巖溶地區景觀格局演變及其生態安全的時空分異
——以貴州省東北部槽谷為例

王 權,唐 芳,李陽兵,*,黃 娟,白雪飄

1 貴州師范大學地理與環境科學學院,貴陽 550025 2 武漢大學資源與環境科學學院,武漢 430079 3 北京師范大學遵義附屬學校,遵義 563000

景觀格局是指在特定時間特定區域范圍內,不同屬性的斑塊大小和形狀各異的景觀要素特征在空間上的排列和組合[1]。長期以來,景觀格局演變和生態環境建設過程之間具有直接影響,其通過自然和人為活動的土地利用方式和決策時對景觀生態環境質量帶來顯著變化[2]。景觀生態安全是土地資源安全的子系統,也是保障國民社會經濟健康發展的基本前提,對國家和地區發展與建設至關重要,已成為21世紀以來人類社會可持續發展面臨的新主題。土地資源作為社會經濟發展的基本載體,面臨著巨大的壓力,在當前土地利用過程中,由于快速的社會經濟發展和人口持續增長帶來的土地資源利用不足,從而促使土地生態問題愈加突出[3],出現了資源枯竭、土地石漠化[4]、土地鹽堿化[5]、草地退化以及環境污染等一系列問題[6],這已直接威脅到社會和經濟的可持續發展[7]。因此有必要采用科學合理的方法對區域景觀生態安全狀況進行深度剖析具有重要價值。

當前,探討景觀生態安全問題、評價景觀生態安全狀況等成為學術界和相關部門關注的重要問題。根據前人專家學者關于景觀生態安全評價應用的方法主要有綜合指數法[8]、生態足跡法[9]、景觀生態學法[10-11]、遺傳算法[12]、突變級數法[13]；研究尺度上,呈現由國家級和省級的宏觀尺度向市、縣級中微觀尺度轉變,尺度上充分考慮了區域間的差異；研究模型主要包括壓力-狀態-響應模型(PSR)[14]、DPSIR[15]、熵權模糊物元模型[16]；研究對象上,空間技術的發展使得研究區內縱向研究得以深化,例如,同區域不同年份的對比研究,但缺乏時序性橫向對比,以及同區域不同評價方法的對比研究。橫向對比,可以了解區域間景觀格局演變及其生態安全的時空分異規律及差異性；同區域不同評價方法的對比,則可以優化并提高評價結果的可信度。通過多方面的對比研究,才能系統全面地了解研究區域景觀生態安全狀況及發展趨勢,以便制定科學合理的政策以指導并實踐,對促進該地區土地資源的可持續利用具有重要意義。

研究區位于西南巖溶山地區域,地勢險要,地形起伏多變,高差大,地勢險要,生態環境極其脆弱[17],擁有典型的槽谷地貌單元。槽谷區箱型緊密式北東向背斜/向斜構造發育,巖層構造傾角變化大,受多種巖性控制,地形空間上形成山坡-槽壩交替出現,地形地貌分異明顯,形成高度異質性的景觀結構特征,導致區域自然資源稟賦差異大。在當前城鎮化和工業化發展背景下,槽谷區資源不合理利用造成生態環境日益遭受到不同程度的破壞。因此,有必要深入探究槽谷這典型地貌單元的景觀格局演變及其生態安全的時空分異狀況及形成機制。基于此,本文主要選取具有代表性的貴州省銅仁市德江、沿河、印江三縣交界處的三條巖溶槽谷作為研究對象,使用2005、2010、2014、2017年4期遙感數據,借助ArcGIS軟件、景觀指數法和生態安全指標構建深入探討三條槽谷區景觀格局演變及其生態安全的時空演變特征規律及其差異,對槽谷區進行空間定量分析,探討自然、人類活動造成景觀結構和功能變化的動因,揭示景觀格局及生態安全過程的影響機制,從而為景觀生態安全評價和高效引導土地合理利用,協調好生態保護與區域經濟發展,為巖溶槽谷區土地利用管理、景觀規劃和生態環境修復提供科學參考。

