基于景觀格局的阿哈湖國家濕地公園景觀生態風險評價

婁 妮, 王志杰, 何嵩濤

(1.貴州大學 林學院, 貴陽 550025; 2.貴州大學 生命科學學院, 貴陽 550025)

生態風險評價可以用來評估生態系統及其組分受人為活動、環境污染和自然災害等不利影響的程度[1]，準確的生態風險評價能有效管理生態風險，也是生態建設、環境修復等工作的重要前提[2]。近年來，隨著景觀生態學空間異質性與景觀格局概念的廣泛應用[3]，景觀生態風險評價應運而生。景觀生態風險是指在人為或自然因素影響下，景觀格局和景觀生態過程間產生不良后果的可能性，是生態風險評價在區域尺度上的重要分支[4]。景觀生態風險評價從景觀生態過程和空間格局相互關聯的角度出發，可實現多元風險的綜合表征和空間可視化，著重生態風險的時空異質性和尺度效應，同時強調景觀格局對生態過程和功能的影響。基于多目標多尺度、多等級系統和多重作用關系的景觀生態風險評價可以為區域綜合風險管理提供決策依據。對于景觀生態風險評價，學者們開展了諸多方面的研究[5]，評價對象有人類活動較為劇烈的區域和生態敏感區，包括流域[1]、沿海地區[6]、礦區[7]、城市[8]和濕地[9]等，評價方法有熵值法、綜合指數法、模型法、暴露—響應法[10-13]等。濕地是水陸相互作用形成的獨特生態系統，具有極高的生產力和生物多樣性[14]，其生態功能對區域氣候變化和經濟發展有重要作用。近年來，人口數量和社會經濟水平快速增長，由于人類對濕地自然資源的不合理開發利用，濕地生態系統受到極大威脅和破壞，其生態環境出現嚴重問題，如濕地環境污染，生物多樣性減少，資源過度開發等，是目前學者關注的熱點問題之一，研究濕地生態風險的時空分布特點，便于濕地的生態環境與綜合管理，因此，針對濕地的生態風險評價非常有必要[15]。目前，對濕地景觀的生態風險評價多以河流三角洲地區[16]、海岸帶濕地[17]、自然沼澤區[18]、以及濕地重金屬污染[19]等為研究對象和內容。喀斯特地區生態系統復雜敏感，對喀斯特地區濕地生態風險評價有重要意義，目前有學者研究了關于喀斯特濕地的生態風險評價[20]，而對貴州喀斯特城市濕地公園的生態風險評價較少涉及。阿哈湖國家濕地公園位于典型喀斯特地區的貴陽市中心城區，是貴陽市首個國家級濕地公園，近年來，隨著城市建設和旅游開發的持續推進，阿哈湖國家濕地公園生態環境存在一定壓力，該區域的生態風險研究對可持續發展有重要作用。

本文運用景觀生態學原理和地理信息系統，以阿哈湖國家濕地公園為研究對象，以2009年、2013年、2017年3期高分辨率遙感影像為主要數據源，在系統分析景觀格局時空變化的基礎上，構建基于景觀格局的生態風險評價模型，對研究區生態風險變化進行研究，以期揭示其景觀生態風險空間分布特征及變化規律，為阿哈湖國家濕地公園管理與貴陽生態文明建設提供理論依據和技術支持。

1 研究區概況

阿哈湖國家濕地公園(106°37′—106°40′E，26°33′—26°30′N)位于貴陽市中心城區西南部(圖1)，是在利用阿哈水庫資源建成的小車河濕地公園的基礎上申報建成的國家級濕地公園。研究區南北長約6.5 km，東西寬6 km，總面積1 218 hm2，屬于亞熱帶濕潤溫和型氣候，平均氣溫為15.3℃，年均降雨量為1 129.5 mm。內有河流、沼澤、人工濕地三大濕地類型，其中阿哈水庫是貴陽市主城區三大生產生活用水水源地之一，阿哈湖國家濕地公園對貴陽市的氣候調節、空氣凈化、水源涵養具有重要作用。

圖1 研究區概況及評價單元劃分

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本次研究選擇2009年KOMPSAT影像、2013年、2017年Google Earth影像三期遙感數據，空間分辨率為1 m×1 m。利用ArcGIS 10.2進行幾何校正、影像裁剪等影像預處理，依據《土地利用現狀分類(GBT21010—2017)》，結合影像光譜特征和研究區景觀特征，將阿哈湖濕地公園景觀類型劃分為建設用地、林地、水域、耕地、草地和未利用地等6種類型，并采用目視解譯法，建立阿哈湖濕地公園景觀類型空間屬性數據庫(附圖3)。

