基于景觀格局分析的太原市生態系統健康評價

摘要：以2000—2020年山西省太原市土地利用數據為基礎，利用Fragstats軟件計算景觀格局指數，分析景觀格局變化；運用“壓力-狀態-響應”（PSR）模型和熵權法對太原市生態系統健康狀況進行評價。結果表明，耕地、草地和林地為太原市的優勢景觀類型，面積占比大；建設用地面積逐年擴張，且漲幅較大；水域和其他用地類型面積占比小，連通性差；整體景觀呈均質多樣化趨勢發展，景觀破碎化程度加深；太原市整體生態系統健康狀況表現出南北優、中部劣的分布格局；2000—2015年，太原市生態系統健康指數整體呈下降趨勢，2015年降至最低值，2015—2020年生態系統健康指數有所上升；城市化、人口密度和人類干擾度與太原市生態系統健康極顯著相關（Plt;0.01）。

關鍵詞：景觀格局；PSR模型；生態系統健康；土地利用；太原市

中圖分類號：X826" " " " "文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2025）03-0066-08

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2025.03.011 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Ecosystem health assessment of Taiyuan City based on landscape pattern analysis

HU Ya-ping，WANG Chun-ling，CHEN Xiao-ping，ZHEN Zhi-lei

（College of Urban and Rural Construction， Shanxi Agricultural University， Jinzhong" 030801， Shanxi， China）

Abstract： Based on the land use data of Taiyuan City， Shanxi Province from 2000 to 2020， the Fragstats software was used to calculate the landscape pattern index and analyze the change of landscape pattern. The “pressure-state-response” （PSR） model and entropy weight method were used to evaluate the ecosystem health status of Taiyuan City. The results showed that cultivated land， grassland and forest land were the dominant landscape types in Taiyuan City， and their areas accounted for a large proportion. The construction land area expanded year by year， and the increase was large. The area of water and other land types was small， and the connectivity was poor. The overall landscape showed a trend of homogeneity and diversification， and the fragmentation of the landscape was deepened. The overall ecosystem health of Taiyuan City showed the distribution pattern of good in the north and south region， and bad in the central region. The comprehensive index of ecosystem health in Taiyuan City showed a downward trend from 2000 to 2015， and reached the lowest value in 2015. The comprehensive index of ecosystem health increased from 2015 to 2020. The indicators of urbanization， population density and human disturbance were significantly correlated with ecosystem health in Taiyuan City（Plt;0.01）.

Key words： landscape pattern; PSR model; ecosystem health; land use; Taiyuan City

自改革開放以來，中國經濟迅猛發展，人口快速增長，許多人類主導的生態系統結構和功能發生了巨大改變[1]。擁有健康的生態系統是維護區域生態安全的關鍵因素，也是實現人類可持續發展的重要條件[2，3]。城市生態系統是典型的以人類為主導的生態系統，在城市化發展過程中造成了城市大氣污染、水環境惡化和水土流失等環境問題，影響到人類的生存與發展[4]。通過對城市生態系統健康進行評價研究，明確其健康狀況，為城市生態系統的建設和管理提出方案，可以促進城市生態環境的改善和社會經濟的可持續發展。

用于生態系統健康評價的方法有很多，其中指標體系法因受限制較小且有多種定量方法而最為常用[5，6]。學者們利用經典指標體系“壓力-狀態-響應”（Pressure-state-response，PSR）模型對不同區域生態系統健康開展了研究與探索，并取得了重要的研究成果，涉及濕地生態系統健康評價、生態安全評價、水環境安全評價和城市生態系統健康評價等領域[7-17]。城市生態系統是人類與自然環境相互作用形成的復合體，對其健康進行合理評價較困難。PSR模型注重人類活動如何對環境施加壓力影響其狀態，進而促使社會作出響應來減輕壓力和改善環境，具有理性的因果邏輯關系，為城市生態系統健康狀況的系統評價提供了分析方法[18]。

