流域土地利用與景觀生態風險響應關系研究

郝 軍,田雅楠,戈 鋒,劉佳雨

流域土地利用與景觀生態風險響應關系研究

郝 軍1,田雅楠2,3,4*,戈 鋒1,劉佳雨1

(1.內蒙古自治區國土空間規劃院,內蒙古 呼和浩特 010010；2.內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院,內蒙古 呼和浩特 010018；3.內蒙古黃河生態研究院,內蒙古 呼和浩特 010020；4.黃河流域內蒙段水資源與水環境綜合治理協同創新中心,內蒙古 呼和浩特 010018)

以嫩江中游內蒙古段為例,深入分析流域2000～2020年土地利用格局時空演替特征,構建流域景觀生態風險評價模型,識別20a間流域景觀生態風險時空變化特征,揭示流域土地利用格局與景觀生態風險響應關系.結果表明:嫩江中游內蒙古段土地利用類型以有林地為主,20a間土地利用格局總體轉變不大,但天然有林地下降、濕地萎縮明顯,旱地減少、水田增加,人工水庫坑塘增加顯著,流域景觀生態風險高值區主要集中在綽爾河和罕達罕河下游,20a間景觀生態向高風險轉化最為顯著的類型為水庫坑塘,由2000年的8.90%上升為2020年的53.99%,景觀生態高風險區面積占比最高的為水田,其次為旱地、城鎮用地、農村居民點和其他建筑用地,景觀聚集的態勢變化較小,同時也表現出高風險集聚區增加和低風險集聚區減少的趨勢,景觀生態風險高-高集聚區中面積占比最高的土地利用類型為水田,占整個集聚區面積的33.26%,流域中水田、水庫坑塘等人工土地利用類型不僅從景觀生態風險等級還是集聚性上均高于其他土地利用類型.本研究不僅揭示了流域20a間土地開發利用格局特征,同時識別出對于增加流域景觀生態風險的土地利用類型,為流域后續產業結構調整、深化生態環境保護提供有力支撐.

景觀生態風險；土地利用；時空變化；嫩江中游內蒙古段；空間自相關

人類活動與氣候變化干擾加速了景觀結構的演化,致使景觀功能和生態系統風險不斷升高,生態問題日益凸顯,嚴重威脅著社會和自然生態系統的可持續發展[1],隨著我國生態文明建設不斷推進,能夠充分發揮人類主觀能動性的風險管理模式愈發受到關注,生態風險評價是一種能有效衡量和評估人為脅迫或自然災害等外界干擾對區域生態系統及其結構產生負面效應和影響的工具,是生態系統評估的重要研究領域之一.景觀生態風險評價作為生態風險評價的重要分支,能夠綜合反映區域生態風險的空間分布格局與時間演替特征[2],為區域可持續發展與生態環境保護提供多維度、多尺度決策支持,由于其評價的高效性、綜合性和實用性,該方法得到了諸多學者關注[3-6],并對其開展了廣泛研究與應用[7-10].景觀生態風險是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[11],能直觀反映土地利用/土地覆被變化對景觀組分、結構和功能的不利影響,對于掌握區域生態風險的總體特征、動態趨勢以及開展生態風險管理具有重要作用[3].

土地利用格局不僅是人為和自然干擾的綜合表征,更是區域景觀生態風險演變的風險源頭,人為干擾導致土地利用的高頻變化,成為區域景觀生態風險增加[12]的重要驅因,然而土地利用類型的轉變與景觀生態風險變化間的響應關系仍不明確,從而嚴重制約了土地利用格局優化在降低景觀生態風險中的可操作性.此外,當前景觀風險研究多集中于流域、城鎮、沿海地區和自然保護區[13-15],對于江河匯水型生態區域的研究較少,該類型區域以生態保護為主要功能,同時要兼顧區域社會經濟發展和上下游的可持續發展,如何合理優化土地利用結構,降低區域景觀生態風險,是實現該類型區域可持續發展的重要途徑.