1 研究區概況

研究區域位于貴州省德江縣、沿河縣和印江縣三縣交界處,坐標位置為108°21′48″—108°32′37″E和28°12′41″—28°26′35″N之間,三條槽谷分別是西部槽谷、中部槽谷、東部槽谷；西部槽谷位于楓香溪鎮和譙家鎮,中部槽谷位于杉樹鎮,東部槽谷位于沙子坡鎮[18]。三條槽谷呈北東向排列組合,地形上為背斜呈山向斜呈谷。每條槽谷又分別由中間谷地和兩側坡面構成,山-槽梳狀緊密褶皺交替出現。其中西部槽谷長為38.96 km,寬為7.29 km,平均海拔為760 m,平均坡度為12°；中部槽谷長為42.85 km,寬為3.90 km,平均海拔為880 m,平均坡度為16°；東部槽谷長為3.257 km,寬為4.86 km,平均海拔為680 m,平均坡度為17°。研究區總面積503.39 km2,其中,西部槽谷區人口分布為8.43萬,生產總值為8560萬元,全年人均收入1015元；中部槽谷耕地面積為51.89 km2,人口分布為2.53萬,生產總值為4204萬元,全年人均收入1661元；東部槽谷人口分布為2.63萬,生產總值為5321萬元,全年人均收入2023元。研究區氣候類型屬于亞熱氣候和暖溫帶季風山地氣候,年平均氣溫15℃,年均降雨量1200 mm。

2 研究數據與方法

2.1 數據來源與處理

采用2005、2010、2014、2017年4期LandSat遙感影像為數據源,運用Erdas imagine 9.0軟件對各期影像進行幾何校正。在此基礎上,根據2005、2010、2014、2017年的各期數據的進行配準,配準誤差控制在0.5個像元內,在ArcGIS 10.2軟件的支持下,采用人工目視解譯得到2017年土地利用矢量圖層數據,并依次與2014年2010年和2005年遙感影像進行疊加,采用矢量底圖影像對比判讀的方法依次識別提取2014、2010和2005年的土地利用信息,最后獲取2005、2010、2014和2017年的土地利用矢量線劃圖,再經過ArcGIS 10.2軟件進行拓撲檢查與修改處理,并參照GB/T 21010—2017年全國土地利用分類體系將研究區分為12種景觀類型,即：灌木林地、農村居民用地、水田、水域、溝渠、道路、城鎮用地、工礦用地、有林地、草地以及裸露巖地(圖1)。

圖1 研究區土地利用圖 Fig.1 Land use map in the study area

槽谷區數字高程模型(Digital Elevation Model)來源于ASTER GDEM數據,采用ArcGIS 10.2軟件處理得到研究區坡度、高程、地形起伏數據。

2.2 研究方法

2.2.1景觀指標的選取

景觀格局通常是指一定范圍景觀的空間結構特征,具體是指由自然或人為形成一系列大小、形狀各異,不同的景觀鑲嵌體在景觀空間上的排列組合,它即是景觀異質性的具體表現,同時又是包括干擾在內的各種生態過程在不同尺度上作用結果[19]。根據研究區實際情況,為全面反映巖溶槽谷區景觀格局破碎度和多樣性的空間差異特征,從而選取類型水平和景觀水平兩個尺度對巖溶槽谷區景觀格局進行系統分析。在類型水平上選取斑塊密度、邊緣密度、最大斑塊指數和景觀形狀指數來表征景觀破碎化狀況；在景觀水平上選取蔓延度、聚集度、Shannon′s多樣性指數和Shannon′s均勻度指數來表征景觀多樣性。在選取以上景觀指標的基礎上并利用ArcGIS 10.2軟件的柵格轉換工具對土地利用景觀矢量數據柵格化,然后導入Fragstats4.2軟件對各景觀指標計算并統計得到研究區景觀指數值。選取景觀格局指數見表1：

表1 研究區景觀格局指標及其意義Table 1 Landscape pattern index and its significance in the study area

2.2.2土地干擾度指數

LDIi=αCi+βHi+γFi

(1)

式中,LDIi為景觀生態安全干擾度指數；Ci土地利用景觀破碎度；Hi表示土地利用多樣性指數；Fi表示槽谷區土地利用景觀分維數；α、β、γ為其權重,參考已有學者研究成果[20],依據土地指數的重要性對破碎度、分離度和優勢度分別賦以權重為0.5、0.3、0.2,對量綱不同的指數進行歸一化處理。

①土地斑塊破碎度(Ci)是指度量景觀利用類型破碎化程度,公式為：

Ci=Ni/A

(2)

②土地分離度(Si)主要用于反映區域景觀異質性,公式為：

(3)

