王 權(quán),唐 芳,李陽兵,*,黃 娟,白雪飄

1 貴州師范大學地理與環(huán)境科學學院,貴陽 550025 2 武漢大學資源與環(huán)境科學學院,武漢 430079 3 北京師范大學遵義附屬學校,遵義 563000

景觀格局是指在特定時間特定區(qū)域范圍內(nèi),不同屬性的斑塊大小和形狀各異的景觀要素特征在空間上的排列和組合[1]。長期以來,景觀格局演變和生態(tài)環(huán)境建設(shè)過程之間具有直接影響,其通過自然和人為活動的土地利用方式和決策時對景觀生態(tài)環(huán)境質(zhì)量帶來顯著變化[2]。景觀生態(tài)安全是土地資源安全的子系統(tǒng),也是保障國民社會經(jīng)濟健康發(fā)展的基本前提,對國家和地區(qū)發(fā)展與建設(shè)至關(guān)重要,已成為21世紀以來人類社會可持續(xù)發(fā)展面臨的新主題。土地資源作為社會經(jīng)濟發(fā)展的基本載體,面臨著巨大的壓力,在當前土地利用過程中,由于快速的社會經(jīng)濟發(fā)展和人口持續(xù)增長帶來的土地資源利用不足,從而促使土地生態(tài)問題愈加突出[3],出現(xiàn)了資源枯竭、土地石漠化[4]、土地鹽堿化[5]、草地退化以及環(huán)境污染等一系列問題[6],這已直接威脅到社會和經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展[7]。因此有必要采用科學合理的方法對區(qū)域景觀生態(tài)安全狀況進行深度剖析具有重要價值。

當前,探討景觀生態(tài)安全問題、評價景觀生態(tài)安全狀況等成為學術(shù)界和相關(guān)部門關(guān)注的重要問題。根據(jù)前人專家學者關(guān)于景觀生態(tài)安全評價應(yīng)用的方法主要有綜合指數(shù)法[8]、生態(tài)足跡法[9]、景觀生態(tài)學法[10-11]、遺傳算法[12]、突變級數(shù)法[13]；研究尺度上,呈現(xiàn)由國家級和省級的宏觀尺度向市、縣級中微觀尺度轉(zhuǎn)變,尺度上充分考慮了區(qū)域間的差異；研究模型主要包括壓力-狀態(tài)-響應(yīng)模型(PSR)[14]、DPSIR[15]、熵權(quán)模糊物元模型[16]；研究對象上,空間技術(shù)的發(fā)展使得研究區(qū)內(nèi)縱向研究得以深化,例如,同區(qū)域不同年份的對比研究,但缺乏時序性橫向?qū)Ρ?以及同區(qū)域不同評價方法的對比研究。橫向?qū)Ρ?可以了解區(qū)域間景觀格局演變及其生態(tài)安全的時空分異規(guī)律及差異性；同區(qū)域不同評價方法的對比,則可以優(yōu)化并提高評價結(jié)果的可信度。通過多方面的對比研究,才能系統(tǒng)全面地了解研究區(qū)域景觀生態(tài)安全狀況及發(fā)展趨勢,以便制定科學合理的政策以指導并實踐,對促進該地區(qū)土地資源的可持續(xù)利用具有重要意義。

