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        元謀干熱河谷景觀生態(tài)安全時空變化

        2018-03-07 05:16:25歐朝蓉朱清科孫永玉
        中國水土保持科學(xué) 2018年1期
        關(guān)鍵詞:景觀區(qū)域生態(tài)

        歐朝蓉,朱清科,孫永玉

        1989年在建立全球生態(tài)安全監(jiān)測系統(tǒng)時,國際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所(IASA)首次提出了生態(tài)安全的概念,從環(huán)境、生態(tài)保護(hù)、外交和軍事等角度,為人類提供完善生存安全的廣義研究,以及從生態(tài)系統(tǒng)完整性和健康水平方面,考慮區(qū)域資源環(huán)境狀態(tài)可持續(xù)性的狹義理解[1-2]。基于景觀生態(tài)學(xué)的生態(tài)安全評價在景觀尺度研究區(qū)域生態(tài)安全狀態(tài),并通過景觀生態(tài)安全的時間演化,揭示區(qū)域生態(tài)安全變化過程和趨勢。郭濼等[3]從景觀尺度,定量評價泰山景觀整體健康水平;高楊等[4]選取聚集度、景觀破碎度和香農(nóng)多樣性指數(shù)等景觀格局指數(shù),構(gòu)建了景觀生態(tài)安全模型,以投影尋蹤方法,對珠江三角洲的景觀生態(tài)安全狀況進(jìn)行評價;裴歡等[5]選取景觀格局指數(shù),構(gòu)建耕地景觀生態(tài)安全模型,研究秦皇島耕地景觀生態(tài)安全狀況;于瀟等[6]以景觀格局安全指數(shù)和生態(tài)質(zhì)量指數(shù)為參數(shù),構(gòu)建景觀生態(tài)安全模型,分析友誼農(nóng)場景觀生態(tài)安全時空特征。大量的理論和實踐研究,使景觀生態(tài)安全評價在模型構(gòu)建、研究方法和研究內(nèi)容等方面,取得了豐富的研究成果,評價模型的參數(shù)從單純的景觀格局指數(shù),擴(kuò)展到景觀格局指數(shù)結(jié)合其他生態(tài)學(xué)指數(shù),研究方法從傳統(tǒng)的GIS空間建模為主,轉(zhuǎn)向多種空間分析方法結(jié)合研究為主,研究內(nèi)容從側(cè)重于景觀生態(tài)安全度指數(shù)值計算,到重點關(guān)注景觀生態(tài)安全的時空演化規(guī)律、影響因素及其作用機(jī)制,這些研究成果有利于深入揭示區(qū)域景觀生態(tài)安全狀態(tài)及景觀格局與生態(tài)環(huán)境之間的相互作用,明確景觀生態(tài)安全的主要影響因素[7]。

        干熱河谷是中國西南地區(qū)一種局地特殊的地理景觀和氣候類型[8]。氣候炎熱、干燥,特殊的自然生態(tài)環(huán)境使干熱河谷成為西南地區(qū)典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)。隨著經(jīng)濟(jì)、社會的發(fā)展及土地利用方式的變化,日趨強(qiáng)烈的人為干擾,使干熱河谷生態(tài)安全面臨嚴(yán)重的威脅。雖有學(xué)者從生態(tài)退化[9]、土地利用[10]、土壤侵蝕[11]、植被[12-13]和景觀格局[14]等方面,揭示了干熱河谷的生態(tài)安全問題,但多限于定性分析單一類型的生態(tài)安全風(fēng)險,難以系統(tǒng)的定量評價干熱河谷綜合生態(tài)安全狀態(tài),無法明確生態(tài)安全主要影響因素及作用機(jī)制?;诖耍P者以具有干熱河谷典型自然環(huán)境特征的元謀縣為研究區(qū),以2008年Landsat7-ETM和2016年Landsat 8-OLI遙感數(shù)據(jù)為基本數(shù)據(jù)源,構(gòu)建景觀生態(tài)安全度模型,結(jié)合空間自相關(guān)和地統(tǒng)計學(xué)方法,從景觀尺度系統(tǒng)地研究干熱河谷生態(tài)安全狀態(tài)及時空變化,以期為區(qū)域生態(tài)風(fēng)險防范和地區(qū)可持續(xù)發(fā)展提供參考依據(jù)。