③土地優勢度(Di)是指某種景觀利用類型在類型要素中鑲嵌結構的復雜性與穩定性,公式為：

Di=(Qi+Mi+Pi)/3

(4)

式中,Ci為景觀利用類型i的破碎度,Ni為景觀利用類型i的斑塊數,A為土地的總面積,Si為某一景觀利用類型的分離度,pi為某一景觀的面積占區域景觀面積的比例,頻度Qi=斑塊出現的樣方數/總樣方數,密度Mi=斑塊i的數目/斑塊的總數目,面積比例Pi=斑塊i的面積/樣方的總面積。

2.2.3土地脆弱度指數(LVI)

選取該指標主要是反映巖溶槽谷區景觀利用類型遭受干擾后的變化程度狀況。一般而言,景觀類型不同,其抗干擾度和敏感度都存在差異性。參考前人研究基礎并結合巖溶槽谷區實際情況,將各景觀利用類型脆弱性狀況分為5個等級：1為城鎮用地、農村居民用地、道路、工礦用地,2為山地旱地、水田,3為草地,4為灌木林地、有林地,5為水域和溝渠,6為裸露巖地,其中城鎮用地、農村居民用地、道路以及工礦用地最穩定,裸露巖地最敏感；灌木林地和有林地大都分布在山坡,均為人類不易到達的天然林分,研究中認為它們的脆弱度相近,均賦值為2；山地旱地和水田同屬人工種植經營的土地類型,研究中認為它們的脆弱度相近,均賦值為4。最后賦值進行歸一化處理(表2)。

表2 研究區景觀利用類型的脆弱性指數Table 2 Vulnerability index of landscape (LVI) utilization types in the study area

2.2.4槽谷區景觀生態安全指數(ESI)

本文根據研究區土地利用斑塊面積情況,建立槽谷區200 m×200 m大小網格。基于土地干擾度指數和土地脆弱性指數的基礎上[21],通過面積加權求和計算巖溶槽谷區每個網格的土地利用生態安全指數(ESIk),其計算數學模型為：

(5)

式中,ESIk為第k個評價單元的土地利用景觀生態安全指數；LDIi為土地利用干擾度指數；LVIi為土地利用脆弱性指數；n為景觀利用類型數目；Aki為第k個評價單元的第i類景觀利用類型的面積；Ak為第k個評價單元的總面積。其數值越小,反映出生態安全程度越來越低,反之則高。

2.2.5評價標準的確定

為了便于比較研究區景觀生態安全指數的大小,根據研究區景觀生態安全指數分布的具體情況,利用相同間距法,制定了針對研究區的相對評價標準,即是將巖溶槽谷區各網格景觀生態安全指數分為4個等級,即低安全區(ESI<0.9100)、一般安全區(0.9100≤ESI<0.9400)、較高安全區(0.9400≤ESI<0.9700)、高安全區(ESI≥0.9700),然后再基于研究區每個網格前后安全指數等級的變化,將景觀生態安全指數變化分為3級,分別為:不變(ESI不變)、下降(ESI下降小于等于一個等級)、上升(ESI上升大于等于1個等級)。

2.2.6空間自相關分析

Moran′sI指數可以反映出空間鄰近的區域單元屬性值的相似特征。Moran′sI指數取值在-1—1之間：大于0時表示存在正的空間自相關，等于0時表示不相關，小于0時表示存在負的空間自相關。由此本文采用全局空間自相關Moran′sI指數和局部空間自相關統計量 (LISA)來分析巖溶槽谷區景觀生態安全的空間自相關特征[22-23]。數學模型如公式(6)和(7)所示：

(1)全局空間自相關分析

(6)

(2)局部空間自相關分析

(7)

一般來講，LISAi值大于0則表示該區域單元周圍相似值(高值或低值)在空間上的聚集，LISAi值小于0則表示非相似值在空間上的聚集。

2.2.7三元圖

利用三元圖可構建一個等邊三角形坐標系統,描述三元系統中各變量的相對比例關系[24],各變量的數量要標準化,使得3個變量之和為1。

3 結果與分析

3.1 槽谷區景觀類型尺度分析

圖2 研究區景觀指數的動態變化Fig.2 Landscape index dynamic changes in the study area

由圖2可見,2005—2017年間,槽谷區景觀類型的斑塊密度總體上平穩且上升趨勢,可知槽谷區隨著時間發展,土地利用景觀都遭到了不同程度破壞。其中山地旱地的斑塊密度(PD)呈現先增后減的變化趨勢,而有林地和灌木林地呈現先減后增變化,是因為2005—2014年期間當地居民依附土地生產生活大,開發林草地資源進行轉為山地旱地,從而對其破壞程度較大。槽谷區邊緣密度(ED)變化較大的是有林地、山地旱地和草地。2005—2017年時期,有林地和山地旱地呈現出先減后增的變化,草地呈現出持續略下降的變化趨勢。

