基于景觀格局的渭河流域甘肅段生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

陳慧敏， 周冬梅， 張 軍， 陳思瑾， 李嫚斐， 王祖玉

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730070； 2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

近年來，隨著全球經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，人口增長(zhǎng)的壓力和頻繁的人類活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境產(chǎn)生了巨大的破壞，由此也引發(fā)了一系列環(huán)境問題。生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能愈發(fā)的不穩(wěn)定，人類賴以生存的環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)了嚴(yán)重的安全危機(jī)，生態(tài)環(huán)境問題也因此成為學(xué)者們研究和關(guān)注的熱點(diǎn)[1-7]。

生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指生態(tài)系統(tǒng)和它所有組分所能夠承受的風(fēng)險(xiǎn)壓力，一般情況下是指外力對(duì)種群、區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)或者整體生態(tài)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生了脅迫性影響，從而可能在現(xiàn)在或未來的某一階段損害該系統(tǒng)或者其他某些內(nèi)部要素[8-10]。我國(guó)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的研究主要集中在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立，探討評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的確定，重金屬和有機(jī)污染物的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，流域、區(qū)域、景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，以及“3S”技術(shù)在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[11-18]。本研究側(cè)重基于土地利用類型的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，這也是因?yàn)榻陙硗恋厣鷳B(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)問題[19-20]。尉芳等[21]基于5 期土地利用數(shù)據(jù)，對(duì)渭北旱塬區(qū)進(jìn)行了生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。杜華明等[22]基于土地利用、土壤類型等數(shù)據(jù)，研究了北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。李婷等[23]以渤海區(qū)域典型的海島月島為研究區(qū)，選取研究區(qū)4 期遙感影像，從景觀格局的角度評(píng)價(jià)了其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。XIE Hualin 等[24]計(jì)算了鄱陽湖各景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，分析了土地利用變化對(duì)鄱陽湖景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的影響。ZHANG W 等[25]根據(jù)土地利用數(shù)據(jù)計(jì)算生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，分析了沿海城市生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)在時(shí)空上的變化。PENG Tian等[26]采用CA-Markov 模型模擬了濱海濕地2021-2025年不同區(qū)域的景觀變化，并分析了研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)在時(shí)間和空間上的變化特征。

流域是一個(gè)復(fù)雜且綜合的地域生態(tài)系統(tǒng)，同時(shí)也是人類生存生產(chǎn)的重要活動(dòng)場(chǎng)所[27]。流域內(nèi)的景觀格局隨著頻繁的人類社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)發(fā)生變化，隨之也引起了生態(tài)環(huán)境脆弱性和生態(tài)系統(tǒng)壓迫程度增強(qiáng)等一系列問題[28]。渭河作為黃河流域最大的分支，研究其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)問題對(duì)黃河流域的生態(tài)安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，有利于渭河流域甘肅段經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，也有利于維護(hù)渭河流域甘肅段生態(tài)系統(tǒng)正常穩(wěn)定的功能，進(jìn)而為今后渭河流域土地利用管理和規(guī)劃，以及生態(tài)保護(hù)提供指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

渭河作為黃河上游最大的一級(jí)支流，涉及甘肅省的中部、東南部和陜西省的中部。本研究選取其位于甘肅省境內(nèi)的區(qū)域作為研究區(qū)，該區(qū)內(nèi)渭河全長(zhǎng)約360 km，流域面積約7.7 萬km2，共涉及甘肅省平?jīng)鍪?、天水市、定西市和慶陽市的29 個(gè)縣（區(qū)）。研究區(qū)內(nèi)海拔西部較高、東北部較低，降水東多西少、南多北少，冬夏氣溫溫差較大。研究區(qū)的大部分都處在黃土丘陵溝壑區(qū)，植被較為稀疏，土地沙漠化嚴(yán)重，生態(tài)問題突出。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

本研究所使用的2005、2010、2015 及2020 年TM遙感影像數(shù)據(jù)均下載自地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)（http://www.gscloud.cn），分辨率為30 m。下載完成后的遙感影像在ENVI5.2 軟件進(jìn)行拼接、裁剪等一系列預(yù)處理，處理完成后的4 期數(shù)據(jù)按照土地利用類型一級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)把研究區(qū)的土地利用類型分為6 大類：耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地及未利用地。

