基于景觀格局指數的坪山河流域生態風險評價

鄧佳婧

［同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海 200092］

近年來，隨著城市的多元化發展，頻繁的人類活動對自然環境產生了巨大的影響，生態系統的結構和功能受到了極大的挑戰。目前，關于生態環境的一系列問題受到學者的重點關注和研究，其中對景觀格局的研究在整個景觀生態學領域具有重要的意義。廣東省深圳市坪山區作為大灣區戰略的核心區之一，是深圳市未來發展極為重要的增長極。經過查閱相關資料得知，景觀生態風險評價作為景觀生態學中一種常用的研究方法可以引入對坪山河流域的研究中。景觀生態風險是指在外界環境（人類、自然等因素）主動或被動的影響下，景觀格局與生態過程之間相互作用可能產生的不良效應，對景觀生態風險進行系統化的分析有利于區域生態的可持續發展和有效指導未來城市更新的方向[1]。

1 研究區域概況

坪山河流域位于廣東省深圳市東北部的坪山新區，流域總面積（集雨面積）181 km2，該分區內共有大小河流15條，其中干流1 條（坪山河），一級支流11條，二、三級支流3 條。流域地貌以丘陵、臺地、低山為主，地勢南高北低。干流東南側為低山和高丘陵，西北側為臺地和少數低丘陵。夏季經常遭受南方臺風的襲擊，導致形成局部暴雨和洪水災害。降水量年內分配不均，主要集中在夏季，占全年總降水量的86%，且年際變化大。坪山河流域內以居住用地和工業用地為主，兩者所占比重為建設用地總規模的60%以上。傳統產業園區基本為社區實際掌握的工業區，產業類型主要是橡膠塑料、金屬制品、器材制造、木材家具及計算機等。未來將打造新能源、生物醫藥、高新技術、文化產業及汽車產業等工業園區，成為深圳市新的產業高地。

2 數據來源及方法

2.1 數據來源

本研究主要包含坪山河流域2001 年、2013 年和2019 年的Landsat-5/Landsat-8 遙感影像數據及土地利用數據等資料，數據來源見表1。

表1 數據來源

2.2 研究方法

2.2.1 風險小區劃分

通過對數據及遙感地圖的處理，導入ArcGIS 中得到坪山河流域2001 年、2013 年和2019 年的景觀類型空間分布圖。采用等間距系統采樣法，采樣單元為100 m×100 m 格網，共計16 841 個風險小區。

2.2.2 景觀生態風險指數構建

利用Fragstats 4.2 計算出不同景觀類型的景觀格局基本指數，再根據前人研究中得出的公式對景觀破碎度、分離度、優勢度、干擾度、脆弱度及損失度指數進行進一步計算，最終得到景觀生態風險指數。

1）破碎度計算。破碎度是指景觀被分割的程度，可以從側面反映景觀結構的復雜程度[2]。破碎度計算公式為

式中，Ci表示景觀破碎度，mi表示景觀類型i的斑塊數量，Si表示景觀類型i的總斑塊面積。

2）分離度計算。分離度表示在同一景觀類型斑塊中，單個斑塊分布的情況，分離度越大表示該斑塊類型越分散[3]。分離度計算公式為

式中，Fi表示景觀分離度，li表示景觀類型i的距離指數，Ai表示景觀類型i的面積指數，di表示景觀類型i的斑塊密度，Si表示景觀類型i的總斑塊面積，S表示景觀總面積。

3）優勢度計算。優勢度可以反映斑塊類型在景觀空間中的地位，對景觀整體格局的發展和變化有較大的影響[4]。優勢度計算公式為

式中，Di表示景觀類型i的優勢度，Ri表示景觀類型i的斑塊數目（mi）與總斑塊數目（m）的比值，T為景觀類型i出現的樣方數（ni）與總樣方數（n）的比值，Qi為景觀類型i的斑塊面積（si）與樣方總面積（S′）的比值。

4）干擾度計算。干擾度可以體現不同的景觀類型在抵抗外界影響、影響生態系統及保護生物多樣性上的抗干擾能力。相關研究指出，干擾度與破碎度、分離度及優勢度有關，經過查閱，分別賦予破碎度、分離度、優勢度以0.5、0.3、0.2 的權重。干擾度計算公式為

5）損失度計算。損失度指數可以反映不同景觀類型在面對外界各因素干擾時受到的生態損失，與景觀干擾度和脆弱度有關[5]。根據相關文獻所述，景觀脆弱度指數（Ki）是根據不同斑塊類型的生態脆弱程度進行排序后歸一化所得[6]。綜合坪山河流域6 類景觀類型結構特征，將其按照脆弱程度由高到低賦值：6=未利用土地、5=水域、4=耕地、3=草地、2=林地、1=建設用地，歸一化的范圍設定為[0,1][7]。因此，損失度計算公式為

6）生態風險計算。由上述相關景觀格局指數的計算，可以得出不同景觀類型及風險小區的生態風險指數，計算公式為

式中，d為生態風險單元內景觀類型的數目，s″i為劃分的風險小區中i斑塊的面積，S″為風險小區的總斑塊面積。

3 結果與分析

3.1 土地利用類型時空變化

由表2 可知，研究區域內林地面積占比最大，占整體區域的43.8%；其次是建設用地，面積占比從2001 年的25.0%增長到2019 年的43.0%；耕地、草地及水域共占10.7%。從研究時段可以看出，經過近20 年的發展，坪山河流域的景觀類型變化主要表現為耕地、草地、未利用土地和水域持續減少，建設用地大幅增長，林地波動性遞減。從空間分布圖來看，建設面積的增加主要集中在坪山河水系的坪環段及中心城區段，耕地、未利用土地的減少主要存在于燕子嶺段（見圖1）。

