傅 微， 呂一河， 傅伯杰， 胡維銀

(1.北京建筑大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院， 北京 100044； 2.中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心， 北京 100085； 3.河北省水土保持工作總站， 石家莊 050011)

基于景觀格局的生態(tài)學(xué)研究對(duì)區(qū)域生態(tài)安全的維護(hù)和保障極為重要，特別是在應(yīng)用性很強(qiáng)的景觀規(guī)劃和景觀格局優(yōu)化上，其面臨著設(shè)計(jì)依據(jù)不足、機(jī)理解釋匱乏的困境。時(shí)空尺度的定量化方法作為生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的前沿和發(fā)展方向已經(jīng)受到學(xué)者的普遍關(guān)注[1]，使區(qū)域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)日益成為景觀生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域和現(xiàn)階段生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)管理的迫切需求。景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究起源于20 世紀(jì)90年代，景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)在區(qū)域尺度上的重要分支領(lǐng)域，聚焦于對(duì)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和過程的影響及對(duì)景觀不利的生態(tài)效應(yīng)[2]，為區(qū)域景觀生態(tài)建設(shè)提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

多數(shù)研究以人類負(fù)面干擾或自然災(zāi)害為出發(fā)點(diǎn)評(píng)價(jià)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，評(píng)價(jià)對(duì)象包括行政區(qū)[3-4]、湖泊周邊[5-6]、流域[7]、城市地域[8]和沿海地區(qū)[9]等人類負(fù)面活動(dòng)較為劇烈的區(qū)域，也有濕地[10]、礦區(qū)[11-12]等受人類干擾明顯的生態(tài)敏感地區(qū)。目前尚缺乏以正面干預(yù)(如生態(tài)恢復(fù)措施)景觀生態(tài)過程為出發(fā)點(diǎn)的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空評(píng)價(jià)。另外，人類活動(dòng)-生態(tài)體系是復(fù)雜和彈性系統(tǒng)的典型代表，城鎮(zhèn)化進(jìn)程和生態(tài)恢復(fù)等共同作用下的景觀生態(tài)效應(yīng)研究成為近年來生態(tài)和環(huán)境科學(xué)的熱點(diǎn)。植被恢復(fù)實(shí)踐的有效性也成為國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注的問題[13-15]。植被恢復(fù)是促進(jìn)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能以及相關(guān)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供能力恢復(fù)的各種管理和干預(yù)活動(dòng)的統(tǒng)稱[16]。植被恢復(fù)進(jìn)程帶來了景觀格局和生態(tài)過程的巨大改變，景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)有助于從側(cè)面發(fā)現(xiàn)人類正面干預(yù)下生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能等產(chǎn)生的不利后果的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化，也有助于從景觀生態(tài)學(xué)視角對(duì)理想的恢復(fù)目標(biāo)和真實(shí)性之間存在的距離和矛盾進(jìn)行檢驗(yàn)。因此，該文旨在探索植被恢復(fù)和城鎮(zhèn)化作用下景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)對(duì)于區(qū)域資源開發(fā)和生態(tài)建設(shè)的重要指示作用。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

我國(guó)黃土高原地區(qū)相對(duì)落后的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、嚴(yán)重的水土流失以及不合理的土地利用加劇了黃土高原土地資源的退化，導(dǎo)致該地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)不斷下降，人與生態(tài)環(huán)境的相互作用敏感。陜北黃土高原地區(qū)由陜西省延安市和榆林市組成，介于北緯34°45′～39°40′、東經(jīng)107°28′～111°15′之間，位于世界上最大的黃土沉積區(qū)，面積約為92 521.4 km2。該區(qū)是我國(guó)乃至全球水土流失最為嚴(yán)重的地區(qū)之一[17]。黃土高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境本底脆弱，人類活動(dòng)干擾強(qiáng)烈，一直是國(guó)家扶貧開發(fā)、水土保持和生態(tài)治理的重點(diǎn)地區(qū)。自20世紀(jì)90年代末開始，作為退耕還林(草)工程的試點(diǎn)區(qū)，該地區(qū)啟動(dòng)了大規(guī)模的植被恢復(fù)工作。我國(guó)學(xué)者基于景觀生態(tài)學(xué)原理和方法，圍繞“景觀格局演變-驅(qū)動(dòng)機(jī)制-水土流失過程-生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)”的框架開展了大量研究和實(shí)踐[18-20]，達(dá)到一定的控制水土流失、實(shí)現(xiàn)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的目標(biāo)[21]。因此，筆者選取陜北黃土高原作為典型生態(tài)脆弱區(qū)，研究大規(guī)模植被恢復(fù)與城鎮(zhèn)化等典型人類活動(dòng)共同作用下的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，能夠?yàn)榧訌?qiáng)景觀生態(tài)環(huán)境規(guī)劃和區(qū)域生態(tài)環(huán)境管理提供科學(xué)支撐。

