重慶市景觀格局脆弱性及其驅動因素研究

何清清，李月臣，何 君，朱康文

（1.重慶師范大學地理與旅游學院；2.GIS應用研究重慶市高校重點實驗室；3.三峽生態環境遙感研究所，重慶 401331； 4.重慶市環境科學研究院，重慶 401147；5.西南大學資源環境學院，重慶 400716）

景觀格局是在自然、生物及人類活動等因素的綜合作用下，各景觀要素在空間上形成的復雜結構，是景觀異質性在空間上的綜合體現，反映了區域資源和環境的分布形式，其變化對生態系統物質循環和能量流動有著顯著影響[1-2]。脆弱性是系統由于外界環境的擾動及缺乏適應能力而導致系統的結構和功能易受到損害的一種狀態，是系統內部固有的一種屬性，是衡量風險的性能指標，是可持續性發展問題的核心內容之一[3-4]。景觀格局脆弱性反映了景觀生態系統在外界因素作用下所受到的干擾及脆弱程度，是表征區域生態安全的重要指標之一[5]。

目前，關于景觀格局的脆弱性研究相對較少，其中大部分集中在盆地、流域及礦區等區域，鮮有關于山地城市景觀脆弱性的研究[6-8]。相關研究也主要針對區域景觀格局時空演變的分析，景觀格局變化對生態安全、生態風險、生態服務功能價值的響應及對棲息地質量的影響，景觀生態系統對全球氣候變化的反應[9-15]。重慶市作為西部大開發重要的戰略支點、“一帶一路”和長江經濟帶重要聯結點，擁有長江流域重要生態屏障區——三峽庫區，其景觀格局及脆弱度變化與區域生態安全及農業生產密切相關。本研究參考已有的景觀脆弱性評價方法，以研究區實際情況構建重慶市景觀脆弱性評價體系，分析了區域景觀脆弱性空間分布特征，為維持區域景觀生態系統穩定和區域可持續發展提供參考[16]。

1 研究區概況

如圖1所示，重慶市（105°11′～110°11′E、28°10′～32°13′N）地處四川盆地東南緣，長江上游和三峽庫區腹心地帶，以山地、丘陵地貌為主，山區占比超過70%。地勢中西部低，東南東北部高，呈現由長江河谷地帶向南北向逐級抬升趨勢。中西部地區地勢平坦，土地利用格局以耕地為主，而東南部、東北部的地勢較高，以林地為主。屬于亞熱帶季風濕潤氣候，年均溫18℃左右，雨量豐沛。

在地形及氣候的雙重作用下，重慶市多云霧，太陽輻射、日照時間不足，旱、澇、雹、高溫、冷害等氣候災害頻繁。夏季，暴雨易造成地質災害頻發，如崩塌、滑坡、泥石流等。人為及自然因素破壞了研究區生態環境，在環境演變過程中，景觀類型變化與之具有強烈的響應。重慶市作為長江上游重要的生態屏障區，人為及自然因素制約下形成的脆弱性問題，已嚴重影響區域的可持續發展和生態系統的穩定。

2 研究方法

2.1 數據來源及處理

本研究選取來源于重慶市國土部門2015年的土地利用類型數據，包括耕地、林地、草地、水域、建設用地及未利用地6類。為更加準確、直觀地分析重慶市2015年景觀脆弱性，考慮研究區范圍和工作量大小，應用網格分析法將研究區分為20 km×20 km共計274個網格，計算每個網格的景觀脆弱性大小，并以此值作為網格中心點的屬性值，最后利用插值法得到重慶市景觀格局脆弱性分布圖。

2.2 景觀格局脆弱度指數

景觀格局是景觀異質性在空間上的具體體現，受到外界風險脅迫因素影響時，會表現出不同程度的敏感性和適應性。本研究以景觀格局特征為基礎，結合相關研究成果選取景觀敏感度（LSI）和景觀適應度（LAI）共10個指標（見表1）來構建重慶市景觀格局脆弱性指數（LVI）。

表1 景觀脆弱度指標

2.2.1 景觀敏感度

景觀敏感度取決于干擾因子強弱及景觀變化趨勢，是景觀干擾度和景觀類型易損性的綜合。

（1）景觀干擾度（Ui）。景觀干擾度是景觀所受到的外界干擾程度，依據相關研究成果，在本研究中，選取景觀破碎度（Ci）、分離度（Si）和優勢度（D）三個指標共同構建景觀干擾度指數（Ui），相關公式如下：

