杜 軍, 趙勝朝, 邱士可, 郭 雷

(1.河南省科學(xué)院地理研究所, 鄭州 450052; 2.河南省水土保持監(jiān)督監(jiān)測總站, 鄭州 450003)

生態(tài)風(fēng)險指在一定區(qū)域內(nèi)，生態(tài)系統(tǒng)或整個景觀的正常功能受到外界脅迫，這些脅迫作用的結(jié)果可能導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的損傷[1-4]。生態(tài)風(fēng)險評價是針對自然和人類活動對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響的可能性和程度評價[5-6]。已有研究結(jié)果表明，土地利用變化能夠直接反映區(qū)域中各種潛在的生態(tài)影響及其空間異質(zhì)性[7-8]，土地利用強(qiáng)度的變化及利用類型的轉(zhuǎn)變將會直接影響區(qū)域生態(tài)風(fēng)險的強(qiáng)度[9-11]。因此，在缺少長時間序列生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的情況下，從土地利用變化及景觀格局特征角度構(gòu)建生態(tài)風(fēng)險指數(shù)能夠有效反映區(qū)域生態(tài)狀況及空間分異情況。國內(nèi)學(xué)者以土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提出了不同的生態(tài)風(fēng)險指數(shù)構(gòu)建方法，藏淑英[12]、盧江林[13]、王衛(wèi)林[14]等學(xué)者利用土地利用類型面積占比及土地利用類型所反映的生態(tài)風(fēng)險強(qiáng)度參數(shù)構(gòu)建生態(tài)風(fēng)險指數(shù)，于淑會[15]、南穎[16]等基于壓力—狀態(tài)—響應(yīng)(P-S-R)模型構(gòu)建生態(tài)安全評價體系，張月[6]、周汝佳[17]等學(xué)者基于景觀格局指數(shù)和土地利用變化的信息，構(gòu)建區(qū)域景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù)，并對區(qū)域生態(tài)風(fēng)險的時空分布特征及關(guān)聯(lián)特征進(jìn)行了分析。

豫西黃土丘陵區(qū)屬于黃土高原向黃淮海平原過渡的交錯地帶，是河南省生態(tài)環(huán)境比較脆弱的區(qū)域之一。本研究在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合豫西黃土丘陵的實(shí)際情況，基于2000年、2010年、2015年的遙感影像獲取研究區(qū)土地利用動態(tài)變化數(shù)據(jù)，采用由土地利用類型占比、景觀擾動指數(shù)和景觀脆弱指數(shù)構(gòu)建的景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù)，借助地統(tǒng)計學(xué)和空間自相關(guān)分析方法，對豫西黃土丘陵區(qū)生態(tài)風(fēng)險的時空分布特征及關(guān)聯(lián)特征進(jìn)行評估，為豫西黃土丘陵區(qū)生態(tài)風(fēng)險的防控提供一定的參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

豫西黃土丘陵區(qū)(110°21′—113°30′E、33°32′—35°17′N)位于河南省西北部，行政區(qū)劃上包括鄭州市、洛陽市、焦作市、三門峽市和濟(jì)源市的19個縣(市)，總面積2.71萬km2，約占河南省總面積的16.23%。屬于黃土高原向黃淮海平原過渡的交錯地帶，水土流失嚴(yán)重，是河南省生態(tài)環(huán)境比較脆弱的區(qū)域之一。區(qū)域內(nèi)地形起伏較大、地貌復(fù)雜、土地利用類型多樣，最低海拔85 m，最高海拔2 392 m，地貌類型主要包括山地(中山和低山)、丘陵和平原等，土地利用類型主要以耕地、林地為主。該區(qū)屬于溫帶半濕潤半干旱氣候，年平均氣溫14.6℃，平均降水約為643.4 mm。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文利用2000年、2010年的Landsat TM和2015年的Landsat OLI遙感影像數(shù)據(jù)(分辨率:30 m;成像時間:8—10月)，對影像進(jìn)行融合、校正等預(yù)處理，利用監(jiān)督分類法并結(jié)合人工目視判讀對3期利用進(jìn)行解譯，將研究區(qū)分為林地、園地、草地、耕地、建設(shè)用地、水域、未利用地7種類型，解譯結(jié)果隨機(jī)采樣并進(jìn)行野外核查，總體精度均大于95%。

