2000-2020年漓江流域景觀生態(tài)脆弱性時(shí)空分異

張軍民, 榮 城, 董國(guó)松

(廣西師范大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院, 廣西 桂林541000)

土地利用/覆被變化(Land Use and Land Cover Change, LUCC)是誘發(fā)全球變化主要原因之一，其過程和格局變化維系著全球和區(qū)域生態(tài)安全結(jié)構(gòu)，成為可持續(xù)發(fā)展研究的主要內(nèi)容[1-2]。景觀生態(tài)脆弱性屬于生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的研究?jī)?nèi)容，主要關(guān)注人類活動(dòng)或環(huán)境變化對(duì)景觀生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能及服務(wù)價(jià)值的穩(wěn)定性、持續(xù)性產(chǎn)生的潛在不利影響，常用景觀生態(tài)系統(tǒng)受損或脅迫程度來表征脆弱性狀態(tài)[3]，服務(wù)于生態(tài)管理、風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別及景觀調(diào)控、政策響應(yīng)等實(shí)踐過程，是景觀資源合理開發(fā)、有效配置及空間治理的重要科學(xué)依據(jù)[4-5]。

景觀生態(tài)脆弱性研究多以區(qū)域景觀及其動(dòng)態(tài)變化為對(duì)象，依據(jù)景觀格局與生態(tài)過程交互作用理論，以景觀生態(tài)價(jià)值損失與概率的綜合表征為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，通過分析景觀類型及結(jié)構(gòu)的空間格局，開展景觀變化的環(huán)境效應(yīng)和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。分析單元主要根據(jù)研究目的需要采用格網(wǎng)分析法或基于流域、行政區(qū)或干擾源來劃分風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)單元。遙感信息提取及景觀類型劃分是分析的基礎(chǔ)，景觀指數(shù)選配及其生態(tài)功能識(shí)別是研究的關(guān)鍵，脆弱性時(shí)空格局及驅(qū)動(dòng)脅迫機(jī)制的探究是研究的目標(biāo)[6-7]。如用景觀生態(tài)學(xué)理論和景觀指數(shù)方法城市擴(kuò)張的資源環(huán)境效應(yīng)、構(gòu)建景觀健康評(píng)價(jià)體系并以此診斷山地景觀健康分異格局；基于壓力—狀態(tài)—響應(yīng)原理，設(shè)計(jì)敏感性、脆弱性、穩(wěn)定性等生態(tài)功能評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究礦區(qū)、巖溶區(qū)生態(tài)脆弱性分異格局規(guī)律[8-11]，探究城市群典型源地和廊道的生態(tài)空間的時(shí)空分異結(jié)構(gòu)[12]；用景觀格局分析方法及景觀脆弱性評(píng)價(jià)體系，研究山地景觀生態(tài)服務(wù)價(jià)值及其驅(qū)動(dòng)響應(yīng)機(jī)制[13]、評(píng)估岷江上游土地利用變化時(shí)空變化特征及其生態(tài)環(huán)境效益[14]；評(píng)價(jià)干旱區(qū)生態(tài)脆弱性時(shí)空分異特征及驅(qū)動(dòng)脅迫機(jī)制等[15]。

當(dāng)前，針對(duì)漓江流域尺度的景觀生態(tài)脆弱性的集成研究成果相對(duì)較少，對(duì)流域生態(tài)脆弱性時(shí)空分異特征及規(guī)律的系統(tǒng)把握極為薄弱，無法有效支撐巖溶區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別及土地利用調(diào)控等應(yīng)用研究。現(xiàn)有成果集中在有限領(lǐng)域：如用遙感分類和景觀指數(shù)評(píng)價(jià)方法研究漓江上游LUCC變化特征及演變趨勢(shì)[16]，分析漓江流域土地利用及景觀格局變化特征[17]，評(píng)估漓江流域生態(tài)服務(wù)價(jià)值并研究旅游活動(dòng)對(duì)景觀格局的擾動(dòng)規(guī)律[18]，模擬流域土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化模式[19]；用GIS和遙感生態(tài)指數(shù)方法，研究漓江流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀態(tài)及變化特征[20]，少數(shù)學(xué)者用地理探測(cè)器方法分析漓江流域中下游城鎮(zhèn)化及旅游活動(dòng)對(duì)景觀生態(tài)服務(wù)的影響規(guī)律及作用機(jī)制等[21]。

