碎度(Ci)、景觀分離度(Di)和面積周長分維度(Fi)衡量景觀的空間結構變化，參考相關研究文獻，將三項指數通過附加權重后可得到景觀結構指數(Si)。

Si=aCi+bDi+cFi

式中：a，b，c為各個指標的權重，權重的大小，依據已有學者的相關研究[21]，并運用專家打分法，分別賦值為0.5，0.3，0.2。

1.2.2 脆弱性分析 不同景觀類型其本身的脆弱程度不同，在受到風險源干擾后呈現出不同程度上的損害。景觀脆弱度指數(Vi)表明該類型景觀對外部干擾的抵抗能力。對于易損數值的確定，常采用專家賦值歸一化處理和層次分析法。本研究在借鑒已有的研究成果和經驗[22]，結合研究區景觀的實際情況，采用專家賦值法，對6類景觀脆弱性分級打分，最后進行歸一化處理得到各類景觀的脆弱度指數Vi，對其由高到低依次排序為未利用土地(0.285 7)、水域(0.238 1)、耕地(0.190 5)、草地(0.142 9)、林地(0.095 2)、建設用地(0.047 6)。而景觀損失度(Ri)指數，用以描述不同景觀類型在遭受到干擾后所受到生態損失的多少，是由一種土地類型景觀的景觀結構指數(Si)和景觀脆弱度指數(Vi)相乘而得到：

Ri=Si×Vi

1.2.3 綜合生態風險分析 基于景觀結構的變化分析，僅能從表面體現區域生態風險的特征變化，為了更好描述研究區綜合生態風險，構建起景觀結構與生態風險的聯系，需利用每一類型景觀的損失度指數與該類型景觀的面積比重來定量化區域綜合生態風險(ERI)。

式中：Aji是風險小區內第i類景觀的面積；Aj是風險小區的面積；Ri是第i類型景觀的生態損失度；n是景觀類型；ERI是第i個風險的生態風險指數。

依據景觀生態學中對景觀樣本的基本要求，即樣本面積應介于平均斑塊面積的2～5倍[23]，將青銅峽市以3km×3km網格劃分單元進行采樣，共243個風險小區。分別計算各個風險小區的綜合生態風險值，利用ArcGIS中的Kriging空間插值法，將量化后的生態風險指數轉化成為空間分布形式。

1.2.4 空間自相關分析 探究區域內生態風險的空間異質性規律一般采用空間統計學方法進行分析[24-25]。其中，運用空間自相關分析法可以分析風險小區的風險取值與相鄰風險區值的相似程度，即空間正相關為某一風險小區的取值與其相鄰區取值有相同的變化趨勢，相反則為空間負相關。空間自相關的相似度一般采用Moran指數進行刻畫，一般分為全局Moran指標和局部Moran指標。其中局部Moran指數可揭示研究區局部空間變異情況以及與相鄰間風險小區的空間關系，其計算公式為：

2 結果與分析

2.1 青銅峽市景觀格局特征

由表1可知，在2006—2016年青銅峽市的景觀格局有明顯的變化。耕地、水域和未利用土地呈現景觀破碎化趨勢，區域景觀的穩定性有所降低。由于人類活動的擴張，耕地和水域的破碎化較為明顯，破碎度呈上升趨勢，耕地的分維度變小，說明耕地和水域這兩類景觀受人類活動干擾明顯，較大斑塊被分割，數量隨之增多，景觀的破碎度加大。其中建設用地的破碎度在2006—2010年增加明顯，是由于此期間處于研究區城鎮迅速擴張階段，土地利用管理較為松散，城鎮建成區尚未形成，破碎化較為嚴重。之后的2010—2016年，城鎮擴張速度下降，加強對城鎮土地的集約利用，破碎度隨之明顯下降，景觀類型的分維度也隨之變小。未利用土地的破碎度有所增加，且變化較為明顯，是因為除城鎮擴張開墾了部分未利用土地外，研究區還承接了寧夏“十二五”期間生態移民工程搬遷的27 577人，建成4個規模較大的生態移民安置區，且均在未利用土地的荒灘上新建而成，一定程度上加大了未利用地的破碎度。但較耕地、建設用地等利用率高的景觀類型，破碎化程度和受人為干擾程度還較低。草地、林地的破碎化趨勢和分維度均有所下降。究其原因是研究區較好地響應政府退耕還林還草政策，大面積地種植人工林地和草地，景觀形狀較為規則，受人類活動影響明顯。景觀的生態損失度顯示：除耕地和草地有較為明顯的上升趨勢外，其余景觀類型整體上變化不明顯。