2.2 研究方法

2.2.1 風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)劃分

景觀格局在空間上具有區(qū)域異質(zhì)性，因此對(duì)研究區(qū)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)的劃分很有必要[29-30]。其中生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)大小的確定是進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，根據(jù)景觀生態(tài)學(xué)的相關(guān)理論，風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)的面積只有在景觀斑塊平均面積的2～5 倍范圍內(nèi)才能夠較為準(zhǔn)確地反映該風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)內(nèi)景觀格局的相關(guān)信息。本研究通過對(duì)渭河流域甘肅段的景觀平均面積進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)考慮到計(jì)算的強(qiáng)度和精度等問題，采用3 km×3 km 的格網(wǎng)，把渭河流域甘肅段共劃分為8 546 個(gè)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)，每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值是由其中心點(diǎn)確定的[31]。

2.2.2 渭河流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)模型

景觀格局能在一定程度上反映人類活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境的影響，而景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（ERIk）能夠?qū)ρ芯繀^(qū)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)損失程度進(jìn)行定量的描述，同時(shí)在研究區(qū)的景觀結(jié)構(gòu)和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)之間建立聯(lián)系[32]。基于此，利用景觀干擾度指數(shù)、景觀脆弱度指數(shù)等（表1）來構(gòu)建渭河流域甘肅段的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型[33-36]。

生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型具體計(jì)算公式如下。

式中ERIk-研究區(qū)內(nèi)第k個(gè)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

Aki-研究區(qū)內(nèi)第k個(gè)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)內(nèi)某一土地利用類型i的面積

Ak-研究區(qū)內(nèi)第k個(gè)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)的面積

Ri-景觀損失度指數(shù)

N-研究區(qū)內(nèi)土地利用類型的種類，取N=6

2.2.3 景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

使用ArcGIS10.0 軟件分析工具下疊加分析的相交功能，將研究區(qū)的4 期土地利用數(shù)據(jù)與行政區(qū)劃進(jìn)行疊加（即相交分析），再結(jié)合表1 的景觀格局指數(shù)，對(duì)研究區(qū)內(nèi)各風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)中心點(diǎn)的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值進(jìn)行計(jì)算，在ArcGis10.0 中通過克里金插值法，得到研究區(qū)各年份的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分布圖。根據(jù)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)在空間上出現(xiàn)的可能性不同，利用Classification of Natural Breaks（自然間斷點(diǎn)分級(jí)法）將景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)劃分為理想、良好、預(yù)警、較差和很差5 個(gè)等級(jí)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行空間上的可視化處理，即得到渭河流域甘肅段景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)圖。

表1 景觀指數(shù)計(jì)算方法及意義Tab.1 Calculation method and significance of landscape index

3 結(jié)果與分析

3.1 渭河流域甘肅段景觀格局時(shí)序變化

對(duì)渭河流域甘肅段2005-2020 年土地利用類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并借助Fragstats 軟件獲取研究區(qū)各類型景觀斑塊數(shù)目、景觀面積等景觀指數(shù)，結(jié)合表1 通過計(jì)算能夠得到研究區(qū)16 年間各景觀的面積及景觀格局指數(shù)（表2），由此可得以下結(jié)論。

表2 景觀類型分離度及景觀損失指數(shù)Tab.2 Separation degree and landscape loss index of landscape types

從土地利用景觀類型面積的動(dòng)態(tài)變化情況來看，16 年間渭河流域甘肅段的耕地面積呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，從整體來看是增加的，共增加了639 km2；建設(shè)用地在16 年里增加了348 km2，研究區(qū)內(nèi)的水域及未利用地分別減少了74 和71 km2。研究區(qū)內(nèi)的林地和草地面積在整體上呈現(xiàn)出減少的趨勢(shì)，分別減少了439和400 km2。

各景觀的破碎度和分離度除建設(shè)用地外均有所增加。建設(shè)用地的破碎度和分離度均呈現(xiàn)出先減少后增加的趨勢(shì)，其分布呈現(xiàn)出先聚集后分散的趨勢(shì)。其他景觀類型的分離度和破碎度都呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，這說明隨著頻繁的人類活動(dòng)影響，林地、草地及耕地的分布開始變得較為分散，但整體上還呈現(xiàn)聚集態(tài)勢(shì)；與此同時(shí)，水域和未利用地的分離度和破碎度數(shù)值相對(duì)較大，說明水域和未利用地的分布較為分散，并且隨著時(shí)間的推移，水域和未利用地的面積都有一定程度的減少。