        1 研究區(qū)概況

        元謀 縣 (E 101°35' ~ 102°06',N 25°23'~26°06')隸屬于云南省楚雄州,地處滇中高原北部金沙江下游龍川江河谷盆地內(nèi),全縣面積2 021.69 km2。地勢四周高、中間低,山地面積占全縣面積的85.58%,河谷盆地、平壩和臺地等面積占15.42%。氣候炎熱干燥,年均溫21.9℃。降水少,降水蒸發(fā)比失衡,年均降雨量僅為616 mm,蒸發(fā)量卻高達(dá)3 627 mm。干濕季分明,全年90%降雨量集中在6—10月。植被類型屬河谷型薩瓦納植被(Savanna of valley type),是中國珍稀瀕危的植被類型之一。自然植被類型主要為南亞熱帶中山峽谷稀樹灌叢和灌草叢,以扭黃茅(Heteropogon contortus)和孔穎草(Botlhriochloa pertusa)等旱生禾草本植物為優(yōu)勢種,在此背景下,散生著具硬葉、卷葉、厚葉、多刺和多毛等耐旱特征的小灌木樹種[15]。由于河谷深切,地勢相對高差大,從河谷到山頂大致可分為河谷壩區(qū)(899~1 100 m)、壩周低山區(qū)(1 100~1 350 m)、中低山區(qū)(1 350~1 600 m)和中高山區(qū)(1 600~2 835 m)4個垂直自然帶[16]。土壤以燥紅土、紅壤和黃棕壤等為主,土地肥力和保水性能差[17]。研究區(qū)自然生態(tài)環(huán)境脆弱,人口多,社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不高(2016年人均GDP僅為全國平均水平的70%),經(jīng)濟(jì)發(fā)展和脆弱生態(tài)環(huán)境之間矛盾突出,區(qū)域生態(tài)安全受到嚴(yán)重威脅。

        2 數(shù)據(jù)與方法

        2.1 數(shù)據(jù)處理

        研究使用的遙感影像數(shù)據(jù)為Landsat遙感數(shù)據(jù),分別為2008年Landsat7-ETM和2016年的Landsat8-OLI衛(wèi)星圖像,分辨率為30 m,數(shù)據(jù)由中國科學(xué)院地理空間數(shù)據(jù)云平臺提供。對2個時段的遙感影像進(jìn)行幾何校正、波段合成和裁剪,在ENVI平臺中,獲取植被覆蓋度數(shù)據(jù)。以非監(jiān)督分類法,對遙感影像實施土地利用類型初次分類,對難以識別的圖斑劃定其范圍,建立AOI區(qū),運用監(jiān)督分類法,分別對待區(qū)分的地物類別建立種子模板,實施分離性分析,修改種子模板,再進(jìn)行計算機(jī)分類。結(jié)合目視解譯,對極少數(shù)難以辨別的影斑,進(jìn)行屬性類型的修改和編輯,完成拓?fù)錂z査,最后獲得2期研究區(qū)土地利用類型解譯結(jié)果。以野外建立的解譯標(biāo)志和歷史土地利用類型圖、Google Earth等其他相關(guān)資料為參考,驗證土地利用斑塊的解譯精度。共隨機(jī)抽樣12個點,復(fù)合圖斑 268個,遙感解譯的正確率為88.8%。2期遙感圖像分類的Kappa系數(shù)分別為0.862和0.869,符合解譯精度要求。參照土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 21010—2007)和實際研究需要,將研究區(qū)的土地利用類型分為林地、草地、耕地、建設(shè)用地、未利用地和水域6大類。利用Fragstats,計算景觀破碎度、多樣性、均勻度和優(yōu)勢度在斑塊類型水平和景觀水平的值。

        2.2 研究方法

        2.2.1 景觀生態(tài)安全度模型 景觀生態(tài)安全度模型是景觀生態(tài)安全評價研究的關(guān)鍵內(nèi)容之一[18-20]。景觀生態(tài)安全包括景觀格局和景觀生態(tài)質(zhì)量2個層面的生態(tài)安全性;因此,構(gòu)建景觀生態(tài)安全格局(Landscape Ecological Security Pattern,LESP)指數(shù),以反映研究區(qū)景觀格局受人類活動干擾所表現(xiàn)的生態(tài)安全性,構(gòu)建景觀生態(tài)質(zhì)量(Landscape Ecological Quality,LEQ)指數(shù),以反映研究區(qū)所表現(xiàn)的景觀生態(tài)質(zhì)量,繼而以景觀生態(tài)安全格局(LESP)指數(shù)和景觀生態(tài)質(zhì)量(LEQ)指數(shù)為參數(shù),構(gòu)建景觀生態(tài)安全度 (Landscape Ecological Security Degree,LESD)模型。