嫩江流域位于松花江北源,是松花江第一大支流,受氣候變化影響劇烈,特別是嫩江中游,近50a來平均年降水強度、夏秋季降水量均呈下降趨勢[16],人口激增、下墊面變化和氣候變化等多重因素加劇了地表景觀格局變化與生態風險.嫩江中游內蒙古段是嫩江中游多條一級支流的發源地,流域內多森林、濕地等天然生態類型,同時作為天然林區向農牧區域過渡的典型地帶,為中下游農牧業生產提供水源涵養等多種生態服務功能保障,是我國北方生態安全屏障的重要組成部分.作為重要的江河匯水型生態區域,嫩江流域內蒙古段土地利用與景觀生態風險相關研究鮮少報道,因此,本研究以嫩江流域內蒙古段為研究區,旨在揭示2000～2020年嫩江流域內蒙古段土地利用格局與景觀生態風險格局時空演化特征,解析流域土地利用格局變化導致的景觀生態風險演化規律,為流域國土空間規劃與管理、生態環境保護和可持續發展提供理論支撐和管控抓手.

1 材料與方法

1.1 研究區概況

嫩江中游內蒙古段即嫩江流域尼爾基至江橋段,位于內蒙古自治區東北部,與黑龍江、吉林兩省交界,是內蒙古自治區“三少民族”鄂倫春、鄂溫克、達斡爾族的主要聚集區,主導產業為農牧林業,流域地勢西高東低,涉及呼倫貝爾市阿榮旗、扎蘭屯、莫力達瓦達斡爾族自治旗、鄂倫春自治旗、牙克石市、興安盟阿爾山市和扎賚特旗等9個旗縣級行政單元.流域面積65563km2,是諾敏河、雅魯河、綽爾河等多條嫩江一級支流的發源地,屬寒帶半濕潤季風氣候,受大氣環流特征及喇叭轉流域形狀的影響,流域內各地氣候差異較為顯著,降水在年內分配不均,4～ 10月份汛期降水約占全年降水量80%,流域內多年最大年降水量為938mm,最小年降水量為153mm,年際間波動較大,沒有明顯的周期性變化,溫度自西北向東南逐漸遞增,多年日平均氣溫為-3～3℃,歷史最低氣溫為-39.5℃,最高氣溫達40.1℃.

1.2 數據來源與研究方法

所用2000年、2020年土地利用數據來源于中國科學院地理科學與資源研究所(http://www.resdc. cn)[17],分辨率為30m×30m,數據采用線隨機抽樣核查,檢驗總精度為88.95%.土地利用分類及編碼如表1所示,為簡化表達,后續圖表中涉及土地利用均采用編碼表示.

表1 土地利用類型及編碼

本研究將區域劃分為6km′6km網格單元,區域共劃分為1570個網格單元,運用Fragtats 4.2軟件計算各個網格景觀指數,綜合景觀破碎度指數、景觀分離度指數和景觀優勢度指數三個維度構建流域景觀生態風險指數,計算公式如下[18-20]:

式中:ERIk為第個網格單元景觀風險指數;A為第個網格單元內第種景觀類型面積;A為第個網格單元面積;E為第類景觀的景觀干擾度指數;F為景觀脆弱度指數,結合前人研究成果與研究區特征,確定不同土地利用類型賦值為:未利用地=6,水域=5,耕地=4,草地=3,林地=2,建設用地=1,歸一化后獲得景觀脆弱度指數;為景觀類型總數,本研究共涉及6類景觀類型.計算各個網格景觀風險指數,并用克里金插值法獲取流域景觀生態風險空間分布.

式中:權重++=1,結合前人研究成果[21],將權重、、分別賦值0.5、0.2、0.3;n為景觀類型的斑塊數;A為景觀類型的總面積;C反映整個景觀或某一景觀類型在給定時間和給定性質上的破碎化程度,其值越大景觀生態風險越大;N反映景觀類型中斑塊個體分布的分離成都,其值越大破碎化程度越高,景觀生態風險越大;D是斑塊在景觀中的重要性,其值越大生態風險越大;Q為斑塊出現的網格數與總網格數之比;M為斑塊的數目與斑塊總數之比;L為斑塊的面積與樣方總面積之比.

1.3 空間分析方法

1.3.1 土地利用變化 本研究分析流域20a間土地利用變化率和土地利用轉移矩陣.土地利用變化率為起始時間土地利用變化面積與初始面積的比值,土地利用轉移矩陣能夠反應土地利用變化的特征、方向和結構,是土地利用轉化研究的重要方法[22].