式中，a、b、c為相應景觀指數權重，且a+b+c=1； Ai為i類景觀板塊面積；A為景觀總面積；n為景觀類型；Ni為景觀的斑塊數量；N為斑塊總數；mi為i類景觀樣方數；M為總樣方數。依據相關研究，結合重慶市實際情況將景觀破碎化指數（Ci）、分離度指數（Si）和優勢度指數（Di）權重分別賦為0.5、0.3、0.2。

（2）景觀易損度（Vi）。景觀易損度反映了不同景觀類型對干擾的抵抗程度，據已有研究成果和重慶市實際情況，未利用地和草地易于改變、耕地次之、林地在相關政策支持下易受保護、水域及建設用地不易改變，將耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地景觀易損度（Vi）分別賦值為3、5、5、1、1、7，并將其進行歸一化處理。

2.2.2 景觀適應度

適應度指數與景觀系統的結構、功能有關，景觀類型越豐富，結構越復雜，格局越均勻，抗干擾能力及恢復力越強。在本研究中，選擇斑塊豐都密度指數（PRD）、香農多樣性指數（SHDI）、香濃均勻性指數（SHEI）來構建景觀適應度指數（LAI）：

表2 景觀類型人為干擾度賦值

2.3 空間異質性分析

空間自相關可分析空間單元異質性。其中，全局空間自相關（Moran’sⅠ）指數反映了相鄰空間單元屬性值間的相關程度，其絕對值越接近于1，研究單元的空間相關程度越大[17]。本研究利用Geoda軟件選擇Moran’sⅠ指數來揭示景觀空間結構對脆弱性的影響程度，進一步分析重慶市景觀脆弱性的空間相關性。

2.4 人為干擾度指數

地表景觀格局變化是人類活動影響最直接的體現，隨著經濟和社會的發展，人類活動對生態系統干擾程度日益增強，不同的土地利用方式所產生的人為干擾具有區域性和累積性特征，可直接反映在生態系統的結構和組成上。

本研究結合前人研究成果及重慶市景觀類型分布、面積及對生態系統影響程度，對研究區6種景觀類型進行相應的人為干擾度賦值，依據公式計算每個格網的人為干擾指數[18]。

式中，HDI為人為干擾指數；N為景觀類型數；Pi為i種景觀類型面積與該格網面積的比值；Hi為第i種景觀類型的人為干擾度。

2.5 灰色關聯度

灰色關聯度源于灰色關聯系統，可度量兩個系統或兩個因素間的關聯性大小，兩者發展趨勢越相近，關聯系數越大，兩者的影響程度越大。根據Deng等提出的計算公式，基本步驟如下[19]：

首先，確定參考序列和比較序列：表示系統行為的序列數據為參考序列，記為x0（t）={x0（1），x0（2），…，x0（m）}，t=1，2，… m；反映影響系統行為的序列數據為比較序列，記為xi（t）={xi（1），xi（2），…， xi（m）}，i=1，2，… n。

其次，由于每個序列數據的量綱不同，不便于直接比較，因此需對數據進行標準化處理。

再次，求取關聯系數：

式中，maximaxt|x0(t)-xi(t)|、minimint|x0(t)-xi(t)|分別表示兩極最大差和兩極最小差；ρ為分辨系數，一般取0.5。

最后，計算關聯度：

表3 灰色關聯度

3 結果與分析

3.1 景觀類型空間分布

從圖2和表4可以看出，重慶市各景觀類型空間分布相對集中，以耕地和林地為主。耕地主要分布于地勢較平坦的環主城地區以及墊江、梁平等渝東北區縣，占全市面積的42.09%；林地面積占全域面積近50%，主要分布在山高坡陡、人類活動較少的渝東北、渝東南地區；建設用地主要集中于主城及環主城區，其他用地類型分布較為分散且占比較少。

3.2 景觀格局脆弱性分布特征

基于插值法得到的重慶市2015年景觀脆弱性空間分布，采用自然斷點法其進行等級劃分以便分析景觀脆弱性空間特征，分為5個脆弱區，即低、較低、中、較高及高脆弱區，如圖3所示。

對研究區274個評價單元景觀格局脆弱性指數各等級所占面積統計（見表5）可知，低脆弱區占主導地位，超過全域面積的50%，其次是較低脆弱區，約占全域面積的34%，中度及以上脆弱區約占16%。從空間分布看，低脆弱區主要分布于三峽庫區沿岸部分區縣及渝東南地區，這些地區主要是林地和耕地景觀聚集地區，且建設用地分布較少；而較高、高脆弱區主要分布于渝東北北部山區及主城區、環主城部分區縣，并向外延伸逐漸減輕，這些地區位于耕地、林地、建設用地過渡分布地帶，人類活動較活躍。