最大斑塊指數(LPI)在景觀類型尺度上表示為斑塊類型中最大斑塊組成,其變化幅度可揭示出當地人為活動對景觀類型的擾動強度。由圖2可見,槽谷區最大斑塊指數(LPI)主要以有林地、山地旱地、灌木林地和草地為主導。從2005—2017年,有林地和山地旱地呈現出先減后增的變化,是因為2005—2014階段,當地耕地面積呈現擴張,而有林地面積呈先減少趨勢,整體上山地旱地的最大斑塊指數較有林地大,2014—2017年斑塊連片增大。從2005—2017年,槽谷區有林地和灌木林地的形狀指數(LSI)變化明顯,主要原因是近12年來實施退耕還林所致；其他各景觀類型整體上呈現穩定狀態,變化不顯著。

3.2 槽谷區景觀水平尺度演變分析

蔓延度指數(CONTAG)和聚集度指數(AI)均可反映景觀斑塊類型團聚程度的指標。由圖3可見,2005—2017年時期,槽谷區景觀斑塊類型的演變表現出最大限度破碎化及蔓延連通性較高。隨著社會經濟不斷提高,槽谷區人為擾動頻繁且擾動區域不斷擴大,土地利用不斷受到影響,這些使得景觀內部斑塊類型不斷分散,部分區域聚集程度降低。受到人類活動影響,巖溶槽谷區槽壩區域城鎮用地、道路增加,山地旱地減少,使得自然景觀斑塊類型不斷被分割和蠶食[25],從而衍生出更多的單體斑塊,各類斑塊間離散程度增大,蔓延度指數(CONTAG)增強。2005—2017年時期,西東部槽谷區聚集度指數(AI)比例呈現逐漸降低,而中部槽谷地形地貌崎嶇,其聚集度指數(AI)由槽壩向山坡延伸整體上呈現出先增加后降低變化。

Shannon′s多樣性指數(SHDI)和Shannon′s均勻度指數(SHEI)均可反映研究區域的景觀多樣性指標[26]。由圖3可見,2005—2017年期間,西東部槽谷的Shannon′s多樣性指數(SHDI)和香濃多樣性指數(SHEI)在空間分布上呈現出基本一致性,主要集中于槽壩平坦部位,槽壩向山坡延伸均呈現降低趨勢,原因是西東部槽谷槽壩向山坡邊緣效應明顯且斑塊分散；中部槽谷區的香濃多樣性指數(SHDI)和香濃多樣性指數(SHEI)主要分布山坡兩側。這說明,隨著時間發展,槽谷槽壩低地形起伏區受城鎮、農村居民用地、工礦及交通用地分割,槽壩內部結構復雜,景觀空間異質性最強、多樣性和均勻度達到最大、破碎化最嚴重,聚集度較低且連通性高[27]。

圖3 2005—2017年研究區CONTAG、AI、SHDI和SHEI的空間分布Fig.3 Spatial distribution of CONTAG,AI，SHDI and SHEI in the study area from 2005 to 2017

3.3 槽谷區景觀生態安全的時空演變特征

由于景觀生態安全指數變化反映的是區域多種景觀利用類型變化趨勢的疊加效應[28],因而其空間分布差異顯著,總體上向逐漸增高的趨勢發展(圖4)。其中東部槽谷南部、西部槽谷北部和南部的生態安全指數高值和低值相間分布或高值集聚分布,這說明在該區域內地形起伏相對較小,景觀類型多樣性較高,而西部槽谷中部的高值主要集中分布在山坡,低值主要分布在槽壩,但中部槽谷中部則相反；與2005年相比,2010年生態安全指數整體在提高,尤其西部和東部槽谷最為明顯；2014年景觀生態安全指數整體呈降低的趨勢,說明人類活動增強,農村居民和城鎮用地規模在擴張[29]；2017年低值區域由深紅轉為淡紅,系統內生態安全度有所降低,且有逐漸向槽谷區南部轉移的趨勢,而高值區域未發生明顯波動。