太原市是山西省政治、經濟與文化交流中心，具有輻射帶動山西省域經濟高質量發展的使命。作為中國重要的能源基地[19]，太原市以煤炭、鋼鐵、稀有金屬等礦產資源開采重工業為主導產業，在帶動經濟水平提升的同時導致景觀格局正在以前所未有的速度和規模發生變化，嚴重威脅著城市生態系統的健康[20]。因此，構建太原市生態系統健康評價體系，定量評估區域景觀格局變化和生態系統健康狀況，對太原市城市生態發展具有重要意義。

關于太原市生態系統健康狀況的研究，已有學者運用模糊綜合法從經濟和社會角度對太原市城市生態系統健康水平進行研究[21]，但忽視了人類活動與土地在生態系統結構和功能尺度聯系方面的研究。本研究基于2000—2020年太原市景觀格局變化，從壓力、狀態和響應3個層次出發，利用PSR模型選取12個指標構建太原市生態系統健康評價體系，完善相關城市生態系統健康評價體系，分析太原市各區縣生態系統健康狀況，以期為太原市土地可持續性利用和區域生態環境良性發展提供理論參考。

1 研究區概況

太原市坐落于汾河河谷平原（圖1），其地理坐標為111°30′—113°09′E、37°27′—38°25′N，市域總面積約6 988 km2。全市地貌形態豐富多樣，呈北高南低之勢，平均海拔約800 m，其三面環山，中南部為河谷平原。北溫帶大陸性氣候特征顯著，年平均氣溫為9.5 ℃，年平均降水量為468.4 mm。2020年，太原市常住人口約350萬人[22]。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

主要采用2000年、2005年、2010年、2015年和2020年NDVI數據與土地利用數據。其中，NDVI數據源自中國科學院地理科學與資源研究所土地利用與全球變化遙感團隊（http：//www.nesdc.org.cn/），空間分辨率為30 m，時間分辨率為每年1期；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），空間分辨率為30 m。景觀指數利用Fragstats軟件計算獲得。太原市各區縣人口數據來源于《山西統計年鑒》。

2.2 景觀指數的選取

參考文獻[23，24]，并結合太原市區域特征進行景觀指數篩選，選取邊界密度（Edge density，ED）、斑塊密度（Patch density，PD）、平均斑塊指數（Mean patch of size，MPS）、最大斑塊指數（Largest patch index，LPI）、蔓延度指數（Contagion index，CONTAG）、內聚力指數（Cohesion index，COHESION）、香農均勻度指數（Shannon’s evenness index，SHEI）和香農多樣性指數（Shannon’s diversity index，SHDI）對太原市景觀格局進行描述。

2.3 評價體系的構建

城市生態系統健康評價需綜合考慮生態環境、人類活動和各種社會要素[25]。PSR模型從壓力、狀態和響應3個層次出發構建城市生態系統健康評價模型，能夠清晰反映出三者之間的相互作用關系[9]。其中，壓力指標表示區域生態系統受到外界環境作用力致其結構和功能發生變化的壓力[26]，闡明系統承受壓力的能力；狀態指標反映的是自然環境在驅動力因素下，時間階段內狀態和生態系統的變化，突出了城市生態系統的實際生態條件，利用其來描述壓力下城市環境的結構和功能完整性；響應指標是指區域生態系統對人類干擾活動的響應，包括相關政策和宣傳等。本研究利用PSR模型針對城市特點選取人口密度、人類干擾度、土地墾殖率、城市化率、斑塊密度、蔓延度指數、內聚力指數、香農多樣性指數、香農均勻度指數、植被覆蓋度、森林覆蓋率和景觀破碎化共12個評價指標[23，27，28]來構建太原市生態系統健康評價體系（表1）。

2.4 指標權重計算

考慮到生態系統健康評價的各指標單位與尺度皆不同，為了將不同類型和數量等級的指標進行統一，消除量綱對計算結果帶來的差異，對所有評價指標進行標準化處理。各評價指標分為正向指標和負向指標，即評價指標與評價分值呈正相關的指標為正向指標，采用式（1）進行評價，反之為負向指標，采用式（2）進行評價。利用極差法將評價指標標準化處理為0～1，計算式[29]如下。

