李月月, 黃義雄, 楊 陽, 謝義堅(jiān), 李 瀟， 葉功富， 高 偉

(福建師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 福建 福州 350007)

隨著城市化的快速發(fā)展，生態(tài)環(huán)境在全球氣候變化和人類活動(dòng)的雙重脅迫下，受到了極大的破壞和沖擊，出現(xiàn)各種生態(tài)問題，如環(huán)境惡化、災(zāi)害加劇等，生態(tài)環(huán)境面臨巨大挑戰(zhàn)[1]，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)問題成為各國學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)[2]。生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)是指一定區(qū)域內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)及其組分受自然或人類活動(dòng)威脅所承受的風(fēng)險(xiǎn)，以及對其健康、生產(chǎn)力、遺傳結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)價(jià)值和美學(xué)價(jià)值產(chǎn)生的不利影響[3-4]。生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)是對生態(tài)環(huán)境災(zāi)害發(fā)生的機(jī)率進(jìn)行定量化地評估[5]，現(xiàn)階段的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)已進(jìn)入?yún)^(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)階段[6]。區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)是生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的一個(gè)分支，它在區(qū)域尺度上反映和評價(jià)環(huán)境污染、自然或人類活動(dòng)對區(qū)域內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能等產(chǎn)生不利作用的可能性以及危害程度[7]。區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)問題是多種因素相互作用的結(jié)果，其作用時(shí)間及產(chǎn)生的后果也很難預(yù)[8]。景觀具有空間異質(zhì)性而景觀本身也是人類活動(dòng)的對象[13]，因此景觀尺度成為研究人類活動(dòng)與生態(tài)環(huán)境的重要尺度[9-10]。景觀的組分結(jié)構(gòu)特征是最易于保存的景觀信息，其變化直接影響區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能[9]。景觀結(jié)構(gòu)還可以比較準(zhǔn)確地顯示各種生態(tài)影響的空間分布以及梯度變化，為各種空間分析手段提供可能[11]。在缺乏生態(tài)監(jiān)測資料的歷史積累時(shí),很多學(xué)者根據(jù)景觀結(jié)構(gòu)及其動(dòng)態(tài)變化特征來揭示綜合性生態(tài)影響的程度和分布范圍[12]。目前生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的研究重點(diǎn)主要集中在流域[13]、行政區(qū)[14]、城市地域[15]，但對于沿海地區(qū)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)研究比較少，因此，本文從區(qū)域景觀結(jié)構(gòu)的角度分析生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，綜合評價(jià)沿海地區(qū)各種生態(tài)影響因子及其積累性結(jié)果。

福建省有我國第二長的海岸線，是我國改革開放的前沿地帶也是經(jīng)濟(jì)發(fā)展最快的地區(qū)之一，土地利用類型變化劇烈，用地矛盾突出，景觀結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，生態(tài)環(huán)境脆弱。本文以福建沿海32個(gè)縣(區(qū))為研究對象，從景觀結(jié)構(gòu)變化的角度來分析福建沿海景觀的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)變化，以更加深入地探究福建沿海生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的變化趨勢。

1 研究區(qū)概況

福建介于23°32′—28°19′N，115°51′—120°52′E，地處看中國東海之濱，東隔臺灣海峽，與臺灣省相望，是中國當(dāng)前對外開放的重點(diǎn)地區(qū)和前沿地帶。沿海地區(qū)屬于亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，是臺風(fēng)、暴雨、風(fēng)暴潮等自然災(zāi)害的多發(fā)區(qū)，年均降水量在1 000～1 800 mm。地處浙閩沿海山地丘陵的東南和閩粵沿海丘陵的北部，地勢總體是西北高，地貌類型復(fù)雜多樣。福建省現(xiàn)有森林覆蓋率為63.1%，居全國第一，是南方的“綠色寶庫”。科學(xué)合理分析沿海地區(qū)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，有利于區(qū)域生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，充分發(fā)揮對內(nèi)對外輻射的作用，帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