圖4 研究區景觀生態安全空間分布Fig.4 Spatial distribution of landscape ecological security in the study area

3.4 槽谷區景觀生態安全指數空間相關性分析

3.4.1景觀生態安全指數的特征尺度及其全局空間相關性

景觀生態安全指數全局自相關Moran′sI值隨測定距離的縮小而變得更相似,表現出相似值在空間上的集聚,也表明區域內ESI變量呈空間全局正相關,其相關性存在明顯尺度效應。2014和2010年Moran′sI指標值在各距離上很接近,但在1400 m處差異明顯(圖5),表明2014年較2010年全局自相關區域有所增加；2017年景觀生態安全指數全局自相關區域較2014和2010年有所減小,較2005年有所增加；在距離200 m時,趨勢圖上四期Moran′sI指標值趨于穩定,表明該尺度可以作為反映研究區域的特征尺度,尺度過大(400、600 m)會導致部分空間信息的損失。因此,本研究選擇200 m作為分析巖溶槽谷區景觀生態安全指數分布格局的特征尺度。在200 m的研究尺度下,西部槽谷ESI的全局正相關性最為顯著,其Moran′s值呈現先增加后減小的趨勢,而東部和中部槽谷則相反,表明在時間序列上,西部槽谷景觀生態安全的空間自相關程度有所減弱,空間分異性增強,而中、東部槽谷空間趨同性和自相關程度逐漸增強(表3)。

表3 研究區不同時期景觀生態安全指數Table 3 Landscape ecological security index in different periods in the study area

圖5 研究區景觀生態安全指數空間自相關性特征值趨勢圖 Fig.5 Trend chart of spatial autocorrelation eigenvalues of landscape ecological security index in the study area

3.4.2槽谷區景觀生態安全指數局部空間自相關分析

景觀利用類型的多樣化可以直接導致景觀生態安全指數空間分布的顯著性增強[30]。由圖6可以看出,巖溶槽谷區ESI的空間集聚形式主要表現為高高和低低值集聚區,空間集聚程度較高,而高低和低高集聚區分布較少且變化不明顯。高值集聚區主要集中分布在西部槽谷中部的兩翼、中部槽谷中部與南部的槽壩區域,而東部槽谷槽壩和山坡皆有分布,這主要是由于該區域有林地、灌木林地和草地的規模化分布且景觀利用類型單一,對區域生態安全系統貢獻率較大,呈現出植被覆蓋率高的區域景觀生態安全指數高的特征。低值集聚區主要集中分布于西部槽谷的槽壩、中部槽谷北部的兩翼、而東部槽谷與高值集聚區分布特征一致,這主要是與區域內植被覆蓋率低、土地利用強度大以及地形較緩等特征有關,使得區域內環境效益較差而直接導致景觀生態安全指數下降,整體呈現出沿景觀利用類型多樣和人類活動強的區域分布。

圖6 研究區景觀生態安全指數局域空間自相關 LISA聚類圖Fig.6 LISA clustering diagram of local spatial autocorrelation of landscape ecological security index in the study areaLISA:空間聯系的局部指標Local indicators of spatial association

由圖7可知,巖溶槽谷區大部分區域ESI空間相關性不顯著,空間相關性較顯著的區域主要集中在低低值和低低值集聚區,主要以點狀的形式呈帶狀分散于西部槽谷槽壩區域,而中部和東部槽谷則呈現雜亂無序的分布特征,顯著性水平為0.05的區域規模逐漸擴大,而顯著性水平為0.01主要以高高值形式分布在西部槽谷中部,其規模呈現先增大后減小的趨勢,ESI空間異質性逐漸增大,可見,巖溶槽谷區近年來景觀利用類型朝多樣化發展,區域內土地利強度增大,導致生態環境出現退化現象[31]。

圖7 研究區生態安全指數局域空間自相關LISA顯著性水平Fig.7 LISA significance level of local spatial autocorrelation of ecological security index in the study area

3.4.3槽谷區土地利用轉移對景觀生態安全的影響

土地利用變化復雜多變,其景觀生態安全指數受到多種土地利用類型變化共同影響[32]。根據槽谷區2005—2017年土地利用轉移方向的具體情況,選取面積動態變化最顯著的幾種土地轉移類型,既是有林地、山地旱地、灌木林地、草地以及農村居民用地作為景觀生態安全網格研究樣本(圖8)。