從景觀分維數(shù)來看，16 年間渭河流域甘肅段除了建設(shè)用地的景觀分維數(shù)在增加外，其他景觀類型的分維數(shù)都呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。分析可知，隨著建設(shè)用地面積的增加，其形狀復(fù)雜度也隨之增大，這也與渭河流域甘肅段的地形地貌有關(guān)，地處黃土高原區(qū)很難有成片規(guī)則形狀的土地能用來進(jìn)行建設(shè)。

3.2 景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分布特征

為了進(jìn)一步分析渭河流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的空間分異特征，借助統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，將研究區(qū)8 546 個(gè)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值進(jìn)行克里金插值，得到渭河流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分布圖。在ArcGIS 軟件中運(yùn)用自然斷點(diǎn)法，將研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)劃分為理想、良好、預(yù)警、較差和很差5 個(gè)等級(jí)，其賦值區(qū)間分別為理想（ERI≤0.09）、良好（0.09＜ERI≤0.12）、預(yù)警（0.12＜ERI≤0.17）、較差（0.17＜ERI≤0.39）、很差（0.39＜ERI≤1）。2005-2020 年，渭河流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，其中理想和良好等級(jí)所占比例較大，較差風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)所占面積較小。

由表3 可知，2005-2020 年渭河流域以理想和良好生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)為主，占研究區(qū)面積62%以上，整體生態(tài)情況良好。2005-2010 年，渭河流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)趨于增加，主要體現(xiàn)為理想和良好生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積共減少了9.14%，預(yù)警和較差生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積分別增加了7.48%和1.64%。2010-2015 年，渭河流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)趨于增加，主要體現(xiàn)為理想和良好生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積共減少了8.87%，預(yù)警生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積增加了8.67%。2015-2020 年，渭河流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)趨于增加，主要體現(xiàn)為理想和良好生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積共減少了12.75%，預(yù)警生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積增加了10.60%。2005-2020 年，很差生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的面積保持穩(wěn)定，均維持在研究區(qū)面積的0.02%。

表3 渭河流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積及比例Tab.3 Area and proportion of landscape ecological risk level in Weihe River Basin

由圖1 可知，渭河流域甘肅段很差生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在定西市的安定區(qū)，占研究區(qū)總面積的0.02%，安定區(qū)屬于典型的干旱半干旱區(qū)，區(qū)內(nèi)降水分布不均，水資源嚴(yán)重短缺，地貌屬于黃土高原丘陵溝壑區(qū)，并且區(qū)內(nèi)草地較多，居民建設(shè)用地較少、分布較為分散，水系呈東西向分布，整體破碎度值較大，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值很高，問題嚴(yán)重。較差生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)從2005 年到2020 年增加了2 877 km2，主要分布在安定區(qū)、臨洮縣、西峰區(qū)、寧縣、涇川縣、崆峒區(qū)、麥積區(qū)、秦州區(qū)和甘谷縣等地，由于非農(nóng)利潤(rùn)的驅(qū)使，加之生態(tài)環(huán)境退化，使部分區(qū)域出現(xiàn)了撂荒現(xiàn)象，耕地、林地、建設(shè)用地3者之間相互轉(zhuǎn)化較為頻繁。在這15 年中，建設(shè)用地和未利用地的增加主要是通過占用耕地來實(shí)現(xiàn)的，這對(duì)生態(tài)安全的風(fēng)險(xiǎn)也有一定的影響。預(yù)警生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)從2005 年到2020 年增加了19 248 km2，并且呈片狀分布在較差生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)周圍。良好生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)從2005 年到2020 年呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，2020 年其占研究區(qū)62.98%的土地，盡管全區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值呈現(xiàn)穩(wěn)定升高的趨勢(shì)，但從整體來看，研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)還是呈現(xiàn)出穩(wěn)定的趨勢(shì)，近年來渭河流域各縣區(qū)以流域生態(tài)治理和防沙治沙為突破口，堅(jiān)持標(biāo)本兼治，實(shí)施退耕還林、退耕還草，并積極開展創(chuàng)建綠色和諧家園，在這一系列的舉措下，渭河流域的部分地區(qū)河流水質(zhì)有了一定程度的好轉(zhuǎn)，人與自然和諧共生的局面也初步形成。理想生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)在16 年內(nèi)減少了58 403 km2，主要是因?yàn)殡S著改革的推進(jìn)和城鄉(xiāng)一體化建設(shè)的實(shí)施，渭河流域的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人們的生產(chǎn)生活方式發(fā)生了一定的改變，大量的生活污水、工業(yè)廢水流入渭河，并且在日常的生活生產(chǎn)中，農(nóng)民使用大量的化肥、農(nóng)藥等造成了潛在的面源污染，由于法制意識(shí)薄弱，部分群眾將未經(jīng)處理的生活垃圾直接倒入河道內(nèi)，非法采砂的現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生[8]。群眾的環(huán)保意識(shí)差、河道環(huán)境整治難度大、人類不規(guī)范的活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的干擾，導(dǎo)致渭河流域的生態(tài)環(huán)境逐步惡化，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值也相應(yīng)升高。