        1)景觀生態(tài)安全格局指數(shù)(LESP) 首先構(gòu)建景觀生態(tài)安全風(fēng)險(Landscape Ecological Security Risk,LESR)指數(shù),反映景觀格局存在的生態(tài)安全風(fēng)險狀況,其計算公式為

        式中:Ii為第i類景觀的干擾度;LESRi為第i類景觀的生態(tài)安全風(fēng)險指數(shù);FNi為第i類景觀的破碎度指數(shù);Hi為第i類景觀的多樣性指數(shù);Ei為第i類景觀的均勻度指數(shù);Di為第i類景觀的優(yōu)勢度指數(shù);a、b、c和d分別為各景觀格局指數(shù)對應(yīng)的權(quán)重,采用層次分析法,確定各個指標(biāo)的權(quán)重值,其相應(yīng)的權(quán)重分別為0.28、0.31、0.23和0.18;Vi為第 i類景觀類型的脆弱度。

        景觀類型脆弱度的大小,反映了景觀類型脆弱性的強(qiáng)度,即景觀類型對外界干擾的敏感性。景觀類型脆弱性越強(qiáng),抵御外界干擾的能力越弱。景觀類型脆弱度不僅與外界干擾的類型、強(qiáng)度及幅度相關(guān),同時受自身的自然屬性和生態(tài)演替階段的影響;因此,景觀類型脆弱度非常復(fù)雜,且狀態(tài)不穩(wěn)定。筆者結(jié)合干熱河谷土地利用類型及其植被、土壤和水文特征,參考相關(guān)文獻(xiàn),以相對指數(shù)來衡量不同景觀類型之間的脆弱程度[21-22],確定研究區(qū)水域、耕地、草地、林地、未利用地和建設(shè)用地6種景觀類型的相對脆弱度指數(shù)分別為6、5、4、3、2和1。以極差法對相對脆弱度指數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后,參與模型計算,景觀格局指數(shù)的含義及計算方法參見文獻(xiàn)[23]。

        景觀生態(tài)安全格局(LESP)指數(shù)是景觀生態(tài)風(fēng)險(LESR)指數(shù)的余數(shù),景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù)越高,景觀生態(tài)安全格局指數(shù)越小。其計算公式為

        式中:LESP為景觀生態(tài)安全格局指數(shù);TA為采樣單元的面積;TAi為第i類景觀的面積。

        2)景觀生態(tài)質(zhì)量指數(shù)(LEQ) 區(qū)域景觀生態(tài)安全不僅取決于景觀格局的生態(tài)安全性,同時與景觀類型所具有的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值及植被覆蓋度有關(guān)。景觀的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值越高,該類型的景觀生態(tài)安全性越好,越利于生態(tài)安全的維護(hù)。植被覆蓋度越高,對生態(tài)安全的調(diào)節(jié)能力越好。以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值和植被覆蓋度為參數(shù),構(gòu)建景觀生態(tài)質(zhì)量指數(shù)(LEQ),以衡量各類干擾狀況下的區(qū)域景觀生態(tài)質(zhì)量。其計算公式為

        式中:ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值,結(jié)合研究區(qū)實際生態(tài)狀況,通過調(diào)整 R.Costanza 等[24]和謝高地等[25]的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù),并進(jìn)行計算而得出;VFC為植被覆蓋度,在ENVI軟件中,計算植被覆蓋度;e、f分別為各指數(shù)的權(quán)重。

        生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值是景觀類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的體現(xiàn),景觀類型變化引起了景觀格局和景觀生態(tài)系統(tǒng)功能及價值的變化,是干熱河谷生態(tài)環(huán)境和生態(tài)安全變化的主要因素;植被是維護(hù)干熱河谷生態(tài)系統(tǒng)運行和生態(tài)安全的關(guān)鍵因子,植被覆蓋度反映了干熱河谷植被的生態(tài)狀況及質(zhì)量。于瀟等[5]認(rèn)為,ESV和VFC具有同等重要的意義,筆者參考于瀟等[6]以及相關(guān)研究成果[5,26-28],并結(jié)合研究區(qū)的實際情況,賦予ESV和VFC相同的權(quán)重,e、f值均為0.50。