1.2 研究方法

1.2.1數(shù)據(jù)

土地利用/覆被變化(LUCC)與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)密切相關(guān)，不同土地利用方式和強(qiáng)度產(chǎn)生的生態(tài)影響具有區(qū)域性和累積性特征。土地利用數(shù)據(jù)是景觀指數(shù)分析的基礎(chǔ)，故采用基于2000、2005、2010和2015年的Landsat TM影像。該影像來源于美國(guó)航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)數(shù)據(jù)分享網(wǎng)站(http:∥earthexplorer.hsgs.gov)，空間分辨率為30 m×30 m，用于解譯獲取的土地覆蓋分類數(shù)據(jù)。研究范圍矢量數(shù)據(jù)來源于資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http:∥www.resdc.cn/)。

城鎮(zhèn)化是人類活動(dòng)的重要標(biāo)志之一，選用夜間遙感地圖數(shù)據(jù)，即DMSP/OLS數(shù)據(jù)，時(shí)間為2000—2010年當(dāng)?shù)貢r(shí)間20:30—21:30，下載自http:∥www.ngdc.noaa.gov/dmsp/download.html。這一數(shù)據(jù)用于測(cè)算城鎮(zhèn)化進(jìn)程，夜間遙感燈光的數(shù)值變化在一定程度上能夠反映城市擴(kuò)張程度。

植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(net primary productivity，NPP)是評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)功能特征的重要參量，也可用于評(píng)價(jià)土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響。所以，采用NPP年平均值來描述黃土高原植被恢復(fù)的有效性。NPP數(shù)據(jù)是通過CASA(Carnegie-Ames-Stanford Approach)模型計(jì)算獲取的，時(shí)段為2000—2015年，柵格分辨率為250 m×250 m。

1.2.2景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

基于景觀格局的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究主要是以景觀脆弱度指數(shù)和景觀格局指數(shù)等作為評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)建生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)模型的。基于景觀格局指數(shù)的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)定量方法能夠快速識(shí)別土地利用異質(zhì)性所產(chǎn)生的干擾和生態(tài)系統(tǒng)自身的脆弱程度，為明晰景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間異質(zhì)特征提供了有效的方法支撐，是景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的主要途徑。生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)是生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能在響應(yīng)外界干擾時(shí)保持本身處在低能量平衡的一種可能性[22]。筆者研究中，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)主要通過景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的外部擾動(dòng)強(qiáng)度和脆弱性來衡量，即外部的景觀干擾指數(shù)和內(nèi)部的景觀脆弱性指數(shù)[23]，具體公式見表1[22,24-27]。

表1用于景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的相關(guān)指標(biāo)和計(jì)算方法

