基于景觀結構的福建省沿海生態風險時空特征

李月月, 黃義雄, 楊 陽, 謝義堅, 李 瀟， 葉功富， 高 偉

(福建師范大學 地理科學學院, 福建 福州 350007)

隨著城市化的快速發展，生態環境在全球氣候變化和人類活動的雙重脅迫下，受到了極大的破壞和沖擊，出現各種生態問題，如環境惡化、災害加劇等，生態環境面臨巨大挑戰[1]，生態風險問題成為各國學者關注的焦點[2]。生態風險是指一定區域內的生態系統及其組分受自然或人類活動威脅所承受的風險，以及對其健康、生產力、遺傳結構、經濟價值和美學價值產生的不利影響[3-4]。生態風險評價是對生態環境災害發生的機率進行定量化地評估[5]，現階段的生態風險評價已進入區域生態風險評價階段[6]。區域生態風險評價是生態風險評價的一個分支，它在區域尺度上反映和評價環境污染、自然或人類活動對區域內的生態系統結構和功能等產生不利作用的可能性以及危害程度[7]。區域風險問題是多種因素相互作用的結果，其作用時間及產生的后果也很難預[8]。景觀具有空間異質性而景觀本身也是人類活動的對象[13]，因此景觀尺度成為研究人類活動與生態環境的重要尺度[9-10]。景觀的組分結構特征是最易于保存的景觀信息，其變化直接影響區域生態系統功能[9]。景觀結構還可以比較準確地顯示各種生態影響的空間分布以及梯度變化，為各種空間分析手段提供可能[11]。在缺乏生態監測資料的歷史積累時,很多學者根據景觀結構及其動態變化特征來揭示綜合性生態影響的程度和分布范圍[12]。目前生態風險的研究重點主要集中在流域[13]、行政區[14]、城市地域[15]，但對于沿海地區的生態風險評價研究比較少，因此，本文從區域景觀結構的角度分析生態風險，綜合評價沿海地區各種生態影響因子及其積累性結果。

福建省有我國第二長的海岸線，是我國改革開放的前沿地帶也是經濟發展最快的地區之一，土地利用類型變化劇烈，用地矛盾突出，景觀結構發生明顯變化，生態環境脆弱。本文以福建沿海32個縣(區)為研究對象，從景觀結構變化的角度來分析福建沿海景觀的生態風險的動態變化，以更加深入地探究福建沿海生態風險的變化趨勢。

1 研究區概況

福建介于23°32′—28°19′N，115°51′—120°52′E，地處看中國東海之濱，東隔臺灣海峽，與臺灣省相望，是中國當前對外開放的重點地區和前沿地帶。沿海地區屬于亞熱帶海洋性季風氣候，是臺風、暴雨、風暴潮等自然災害的多發區，年均降水量在1 000～1 800 mm。地處浙閩沿海山地丘陵的東南和閩粵沿海丘陵的北部，地勢總體是西北高，地貌類型復雜多樣。福建省現有森林覆蓋率為63.1%，居全國第一，是南方的“綠色寶庫”。科學合理分析沿海地區的生態風險，有利于區域生態環境的可持續發展，充分發揮對內對外輻射的作用，帶動經濟的發展。

2 研究方法

2.1 數據來源

以福建沿海2000，2013年兩期的Landsat TM遙感影像為數據源(成像時間集中在6—11月，影像平均含云量低于7%)。根據中國土地利用分類標準和研究區內不同時期的土地利用現狀，在ENVI 5.0軟件平臺的支持下，對圖像進行融合、校正、配準等圖像預處理，用最大似然法進行監督分類，將研究區的景觀類型劃分為林地、灌叢、草地、耕地、灘涂、水域、建設用地和未利用地8類景觀。根據分類結果將空間柵格數據矢量化，借助ArcGIS 10.0創建拓撲關系，最終生成空間信息與屬性信息相結合的數據庫，滿足研究需要。