圖1 2005—2020 年渭河流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分布Fig.1 Distribution of ecological risk in Weihe River Basin from 2005 to 2020

3.3 景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間自相關(guān)分析

通過生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)構(gòu)建模型計(jì)算得到研究區(qū)2005、2010、2015 和2020 年共4 期生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，利用空間計(jì)量軟件（GeoDa）進(jìn)行空間全局和局部自相關(guān)分析。由圖2 可知，研究區(qū)2005、2010、2015 和2020 年4 期生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)全局自相關(guān)系數(shù)分別為0.403 495、0.397 477、0.368 109、0.374 895。Moran’s I 指數(shù)均為正值，表明渭河流域甘肅段的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)在地理空間上表現(xiàn)為顯著正空間自相關(guān)，并且研究區(qū)的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)在空間上存在著一定的空間集聚效應(yīng)，即生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)出現(xiàn)聚集區(qū)，高等級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)周圍分布著相應(yīng)高等級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)，低等級(jí)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)周圍風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)也較低。全局自相關(guān)值呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，表明研究區(qū)在2005-2020 年生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)聚集趨勢(shì)變化不明顯，空間趨同性逐漸降低。同時(shí)，散點(diǎn)聚集在回歸線附近，說明在局部空間上生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)呈現(xiàn)出“同質(zhì)集聚、異質(zhì)隔離”的特征。

圖2 各年份莫蘭散點(diǎn)分布Fig.2 Moran scatter distribution of each year

由局部自相關(guān)分析LISA 圖（圖3）可知，流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)在空間上的分布以高-高聚集和低-低聚集為主，高-低聚集與低-高聚集生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積較小，并且在高-高聚集和低-低聚集生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)邊緣零散分布，說明研究區(qū)內(nèi)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)出現(xiàn)局部急劇變化的可能性較低。由LISA 圖可知生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)“高-高”區(qū)主要分布在定西市的安定區(qū)和臨姚縣，天水市的麥積區(qū)、清水縣、秦州區(qū)和甘谷縣，平?jīng)鍪械尼轻紖^(qū)、崇信縣、靈臺(tái)縣和涇川縣，以及慶陽市的西峰區(qū)、合水縣和寧縣，呈條帶狀分布；“低-低”區(qū)主要分布在定西市的通渭縣、隴西縣、臨姚縣和渭源縣，天水市的清水縣和秦安縣，平?jīng)鍪械撵`臺(tái)縣，以及慶陽市的鎮(zhèn)原縣、環(huán)縣和華池縣，呈片狀聚集分布。

圖3 各年份LISA 指數(shù)Fig.3 Lisa index chart of each year

4 結(jié)論

（1）2005-2020 年渭河流域甘肅段各景觀類型的破碎度除建設(shè)用地外都呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)，景觀被分割的越來越破碎；分離度和干擾度的變化情況與破碎度相似，也是出現(xiàn)了增加的變化。研究區(qū)內(nèi)除建設(shè)用地景觀分維數(shù)增加外，其他景觀類型分維數(shù)都有所減小，但變化并不明顯，說明建設(shè)用地受到人類活動(dòng)的影響最為明顯，并且其形狀復(fù)雜度逐漸增大。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)不斷發(fā)展，人口增長(zhǎng)及城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，人類活動(dòng)對(duì)各景觀類型的干擾均有所增加。

（2）2005-2020 年4 個(gè)時(shí)期渭河流域甘肅段生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值Moran's I 指數(shù)均在0.37 左右，空間單元生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)值與其鄰域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)之間具有較強(qiáng)相關(guān)性，并且其空間分布呈現(xiàn)顯著正相關(guān)性。

（3）2005-2020 年渭河流域甘肅段以理想和良好生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)為主，占比62%以上，整體生態(tài)情況良好，但區(qū)內(nèi)破碎度值逐年增大，景觀干擾度也隨之增大，表明人類活動(dòng)對(duì)土地利用變化的影響日益增強(qiáng)。