1.3.2 空間自相關分析 空間自相關分析能夠在全局和局部尺度上反應景觀生態風險空間集聚特征[23],本研究選取全局自相關指數(Global Moran’s)和局部自相關指數(Local Moran’s)分析流域景觀生態風險空間集聚效應,公式如下:

式中:x和x分別是空間單元或某一屬性的觀測值,是區域變量的均值,2是均方差,W是空間權重值,由維矩陣()組成.全局Moran’I值域為[-1,1],在給定顯著性水平下,Moran’s大于0表示空間屬性的聚集性,小于0代表空間屬性的離散性,等于0表示空間屬性隨機分布.在給定顯著性水平下,獲取局部Moran’的空間聚類圖,反應景觀生態風險的空間異質性,評估不同景觀生態風險聚集區的集聚類型(如表2所示).

表2 景觀生態風險局部空間自相關類型釋義

2 結果與分析

2.1 土地利用類型時空變化分析

嫩江中游土地利用空間分布如圖1所示,流域中土地利用以林地為主,占到總面積的62%,其次為耕地和草地,20a間林地、草地和未利用地均呈現減少趨勢,林地減少面積比例最多,達0.08%,耕地面積、建筑用地和水域面積表現為增加趨勢,耕地增加最為顯著,增加比例達0.08%.

土地利用二級分類面積變化(如表3所示)顯示,面積變化率增加最為顯著的用地類型依次為水庫坑塘、其他建筑用地、裸土地、水田和城鎮用地,其中水庫坑塘和其他建筑用地20a間增加超過2倍,嫩江中游耕地表現為水田大幅增加,增加面積達80.50km2,增加比率為23.18%,而旱地面積略有下降.裸土地面積在該區域中分布較小,20a來增加面積主要來自于耕地和草地.除其他建筑用地外,區域城鎮用地和農村居民點面積均有所增加,其中城鎮用地增加達到17.15%.林地結構中天然有林地面積下降達75.90km2,灌木林增加57.77km2,但由于林地整體基數較大,變化比率并不明顯.草地結構變化從面積到占比均不高,并表現出高覆蓋草地增加,中低覆蓋草地減少趨勢.未利用地中的沼澤地面積減少51.34km2,水域面積中水庫坑塘面積增加23.31km2.

圖1 2020年嫩江中游土地利用分布

表3 嫩江中游2000～2020年土地利用變化率

注:“-”代表2020年較2000年減小面積或降低比率.

通過土地利用轉移矩陣進一步分析不同土地利用類型的轉化關系,如圖2所示,20a間林地和草地轉換比例最高,耕地和沼澤地轉換也是流域的重要土地利用轉化,重點關注變化面積較大的類型.2020年水田面積的顯著增加,主要來源于有林地、高覆蓋草地、旱地和沼澤地,旱地總面積呈現略有減少,主要向水田轉化,同時存在旱地侵占高覆蓋草地、疏林地、沼澤地和農村城鎮用地的過程.沼澤地減少,主要轉化為高覆蓋草地、疏林地、耕地和沼澤地.沼澤地減少主要轉化為有林地、旱地、水田和高覆蓋草地,灌木林增加面積主要來源于有林地、高覆蓋草地和旱地,疏林地轉變為有林地、高覆蓋草地和旱地.水庫坑塘的大幅度增加主要占用了高覆蓋草地、水田和沼澤地,其他建筑用地的增加主要占用了水田、林地、高覆蓋草地、農村用地和沼澤地,原有沼澤地大幅度較少,主要轉化為水田和旱地,其次為有林地和其他林地.

圖2 2000～2020年土地利用轉移矩陣

圖中代碼表示土地利用,其含義詳見表1

2.2 景觀生態風險空間分布

景觀生態風險評價結果顯示,2000年區域景觀風險指數范圍為0.224～0.517,2020年0.224～0.546,均值分別為0.323和0.325,由此可見,嫩江中游景觀生態風險總體偏低,分布范圍較為集中,20a間略有增高,總體較為穩定.

