楊子心，陳 海，劉 迪

(1.西北大學(xué)附屬中學(xué)，陜西 西安 710075；2. 西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710127)

1 引言

生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)是指生態(tài)系統(tǒng)及其組分暴露于自然災(zāi)害、人類活動(dòng)等非期望事件下產(chǎn)生的可能性后果[1]。對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的有效規(guī)避、主動(dòng)適應(yīng)與綜合管控，首先要求基于人與自然耦合關(guān)聯(lián)視角對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確地識(shí)別與分析[2]。生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)(Ecological Risk Assessment，ERA)通過(guò)分析自然與人類活動(dòng)脅迫下生態(tài)系統(tǒng)遭受風(fēng)險(xiǎn)的可能性大小及損失，明晰其緩解與消納風(fēng)險(xiǎn)的能力，從而為現(xiàn)階段生態(tài)建設(shè)、資源管理、環(huán)境修復(fù)等相關(guān)工作提供理論依據(jù)[3]?；诰坝^格局指數(shù)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法能夠快速識(shí)別土地利用異質(zhì)性產(chǎn)生的干擾與生態(tài)系統(tǒng)自身脆弱性[4]，為明晰景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分異特征提供了有效的方法支撐[5]。近年來(lái)，基于景觀格局的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)研究已成為常見(jiàn)的風(fēng)險(xiǎn)研究范式，已在流域[6]、綠洲[7]、海岸帶[8]等自然地域以及礦區(qū)[9]、行政區(qū)[10]等人文地域等諸多區(qū)域取得應(yīng)用，但立足于陜北生態(tài)脆弱且對(duì)全球變化具有極強(qiáng)響應(yīng)的自然地帶的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究還不多見(jiàn)[3]。本文以陜西省榆林市為例，基于干擾度與脆弱度構(gòu)建景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，揭示了研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空變化特征，以期為黃土丘陵溝壑區(qū)典型地域的風(fēng)險(xiǎn)管控與生態(tài)恢復(fù)提供依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

榆林市(107°14′51″E～111°14′31″E, 36°48′58″N～39°35′07″N)位于陜西省北端，黃河中游西岸，土地總面積41548.18 km2，下轄1區(qū)11縣。地勢(shì)西北高、東南低，西北部為風(fēng)沙過(guò)渡帶，東南部為黃土丘陵溝壑區(qū)，地形極為破碎(圖1)。該地區(qū)夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，年均溫7～13 ℃，氣溫日較差較大，年均降水量約400 mm左右，季節(jié)性差異明顯。榆林市是我國(guó)主要的能源基地，全市礦產(chǎn)資源極其豐富，被譽(yù)為“中國(guó)的科威特”。陜北是國(guó)家退耕還林政策的示范區(qū)，1999年正式退耕，15年間退耕還林面積位居全國(guó)前列。土地覆被的劇烈變化引致土地利用結(jié)構(gòu)的改變，為探討榆林市景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)空分異提供了良好的研究平臺(tái)。

圖1 榆林市地理位置

3 數(shù)據(jù)與方法

3.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

榆林市2000年、2015年土地利用矢量圖數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)“中國(guó)西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心”(http://westdc.westgis.ac.cn)的陜西省1∶10萬(wàn)土地利用矢量數(shù)據(jù)集，依據(jù)榆林市行政邊界進(jìn)行土地利用數(shù)據(jù)提取，并參照全國(guó)土地利用分類標(biāo)準(zhǔn)，將土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、城鎮(zhèn)村及工礦用地、未利用地6類。

為探討生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)空間分異，本文利用等間距系統(tǒng)采樣將研究區(qū)劃分為308個(gè)12 km×12 km的單元網(wǎng)格，將計(jì)算得到的風(fēng)險(xiǎn)數(shù)值賦予風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)中心點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上借助ArcGIS10.2空間分析工具進(jìn)行普通克里金插值，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)數(shù)值空間化。

