呂樂婷,張 杰,孫才志,2,*,王曉蕊,鄭德鳳

1 遼寧師范大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院,大連 116029 2 遼寧師范大學(xué)海洋經(jīng)濟(jì)與可持續(xù)發(fā)展研究中心,大連 116029

區(qū)域生態(tài)風(fēng)險評價是指從區(qū)域的尺度上,評價自然及人類活動對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)所造成的不利影響的可能性和危害程度的評價[1]。土地利用/覆被變化(LUCC)是人類開發(fā)利用自然環(huán)境最重要的表現(xiàn)形式,其方式的變化不僅對土壤、大氣、水等綜合地理要素產(chǎn)生影響,同時會威脅區(qū)域的生態(tài)環(huán)境健康[2- 5]。流域作為人類活動的重要場所,是連接地表水與地下水、土地覆蓋和生態(tài)系統(tǒng)的重要綜合生態(tài)地理區(qū)域[6]。流域生態(tài)風(fēng)險評價是流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)與管理的重要研究內(nèi)容,基于流域土地利用/覆被變化及景觀生態(tài)變化的流域生態(tài)風(fēng)險評價工作是當(dāng)前流域生態(tài)管理工作關(guān)注的重點(diǎn)內(nèi)容之一。

與一般的區(qū)域生態(tài)風(fēng)險評價相比,流域生態(tài)風(fēng)險評價具有其獨(dú)特的流域特征[7]。流域生態(tài)風(fēng)險評價方法主要分為基于單一或多源污染因子評價法和景觀分析法[8]。景觀分析法是選取適當(dāng)?shù)木坝^指數(shù),以景觀類型及格局作為評價受體,對生態(tài)風(fēng)險的分布和演化過程進(jìn)行定量分析[7],目前在國內(nèi)外已得到廣泛應(yīng)用。如：Potter等[9]探索了美國北卡羅來納州73個流域的景觀格局與非點(diǎn)源污染生態(tài)風(fēng)險之間的關(guān)系,Obery等[10]評價了美國Codorus Creek流域景觀格局對脆弱生境的累計(jì)風(fēng)險效應(yīng)；黃木易等[11]探索了近20年來巢湖流域景觀格局變化特征及生態(tài)風(fēng)險時空演化規(guī)律；劉永超等[12]基于景觀干擾度指數(shù)和景觀脆弱度指數(shù)評估了近30年美國Tampa Bay流域景觀格局及生態(tài)風(fēng)險的時空特征；劉世梁等[13]基于景觀格局和土壤侵蝕過程評估了云南省紅河流域景觀生態(tài)風(fēng)險分布規(guī)律。這些研究成果為國內(nèi)外流域生態(tài)規(guī)劃、景觀結(jié)構(gòu)調(diào)整及格局優(yōu)化、社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展決策等提供了理論依據(jù)。目前,流域生態(tài)風(fēng)險評價研究已涵蓋了濕潤區(qū)、半濕潤區(qū)以及干旱區(qū)流域的湖泊、河流、河口三角洲、海岸帶等地[14],而以開發(fā)歷史悠久的東北老工業(yè)基地采礦流域作為研究對象的案例尚屬空白。

細(xì)河為遼寧省太子河一級支流,流域煤炭開采歷史悠久。長期粗放式開采使礦區(qū)地下水水位大幅下降,采礦區(qū)土地資源和森林資源遭到嚴(yán)重破壞,導(dǎo)致流域景觀生態(tài)發(fā)生變化。本研究結(jié)合細(xì)河流域的實(shí)際情況,基于流域1985、1995、2005和2015年遙感影像解譯而得的土地利用圖,采用由景觀干擾度及景觀類型脆弱度指數(shù)共同構(gòu)建的景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù),對流域生態(tài)風(fēng)險的時空分布特征及空間關(guān)聯(lián)特征進(jìn)行了評估。研究結(jié)果可為基于生態(tài)安全的流域土地利用規(guī)劃與管理提供科學(xué)依據(jù)。