表4 2015年重慶市土地利用面積

圖2 重慶市2015年景觀類型空間分部

圖3 重慶市2015年景觀脆弱性空間分布

表5 重慶市景觀脆弱性各等級面積

3.3 景觀格局脆弱性全局空間自相關分析

為更好了解重慶市景觀脆弱度空間分異特征，將重慶市2015年的LVI值在Geoda095i軟件中進行空間自相關分析，得出Moran's I散點圖（見圖4），全局Moran's I值為0.28，表明重慶市景觀格局脆弱性空間分布存在較顯著的、內在的正相關關系，即脆弱度的空間分布趨于集聚[20]。

圖4 重慶市景觀格局脆弱性Moran散點

3.4 人為干擾空間分布特征

根據式（9）計算得出每個格網的人為干擾度指數HDI，利用空間插值法得到重慶市人為干擾空間分布情況，并采用自然斷點法將其分為5個等級，得到重慶市人為干擾空間等級分布（見圖5）。

由圖5可以看出，2015年重慶市人為干擾影響強度呈現由渝西向渝東北、渝東南逐漸減弱空間分布狀態，以較低影響強度為主導，與圖3對比可知，重慶市景觀格局脆弱性與人為干擾指數空間集聚程度高度一致。

3.5 景觀格局脆弱性驅動因素分析

圖5 重慶市人為干擾空間分布

為更好探討景觀格局脆弱性影響因素，本文引入灰色關聯度，其值的大小影響各因子對景觀格局脆弱性貢獻作用的顯著程度，值越大，作用效果越強，因此可根據關聯度值的大小對各影響因子按強弱進行排序。本文在前人研究及重慶市景觀格局實際情況，選取PRD、SHDI、SHEI以及HDI四個因素，根據灰色關聯度公式，計算每個格網的LVI與PRD、SHDI、SHEI、M的灰色關聯度值，最后求取重慶市LVI與四個因子的平均值，如表6所示。

表6 重慶市景觀格局脆弱性LVI與影響因子間的 灰色關聯度

通過對LVI與各指標因子的關聯度（見表6）分析可知，LVI與各影響因子間的灰色關聯度值均較大，四個因子關聯度R值均在中度及以上（見表3），可知研究區景觀脆弱區空間分布與景觀分布情況、人類活動密切相關[21]。較高及以上脆弱區主要集中在主城區、渝西部分區縣及巫山、巫溪、奉節等。主城區、渝西部分區縣位于重慶市經濟發展中心地帶，工農業發達、人為干擾指數最高，人類活動空間分布規律與脆弱度空間聚集度有著較強的相似性，林地耕地分布較多抗外界干擾力較弱，加之人為活動的影響使得脆弱度較高；巫山、巫溪、奉節位于渝東北山區，處三峽庫區腹心地帶，境內林地、草地、耕地、建設用地等交錯分布，景觀較破碎，近年來依托自身生物、旅游資源旅游業得到快速發展，人類活動明顯增強，其作用的結果使得景觀原始自然特性不斷降低，生態結構被破壞，抗干擾能力減弱，脆弱性較高。中度及以下脆弱區主要是耕地、林地等景觀類型，基本呈連片分布，景觀破碎度較低，生態系統發育完善、穩定性強，盡管受到一定程度的人為干擾，但區域整體抗干擾能力、適應能力較強，脆弱性相對較低。

4 結論

本文基于景觀格局指數構建重慶市景觀格局脆弱性評價模型，結合空間自相關Moran’s Ⅰ指數分析2015年重慶市景觀格局脆弱性的空間分布特征，并利用灰色關聯度探討影響其空間分布的因素。一是低度脆弱區占據主導地位，占比超過全市面積的50%，景觀脆弱性整體較低。二是Moran's I值為0.28，景觀格局脆弱性空間分布具有相關性，呈現聚集狀態。較高及以上脆弱區主要集聚在人類活動較活躍、各類景觀交錯分布的主城區、渝西部分區縣及巫山、奉節等，低脆弱區主要分布于各類景觀較連續分布、人類活動較少的三峽庫區沿岸部分區縣及渝東南地區。三是景觀脆弱性與各影響因子間的灰色關聯度值均在中度及以上，景觀脆弱區空間分布與景觀空間分布狀況、人類活動密切相關。