黃河流域（陜西段）景觀生態風險評價及預測分析

潘博華 李駿南

摘 要：【目的】以可持續發展為準則，分析黃河流域的景觀生態風險時空演變特征，為黃河流域的高質量發展提供科學依據。【方法】基于1990—2020年土地利用數據計算景觀生態風險指數。進行空間自相關分析，在空間上探索景觀生態風險指數與驅動因素的空間相關性。并設定自然發展、耕地保護、生態保護和可持續發展四個情景，采用Markov-Flus模型對未來景觀生態風險指數進行預測。【結果】研究區內，榆林市、渭南市以及咸陽市北部的景觀風險較高，近年來高風險區、較高風險區逐漸收縮；整體的分布呈現“南冷北熱”的特點。【結論】不同區域的景觀生態風險收縮或擴張情況不同，應以可持續發展為準則，在不同地區采取不同的保護措施。

關鍵詞：景觀生態風險評價；地統計分析方法；空間自相關

中圖分類號：X826? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1003-5168（2023）09-0101-06

Abstract： [Purposes] Based on the principle of sustainable development， this paper analyzes the temporal and spatial evolution characteristics of landscape ecological risks in the Yellow River basin， providing scientific basis for high-quality development of the Yellow River basin. [Methods] The landscape ecological risk index is calculated based on land use data from 1990 to 2020. Conduct spatial autocorrelation analysis to explore the spatial correlation between landscape ecological risk index and driving factors. Four scenarios of natural development， farmland protection， ecological protection， and sustainable development were set up， and the Markov-Flus model was used to predict the future landscape ecological risk index. [Findings] In the study area， the landscape risks in Yulin City， Weinan City， and the northern part of Xianyang City are relatively high. In recent years， the high-risk areas and relatively high-risk areas have gradually shrunk; The overall distribution is characterized by "cold in the south and hot in the north". [Conclusions] The contraction or expansion of landscape ecological risks varies in different regions， so sustainable development should be taken as the criterion and different methods of protection measures should be taken in different regions.

Keywords： landscape ecological risk assessment；geostatistical analysis method；spatial autocorrelation

0 引言

景觀格局的動態變化是一個緩慢的過程，受到干擾時會通過景觀格局結構的變化表征風險受體范圍和危害情況［1］。景觀生態風險評價就是通過不同組分的不同變化方向及速度來對研究區域的生態風險進行定量的評估，相較于傳統的評價其更加注重于景觀要素鑲嵌、景觀格局演變和景觀生態過程。目前景觀生態風險評價的研究成果豐富［2-7］，相關學者針對不同方法和模型、不同研究尺度、不同研究區域等開展了大量景觀風險評價體系的探索［8-9］。在眾多模型中，本研究選取了Markov-Flus模型進行景觀生態風險的預測，該模型既結合了馬爾科夫鏈柵格數量的預測，也結合了Flus模型獲取多因素作用下景觀轉化規則的能力，其模擬精度普遍高于CA-Markov、CLUE-S等模型。

黃河流域（陜西段）地處黃土高原丘陵溝壑區，其生態環境脆弱、水資源短缺、土壤易受侵蝕、防汛形勢嚴峻，嚴重威脅著該區域的生態系統安全。景觀生態風險評價旨在表達生態系統承受多重風險壓力源的響應及生態效應的可能性，是生態系統可持續發展的重要管控手段，因此，景觀風險評價對黃河流域生態保護和高質量發展具有重要理論意義。

本研究以黃河流域（陜西段）為研究對象，基于1990、2000、2010、2020年土地利用數據，采用景觀損失模型構建景觀風險評價體系。從空間相關性的角度，采用空間自相關分析來揭示生態風險的空間聚集特征。本研究基于Markov-Flus模型選取自然和人為兩方面的驅動因素，模擬2035年景觀生態風險情景。對比分析其較于2020年生態風險輻射擴散特征，從而為黃河流域可持續發展以及自然資源的高效利用提供重要參考。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

黃河流域西起巴顏喀拉山，東臨渤海，南至秦嶺，北抵陰山，全程橫跨青藏高原、內蒙古高原、黃土高原和黃淮海平原四個地貌單元，本研究選取其中具有典型黃土高原地形條件的黃河流域陜西段作為研究區域，研究區概況如圖1所示。黃土高原是我國重要的能源、化工基地，其土質松軟，含有豐富的礦物質養分，適宜耕作，但易受到土壤侵蝕的危害。黃土高原的氣候既受經、緯度的影響，又受地形的制約，具有典型的大陸季風氣候特征。

1.2 數據來源與處理

1.2.1 30 m空間分辨率的土地利用數據。數據來源于中國科學院環境科學與數據中心（http：//www.resdc.cn），用于歷史土地利用動態變化模擬、分析以及計算景觀生態風險指數。

1.2.2 30 m高程數據。數據來源于地理空間數據云（http：//www.gscloud.cn/），用于分析研究區域的地形地貌并作為景觀風險空間分布的驅動因子。

