干旱區綠洲城鎮景觀生態風險時空變化分析
——以張掖綠洲鄉鎮為例

王 敏,胡守庚,張緒冰,*,張學斌,吳 思

1 中國地質大學(武漢)地理與信息工程學院, 武漢 430074 2 中國地質大學(武漢)公共管理學院, 武漢 430074 3 自然資源部法治研究重點實驗室, 武漢 430074 4 西北師范大學地理與環境科學學院, 蘭州 730070

干旱區是對氣候變化和人類活動最為敏感的地區之一,生態環境一直很脆弱[1]。我國干旱區約占國土面積的1/3,蘊藏著豐富的光、熱和礦產等資源,為社會經濟發展提供著可靠的物質基礎[2]。綠洲城市作為干旱區典型的自然-人工復合系統,聚集了地區90%以上的社會財富和人口,人地關系復雜且敏感[3]。一方面,“西部大開發”、“一帶一路”倡議實踐進程加快,使得人口增長、城市發展等需求對區域生態系統穩定性造成劇烈影響[4]；另一方面,隨著“生態文明”以及“山水林田湖草沙生命共同體”建設不斷推進,區域生態系統也會隨之發生變化。近年來綠洲草地退化、土地荒漠化、生物多樣性減少等生態環境等問題被不斷凸顯[5],綠洲城市的生態系統穩定性和生態安全受到威脅,這對推動形成“美麗中國”藍圖以促進社會經濟協調可持續發展提出重大挑戰。因此,如何診斷區域生態狀況識別其生態風險,生態風險又呈現何種時、空間態勢,這種態勢又可給綠洲城市土地資源利用與保護帶來何種啟示？上述問題的回答不僅是推動綠洲城市發展與生態環境交互機理研究的關鍵,更是未來追尋綠洲城市可持續發展路徑的重要研究內容。

景觀生態風險作為識別區域生態風險、衡量區域生態安全的一種有效手段。指自然或人為因素影響下景觀格局與生態過程相互作用可能產生的不利后果,強調景觀格局對生態過程或功能的影響,注重風險的時空異質性和尺度效應,致力于實現多源風險的綜合空間表征與可視化[6]。近年來諸多學者針對流域[7—8]、城市[9—10]、礦區[11—12]、海岸帶[13—14]、自然保護區[15—16]、濕地[17—18]等人類活動劇烈和生態敏感脆弱區域開展了大量研究且取得豐碩成果。隨著城市化的快速推進和對城市可持續發展的重視,國內外學者對城市景觀生態風險尤為關注。其中，國外學者更加偏向從微觀角度和適宜性方法探索等去評估城市區域的生態風險狀況。如Pérez等[19]通過土壤沉積物和地表水中殺蟲劑使用情況評估了阿根廷潘帕斯地區土地利用生態風險狀況。Islam等[20]通過調查不同土地用途的城市土壤中有害元素的變化評估了孟加拉國首都Dhaka的生態風險潛在來源及特征。Yanes等[21]從生態風險定義出發構建基于“自然現象+人類壓力”的框架用來評估哥倫比亞Antioquia沿海地區的生態風險。而國內學者則直接從城市類型、方法以及地理位置等著手探索分析城市景觀生態風險的時空動態分異。如李少玲等[22]對面臨轉型的資源型城市烏海市及周邊縣域進行了景觀生態風險時空評價。胡云峰等[23]通過城市生態價值和城市景觀生態受損率對北京天壇地區進行了現狀評估。張文等[24]選取位于我國沿海地區城市擴張迅速的48個城市,重點研究了城市化對沿海城市生態系統的影響。整體上,目前關于城市景觀生態風險的研究多在沿海經濟發達區、快速城市化地區以及部分資源型城市等,相較于大量針對人為活動劇烈和工礦業密集地區的城市研究聞言,立足于干旱區沙漠綠洲、荒漠過渡帶和農牧交錯帶等生態脆弱且對全球環境變化具有強烈響應的綠洲城市關注較少。