從景觀格局指數的空間分布來看，景觀破碎度、損失度較高區分布在研究區人口和經濟活動聚集的東北部，且分維度較低，該景觀類型的斑塊形狀趨于規則，人類活動的干擾表現明顯。分布在研究區西部和東南部的未利用土地景觀破碎度、損失度較低，景觀的分維度較大，說明未利用土地較好地保存了原有的自然狀態，受到人為干擾較小。從景觀格局指數的時間變化看，研究區東北部和中南部的破碎度和損失度范圍在2006—2016年呈擴大趨勢，分維度范圍也隨之增大，說明景觀受人為干擾影響在不斷加大。這些變化多分布在東北部(綠洲核心區)的邊緣，屬生態敏感區，需加強生態風險防范。

表1 2006-2016年青銅峽市景觀格局指數

2.2 青銅峽市生態風險時空分異

計算已劃分的生態風險小區風險值，在ArcGIS平臺利用克里金空間插值法將量化后的生態風險轉化至空間上，能夠較為直觀地表現出研究區內生態風險的空間分布狀況。統計結果顯示，在2006—2016年各風險小區的風險值為0.001 3～0.651 8，高低風險值之間差值較大，但3期數據風險平均值變化不明顯。在ArcGIS中，按等間隔重分類將生態風險值由小到大依次劃分5個等級，即低風險區(0.001 3～0.131 4)、較低風險區(0.131 4～0.261 5)、中等風險區(0.261 5～0.391 6)、較高風險區(0.391 6～0.521 7)和高風險區(0.5217～0.651 8)。

由表2可知，青銅峽在研究期間的10 年內生態風險有較大的變化。2006年研究區的生態風險以較低風險區和高風險區為主，生態風險等級兩極分化嚴重。2010年高風險區面積開始減少，中等風險區和較高風險區面積加大，生態風險表現出一定的緩和趨勢。2016年高風險區大面積減少，變化劇烈，較低風險區和中等風險區占研究區面積的73.75%，成為青銅峽市的主要風險等級類型。其中，城鎮面積的迅速擴張和積極響應退耕還林還草政策是生態風險降低的重要原因。

生態風險的空間分布顯示，高風險和較高風險區分布在未利用土地面積較大的西部和東南部，這部分是自然景觀保存完好卻易于受到人為干擾的區域。隨著城鎮擴張，大部分未利用土地被開墾利用，一定程度上增加了高風險區景觀的空間異質性，原有未利用土地的生態損失度下降，高生態風險也隨之降低。而綠洲核心區，盡管人為干擾度較大，但由于林地和草地的面積增加，生態風險類型以較低和低風險為主。從整體來看，中等生態風險逐漸成為研究區主要的生態風險類型。

2.3 青銅峽市生態風險聚集模式

計算研究區2006年、2010年、2016年生態風險的全局Moran指數均為正值，說明在研究區內，生態風險空間分布上存在顯著的空間正相關，即生態風險表現出相似值之間的空間聚集趨勢。運用空間自相關分析軟件OpenGeoDa生成Moran散點圖(圖1)和LISA聚類圖(圖2)。由圖1可知，大部分風險小區位于第一、第三象限，空間正相關聯系顯著，屬于“低低”聚集(低值包圍低值區)和“高高”聚集(高值包圍高值區)風險聚集模式。第二象限的“低高”聚集模式和第三象限的“高低”聚集模式也有零星分布，但數量上明顯要小于“低低”和“高高”聚集模式。從LISA聚類圖中(圖2)，可以更為清晰地看到在2006—2016年生態風險聚集模式的空間分布狀況?！暗偷汀憋L險聚集區分布在綠洲核心區和中南部低風險區上，且面積有所擴展，位置向南偏移?！案吒摺憋L險聚集區隨時間變化有縮小趨勢，位置向西北、西南偏移。說明研究區的生態風險有一定的緩和趨勢，但高風險和低風險之間分化嚴重。

表2 2006-2016年青銅峽市生態風險級別面積統計

圖12006-2016年研究區生態風險小區Moran散點圖

圖22006-2016年研究區生態風險小區LISA聚類圖

3 結論與討論

3.1 結 論

(1) 研究期間，青銅峽市的景觀格局變化明顯。耕地、水域和未利用土地三種景觀類型的破碎度增加，大斑塊破碎化趨勢明顯，研究區的景觀穩定性降低。景觀格局指數的空間分布顯示景觀破碎度、損失度較大的區域分布在研究區人口和經濟活動聚集的綠洲核心區。

(2) 青銅峽市生態風險的時空變化差異較大。其中高風險區面積減少顯著，并隨著風險等級之間的轉換，中等風險區成為青銅峽市的主要風險類型。其中，積極響應退耕還林還草政策是近10 年研究區生態風險緩和的主要原因。

(3) 研究區的生態風險存在顯著空間正相關，LISA聚類圖顯示，“低低”和“高高”聚集是主要生態風險聚集模式，低值為高值包圍或高值為低值包圍的空間孤立點不顯著。高低風險之間嚴重分化是研究區亟待解決的問題。