[Xij=Rij-RminRmax-Rmin]" （1）

[Xij=Rmax-RijRmax-Rmin] " （2）

式中，[Xij]為第i年第j個指標標準化后的值，Rij為指標的實際值，[Rmax]為指標的最大值，[Rmin]為指標的最小值。

對標準化的無量綱值平移α個單位計算，消除0對計算結果的影響，計算式如下。

[Zij=Xij+]α" " （3）

式中，α=0.000 1，[Zij]為平移后的值。

將平移后的指標數據進行同向度量化，計算式如下。

[Pij=Ziji=1nZij]" " （4）

式中，[Pij]為第j項指標下第i年的樣本值占該指標的比重。

計算第j個指標的熵值（[Ej]）。

[Ej=-1lnni=1nPijlnPij]" （5）

最后確定各指標的權重（[Wj]），計算式如下。

[Wj=1-Ejj=1m1-Ej]" " " " （6）

2.5 生態系統健康指數計算

生態系統健康指數（EHI）通過綜合加權指數法計算得到，計算式[9]如下。

[EHI=j=1m（Xj×Wj）]" " （7）

參考文獻[17，30，31]，結合研究區域特征，將太原市生態系統健康狀況評定標準劃分為5個等級，分別為健康（0.7lt;EHI≤1.0）、較健康（0.6lt;EHI≤0.7）、亞健康（0.5lt;EHI≤0.6）、不健康（0.4lt;EHI≤0.5）和病態（0lt;EHI≤0.4），EHI越接近1，生態系統越健康，反之則表明生態系統越不健康。

3 結果與分析

3.1 太原市景觀格局動態變化

由圖2可知，2000—2020年太原市主要土地利用類型是林地，占總面積的33%以上，其次是耕地和草地。其中，林地面積在2000—2005年和2010—2020年呈輕微下降趨勢，在2005—2010年面積有所增加，2000—2010年，林地面積增加116.15 km2；草地與耕地面積逐年減少，2020年比2000年分別減少145.37 km2和275.36 km2；建設用地面積占比較小但逐年增加，2020年比2000增加338.31 km2，占比增加4.9個百分點；2000—2020年水域面積占總面積的1%左右，無明顯變化。

2000—2020年，草地與耕地的ED較高，皆呈“N”形變化趨勢（圖3a）；PD最大的是耕地，其次是草地，二者均具有較高的空間格局復雜性（圖3b）；林地的MPS最大，遠高于其他用地類型（圖3c）；隨著時間推移，LPI較大的耕地與林地有所降低，建設用地的LPI呈增大趨勢（圖3d）。

2000—2020年，太原市CONTAG與COHESION總體呈下降趨勢（圖4a、圖4b），尤其是2010年下降幅度最大。SHDI與SHEI在研究期間均呈上升趨勢，在2005—2010年變化幅度最為劇烈（圖4c、圖4d）。

3.2 太原市生態系統健康評價

3.2.1 生態系統健康空間格局變化 從空間格局（圖5）來看，太原市生態系統健康水平分布總體呈南北優（健康、較健康）、中部劣（亞健康、不健康、病態）的格局。2000年生態系統“健康”的區縣主要位于婁煩縣、陽曲縣和晉源區；2005年“健康”的區縣減少到只有婁煩縣和陽曲縣；2010—2020年已無“健康”等級的區縣。另一方面，健康等級為“病態”的區縣由2000年中部的杏花嶺區和迎澤區2個區增加至2020年的萬柏林區、尖草坪區、杏花嶺區和迎澤區4個區。

3.2.2 生態系統健康動態變化 2000—2020年太原市生態系統健康狀況總體呈下降趨勢，EHI由2000年的0.563下降至2020年的0.483（圖6a）。其中，2000—2005年EHI下降幅度最為劇烈；2005—2015年，EHI下降幅度略有緩和；2015—2020年，EHI有所上升，但幅度不大。太原市生態系統的壓力指數在研究期間呈下降趨勢，而狀態指數和響應指數變化幅度較小（圖6b）。

根據2000—2020年生態系統健康的變化情況，將其變化劃分為5個等級：健康等級上升2級的為“顯著增強”，上升1級的為“增強”；同理，下降1級和下降2級的分別為“減弱”和“顯著減弱”，未有等級變化的為“無變化”。2000—2020年太原市生態系統健康狀況整體呈下降趨勢，“顯著減弱”的有晉源區和尖草坪區，“無變化”的有迎澤區和清徐縣，其余的區縣均為“減弱”等級（圖7）。