以福建沿海2000，2013年兩期的Landsat TM遙感影像為數(shù)據(jù)源(成像時(shí)間集中在6—11月，影像平均含云量低于7%)。根據(jù)中國土地利用分類標(biāo)準(zhǔn)和研究區(qū)內(nèi)不同時(shí)期的土地利用現(xiàn)狀，在ENVI 5.0軟件平臺的支持下，對圖像進(jìn)行融合、校正、配準(zhǔn)等圖像預(yù)處理，用最大似然法進(jìn)行監(jiān)督分類，將研究區(qū)的景觀類型劃分為林地、灌叢、草地、耕地、灘涂、水域、建設(shè)用地和未利用地8類景觀。根據(jù)分類結(jié)果將空間柵格數(shù)據(jù)矢量化，借助ArcGIS 10.0創(chuàng)建拓?fù)潢P(guān)系，最終生成空間信息與屬性信息相結(jié)合的數(shù)據(jù)庫，滿足研究需要。

2.2 基于景觀結(jié)構(gòu)的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)構(gòu)建

景觀指數(shù)法是景觀生態(tài)學(xué)中最常用的定量研究方法，通過單一指數(shù)或若干指數(shù)的結(jié)合，以其數(shù)值變化反映景觀格局變化信息及其結(jié)構(gòu)組成和空間配置，不同的景觀類型具有不同的生態(tài)功能，抵抗外界干擾的能力也不同[16]。本文依據(jù)景觀格局指標(biāo)，通過不同指數(shù)的疊加計(jì)算反映不同景觀類型所代表的生態(tài)系統(tǒng)在受自然和人為干擾情況下其自然屬性損失的程度，用景觀損失指數(shù)(Ri)來表示，計(jì)算公式為：

Ri=Si·Fi

(1)

式中：Si——景觀干擾度指數(shù)；Fi——景觀脆弱度指數(shù)。

景觀干擾度指數(shù)Si指不同區(qū)域受到干擾之后的損失程度，是破碎度、分離度和優(yōu)勢度權(quán)重的疊加，計(jì)算公式為：

Si=aCi+bNi+cDi

(2)

式中：a，b，c——破碎度、分離度和優(yōu)勢度的權(quán)重，其值大小反映不同景觀的生態(tài)系統(tǒng)受到干擾的程度，a+b+c=1，根據(jù)前人研究成果[12]，采用專家咨詢法確定，a,b,c分別賦予0.5，0.3，0.2的權(quán)值.

景觀優(yōu)勢度是斑塊在景觀中所占重要地位的一種指標(biāo)，表達(dá)式為：

Di=(Mi+Li)/4+Pi/2

(3)

式中：Li——相對密度;Pi——蓋度;Mi——頻度;Li=斑塊i的數(shù)目/斑塊的總數(shù)目，Pi=斑塊i的面積/總面積,Mi=斑塊i出現(xiàn)的樣方數(shù)/總樣方數(shù)。

景觀脆弱度指數(shù)是指不同生態(tài)系統(tǒng)的易損性，根據(jù)前人研究結(jié)果[17]，將研究區(qū)的景觀類型生態(tài)脆弱性分為8級，由低到高依次為建設(shè)用地、林地、灌叢、草地、耕地、養(yǎng)殖用地、灘涂和未利用地，對此進(jìn)行歸一化處理后得到各類景觀類型的脆弱度指數(shù)Fi。

2.3 風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

結(jié)合已有的研究經(jīng)驗(yàn)[18]，同時(shí)根據(jù)研究區(qū)范圍和采樣工作量的大小，采用10 km×10 km的正方形風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)采樣格網(wǎng)進(jìn)行等間距采樣，生成237個(gè)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)?；诰坝^指數(shù)所構(gòu)建的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，計(jì)算每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值，計(jì)算公式為[19]：

(4)

式中：ERIi——風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)i的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù);Aki——第k個(gè)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)內(nèi)景觀類型i的面積；A——第k個(gè)小區(qū)的的總面積；Ri——景觀類型i的景觀損失度指數(shù)。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算每一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)的綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，并將其作為該風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)中心質(zhì)點(diǎn)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。