3.2 討 論

近些年，生態風險評價的側重點由污染因子對生態系統的破壞向人類活動對生態系統干擾轉變，如開始探究土地利用變化、氣候變化等對生態系統的脅迫。研究對象尺度從種群擴展至整個區域景觀研究。這種變化有利于將生態風險評價與區域的環境與發展之間相結合，能為區域發展監測和預測生態環境變化[26]。依據青銅峽生態風險評價結果，結合不同等級風險區的特點和實際情況，提出相應的風險管理對策，對降低和減少研究區的生態風險損失具有重要意義。針對研究區各級生態風險區的空間分布情況并結合研究區的實際情況提出相應的風險管理對策建議如下：

(1) 應對高生態風險和較高生態風險的管理建議。青銅峽市的高生態風險區和較高生態風險區主要分布在未利用土地面積廣泛、地勢較高的西部和東南地區。這些地區本身的脆弱性較高，且為水土流失、滑坡等地質災害高發區。雖受到的人類活動和干擾較少，但卻是生態系統恢復和重建的困難地區，一旦受到人類活動的破壞，將會加劇地質災害的發生。因此，該地區的風險管理重點應放在加強生態環境的建設上，嚴格控制對該地區未利用土地的隨意利用，加強地表植被種植，優化配置山區間的土地利用，遵循自然生態適應性規律，以提高生態系統的服務能力。

(2) 應對中等生態風險的管理建議。研究區的中等風險區主要分布在綠洲核心區邊緣與未利用地廣布的交界處。建設用地、草地、水域是該風險區的主要景觀類型，植被覆蓋度中等，并隨著城鎮綠洲區擴張逐漸成為青銅峽市的主要風險等級。該區的風險管理對策應從維持現狀和降低生態風險入手，加強因地制宜建設，合理地布局工業和農業生產活動，增加草地和林地等植被的覆蓋度，積極推進研究區內的產業向環保產業轉型。

(3) 應對低生態風險和較低生態風險的管理建議。低風險區和較低風險區分布在研究區東北部，即綠洲區核心。雖然人口和人類活動在這里高度聚集，但該區草地、林地等植被覆蓋度較高，河流、水庫以及沼澤等水域濕地廣布，生物量相應較大，景觀類型的異質性較強，生態風險等級分布呈現出以較低風險和低風險為主。針對該區的風險管理應注重對現階段低生態風險的維持，合理地規劃和利用土地，有效調控人類的生產生活活動，提高人們的環保和可持續發展理念，加強公眾參與生態風險防范意識和途徑，以減少區域環境污染，降低不合理的人類活動對生態系統的破壞，積極地維護并提高土地的生態系統服務價值。

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EcologicalRiskAssessmentandItsManagementofOasisinAridAreaBasedonLandscapePattern—ACaseStudyinQingtongxia

HAN Xiaojia1, LIU Xiaopeng1,2, WANG Yajuan1, WEN Shengqiang1, YE Junyan1

(1.SchoolofResourcesandEnvironment,NingxiaUniversity,Yinchuan750021,China; 2.KeyLaboratory(China-Arab)ofResourceEvaluationandEnvironmentalRegulationofAridRegioninNingxia,Yinchuan750021,China)

It is of great significance to carry out ecological risk assessment because of the weak anti-interference ability of oasis in arid area. Based on the theory of landscape ecology, we selected Qingtongxia City as the research sample, and used remote sensing data in three periods, and the landscape pattern index to assess the ecological risk, and achieved the spatialization of index, as well as made the spatial distribution maps of ecological risk in 2006, 2010 and 2016. On the basis above, the accumulation mode of ecological risk in the study area was analyzed by spatial statistics. The results showed that: (1) during the study period, the change of landscape pattern was obvious in Qingtongxia City; the fragmentation of cultivated land, water area and unused land increased, the fragmentation trend of large patches was obvious, and the landscape stability decreased; the spatial distribution of landscape pattern index show that the landscape fragmentation and the loss degree of the higher areas distributed in the oasis core area which was gathered by population and economic activity; (2) the spatial and temporal changes of ecological risk in the study area were different; among them, the reduction of high risk area was the most remarkable, and with the conversion of the risk grade, the medium risk area became the main risk type; ecological risk presented the mitigative trend; (3) there was prominent spatial positive correlation between the ecological risks in teh study area, the ‘low—low’ and ‘high—high’ accumulations were the main ecological risk accumulation mode, the spatial outliers that low values were surrounded by high values or high values were surrounded by low values were not significant, the serious differentiation between high and low risks is the urgent problem to be solved in the study area.

landscape pattern; ecological risk; arid area oasis; risk management; Qingtongxia City

2017-03-05

：2017-03-31

國家自然科學基金資助項目“寧夏生態移民安置區生態風險及其空間分異研究”(41461039)

韓曉佳(1992—),女,山西長治人,碩士,主要研究生態經濟與生態評估。E-mail:nxdxhxj@163.com

劉小鵬(1973—),男(滿族),寧夏海原人,博士,教授,主要研究生態經濟發展。E-mail:2641996568@qq.com

X171.1

：A

：1005-3409(2017)05-0285-06