2 研究方法

2.1 評價單元劃分

研究土地利用變化對區(qū)域景觀生態(tài)風(fēng)險的影響，進(jìn)一步體現(xiàn)豫西黃土丘陵區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險在空間上的分異特征，根據(jù)景觀斑塊大小和研究區(qū)面積，本文利用5 km×5 km正方形格網(wǎng)對研究區(qū)2000年、2010年和2015年3期土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，共有1 069個生態(tài)風(fēng)險單元(圖1)。

圖1 豫西黃土丘陵區(qū)概況及景觀生態(tài)風(fēng)險評價單元劃分

2.2 景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù)構(gòu)建

本文依據(jù)采樣各評價單元內(nèi)土地利用類型占比、景觀擾動及景觀脆弱性構(gòu)建景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù)ER，公式如下:

(1)

式中:ERk表示采樣單元k的生態(tài)風(fēng)險指數(shù);Aki表示采樣單元k中i類景觀面積;Ak表示采樣單元k的面積;N表示景觀類型數(shù)量；Fi為景觀脆弱指數(shù)，表示各類景觀受外界干擾的敏感性，林地、園地、草地、耕地、水域、建設(shè)用地、未利用地為不同景觀類型賦值分別為2，2，3，4，5，1，6[18]。通過賦值的歸一化處理，得到各類景觀的脆弱度指數(shù)。

Ei為景觀干擾指數(shù)，計算公式如下:

Ei=waCi+wbNi+wcDi

(2)

式中:Ni,Ci,Di分別為第i個評價單元的景觀分離度、破碎度及優(yōu)勢度指數(shù);Wa,Wb,Wc為各指數(shù)權(quán)重,分別賦值為0.5,0.3,0.2[19]。

2.3 空間分析方法

(1) 土地利用動態(tài)變化。利用2000年、2010年、2015年的研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)，通過土地利用面積變化類型轉(zhuǎn)化等指標(biāo)分析不同時間段土地利用動態(tài)變化過程。利用ArcGIS的Tabulate Area空間疊加分析，計算生成2000—2015年研究區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，定量分析土地利用結(jié)構(gòu)特征與各類型之間的轉(zhuǎn)換特征，明確2000年各土地利用類型轉(zhuǎn)移去向以及2015年各土地利用類型面積增加的來源。

(2) 空間自相關(guān)分析。空間自相關(guān)系數(shù)是用來度量物理或生態(tài)學(xué)變量在空間上的分布特征及其對鄰域的影響程度。空間自相關(guān)分析可以檢驗(yàn)空間變量在特定位置與相鄰區(qū)域是否具有顯著相關(guān)性[20]。全局空間自相關(guān)用來研究某一現(xiàn)象在空間上是否具有聚集特性，而局部空間自相關(guān)更能體現(xiàn)其空間聚集分布格局和集聚的顯著度。全局自相關(guān)公式為:

(3)

局部空間自相關(guān)可表征每個區(qū)域與周邊地區(qū)之間的局部空間關(guān)聯(lián)和差異程度，通常利用Moran散點(diǎn)圖和LISA聚集圖對局部差異的空間分布進(jìn)行可視化表達(dá)。局部Moran′sI指數(shù)計算公式為:

(4)

式中:xi代表采樣單元i標(biāo)準(zhǔn)化值;xj代表采樣單元j標(biāo)準(zhǔn)化值。利用Geoda、ArcGIS統(tǒng)計分析軟件分別計算Moran′s指數(shù)和制作空間關(guān)聯(lián)局域指標(biāo)(LISA)圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用類型變化特征分析