Table1Thelandscapeindicesandcalculationmethodoflandscapeecologicalriskassessment

景觀指數(shù)公式文獻(xiàn)破碎化指數(shù)(Ci)Ci=ni/Ai[24]分離度指數(shù)(Si)Si=Di·A/Ai,Di=(1/2)·ni/A[25]優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(Di)Di=(R+F)/4+L/2, R=ni/N,F=Bi/B, L=Si/S[22]干擾度指數(shù)(Ei)Ei=a′·Ci+b′·Si+c·Di[26]脆弱性指數(shù)(Fi)標(biāo)準(zhǔn)化[27]

ni為某景觀類型i斑塊數(shù)量；Ai為景觀類型i總面積；Di為景觀類型i距離指數(shù)；A為景觀總面積；N為總斑塊數(shù)量；Bi為斑塊i樣本數(shù)量；B為樣本總數(shù)量；Si為斑塊i面積；S為總樣本面積。a′、b′、c分別為Ci、Si和Di的權(quán)重。

外部的景觀擾動(dòng)主要用于衡量來自自然和人為驅(qū)動(dòng)的干擾。景觀干擾度指數(shù)(Ei)主要采用景觀破碎化指數(shù)(Ci)[24]、景觀分離度指數(shù)(Si)[25]、景觀優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(Di)[22]，并對(duì)各衡量指數(shù)權(quán)重進(jìn)行賦值而獲得。根據(jù)SCHINDLER等[28]的研究，景觀破碎化指數(shù)(PD)在解釋植物和昆蟲類物種多樣性方面可在1 km2的空間幅度內(nèi)解釋度滿足95%置信度檢驗(yàn)，景觀分離度指數(shù)(SPLIT)在解釋植物物種多樣性方面可在2 km2的空間幅度內(nèi)解釋度通過99%置信度檢驗(yàn)。因此，所選取的景觀格局指數(shù)的變化在一定程度上反映了景觀格局變化對(duì)生境質(zhì)量的影響。

在景觀擾動(dòng)指數(shù)中，權(quán)重之間a+b+c=1。城鎮(zhèn)化擴(kuò)張可能最先導(dǎo)致較大程度的景觀破碎化，其次導(dǎo)致一定程度的景觀分離，最終造成景觀類型優(yōu)勢(shì)度的變化。根據(jù)前人研究和專家意見，3個(gè)指數(shù)的權(quán)重分別為0.5、0.3和0.2[22,25-26,29]。

內(nèi)部的景觀脆弱性指數(shù)(Fi)主要用于評(píng)價(jià)某一景觀類型維持其穩(wěn)定性的能力。根據(jù)一級(jí)土地利用分類標(biāo)準(zhǔn)，將研究區(qū)景觀類型分為林地、草地、園地、水體濕地、未利用地、耕地和建設(shè)用地7類。根據(jù)以往研究結(jié)果[25,29]，將脆弱性等級(jí)分成7級(jí)，其中，未利用地最為脆弱，其次是耕地，建設(shè)用地最為穩(wěn)定。因此，未利用地、水體濕地、耕地、園地、草地、林地和建設(shè)用地7個(gè)景觀類型的脆弱性指數(shù)從高到低依次賦值7、6、5、4、3、2和1。再將賦值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理得到各景觀類型的脆弱性指數(shù)(Fi)[23,27]。

基于上述景觀擾動(dòng)指數(shù)和景觀脆弱性指數(shù)，景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)計(jì)算公式[25]如下：

(1)

式(1)中，IER為景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(landscape ecological risk index)；N為在樣本范圍內(nèi)的景觀類型數(shù)量；Sk,i為景觀類型i在樣本范圍k中的面積，km2；Sk為樣本范圍k的總面積，km2；Ei為景觀類型i的干擾度指數(shù)；Fi為景觀脆弱性指數(shù)。根據(jù)以往研究[30]和景觀斑塊的地理?xiàng)l件，采用5 km×5 km方形柵格空間化生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，總樣本數(shù)量為3 429。