圖1 2001 年、2013 年和2019 年坪山河流域景觀類型空間分布

表2 2001 年、2013 年、2019 年坪山河流域土地利用類型面積

3.2 景觀格局指數時序變化

由表3 可知，在2001—2019 年近20 年的發展下，坪山河流域內除耕地外，其他各項景觀類型的破碎度呈現先降低后升高的趨勢，同時草地、水域與未利用土地的分離度也顯著提升。林地由于在研究區域內占比較大，因此景觀優勢度也最為顯著，其他各類指數變化幅度較低。而水域的分離度、破碎度與損失度呈現出愈發惡劣的趨勢，優勢度在所有類型中的占比也較低。隨著每年人口的增加，建設用地需求在同步增加。從分離度指數可以看出，建設用地由以前的離散分布變得越來越集中，整體優勢度在不斷增強，而未利用土地由于其特殊性，易受到外界環境的干擾，整體優勢度明顯降低。

表3 2001 年、2013 年和2019 年坪山河流域各土地利用類型的景觀格局指數

3.3 景觀生態風險時空演變

3.3.1 生態風險分級方法

筆者參考既有研究成果將生態風險進行分級，將坪山河流域劃分為5 個等級：Ei≤0.025（低風險）、0.025 ＜Ei≤0.050（較低風險）、0.050 ＜Ei≤0.075（中風險）、0.075 ＜Ei≤0.100（較高風險）、Ei＞0.100（高風險）[8]。

3.3.2 生態風險演變

如圖2 所示，通過對2001 年、2013 年和2019 年坪山河流域不同景觀生態風險等級的面積及變化進行分析可以得出，研究區域內整體景觀生態風險處于相對較低的水平。研究區域內低風險及較低風險區域面積占該區總面積的55%～70%，中風險及以上風險區域占30%～45%。除了南側的馬巒山及田頭山區域基本處于低風險等級外，其他區域的風險等級在20 年間變化顯著，其中面積變化最大的是高風險區域持續減少，而原高風險等級的區域大部分轉為中風險等級，由此可說明該研究區域的景觀生態風險有減弱態勢。

圖2 2001 年、2013 年和2019 年坪山河流域景觀生態風險等級

3.4 坪山河流域綜合治理情況

根據相關研究，坪山河流域超標最嚴重的污染因子為銨態氮和總磷，且在1996—2005年，水質總體呈現惡化趨勢，污染物濃度在2005 年達到峰值，是Ⅴ類水質標準限值的3 倍以上[9]。深圳市人民政府于1994 年7 月設立大工業區，開發建設面積109 hm2，該工業區以高新技術產業為主導，產業集聚效應明顯，大量產業在該區落戶，2002年，流域內建設用地面積約占流域總面積的17.1%。由此可見，該時期該區域的生態風險為中風險以上面積占比較大與建設用地面積擴大呈正相關關系。2006年，流域內上洋污水處理廠建成，相關配套管網設施逐步完善，大幅度提高污水處理效率。相關數據表明，2011 年坪山河水質改善幅度較為明顯，雖仍未達到Ⅴ類標準，但總體呈現較好的發展趨勢[10]。按照國家“水十條”和《深圳市貫徹國務院水污染防治行動計劃實施治水提質行動方案》的要求，2016 年深圳市坪山河干流綜合整治及水質提升工程開始實施，該工程是全國第1 個以交接斷面水質達標為要求的水環境綜合整治工程，將防洪、供水、凈水生態、景觀及智慧等領域有機統籌，進行整體治理技術方案的實施，2018 年底，坪山河流域水質已達到Ⅳ類水，水質考核已達標[11]。2019年，深圳市水務局首創設立流域管理機構，全面統籌涉水事務，截至2021 年底，坪山河國考斷面水質大部分達到Ⅴ類、地表水Ⅲ類標準[12]。整體發展趨勢與生態風險等級時空演變趨于一致。由此可見，針對坪山河的一系列水治理舉措較為成功地促進了該區域生態環境的良性發展。

4 結論

1）在2001—2019 年近20 年的發展中，由于林地面積比重較大，其各景觀指數呈相對穩定的狀態，其他景觀類型的各指數均有相對幅度的上升或下降。其中，由于城市發展，建設用地面積逐年增加，分離度降低，表現為城市集中性發展。草地及水域受人為活動的影響嚴重，分離度明顯上升，其形狀的復雜度也逐漸增大。

2）通過對景觀格局指數進行計算，得出單元生態風險指數值及空間分布圖。從圖中可以看出，坪山河流域內較高風險及高風險區域逐年減少，在空間分布上還處于較為離散的狀態。但就總體趨勢而言，無新增高風險區域，且各風險等級的區域面積在不斷下降。

3）在對深圳市近20 年的政策措施查詢后得知，坪山河流域由于在20 世紀90 年代設立為大工業區，該區域的生態環境受到了極大的影響，但通過完善污水處理設施、水環境整治工程和設立管理機構等措施，區域內水生態環境逐漸變好，表明人類活動對土地利用變化及生態環境的影響日益增強。