3.2.3 生態系統健康指標的相關性 對太原市各評價指標與EHI間進行相關性分析，結果見圖8，可知EHI與城市化率、人類干擾度、人口密度、COHESION、NDVI、PD和MPS呈極顯著相關（Plt;0.01），與土地墾殖率和森林覆蓋率呈顯著相關（Plt;0.05）。其中，城市化率、人類干擾度、人口密度、PD與EHI呈負相關關系，相關性最高的為城市化率，相關系數達-0.92，人類干擾度、人口密度、PD與EHI的相關系數分別為-0.83、-0.79和-0.48；COHESION、NDVI、MPS與EHI呈正相關關系，相關系數分別為0.50、0.49和0.39。

4 討論

4.1 太原市景觀格局演變分析

從景觀角度來看，生態系統健康是由景觀格局決定的[32]。隨著城市化進程的推進，城市土地利用類型正在以前所未有的速度和規模發生變化。2000—2020年太原市耕地面積逐年減少，這是由于2000年初國家推行退耕還林等相關政策[33，34]。耕地和草地類型占用地類型總面積的比例越來越小，建設用地占比雖小，但面積逐年增加，且有明顯擴張之勢，對比馬曉勇等[35]對太原市景觀格局的研究也發現有相似的變化情況。造成此現象的主要原因是在過去21年里，太原市人口快速增長和大量農村人口涌入城市使得居住區和道路等建設用地面積激增，直接表現為原有城市工業等向周邊遷移占用農田和草地，進而導致太原市生態系統健康水平下降。此外，其他用地類型面積與占比逐年減小，表征人類對研究區域土地資源的開發與利用程度越來越高[14]。

邊界密度、斑塊密度、平均斑塊指數均能直觀地反映研究區總體景觀結構分布特征[14]和景觀類型破碎化程度[36]。2000—2020年，活躍的人類干擾活動導致建設用地的邊界密度和斑塊密度呈上升趨勢，而平均斑塊指數變化不大，反映出建設用地類型的破碎化程度增加，斑塊數量增多。最大斑塊指數反映景觀優勢度，2000—2020年耕地與林地是研究區的優勢景觀。太原市在城市發展初期忽略了環境保護，隨著生態意識的提升，2010—2015年耕地和林地優勢度有略微上升的趨勢。太原市城市化的發展導致建設用地的最大斑塊指數逐年增長，反映出在城市化進程中建設用地優勢度逐漸增大，這在其他城市景觀格局研究中均有體現[14]。2000—2020年，太原市人類干擾活動增強，如水利水電開發、道路修建、資源開采[25]等，導致太原市蔓延度指數和內聚力指數總體呈下降趨勢，表明在此期間研究區域的景觀破碎度增大，優勢景觀連接度降低。香農均勻度指數和香農多樣性指數可反映景觀中的優勢斑塊與其分布情況，2000—2020年二者呈上升趨勢，表征太原市優勢景觀破碎化程度增加，景觀類型均質化發展現象嚴重。

4.2 太原市生態系統健康分析

太原市是中國傳統的能源重工業城市，產業結構以煤炭、鋼鐵、冶金等粗放型重工業開采產業為主導[37]，在帶動經濟發展的同時，給城市生態和可持續發展帶來極大威脅[38]。從總評價結果看，2000—2015年太原市土地利用類型變化劇烈，大量的耕地與草地轉化為建設用地，造成太原市生態系統健康指數呈下降趨勢。2015年，太原市生態系統健康狀況略有改善，說明中國“十三五”生態文明建設規劃在生態保護方面發揮了指導作用。廣州市生態系統健康[31]有相似的變化趨勢，同樣是經濟建設和城市人口的迅猛增加導致2000—2015年生態系統健康等級下降，而在中共十八大后，廣州市響應國家生態文明建設的號召，2015年城市生態質量有所改善。