2.4 地統(tǒng)計(jì)分析

地統(tǒng)計(jì)學(xué)是一種檢測、模擬、評估變量在空間上的相關(guān)關(guān)系和格局的統(tǒng)計(jì)方法。為了直觀的表現(xiàn)研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度的空間分布特點(diǎn)，根據(jù)相關(guān)研究[20]，基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)中半方差函數(shù)的理論進(jìn)行模擬分析，利用ArcGIS 10.0平臺地統(tǒng)計(jì)模塊中普通克里格法進(jìn)行插值生成2000,2013年的空間連續(xù)分布圖進(jìn)行空間分析。

2.5 空間自相關(guān)分析

選取MoranI和LISA研究研究區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的空間相關(guān)性，MroanI主要反映空間鄰域單元屬性的相關(guān)性，當(dāng)MoranI>0時(shí)，說明具有正的相關(guān)性，且值越大說明相關(guān)性越明顯，MoranI<0時(shí)，說明具有負(fù)相關(guān)性，值越小說明空間差異性越明顯，MoranI=0時(shí)，說明該屬性在空間上隨機(jī)分布。LISA則反映研究屬性值的高值和低值局部空間的集聚情況，通過識別高—高集聚和低—低集聚區(qū)域反映出局部空間的異常特征。

3 結(jié)果分析

3.1 景觀格局的時(shí)空變化

借助ArcGIS 10.2及Fragsrats 4.2軟件平臺，提取研究區(qū)2000—2013年各景觀類型的面積和斑塊數(shù)目，根據(jù)上述公式，計(jì)算得出福建沿海地區(qū)2000和2013年各景觀格局指數(shù)(表1)。由表1可知，2000—2013年景觀格局發(fā)生了明顯變化，各種土地利用類型的面積均有一定的波動(dòng)，其中建設(shè)用地、林地和水域的面積呈上升趨勢，其他土地利用類型的面積均呈現(xiàn)出下降趨勢。建設(shè)用地面積顯著增加，13 a的增加量為1.13×105hm2，年均增長量為8 680.10 hm2；林地面積也有一定的增長，增長量為1.04×104hm2，水域面積增長面積不明顯。景觀面積下降最明顯的是草地，下降量為3.96×104hm2，其他土地利用類型面積下降的順序依次為灌叢、未利用地、耕地、和灘涂。研究區(qū)內(nèi)建設(shè)用地、林地和水域的斑塊數(shù)目有所增加，分別由2000年的1.26×104，1.69×104和5 640增加至2013年的1.47×104，1.80×104和5 811，灌叢、草地、耕地、灘涂和未利用地的斑塊數(shù)目均有減少，其中灌叢、草地和未利用地減少明顯，分別減少4 976，7 166和3 670，主要是此3種地類穩(wěn)定性差，容易向其他土地利用類型轉(zhuǎn)化。同時(shí)，林地、灌叢、草地、耕地和未利用地的破碎度和分離度指數(shù)均有不同程度的上升，由此說明這5種景觀類型的破碎化程度加深，分離度加大，隨機(jī)散布的程度加劇，損失度上升；隨著城市化進(jìn)程的加快，城市建設(shè)面積的不斷增加，使建設(shè)用地的破碎度和分離度逐漸下降，建設(shè)用地的地域分布也逐漸趨于集中，損失度下降，同時(shí)也表明自然景觀不斷向人文景觀轉(zhuǎn)化，因此所導(dǎo)致福建沿海地區(qū)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)加大。

3.2 景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)空分異及格局變化

根據(jù)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的計(jì)算公式計(jì)算出福建沿海237個(gè)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)在不同時(shí)期的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，并選取最佳的變異函數(shù)進(jìn)行擬合，通過比較2000年和2013年均用球狀模型擬合效果最佳，然后利用ArcGIS 10.2的地統(tǒng)計(jì)分析模塊對福建沿海2000和2013年的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行克里金插值，并以自然間斷法的方法將生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分為低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)(ERI<0.012 9)、較低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)(0.012 9≤ERI<0.014 3)、中生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)(0.014 3≤ERI<0.018 1)、較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)(0.018 1≤ERI<0.028 7)和高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)(ERI>0.028 7)5個(gè)等級，得到福建沿海生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的空間分布圖，并對不同生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