圖1 細(xì)河流域概況及生態(tài)風(fēng)險評價單元的劃分

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)處理

1.1 研究區(qū)概況

細(xì)河流域位于遼寧省本溪市境內(nèi),地處123°30′—124°00′E,40°45′—41°20′N。全長120 km,流域總面積1119 km2。細(xì)河主要流經(jīng)本溪市南芬區(qū)、平山區(qū)和本溪滿族自治縣。流域山地較多,地勢東南高、西北低(圖1)。細(xì)河流域?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū),年均降水量800 mm,主要集中于夏季6—9月份[15]。流域內(nèi)有豐富的鐵礦資源和森林資源。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本文所用的1985、1995和2005年3期Landsat TM及2015年Landsat OLI遙感影像來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn),空間分辨率為30 m,影像軌道號/行號分別為119/31和119/32,每期2景,成像時間均在植被生長茂盛期6—10月,影像的云量均低于2%。借助ENVI 5.1軟件對圖像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、影像的拼接與裁剪,并根據(jù)實(shí)際情況選擇7、5、2波段組合方案,同時對影像進(jìn)行2%的拉伸以增強(qiáng)解譯效果。本文利用最大似然法,參考1984年我國農(nóng)業(yè)區(qū)劃辦組織制定的《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》將流域的土地利用分為6個一級分類,詳見流域土地利用分類圖(圖2),并結(jié)合Google Earth建立混淆矩陣對結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果顯示,所解譯的4個時段土地利用圖Kappa系數(shù)均在0.8以上,達(dá)到了中分辨率遙感影像精度使用要求[16- 17]。本文所用DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云的ASTER GDEM(V1)數(shù)據(jù)集,柵格大小為30 m。并以DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),借助ArcGIS中的水文分析模塊,生成細(xì)河流域集水區(qū)域。

圖2 細(xì)河流域土地利用圖

2 研究方法

2.1 流域生態(tài)風(fēng)險分析

2.2.1 生態(tài)風(fēng)險評價單元的劃分

為了能夠?qū)⒕坝^生態(tài)風(fēng)險指數(shù)空間化,在考慮景觀空間異質(zhì)性、斑塊大小和流域面積的基礎(chǔ)上,本研究按照細(xì)河流域景觀斑塊平均面積的2—5倍進(jìn)行網(wǎng)格采樣[18]。采用等間距的方式將細(xì)河流域劃分為340個2 km×2 km的正方形網(wǎng)格生態(tài)風(fēng)險評價單元(圖1)。

2.2.2 景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù)構(gòu)建

本研究依據(jù)土地利用類型的面積比重和景觀損失度指數(shù)Ri構(gòu)建景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù)ERI[19- 20],公式如下：

(1)

式中,ERIk為景觀生態(tài)風(fēng)險評價單元k的景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù),該值越大表示該評價單元的生態(tài)風(fēng)險程度越高,反之,生態(tài)風(fēng)險程度越低。Aki為景觀生態(tài)風(fēng)險評價單元k中i類景觀的面積,Ak為景觀生態(tài)風(fēng)險評價單元k的總面積,Ri為i類景觀的損失度指數(shù),通過景觀干擾度指數(shù)Ei和各景觀類型的脆弱度指數(shù)Vi構(gòu)建[21],公式如下：

Ri=Ei×Vi

(2)

其中景觀干擾度指數(shù)Ei[21]公式如下：

Ei=aCi+bNi+cFi

(3)

式中,C、N、F分別為景觀破碎度指數(shù)、分離度指數(shù)和分維數(shù)指數(shù),其生態(tài)學(xué)含義及計(jì)算方法見表1；a、b、c分別為各景觀指數(shù)的權(quán)重,a+b+c=1,根據(jù)相關(guān)研究[22]并結(jié)合細(xì)河流域?qū)嶋H情況,分別賦值0.5、0.3、0.2。

景觀類型的脆弱度指數(shù)Vi由專家咨詢法并歸一化獲得,具生態(tài)學(xué)含義見(表1)。

表1 景觀格局指數(shù)計(jì)算方法

2.2 空間自相關(guān)分析

空間自相關(guān)分析通過描述某一要素的屬性值與其在空間上相鄰的各要素屬性值之間是否存在顯著關(guān)聯(lián)的關(guān)系,來揭示空間參考單元和相鄰單元在屬性特征值方面的空間相關(guān)特征。其指標(biāo)分為兩種：全局Moran′sI指數(shù)用于檢驗(yàn)?zāi)骋灰氐膶傩灾翟谡麄€研究區(qū)內(nèi)的空間相關(guān)性；局部Moran′sI指數(shù)用于反映某一要素的屬性值和相鄰空間單元的相關(guān)性[13,28]。全局空間自相關(guān)指數(shù)的計(jì)算公式如下[29]：