根據流域景觀生態風險指數分布,將其劃分為5個等級,即:低風險<0.25、較低風險0.25～0.3、中風險0.3～0.35、較高風險0.35～0.4、高風險>0.4,其分布如圖3所示,2000年低風險區域面積為100km2,較低風險區面積為24281km2,中風險區面積為20174km2,較高風險區面積為16526km2,高風險區面積為4483km2,2020年低風險區域面積為98km2,較低風險區域面積為23864km2,中風險區面積為20007km2,較高風險區面積為15697km2,高風險區面積為5897km2.

流域景觀生態風險呈現由西北向東南逐級增高趨勢,流域上游多處于低和較低風險區,高風險區域主要集中在各個子流域下游,并以綽爾河和罕達罕河分布最廣,行政區域隸屬于扎賚特旗.高風險增加區域主要分布在雅魯河和諾敏河流域下游.

不同年份各景觀風險等級面積分布(圖4)顯示,流域景觀生態風險低、較低、中和較高4個風險等級分布面積均有不同程度的下降,其中較高風險等級下降幅度最高為5.01%,中風險下降幅度最低為0.83%,而高風險區域增加顯著,增加幅度高達31.54%.

圖4 2000～2020年不同等級景觀風險區域面積分布

2.3 景觀生態風險時空演替分析

2000～2020年景觀風險等級轉移過程(表4)顯示,景觀風險等級變化均為相鄰等級轉化,同樣表明區域景觀風險等級沒有出現突變現象,各個風險等級轉化均表現為向相鄰高風險等級轉化面積要高于向低風險轉化面積,各個等級景觀風險均表現出等級增加的態勢,特別是中風險和較高風險向高風險等級轉換面積最高.

表4 2000～2020年景觀風險等級轉移矩陣(km2)

景觀生態風險空間自相關分析結果顯示,2000年景觀生態風險全局Moran’s指數為0.6828,2020年全局Moran’s指數0.6842,表明景觀生態風險全局空間集聚性略有下降,局部空間集聚特征如圖5所示,20a間景觀生態風險高-高集聚區有所擴張,低-低集聚區略有降低,2000年高-高風險集聚區246個網格單元,低-低風險集聚區為306個網格單元, 2020年高-高風險集聚區為250個網格單元,低-低集聚區為313個網格單元,集聚區空間分布格局較為穩定,呈現明顯的西低東高分布,上游形成兩個明顯的低-低集聚區,下游形成高-高集聚區,除綽爾河流域高-高集聚區略有下降外,雅魯河、音河和濟沁河流域高-高集聚區均有明顯增加,并致使全流域東部高-高集聚區的不斷聯通,景觀風險集聚區存在明顯的流域相關性.

3 討論

3.1 嫩江中游內蒙古段土地利用分布與景觀生態風險格局時空變化特征

土地利用分布格局的演變直觀反映了人類干擾的方式和程度,嫩江中游內蒙古段作為嫩江重要的集水區,上游以有林地為主,下游多為耕地與城鎮,人為干擾更為劇烈,因此表現出明顯的上下游差異.20a間土地利用表現出人工干擾類型的明顯增加,這與區域社會經濟的發展與產業結構密切相關,該區域地表水資源豐富,但利用難度較大,區域內城鎮用水以地下水為主,水利工程的建設不可或缺.然而,隨著城鎮不斷擴展、農業生產結構向高耗水型轉變,農田由旱地向水田大幅度轉化,為支撐區域發展,水利工程的大規模開發,水庫坑塘為區域內土地利用轉化比例最高的類型,充分顯示了20a間水資源開發利用配套設施興建在該區迅速增加.

未利用地中的沼澤地面積減少51.34km2,水域面積中水庫坑塘面積增加23.31km2,均體現了流域呈現天然濕地萎縮和人工濕地增加的態勢.建筑用地結構中,無論是城鎮還是村莊用地面積都有所增加.在中國經濟飛速發展和倡導生態文明建設背景下的20a間,嫩江中游作為我國生態型匯水區域,其生態結構系統未出現大幅改變,這與積極的生態保護措施密不可分,同時,流域土地利用結構變化也表現出社會經濟發展中生活、生產用地與生態用地的權衡關系,區域中受到干擾最為顯著的類型為有林地和沼澤地,無疑提高了區域生態系統的潛在風險.