2 研究方法

2.1 景觀生態風險指數構建

景觀風險指數構建是在空間尺度上評估研究區域環境污染、人類活動以及自然災害對每個評價小區產生不利影響的大小的過程。景觀風險指數由景觀干擾度和景觀脆弱度組成，計算公式見式（1）。

式中：α、[β]、[γ]為各景觀格局指數的指標權重，根據前人研究并結合區域實際情況，分別賦值為0.5、0.3、0.2。[ni]為第n種景觀類型的斑塊數，[Ai]為第i種景觀類型的面積。A為景觀總面積。[Qi]為景觀類型i斑塊數與總的斑塊數的比值，[Pi]為景觀類型i所占樣方數與總樣方數的比值，[Gi]為景觀類型i的面積與總面積的比值。

2.2 地統計分析

將704個評價小區的景觀風險指數賦值于每個小區的中心評價點位，再根據中心評價點位進行半變異函數分析，以確定空間自相關的局部特征并確定最佳擬合模型，最后采用普通克里金插值法對研究區域進行空間插值。利用自然斷點法將研究區域整體的景觀風險質量指數分為五級：高風險（>0.196）、較高風險（0.162～0.196）、中等風險（0.140～0.162）、較低風險（0.118～0.140）、低風險（<0.118）。

2.3 空間自相關

空間自相關描述每個空間單元的屬性值的分布特征以及與相鄰單元的空間相關程度，以觀察屬性值的聚集程度。空間自相關的度量可以分為全局空間自相關和局部空間自相關，表達式為式（6）、式（7）。

式中：[xi]、[xj]分別表示空間單元位置i、j在空間位置的觀測值，x為空間單元觀測的平均值，[xij]為空間權重矩陣，n為空間單元總數。Moran’s I指數值域在[-1，1]之間，Moran’s I值越接近1，表明正相關性越高，空間上愈加聚集，Moran’s I值越接近-1，表明空間上愈離散，接近0表示無明顯相關性。

3 結果與分析

3.1 黃河流域（陜西段）風險時空分布特征

3.1.1 生態風險的時序變化特征。不同行政區風險等級統計見表1，整個研究時段內，各市的低、較低風險區面積整體呈現上升趨勢，高、較高風險區在2000年出現面積的大幅上升后，始終保持著穩定的下降趨勢。其中，位于關中平原的銅川市、寶雞市、西安市、咸陽市、渭南市的較低風險區域在2000年大幅減少，并轉化為高、較高風險區，導致整個研究區域高、較高風險區域分別增加了2 189.39 km2、3 927.20 km2；高、較高風險區的面積在2000年有所增加后，一直在持續減少，分別減少了1 627.11 km2、1 068.42 km2，這是由于榆林市、咸陽市、渭南市、延安市的生態環境轉好，生態風險指數低值區增加，同時位于關中平原的各市的高風險區呈現有序收縮態勢。但高風險區的保護仍需進一步加強，寶雞市、榆林市、延安市這樣生態環境較為脆弱的地區在2020年仍有風險升高的趨勢。風險中等區域始終保持著下降的趨勢，大部分面積已轉為較低風險區，中風險區是生態環境轉好的重要攻堅區域。

3.1.2 生態風險的時空演化特征。黃河流域（陜西段）的1990—2020年黃河流域（陜西段）景觀生態風險指數分布情況如圖2所示，研究范圍內，景觀生態風險指數多年的分布特征較為相似，西北方向景觀普遍為未利用地及建設用地，尤其采礦區較多，生態結構不穩定，景觀生態風險較高（0.162～0.196）；中北部溝壑縱橫，景觀破碎，但植被覆蓋度相對較高，有部分林地景觀交叉分布，此區域的生態風險普遍為較低或中等（0.118～0.162）；中部及最南部地區地處秦巴山區，生態環境較為穩定，是國家重點保護區，具有較高生態價值，生態風險最低（<0.118）；關中平原地區地勢平坦，景觀分布以建設用地和耕地為主，人類活動劇烈，生態風險很高（>0.117）。整個研究區域的生態風險都處于不斷下降的趨勢。榆林部分處于毛烏素沙漠，先后開展多個治沙造林行動，所以從1990—2000年陜北地區的景觀生態風險可以看出，高、較高、中等風險區持續呈現收縮的趨勢，低風險及較低風險的面積逐漸增加。但在2020年此區域的較高風險區出現了小幅度擴張的趨勢，這表明該區域生態環境仍不穩定，還需繼續堅持生態治理的政策；延安市、寶雞市北部、銅川市的較低風險區一直保持著穩定增加的趨勢，并且較低風險的區域逐漸連片，提高了景觀連通度。這是由于該區域地形多為山地，更適合林地景觀的生長，生態風險較低；關中平原地區由于優越的地形優勢，更適合城鎮建設和農地耕作，人口分布較為密集。研究區南部處于秦嶺生態環境保護區，因此始終保持較低的生態風險。