(4)

(5)

(6)

式4中xi表示第i地區(qū)的觀測值,n為柵格數(shù),Wij是二進(jìn)制的鄰接空間權(quán)重矩陣,用來表示空間對象的鄰接關(guān)系。i=1,2,…,n；j=1,2,…,m；當(dāng)區(qū)域i和區(qū)域j相鄰時,Wij=1；當(dāng)區(qū)域i和區(qū)域j不相臨時,Wij=0。

局部空間自相關(guān)是將Moran′sI指數(shù)分解到各個獨(dú)立的空間要素公式為：

(7)

(8)

Moran′sI值介于-1—1,當(dāng)Moran′sI>0時,表明研究區(qū)存在正相關(guān),研究單元的屬性值呈趨同集聚；當(dāng)Moran′sI<0時,表示負(fù)相關(guān),呈離散分布；當(dāng)Moran′sI=0時,表示不存在空間相關(guān)性。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化分析

3.1.1 土地利用結(jié)構(gòu)變化分析

細(xì)河流域1985—2015年土地利用變化狀況如圖2和表2所示。在1985—2015年期間,細(xì)河流域各用地類型中林地、耕地和水域的面積減少,工礦及城鎮(zhèn)建設(shè)用地、未利用地和草地的面積增加。其中林地的面積減少最多,減少量為65.9 km2,面積比例從78.47%減少至72.58%；工礦及城鎮(zhèn)建設(shè)用地的面積增加最多,增加量為103.87 km2,面積比例從1.96%增加至11.24%；未利用地和草地的面積比例分別由0.64%和0.25%增加至1.58%和1.87%；耕地和水域的面積比例分別由17.38%和1.30%減少至12.13%和0.59%。

表2 細(xì)河流域1985—2015年土地利用變化

3.1.2 土地利用轉(zhuǎn)化過程分析

細(xì)河流域1985—2015年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣如表3所示?？梢?1985—2015年,林地是細(xì)河流域土地利用的主要轉(zhuǎn)出類型,其面積主要轉(zhuǎn)出為工礦及城鎮(zhèn)建設(shè)用地、耕地和未利用地；工礦及城鎮(zhèn)建設(shè)用地是細(xì)河流域土地利用的主要轉(zhuǎn)入類型,其面積的增加主要來源于耕地、林地和水域；耕地部分轉(zhuǎn)出為建設(shè)用地,部分由林地轉(zhuǎn)入,轉(zhuǎn)出面積大于轉(zhuǎn)入面積,造成其總體面積減少。其他土地利用方式也產(chǎn)生了不同程度的轉(zhuǎn)化。

3.2 流域景觀生態(tài)風(fēng)險時空變化分析

為了探索細(xì)河流域景觀生態(tài)風(fēng)險的空間分布特征,將每個生態(tài)風(fēng)險評價單元的ERI作為其中心點(diǎn)的屬性值[30],利用ArcGIS地統(tǒng)計(jì)模塊中的普通克里金插值得到細(xì)河流域景觀生態(tài)風(fēng)險的空間分布。并結(jié)合細(xì)河流域的實(shí)際情況和4個時相的ERI指數(shù),利用自然斷點(diǎn)法將細(xì)河流域的ERI劃分為5個生態(tài)風(fēng)險等級：高生態(tài)風(fēng)險區(qū)Ⅴ(ERI>0.145)、較高生態(tài)風(fēng)險區(qū)Ⅳ(0.115