研究區(qū)位于西南巖溶山地區(qū)域,地勢險要,地形起伏多變,高差大,地勢險要,生態(tài)環(huán)境極其脆弱[17],擁有典型的槽谷地貌單元。槽谷區(qū)箱型緊密式北東向背斜/向斜構(gòu)造發(fā)育,巖層構(gòu)造傾角變化大,受多種巖性控制,地形空間上形成山坡-槽壩交替出現(xiàn),地形地貌分異明顯,形成高度異質(zhì)性的景觀結(jié)構(gòu)特征,導致區(qū)域自然資源稟賦差異大。在當前城鎮(zhèn)化和工業(yè)化發(fā)展背景下,槽谷區(qū)資源不合理利用造成生態(tài)環(huán)境日益遭受到不同程度的破壞。因此,有必要深入探究槽谷這典型地貌單元的景觀格局演變及其生態(tài)安全的時空分異狀況及形成機制。基于此,本文主要選取具有代表性的貴州省銅仁市德江、沿河、印江三縣交界處的三條巖溶槽谷作為研究對象,使用2005、2010、2014、2017年4期遙感數(shù)據(jù),借助ArcGIS軟件、景觀指數(shù)法和生態(tài)安全指標構(gòu)建深入探討三條槽谷區(qū)景觀格局演變及其生態(tài)安全的時空演變特征規(guī)律及其差異,對槽谷區(qū)進行空間定量分析,探討自然、人類活動造成景觀結(jié)構(gòu)和功能變化的動因,揭示景觀格局及生態(tài)安全過程的影響機制,從而為景觀生態(tài)安全評價和高效引導土地合理利用,協(xié)調(diào)好生態(tài)保護與區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展,為巖溶槽谷區(qū)土地利用管理、景觀規(guī)劃和生態(tài)環(huán)境修復提供科學參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于貴州省德江縣、沿河縣和印江縣三縣交界處,坐標位置為108°21′48″—108°32′37″E和28°12′41″—28°26′35″N之間,三條槽谷分別是西部槽谷、中部槽谷、東部槽谷；西部槽谷位于楓香溪鎮(zhèn)和譙家鎮(zhèn),中部槽谷位于杉樹鎮(zhèn),東部槽谷位于沙子坡鎮(zhèn)[18]。三條槽谷呈北東向排列組合,地形上為背斜呈山向斜呈谷。每條槽谷又分別由中間谷地和兩側(cè)坡面構(gòu)成,山-槽梳狀緊密褶皺交替出現(xiàn)。其中西部槽谷長為38.96 km,寬為7.29 km,平均海拔為760 m,平均坡度為12°；中部槽谷長為42.85 km,寬為3.90 km,平均海拔為880 m,平均坡度為16°；東部槽谷長為3.257 km,寬為4.86 km,平均海拔為680 m,平均坡度為17°。研究區(qū)總面積503.39 km2,其中,西部槽谷區(qū)人口分布為8.43萬,生產(chǎn)總值為8560萬元,全年人均收入1015元；中部槽谷耕地面積為51.89 km2,人口分布為2.53萬,生產(chǎn)總值為4204萬元,全年人均收入1661元；東部槽谷人口分布為2.63萬,生產(chǎn)總值為5321萬元,全年人均收入2023元。研究區(qū)氣候類型屬于亞熱氣候和暖溫帶季風山地氣候,年平均氣溫15℃,年均降雨量1200 mm。

2 研究數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

采用2005、2010、2014、2017年4期LandSat遙感影像為數(shù)據(jù)源,運用Erdas imagine 9.0軟件對各期影像進行幾何校正。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)2005、2010、2014、2017年的各期數(shù)據(jù)的進行配準,配準誤差控制在0.5個像元內(nèi),在ArcGIS 10.2軟件的支持下,采用人工目視解譯得到2017年土地利用矢量圖層數(shù)據(jù),并依次與2014年2010年和2005年遙感影像進行疊加,采用矢量底圖影像對比判讀的方法依次識別提取2014、2010和2005年的土地利用信息,最后獲取2005、2010、2014和2017年的土地利用矢量線劃圖,再經(jīng)過ArcGIS 10.2軟件進行拓撲檢查與修改處理,并參照GB/T 21010—2017年全國土地利用分類體系將研究區(qū)分為12種景觀類型,即：灌木林地、農(nóng)村居民用地、水田、水域、溝渠、道路、城鎮(zhèn)用地、工礦用地、有林地、草地以及裸露巖地(圖1)。

圖1 研究區(qū)土地利用圖 Fig.1 Land use map in the study area

槽谷區(qū)數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model)來源于ASTER GDEM數(shù)據(jù),采用ArcGIS 10.2軟件處理得到研究區(qū)坡度、高程、地形起伏數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

2.2.1景觀指標的選取

景觀格局通常是指一定范圍景觀的空間結(jié)構(gòu)特征,具體是指由自然或人為形成一系列大小、形狀各異,不同的景觀鑲嵌體在景觀空間上的排列組合,它即是景觀異質(zhì)性的具體表現(xiàn),同時又是包括干擾在內(nèi)的各種生態(tài)過程在不同尺度上作用結(jié)果[19]。根據(jù)研究區(qū)實際情況,為全面反映巖溶槽谷區(qū)景觀格局破碎度和多樣性的空間差異特征,從而選取類型水平和景觀水平兩個尺度對巖溶槽谷區(qū)景觀格局進行系統(tǒng)分析。在類型水平上選取斑塊密度、邊緣密度、最大斑塊指數(shù)和景觀形狀指數(shù)來表征景觀破碎化狀況；在景觀水平上選取蔓延度、聚集度、Shannon′s多樣性指數(shù)和Shannon′s均勻度指數(shù)來表征景觀多樣性。在選取以上景觀指標的基礎(chǔ)上并利用ArcGIS 10.2軟件的柵格轉(zhuǎn)換工具對土地利用景觀矢量數(shù)據(jù)柵格化,然后導入Fragstats4.2軟件對各景觀指標計算并統(tǒng)計得到研究區(qū)景觀指數(shù)值。選取景觀格局指數(shù)見表1：