土地利用的轉移過程充分體現了區域經濟發展和人為干擾對于地表過程的影響,開發利用和保護權衡過程突出,雖然總體類型變化比例不明顯,但類型間的相互轉化相對劇烈,特別是在耕地轉化過程中體現最為明顯;在此期間,城市的擴張和資源的開發利用與生態環境保護的矛盾也凸顯出來,其中最為突出的是濕地的萎縮.

3.2 土地利用與景觀生態風險響應關系

圖6 不同土地利用類型景觀生態風險分布比率

為進一步分析土地利用與景觀生態風險間的響應關系,對比2000年和2020年不同土地利用類型的景觀生態風險等級比例(圖6),結果顯示,各個土地利用類型景觀生態風險分布比率差異較大,但同一土地利用類型20年間景觀生態風險等級變化不明顯,僅有水庫坑塘景觀生態風險值明顯增高,高景觀生態風險區比例由2000年的8.90%上升為2020年的53.99%,高景觀生態風險區和較高景觀生態風險區合計面積比例亦從2000年的90.50%上升為2020年的97.24%,進一步說明了人工水利工程對于增加該流域景觀生態風險影響劇烈.

流域內耕地和建筑用地多數處于高風險和較高景觀生態風險等級,其中2020年水田高風險和較高風險比例高達95.8%,旱地高風險和較高風險比例占82.4%,城鎮用地、農村居民點和其他建筑用地高風險和較高風險比例分別占到88.1%、85.0%、83.1%.

選取2020年高-高景觀風險集聚區和低-低空間風險集聚區,重點對比二者土地利用格局差異(圖7、圖8),低-低景觀生態風險區土地利用結構較為簡單,有林地占區域面積的79.73%,其次為草地,面積占比為12.93%,其他林地占5.62%,其他類型均不足0.8%;而高-高風險集聚區土地利用結構較為復雜,水田為面積占比最高類型,占到33.26%,有林地占比20.87%,高覆蓋草地占比17.65%,沼澤地占比9.27%,由此可見,流域高-高風險區主要為農業開發利用區域,優化農業產業布局與結構是降低該流域景觀生態風險的重點.

圖7 2020年低-低景觀風險集聚區土地利用結構

導致區域景觀生態風險高值區無論從等級和高-高風險集聚區面積上均呈現增大趨勢,風險集聚性也逐漸增強.此外,區域內天然濕地面積的嚴重萎縮對于流域生態環境的潛在威脅不容忽視,如何通過優化土地利用格局,提升用水效率、保護天然林地和濕地成為區域未來發展應重點關注的問題.

本研究顯示嫩江流域內蒙古段土地利用格局轉變導致的景觀生態風險總體仍在可控范圍內,但同時也暴露出未來土地利用格局開發中應注意的諸多問題,隨著流域城鎮不斷擴展、農業生產結構向高耗水型轉變以及水利工程的大規模開發,導致的區域景觀生態風險高值區無論從等級和高-高風險集聚區面積上均呈現增大趨勢,風險集聚性也逐漸增強.此外,區域內天然濕地面積的嚴重萎縮對于流域生態環境的潛在威脅不容忽視,如何通過優化土地利用格局,提升用水效率、保護天然林地和濕地成為區域未來發展應重點關注的問題.

圖8 2020年高-高景觀風險集聚區空間結構

4 結論

4.1 研究區內2000年～2020年土地利用類型變化主要表現為耕地面積、建筑用地和水域的增加,其中耕地增加最為顯著,旱地減少,水田增加,有林地減少,未利用地中的沼澤地面積減少,水域面積中水庫坑塘面積增加,呈現明顯的天然濕地萎縮和人工水面增加,不合理的農業產業結構和天然涵養區域的占用可能是導致天然濕地萎縮的重要因素,嫩江中游對于整個嫩江流域的防洪安全起到至關重要的作用,對于天然河渠和濕地的侵占不僅增加了流域景觀生態風險,同時也增加流域洪水風險,形成潛在安全隱患.

4.2 嫩江中游內蒙古段作為生態型匯水區域,以林地為流域的主要基質類型,因此流域景觀生態風險總體較低,高值區集中在各個支流下游,流域內生態保護成效顯著,20a間流域整體景觀風險均值未有明顯變化,但景觀風險高值區表現出面積增加且集聚度增加趨勢,為流域景觀格局優化提出挑戰.