        進(jìn)而以景觀生態(tài)安全格局(LESP)指數(shù)和景觀生態(tài)質(zhì)量(LEQ)指數(shù)為參數(shù),構(gòu)建景觀生態(tài)安全度(LESD)模型,以研究景觀生態(tài)安全時空變化狀況,其計算公式為

        式中:h和k分別為景觀生態(tài)安全格局指數(shù)和景觀生態(tài)質(zhì)量指數(shù)的權(quán)重。景觀生態(tài)安全格局和景觀生態(tài)質(zhì)量從結(jié)構(gòu)-功能上反映了區(qū)域景觀生態(tài)安全性,兩者均是生態(tài)系統(tǒng)的固有基本屬性。參考裴歡等[5]及其他相關(guān)文獻(xiàn)[6,26-28],對景觀生態(tài)安全格局指數(shù)和景觀生態(tài)質(zhì)量指數(shù)的權(quán)重研究,并咨詢多位相關(guān)領(lǐng)域的專家,認(rèn)為兩者具有同等重要性,因而賦予LESP與LEQ相同的權(quán)重,即h和k值均為0.50。

        參考已有研究[6,29-30],以自然斷點法,將景觀生態(tài)安全標(biāo)準(zhǔn)劃分為5個等級(表1)。

        表1 景觀生態(tài)安全等級含義Tab.1 Interpretation of landscape ecological security levels

        以1 000 m×1 000 m的網(wǎng)格進(jìn)行空間采樣,并計算每一個網(wǎng)格樣點的綜合景觀生態(tài)安全度[22]。研究共采集2 255個采樣單元,以克里金法進(jìn)行空間插值,研究區(qū)域景觀生態(tài)安全的時空分布狀況。

        2.2.2 空間自相關(guān)分析 空間自相關(guān)分析用于檢驗區(qū)域地理現(xiàn)象的空間集聚性。全局空間自相關(guān)是對地理現(xiàn)象的某種屬性,在空間內(nèi)整體趨勢特征的描述。選取Moran's I指數(shù),研究景觀生態(tài)安全度的整體空間集聚特征,其計算公式為

        式中:N為空間單元的數(shù)目;xi和xj為第i個和第j個空間單元的觀測值;X為屬性的平均值W(i,j);W(i,j)為空間權(quán)重矩陣。利用 Moran’s I 分析觀測變量的空間格局時,需進(jìn)行顯著性檢驗,檢驗方法見文獻(xiàn)[31]。

        對于某個地理單元i,通常用局部空間自相關(guān)指數(shù)衡量區(qū)域間的局部空間關(guān)聯(lián)程度,筆者利用局部空間關(guān)聯(lián)指標(biāo)(Local indicators of spatial association,LISA)指數(shù)研究景觀生態(tài)安全度的局部特征。其計算公式為

        式中:Zi和Zj為區(qū)域單元第i種屬性觀測值的標(biāo)準(zhǔn)化值,{W(i,j)}=W,一般為行標(biāo)準(zhǔn)化空間權(quán)重系數(shù)矩陣,此時,其公式具體釋義和檢驗方法見文獻(xiàn)[31]。

        對研究區(qū)景觀生態(tài)安全度進(jìn)行局部空間自相關(guān)分析,并側(cè)重考察顯著性水平較高的局部空間集群指標(biāo),用于反映2008和2016年景觀生態(tài)安全度在局部空間上的集聚性特征。

        2.2.3 地統(tǒng)計學(xué) 地統(tǒng)計學(xué)研究在空間分布上,既具隨機(jī)性又具結(jié)構(gòu)性的地理現(xiàn)象。地統(tǒng)計學(xué)分析不僅可以解釋屬性或現(xiàn)象的空間相關(guān)性,而且通過半變異函數(shù),可以模擬和估計空間未知變量[32]。景觀生態(tài)安全度是一種典型的具有空間變異特征的區(qū)域?qū)傩?,其在空間上的異質(zhì)性規(guī)律,可以用半方差函數(shù)來分析。其公式如下:

        式中:r(h)為半變異函數(shù),揭示區(qū)域尺度的空間變異格局;Z(xi)和Z(xi+h)分別為空間位置xi和xi+h上觀測值,h為2個樣本點空間分隔距離;n(h)為以分隔距離h為時的像元對數(shù)目[33]。