綜上所述，景觀生態(tài)學(xué)主要圍繞景觀空間格局與生態(tài)過程關(guān)系、人類活動(dòng)對(duì)格局過程及其變化的影響、景觀變化的生態(tài)環(huán)境效益等主題展開，基于景觀格局分析和遙感識(shí)別及地理信息系統(tǒng)平臺(tái)，對(duì)流域、行政區(qū)、城鄉(xiāng)開展多尺度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)多源風(fēng)險(xiǎn)的綜合診斷和時(shí)空計(jì)量。關(guān)注景觀時(shí)空異質(zhì)性與生態(tài)過程間的關(guān)系，解析景觀分異對(duì)生態(tài)質(zhì)量的驅(qū)動(dòng)因子及脅迫機(jī)制。但在尺度依賴性和適用性方面存在不足，景觀指數(shù)及脆弱性計(jì)算的數(shù)理統(tǒng)計(jì)和幾何表達(dá)缺少生態(tài)學(xué)解釋，大多屬于單一景觀指數(shù)的靜態(tài)分析和景觀生態(tài)線性關(guān)系的定量計(jì)算，對(duì)生態(tài)過程及其動(dòng)態(tài)變化的景觀內(nèi)涵的綜合解釋不夠，限制了景觀格局與生態(tài)過程交互作用的科學(xué)解釋，降低了景觀生態(tài)脆弱性研究的精準(zhǔn)性和適用性，需要厘清景觀格局變化與生態(tài)過程、服務(wù)價(jià)值、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)間的邏輯關(guān)系及區(qū)域表征。漓江流域?qū)儆诘湫偷膸r溶生態(tài)脆弱區(qū)，自然基礎(chǔ)、生態(tài)環(huán)境及城鎮(zhèn)化、產(chǎn)業(yè)化獨(dú)具地域特色，優(yōu)質(zhì)景觀資源是建成國(guó)際旅游的珍貴生態(tài)資本，迫切需要在保持流域景觀結(jié)構(gòu)原生態(tài)特質(zhì)基礎(chǔ)上，不斷豐富和完善景觀格局的生態(tài)功能和服務(wù)價(jià)值。本項(xiàng)目從關(guān)系、結(jié)構(gòu)、形態(tài)、基質(zhì)等維度構(gòu)建景觀生態(tài)脆弱性綜合評(píng)價(jià)體系，利用遙感信息識(shí)別和GIS空間分析平臺(tái)，多時(shí)空分析漓江流域景觀生態(tài)脆弱性及分異格局，用空間插值、空間自組織分析等方法，用標(biāo)準(zhǔn)格網(wǎng)、地形分異、行政區(qū)劃3個(gè)分析單元，探索其空間依賴性和異質(zhì)性，用地理探測(cè)器模型研究景觀生態(tài)脆弱性空間分異的主導(dǎo)因子、驅(qū)動(dòng)機(jī)制，揭示近20 a漓江流域景觀生態(tài)系統(tǒng)時(shí)空動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，為客觀評(píng)價(jià)漓江流域景觀生態(tài)價(jià)值，優(yōu)化調(diào)控流域土地利用結(jié)構(gòu)提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)處理與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

漓江流域位于廣西壯族自治區(qū)(廣西)東北部的桂林市境內(nèi)(地理坐標(biāo)： 110°07′39″—110°42′57″E， 24°38′10″—25°53′59″N)，屬珠江流域西江水系桂江上游主要支流，發(fā)源于南嶺西北部越城嶺主峰貓兒山濕地，從北往南流經(jīng)桂林市的興安縣、靈川縣、桂林市區(qū)、陽(yáng)朔縣，全長(zhǎng)約295.27 km，多年平均徑流量408.9 m3/s，流域面積約6 353.62 km2。漓江流域?qū)儆诘湫偷膸r溶區(qū)和亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，終年高溫多雨，年均溫19℃，年降水量1 838～1 941 mm；流域峰叢林立、山峰陡峭，山高谷深、溝谷狹長(zhǎng)、地形破碎。山地主要分布在北部及東西兩側(cè)，其中北部上游山勢(shì)較高、中部山地低緩；中間為狹窄的巖溶侵蝕谷地，山地丘陵面積占50%以上。中心城市桂林位于流域中游的河谷平原上，旅游中心陽(yáng)朔位于流域中下游的低山丘陵上(圖1)。

注：根據(jù)審圖號(hào)：GS(2019)4345號(hào)，自然資源部監(jiān)制，底圖未做修改，全文同。

1.2 數(shù)據(jù)處理

1.2.1 數(shù)據(jù)來源與處理 本研究使用的2000年、2010年、2020年三期土地利用/覆被(LUCC)數(shù)據(jù)來源于國(guó)家自然資源部提供的30 m全球地表覆蓋數(shù)據(jù)Globeland30數(shù)據(jù)源(www.globallandcover.com)，數(shù)據(jù)合成經(jīng)過了輻射定標(biāo)、大氣校正、幾何校正等處理，數(shù)據(jù)的總體精度為85.72%，Kappa系數(shù)0.82。研究區(qū)空間失量數(shù)據(jù)來源于中國(guó)國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心(http:∥ngcc.sbsm.gov.cn)和地理空間數(shù)據(jù)云(www.gscloud.cn)，部分?jǐn)?shù)據(jù)來自桂林市經(jīng)濟(jì)社會(huì)統(tǒng)計(jì)年鑒，從中提取研究區(qū)流域界限、高程坡度、行政界限及人口經(jīng)濟(jì)等數(shù)據(jù)。

根據(jù)中國(guó)土地利用/覆被遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分類系統(tǒng)和《土地利用現(xiàn)狀分類(GB/T21010_2007)》，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際，將土地利用/景觀類型分為農(nóng)田、林地、草地、沼澤、水體、城鎮(zhèn)、裸地等7類，編碼分別設(shè)置為1～7(圖1)，并以此建立LUCC變化景觀類型數(shù)據(jù)庫(kù)，開展景觀生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)及時(shí)空變化分析。

1.2.2 確定分析單元 根據(jù)研究區(qū)景觀結(jié)構(gòu)特征、遙感分類精度，經(jīng)多次試驗(yàn)用ArcGIS創(chuàng)建3 km×3 km的規(guī)則格網(wǎng)失量數(shù)據(jù)，作為分析景觀生態(tài)脆弱性 (Landscape ecological vulnerability, LEV)的空間單元；再?gòu)脑挤诸悥鸥裰刑崛〗ㄔO(shè)用地、耕地占比，作為城鎮(zhèn)化強(qiáng)度、土地利用強(qiáng)度要素添加到分析單元，從流域矢量中提取縣域界限作為行政單元，用以測(cè)度影響LEV時(shí)空分異的主導(dǎo)因子及驅(qū)動(dòng)機(jī)制。時(shí)間節(jié)點(diǎn)選擇2000年、2010年、2020年3個(gè)年份，動(dòng)態(tài)變化選擇2020—2000年，將各類景觀要素賦值到矢量屬性表中，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)格網(wǎng)、城鎮(zhèn)化、行政區(qū)三級(jí)時(shí)空分析單元數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.3 研究方法