張掖市是西北干旱區典型綠洲城市,隨著“一帶一路”深入實施與生態文明建設,在如何合理聚集產業和人口,更好的承擔起“絲綢之路經濟帶”重要節點城市、促進區域綠色可持續發展等方面仍面臨一系列問題。厘清張掖市景觀生態風險時空演變特征及驅動因素,一方面,有助于更好的優化城市資源配置、社會經濟與生態保護協調發展,另一方面,對維系河西走廊綠洲生態系統的穩定性具有現實意義,進而對維護我國西北生態安全格局具有積極作用。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

張掖市位于甘肅省西北部,河西走廊中段(37°28′—39°57′N,97°20′—102°12′E),轄甘州區、高臺縣、臨澤縣、民樂縣、山丹縣和肅南裕固族自治縣(圖1),總面積3.86×104km2,集聚了黑河流域80%以上的綠洲、人口、GDP和耕地資源。隨著社會經濟迅速發展、城市化大幅提升等,區域總人口由1987年的67.4萬人增長至2018年的123.38萬人,期間工、農業發展形勢良好,截至2018年三次產業結構為21.85∶22.27∶55.87,逐步趨于合理。其社會經濟活動主要集中在綠洲區域,但由于綠洲生態基底較為薄弱,伴隨“三西建設”、“西部大開發”和“一帶一路”倡議實踐,人類活動干擾強烈,使得地表覆被長期受到外界脅迫,導致區域地表景觀格局發生較大變化,進而影響著區域生態風險。為更加客觀直接地表達生態風險演變特征,便于決策者有針對性的制定適應性管理政策,本文以張掖綠洲[25]所在鄉鎮作為評價單元。

圖1 張掖市及研究區位置示意圖

1.2 數據來源

選取張掖綠洲人類活動較為明顯時段(1987、1995、2005、2018年)的Landsat/TM影像數據(http://www.gscloud.cn)。參照《土地資源現狀分類》(GB/T21010—2017)和全國遙感監測土地利用/覆蓋分類體系方法,結合張掖市的景觀特點,按照區分差異性、歸納共同性方法,將研究區景觀劃分為林地、草地、水域、耕地、建設用地及未利用地6種類型(圖2)。此外還參考了張掖市各區、縣統計年鑒、《中國縣域統計年鑒.2018(鄉鎮卷)》以及張掖市行政區劃、高程等相關輔助數據。

圖2 1987—2018張掖綠洲土地利用分類

1.3 研究方法

1.3.1景觀生態風險模型構建

文章采用常見的“損失與概率累乘”范式[26]構建綜合景觀生態風險指數(ERI)來表征生態風險時、空間特征。具體指數及含義如表1。

表1 景觀生態風險指數計算方法

1.3.2景觀生態風險空間格局測度

基于探索性空間數據分析方法揭示張掖綠洲鄉鎮景觀生態風險分布格局。其中,利用全局空間Moran′sI判斷景觀生態風險是否存在統計上的集聚或分散現象,局部空間Moran′sI判斷是否存在空間上的集聚或分散現象,以此來揭示研究對象之間的空間相互作用機制[30]。其具體公式如下：

式中,Xi和Xj為空間單元i和j的屬性值,Wij是空間權重矩陣元素,表示各空間單元臨近關系,n為風險單元數量。Moran′sI范圍為[-1,1],當I=0,呈隨機性,全局空間顯著無關；I>0,正相關,空間要素在整體區域聚合；I<0,負相關,空間要素離散。

當I為正,表明景觀生態風險高、低單元在空間上呈顯著集聚,I為負,則在空間上呈顯著分散。通常用Z值來檢驗Moran′sI值的顯著水平,計算公式為：

式中,E(I)代表Moran′sI的期望值,VAR表示方差,當Z大于1.96或者小于-1.96時,表明景觀生態風險存在顯著空間自相關。

1.3.3景觀生態風險影響因素分析

地理探測器是探測空間分異和揭示其驅動力的統計學方法[31]。參考相關成果[32—33],結合張掖綠洲平原地形、荒漠氣候以及區域社會經濟發展等實際情況,從自然因素、社會經濟因素和人為干擾度3方面選取坡度、高程、降雨量、年平均氣溫、人口、各鄉鎮GDP(萬元)、農民可支配收入(元)、人為干擾度8個影響因子,分析綠洲城鎮景觀生態風險與地理環境因子的內在聯系。其計算模型如下：