為了在綜合景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的空間布局中研究景觀的空間規(guī)律性和等級(jí)結(jié)構(gòu)，在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)采樣的基礎(chǔ)上，利用地學(xué)統(tǒng)計(jì)的變異函數(shù)方法，通過半方差函數(shù)進(jìn)行理論變異函數(shù)的擬合。在各柵格內(nèi)分別計(jì)算其景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值，采用ArcGIS 10.2軟件空間分析工具的空間克里金插值法，對(duì)斑塊狀數(shù)值進(jìn)行空間特征變換，再采用Natural Break方法將結(jié)果劃分為低風(fēng)險(xiǎn)、中低風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)、中高風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)和極高風(fēng)險(xiǎn)6個(gè)等級(jí)。分級(jí)后對(duì)2000—2005、2005—2010和2010—2015年3個(gè)階段景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的變化用柵格計(jì)算器進(jìn)行計(jì)算，差值可提示風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的升高與降低及其空間趨勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)空間分布情況的直觀描述和空間結(jié)構(gòu)分析，得到陜北黃土高原區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空變化規(guī)律。

1.2.3相關(guān)分析

采用線性回歸方法，計(jì)算過程均采用ArcGIS 10.2軟件Raster Calculator工具，對(duì)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力變化趨勢(shì)以及植被凈初級(jí)生產(chǎn)力變化和城鎮(zhèn)化分別與景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值變化間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析。最小二乘法回歸方程為

y=a·x+b+ε。

(2)

式(2)中，y為2000—2015年平均植被凈初級(jí)生產(chǎn)力變化量或夜間燈光數(shù)值；a為方程式的斜率，或稱線性趨勢(shì)變化率；b為方程截距；x為時(shí)間或景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值；ε為隨機(jī)誤差。通過趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)獲取顯著性水平P，當(dāng)a<0 且P<0.05時(shí)，標(biāo)記為顯著負(fù)相關(guān)；當(dāng)a>0且P<0.05，標(biāo)記為顯著正相關(guān)。

2 研究結(jié)果

2.1 區(qū)域土地利用及景觀格局變化

由表2可知，研究區(qū)域土地利用景觀類型以草地為主，且主導(dǎo)地位越來越明顯，草地面積從2000年38 449.1 km2增加到2005年39 533.0 km2，直至增加到40 225.92 km2。其次是林地和耕地，兩類景觀類型面積分別占景觀總面積的比例相近，到2015年兩類景觀類型面積比例差距變大。2000—2015年耕地面積整體呈下降趨勢(shì)；林地面積則呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，2000、2005、2010和2015年林地面積分別為16 547.3、16 452.3、16 614.8和20 716.9 km2，與此同時(shí)園地面積也呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)。水體濕地、建設(shè)用地和未利用地面積所占比例較小，其中建設(shè)用地面積增長(zhǎng)較快，由2000年616.2 km2增加到2010年920.1 km2，隨后繼續(xù)增長(zhǎng)至1 196.5 km2；水體濕地面積變化逐年增加，由2000年279.6 km2增長(zhǎng)至305.7 km2；未利用地在2010—2015年有大幅減少。土地利用變化率反映了土地資源數(shù)量的變化程度，2000—2015年研究區(qū)未利用地和耕地變化率基本為負(fù)值，其他景觀類型變化率基本為正值，其中，園地、建設(shè)用地、未利用地和林地變化率較大。

在多種過程共同影響下陜北地區(qū)的景觀格局及其變化見表3。

表22000—2015年陜北地區(qū)土地利用類型/覆被變化

Table2Landuse/coverchangesinnorthernShaanxiareafrom2000to2015

土地利用類型面積比例/%變化率/%2000年2005年2010年2015年2000—2005年2005—2010年2010—2015年林地20.320.620.825.92.21.024.7草地44.949.448.650.37.1-1.73.5水體濕地0.40.30.40.4-0.45.43.7耕地24.920.020.219.4-15.01.8-4.7建設(shè)用地0.60.81.21.547.449.330.0未利用地8.98.98.82.5-1.2-1.5-71.1園地0.00.00.00.01.413.2477.1