2.2 基于景觀結構的景觀生態風險指數構建

景觀指數法是景觀生態學中最常用的定量研究方法，通過單一指數或若干指數的結合，以其數值變化反映景觀格局變化信息及其結構組成和空間配置，不同的景觀類型具有不同的生態功能，抵抗外界干擾的能力也不同[16]。本文依據景觀格局指標，通過不同指數的疊加計算反映不同景觀類型所代表的生態系統在受自然和人為干擾情況下其自然屬性損失的程度，用景觀損失指數(Ri)來表示，計算公式為：

Ri=Si·Fi

(1)

式中：Si——景觀干擾度指數；Fi——景觀脆弱度指數。

景觀干擾度指數Si指不同區域受到干擾之后的損失程度，是破碎度、分離度和優勢度權重的疊加，計算公式為：

Si=aCi+bNi+cDi

(2)

式中：a，b，c——破碎度、分離度和優勢度的權重，其值大小反映不同景觀的生態系統受到干擾的程度，a+b+c=1，根據前人研究成果[12]，采用專家咨詢法確定，a,b,c分別賦予0.5，0.3，0.2的權值.

景觀優勢度是斑塊在景觀中所占重要地位的一種指標，表達式為：

Di=(Mi+Li)/4+Pi/2

(3)

式中：Li——相對密度;Pi——蓋度;Mi——頻度;Li=斑塊i的數目/斑塊的總數目，Pi=斑塊i的面積/總面積,Mi=斑塊i出現的樣方數/總樣方數。

景觀脆弱度指數是指不同生態系統的易損性，根據前人研究結果[17]，將研究區的景觀類型生態脆弱性分為8級，由低到高依次為建設用地、林地、灌叢、草地、耕地、養殖用地、灘涂和未利用地，對此進行歸一化處理后得到各類景觀類型的脆弱度指數Fi。

2.3 風險小區生態風險指數

結合已有的研究經驗[18]，同時根據研究區范圍和采樣工作量的大小，采用10 km×10 km的正方形風險小區采樣格網進行等間距采樣，生成237個風險小區。基于景觀指數所構建的風險指數，計算每個風險小區的景觀生態風險值，計算公式為[19]：

(4)

式中：ERIi——風險小區i的景觀生態風險指數;Aki——第k個風險小區內景觀類型i的面積；A——第k個小區的的總面積；Ri——景觀類型i的景觀損失度指數。在此基礎上，計算每一個風險小區的綜合生態風險指數，并將其作為該風險小區中心質點的生態風險指數。

2.4 地統計分析

地統計學是一種檢測、模擬、評估變量在空間上的相關關系和格局的統計方法。為了直觀的表現研究區生態風險程度的空間分布特點，根據相關研究[20]，基于地統計學中半方差函數的理論進行模擬分析，利用ArcGIS 10.0平臺地統計模塊中普通克里格法進行插值生成2000,2013年的空間連續分布圖進行空間分析。

2.5 空間自相關分析

選取MoranI和LISA研究研究區景觀生態風險的空間相關性，MroanI主要反映空間鄰域單元屬性的相關性，當MoranI>0時，說明具有正的相關性，且值越大說明相關性越明顯，MoranI<0時，說明具有負相關性，值越小說明空間差異性越明顯，MoranI=0時，說明該屬性在空間上隨機分布。LISA則反映研究屬性值的高值和低值局部空間的集聚情況，通過識別高—高集聚和低—低集聚區域反映出局部空間的異常特征。