式中,q∈[0,1],值越大,表明對Y值的影響越強。σh2表示Y的離散方差；h為變量X的數量；Nh表示鄉鎮單元；N為張掖綠洲鄉鎮單元總數；σ2是區域總方差。其中,人為干擾度參照陳愛蓮等[34]和莊大方等[35]的相關研究計算得到。

2 結果與分析

2.1 景觀格局特征

1987—2018年張掖綠洲土地利用景觀格局發生了較大變化(表2)：耕地、建設用地明顯增加而未利用地減少是主要特征,具體面積變化為林地、草地、水域、耕地和建設用地分別增長65.95、11.89、14.75、429.03 km2和236.26 km2,未利用地減少757.89 km2。各景觀面積和斑塊數量的變化,使得相應景觀格局指數也發生變化。受人類活動干擾,未利用地雖為區域絕對優勢景觀但斑塊破碎度和分離度持續增長,導致其優勢度指數下降；隨著建設用地斑塊數激增,優勢度增長較大；耕地斑塊數量增加,破碎度增長明顯,分離度先增后降;余下地類景觀中林地的破碎度、分離度和干擾度指數下降明顯,表明其用地斑塊的聚集程度有所提升。各地類景觀的脆弱度排序依次為未利用地>水域>耕地>草地>林地>建設用地,其用地脆弱度數分別為0.2858、0.2381、0.1905、0.1429、0.0952和0.0476。反映出在張掖綠洲獨特的地理環境影響下,水域和耕地對外界干擾反映更為敏感,對區域水土資源的保護應更加重視。

表2還反映出張掖綠洲景觀格局在2005—2018年時段內變化劇烈,尤其是林地和建設用地,其破碎度、分離度、干擾度和損失度下降明顯。結合圖2和圖3進一步分析其用地變化在空上的表征：2005—2018年時段內變化明顯區域集中在甘州主城區周圍以及綠洲邊緣地區,反映在用地類型上則主要是耕地、建設用地和未利用地之間的變化；1987—2018年用地變化除了在各主要城區外,綠洲與戈壁灘、荒漠過度邊緣地區更加明顯。整體上,張掖綠洲用地在研究時段內歷經較大規模的變化,且在綠洲邊緣區域尤為突出。究其原因除城鎮化擴張外,隨著科學技術的提升,對戈壁灘的開發與利用力度加大,尤其是在綠洲邊緣過度區域,隨著時間推移,景觀斑塊歷經擴張→破碎→融合的演變過程,導致景觀結構趨于復雜,區域空間上的景觀豐度在逐步提升。

表2 1987—2018年張掖綠洲景觀格局指數

圖3 張掖綠洲不同時段景觀變化區域

2.2 景觀生態風險時空分異特征

利用自然斷點法將張掖綠洲鄉鎮景觀生態風險劃分為低生態風險(0.021≤ERI<0.035)、較低生態風險(0.035≤ERI<0.051)、中等生態風險(0.051≤ERI<0.069)、較高生態風險(0.069≤ERI<0.085)和高生態風險(≥0.085)5級,以便進行時空特征分析。

2.2.1景觀生態風險時序變化

研究時段內張掖綠洲景觀生態風險呈下降趨勢。1987年、1995年、2005年和2018年ERI值分別為0.0901、0.0885、0.0853和0.0759下,下降了15.74%,且最大值和平均值逐漸變小。低、較低、中等、較高和高風險等級面積約占總面積的4%、6%、15%、23%和52%,且低、較低、高風險區面積分別增長190.66、547.07 km2和757.71 km2,中等和較高風險區分別減少737.72 km2和757.71 km2,對應的鄉鎮數量分別增加1個、3個、2個,減少4個和2個。各風險區在2005—2018年動態度變化較大,這與區域景觀格局變化明顯時段一致。在這一時段內較低和高風險區面積增長明顯分別為536.2 km2和560.19 km2,因面積占比差異,它們的動態度為6.2%和0.74%。反映出隨著景觀類型改變,張掖綠洲整體生態安全逐步改善,且中等和較高風險區是區域景觀生態風險水平變化的關鍵。