豫西黃土丘陵區(qū)主要的土地利用類型為林地、耕地，共占研究區(qū)總面積的83%以上。由表1看出，2000—2015年豫西黃土丘陵區(qū)土地利用變化較為顯著，林地面積占比減少了0.64%，耕地面積占比減少了4.74%有;草地、建設(shè)用地和水域面積不斷增加，面積占比分別增加了3.20%，32.77%，45.29%。其中耕地、建設(shè)用地的變化最為顯著，2000—2015年耕地面積共計減少了554.90 km2，建設(shè)用地共計增加了423.70 km2。

表1 2000-2015年豫西黃土丘陵區(qū)土地利用變化

豫西黃土丘陵區(qū)林地占比較高，為研究區(qū)的優(yōu)勢地類，主要分布于西部的崤山和熊耳山的陜州區(qū)、靈寶市、盧氏縣、嵩縣、汝陽縣等區(qū)域，在2000—2015年的15 a間，林地面積持續(xù)減少，減少面積為184.29 km2，其中2000—2010年林地減少率遠(yuǎn)大于2010—2015年。園地面積由2000年的40.99 km2增加到2015年的151.93 km2，集中分布在靈寶是、陜州區(qū)等區(qū)域。草地零星分布于研究區(qū)中部和北部區(qū)域，2000—2015年草地面積增加了66.51 km2，面積的增加主要集中在2010—2015年。耕地集中分布中部和東部的在澗河流域、伊川臨汝盆地、伊洛河盆地等區(qū)域，2000—2015年耕地面積大幅度減少，總計減少了554.90 km2，其中2010—2015年耕地面積減少了459.91 km2，變化幅度最大，占耕地減少總量的82.88%。與耕地面積大幅度減少相對應(yīng)的是建設(shè)用地的大幅度增加，2000—2015年建設(shè)用地持續(xù)增加，總計增加了423.70 km2,2010—2015年建設(shè)用地增加率顯著高于前一個時期。

利用2000年、2015年兩期土地利用圖在ArcGIS中進(jìn)行疊加分析，生成豫西黃土丘陵區(qū)2000—2015年土地利用類型變化轉(zhuǎn)移矩陣。由圖2可以看出,2000—2015年，耕地是豫西黃土丘陵區(qū)土地利用的主要轉(zhuǎn)出類型，耕地與建設(shè)用地、林地和園地的轉(zhuǎn)化比較劇烈，轉(zhuǎn)出面積分別為455.66 km2，233.40 km2，138.56 km2，占耕地總面積的比例分別為3.89%，1.99%和1.18%。其次為林地轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸亍⒏睾徒ㄔO(shè)用地的面積分別為181.00 km2，143.40 km2，53.61 km2。近15 a年來，建設(shè)用地是豫西黃土丘陵區(qū)土地利用的主要轉(zhuǎn)入類型，增加面積表主要來源耕地和林地，城市空間擴(kuò)展、交通設(shè)施建設(shè)與農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整是建設(shè)用地增加與耕地減少的主要原因。