圖8 研究區土地利用轉移對景觀生態安全的影響Fig.8 Impact of land use transfer on landscape ecological security in the study areaFLI:有林地增加Forestland increase;MDLI:山地旱地增加Mountainous dry land increase;SLI:灌木林地增加Shrubland increase;GLI:草地增加Grassland increase;RRLI:農村居民用地增加Rural residential land increase;FLD:有林地減少Forestland decrease;MDLD:山地旱地減少 Mountainous dry land decrease;SLD:灌木林地減少Shrubland decrease ;GLD:草地減少Grassland decrease;RRLD:農村居民用地減少Rural residential land decrease;;a時段:2005—2010;b時段:2010—2014;c時段:2014—2017;d時段:2005—2017

土地利用轉移減少：①有林地各時段內等級上升下降曲線走勢差異較大,由同增同減向一增一減過渡,山地旱地的轉移面積逐漸增加,可見山地旱地對ESI的貢獻率較低。②山地旱地ESI等級上升曲線逐漸下降,而下降曲線呈小波動上升,這由于其轉移成的有林地、灌木林地和草地高等級的ESI大于山地旱地自身的等級范圍,即ESI的上升空間會隨著轉移的景觀利用類型逐漸增強。③灌木林地ESI上升等級曲線小幅降低而下降曲線則呈大幅上升的趨勢,其中a與c時段相似,b則與總時段相似,說明有林地對巖溶槽谷區ESI的貢獻率較灌木林地稍大。④草地ESI下降等級曲線由小波動下降向大波動上升轉移,上升等級曲線由大波動下降向小波動下降過渡,主要是由于初期草地大部分轉移為有林地,而后期一部分還轉移成了山地旱地,山地旱地的增加直接導致ESI下降。⑤農村居民用地在b與c時段動態變化最為顯著,其導致的ESI等級變化的趨勢與灌木林地相似,說明山地旱地對ESI的貢獻率較農村居民點大。

土地利用轉移增加：①有林地ESI等級上升和下降等級曲線皆呈相反的波動趨勢,說明有林地的增加能顯著的提高區域的景觀生態安全指數。②山地旱地ESI的等級變動趨勢與其減少時相反,也說明了山地旱地的增加能降低區域的ESI。③灌木林地對ESI的影響與山地旱地相反,它的增加會造成區域ESI提高。④草地初期主要是由有林地轉移而來,后期則是由山地旱地和有林地轉移,這就造成了同期ESI下降等級曲線異常波動。⑤農村居民用地c時段較b時段的ESI下降等級網格占比大,多樣性的土地利用轉移方式較單一方式對ESI影響更大。

3.4.4槽谷區景觀生態安全指數在地形上的分布

槽谷區景觀生態安全與地形因子具有顯著影響作用,探究地形因子對土地利用景觀的生態安全空間相關聯性具有重要意義。由圖9、10、11可見,巖溶槽谷區不同顯著性水平下集聚分布的景觀生態安全在海拔、坡度和地形起伏度上都呈倒“U”型分布,但地形起伏度和坡度對景觀生態安全的集聚分布格局有相似的驅動趨勢,而海拔則相反。①低海拔區域主要分布顯著性P=0.05的集聚形式,而高海拔處則以顯著性P=0.01的集聚形式為主,在海拔在1080—1180 m范圍內最明顯,這是由于高海拔區域土地利用方式單一、人類活動少,致使該范圍內景觀生態安全度高且內部穩定。P=0.05高-高值集聚主要分布在680—980 m范圍內,自身年際波動在高海拔處較明顯,與大量分布在780—1180 m間的低-低值集聚的趨勢一致,但其以更大的幅度向逐漸增多的趨勢發展。海拔小于780 m區域,以高-高值集聚為主,而海拔超過780 m,以低-低值集聚為主。P=0.01高-高值和低-低值集聚都主要分布在880—1180 m范圍內,海拔對其分布量之間存在正比關系,且變化幅度逐年增強。②2005、2010和2017年的ESI顯著性水平為0.05和0.01皆在地形起伏度上的分布趨勢保持一致,在地形起伏度小于120 m范圍內,以低-低值集聚為主,在大于120 m區域以高-高值集聚為主,而2017年ESI不同顯著性在地形起伏上的分布變化曲線存在異常的波動,在低地形起伏度區域分布量減少,而在高地形起伏度范圍內急劇增多,且P=0.01高-高值集聚變化最明顯,這表明了巖溶槽谷簡單化的土地利用方式正在向地形起伏度大的區域轉移。③ESI在不同的顯著性水平下的分布,隨坡度的增大呈先增加后降低的趨勢,且在5—10°區域內都達到最大值。坡度小于10°區域,以低低值集聚分布為主,大于10°則以主要以高-高值為主。綜上可得,巖溶槽谷區高程、坡度和地形起伏度對土地利用景觀的生態安全具有明顯相關性。