1.3.1 景觀生態(tài)脆弱性指數(shù)計(jì)算 基于景觀生態(tài)學(xué)理論，結(jié)合漓江流域景觀類型和結(jié)構(gòu)特征，根據(jù)關(guān)系、結(jié)構(gòu)、形態(tài)及基質(zhì)等生態(tài)含義，選擇連通性指數(shù)(CONTAG)、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(LPI)表征景觀空間關(guān)聯(lián)性，香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)、香農(nóng)濃均勻度指數(shù)(SHEI)表征景觀結(jié)構(gòu)，分維數(shù)(FRACT)表征景觀形態(tài)[8]，高程和坡度代表生態(tài)本底，共同構(gòu)成多元LEV要素。其中CONTAG，LPI越小，表明各類景觀的關(guān)聯(lián)性、連通性及主體性越差，景觀生態(tài)系統(tǒng)越脆弱；SHDI，SHEI指數(shù)越小，景觀類型簡(jiǎn)單、分布不均衡，景觀結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性和抗干擾能力越弱，景觀生態(tài)系統(tǒng)越脆弱；而FRACT值越小，反映了人類活動(dòng)對(duì)景觀形態(tài)的干擾越弱，景觀生態(tài)系統(tǒng)越穩(wěn)定。高程和坡度是景觀生態(tài)系統(tǒng)演變的自然基礎(chǔ)，其值越大表明景觀變化的自然基礎(chǔ)越脆弱[12,14]。用綜合指數(shù)法計(jì)算分析單元的生態(tài)脆弱性指數(shù)，用自然斷點(diǎn)法將LEV由低到高分為5級(jí)，等級(jí)越高景觀生態(tài)系統(tǒng)越脆弱；漓江流域景觀破碎而易損，景觀結(jié)構(gòu)及功能敏感而擅變，故將各類指數(shù)對(duì)脆弱性的影響賦予同等權(quán)重(表1)。

表1 各類景觀要素生態(tài)脆弱性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.3.2 結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化 用ArcGIS計(jì)算各類景觀近20 a變化的轉(zhuǎn)移矩陣，用轉(zhuǎn)移率計(jì)算各類景觀變化的數(shù)量、方向及趨勢(shì)特征。

(1)

式中:Cij為景觀類型轉(zhuǎn)移率；Tij為初期第i種景觀類型轉(zhuǎn)移到末期第j種類型的面積；n為景觀類型。

用變化強(qiáng)度模型計(jì)算景觀數(shù)量、類型及面積變化速度，以表征各類景觀轉(zhuǎn)移或變化的活躍程度：

(2)

式中:V為某類景觀變化的擴(kuò)張度；Pb，Pa分析表示該地類末期、初期的面積；T為研究時(shí)段，以表示某地類年變化率，反映各地類的變化強(qiáng)度及方向差異。

1.3.3 時(shí)空分異格局 用ArcGIS將景觀指數(shù)、動(dòng)態(tài)變化等數(shù)據(jù)添加到空間單元中并經(jīng)融合、疊加、統(tǒng)計(jì)計(jì)算后，用GeoDa空間自組織分析、IDW反距離權(quán)重插值方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)景觀結(jié)構(gòu)時(shí)空分異格局的特征分析和分異探測(cè)。

(1) 空間自相關(guān)分析。空間自相關(guān)性是由地理區(qū)位或鄰接關(guān)系產(chǎn)生的空間依賴性和空間異質(zhì)性表達(dá)，是對(duì)地域體系內(nèi)各要素空間分布結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)學(xué)測(cè)度[22]。

全局莫蘭指數(shù)(GISA)：

(3)

式中:Wij為i要素相當(dāng)于j的權(quán)重；S2為所有要素權(quán)重的集合；xi，xj是要素i，j的屬性值；I即是全局莫蘭指數(shù),是具有空間依賴的一組地理要素在研究區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)出的整體空間集聚、分散模式。I取值為0表示空間結(jié)構(gòu)呈隨機(jī)分布形態(tài),各單元不存在空間相互作用;I取值為1則表示空間結(jié)構(gòu)完全依賴距離變化,具有顯著的地域分異性。

(2) 反距離權(quán)重插值分析。反距離權(quán)重插值是根據(jù)空間單元的距離來估算空間點(diǎn)群平滑值的一種方法，待插值點(diǎn)的取值可用周圍若干距離內(nèi)樣點(diǎn)值的加權(quán)和來估算，其權(quán)重與兩點(diǎn)間距離成反比。空間任一點(diǎn)P的插值的計(jì)算公式定義為[23]：

(4)

式中:P為待插值點(diǎn)P的取值；Zi為P點(diǎn)周圍點(diǎn)的屬性值；Wi為周圍點(diǎn)對(duì)P點(diǎn)的權(quán)重值；i=1,2,3,…,n為點(diǎn)群樣本數(shù)。

用ArcGIS空間分析中的反距離權(quán)重分析方法(IDW),分別選擇感興趣屬性為計(jì)算字段求得權(quán)重,輸出柵格大小為3 km,將IDW的冪值設(shè)定為缺省值2,選擇搜索半徑類型選擇點(diǎn)數(shù)15。

1.3.4 地理探測(cè)器 Geodetector主要用于探測(cè)地理事物的空間分層(分類)變化特征及規(guī)律，以解決傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)無法完成的隨尺度變化而產(chǎn)生的空間依賴性、異質(zhì)性問題。它即可以度量空間結(jié)構(gòu)的分層異質(zhì)性，也可以探測(cè)空間分異格局，估計(jì)非線性空間因果關(guān)系[22]。一般用q值來度量分異因子X在多大程度上解釋了變量Y的空間分異。

(5)

2 結(jié)果及分析

2.1 景觀類型及結(jié)構(gòu)特征

用ArcGIS 10.6對(duì)2000年、2010年、2020年三期土地利用分類數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到漓江流域景觀結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀及變化數(shù)據(jù)。