表32000—2015年陜北地區(qū)景觀指數(shù)的變化

Table3ThelandscapeindexofthemainlandscapetypesinnorthernShaanxifrom2000to2015

景觀指數(shù)年份林地草地 水體濕地 耕地 建設(shè)用地 未利用地 園地 PD20000.560 10.678 20.025 81.282 20.080 20.171 90.000 2 20050.226 20.159 40.021 30.413 40.048 00.061 30.000 120100.238 60.122 60.020 50.412 00.052 30.046 40.000 120150.290 90.134 30.023 40.397 40.068 60.058 40.000 4SPLIT2000151.709 49.033 73 293 008978.226 47 835 773446.381 81.08E+11200593.576 56.161 84 717 558798.334 81 908 029334.893 97.80E+10201092.131 74.527 45 673 482882.389 2809 730126 378.900 07.44E+10201574.201 65.590 06 111 1201 073.700 0591 833242 398.900 05.01E+09LPI20006.829 233.252 40.048 53.068 00.021 94.680 80.000 220058.090 440.276 60.042 53.452 40.053 25.421 20.000 220108.116 846.979 80.038 03.318 00.083 60.206 70.000 220159.473 942.277 90.034 02.926 50.089 60.067 80.000 8

PD為景觀破碎化指數(shù)，SPLIT為景觀分離度指數(shù)，LPI為景觀優(yōu)勢(shì)度指數(shù)。

由表3可知，2000年除園地外其他景觀類型破碎化指數(shù)均最高，2005—2015年，林地破碎化增加，草地破碎化減小，耕地破碎化減小，建設(shè)用地破碎化增加。這表明與城鎮(zhèn)化過程直接相關(guān)的建設(shè)用地呈破碎化趨勢(shì)。與此同時(shí)，林地斑塊破碎化也在升高，植被恢復(fù)的區(qū)域并未形成連廊或基質(zhì)狀態(tài)，林地恢復(fù)的空間連通性有待提高。從景觀分離度指數(shù)來看，2000—2015年，林地和草地呈聚集趨勢(shì)，水體濕地和未利用地呈逐年分散趨勢(shì)，耕地分離度先減少后增加，建設(shè)用地呈聚集趨勢(shì)。隨時(shí)間的推移，林地優(yōu)勢(shì)度增加，草地優(yōu)勢(shì)度先增加而后在2010—2015年有所減少，水體濕地優(yōu)勢(shì)度減少，耕地優(yōu)勢(shì)度在2000—2005年增加而后階段逐漸減少，建設(shè)用地優(yōu)勢(shì)度增加，未利用地優(yōu)勢(shì)度減少。

2.2 景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間格局

進(jìn)一步定量分析了陜北作為黃土高原典型區(qū)的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。如圖1～2所示， 2000和2005年陜北地區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較高的區(qū)域主要呈點(diǎn)狀分布在榆林、延安等主城區(qū)和呈線狀分布于交通網(wǎng)絡(luò)主干道附近及黃河沿岸；2010和2015年景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較高的區(qū)域逐步呈片狀分布于榆林市西北部。2010年之后，黃土高原典型區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分布不均衡，北部風(fēng)險(xiǎn)值明顯比南部高。高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域多位于榆林市，低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域多位于延安市。為了更方便地識(shí)別景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值的變化情況，通過空間差值和分組進(jìn)一步分析極高風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)、中高風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)、中低風(fēng)險(xiǎn)和低風(fēng)險(xiǎn)6個(gè)類型風(fēng)險(xiǎn)空間分布和動(dòng)態(tài)。