4.3 土地利用與景觀生態風險的響應關系研究表明,不同類型的土地利用類型與景觀生態風險具有較好的響應關系,流域中農田和城鎮不僅處于高景觀生態風險等級,同時呈現高-高景觀生態風險集聚性,而天然林景觀生態風險等級和集聚性均處于低水平,此外,水庫坑塘等人工水域類型亦均處在高-高景觀生態風險集聚區中,流域景觀生態風險的重點關注土地類型為農業開發利用區和水利工程開發區,該類型土地的產業結構和布局優化不僅有助于大幅度提高區域用水效率,降低水資源風險,同時更是降低流域景觀生態風險的關鍵.

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Correlational relationship between land use and landscape ecological risks in Inner Mongolia section of middle Nenjiang River.

HAO Jun1, TIAN Ya-nan2,3,4*, GE Feng1, LIU Jia-yu1

(1.Inner Mongolia Territorial Space Planning Institute, Hohhot 010010, China；2.College of Water Conservancy and Civil Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China； 3.Inner Mongolia Yellow River Institute of Ecological Research, Hohhot 010020, China；4.Collaborative Innovation Center for Integrated Management of Water Resources and Water Environment in the Inner Mongolia Reaches of the Yellow River, Hohhot 010018, China)., 2023,43(11)：6132～6140

Inner Mongolia section in the middle reaches of Nenjiang River was an important part of the ecological security barrier in the north of China and played an important role in maintaining the ecological security in the middle and lower reaches of the river basin. This paper analyzed the spatial and temporal succession characteristics of land use pattern in watershed from 2000 to 2020, as well as the landscape ecological risk assessment model had been built. Based on the spatial and temporal succession of landscape ecological risk in the river basin over the past 20 years, the relationship between land use pattern and landscape ecological risk had been revealed. The results showed that in the past 20 years, the land use type in Inner Mongolia in the middle reaches of Nenjiang River was mainly forest land, and the overall pattern of land use had not changed much. However, the area of natural forests, wetlands and dryland had decreased significantly, and the area of paddy fields and artificial reservoirs had increased markedly. The landscape ecological risk area of the basin was mainly concentrated in the lower reaches of the Choer River and the Handahan River. In the last 20 years, the artificial reservoirs were the most obvious type of ecological transition to high risk, which increased from 8.90% in 2000 to 53.99% in 2020. The highest proportion of landscape ecological high risk area was paddy field, followed by dry land, urban land, rural residential area and other building land. Although with little change in global aggregation trends, there was a trend of increasing high-risk agglomerations and decreasing low-risk clusters in local aggregation trends. The land use type with the highest proportion of landscape ecological risk high-high agglomeration area was paddy field, accounting for 33.26% of the whole agglomeration area. Artificial land use types such as paddy fields and artificial reservoir were not only higher than other land use types in landscape ecological risk level, but also higher in agglomeration. This study provided strong support for the structural adjustment of subsequent industries in the river basin and the deepening of ecological protection.

landscape ecological risk；land use；spatiotemporal change；Inner Mongolia section of middle Nenjiang；spatial autocorrelation

P901;X321

A

1000-6923(2023)11-6132-09

郝 軍(1983年-),男,內蒙古巴彥淖爾人,高級工程師,碩士,主要從事國土空間規劃、耕地保護、資源評價及土地利用研究.發表論文10余篇.38362402@qq.com.

郝 軍,田雅楠,戈 鋒,等.流域土地利用與景觀生態風險響應關系研究 [J]. 中國環境科學, 2023,43(11):6132-6140.

Hao J, Tian Y N, Ge F, et al. Correlational relationship between land use and landscape ecological risks in Inner Mongolia section of middle Nenjiang River [J]. China Environmental Science, 2023,43(11):6132-6140.

2023-04-23

內蒙古自然科學基金資助項目(2020MS03089);內蒙古自然資源廳科技資助項目(NMGZRZYTKJXC202001);國家自然科學基金資助項目(41561044,52369004)

* 責任作者, 副教授, tyn229@sina.com