圖2 2000-2015年豫西黃土丘陵區(qū)土地利用轉(zhuǎn)換特征

3.2 景觀生態(tài)風(fēng)險空間自相關(guān)分析

空間自相關(guān)分析是檢驗(yàn)?zāi)骋灰嘏c其鄰近范圍是否具有關(guān)聯(lián)以及關(guān)聯(lián)度，全局空間自相關(guān)可以表征某一要素在整體范圍內(nèi)的空間依賴程度，而局部空間自相關(guān)表征一個采樣單元與其相鄰單元的相似程度，能夠更直觀體現(xiàn)某一要素在空間上的的聚集特征。本研究通過生態(tài)風(fēng)險指數(shù)構(gòu)建模型計算得到研究區(qū)2000年、2010年、2015年3期生態(tài)風(fēng)險指數(shù)，利用空間計量軟件(GeoDa)進(jìn)行空間全局和局部自相關(guān)分析。由圖3看出，研究區(qū)2000年、2010年、2015年3期生態(tài)風(fēng)險指數(shù)全局自相關(guān)系數(shù)分別為0.587，0.586，0.540。Moran′sI指數(shù)為正值，表明研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，生態(tài)風(fēng)險出現(xiàn)聚集區(qū)，高等級風(fēng)險區(qū)周圍分布著相應(yīng)高等級的風(fēng)險，低等級生態(tài)風(fēng)險區(qū)周圍風(fēng)險等級也較低。全局自相關(guān)值呈現(xiàn)上升的趨勢，表明研究區(qū)2000—2010年生態(tài)風(fēng)險區(qū)聚集趨勢變化不明顯，2010—2015年呈現(xiàn)減弱的趨勢。

圖3 2000-2015年豫西黃土丘陵區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險Moran散點(diǎn)圖

Moran′sI指數(shù)僅可以反映區(qū)域空間分布狀態(tài)及空間聚集指數(shù)，并不能完全表現(xiàn)生態(tài)風(fēng)險在空間上的相互聯(lián)系程度，利用局部自相關(guān)分析(LISA)來探討豫西黃土丘陵區(qū)生態(tài)風(fēng)險在區(qū)域上的關(guān)聯(lián)度及其空間集聚特征。通過GeoDa軟件對研究區(qū)1 096個采樣區(qū)2000年、2010年、2015年3期生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行LISA分析，得到3期生態(tài)風(fēng)險局部自相關(guān)LISA結(jié)果(圖4)。研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險值的空間集聚形態(tài)主要以低—低集聚和高—高集聚為主。3個時期低—低集聚樣區(qū)分別占總采樣數(shù)的13.75%，13.84%，20.49%，高—高集聚樣區(qū)分別占總采樣數(shù)的12.91%，12.91%，16.18%，低—高集聚和高—低集聚區(qū)占總采樣數(shù)的0.94%，0.75%，2.71%。從研究區(qū)局部自相關(guān)情況來看，低—低集聚區(qū)域呈現(xiàn)增加趨勢，高—高集聚區(qū)域呈現(xiàn)先增加后減少趨勢。從空間分布來看，生態(tài)風(fēng)險高值集聚區(qū)(H—H)主要集中分布在盧氏縣—洛寧縣—靈寶縣，這一區(qū)域?qū)儆邳S土覆蓋低山區(qū)，地表覆蓋類型多樣，景觀優(yōu)勢度較低且景觀分布破碎，人類活動強(qiáng)度的增加極易引起水土流失、林草退化等生態(tài)環(huán)境問題。其次，高—高集聚區(qū)(H—H)也少量分布在城市的建成區(qū)及周邊地區(qū)，這些區(qū)域受人類活動影響大，土地利用轉(zhuǎn)換和利用強(qiáng)度高。生態(tài)風(fēng)險低值集聚區(qū)(L—L)主要集中分布在伊川縣、孟津縣、新安縣、義馬市等區(qū)域，這些區(qū)域主要位于伊川臨汝盆地、黃土臺地丘陵區(qū)，景觀類型以耕地為主，景觀優(yōu)勢度較高，且斑塊的破碎度較低。

圖4 豫西黃土丘陵區(qū)生態(tài)風(fēng)險值局部自相關(guān)分布

3.3 景觀生態(tài)風(fēng)險時空變化分析

為了進(jìn)一步分析豫西黃土丘陵區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險的空間分異特征，本研究借助地統(tǒng)計學(xué)方法，將研究區(qū)1 096個采樣單元的生態(tài)風(fēng)險值(ER)進(jìn)行克里金插值(Kriging)，得到豫西黃土丘陵區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險的空間分布圖(圖5)。利用ArcGIS自然斷點(diǎn)法(Natural Breaks)將研究區(qū)的景觀生態(tài)風(fēng)險劃分為高風(fēng)險、較高風(fēng)險、中風(fēng)險、較低風(fēng)險以及低風(fēng)險區(qū)5個等級，賦值區(qū)間分別為:較高風(fēng)險區(qū)(ER>0.45)、較高風(fēng)險區(qū)(0.40