表1 研究區(qū)各景觀類型的景觀格局指數(shù)

從圖1和表2可以看出，福建省沿海地區(qū)2000和2013年的的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分布均大致呈帶狀分布，2000年處于低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級和較低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級的面積分別為4.24×105hm2和2.67×105hm2,分別占研究區(qū)總面積的17.7%和11.1%，低風(fēng)險(xiǎn)等級主要分布在沿海北部的福鼎市、霞浦縣、蕉城區(qū)和羅源縣等地區(qū)，較低風(fēng)險(xiǎn)等級主要分布在低風(fēng)險(xiǎn)等級的外圍，此地帶的林地和耕地面積大，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)相對較低，中風(fēng)險(xiǎn)等級主要分布在福安市、連江縣的西側(cè)以及福清市—城廂區(qū)的中部、泉港區(qū)、惠安縣和南安市以及同安區(qū)的大部分區(qū)域，面積為5.45×105hm2，約占研究區(qū)總面積的22.9%，這些地區(qū)主要為耕地向建設(shè)用地的過渡地帶。較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域主要分布于連江—城廂區(qū)和豐澤區(qū)和杏林區(qū)的沿海地帶，以及龍海市、詔安縣和東山島等地區(qū)，面積為7.38×105hm2，占研究區(qū)總面積的31.4%，這些區(qū)域的景觀類型單一，未利用地和草地的分布較多，因此生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較高。高風(fēng)險(xiǎn)等級主要集中在平潭縣、湄湘灣北岸以及漳浦縣和云霄縣，這些區(qū)域主要由于人類干預(yù)活動(dòng)加大，林地退化導(dǎo)致斑塊破碎化程度高以及分離度加大，因此生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)高，約占總面積的16.8%。與2000年相比，2013年低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)、較低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)及中生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的面積均有不同程度的增加，低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)面積增加5 813.85 hm2，主要發(fā)生在霞浦一帶，其主要原因?yàn)榱值孛娣e有所增加，生態(tài)脆弱性降低。較低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級的面積增加1.03×104hm2，增加量主要由低風(fēng)險(xiǎn)等級的轉(zhuǎn)化。中風(fēng)險(xiǎn)等級面積增加1.29×105hm2，空間位置的變化主要表現(xiàn)為向東部的擴(kuò)張，侵占了2 000處于較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級的區(qū)域，其在長樂市至城廂區(qū)表現(xiàn)最明顯，主要原因是城市進(jìn)程的加快，導(dǎo)致建設(shè)用地面積大量增加，出現(xiàn)規(guī)?；某鞘芯坝^，連通性增加，景觀破碎化程度降低，而建設(shè)用地的脆弱度又較小，因此生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)降低。較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級和高生態(tài)風(fēng)等級的面積均有不同程度的減小，面積減少量分別為1.50×104hm2和1.30×104hm2，分別由31.4%，16.8%降低至30.8%和11.4%，較高風(fēng)險(xiǎn)等級的空間變化除了長樂至相城區(qū)的面積減少外，龍海市和漳浦縣地區(qū)面積增加，大部分來源于高風(fēng)險(xiǎn)等級的轉(zhuǎn)化，主要由于建設(shè)用地面積的逐漸增加和集中導(dǎo)致景觀分離度和景觀脆弱度逐漸降低。

圖1 研究區(qū)2000，2013年生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分布

表2 研究區(qū)2000-2013年各風(fēng)險(xiǎn)等級面積hm2

3.3 福建沿海生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的空間關(guān)聯(lián)分析