表3 1987—2018年張掖綠洲景觀生態風險面積變化

2.2.2景觀生態風險空間差異

張掖綠洲景觀生態風險表現出南北高中間低的空間格局(圖4)。高風險鄉鎮主要分布在走廊北山,以荒漠和戈壁灘等未利用地景觀為主；較高風險鄉鎮集中在南部地區,多為荒草地；低、較低風險鄉鎮分布在中部綠洲平原核心區,以耕地和建設用景觀為主；中等風險鄉鎮則散布在綠洲平原邊緣地帶。各鄉鎮中黑泉鄉和新壩鄉在1987—1995年和2005—2018年時段內由較高轉為高風險；鴨暖鄉和沙河鎮、三閘鎮、大滿鎮在1995—2005年和2005—2018年由中等轉為較低風險；沙井鎮在1995—2005年從較低轉為低風險,其余鄉鎮風險水平等級無變化。總體來看,張掖綠洲鄉鎮風險等級變化主要在1995—2018年,變化鄉鎮由中等轉為較低風險較多,且多在綠洲邊緣,進一步反映出位于“綠洲-沙漠”過渡帶的鄉鎮對外界干擾反應更為敏感,風險易變性較大。

圖4 1987—2018年張掖綠洲景觀生態風險等級

2.3 景觀生態風險相關性分析

基于各鄉鎮ERI值,利用ESDA得到張掖綠洲景觀生態風險的全局Moran′sI值分別為0.4901、0.4941、0.4816和0.5231,呈波動上升趨勢,且正太統計量Z 值均大于1.96。表明1987—2018年張掖綠洲景觀生態風險呈正的空間自相關,即風險水平較高或較低的鄉鎮呈集聚狀態。

全局Moran′sI值雖能表征整體的聚集態勢,但無法反映出集聚的空間特征,因此利用局部Moran′sI對研究區景觀生態風險特征進一步分析(圖5)。在95%的置信區間下,各鄉鎮的空間集聚特征變化較顯著,熱點鄉鎮略有收縮,冷點鄉鎮略有擴張。其中熱點鄉鎮數量占比由8.82%下降為5.88%,冷點鄉鎮由17.65%增加至20.59%,次熱鄉鎮僅占2.94%且在1987—2005年出現,次冷點鄉鎮在研究時段內無。期間,不顯著鄉鎮由70.59%上升至73.53%。整體上,張掖綠洲區景觀生態風險空間集聚格局呈“北熱南冷”特征,熱點鄉鎮主要為羅城鄉、平川鎮,集聚在走廊北山,冷點為上秦鎮、梁家墩鎮、小滿鎮和黨寨鎮等,集聚在綠洲平原地區,這與風險水平空間格局存在一致性。

圖5 1987—2018年張掖綠洲鄉鎮景觀生態風險空間集聚特征

2.4 景觀生態風險影響因素分析

2.4.1因子探測貢獻量

以2018年為例綜合探測近年張掖綠洲鄉鎮景觀生態風險的主要影響因素,得到對應的貢獻量(q值),由表4可知：所選因子中人為干擾度>GDP>人口>坡度>海拔>年均氣溫>年均降雨量>農民可支配收入,整體上顯著性較高。其中人為干擾度q值接近1,即它是影響2018年張掖綠洲景觀生態風險的直接主導因素。其次GDP、人口和坡度q值在0.7以上,表明他們同樣具有重要影響。整體看來,社會經濟影響因素貢獻值高于自然影響因素。

表4 2018年景觀生態風險驅動因子貢獻量(q)