圖1 2000和2005年陜北地區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

圖2 2010和2015年陜北地區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

表4顯示，在研究時(shí)空范圍內(nèi)，低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積雖一直最大，但隨著時(shí)間的推移呈縮減趨勢(shì)。中低和中風(fēng)險(xiǎn)值區(qū)面積在2005—2010年沿陜北北部從中心向外擴(kuò)展明顯，分別達(dá)到近100%和280%的增長(zhǎng)幅度，這一增長(zhǎng)趨勢(shì)在2010—2015年有所趨緩，只增加14.5%和0.6%。中高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積在2000年較小，僅占總面積的1.1%，之后逐年增加，且增速加快。高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積在2000年僅占總面積的0.4%，2000—2005年和2005—2010年2個(gè)階段高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積增長(zhǎng)平穩(wěn)，變化比例保持在50%左右，但2010—2015年減少153.7 km2。極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積雖然占總面積比例較小，但近10 a增長(zhǎng)迅速，僅在2000—2005年極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積減少50%，2005—2010年增長(zhǎng)273.5%，2010—2015年增長(zhǎng)66.8%。整體而言，景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)以增長(zhǎng)趨勢(shì)為主， 2005—2010年景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)增長(zhǎng)范圍最大，漲幅為186.0%；2010—2015年景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)增加有所緩解，增加12.9%；2000—2005年景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)降低26.0%。2000、2005、2010和2015年各風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積變大的情況居多，其中，最大的為中和極高2個(gè)等級(jí)，其次是中高和高等級(jí)，再次為中低等級(jí)，而低等級(jí)面積則減少。

表4陜北地區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)各等級(jí)面積及其隨時(shí)間的變化

Table4ChangesintheecologicalriskgradeareasinnorthernShaanxi

風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積/km2變化比例/%2000年2005年2010年2015年2000—2005年2005—2010年2010—2015年低70 545.371 296.260 138.457 585.01.1-15.6-4.2中低6 518.75 462.110 831.212 404.3-16.298.314.5中1 525.51 734.56 567.26 603.413.7278.60.6中高874.7897.61 433.12 416.72.659.768.6高349.0526.4820.9667.250.855.9-18.7極高101.546.1172.2287.2-54.6273.566.8

2.3 景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)格局的時(shí)間變化

陜北地區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)從低等級(jí)向高等級(jí)變化稱為等級(jí)升高，由高等級(jí)向低等級(jí)變化稱為等級(jí)降低。圖3顯示了景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)升高或降低的空間分布。2000—2005年等級(jí)變化較小，等級(jí)降低的區(qū)域主要位于定邊縣北部湖區(qū)、榆陽區(qū)，等級(jí)升高的區(qū)域主要位于榆陽區(qū)西北部。2005—2010年等級(jí)降低的區(qū)域主要位于子洲縣和橫山縣東南部；等級(jí)升高區(qū)域位于陜北北部榆陽區(qū)和神木縣西南部，成片明顯，靖邊縣和定邊縣北部、東部黃河周邊景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)呈升高趨勢(shì)。2010—2015年，陜北景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)增長(zhǎng)呈圈層式擴(kuò)展與縮小趨勢(shì)：與2005—2010年趨勢(shì)有共同之處，榆陽區(qū)與神木縣仍為等級(jí)升高的主要區(qū)域，但橫山縣北部與榆陽區(qū)交界地帶呈現(xiàn)等級(jí)降低趨勢(shì)；此外，寶塔區(qū)和延川縣有等級(jí)升高區(qū)域，富縣東南界和洛川縣城鎮(zhèn)區(qū)有等級(jí)降低區(qū)域，東部黃河周邊景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)呈降低趨勢(shì)。

2.4 景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)格局與典型人類活動(dòng)的相關(guān)關(guān)系

如圖4所示，植被變化與景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值變化呈顯著相關(guān)的區(qū)域存在空間分布差異，顯著正相關(guān)區(qū)域主要集中于榆林市西北風(fēng)沙灘區(qū)以及陜西省與鄂爾多斯市交界的定邊縣北部。植被變化與景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值變化呈顯著負(fù)相關(guān)的區(qū)域主要分布于延安市北部近15 a退耕還林逐年拓展的區(qū)域。可見，在景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)增加的區(qū)域，景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)增加，植被呈退化趨勢(shì)；在景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，植被恢復(fù)促進(jìn)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的降低。

城鎮(zhèn)化與景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值變化呈顯著正相關(guān)的區(qū)域主要集中在研究區(qū)西北部榆陽區(qū)及陜西省與鄂爾多斯市交界的定邊縣北部。城鎮(zhèn)化與景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值變化呈顯著負(fù)相關(guān)的區(qū)域則呈散點(diǎn)分布，且面積較小。可見，城鎮(zhèn)擴(kuò)張與景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的增加具有顯著關(guān)聯(lián)，但景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)與城鎮(zhèn)化顯著相關(guān)區(qū)域的面積比其與NPP顯著相關(guān)區(qū)域的面積小。