3.2 景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)模型

生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的大小取決于生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)景觀類型受到外部干擾的強(qiáng)度以及內(nèi)部脆弱性大小。本文充分考慮不同景觀類型對(duì)外界風(fēng)險(xiǎn)源的抵抗能力以及自身脆弱性，從研究區(qū)景觀類型結(jié)構(gòu)出發(fā)，根據(jù)景觀組分的面積比重，選用干擾度和脆弱度建立景觀格局與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)之間的經(jīng)驗(yàn)聯(lián)系，構(gòu)建景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)模型描述評(píng)價(jià)單元內(nèi)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的相對(duì)數(shù)值[10]。ERI計(jì)算公式[7]為：

(1)

式(1)中，n為景觀類型的數(shù)量；Ei為景觀類型i的干擾度指數(shù)；Fi為景觀類型i的脆弱度指數(shù)；Ski為第k個(gè)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)內(nèi)第i類景觀類型的面積；Sk為第k個(gè)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)的總面積。

景觀干擾度反映不同景觀類型代表的生態(tài)系統(tǒng)受到干擾的程度。不同景觀類型所受外界干擾的大小可以反映在其景觀結(jié)構(gòu)的變化上。干擾度指數(shù)構(gòu)建以景觀生態(tài)學(xué)中格局分析方法為基礎(chǔ)，選取破碎度、分離度、優(yōu)勢(shì)度度量不同景觀代表的生態(tài)系統(tǒng)受到干擾的程度。公式如下：

Ei=aCi+bNi+cDi

(2)

依據(jù)前人研究成果[7,10]計(jì)算Ci，Ni，Di指標(biāo)。a，b，c為權(quán)重，且a+b+c=1。參考文獻(xiàn)[7,10]，權(quán)值分別賦為0.5、0.3、0.2。

景觀脆弱度表示各個(gè)景觀類型內(nèi)部結(jié)構(gòu)的易損性，能夠反映景觀對(duì)外界風(fēng)險(xiǎn)干擾的敏感程度及抵抗能力的大小，景觀類型代表的生態(tài)系統(tǒng)對(duì)外界的抵抗能力越小，則脆弱性越大，風(fēng)險(xiǎn)也越大，反之亦然。借鑒前人研究[7,10]，通過(guò)專家打分法，脆弱性由低到高分別為城市建設(shè)用地1、林地2、草地3、耕地4、水域5、未利用地6，并進(jìn)行歸一化處理。

4 結(jié)果分析

4.1 土地利用變化分析

由表1可知，榆林市以耕地、草地兩種土地利用類型為主，約占榆林市總面積的85%左右。2015年耕地面積減少了735 km2，減少率4.41%；林地、草地面積分別增加了369 km2、64 km2，增加率分別為18.46%、0.34%，這與持續(xù)15年的退耕還林政策的實(shí)施密切相關(guān)。另外，研究期間建筑用地面積增加了634 km2，增加率400.78%，是榆林市地類變化最大的土地利用類型?？傮w來(lái)看，15年間榆林市土地利用變化十分明顯，且土地利用的非農(nóng)化趨勢(shì)顯著。

表1 2000～2015年榆林市土地利用類型變化(%)

4.2 景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空分異

本文利用ArcGIS10.2空間分析工具進(jìn)行普通克里金插值，并基于自然斷點(diǎn)法進(jìn)行5階分級(jí)，即I級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(ERI<0.129)、II級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(0.129≤ERI<0.133)、Ⅲ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(0.133≤ERI<0.137)、IV級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(0.137≤ERI<0.14)、V級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(ERI>0.14)，以此得到榆林市2000年、2015年景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分布圖(圖2)。