2.1.1 景觀結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀特征 用ENVI從原始分類影像提取三期景觀分類數(shù)據(jù)，用ArcGIS進(jìn)行制圖綜合和專題地圖制作以形成景觀類型(表2)。分析得出：漓江流域土地總面積6 353.62 km2，土地利用/覆被類型包括耕地、林地、草地、濕地、水域、建設(shè)用地、裸地等7個(gè)一級(jí)類型，其中林地面積最大，占流域總面積超過65%，其次是耕地，占25%以上，二者合計(jì)占流域總面積的90%以上，是景觀結(jié)構(gòu)的主體和景觀生態(tài)的核心；其他類型面積都較小，建設(shè)用地僅占4.39%，草地僅占2.16%，濕地、裸地占比小于0.05%。

表2 2000-2020年景觀類型面積及變化

2.1.2 景觀結(jié)構(gòu)變化趨勢(shì) 分析LUCC類型面積及其變化強(qiáng)度，可掌握各類景觀的變化方向、強(qiáng)度及趨勢(shì)。分析近20 a各類景觀面積變化可以看出：林地、耕地變率小于0.37%，主體地位十分穩(wěn)定外，其他景觀類型變化較大，景觀結(jié)構(gòu)變化不顯著；其中建設(shè)用地、水域分別增長(zhǎng)了163.41%，39.13%，而裸地、濕地分別減少了98.71%，59.46%；反映了漓江流域以林地、耕地為主體，景觀結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，景觀生態(tài)質(zhì)量較好。分析面積擴(kuò)張強(qiáng)度可以看出：建設(shè)用地?cái)U(kuò)張最劇烈，且呈持續(xù)快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，2010—2000年和2020—2010年分別年均擴(kuò)張1.22%，13.48%，裸地面積減少最明顯，但減勢(shì)減弱；表明建設(shè)用地快速增長(zhǎng)是景觀結(jié)構(gòu)變化的主要方向，城鎮(zhèn)化是其變化的主要脅迫。

分析土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(表3)可以得出：2020—2000年漓江流域耕地、林地轉(zhuǎn)出總量較大。耕地共轉(zhuǎn)出200.97 km2，其中61.67%轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，23.18%轉(zhuǎn)為林地、12.33%轉(zhuǎn)為水域；林地轉(zhuǎn)出192.88 km2，分別轉(zhuǎn)為耕地、建設(shè)用地、草地的比例為52.26%，22.33%，17.80%。轉(zhuǎn)入數(shù)量最大的是林地，共轉(zhuǎn)入207.52 km2，其中分別由裸地、耕地、草地轉(zhuǎn)入的比例為59.87%，22.44%，13.97%；其次是耕地共轉(zhuǎn)入194.99 km2，主要由林地(占51.69%)、裸地(占29.89%)轉(zhuǎn)入；建設(shè)用地共轉(zhuǎn)入182.11 km2，主要由耕地(占68.06%)、林地轉(zhuǎn)入(23.65%)轉(zhuǎn)入。從轉(zhuǎn)移強(qiáng)度分析，林地、耕地和建設(shè)用地轉(zhuǎn)換強(qiáng)度最大，景觀類型變化面積大、頻次高，而水域、濕地變化最不活躍，流域水系生態(tài)系統(tǒng)保持較好；從轉(zhuǎn)移方向看，建設(shè)用地的轉(zhuǎn)入遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)出，裸地轉(zhuǎn)出遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)入，其他景觀變化基本平穩(wěn)，表明城鎮(zhèn)化建設(shè)活躍，但對(duì)景觀結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化影響并不大。

2.1.3 景觀結(jié)構(gòu)時(shí)空分異 由表2—3可以看出：漓江流域各市縣均以林地、耕地為主，其中位于流域上游的興安縣、靈川縣林地占比分別為79.33%，73.68%，旅游中心陽(yáng)朔縣也高達(dá)68.05%；城鎮(zhèn)化中心桂林市及臨桂區(qū)林地僅占42.92%，35.34%，但桂林市區(qū)、臨桂區(qū)、陽(yáng)朔縣耕地占比卻分別高達(dá)36.32%，46.31%，29.92%。建設(shè)用地變化總強(qiáng)度(正負(fù)變化總和)最大，達(dá)到年均72.98%，其中臨桂新區(qū)年均增長(zhǎng)達(dá)37.79%；其次是水體、草地分別為45.44%，42.75%，其中興安縣的水體年均增長(zhǎng)31.81%，陽(yáng)朔的草地年均增長(zhǎng)30.45%；而主體景觀耕地、林地變化總強(qiáng)度僅為年均3.59%，1.36%，變化穩(wěn)定。表明流域上游森林覆蓋明顯高于城區(qū)，但城區(qū)耕地后備充足；旅游中心陽(yáng)朔縣林地、耕地占比均較高，城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張明顯，流域發(fā)展較適合集中城鎮(zhèn)化與分散旅游業(yè)模式。

表3 2020-2000年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 km2

2.2 景觀生態(tài)脆弱性指數(shù)時(shí)空變化分析

在Fragstate 4.2上用滑動(dòng)窗口法對(duì)關(guān)系、形態(tài)、結(jié)構(gòu)等景觀要素進(jìn)行空間分析，經(jīng)反復(fù)測(cè)試后取3 km×3 km格網(wǎng)計(jì)算均值，再將景觀指數(shù)空間數(shù)據(jù)添加到Fishnet格網(wǎng)中，用ArcGIS的反距離權(quán)重法(IDW)對(duì)其進(jìn)行空間插值和自然斷點(diǎn)分類(級(jí))，用動(dòng)態(tài)度模型計(jì)算各類指數(shù)的變化強(qiáng)度，得到各類指數(shù)結(jié)構(gòu)及其格局變化圖譜，比較和分析三期數(shù)據(jù)變化特征以識(shí)別LEV時(shí)空分異。