2.4.2驅動因素分析

景觀生態風險的時空演變特征是復雜、動態的過程,受到多種不確定因素的影響,總體上是自然和人為活動直接或間接的綜合結果。

自然因素方面：作為自然地理環境核心要素的海拔、坡度、降雨和氣溫等是決定區域景觀生態風險分布的直接因素。其中坡度和海拔的解釋力分別為0.72和0.57,通過自然斷點法可知(表5)：在坡度0°—4°和高程1550—1829 m之間鄉鎮分布較多,景觀面積占比分別為22.62%和20.16%,風險水平以低、較低和中等為主。受地表景觀覆被影響,在7°—12°和2391—3000 m地區也存在少數風險水平較高鄉鎮,主要集中在北部合黎、龍首山地區,以荒漠和戈壁灘為主,景觀類型單一,結構脆弱,故風險水平較高。整體上隨著坡度和高程的增加景觀生態風險水平等級逐漸升高。而年均降雨量和氣溫是衡量區域氣候的重要指標之一,從圖6中可以看出,二者與景觀生態風險值之間呈兩級波動特征。因地處河西走廊“蜂腰”處和“山地夾平原”地形地貌特征,使得綠洲區域常年干旱少雨且蒸發量大,基本無法產生地表徑流,農業發展主要依賴灌溉水渠。因此,雖北部靠近祁連山鄉鎮降水較多,但中部平原和北部山地鄉鎮降水稀少且多發干旱、揚沙、風暴、干熱風、霜凍和病蟲害等自然災害,對草地與農作物等損害極大,加劇了綠洲沙化、地表植被破壞以及景觀斑塊的破碎化程度。這也是造成北部地區部分鄉鎮景觀生態風險常年居高不下的主要自然原因。

表5 張掖綠洲鄉鎮景觀生態風險水平坡度、海拔統計

社會經濟因素方面：人口是社會生產行為的基礎和主體,人為干擾是人類活動對區域環境影響因素及強度的直接表征,而GDP是衡量地區經濟狀況的最佳指標,它們與景觀生態風險水平密切相關。圖6中人為干擾度與張掖綠洲景觀生態風險值之間表現出顯著負相關性,解釋力高達0.99,隨著生態風險值升高,人為干擾強度減弱；鄉鎮人口整體上隨著景觀生態風險值升高,數量減少；而各鄉鎮GDP與景觀生態風險值關系波動較大,整體上隨著風險值升高GDP下降。其中沙井鎮GDP最高,在2005年風險等級由較低轉為低,其后生態風險狀況一直較為穩定。農村居民的社會經濟活動對鄉鎮景觀變化過程具有直接作用,雖然農民人均可支配收入因子的解釋力只有0.27,但其與生態風險值關系較穩定。張掖市作為河西地區農業生產大市,2018年農民人均可支配收入為13710元,低于全國907元,但高于全省4906元。其中上秦鎮農民人均可支配收入遠高于各鄉鎮,低生態風險和鎮內諸多工業企業是其主要原因。整體來看,近年人類活動對鄉鎮景觀斑塊的改造對生態環境具有明顯改善作用,高風險鄉鎮惡劣的生態環境對當地居民物質生活發展具有顯著制約性,而低景觀生態風險對鄉鎮社會經濟發展具有良好促進作用。

圖6 2018年各影響因子與景觀生態風險值之間的關系

此外,社會經濟政策同樣對鄉鎮生態風險影響重大。張掖市社會經濟歷經了由慢到快發展過程,這與多數城市發展的一般規律相符。研究時段內主要有三次大規模經濟開發建設活動(表6)。分別是：20世紀80年代 “三西”建設、“再造河西”戰略,將張掖市建設成了全國商品糧基地,鞏固了農業基礎地位,促進了城市化進程,但開發力度有限,對區域整體而言,造成的風險脅迫較小；20世紀初 “西部大開發”,提出“工業強市、產業富民、加快城鎮化發展”規劃構想。在政策導向下,綠洲邊界不斷擴展,地表景觀多元化,抵御外界脅迫能力顯著提升；“十二五”以來在“絲綢之路經濟帶”及“鄉村振興”等重大戰略導向下,一方面緊圍黑河流域治理契機,將生態保護放在首位,另一方面轉變經濟發展方式,培育生態產業體系。使得地表景觀發生明顯變化,在此過程中內部結構的改變增強了斑塊抗脅迫能力,進而使得區域整體風險逐步改善。