        變異函數(shù)分析通常以對半變異函數(shù)圖的模型擬合為基礎(chǔ),主要參數(shù):C0(塊金值)反映了空間采樣誤差和小于最小采樣尺度引起的隨機(jī)變異。C(偏基臺值)反映了空間自相關(guān)部分引起的空間異質(zhì)性;C0+C(基臺值)反映了研究區(qū)域變量的最大變異程度;C0/C0+C(塊金方差與及基臺值之比)反映了非結(jié)構(gòu)因素隨機(jī)部分引起的空間異質(zhì)性,占總空間異質(zhì)性的比重;Ad(變程)反映了空間自相關(guān)性的最大約束范圍[34]。

        3 結(jié)果與分析

        3.1 景觀生態(tài)安全度的變化

        2008和2016年研究區(qū)景觀生態(tài)安全度的空間分布格局大致相同,與研究區(qū)地形分異特征保持了一致性,即呈現(xiàn)南高北低、東高西低的特征(圖1)。景觀生態(tài)安全度較高的區(qū)域主要分布于研究區(qū)東部、南部和西部邊緣的中高山區(qū),及龍川江中段河谷壩區(qū)。研究區(qū)1 600 m以上的中高山植被類型多為灌叢草地,也有片狀森林分布[15]。植被覆蓋度好,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值較高,人口密度小,人為干擾相對較少,景觀格局較為合理,因而景觀生態(tài)安全度值較高。

        圖1 2008和2016年景觀生態(tài)安全度空間分布Fig.1 Spatial distribution of LESD in 2008 and 2016

        龍川江中段河谷壩區(qū)是研究區(qū)水澆地的主要分布區(qū),擁有較為完備的灌溉系統(tǒng),長久的農(nóng)業(yè)經(jīng)營活動,形成了良好的人工生態(tài)系統(tǒng),景觀結(jié)構(gòu)合理,人工植被恢復(fù)較好,植被覆蓋度高,因而該區(qū)域的景觀生態(tài)安全性較好。景觀生態(tài)安全度低值出現(xiàn)在研究區(qū)的壩周低山和中低山區(qū)。壩周低山帶為溝谷強(qiáng)烈切割的低山和階地,具有典型的干熱河谷氣候,自然植被強(qiáng)烈退化為以扭黃茅-車桑子(Dodonaea viscosa)群落為基帶的稀樹灌木草叢,植被覆蓋率低。中低山為元謀盆地兩側(cè)山地下端,是干熱河谷與溫暖山區(qū)的過渡類型。植被類型以稀樹灌木草叢、非泥巖山地灌木林成分較多,有少量云南松(Pinus yunnanensis faranch)和桉樹(Eucalyptus),植被覆蓋狀況略好于壩周低山帶。壩周低山和中低山受水熱組合條件、生態(tài)用水的制約,及放牧、墾殖等強(qiáng)烈人類活動的影響,加之海拔相對較低,坡度較小,遂成為各種土地利用類型爭奪的主要空間地帶;因此,土地斑塊數(shù)量多,景觀破碎度高,景觀生態(tài)結(jié)構(gòu)不合理,景觀生態(tài)質(zhì)量差,是研究區(qū)水土流失和生態(tài)環(huán)境問題的集中區(qū)域,因而景觀生態(tài)安全度低。

        空間采樣結(jié)果統(tǒng)計(表2)表明,研究區(qū)景觀生態(tài)安全格局指數(shù)(LESP)、景觀生態(tài)質(zhì)量指數(shù)(LEQ)及景觀生態(tài)安全度指數(shù)(LESD)值都處于0.40~0.60之間,均屬于臨界安全等級,反映研究區(qū)景觀生態(tài)安全較為敏感。LESP值處于0.40~0.50之間,表明景觀格局的生態(tài)安全性較差,主要原因是研究區(qū)受山地地形影響,坡度變化大,微地形發(fā)育。水熱條件與微地形結(jié)合,導(dǎo)致生境變化快,極易形成破碎化的斑塊,土地斑塊平均面積小(2016年僅為5.4 hm2),成為土地利用的主要制約因素,不利于景觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,因而LESP值偏低,較接近于生態(tài)不安全值的閾值0.42(表1)。LEQ值處于0.50~0.60之間,表明研究區(qū)景觀生態(tài)安全較為穩(wěn)定的處于臨界安全范圍值的中段。研究區(qū)土地利用類型結(jié)構(gòu)以林地和草地為主(占比在80%以上),灌木林和灌草叢是研究區(qū)的景觀基質(zhì),生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值不高。研究區(qū)植被覆蓋度值在0.50左右,植被覆蓋度較低。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值不高和較低的植被覆蓋度,使研究區(qū)LEQ值位于臨界生態(tài)安全區(qū)間。研究區(qū)景觀生態(tài)安全度(LESD)在0.50~0.53之間,較傾向于臨界生態(tài)安全狀態(tài)低值區(qū),主要是由于景觀生態(tài)安全格局指數(shù)(LESP)值偏低,使景觀生態(tài)安全度(LESD)值朝著臨界生態(tài)安全區(qū)間的低值端傾斜。