表1 研究區(qū)景觀格局指標及其意義Table 1 Landscape pattern index and its significance in the study area

2.2.2土地干擾度指數(shù)

LDIi=αCi+βHi+γFi

(1)

式中,LDIi為景觀生態(tài)安全干擾度指數(shù)；Ci土地利用景觀破碎度；Hi表示土地利用多樣性指數(shù)；Fi表示槽谷區(qū)土地利用景觀分維數(shù)；α、β、γ為其權(quán)重,參考已有學者研究成果[20],依據(jù)土地指數(shù)的重要性對破碎度、分離度和優(yōu)勢度分別賦以權(quán)重為0.5、0.3、0.2,對量綱不同的指數(shù)進行歸一化處理。

①土地斑塊破碎度(Ci)是指度量景觀利用類型破碎化程度,公式為：

Ci=Ni/A

(2)

②土地分離度(Si)主要用于反映區(qū)域景觀異質(zhì)性,公式為：

(3)

③土地優(yōu)勢度(Di)是指某種景觀利用類型在類型要素中鑲嵌結(jié)構(gòu)的復雜性與穩(wěn)定性,公式為：

Di=(Qi+Mi+Pi)/3

(4)

式中,Ci為景觀利用類型i的破碎度,Ni為景觀利用類型i的斑塊數(shù),A為土地的總面積,Si為某一景觀利用類型的分離度,pi為某一景觀的面積占區(qū)域景觀面積的比例,頻度Qi=斑塊出現(xiàn)的樣方數(shù)/總樣方數(shù),密度Mi=斑塊i的數(shù)目/斑塊的總數(shù)目,面積比例Pi=斑塊i的面積/樣方的總面積。

2.2.3土地脆弱度指數(shù)(LVI)

選取該指標主要是反映巖溶槽谷區(qū)景觀利用類型遭受干擾后的變化程度狀況。一般而言,景觀類型不同,其抗干擾度和敏感度都存在差異性。參考前人研究基礎(chǔ)并結(jié)合巖溶槽谷區(qū)實際情況,將各景觀利用類型脆弱性狀況分為5個等級：1為城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民用地、道路、工礦用地,2為山地旱地、水田,3為草地,4為灌木林地、有林地,5為水域和溝渠,6為裸露巖地,其中城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民用地、道路以及工礦用地最穩(wěn)定,裸露巖地最敏感；灌木林地和有林地大都分布在山坡,均為人類不易到達的天然林分,研究中認為它們的脆弱度相近,均賦值為2；山地旱地和水田同屬人工種植經(jīng)營的土地類型,研究中認為它們的脆弱度相近,均賦值為4。最后賦值進行歸一化處理(表2)。

表2 研究區(qū)景觀利用類型的脆弱性指數(shù)Table 2 Vulnerability index of landscape (LVI) utilization types in the study area

2.2.4槽谷區(qū)景觀生態(tài)安全指數(shù)(ESI)

本文根據(jù)研究區(qū)土地利用斑塊面積情況,建立槽谷區(qū)200 m×200 m大小網(wǎng)格?；谕恋馗蓴_度指數(shù)和土地脆弱性指數(shù)的基礎(chǔ)上[21],通過面積加權(quán)求和計算巖溶槽谷區(qū)每個網(wǎng)格的土地利用生態(tài)安全指數(shù)(ESIk),其計算數(shù)學模型為：

(5)

式中,ESIk為第k個評價單元的土地利用景觀生態(tài)安全指數(shù)；LDIi為土地利用干擾度指數(shù)；LVIi為土地利用脆弱性指數(shù)；n為景觀利用類型數(shù)目；Aki為第k個評價單元的第i類景觀利用類型的面積；Ak為第k個評價單元的總面積。其數(shù)值越小,反映出生態(tài)安全程度越來越低,反之則高。