3 結果分析

3.1 景觀格局的時空變化

借助ArcGIS 10.2及Fragsrats 4.2軟件平臺，提取研究區2000—2013年各景觀類型的面積和斑塊數目，根據上述公式，計算得出福建沿海地區2000和2013年各景觀格局指數(表1)。由表1可知，2000—2013年景觀格局發生了明顯變化，各種土地利用類型的面積均有一定的波動，其中建設用地、林地和水域的面積呈上升趨勢，其他土地利用類型的面積均呈現出下降趨勢。建設用地面積顯著增加，13 a的增加量為1.13×105hm2，年均增長量為8 680.10 hm2；林地面積也有一定的增長，增長量為1.04×104hm2，水域面積增長面積不明顯。景觀面積下降最明顯的是草地，下降量為3.96×104hm2，其他土地利用類型面積下降的順序依次為灌叢、未利用地、耕地、和灘涂。研究區內建設用地、林地和水域的斑塊數目有所增加，分別由2000年的1.26×104，1.69×104和5 640增加至2013年的1.47×104，1.80×104和5 811，灌叢、草地、耕地、灘涂和未利用地的斑塊數目均有減少，其中灌叢、草地和未利用地減少明顯，分別減少4 976，7 166和3 670，主要是此3種地類穩定性差，容易向其他土地利用類型轉化。同時，林地、灌叢、草地、耕地和未利用地的破碎度和分離度指數均有不同程度的上升，由此說明這5種景觀類型的破碎化程度加深，分離度加大，隨機散布的程度加劇，損失度上升；隨著城市化進程的加快，城市建設面積的不斷增加，使建設用地的破碎度和分離度逐漸下降，建設用地的地域分布也逐漸趨于集中，損失度下降，同時也表明自然景觀不斷向人文景觀轉化，因此所導致福建沿海地區的生態風險加大。

3.2 景觀生態風險的時空分異及格局變化

根據景觀生態風險的計算公式計算出福建沿海237個風險小區在不同時期的生態風險，并選取最佳的變異函數進行擬合，通過比較2000年和2013年均用球狀模型擬合效果最佳，然后利用ArcGIS 10.2的地統計分析模塊對福建沿海2000和2013年的生態風險進行克里金插值，并以自然間斷法的方法將生態風險指數分為低生態風險(ERI<0.012 9)、較低生態風險(0.012 9≤ERI<0.014 3)、中生態風險(0.014 3≤ERI<0.018 1)、較高生態風險(0.018 1≤ERI<0.028 7)和高生態風險(ERI>0.028 7)5個等級，得到福建沿海生態風險的空間分布圖，并對不同生態風險的面積進行統計。

表1 研究區各景觀類型的景觀格局指數

從圖1和表2可以看出，福建省沿海地區2000和2013年的的生態風險空間分布均大致呈帶狀分布，2000年處于低生態風險等級和較低生態風險等級的面積分別為4.24×105hm2和2.67×105hm2,分別占研究區總面積的17.7%和11.1%，低風險等級主要分布在沿海北部的福鼎市、霞浦縣、蕉城區和羅源縣等地區，較低風險等級主要分布在低風險等級的外圍，此地帶的林地和耕地面積大，生態風險相對較低，中風險等級主要分布在福安市、連江縣的西側以及福清市—城廂區的中部、泉港區、惠安縣和南安市以及同安區的大部分區域，面積為5.45×105hm2，約占研究區總面積的22.9%，這些地區主要為耕地向建設用地的過渡地帶。較高風險區域主要分布于連江—城廂區和豐澤區和杏林區的沿海地帶，以及龍海市、詔安縣和東山島等地區，面積為7.38×105hm2，占研究區總面積的31.4%，這些區域的景觀類型單一，未利用地和草地的分布較多，因此生態風險較高。高風險等級主要集中在平潭縣、湄湘灣北岸以及漳浦縣和云霄縣，這些區域主要由于人類干預活動加大，林地退化導致斑塊破碎化程度高以及分離度加大，因此生態風險高，約占總面積的16.8%。與2000年相比，2013年低生態風險、較低生態風險及中生態風險的面積均有不同程度的增加，低生態風險面積增加5 813.85 hm2，主要發生在霞浦一帶，其主要原因為林地面積有所增加，生態脆弱性降低。較低生態風險等級的面積增加1.03×104hm2，增加量主要由低風險等級的轉化。中風險等級面積增加1.29×105hm2，空間位置的變化主要表現為向東部的擴張，侵占了2 000處于較高生態風險等級的區域，其在長樂市至城廂區表現最明顯，主要原因是城市進程的加快，導致建設用地面積大量增加，出現規模化的城市景觀，連通性增加，景觀破碎化程度降低，而建設用地的脆弱度又較小，因此生態風險降低。較高生態風險等級和高生態風等級的面積均有不同程度的減小，面積減少量分別為1.50×104hm2和1.30×104hm2，分別由31.4%，16.8%降低至30.8%和11.4%，較高風險等級的空間變化除了長樂至相城區的面積減少外，龍海市和漳浦縣地區面積增加，大部分來源于高風險等級的轉化，主要由于建設用地面積的逐漸增加和集中導致景觀分離度和景觀脆弱度逐漸降低。