        表2 景觀生態(tài)安全各指數(shù)統(tǒng)計表Tab.2 Statistics of landscape ecological security indexes

        從各指數(shù)的變化來看,2008—2016年研究區(qū)景觀生態(tài)安全格局指數(shù)(LESP)值由0.493降至0.465,表明景觀生態(tài)安全格局狀況變差,主要是因為草地和未利用地減少及建設(shè)用地的增加,使得景觀斑塊數(shù)量增多,景觀破碎化程度上升。人類的干擾活動使景觀類型的分布朝有利于人類自身生產(chǎn)和生活需求方向發(fā)展,造成景觀均勻度上升,優(yōu)勢度下降,景觀基質(zhì)所占比例下降,景觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜化,景觀格局合理性下降,因而LESP值下降。LEQ值由0.555增至0.559,表明景觀生態(tài)環(huán)境質(zhì)量略有提升,主要是由于林地的增加,提高了生態(tài)服務(wù)價值,草地轉(zhuǎn)化為林地,未利用地轉(zhuǎn)化為耕地,使植被覆蓋度提升。LESD值從0.524降至0.512,景觀生態(tài)安全狀況略有下降,主要是由于LESP值的下降。從各個等級景觀生態(tài)安全度區(qū)域面積所占比例來看,呈現(xiàn)“兩頭小、中間突出”的特征,即Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅳ級和Ⅴ級的區(qū)域面積小,Ⅲ級區(qū)域面積比例大。Ⅴ級區(qū)域面比例Ⅰ級區(qū)域面積比例都在10%以下,Ⅳ級區(qū)域面積比例和Ⅱ級區(qū)域面積比例在8%~15%之間,Ⅲ級區(qū)域面積比例在60%以上(圖2)。

        圖2 景觀生態(tài)安全各等級區(qū)域面積比例Fig.2 Area proportion of each landscape ecological security level

        3.2 景觀生態(tài)安全度空間自相關(guān)性

        研究區(qū)景觀生態(tài)安全度的Moran's I值,從2008年的0.600上升至2016年的0.633,均通過了P值為0.05的檢驗,表明景觀生態(tài)安全度在整體空間上存在正相關(guān)關(guān)系,并在空間分布上呈現(xiàn)聚集態(tài)勢。景觀生態(tài)安全度總體空間格局表現(xiàn)為:景觀生態(tài)安全度高的區(qū)域,傾向于與其他景觀生態(tài)安全度高的區(qū)域相鄰;而景觀生態(tài)安全度較低的區(qū)域,傾向于與其他景觀生態(tài)安全度較低的區(qū)域相鄰。主要原因在于研究區(qū)的地形分異特征十分明顯,同一垂直自然帶的氣候、土壤等生態(tài)條件具有相似性,土地利用空間分布地帶性特征明顯,因而景觀類型、景觀格局及植被覆蓋度特征具有相似性,使區(qū)域景觀生態(tài)安全性表現(xiàn)出較強(qiáng)的空間自相關(guān)性。Moran's I值增大,表明景觀生態(tài)安全度的全局空間自相關(guān)程度增強(qiáng),2008年和2016年研究區(qū)景觀生態(tài)安全度(因為人為干擾,強(qiáng)化了土地利用類型的空間集聚特征,使景觀生態(tài)安全度的空間自相關(guān)性更為明顯。