2.2.5評價標準的確定

為了便于比較研究區(qū)景觀生態(tài)安全指數(shù)的大小,根據(jù)研究區(qū)景觀生態(tài)安全指數(shù)分布的具體情況,利用相同間距法,制定了針對研究區(qū)的相對評價標準,即是將巖溶槽谷區(qū)各網(wǎng)格景觀生態(tài)安全指數(shù)分為4個等級,即低安全區(qū)(ESI<0.9100)、一般安全區(qū)(0.9100≤ESI<0.9400)、較高安全區(qū)(0.9400≤ESI<0.9700)、高安全區(qū)(ESI≥0.9700),然后再基于研究區(qū)每個網(wǎng)格前后安全指數(shù)等級的變化,將景觀生態(tài)安全指數(shù)變化分為3級,分別為:不變(ESI不變)、下降(ESI下降小于等于一個等級)、上升(ESI上升大于等于1個等級)。

2.2.6空間自相關(guān)分析

Moran′sI指數(shù)可以反映出空間鄰近的區(qū)域單元屬性值的相似特征。Moran′sI指數(shù)取值在-1—1之間：大于0時表示存在正的空間自相關(guān)，等于0時表示不相關(guān)，小于0時表示存在負的空間自相關(guān)。由此本文采用全局空間自相關(guān)Moran′sI指數(shù)和局部空間自相關(guān)統(tǒng)計量 (LISA)來分析巖溶槽谷區(qū)景觀生態(tài)安全的空間自相關(guān)特征[22-23]。數(shù)學模型如公式(6)和(7)所示：

(1)全局空間自相關(guān)分析

(6)

(2)局部空間自相關(guān)分析

(7)

一般來講，LISAi值大于0則表示該區(qū)域單元周圍相似值(高值或低值)在空間上的聚集，LISAi值小于0則表示非相似值在空間上的聚集。

2.2.7三元圖

利用三元圖可構(gòu)建一個等邊三角形坐標系統(tǒng),描述三元系統(tǒng)中各變量的相對比例關(guān)系[24],各變量的數(shù)量要標準化,使得3個變量之和為1。

3 結(jié)果與分析

3.1 槽谷區(qū)景觀類型尺度分析

圖2 研究區(qū)景觀指數(shù)的動態(tài)變化Fig.2 Landscape index dynamic changes in the study area

由圖2可見,2005—2017年間,槽谷區(qū)景觀類型的斑塊密度總體上平穩(wěn)且上升趨勢,可知槽谷區(qū)隨著時間發(fā)展,土地利用景觀都遭到了不同程度破壞。其中山地旱地的斑塊密度(PD)呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢,而有林地和灌木林地呈現(xiàn)先減后增變化,是因為2005—2014年期間當?shù)鼐用褚栏酵恋厣a(chǎn)生活大,開發(fā)林草地資源進行轉(zhuǎn)為山地旱地,從而對其破壞程度較大。槽谷區(qū)邊緣密度(ED)變化較大的是有林地、山地旱地和草地。2005—2017年時期,有林地和山地旱地呈現(xiàn)出先減后增的變化,草地呈現(xiàn)出持續(xù)略下降的變化趨勢。

最大斑塊指數(shù)(LPI)在景觀類型尺度上表示為斑塊類型中最大斑塊組成,其變化幅度可揭示出當?shù)厝藶榛顒訉坝^類型的擾動強度。由圖2可見,槽谷區(qū)最大斑塊指數(shù)(LPI)主要以有林地、山地旱地、灌木林地和草地為主導。從2005—2017年,有林地和山地旱地呈現(xiàn)出先減后增的變化,是因為2005—2014階段,當?shù)馗孛娣e呈現(xiàn)擴張,而有林地面積呈先減少趨勢,整體上山地旱地的最大斑塊指數(shù)較有林地大,2014—2017年斑塊連片增大。從2005—2017年,槽谷區(qū)有林地和灌木林地的形狀指數(shù)(LSI)變化明顯,主要原因是近12年來實施退耕還林所致；其他各景觀類型整體上呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài),變化不顯著。

3.2 槽谷區(qū)景觀水平尺度演變分析

蔓延度指數(shù)(CONTAG)和聚集度指數(shù)(AI)均可反映景觀斑塊類型團聚程度的指標。由圖3可見,2005—2017年時期,槽谷區(qū)景觀斑塊類型的演變表現(xiàn)出最大限度破碎化及蔓延連通性較高。隨著社會經(jīng)濟不斷提高,槽谷區(qū)人為擾動頻繁且擾動區(qū)域不斷擴大,土地利用不斷受到影響,這些使得景觀內(nèi)部斑塊類型不斷分散,部分區(qū)域聚集程度降低。受到人類活動影響,巖溶槽谷區(qū)槽壩區(qū)域城鎮(zhèn)用地、道路增加,山地旱地減少,使得自然景觀斑塊類型不斷被分割和蠶食[25],從而衍生出更多的單體斑塊,各類斑塊間離散程度增大,蔓延度指數(shù)(CONTAG)增強。2005—2017年時期,西東部槽谷區(qū)聚集度指數(shù)(AI)比例呈現(xiàn)逐漸降低,而中部槽谷地形地貌崎嶇,其聚集度指數(shù)(AI)由槽壩向山坡延伸整體上呈現(xiàn)出先增加后降低變化。