表6 1987—2018年張掖綠洲景觀生態風險變化主要驅動政策

3 討論與結論

3.1 問題討論

綠洲作為干旱區景觀結構和功能的關鍵組分,支撐著地區社會經濟發展和生態安全。一旦綠洲生態系統結構趨于瓦解、生態功能趨于惡化,那么支持干旱區人類生存的各種生態服務功能將逐日崩潰,區域社會經濟也將趨于消亡[36],如何充分合理利用綠洲資源、科學管理和改造綠洲,以維系綠洲生態系統的穩定性,一直是干旱區生態風險評價與管理者共同努力的目標。通過對張掖綠洲景觀生態風險的案列研究,從結果分析來看,以鄉鎮為評價單元,其時空間變化特征刻畫更加明晰,提升了風險制圖和結果的可信度,利于決策管理者整體把控綠洲鄉鎮風險狀況。在后續研究中,以下兩點值得進一步深入探索：(1)綠洲邊緣區的景觀易變性較大,對綠洲外圍生態安全和整體風險水平影響重大,如何在干旱區這一獨特的氣候背景下科學利用此區域內的土地資源,增強景觀豐度,以提升抵御外界脅迫能力。(2)生態系統服務是區域生態資源價值的直接體現,對人類福祉可持續發展至關重要,如何量化綠洲獨特的生態系統價值以及如何將量化結果納入風險評價體系,建立基于景觀“結構+格局+功能”的綜合評價體系,使生態風險評價結果指向性更加明確。

文章從鄉鎮尺度分析綠洲城鎮景觀生態風險,僅作為一種表征小尺度區域生態環境狀況的評估方法。旨在探索一種途徑,通過景觀生態風險的定量測算結果,為干旱區綠洲城市地方國土資源管理者提供決策支撐。由于早期數據缺失,收集困難,本文對景觀生態風影響因素的定量分析還有待完善。此外,以鄉鎮作為生態風險單元雖能客觀反映地方小尺度上的景觀生態風險格局,但未充分考慮空間異質性,一定程度上割裂了原有的地表自然地理聯系,對于景觀格局的整體把握和綜合分析有待進一步研究。

3.2 結論

本文以張掖綠洲鄉鎮為例,通過景觀格局指數法、相關性分析等,研究了干旱區綠洲鄉鎮景觀生態風險時空演化規律及影響因素,結論如下：

(1)1987—2018年,耕地和建設用地分別增長429.03 km2和236.26 km2,未利用地減少757.89 km2。未利用地是張掖綠洲絕對優勢景觀但景觀脆弱度高；2005—2018年各景觀類型景觀格局指數變化明顯,在甘州主城區附近和綠洲邊緣地區景觀斑塊變化較大。

(2)近30年間,張掖綠洲景觀生態風險水平整體呈下降趨勢,下降了15.74%。低生態風險鄉鎮面積雖有增長,但高風險鄉鎮面積占比高達52%,部分鄉鎮風險等級常年居高不下。在空間上表現出“南北高,中間低”格局特征,各鄉鎮風險水平在空間上呈正向聚集。位于“綠洲-沙漠”和“綠洲-戈壁灘”過渡地帶的鄉鎮風險易變性大,對外界脅迫反映相較其他鄉鎮更為敏感。

(3)通過因子探測,人類活動干擾是近年張掖綠洲景觀生態風險變化的直接影響因素,其次是坡度和海拔等,整體上社會經濟因素影響大于自然因素。隨著社會經濟發展,人類活動因素對各鄉鎮生態環境干擾增強,通過各種經濟開發和生態保護措施實踐,單位面積上的景觀豐度增加,提升了景觀斑塊抵御風險脅迫的能力。