表3 細(xì)河流域1985年—2015年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

細(xì)河流域景觀生態(tài)風(fēng)險整體呈上升趨勢,其中較低、中、較高景觀生態(tài)風(fēng)險區(qū)所占面積較大,而低、高生態(tài)風(fēng)險區(qū)所占面積較小。從各級景觀生態(tài)風(fēng)險區(qū)面積變化來看,1985年細(xì)河流域低、較低景觀生態(tài)風(fēng)險區(qū)面積比例分別為18.3%和33.1%,占細(xì)河流域總面積的51.4%,流域景觀生態(tài)風(fēng)險整體呈現(xiàn)較低的趨勢。其中低景觀生態(tài)風(fēng)險區(qū)主要分布于流域北部海拔較低的本溪市平山區(qū),此區(qū)域的基質(zhì)景觀類型以城鎮(zhèn)建設(shè)用地為主,受到人類干擾的后的損失度低；高景觀生態(tài)風(fēng)險區(qū)主要分布在流域中東部地區(qū),此區(qū)域經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)以農(nóng)耕為主,耕地和未利用地面積較廣且有零散破碎的工礦用地,開鑿礦山,破壞了山地景觀自身的穩(wěn)定性,景觀受人為干擾后易損程度大,耕地景觀的斑塊較破碎。

1985—2005年,細(xì)河流域低、較低、中景觀生態(tài)風(fēng)險區(qū)面積減少而較高、高景觀生態(tài)風(fēng)險區(qū)面積增加。其中較高、高景觀生態(tài)風(fēng)險區(qū)的空間分布格局也發(fā)生了變化,自流域中東部地區(qū)向南部本溪滿族自治縣擴(kuò)散。在研究時段內(nèi)本溪滿自治縣為了發(fā)展農(nóng)業(yè),將大面積林地開墾為耕地,使得原有較完整的景觀變得破碎,景觀生態(tài)風(fēng)險增加；低景觀生態(tài)風(fēng)險區(qū)面積逐漸減少并在流域北部地區(qū)集聚,在研究時段內(nèi)流域北部的本溪市平山區(qū)隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積增加且從無序狀態(tài)向有序方向演變,系統(tǒng)穩(wěn)定性逐步提高。

2005—2015年,細(xì)河流域中等、較高、高景觀生態(tài)風(fēng)險區(qū)的面積比例分別為33.9%、20.9%和7.7%,占流域總面積的62.5%,較1985年相比呈明顯的上升趨勢。較高、高景觀生態(tài)風(fēng)險區(qū)較2005年有所下降,流域南部本溪滿族自治縣的景觀生態(tài)風(fēng)險有所改善。在這10年間,本溪滿族自治縣大力加強(qiáng)城市建設(shè),縣內(nèi)的城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積增加且向有序方向轉(zhuǎn)變,受人為活動干擾后易損程度低,且流域中東部地區(qū)開始施行重建礦區(qū)生態(tài)環(huán)境等措施,降低了礦區(qū)生態(tài)風(fēng)險程度。

圖3 細(xì)河流域景觀生態(tài)風(fēng)險空間分布圖

表4 細(xì)河流域各生態(tài)風(fēng)險等級區(qū)域面積比/%

3.3 景觀生態(tài)風(fēng)險空間相關(guān)性分析

3.3.1 全局自相關(guān)分析

依據(jù)1985—2015年細(xì)河流域景觀生態(tài)風(fēng)險空間分布數(shù)據(jù)得到Moran′sI散點(diǎn)圖(圖4)。細(xì)河流域的景觀生態(tài)風(fēng)險在1985年、1995年、2005年和2015年的全局Moran′sI值分別為0.3254、0.3656、0.3529和0.3665,呈波動上升的趨勢。這說明細(xì)河流域的景觀生態(tài)風(fēng)險在空間上呈現(xiàn)集聚效應(yīng)；景觀生態(tài)風(fēng)險值高的區(qū)域,周邊的景觀生態(tài)風(fēng)險值亦高；景觀生態(tài)風(fēng)險值低的區(qū)域,周邊的景觀生態(tài)風(fēng)險值亦低。