圖5 豫西黃土丘陵區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險空間分布

2000年豫西黃土丘陵區(qū)低、較低生態(tài)風(fēng)險分布區(qū)域分別占研究區(qū)總面積的18.22%，23.77%。低生態(tài)風(fēng)險區(qū)主要集中分布在孟津縣西部、新安縣南部、宜陽縣北部、澠池縣南部以及伊川縣等區(qū)域，靈寶北部、孟州西部也有分布，該區(qū)域位于黃土臺地丘陵和伊川臨汝盆地，較低生態(tài)風(fēng)險區(qū)主要分布在低生態(tài)風(fēng)險區(qū)周邊區(qū)域，土地利用類型主要以耕地為主，土地利用類型單一且集中連片。這些區(qū)域景觀類型以耕地為主，林地和草地等景觀在周邊分布，耕地、林地的景觀脆弱度較低，且耕地景觀集中連片分布，因此這些區(qū)域生態(tài)風(fēng)險等級較低。中生態(tài)風(fēng)險區(qū)主要分布在澠池縣和新安縣北部、洛寧縣東部、宜陽縣南部及嵩縣中北部等區(qū)域，處于耕地和林地景觀類型的過渡帶，占研究區(qū)總面積的34.98%。較高風(fēng)險區(qū)主要分布在濟(jì)源市西部、洛陽—宜陽一線以及鞏義市中部區(qū)域，占研究區(qū)總面積的14.99%。高生態(tài)風(fēng)險區(qū)主要分布在盧氏縣—洛寧縣—靈寶縣三角地帶，這一區(qū)域?qū)儆邳S土覆蓋低山區(qū)，占研究區(qū)總面積的8.04%，景觀類型主要為林地、坡旱地，且景觀較為破碎，人類活動強(qiáng)度的增加極易引起水土流失、林草退化等生態(tài)環(huán)境問題。

2010年豫西黃土丘陵區(qū)生態(tài)風(fēng)險各等級面積發(fā)生相應(yīng)變化，但空間分布規(guī)律較2000年未發(fā)生明顯變化。其中生態(tài)風(fēng)險低、較低等級所占面積較2000年增加了2.96%，面積增加區(qū)域主要是生態(tài)風(fēng)險區(qū)低、較低等級向外擴(kuò)展，面積增大。生態(tài)風(fēng)險中等級分布面積有大幅度的減少，面積占比較2000年減少了6.32%，生態(tài)風(fēng)險中等級區(qū)域主要轉(zhuǎn)變?yōu)檩^高生態(tài)風(fēng)險區(qū)等級，減少的區(qū)域主要分布在洛陽—宜陽一線、濟(jì)源市、鞏義和滎陽市，這些區(qū)域人類活動強(qiáng)度增大，大面積耕地景觀向建設(shè)用地類型轉(zhuǎn)換，使得原有較完整的景觀變得破碎，景觀生態(tài)風(fēng)險在逐漸增大。較高生態(tài)風(fēng)險等級區(qū)域面積占比較2000年增加了3.85%，主要是集中分布在濟(jì)源西部、靈寶市南部、洛陽—宜陽一線以及鞏義市，這些區(qū)域林地轉(zhuǎn)換為耕地和草地景觀，景觀類型轉(zhuǎn)換的區(qū)域生態(tài)脆弱度增大，高生態(tài)風(fēng)險區(qū)面積略有減少，面積占比較2000年減少了0.47%。2015年豫西黃土丘陵區(qū)中生態(tài)風(fēng)險和高生態(tài)風(fēng)險區(qū)面積及空間分布發(fā)生了顯著變化，低生態(tài)風(fēng)險區(qū)較2010年基本保持穩(wěn)定，生態(tài)風(fēng)險較低、中等級分布面積較2010年顯著減少，分別減少了3.36%，5.69%;生態(tài)風(fēng)險較高等級面積占比較2000年增加了1.93%，高生態(tài)風(fēng)險區(qū)等級所占面積增長較為顯著，較2010年增加了6.88%。較高、高生態(tài)風(fēng)險變化的區(qū)域主要集中在澠池縣北部、鞏義市、滎陽市西部，這些區(qū)域的基質(zhì)景觀類型以耕地為主，受到人類活動干擾后的損失度較高，另外，這些區(qū)域耕地景觀向建設(shè)用地轉(zhuǎn)換，景觀的破碎度及分離度也在不斷增大。