2.2.1 景觀指數(shù)變化分析 分析表4可以得出：漓江流域CONTAG，LPI指數(shù)在桂林、陽(yáng)朔形成低值中心，而在上游山地區(qū)為高值連片、中游山地區(qū)高值離散分布，形成城鎮(zhèn)及旅游活躍區(qū)低值集聚，山地區(qū)高值連片分布格局。CONTAG，LPI指數(shù)近20 a變化較小，僅分別累計(jì)增長(zhǎng)了0.71%，0.35%，景觀格局穩(wěn)定。CONTAG，LPI低值中心面積分別擴(kuò)大了232.61 km2，209.13 km2，年均擴(kuò)張度分別為1.52%，0.98%；而CONTAG，LPI高值中心面積分別減少了91.06 km2，49.35 km2，年均收縮0.49%，0.25%，收減最大的中值區(qū)面積分別減少了190.69 km2，205.14 km2，分別年均減少0.50%，0.58%。表明城鎮(zhèn)景觀的脆弱性顯著大于周邊山地區(qū)；近20 a景觀要素的脆弱性略為減弱，這種變化在城市周邊(中值區(qū))表現(xiàn)最明顯。

漓江流域SHDI，SHEI指數(shù)都在桂林市、陽(yáng)朔縣形成高值中心，而興安、靈州為低值中心，形成城鎮(zhèn)化地區(qū)高值集聚，周邊山地低值連片分布格局。SHDI，SHEI指數(shù)近20 a變化較小，SHDI，SHEI值累計(jì)分別增長(zhǎng)了3.53%，0.20%，景觀格局穩(wěn)定。SHDI，SHEI高值中心面積分別擴(kuò)大了450.58 km2，31.85 km2，年均擴(kuò)張度分別為4.67%，0.19%；而SHDI，SHEI低值中心面積分別減少了93.46 km2，47.66 km2，年均收縮0.34%，0.18%，收減最大的中值區(qū)面積分別減少了478.42 km2，227.60 km2，分別年均減少1.30%，0.71%。表明城鎮(zhèn)景觀的脆弱性小于周邊山地區(qū)，景觀結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，向周邊特別是上游山地區(qū)逐漸減增大，景觀穩(wěn)定性減弱；近20 a變化不大，但在城市周邊(中值區(qū))表現(xiàn)最顯著。

分維數(shù)指數(shù)FRACT反映了人類活動(dòng)對(duì)景觀格局的干擾程度，其值越大表明人類擾動(dòng)越強(qiáng)。漓江流域景觀形態(tài)指數(shù)分布與景觀結(jié)構(gòu)指數(shù)相似，也在城鎮(zhèn)化地區(qū)形成高值集聚，在周邊山地形成低值連片，近20 a變化不大。

2.2.2 景觀生態(tài)脆弱性指數(shù) 用關(guān)系、結(jié)構(gòu)、形態(tài)、基質(zhì)等屬性計(jì)算生態(tài)脆弱性指數(shù)LEV，以LEV為分析變量，在ArcGIS平臺(tái)上用IDW反距離權(quán)重法差值脆弱性指數(shù)，用自然斷點(diǎn)法由低到高將其分為一、二、三、四、五級(jí)。

阿花又問及拋光車間的管理。我也毫無保留地說了，從人員管理到技術(shù)管理，從生產(chǎn)管理到質(zhì)量管理，事無巨細(xì)地說了。

由圖2，表5可以得出：漓江流域生態(tài)脆弱性指數(shù)在桂林市周邊形成低值中心，向周邊逐漸增強(qiáng)，在山地區(qū)形成高值中心，城鎮(zhèn)化中心低值聚集，山地區(qū)高值連片。其中一級(jí)脆弱區(qū)面積1 242 km2，占總面積的19.91%，五級(jí)區(qū)面積666 km2，占總面積的10.67%，中低等級(jí)脆弱區(qū)合計(jì)占56.53%。2000—2020年LEV由357.84下降到的330.39，年均降幅僅0.38%。其中一級(jí)區(qū)面積擴(kuò)大了315 km2，擴(kuò)張強(qiáng)度1.70%，與建設(shè)用地面積擴(kuò)張相似；五級(jí)脆弱區(qū)面積擴(kuò)大了128 km2，擴(kuò)張強(qiáng)度1.36%，三、四級(jí)脆弱區(qū)面積累計(jì)減少了907 km2，收縮強(qiáng)度2.59%。進(jìn)一步分析典型區(qū)域LEV可以得出：桂林、臨桂、陽(yáng)朔、靈川、興安等地的脆弱性指數(shù)分別由2000年的1.57，2.13，2.58，2.06，2.35降低到2020年的0.27，0.41，0.57，0.45，0.53，收縮強(qiáng)度分別為年均: 4.14%，4.04%，3.90%，3.91%，3.87%。中心城市桂林市脆弱性指數(shù)最低，近20 a收縮(降低)度也最大；其次是與其比鄰的臨桂區(qū)、靈川縣也較低，而下游的陽(yáng)朔縣、上游的興安縣脆弱性指數(shù)最高，近20 a收縮(降低)強(qiáng)度最小。反映了漓江流域景觀脆弱性以中低級(jí)區(qū)為主，高級(jí)脆弱區(qū)域較少；近20 a脆弱性指數(shù)略有下降，生態(tài)環(huán)境漸趨向好；城鎮(zhèn)化擴(kuò)張使低級(jí)區(qū)擴(kuò)張，中高級(jí)脆弱區(qū)面積收縮，景觀生態(tài)穩(wěn)定性逐漸提高。表明人類活動(dòng)在使人工景觀生態(tài)趨向穩(wěn)定的同時(shí)，對(duì)自然景觀格局產(chǎn)生了顯著的生態(tài)脅迫，這種變化對(duì)中值區(qū)影響較顯著。