        研究區(qū)2008和2016年景觀生態(tài)安全度局部空間自相關(guān)格局較為一致,顯著性分布區(qū)中,以高值-高值和低值-低值區(qū)域為主,但局部空間相關(guān)性特征發(fā)生一定程度的變化(圖3)。首先表現(xiàn)在高值-高值區(qū)。2008年,高值-高值區(qū)主要分布在研究區(qū)的西南角和南部中高山,在西部中低山也有零散分布。高值-高值區(qū)在空間上比較連續(xù),主要是因為這些區(qū)域海拔較高,是林地的主要分布區(qū),人為干擾較小,景觀結(jié)構(gòu)合理,植被覆蓋度高,因而景觀生態(tài)安全性較好;2016年,高值-高值區(qū)除主要分布在研究區(qū)的西南角和南部的中高山,及西部的中低山區(qū)外,在東部的中高山區(qū)域出現(xiàn)了較為連續(xù)的空間分布,表明退耕還林還草和天然林工程等環(huán)境保護(hù)措施,對東部中高山區(qū)域景觀生態(tài)安全有較為明顯的促進(jìn)作用。其次表現(xiàn)在低值-低值區(qū)。2008年,低值-低值區(qū)主要出現(xiàn)在金沙江沿岸兩側(cè)和龍川江上游的西側(cè),這里屬于典型的干熱河谷區(qū),未利用地和低覆蓋度草地主要分布與此,水土流失嚴(yán)重,植被覆蓋度低,景觀生態(tài)安全性低,且在空間上較為連續(xù),這些區(qū)域的景觀生態(tài)安全風(fēng)險大;2016年,低值-低值區(qū)在金沙江沿岸壩周低山及中低山區(qū)分割明顯,正是該區(qū)域景觀破碎化的反映。主要是因為經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展,使土地空間資源的爭奪日趨激烈,地勢較平的龍川江西側(cè)壩周低山及中低山區(qū),土地后備資源不足,導(dǎo)致對金沙江沿岸壩周低山及中低山區(qū)的未利用地和荒地的開發(fā)力度增強(qiáng),土地利用的連續(xù)性被打破,因而該區(qū)域的低值-低值區(qū)景觀生態(tài)安全性連續(xù)分布空間呈現(xiàn)破碎化特征。

        圖3 景觀生態(tài)安全度局部空間自相關(guān)LISA集群圖Fig.3 LISA cluster map of local spatial autocorrelation of LESD

        3.3 景觀生態(tài)安全度時空分異特征

        以地統(tǒng)計學(xué)方法,研究景觀生態(tài)安全度時空分異特征,表明2008年球形模型擬合效果最佳,復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.915;2016年指數(shù)模型擬合效果最佳,復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.923(表3)。

        表3 景觀生態(tài)安全度理論變異函數(shù)Tab.3 Theoretical variation function of landscape ecological security degree

        空間異質(zhì)性主要由隨機(jī)性和自相關(guān)性2部分組成。從表3可知,2個時段景觀生態(tài)安全度指數(shù)的基臺值(C0+C)分別為0.007 19和0.008 04,基臺值增加,表明景觀生態(tài)安全性的空間分布差異呈增大趨勢,主要是由于土地經(jīng)營、退耕還林還草、天然林等人為干擾,使景觀生態(tài)安全的空間分布更具人類目的性,加大了空間分布的差異性。塊金值和基臺值之比(C0/C0+C)在2008和2016年分別為28.5%和32.6%,表明以地形、氣候為主的結(jié)構(gòu)性自然因素仍是景觀生態(tài)安全度空間分布的決定性因素,但C0/C0+C的增大,表明非結(jié)構(gòu)性因素的影響作用力強(qiáng)化,即人為干擾強(qiáng)化了對研究區(qū)景觀生態(tài)安全空間分布的影響力。自然因素中,特殊的山地地形與水、汽和熱在空間上的組合條件等結(jié)構(gòu)因素,決定了景觀生態(tài)安全度在空間上具有非均質(zhì)性,而經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展,使人為干擾的作用對景觀生態(tài)安全的影響力增強(qiáng),未利用地的開發(fā)、耕地開墾、城市擴(kuò)張及生態(tài)修復(fù)工程等人類活動,改變了景觀格局和景觀生態(tài)質(zhì)量,使景觀生態(tài)安全性變化更為復(fù)雜。變程(A0)反映了人為開發(fā)利用活動在空間上的相關(guān)性,這種相關(guān)性尤其受到土地利用方式的地域分布差異的強(qiáng)烈約束。2008年研究區(qū) A0為764.82 m,2016年 A0為 2 031.65 m,為 2008年的2.66倍,變程值明顯增大。自然狀態(tài)下,研究區(qū)地形破碎,使景觀類型的空間自相關(guān)性范圍相對較短,但是人為因素卻能通過改變土地利用方式和土地類型的空間分布,影響空間自相關(guān)性的范圍。在土地開發(fā)利用過程中,人類有目的、有意識,且同質(zhì)化的土地利用方式,使景觀類型的空間分布約束作用強(qiáng)化,景觀分布的趨同性增強(qiáng),因而景觀生態(tài)安全度的變程范圍明顯擴(kuò)大。