3 討論

研究結(jié)果表明植被恢復(fù)的人類活動(dòng)比城鎮(zhèn)化進(jìn)程對(duì)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的影響大。2000—2015年隨著植被恢復(fù)工程的推進(jìn)，對(duì)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值較低的區(qū)域始終有降低風(fēng)險(xiǎn)的作用，但在景觀風(fēng)險(xiǎn)值增加明顯的區(qū)域則隨時(shí)間的變化有所不同：

2000—2005年為退耕還林還草工程開展初期階段，陜北地區(qū)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，整體景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)也基本為低風(fēng)險(xiǎn)分布。因此，2005年景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較2000年有所降低。

2005—2010年景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)增加明顯的區(qū)域既是我國(guó)生態(tài)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)治理區(qū)域，也是我國(guó)煤化工產(chǎn)業(yè)開發(fā)重點(diǎn)區(qū)域，即榆林市西北部風(fēng)沙灘區(qū)。該區(qū)植被呈退化趨勢(shì)，景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)增加。延安和榆林有著不同的發(fā)展特點(diǎn)。榆林有如煤、石油、天然氣和巖鹽在內(nèi)的豐富礦產(chǎn)[31]，其地形和生態(tài)條件較延安更復(fù)雜。地下作業(yè)和能源開發(fā)作為高消耗、高污染的工業(yè)，資源循壞和修復(fù)不足，廢水、廢氣、廢渣在現(xiàn)階段的利用率不足45%(國(guó)標(biāo)應(yīng)達(dá)到75%)，產(chǎn)業(yè)鏈較短。造成的W型、U型地面裂縫，采空塌陷，水污染，大氣污染，固體廢棄物污染，加之煤礦排水滲水對(duì)地下水的污染，導(dǎo)致地表植被遭到破壞，植被生長(zhǎng)受抑制[32]。植被退化亦會(huì)加重景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

2010—2015年為植被恢復(fù)顯著增加階段，景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較高區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)有所緩解。 2010—2015年未利用地減少，防風(fēng)固沙林建設(shè)持續(xù)開展，地表土地沙漠化和荒漠化生態(tài)問題有一定改善[33]，植被凈初級(jí)生產(chǎn)力呈顯著增加趨勢(shì)。榆林市國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，綜合能源消費(fèi)量1萬t以下和5 000 t以下的主要消費(fèi)單位(噸標(biāo)準(zhǔn)煤)在2011年后急劇降低，消費(fèi)量減少最多達(dá)到81.8%。這說明“三北防護(hù)林”、“退耕還林(草)”等植被恢復(fù)工程、能源開采控制和節(jié)能等措施緩解了景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值的快速增長(zhǎng)，但并未改變景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)加重的局面，只是減緩。原因可能有如下幾個(gè)方面：植被恢復(fù)的可持續(xù)性帶來潛在風(fēng)險(xiǎn)近年來不斷被學(xué)者提出，隨著黃土高原地區(qū)的植被恢復(fù)和環(huán)境狀況的整體變化，典型人類活動(dòng)和植被恢復(fù)造成區(qū)域產(chǎn)水、產(chǎn)沙大幅減少；大規(guī)模人工植被恢復(fù)，能夠?qū)е聫搅鳒p少和土壤干燥化[34]；大面積造林發(fā)生地——草本-林地系統(tǒng)轉(zhuǎn)化地帶(平均降水量為450～550 mm地區(qū))的土壤濕度下降[35]等?？梢灶A(yù)見，處在干旱半干旱地區(qū)沙漠化地帶的榆陽市和神木縣部分地區(qū)，水資源的匱乏對(duì)其景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的影響將加劇。