表4 2020-2000年各景觀指數(shù)面積及擴(kuò)張度變化

圖2 漓江流域LEV空間差值計(jì)算結(jié)果

表5 2020年流域及典型區(qū)域LEV等級(jí)結(jié)構(gòu)及擴(kuò)張強(qiáng)度 %

2.2.3 LEV空間自組織結(jié)構(gòu)分析 進(jìn)一步采用空間探索性分析方法(GeoDa)對(duì)LEV進(jìn)行插值計(jì)算，通過求解全局和局部莫蘭指數(shù)以定量測(cè)度其空間依賴性和異質(zhì)性特征，以探索脆弱性指數(shù)的地域分異規(guī)律。

用公式(3)計(jì)算得到：2000年漓江流域LEV全局Moran′I指數(shù)及其p，Z值分別為0.522，0.001，26.598 2年、2020年全局Moran′I指數(shù)、p，Z值分別為0.515，0.001，26.842 5，p值均小于0.001(置信度)，計(jì)算結(jié)果都通過了Z值檢驗(yàn)，即漓江流域LEV存在較顯著的空間正相關(guān)性，指數(shù)分布具有顯著的空間依賴性，表現(xiàn)為高值區(qū)與高值區(qū)相鄰、低值區(qū)與低值區(qū)相隨，近20 a的I值略有下降。進(jìn)一步分析局部Moran′I可以看出：LEV在桂林市形成低_低相鄰的冷點(diǎn)，而在周邊山區(qū)形成高_(dá)高相鄰的熱點(diǎn)，近20 a人類活動(dòng)使冷點(diǎn)、熱點(diǎn)范圍都略有擴(kuò)大，自然、人工景觀LEV值時(shí)空分異顯著。表明漓江流域景觀生態(tài)脆弱性結(jié)構(gòu)受相似的發(fā)生環(huán)境和分異因素影響而具有空間集聚性分布特征，城鎮(zhèn)化是流域景觀生態(tài)格局變化的核心驅(qū)動(dòng)，城鎮(zhèn)化擴(kuò)張?jiān)谔岣呷斯ぞ坝^穩(wěn)定性的同時(shí)，也增大了自然景觀的脆弱性和離散化，形成人工景觀LEV向好與自然景觀LEV增強(qiáng)的分異格局，城鎮(zhèn)化擾動(dòng)使自然與人工景觀生態(tài)系統(tǒng)異向分化。

2.3 LEV時(shí)空分異主導(dǎo)因子及驅(qū)動(dòng)機(jī)理探測(cè)

以標(biāo)準(zhǔn)格網(wǎng)為分析單元，以LEV為因變量，根據(jù)漓江流域地形結(jié)構(gòu)特征及景觀生態(tài)脆弱評(píng)價(jià)目標(biāo)，自然因子選擇高程大于120 m(巖溶侵蝕谷地)的區(qū)域占總面積的比例定義高程驅(qū)動(dòng)因子，坡度大于10°的區(qū)域占總面積的比例定義為坡度驅(qū)動(dòng)因子；人工因子選擇建設(shè)用地占總面積的比例定義城鎮(zhèn)化驅(qū)動(dòng)因子，耕地占總面積的比例定義土地利用強(qiáng)度驅(qū)動(dòng)因子。自然、人工驅(qū)動(dòng)因子對(duì)LEV時(shí)空分異均是正向關(guān)系，即其值越大對(duì)LEV影響也越強(qiáng)烈。用GeoDetector軟件探測(cè)各因子對(duì)LEV時(shí)空分異的作用強(qiáng)度及其交互作用關(guān)系，探索流域LEV時(shí)空分異的主導(dǎo)動(dòng)因及驅(qū)動(dòng)機(jī)制。

2.3.1 主導(dǎo)因子探測(cè) 用因子探測(cè)器計(jì)算影響LEV空間分異的各類驅(qū)動(dòng)因子貢獻(xiàn)率(q值)，通過比較q值可以識(shí)別各因子對(duì)LEV分異的重要性程度。漓江流域景觀生態(tài)脆弱性是自然條件及人類活動(dòng)共同作用的結(jié)果，反映了自然及人類活動(dòng)關(guān)系的地域結(jié)構(gòu)。分析因子探測(cè)結(jié)果(表6)可以看出：按各因子q值大小排序?yàn)椋撼擎?zhèn)化擴(kuò)張強(qiáng)度(0.268 9)、坡度(0.250 8)、高程(0.160 4)、土地利用強(qiáng)度(0.145 1)，城鎮(zhèn)化是脆弱性空間分異的核心驅(qū)動(dòng)，其次是大于10°的坡度，二因子對(duì)脆弱性空間分異的識(shí)別都超過了25%；高程和土地利用強(qiáng)度的影響也超過14%，對(duì)脆弱性空間分異也有較明顯影響。近20 a各要素q值均有提高，提高強(qiáng)度由大到小分別為城鎮(zhèn)化>高程>土地利用強(qiáng)度>坡度。表明城鎮(zhèn)化擴(kuò)張強(qiáng)度及坡度是決定脆弱性空間分異最主要的自然、人工因子，各因子對(duì)脆弱性空間分異的解釋力趨于增強(qiáng)，城鎮(zhèn)化增強(qiáng)尤為顯著。

表6 主導(dǎo)因子探測(cè)結(jié)果

2.3.2 因子交互作用探測(cè) 用交互探測(cè)模塊計(jì)算各因子對(duì)脆弱性空間分異的交互作用關(guān)系，可探測(cè)各類驅(qū)動(dòng)的交互作用是否增強(qiáng)或減弱了對(duì)LEV空間分異的影響力。