圖9 研究區ESI的不同顯著性水平在高程上的分布Fig.9 Distribution of different significance levels of ESI on elevation in the study area

圖10 研究區ESI的不同顯著性水平在坡度上的分布Fig.10 Distribution of different significance levels of ESI on slope in the study area

圖11 研究區ESI的不同顯著性水平在地形起伏度上的分布Fig.11 Distribution of different significance levels of ESI on topographic relief in the study area

4 討論

4.1 槽谷區景觀格局演變及生態安全的演變規律

4.1.1槽谷區景觀格局的演變規律

在當前快速城鎮化和工業化大發展多因素驅動背景下,巖溶槽谷區景觀格局演變呈現顯著性變化。在對槽谷區山坡-槽壩土地利用變化的基礎上[33],本文主要從槽谷區山坡-槽壩進行分析景觀格局演變及其在時序上的演變階段做出系統分析。巖溶槽谷區山坡-槽壩景觀格局演變存在著共同特征和差異性(圖12)。由于城鎮用地、農村居民用地、水田、道路等景觀類型主要集中分布于槽壩,林地、草地等主要分布山坡[34],槽壩景觀格局主要由混合復雜型向規整現代農業型轉變,演變階段由擴張模式向集約化模式轉變；山坡的景觀格局由林地,農地混合型向林地多,農地少的景觀演變,其演變階段主要為人為活動擴張模式向人為活動收縮模式轉變。通過探討槽谷區山坡-槽壩的景觀格局演變剖析,掌握其土地利用景觀演變特征,從而更加清楚掌握其土地利用/覆被變化情況、以及景觀恢復取得客觀全面的認識。

圖12 研究區景觀格局演變規律Fig.12 Landscape pattern evolution laws in the study area

4.1.2槽谷區景觀生態安全的演變規律

(1)景觀生態安全分布規模。巖溶槽谷區系統內生態安全度有先提高后降低的趨勢,并逐漸向南部轉移。西部槽谷ESI的高值集聚區主要分布在中部山坡兩翼,其規模呈現先增加后減少的趨勢,而低值集聚區主要分布在槽壩,其分布規模以減小的趨勢逐漸由山坡向槽壩聚攏；中部槽谷北部ESI較低且分布凌亂,中、北部ESI高低值集中分布區域與西部槽谷相反,低值分布規模逐漸增大；東部槽谷北、中部ESI年際變化不明顯,南部ESI高值集聚區規模降低。

(2)土地利用景觀的組合模式。景觀生態安全度的動態變化與土地利用變化存在密切的關系[35]。本文基于網格量化槽谷區土地利用類型的轉移過程,探究出土地利用類型的組合模式對景觀生態安全的提高或降低具有顯著影響(圖13)。由圖13可知,在西部槽谷區灌木林地的減少中,有林地-草地-山地旱地的轉移組合能降低區域ESI；而山地旱地的減少中,有林地-灌木林地-草地的組合能增加區域ESI,以中部槽谷最為明顯；東部槽谷景觀利用類型相對單一,以至區域ESI變化不顯著。通過土地利用對生態安全的貢獻效率分析得出,西東部槽谷景觀格局的演變現狀,其采用適當的縮減“有林地-草地-山地旱地”的組合模式降低該區域景觀生態安全；中部槽谷需擴充“林地-灌木林地-草地”的組合模式能增加該區域景觀生態安全。

圖13 基于土地利用組合模式的研究區ESI的變化Fig.13 ESI changes based on the combined land use mode in the study area