圖4 細(xì)河流域景觀生態(tài)風(fēng)險Moran散點(diǎn)圖

3.3.2 局部自相關(guān)分析

進(jìn)一步對細(xì)河流域景觀生態(tài)風(fēng)險局部空間相關(guān)性進(jìn)行分析,得到局部空間自相關(guān)集聚圖(圖5)?？梢?1985—1995年,“高-高”值區(qū)皆集中分布在流域中東部地區(qū),此區(qū)域經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá),用地模式以“開墾-廢棄-再開墾”的農(nóng)耕經(jīng)濟(jì)為主,耕地和未利用地面積較廣。另外,零散破碎的工礦用地及礦山開鑿,破壞了山地景觀自身的穩(wěn)定性,使景觀損失度增加；“低-低”值區(qū)呈零散分布,主要分布于本溪市平山區(qū)內(nèi),這與同期的景觀生態(tài)風(fēng)險克里金插值空間分布格局較為一致。1995—2015年細(xì)河流域景觀生態(tài)風(fēng)險的“高-高”值集群結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,向流域南部擴(kuò)散,而“低-低”值區(qū)變化不大。位于“高-高”值區(qū)內(nèi)的本溪滿族自治縣,地處低山丘陵區(qū),基質(zhì)景觀類型以林地為主,但由于追求發(fā)展,開荒毀林較為嚴(yán)重。城鎮(zhèn)建設(shè)用地和耕地都呈現(xiàn)較小且分散的分布模式,景觀連通性、系統(tǒng)內(nèi)部的穩(wěn)定性差,景觀損失度高。

圖5 細(xì)河流域4個時期景觀生態(tài)風(fēng)險局部空間自相關(guān)集聚圖

4 結(jié)論與討論

本文從土地利用變化及轉(zhuǎn)移、景觀生態(tài)風(fēng)險的時空分布及空間相關(guān)3個方面對細(xì)河流域的景觀生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行了綜合評價,結(jié)果表明：

1)1985—2015年,細(xì)河流域6種用地類型的面積皆發(fā)生了變化,其中草地、工礦及城鎮(zhèn)建設(shè)用地和未利用地面積增加,林地、耕地和水域面積減少。林地是流域的優(yōu)勢景觀類型,對流域景觀格局的變化起著重要作用。 2)1985—2015年,細(xì)河流域高、較高和中景觀生態(tài)風(fēng)險區(qū)的面積比例分別增加了2.4%、8.7%和2.8%,且在空間上由流域東中部地區(qū)向南部轉(zhuǎn)移；低景觀生態(tài)風(fēng)險區(qū)和較低景觀生態(tài)風(fēng)險區(qū)面積比例分別減少了8%和5.9%,且在空間上向流域北部地區(qū)集聚。流域景觀生態(tài)風(fēng)險整體呈現(xiàn)增高趨勢。

3)在研究時段內(nèi),流域的全局自相關(guān)Moran′sI值分別為0.3254、0.3656、0.3529和0.3665,景觀生態(tài)風(fēng)險呈正相關(guān)現(xiàn)象,在空間分布上趨于集群。且景觀生態(tài)風(fēng)險局部自相關(guān)格局較為一致,高-高值分布在流域東部地區(qū),而低-低值分散于流域周圍。

本研究以景觀格局指數(shù)為指標(biāo),通過土地利用類型的面積比重、景觀干擾度和景觀損失度指數(shù)構(gòu)建景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù),僅從景觀空間結(jié)構(gòu)的一個角度出發(fā)來評價細(xì)河流域的生態(tài)安全格局,沒有考慮流域氣候、地形、地貌和社會經(jīng)濟(jì)等因素,所以并不具有絕對性。但流域景觀格局是流域生態(tài)環(huán)境管理的基礎(chǔ)單元、是人類活動的主要作用面,其變化必然會引起生態(tài)系統(tǒng)功能的改變。因此,利用景觀格局指數(shù)的方法研究流域的生態(tài)安全格局是可行有效的。針對本研究,建議細(xì)河流域結(jié)合自身實(shí)際情況,對現(xiàn)有土地利用類型的組合情況進(jìn)行思考,在結(jié)合流域自然因素的前提下,改善不合理的土地利用類型。在資源開發(fā)的過程中應(yīng)堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先的原則,在保護(hù)河流水域和林業(yè)發(fā)展的同時,限制對地表擾動較大的工礦建設(shè)用的大規(guī)模發(fā)展,保留一定范圍的生態(tài)緩沖區(qū),并實(shí)施有效的生態(tài)補(bǔ)償制度。受研究者知識、經(jīng)驗(yàn)和主觀因素的限制,對于細(xì)河流域景觀生態(tài)風(fēng)險時空關(guān)聯(lián)格局的驅(qū)動力解釋還不夠完善,對此進(jìn)行深入探索并進(jìn)而提出可行有效的流域生態(tài)管理建議是本研究今后努力的方向。