圖2 2000～2015年榆林市景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空分異

圖2中，榆林市景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間差異十分顯著。2000年整體上呈現(xiàn)中東部高，西部較低的空間分布格局。Ⅰ級(jí)與Ⅱ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)分別占研究區(qū)面積的1.89%、15.83%，主要分布于西部定邊與靖邊兩縣及東南部清澗縣。IV級(jí)與V級(jí)風(fēng)險(xiǎn)約占研究區(qū)面積的1/2，主要分布于研究區(qū)中東部的橫山、米脂、佳縣三縣以及榆陽(yáng)區(qū)中心區(qū)域，面積較為集中。與2000年相比，2015年景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)承接前期風(fēng)險(xiǎn)空間分布的基礎(chǔ)上呈現(xiàn)更為復(fù)雜的空間變化格局，主要表現(xiàn)在I級(jí)風(fēng)險(xiǎn)核心的大量增加以及V級(jí)風(fēng)險(xiǎn)核心的切斷，整體上生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)有所減輕。I級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積由2000年的1.89%增加至2015年的11.24%，是研究期間面積比例變化最大的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)類型。與2000年相比，I級(jí)風(fēng)險(xiǎn)核心區(qū)增加至5個(gè)，分別位于研究區(qū)中部的榆陽(yáng)區(qū)、神木縣以及東南部的清澗縣。V級(jí)風(fēng)險(xiǎn)由2000年的22.40%下降至2015年的16.80%，變化主要集中在榆陽(yáng)區(qū)東南部以及佳縣，此處V級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)被切斷，并形成I級(jí)風(fēng)險(xiǎn)核心區(qū)。研究區(qū)西部的定邊與靖邊兩縣風(fēng)險(xiǎn)異質(zhì)性增強(qiáng)顯著，并在I級(jí)風(fēng)險(xiǎn)面積增加的同時(shí)形成V級(jí)風(fēng)險(xiǎn)核心區(qū)。

研究期間，榆林市景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值分別為0.1371、0.1355，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值下降1.18%。經(jīng)簡(jiǎn)單統(tǒng)計(jì)，在308個(gè)評(píng)價(jià)單元中，有78個(gè)風(fēng)險(xiǎn)升高的單元，占評(píng)價(jià)單元總數(shù)的25.32%；有230個(gè)風(fēng)險(xiǎn)減小的單元，占評(píng)價(jià)單元總數(shù)的74.68%，整體上生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)得到減輕。為了更好地描述生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)變化，本文通過(guò)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)移矩陣說(shuō)明生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的演化情況(表2)。表2中，研究期間風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)移類型主要有Ⅰ-Ⅱ、Ⅱ-Ⅲ、Ⅱ-Ⅳ、Ⅲ-Ⅳ、Ⅲ-Ⅴ、Ⅳ-Ⅴ6類等級(jí)增加的風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)移類型以及Ⅱ-Ⅰ、Ⅲ-Ⅰ、Ⅲ-Ⅱ、Ⅳ-Ⅰ、Ⅳ-Ⅱ、Ⅳ-Ⅲ、Ⅴ-Ⅱ、Ⅴ-Ⅲ、Ⅴ-Ⅳ9類等級(jí)減小的風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)移類型。結(jié)合表2，從風(fēng)險(xiǎn)面積轉(zhuǎn)化的去向看出，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)均在自身風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)向較低一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)，說(shuō)明研究期間生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)度雖在局部地區(qū)有所上升，但在整體上呈下降趨勢(shì)。

表2 榆林市2000～2015年景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)移矩陣 km2

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于干擾度與脆弱度構(gòu)建生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型對(duì)榆林市2000～2015年景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，分析了生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)空分異。結(jié)果顯示：①榆林市耕地、草地占區(qū)域總面積的85%左右，是研究區(qū)主要土地利用類型；研究期間耕地面積減少，林草地面積增加；建筑用地增加率達(dá)到400.78%。②榆林市2000年景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)呈現(xiàn)中東部高，西部較低的空間分布格局，Ⅲ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)以上面積達(dá)82.28%；2015年I級(jí)風(fēng)險(xiǎn)核心增加，面積增加至11.24%，V級(jí)風(fēng)險(xiǎn)被I級(jí)風(fēng)險(xiǎn)切斷，面積減少至16.80%；榆林市景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值分別為0.1371、0.1355，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值下降1.18%，區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)整體上呈下降趨勢(shì)。

在缺乏長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的情況下，基于景觀格局的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)模型方法為探究區(qū)域生態(tài)環(huán)境演化狀況提供了一種行之有效的方式。但本文僅基于靜態(tài)景觀鑲嵌格局的景觀干擾度和脆弱度兩項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)建生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)模型間接衡量人為活動(dòng)對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的影響，缺少基于風(fēng)險(xiǎn)源指標(biāo)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)量度，且未考慮社會(huì)經(jīng)濟(jì)等因素對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的影響，這些影響因子在以后的風(fēng)險(xiǎn)模型構(gòu)建中需要重點(diǎn)思索與優(yōu)化。