2.2 研究方法

2.2.1 景觀生態風險評價模型 通過景觀干擾度指數和景觀脆弱度指數構建景觀生態風險評價模型[21-22]研究阿哈湖國家濕地公園生態風險的空間分布。景觀干擾度指數Ei用于反映不同景觀代表的生態系統受干擾的損失程度，通過景觀破碎度Ci、景觀分離度Ni、景觀分維度Fi的權重獲得。

景觀損失度指數Ri通過景觀干擾度指數Ei與景觀脆弱度指數Vi構建

Ri=Ei×Vi

(1)

景觀干擾度指數Ei見公式(2)

Ei=aCi+bNi+cFi

(2)

式中：Ci，Ni，Fi分別代表景觀破碎度指數、景觀分離度指數、景觀分維度指數；a，b，c分別為各個景觀指數的權重，結合阿哈湖國家濕地公園的實際情況，根據相關研究[23]，分別賦值為0.5，0.3，0.2，且a+b+c=1。景觀格局指數的公式與生態學意義見表1。

表1 景觀格局指數計算方法

景觀脆弱度指數Vi可表示不同景觀類型受外界干擾后的敏感程度，賦值后進行歸一化得到。結合相關研究[26]對各景觀類型賦值如下：未利用地為6，水域為5，耕地為4，草地為3，林地為2，建設用地為1。為方便計算，歸一化值區間為[0.1～0.9]，結果如下：未利用地0.90，水域0.74，耕地0.58，草地0.42，林地0.26，建設用地0.10。

根據景觀類型的面積和景觀損失度指數構建生態風險指數ERI，公式如下：

(3)

式中：ERIk表示景觀生態風險評價單元k的景觀風險指數，值越大表示該評價單元的生態風險值越高，值越低，代表該評價單元的生態風險值越低；Aki表示景觀生態風險評價單元k中第i類景觀的面積；Ak是評價單元k的總面積，Ri是第i類景觀的生態損失指數。

利用景觀生態風險模型，將每個評價單元中的值ERI作為其中心點的生態風險指數，在ArcGIS中采用克里金插值獲得阿哈湖國家濕地公園的生態風險分布圖。

2.2.2 風險小區劃分 為了將景觀生態風險指數空間化，在ArcGIS中對研究區范圍進行網格化作為采集生態風險評價單元的樣本，根據有關景觀生態學研究[27-28]和研究區面積，將研究區劃分3×3 hm2的風險評價單元，共187個(圖1)，依次計算每一風險小區的生態風險指數，作為樣地中心點的生態風險值。

2.2.3 空間分析方法 基于景觀格局指數得到的景觀生態風險值是一種空間變量，可以在ArcGIS中利用克里金插值編制生態風險程度圖。同時，選擇空間自相關性[29]探討研究區生態風險空間差異。

3 結果與分析

3.1 景觀面積變化分析

阿哈湖國家濕地公園主要景觀類型為林地，其次為水域和草地，體現了阿哈湖國家濕地公園的景觀組成結構。2009—2017年，阿哈湖國家濕地公園建設用地、耕地、林地和水域的面積增加，未利用地、草地的面積減少。林地增加面積最多，為22.55 hm2，面積比例從49.29%增至51.05%；其次是建設用地，為17.68 hm2，面積比例從3.63%增至5.10%。耕地面積比例從4.86%增至4.90%，水域面積比例從30.98%增至31.62%。草地的面積減少量最多，減少了54.02 hm2，面積比例從11.07%減少到6.74%；未利用地從0.78%減少到0.59%(圖2)。建設用地、水域兩種景觀面積持續增加，草地景觀面積持續減少，耕地和未利用地景觀面積先增后減，林地景觀面積呈現先減后增的趨勢。結合阿哈湖濕地公園實際情況，將研究區劃分為兩個階段，2009—2013年為快速建設期，2013—2017年為逐漸穩定期。在快速建設期，各類景觀的面積變化劇烈，尤其是林地和草地景觀，在該時期，由于濕地公園整體布局的優化和改造，導致兩類景觀有減少的特征。隨著各類改造提升工程的相繼完工，2017年林地景觀面積得以恢復到2009年之前的水平，甚至略高于2009年的水平，說明人類活動對景觀格局的干擾程度。同時，建筑用地和耕地兩類景觀面積的增加，也說明人類活動對濕地公園的干擾持續增加，在一定程度上，可能對阿哈湖濕地公園景觀生態風險產生不利影響。