分析表可以看出：任意兩因子交互作用對(duì)脆弱性空間分異的影響均顯著大于單一因子影響，交互類型都屬于雙因子增強(qiáng)型。其中坡度與城鎮(zhèn)化的交互增強(qiáng)最為顯著，交互后的q值為0.377，其次高程∩坡度、高程∩城鎮(zhèn)化、城鎮(zhèn)化∩土地利用強(qiáng)度的交互增強(qiáng)也較明顯，交互后的q值也都大于30%。近20 a各要素對(duì)空間分異的交互作用均為增強(qiáng)，其中高程∩城鎮(zhèn)化、城鎮(zhèn)化∩土地利用交互增強(qiáng)度分別高達(dá)3.495%，3.023%，表明流域LEV空間分異是自然、人工因子綜合作用的產(chǎn)物，各因子對(duì)空間分異的綜合作用顯著并不斷增強(qiáng)；坡度與城鎮(zhèn)化因子的交互作用對(duì)脆弱性空間分異影響最大，高程與城鎮(zhèn)化、城鎮(zhèn)化與土地利用間的交互作用增強(qiáng)度最顯著，其他因子交互增強(qiáng)作用也較明顯(表7)。

表7 各因子交互探測(cè)結(jié)果及其增強(qiáng)率 %

2.3.3 探測(cè)機(jī)理分析 多因子分析空間分異驅(qū)動(dòng)機(jī)制表明，漓江流域LEV空間分布具有較顯著的地域特征，城鎮(zhèn)化擴(kuò)張是影響空間分異的核心驅(qū)動(dòng)，地形坡度也是重要影響因子，多因子綜合作用決定了LEV分異格局。結(jié)合各因子空間格局及自組織分析結(jié)果可以得出：

(1) Geodetector能定量識(shí)別各因子對(duì)景觀生態(tài)脆弱性空間分異的影響程度及作用關(guān)系。首先，景觀生態(tài)學(xué)主要從尺度、格局及形態(tài)結(jié)構(gòu)及其動(dòng)態(tài)變化角度，研究生態(tài)系統(tǒng)過程、功能及效益的時(shí)空變化，探索環(huán)境因子與生態(tài)要素交互作用的地域分異規(guī)律。因此，空間關(guān)系、形態(tài)結(jié)構(gòu)及自然基質(zhì)是漓江流域景觀生態(tài)系統(tǒng)的基本組分，其發(fā)展變化決定和影響著流域生態(tài)系統(tǒng)過程及功能的健康狀態(tài)。其次，從人地關(guān)系地域系統(tǒng)分析，自然要素是景觀形成的地域分異基礎(chǔ)，影響著流域景觀結(jié)構(gòu)演化的基本格局；人文要素是驅(qū)動(dòng)景觀類型及格局變化的最活躍因子，決定著景觀結(jié)構(gòu)時(shí)空分異的具相特征，二者綜合作用共同決定著漓江流域景觀生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展演化，并構(gòu)成流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。從生態(tài)學(xué)意義分析，漓江流域是典型的巖溶生態(tài)環(huán)境，地形復(fù)雜、景觀破碎，生態(tài)系統(tǒng)脆弱而擅變，對(duì)人類活動(dòng)及地形起伏高度敏感；坡度對(duì)巖溶生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)及信息傳遞具有重要作用，高度也是誘發(fā)坡度分異的重要因子，在高溫多雨的氣候條件下，坡度及高程變化是造成景觀組分受損及景觀生態(tài)退化的自然基礎(chǔ)。城鎮(zhèn)化是當(dāng)代地域空間分異與景觀格局重構(gòu)的核心驅(qū)動(dòng)，是加快流域景觀類型及格局變化的系統(tǒng)動(dòng)力；快速城鎮(zhèn)化正在改變著城鄉(xiāng)地域系統(tǒng)的土地利用方式，城鎮(zhèn)化進(jìn)程及土地利用強(qiáng)度決定著漓江流域景觀生態(tài)脆弱性狀態(tài)。

(2) Geodetector探測(cè)表明，城鎮(zhèn)化擴(kuò)張強(qiáng)度及坡度變化是漓江流域LEV空間分異的核心驅(qū)動(dòng)，高程、土地利用強(qiáng)度也是重要?jiǎng)右颉５饕蜃訉?duì)空間分異的解釋力差異較大，城鎮(zhèn)化、坡度因子的q值分別為26.89%和25.07%，而高程和土地利用強(qiáng)度因子的q值分別只有16.04%，14.51%，兩組因子解釋力相差超過10個(gè)百分點(diǎn)。分析人文因子看出，城鎮(zhèn)化對(duì)LEV的影響力，顯著大于土地利用強(qiáng)度，同時(shí)城鎮(zhèn)化與其他要素的交互增強(qiáng)及增強(qiáng)度均較大，城鎮(zhèn)化擴(kuò)張對(duì)脆弱性的影響力及主導(dǎo)性不斷增強(qiáng)，體現(xiàn)了區(qū)域城鎮(zhèn)化是景觀生態(tài)變化的核心驅(qū)動(dòng)；再看自然因素，坡度是LEV空間分異的主要?jiǎng)右颍匦纹露绕鸱笤斐傻木坝^碎片化是影響巖溶區(qū)景觀生態(tài)穩(wěn)定性的主要因素，但近20 a高程對(duì)LEV空間分異的影響力增強(qiáng)明顯，高程與城鎮(zhèn)化、高程與土地利用強(qiáng)度的交互增強(qiáng)度明顯大于坡度，說明在更大尺度和強(qiáng)度城鎮(zhèn)化干擾下，高程變化對(duì)空間分異的影響日益顯著。