圖1 研究區2000，2013年生態風險空間分布

表2 研究區2000-2013年各風險等級面積hm2

3.3 福建沿海生態風險的空間關聯分析

在ArcGIS 10.2中計算福建沿海地區2000和2013年生態風險指數的全局MoranI值，分別為0.798 6和0.660 8，表明福建沿海地區生態風險指數在空間上具有較強的集聚效應，生態風險高的區域周圍生態風險也高，生態風險低的區域生態風險也低。2000—2013年MoranI值呈下降趨勢，表明福建沿海地區生態風險的空間自相關性有所下降，空間趨同性有所下降。從局部空間自相關的集聚程度可以看出，福建沿海2000,2013年生態風險指數空間分布均以高—高聚集和低—低聚集為主，2000—2013年發生變化的區域主要發生在沿海南部的漳浦縣至云霄縣一帶，主要表現為高值聚集區的分布由聚集向分散的演變。低值集聚主要集中在沿海北部的福鼎市、蕉城區及羅源縣，高值集聚區主要分布在龍海市、漳浦縣及云霄縣一帶。

3.4 景觀生態風險等級轉移分析

分析表3可知，2000—2013年研究區內由低等級向高等級轉換的總面積為1.28×105hm2，約占研究區總面積的5.3%，生態風險等級由高級向低級轉換的總面積為4.08×105hm2，占研究區總面積的17.03%，其中面積變化最大的是較高風險等級向中風險等級的轉化，其次是高風險等級向較高風險等級的轉換，轉換量分別為1.69×105hm2和1.41×105hm2，說明福建沿海地區較高風險等級和高風險等級的面積不斷減小，總體生態風險呈下降趨勢，生態環境逐步好轉，轉化區域主要集中在長樂市—城廂區以及龍海市和漳浦縣，主要是這些區域城市建設用地快速增加，建設用地逐步替代了其他土地利用類型，使城市建設用地的斑塊面積增加，景觀破碎化程度降低，而城市建設用地自身的脆弱性較低，因而生態風險也呈現下降趨勢。2013年福建沿海區域處于高風險和較高風險等級的面積為1. 01×106hm2，占研究區總面積的42.17%，說明13 a來福建沿海地區景觀生態問題依然很嚴峻，且出現局部惡化的趨勢。

圖2 2000,2013年研究區生態風險的局部空間相關性

表3 研究區2000-2013年各生態風險等級的轉移矩陣hm2

4 結 論

(1) 2000—2013年研究區內景觀格局發生了較大變化，其中建設用地、林地和水域的面積呈上升趨勢，灌叢、草地、耕地、灘涂和未利用地的面積均呈現下降趨勢，且斑塊數目減少，破碎化程度加深，而建設用地的破碎度和分離度逐漸下降，地域分布逐漸趨于集中，損失度下降。

(2) 研究區2000和2013年的的生態風險空間分布均大致呈帶狀分布，2000年研究區內各風險等級面積相對均衡，中等和較高風險等級最多分別占總面積的22.9%和31.4%.2013年較高生態風險等級和高生態風等級的面積。總體生態風險呈下降趨勢，生態環境逐步好轉。

(3) 2000和2013年研究區內生態風險指數在空間上具有較強的集聚效應，均以高—高聚集和低—低聚集為主，2000—2013年集聚發生變化的區域主要發生在沿海南部的漳浦縣至云霄縣一帶，主要表現為高值聚集區的分布由聚集向分散的演變。低值集聚主要集中在沿海北部的福鼎市、蕉城區及羅源縣，高值集聚區主要分布在龍海市、漳浦縣及云霄縣一帶。