表2 研究區2009-2017年景觀類型變化

3.2 生態風險分析

將生態風險評價單元的景觀生態風險值作為其中心點的值，在ArcGIS的地統計模塊中，采用普通克里金插值法進行空間插值得到各年研究區景觀生態風險的空間分布情況。參考相關研究[30]，采用相對指標法劃分生態風險值，結合研究區實況，將景觀生態風險值劃分為5種生態風險等級：低生態風險區[0.000≤ERI<0.200]、較低生態風險區[0.200≤ERI<0.300]、中生態風險區[0.300≤ERI<0.400]、較高生態風險區[0.400≤ERI<0.500]、高生態風險區[0.500≤ERI<1.000]。

圖2 生態風險空間分布

表3 風險等級面積及比例

3.2.1 生態風險分布特征分析 分析2009—2017年阿哈湖濕地公園不同景觀生態風險等級的分布情況，可以看出(圖2，表3)：阿哈湖國家濕地公園景觀生態風險整體以中等風險以及中等以下風險為主，較低風險和中風險等級所占面積較大，占研究區總面積的61.58%～66.96%，但在研究時期內，研究區景觀生態風險呈加劇趨勢，較高風險和高風險等級面積持續增加。具體而言：2009年，阿哈湖國家濕地公園的低風險區和較低風險區面積分別占總面積的25.38%和48.23%，其中：低風險區主要集中研究區西北部阿哈寨附近，西北區林地面積大，景觀自身穩定性強，阿哈寨以建設用地為主，受人類干擾后損失度低；較低風險區主要集中在大荒坡、研究區中部、北部，主要景觀類型為成片的林地。中風險區和較高風險區分別為7.24%和0.01%，主要集中在研究區南部、研究區東部和西南部，此區域的景觀類型主要為草地、耕地、未利用地和建設用地，景觀自身穩定性被破壞，受人為干擾后易損程度大。2013年，低風險區和較低風險區面積分別為17.27%和39.27%，其中，低風險區主要集中在西北部，較低風險區主要分布在西北部、中部北部，此部分區域主要景觀類型為林地、水域和小部分建設用地，景觀損失度較低。中風險區面積為21.94%，主要分布在研究區北部、南部和東部小部分區域，主要景觀類型為水域、林地、草地和建設用地。較高風險區和高風險區面積為14.31%和6.71%，主要分布在研究區南部和北部，主要景觀類型為耕地、草地和部分林地，耕地和草地抗人類干擾能力較差，景觀易損程度大。2017年，低風險區和較低風險區占總面積的17.33%和39.54%，主要分布在研究區西北部，此部分區域景觀主要以林地為主，自身穩定性強。中風險區區域占總面積的22.04%，主要分布在研究區北部、南部與東部小范圍區域，主要景觀類型為水域、林地、草地和建設用地。較高風險區和高風險區占總面積的12.13%和8.97%，主要集中在研究區南部和北部，此部分的景觀類型主要是耕地和草地。

3.2.2 生態風險變化特征分析 進一步分析研究區不同時期景觀生態風險等級的變化，可以發現2009—2013年，阿哈湖國家濕地公園各景觀生態風險分級的面積變化，低風險區和較低風險區面積有所減少外，其他各風險等級區域面積均呈不同程度的增加趨勢。其中：中風險區、較高風險區和高風險區面積分別增加3.21%，7.07%和6.70%，且在研究區南部、北部和東部的部分區域集中，此部分主要景觀為耕地和草地，且景觀斑塊較破碎，導致景觀生態風險增加，同時，這一階段研究區處于快速建設期，公園的開發建設使研究區生態風險增加。2013—2017年，阿哈湖國家濕地公園，較高風險區面積有所減少，其他各風險等級區域面積均有增加。其中，較高風險區面積減少2.18%；高風險區面積增加2.26%，增加幅度較大，主要分布在研究區北部和南部，其主要景觀類型是耕地和草地，景觀斑塊仍處于比較破碎的狀態；中風險區面積增加0.11%；較低風險區面積增加0.16%，低風險區面積增幅較小，為0.06%；這一階段研究區處于逐漸穩定期，景觀建設已趨于完善，研究區低風險、較低風險和中生態風險略有增加，高風險區域生態風險有所增加但增速減緩，主要是人類活動影響所致。

3.3 阿哈湖國家濕地公園生態風險空間相關性分析

3.3.1 生態風險全局相關性分析 空間自相關性可以用來研究一群空間變量的分布特征，主要用于描述研究區域上空間對象的關聯程度[31]，采用Moran′sI進行空間自相關判斷，空間自相關分析包括全局自相關分析和局部自相關分析。利用GeoDa軟件，根據景觀生態風險空間分布數據進行全局自相關分析，得到Moran′sI散點圖(圖3)，研究期間，全局Moran′sI值分別為0.352 9，0.498 0，0.480 1，均大于0，說明各年研究區內景觀生態風險值存在空間正相關關系，存在集聚效應。