3.2 黃河流域（陜西段）景觀生態風險空間自相關分析

通過構建景觀風險指數計算模型，得到了研究區域1990—2020年每十年一期共四期景觀生態風險指數，如圖3所示。將四期各個評價小區的ERI值通過GeoDA軟件計算研究時段內黃河流域（陜西段）的全局Moran’s I值，結果分別為0.232、0.301、0.268、0.242。全局Moran’s I均為正值，表明景觀生態風險指數的空間分布呈正相關關系，即高值和低值風險指數都呈聚集趨勢。但全局Moran’s I值呈現逐年下降的趨勢，說明研究區景觀破碎度逐漸加劇，生態風險區的聚集趨勢逐年減弱。

全局Moran’s I值用來度量研究區生態風險區的聚集趨勢，局部Moran’s I值是在空間上表示生態風險區的聚集特征。黃河流域（陜西段）景觀生態風險值局部自相關分布情況，如圖4所示，研究區域的空間聚集特征在研究時段內僅發生了較小幅度的波動，其中熱點小區有一定程度的擴張，熱點小區數由5.60%增長為7.32%，冷點小區呈收縮趨勢，熱點小區數由15.64%減少為13.34%，但在2000年冷點評價小區略有擴張。北部主要以熱點小區為主，且呈現了不斷收縮的趨勢；中部主要分布著冷點小區，其分布有分散的趨勢，該區域還少量存在次冷點小區；南部大片分布著冷點小區，且呈現聚集的趨勢。研究期間，不顯著評價小區基數較大，且沒有明顯變化，小區數量始終在74%～77%上下浮動。研究區整體冷熱點的分布基本符合景觀生態風險指數分布的特征，呈現了“北熱南冷”的分布特點。

3.3 黃河流域（陜西段）景觀生態風險預測分析

自然情景不考慮各種政策因素的影響，對于各地類的變化趨勢不加以管控，遵循自然發展和人類活動驅動的規律。預測結果如圖5所示，在該情景下，生態風險狀態持續轉好，低風險區面積3 574.23 km2，較2020年增幅為6.74%，較低風險區面積相比于2020年增長了382.06 km2。但榆林市范圍內在建設用地和未利用地交錯的復雜區域存在生態風險提高的趨勢，所以仍需針對不同的高生態風險區采取可持續性的保護措施；相反的，中等、較高、高風險區面積均處于減少趨勢，中等風險的面積降幅僅為2.02%，較高和高風險區面積收縮的趨勢較為明顯，分別減少了1 788.37 km2、1 668.935 km2。這主要是因為草地在不受到政策影響的情境下不斷侵占耕地資源，降低了景觀生態風險。并且建設用地以原有布局為基礎，沿渭河流域一路擴張，主要變化發生在西安市、延安市、寶雞市和渭南市等關中平原地區。導致該區域生態景觀更加破碎，一定程度加劇了景觀生態風險，即使關中平原地區風險降低但仍然處于中高值風險區。而在此情境下耕地資源在大量流失。若不加以限制，糧食安全將受到很大的威脅。

4 討論

4.1 景觀生態風險空間格局及驅動因子

1990—2000年該區域的景觀生態風險發生了較大幅度的升高。這是由于隨著我國進入現代高速發展階段，陜西省的市場經濟繁榮，對外經濟日趨活躍。各項社會事業的繁榮發展推動了城市化的快速擴張，侵占了城市周圍的生態用地，導致景觀生態風險的快速提高。2000年之后，陜西省意識到黃土丘陵溝壑區生態建設的重要性，積極開展了退耕還林等政策推動全省轉變為“深綠色”，致力于建成林茂草盛、天藍地綠、生態優美的生態強省。因此研究區的景觀生態風險的高值風險區持續呈現收縮趨勢，低值風險則保持著增長的態勢。

4.2 基于Markov-Flus的景觀格局風險模擬

對當前黃河流域（陜西段）的景觀生態風險進行摸底和預測是實現生態系統環境保護與修復的重要依據。因此本研究采用Markov-Flus模型開展生態空間的模擬。該模型能夠綜合考慮來自自然環境和人類活動的風險源的影響，并且可以更加精確的模擬出黃河流域（陜西段）景觀生態風險格局在研究時段內復雜的非線性轉化機制，從而預測出符合預測目標以及當下區域發展格局的不同情景結果。對研究區未來空間管控、治理修復都具有較好的借鑒意義。

5 結論

①黃河流域（陜西段）的景觀生態風險分布呈北熱南冷的特征，陜北和關中平原地區景觀生態風險較高，且近年來呈現持續收縮趨勢。

②北部主要以熱點小區為主，且呈現了不斷收縮的趨勢；中部主要分布著冷點小區，其分布有分散的趨勢，該區域還少量存在次冷點小區；南部大片分布著冷點小區，且呈現聚集的趨勢。研究區整體冷熱點的分布基本符合景觀生態風險指數分布的特征，呈現了“北熱南冷”的分布特點。

③生態風險狀態持續轉好，但在此情境下耕地資源在大量流失，草地無序擴張。若不加以限制，糧食安全將受到很大的威脅。

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