        4 討論

        筆者以遙感和GIS為技術(shù)平臺,構(gòu)建景觀生態(tài)安全度模型,結(jié)合空間自相關(guān)和地統(tǒng)計學(xué),研究元謀干熱河谷景觀生態(tài)安全的時空變化特征。以往的多數(shù)研究表明,研究區(qū)龍川江西側(cè)的干熱河谷區(qū),人為干擾活動強(qiáng)烈,而金沙江北岸的干熱河谷區(qū),人為活動程度相對較輕;筆者研究發(fā)現(xiàn),金沙江沿岸的干熱河谷景觀生態(tài)安全性較低,2016年低值-低值區(qū)在金沙江沿岸壩周低山及中低山區(qū)分割明顯,表明干熱河谷中強(qiáng)烈的人為活動空間范圍,由龍川江河谷擴(kuò)展至金沙江河谷,金沙江河谷的景觀生態(tài)安全需引起重視。干熱河谷區(qū)是元謀的人類主要活動區(qū)域,人為干擾成為干熱河谷主要的景觀生態(tài)安全風(fēng)險源,然而人為干擾如何影響景觀生態(tài)安全卻沒有得到有效解釋;因此,需要深入研究人為干擾方式、強(qiáng)度和幅度對景觀生態(tài)安全的影響,為實施合理的人為調(diào)控措施提供依據(jù)。

        景觀生態(tài)安全度反映了景觀尺度下,區(qū)域生態(tài)安全格局和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量特征,但是筆者僅限于對景觀生態(tài)安全狀態(tài)的評價,難以解釋主要生態(tài)過程對景觀生態(tài)安全的作用?,F(xiàn)有景觀生態(tài)安全研究雖認(rèn)為,干擾景觀自然屬性及生態(tài)演替階段對景觀類型脆弱度有影響,但因為這些因素具有復(fù)雜性和狀態(tài)不穩(wěn)定性,其作用力難以量化;因此,多采取相對指數(shù),確定景觀類型的脆弱度,影響了景觀生態(tài)安全評價的客觀性,如何量化景觀類型脆弱度,亟待深入探討。

        5 結(jié)論

        1)研究區(qū)景觀生態(tài)安全較為敏感。景觀生態(tài)安全格局指數(shù)(LESP)由0.493降至0.465,使景觀生態(tài)安全格局合理性下降。景觀生態(tài)質(zhì)量指數(shù)(LEQ)由0.555增至0.559,使景觀生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有所提高。景觀生態(tài)安全度(LESD)值從0.524降至0.512,處于臨界生態(tài)安全值范圍,景觀生態(tài)安全水平略有下降。

        2)研究區(qū)景觀生態(tài)安全度雖在整體空間上存在正相關(guān)關(guān)系,局部空間自相關(guān)格局較為一致,但不同年份的景觀生態(tài)安全度空間自相關(guān)性有變化。景觀生態(tài)安全度指數(shù)Moran’s I,從2008年的0.600上升至2016年的0.633,景觀生態(tài)安全度正相關(guān)性增強(qiáng)。景觀生態(tài)安全度顯著性分布區(qū)中,以高值-高值和低值-低值區(qū)域為主。與2008年相比,高值-高值區(qū)在東部的中高山區(qū)域出現(xiàn)了較為連續(xù)的空間上分布;2016年低值-低值區(qū),在金沙江沿岸壩周低山及中低山區(qū)分割明顯,正是該區(qū)域景觀破碎化的反映。

        3)非結(jié)構(gòu)性因素對景觀生態(tài)安全空間分布影響作用力增強(qiáng)。山地地形與水、汽和熱組合條件等自然因素是結(jié)構(gòu)性因素,決定了研究區(qū)景觀生態(tài)安全度的空間異質(zhì)性。非結(jié)構(gòu)因素(主要是人為干擾)的作用增強(qiáng),使研究區(qū)景觀生態(tài)安全時空變化更為復(fù)雜。

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