4.2 槽谷區景觀格局演變及其生態安全的驅動機制

巖溶槽谷區景觀格局演變受當地自然環境因素、社會經濟發展和地方政策的導向共同作用[36],然而景觀格局受影響的同時隨之導致其生態安全受到不同程度的影響(圖14)。由于槽谷區地形地貌復雜、降水在空間上分布不均,水資源稟賦差異大,山坡-槽壩氣候溫差等直接形成了槽谷區山坡-槽壩的景觀類型分布差異；其中景觀類型山地旱地、草地、有林地、灌木林地是主要分布山坡部位,城鎮用地、農村居民用地及農業耕作景觀利用類型主要分布于槽壩部位。社會經濟發展對景觀格局的演變具有推動作用[37],其中區域人口增長加快,城鎮化和工業化、市場需求不斷加大,地方產業結構調整、基礎設施規模不斷加大,各項農村資源整合使得區域土地利用方式發生轉變,城鄉一體化不斷加強,農戶維持生計轉型及生活質量提高、地方生產方式轉變和農業朝著現代化[38]。社會經濟提高,人為活動對區域景觀擾動不斷加大,其景觀破碎度和多樣性在一定程度上空間異質性加強。由于人為活動主要集中于槽壩區域,造成山坡的生態安全大于槽壩部位。近年來,隨著槽谷區實施生態修復工程,例如,封山育林、退耕還林,退牧還草、石漠化綜合治理工程以來,促使大面積的未利用地、裸露巖地、草地轉變為生態林地,從而提高區域生態功能,其生態安全也不斷增高(圖15)。2014 年來,在國家實施精準扶貧政策、生態移民搬遷,導致山地旱地、水田、草地撂荒現象突出,大面積轉為草地、林地和灌木林地；另一方面,在地區鄉村旅游發展和鄉村振興戰略和城鄉一體化建設制度下,集中連片的經果林和觀光旅游業等規模利用增加,槽谷區景觀利用呈現轉型階段[39]。

圖14 研究區景觀格局演變及其生態安全的驅動機制Fig.14 The landscape pattern evolution and its ecological security of driving mechanism in the study area

圖15 研究區生態修復Fig.15 The ecological restoration in the study area

4.3 槽谷區景觀格局演變及其生態安全的意義

隨著國家對生態文明建設的明確要求,山區應承擔更多的平衡責任。本文通過對槽谷區三條槽谷景觀生態安全進行橫向對比分析,以量化每個網格ESI的途徑,有效平衡數據統計和空間分析,定量分析景觀利用類型對區域生態安全的影響。由土地利用景觀格局帶來的生態安全狀況不同,在槽壩和山坡因地制宜進行區域性生態安全保護策略[40]。依據景觀生態安全局域空間自相關分為4種不同類型,其中高高值集聚區存在明顯的空間擴散效應,采用擴張型策略,對其周邊區域的生態安全水平起到帶動作用,低低值集聚區主要分布在槽壩,采用集聚型手段[41-42],改善槽谷這典型地貌單元的生態環境具有重大意義。

5 結論

本文以貴州省東北部西中東部槽谷區這典型地貌單元為研究對象,利用遙感影像和景觀空間分析方法,基于景觀生態理論,構建槽谷區景觀生態安全模型,系統分析了景觀格局變化情況及其生態安全的時空格局變化規律,并解釋其景觀格局及生態安全的驅動機制,得到以下幾點結論：

(1)2005—2017年,槽谷區內部景觀整體呈現破碎化,景觀斑塊數量增多,景觀格局由單一規則化、簡單化向復雜混合型演變,槽壩區域較山坡變化顯著,多樣性增加且空間異質性增強。

(2)2005—2017年,槽谷區ESI在時序上整體呈現升高趨勢；西、東部槽谷ESI由槽壩向山坡兩側逐漸呈現增加,而中部槽谷則由山坡向槽壩呈現增加。

(3)槽谷區景觀生態安全與地形因子具有顯著影響關系,景觀集聚分布格局受低地形起伏和坡度較緩區域影響較高且呈現共性趨勢,而海拔則相反。

(4)巖溶槽谷區景觀格局以擴充“林地-灌木林地-草地”的土地利用組合模式能增加景觀生態安全。景觀格局及其生態安全的時空分異是受當地自然環境、社會經濟和政策導向共同作用的結果。

(5)近年來,在人工干預下實施生態修復工程,槽谷區生態由裸露石漠化逐漸恢復,實現了綠水青山就是金山銀山的新面貌。