(3) 精確識(shí)別景觀生態(tài)脆弱性時(shí)空分異的影響因子及驅(qū)動(dòng)機(jī)制，對(duì)調(diào)整優(yōu)化漓江流域土地利用結(jié)構(gòu)和方式，因地制宜地改善和提高土地利用的生態(tài)效益具有重要價(jià)值。地理探測(cè)結(jié)果表明，自然、人工因素綜合作用決定著流域景觀生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量狀況，要堅(jiān)持流域綜合治理和系統(tǒng)規(guī)劃的原則，流域上中下游及各市縣必須統(tǒng)籌規(guī)劃、整體布局，土地利用總體規(guī)劃必須在尊重自然景觀地域分異的基礎(chǔ)上發(fā)揮城鎮(zhèn)化主導(dǎo)作用。城鎮(zhèn)化對(duì)巖溶自然景觀造成了顯著的生態(tài)脅迫，應(yīng)統(tǒng)籌城鄉(xiāng)土地利用的一體化功能，讓城鎮(zhèn)擴(kuò)張通過鄉(xiāng)村或農(nóng)地的生態(tài)功能擴(kuò)大來連接自然景觀，使城市與鄉(xiāng)村、自然與人工景觀類型及功能融為一體。小尺度規(guī)劃應(yīng)關(guān)注坡度對(duì)景觀結(jié)構(gòu)及其生態(tài)功能的影響，大尺度布局應(yīng)強(qiáng)調(diào)高程對(duì)景觀布局及區(qū)域功能的作用，侵蝕和沖積谷地應(yīng)發(fā)展有限規(guī)模的綠色城鎮(zhèn)化，大于10°以上的高海拔山區(qū)要著力發(fā)展立體生態(tài)農(nóng)業(yè)，避免水土流失對(duì)巖溶流域造成難以修復(fù)的生態(tài)災(zāi)難。

3 討論及結(jié)論

3.1 討 論

本研究根據(jù)景觀生態(tài)學(xué)理論設(shè)計(jì)了景觀生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)方法，分析了漓江流域景觀生態(tài)脆性時(shí)空分異特征，研究了脆弱性時(shí)空分異的主導(dǎo)因子、作用關(guān)系及驅(qū)動(dòng)機(jī)制，探討了漓江流域景觀生態(tài)時(shí)空分異的地域規(guī)律，據(jù)此提出了優(yōu)化流域土地利用生態(tài)效益的實(shí)踐策略。同時(shí)，由于數(shù)據(jù)類型和精度缺少針對(duì)性，景觀生態(tài)脆弱性指數(shù)的生態(tài)含義和尺度效應(yīng)不清，影響脆弱性時(shí)空分異的機(jī)理及因素不準(zhǔn)等問題，影響了研究成果的分析精度和應(yīng)用價(jià)值。需要通過系統(tǒng)集成多源遙感、地面監(jiān)測(cè)、無人機(jī)遙感、人工智能等，完備數(shù)據(jù)類型、提高數(shù)據(jù)精度，開發(fā)適用高效的時(shí)空分析平臺(tái)和智能計(jì)算模型，提高LUCC分類識(shí)別、空間賦值、過程反演及功能量化的針對(duì)性和有效性，精細(xì)研究景觀生態(tài)變化的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)、服務(wù)價(jià)值及環(huán)境效益，使LUCC變化的生態(tài)效益研究成果更好地服務(wù)于漓江流域城鎮(zhèn)建設(shè)及產(chǎn)業(yè)規(guī)劃。

3.2 結(jié) 論

(1) 漓江流域?qū)儆谧匀痪坝^獨(dú)特的生態(tài)脆弱區(qū)域，其景觀類型、組織結(jié)構(gòu)及生態(tài)功能獨(dú)具地域特色，具有較高的景觀生態(tài)價(jià)值。以山水風(fēng)景資源開發(fā)為基礎(chǔ)的新型城鎮(zhèn)化，在提高人工景觀生態(tài)穩(wěn)定性的同時(shí)，也對(duì)自然景觀造成了顯著的生態(tài)脅迫，如何在遵循自然規(guī)律基礎(chǔ)上規(guī)劃和利用好優(yōu)質(zhì)景觀資源，使巖溶城鎮(zhèn)化成為支撐流域自然風(fēng)景生態(tài)價(jià)值的持久動(dòng)力，是漓江流域景觀資源可持續(xù)開發(fā)利用的科學(xué)基礎(chǔ)。

(2) 漓江流域景觀生態(tài)脆弱性以中低級(jí)區(qū)為主，高級(jí)脆弱區(qū)域較少，景觀生態(tài)總體穩(wěn)定、趨好；漓江流域LEV空間分異具有顯著的空間依賴性，表現(xiàn)為高值區(qū)與高值區(qū)相鄰、低值區(qū)與低值區(qū)相隨的正向集聚，呈現(xiàn)人工景觀低值化與自然景觀高值化格局，城鎮(zhèn)化中心這低_低相鄰的冷點(diǎn)，周邊山區(qū)為高_(dá)高相鄰的熱點(diǎn)，表明漓江流域景觀生態(tài)脆弱性結(jié)構(gòu)受相似的發(fā)生環(huán)境和分異因素影響而具有空間集聚性分布特征，城鎮(zhèn)化擴(kuò)張?jiān)谔岣呷斯ぞ坝^穩(wěn)定性的同時(shí)，也增大了自然景觀的脆弱性和離散化。

(3) 自然和人工因素共同決定了漓江流域景觀生態(tài)系統(tǒng)的時(shí)空分異，其中城鎮(zhèn)化及坡度變化是LEV空間分異的核心驅(qū)動(dòng)，漓江流域特殊的景觀類型及結(jié)構(gòu)特征，決定了其景觀生態(tài)變化對(duì)人類活動(dòng)及地形起伏高度敏感，近20 a人類活動(dòng)擾動(dòng)使高程變化對(duì)空間分異的影響日益顯著。因此，漓江流域土地利用應(yīng)堅(jiān)持綜合治理和系統(tǒng)規(guī)劃的原則，在尊重自然生態(tài)規(guī)律的基礎(chǔ)上發(fā)揮城鎮(zhèn)化主導(dǎo)作用；在實(shí)踐過程中，應(yīng)統(tǒng)籌城鄉(xiāng)土地利用和國(guó)土空間規(guī)劃，使城市與鄉(xiāng)村、自然與人工景觀類型及功能自然天合。