太原市2000—2015年生態系統健康指數下降，從目標指數來看，原因可能是壓力指數在目標指數中占比大且呈持續下降趨勢，而響應指數占比小。這說明人口密度和人類干擾度等壓力因素增加對生態系統健康造成高壓力影響的同時，響應措施未實施到位。從狀態指數來看，研究區景觀呈均質性多樣化發展，建設用地等非景觀用地的優勢度增加，林地等景觀用地的破碎化程度進一步加深。2015年，太原市生態系統健康指數達最小值。其中，杏花嶺區、萬柏林區、尖草坪區和迎澤區健康程度最低，均為“病態”等級。人類干擾壓力影響生態系統的服務功能[39]，這些區縣由于人口快速增長，城市化速度加快和城鎮建設用地擴張等人類活動壓力的增加導致生態系統健康等級降低。2015—2020年，太原市生態系統健康狀況有所好轉，綜合指數有所上升。這可能是由于健康指數中的壓力指數下降到不再是目標指數中的最高值，而響應指數相較于之前的數值有較為明顯的上升，說明相關管理者采取了相應的措施。隨著人們生態意識的覺醒，追求人與自然和諧統一已成為共識。太原市積極響應國家可持續發展戰略，2017年太原市出臺創建國家生態園林城市的實施方案，2018年國務院批準了太原市國家可持續發展議程創新示范區建設等一系列政策，加快了太原市相關的生態建設工作，從而使得2015—2020年太原市生態系統健康指數升高。

由2000—2020年太原市生態系統健康指標的相關性研究可知，城市化率、人類干擾度、人口密度與生態系統健康指數的相關性高于其他指標。人口密度、人類干擾度和城市化率指標與人口和建設用地面積相關，太原市城市發展的越快，其人口增長的就越多，建設用地面積的擴張就越迅速，從而導致生態系統的破壞。從2000—2020年太原市生態健康等級空間格局分布情況可知，影響區域生態系統健康的主要驅動因素是人口密度和城市化。太原市東南部是人類活動較為頻繁的地區，集中度遠高于周圍區縣[40]。2020年，人口密度最高的迎澤區達" "5 599.88人/km2，是人口密度只有61.70人/km2陽曲縣的近91倍，過于集中的人口和過大的人口數量對土地和資源需求更大，區域生態環境壓力增大，對生態系統結構和功能造成一定破壞，導致太原市該區域生態系統健康水平低于周邊區縣。大量自然景觀轉化成人文景觀，太原市景觀整體呈均質多樣化發展，景觀格局連通性變差，景觀破碎化程度加深，這些都影響著城市生態系統結構和功能的穩定性。

5 小結與建議

5.1 小結

采用土地利用數據和統計資料，基于太原市景觀格局，運用PSR模型對太原市2000—2020年生態系統健康進行評價，得到以下結論。

1）耕地、林地和草地為研究區的優勢景觀類型，面積占比總和超85%。受人為因素的影響，耕地和草地面積均有所下降，林地面積在相應政策調整下有所增長，三者用地類型景觀破碎化程度進一步加深；建設用地面積擴張速度逐漸增大，斑塊形狀較為規則且連通性較高。水域和其他用地類型面積占比較小，斑塊破碎化嚴重且分布較為零散。

2）太原市2000—2020年生態系統健康指數分布與城市化率、人口密度和人類干擾度極顯著相關（Plt;0.01），健康指數較低的區域主要分布在人類干擾程度更大的城鎮地區。2020年太原市有8個區縣的生態健康水平較2000年有所下降，其余2個區縣的健康水平未改變。2000—2005年太原市生態系統健康指數大于0.5，屬于亞健康狀態；2010—2020年太原市生態系統健康指數小于0.5，屬于不健康狀態。

5.2 建議

太原市生態系統健康的評價結果可在實踐中為太原市生態環境進行合理有序的治理和保護提供科學參考。對于生態系統健康狀況良好的地區，在保持當前健康水平的同時完善相關法律法規，規范人類的行為活動，大力宣揚綠色發展理念，貫徹落實“金山銀山不如綠水青山”思想的學習。生態系統健康狀況差的地區生態系統壓力較大，尤其是人類干擾壓力，政府部門要積極推行相關管控措施，對建設用地的擴張進行一定限制，優化太原市能源城市產業結構，積極轉型。

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