圖3 3個(gè)時(shí)段陜北地區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空變化

a為線性趨勢(shì)變化率，P為顯著性水平。

由此可見，未來榆林市西北部(主要包括榆陽區(qū)和神木縣)的生態(tài)保護(hù)對(duì)保障生態(tài)安全比丘陵溝壑區(qū)更為重要。在植被恢復(fù)人類活動(dòng)影響下，對(duì)于禿尾河、榆溪河、蘆河和無定河上游水源涵養(yǎng)空間的保護(hù)將對(duì)下游城市水資源生態(tài)安全和能源化工基地的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。在植被物種的選擇上，矮化棗樹、檸條、刺槐和樟子松的種植節(jié)水效果較好，對(duì)黃土丘陵區(qū)的植被恢復(fù)以及生態(tài)建設(shè)而言是較合理的措施。在城鎮(zhèn)化影響下，根據(jù)城鎮(zhèn)化與景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化的相關(guān)關(guān)系，榆陽區(qū)是主要的呈片狀正相關(guān)區(qū)域，其城市擴(kuò)張迅速，應(yīng)在人口壓力與生態(tài)修復(fù)之間尋求機(jī)制耦合與平衡關(guān)聯(lián)。

4 結(jié)論

基于景觀格局與生態(tài)學(xué)過程建立的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)能夠綜合反映景觀風(fēng)險(xiǎn)源，為研究區(qū)景觀管理提供量化決策參考，主要得出以下結(jié)論：

(1)在植被恢復(fù)與典型人類活動(dòng)作用下，研究時(shí)段內(nèi)黃土高原陜北典型區(qū)景觀格局變化對(duì)研究區(qū)生態(tài)穩(wěn)定性有潛在影響：生境質(zhì)量下降，斑塊破碎化增加降低了生境總面積，斑塊內(nèi)部生境進(jìn)而受到損害，引起內(nèi)部生境容易受到外部的侵襲干擾，降低物種多樣性及其抵抗災(zāi)害的能力。另一方面，景觀破碎化使生境斑塊之間的分離程度增加，從而可能阻礙物種擴(kuò)散能力。

(2)2000、2005、2010和2015年陜北典型區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分布不均衡，景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)增加，北部、西部風(fēng)險(xiǎn)值明顯高于其他地區(qū)。景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)低等級(jí)面積逐漸縮小，其他等級(jí)面積逐漸變大，其中，2005—2010年面積變化最大的為中和極高2個(gè)等級(jí)，變化比例分別為278.6%和273.5%。2010—2015年各等級(jí)面積變化比例有所減小。2000—2005年景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)變化較小，2005—2010年景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)升高區(qū)域位于連接呈片狀的陜北西北部風(fēng)沙灘區(qū)和連接呈線狀的東部黃河兩岸。2010—2015年，陜北景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)增長(zhǎng)呈圈層式擴(kuò)展與縮小趨勢(shì)，趨勢(shì)有所變緩。

(3)風(fēng)險(xiǎn)值的變化與城鎮(zhèn)化及植被恢復(fù)等人類活動(dòng)有關(guān)，是驅(qū)動(dòng)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)增加的重要因素。在景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)增加的西北風(fēng)沙灘區(qū)，景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)增加，植被呈退化趨勢(shì)；在景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)即退耕還林逐年拓展的區(qū)域，植被恢復(fù)促進(jìn)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的降低。植被恢復(fù)對(duì)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的影響大于城鎮(zhèn)化進(jìn)程。城鎮(zhèn)化與景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值變化呈片狀顯著相關(guān)的區(qū)域主要集中在研究區(qū)西北部榆陽區(qū)，且呈正相關(guān)。

該研究成果對(duì)于區(qū)域發(fā)展和生態(tài)恢復(fù)的綜合調(diào)控具有一定參考借鑒價(jià)值。應(yīng)根據(jù)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)高低程度，在極高和高景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)優(yōu)化生態(tài)恢復(fù)與重建措施，同時(shí)也不能忽視低中、低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的生態(tài)保護(hù)，以實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。