2000—2015年，豫西黃土丘陵區(qū)低、較低生態(tài)風(fēng)險區(qū)面積基本保持穩(wěn)定，僅減少了0.17%，中生態(tài)風(fēng)險區(qū)所占面積減小幅度較大，面積占比較2000年減少了12.02%,2015年較高、高生態(tài)風(fēng)險區(qū)所占面積較2000年增加了12.19%，呈現(xiàn)明顯的上升趨勢。在這15 a間，研究區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險整體呈現(xiàn)上升趨勢，高生態(tài)風(fēng)險區(qū)的基質(zhì)景觀類型以耕地為主，受到人類活動干擾后的損失度較高，隨著人類活動強(qiáng)度增強(qiáng)，土地利用類型的轉(zhuǎn)化強(qiáng)度也在不斷加大，景觀類型轉(zhuǎn)換的區(qū)域生態(tài)脆弱度增大(林地轉(zhuǎn)換為耕地和草地)，景觀的破碎度及分離度也在不斷增大(耕地轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地)。

圖6 2000-2015年研究區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險各等級面積占比

4 結(jié) 論

(1) 豫西黃土丘陵區(qū)主要的土地利用類型為林地、耕地，共占研究區(qū)總面積的83%以上。2000—2015年土地利用類型的轉(zhuǎn)化強(qiáng)度也在不斷增加，大量的耕地、林地向?yàn)榻ㄔO(shè)用地轉(zhuǎn)換，其中2010—2015年耕地減少幅度最大，占耕地減少總量的82.88%。

(2) 2 000-2015的15 a間，景觀生態(tài)風(fēng)險整體呈現(xiàn)上升趨勢，高生態(tài)風(fēng)險區(qū)的基質(zhì)景觀類型以耕地為主，受到人類活動干擾后的損失度較高。

(3) 研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險空間集聚形態(tài)以低—低集聚和高—高集聚為主，表現(xiàn)為低—低集聚區(qū)域呈現(xiàn)增加趨勢，高—高集聚區(qū)域呈現(xiàn)先增加后減少趨勢。生態(tài)風(fēng)險高值集聚區(qū)(H-H)主要集中分布在盧氏縣—洛寧縣—靈寶縣，這一區(qū)域?qū)儆邳S土覆蓋低山區(qū)，地表覆蓋類型多樣，景觀優(yōu)勢度較低且景觀分布破碎。

本文嘗試通過構(gòu)建景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù)建立土地利用及景觀格局的變化與區(qū)域生態(tài)風(fēng)險之間的經(jīng)驗(yàn)聯(lián)系，通過空間格網(wǎng)采樣方法將景觀空間結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為生態(tài)風(fēng)險變量。本文僅從景觀空間結(jié)構(gòu)角度衡量豫西黃土丘陵區(qū)生態(tài)風(fēng)險程度，并沒有考慮其他自然或社會經(jīng)濟(jì)因素，所以計算出的生態(tài)風(fēng)險值并不具有絕對性。但是基于景觀格局構(gòu)建生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的方法研究流域的生態(tài)風(fēng)險空間格局和動態(tài)變化是可行有效的。