在ArcGIS 10.2中計(jì)算福建沿海地區(qū)2000和2013年生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的全局MoranI值，分別為0.798 6和0.660 8，表明福建沿海地區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)在空間上具有較強(qiáng)的集聚效應(yīng)，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)高的區(qū)域周圍生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)也高，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)低的區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)也低。2000—2013年MoranI值呈下降趨勢，表明福建沿海地區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的空間自相關(guān)性有所下降，空間趨同性有所下降。從局部空間自相關(guān)的集聚程度可以看出，福建沿海2000,2013年生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)空間分布均以高—高聚集和低—低聚集為主，2000—2013年發(fā)生變化的區(qū)域主要發(fā)生在沿海南部的漳浦縣至云霄縣一帶，主要表現(xiàn)為高值聚集區(qū)的分布由聚集向分散的演變。低值集聚主要集中在沿海北部的福鼎市、蕉城區(qū)及羅源縣，高值集聚區(qū)主要分布在龍海市、漳浦縣及云霄縣一帶。

3.4 景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級轉(zhuǎn)移分析

分析表3可知，2000—2013年研究區(qū)內(nèi)由低等級向高等級轉(zhuǎn)換的總面積為1.28×105hm2，約占研究區(qū)總面積的5.3%，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級由高級向低級轉(zhuǎn)換的總面積為4.08×105hm2，占研究區(qū)總面積的17.03%，其中面積變化最大的是較高風(fēng)險(xiǎn)等級向中風(fēng)險(xiǎn)等級的轉(zhuǎn)化，其次是高風(fēng)險(xiǎn)等級向較高風(fēng)險(xiǎn)等級的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換量分別為1.69×105hm2和1.41×105hm2，說明福建沿海地區(qū)較高風(fēng)險(xiǎn)等級和高風(fēng)險(xiǎn)等級的面積不斷減小，總體生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)呈下降趨勢，生態(tài)環(huán)境逐步好轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)化區(qū)域主要集中在長樂市—城廂區(qū)以及龍海市和漳浦縣，主要是這些區(qū)域城市建設(shè)用地快速增加，建設(shè)用地逐步替代了其他土地利用類型，使城市建設(shè)用地的斑塊面積增加，景觀破碎化程度降低，而城市建設(shè)用地自身的脆弱性較低，因而生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)也呈現(xiàn)下降趨勢。2013年福建沿海區(qū)域處于高風(fēng)險(xiǎn)和較高風(fēng)險(xiǎn)等級的面積為1. 01×106hm2，占研究區(qū)總面積的42.17%，說明13 a來福建沿海地區(qū)景觀生態(tài)問題依然很嚴(yán)峻，且出現(xiàn)局部惡化的趨勢。

圖2 2000,2013年研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的局部空間相關(guān)性

表3 研究區(qū)2000-2013年各生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級的轉(zhuǎn)移矩陣hm2

4 結(jié) 論

(1) 2000—2013年研究區(qū)內(nèi)景觀格局發(fā)生了較大變化，其中建設(shè)用地、林地和水域的面積呈上升趨勢，灌叢、草地、耕地、灘涂和未利用地的面積均呈現(xiàn)下降趨勢，且斑塊數(shù)目減少，破碎化程度加深，而建設(shè)用地的破碎度和分離度逐漸下降，地域分布逐漸趨于集中，損失度下降。

(2) 研究區(qū)2000和2013年的的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分布均大致呈帶狀分布，2000年研究區(qū)內(nèi)各風(fēng)險(xiǎn)等級面積相對均衡，中等和較高風(fēng)險(xiǎn)等級最多分別占總面積的22.9%和31.4%.2013年較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級和高生態(tài)風(fēng)等級的面積?？傮w生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)呈下降趨勢，生態(tài)環(huán)境逐步好轉(zhuǎn)。

(3) 2000和2013年研究區(qū)內(nèi)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)在空間上具有較強(qiáng)的集聚效應(yīng)，均以高—高聚集和低—低聚集為主，2000—2013年集聚發(fā)生變化的區(qū)域主要發(fā)生在沿海南部的漳浦縣至云霄縣一帶，主要表現(xiàn)為高值聚集區(qū)的分布由聚集向分散的演變。低值集聚主要集中在沿海北部的福鼎市、蕉城區(qū)及羅源縣，高值集聚區(qū)主要分布在龍海市、漳浦縣及云霄縣一帶。