圖3 研究區2009-2017年景觀生態風險Moran′s散點圖

3.3.2 生態風險局部相關性分析 進一步對阿哈湖國家濕地公園的景觀生態風險值進行局部自相關分析，得到局部自相LISA聚集圖(圖4)。2009—2017年研究區生態風險的“高—高”值區域聚集于南部，這些景觀生態風險區高的地區，相鄰地區的景觀生態風險程度也比較高。“低—低”值區主要聚集在研究區西北部和東北部，說明這些區域景觀生態風險程度低，其相鄰地區的景觀生態風險程度也較低。對比景觀生態風險空間分布情況，發現空間局部自相關“高—高”“低—低”分布區域與景觀生態風險空間分布較一致。2009—2013年，景觀生態風險“低—低”和“高—高”聚集結構趨向集中，2013—2017年，景觀生態風險“低—低”聚集結構略有擴散。結合景觀類型分布來看，“低—低”聚集區主要景觀類型為林地，與低景觀生態風險主要景觀類型相符，“高—高”聚集區主要景觀類型為耕地、草地和建設用地，與高景觀生態風險區和較高景觀生態風險區的主要景觀類型相符，“高—高”結構聚集區內，建設用地、耕地和草地的分布較分散，加上人類活動干擾程度較大，景觀內部穩定性較差。

圖4 研究區2009-2017年景觀生態風險局部空間自相關

4 結論與討論

景觀生態風險評價過程復雜，需要綜合考慮許多不確定因素，基于景觀格局指數構建生態風險指數模型，從景觀格局的角度量化阿哈湖國家濕地公園的生態環境問題，對于認識阿哈湖國家濕地公園的生態環境問題、進行科學管理有重要意義。本文利用3期遙感影像探索阿哈湖國家濕地公園的景觀格局變化及其生態風險時空特征，得到以下主要結論：(1) 林地和水域是研究區主要景觀類型，建設用地、耕地、林地和水域的面積增加，未利用地和草地的面積減少；(2) 研究區內生態風險空間差異明顯，高風險、較高風險集中在北部和南部，低風險、較低風險集中在西北部和西南部；(3) 研究期間，整體生態風險呈現上升趨勢，生態風險程度表現出正空間相關性。

阿哈湖國家濕地公園所處的貴陽市南明區，由于較強的人類活動干擾，表現出相對較高的生態風險[32]。尤其是近年來，隨著一系列大規模工程建設項目的實施，人類活動對景觀的干擾程度加劇，導致阿哈湖國家濕地公園的景觀類型相互轉移的頻率和強度加大，景觀格局時空異質性明顯增加，景觀生態風險呈加劇的趨勢。而研究區西北部的林地景觀，因其分布集中，景觀的分離度、干擾度和脆弱度小，優勢度高，極大地減小了阿哈湖國家濕地公園的景觀生態風險程度。同時，由于近年來貴陽市實施的“護林、治水、凈氣、保土”工程，在一定程度上對研究區的景觀生態風險起到減緩作用。有研究顯示，建設用地自身生態風險低，但受人類活動影響，建設用地的擴張會增加周邊生態風險[33]，研究區南部緊靠村寨與大片農家樂，分布在研究區南部的耕地與草地抗人類干擾的能力較差，對景觀生態風險的貢獻度較高，是導致阿哈湖國家濕地公園整體生態風險程度增高的原因。為降低開發建設帶來的生態風險，結合研究區生態風險分析的結果，針對阿哈湖國家濕地公園提出以下管理對策：(1) 合理規劃耕地，控制草地數量。耕地和草地是研究區內較高風險區與高風險區的主要景觀類型，抗人類干擾的能力較差，在較高風險區和高風險區應該合理開展農業活動，優化耕地利用模式。加強草地與其他景觀類型的聯系，保護草地景觀斑塊的完整性。(2) 減少人類活動對阿哈水庫與研究區內林地的影響。水域和林地是研究區南部中風險區主要景觀類型，在公園建設中應結合周邊環境進行濱水景觀營造，同時積極實施“保土”、“護林”工程，增強區域各景觀的有機聯系，避免中風險區向較高風險區和高風險區轉變。(3) 保護低生態風險區。低生態風險區主要分布在研究區西北部，主要景觀類型為林地，對阿哈湖國家濕地公園生態系統的穩定性非常重要，對這此區域應該盡量減少開發建設活動，避免對生態環境造成影響，旅游觀賞設施的建設不超過環境承載力。