Shannon′s多樣性指數(shù)(SHDI)和Shannon′s均勻度指數(shù)(SHEI)均可反映研究區(qū)域的景觀多樣性指標[26]。由圖3可見,2005—2017年期間,西東部槽谷的Shannon′s多樣性指數(shù)(SHDI)和香濃多樣性指數(shù)(SHEI)在空間分布上呈現(xiàn)出基本一致性,主要集中于槽壩平坦部位,槽壩向山坡延伸均呈現(xiàn)降低趨勢,原因是西東部槽谷槽壩向山坡邊緣效應(yīng)明顯且斑塊分散；中部槽谷區(qū)的香濃多樣性指數(shù)(SHDI)和香濃多樣性指數(shù)(SHEI)主要分布山坡兩側(cè)。這說明,隨著時間發(fā)展,槽谷槽壩低地形起伏區(qū)受城鎮(zhèn)、農(nóng)村居民用地、工礦及交通用地分割,槽壩內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜,景觀空間異質(zhì)性最強、多樣性和均勻度達到最大、破碎化最嚴重,聚集度較低且連通性高[27]。

圖3 2005—2017年研究區(qū)CONTAG、AI、SHDI和SHEI的空間分布Fig.3 Spatial distribution of CONTAG,AI，SHDI and SHEI in the study area from 2005 to 2017

3.3 槽谷區(qū)景觀生態(tài)安全的時空演變特征

由于景觀生態(tài)安全指數(shù)變化反映的是區(qū)域多種景觀利用類型變化趨勢的疊加效應(yīng)[28],因而其空間分布差異顯著,總體上向逐漸增高的趨勢發(fā)展(圖4)。其中東部槽谷南部、西部槽谷北部和南部的生態(tài)安全指數(shù)高值和低值相間分布或高值集聚分布,這說明在該區(qū)域內(nèi)地形起伏相對較小,景觀類型多樣性較高,而西部槽谷中部的高值主要集中分布在山坡,低值主要分布在槽壩,但中部槽谷中部則相反；與2005年相比,2010年生態(tài)安全指數(shù)整體在提高,尤其西部和東部槽谷最為明顯；2014年景觀生態(tài)安全指數(shù)整體呈降低的趨勢,說明人類活動增強,農(nóng)村居民和城鎮(zhèn)用地規(guī)模在擴張[29]；2017年低值區(qū)域由深紅轉(zhuǎn)為淡紅,系統(tǒng)內(nèi)生態(tài)安全度有所降低,且有逐漸向槽谷區(qū)南部轉(zhuǎn)移的趨勢,而高值區(qū)域未發(fā)生明顯波動。

圖4 研究區(qū)景觀生態(tài)安全空間分布Fig.4 Spatial distribution of landscape ecological security in the study area

3.4 槽谷區(qū)景觀生態(tài)安全指數(shù)空間相關(guān)性分析

3.4.1景觀生態(tài)安全指數(shù)的特征尺度及其全局空間相關(guān)性

景觀生態(tài)安全指數(shù)全局自相關(guān)Moran′sI值隨測定距離的縮小而變得更相似,表現(xiàn)出相似值在空間上的集聚,也表明區(qū)域內(nèi)ESI變量呈空間全局正相關(guān),其相關(guān)性存在明顯尺度效應(yīng)。2014和2010年Moran′sI指標值在各距離上很接近,但在1400 m處差異明顯(圖5),表明2014年較2010年全局自相關(guān)區(qū)域有所增加；2017年景觀生態(tài)安全指數(shù)全局自相關(guān)區(qū)域較2014和2010年有所減小,較2005年有所增加；在距離200 m時,趨勢圖上四期Moran′sI指標值趨于穩(wěn)定,表明該尺度可以作為反映研究區(qū)域的特征尺度,尺度過大(400、600 m)會導致部分空間信息的損失。因此,本研究選擇200 m作為分析巖溶槽谷區(qū)景觀生態(tài)安全指數(shù)分布格局的特征尺度。在200 m的研究尺度下,西部槽谷ESI的全局正相關(guān)性最為顯著,其Moran′s值呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢,而東部和中部槽谷則相反,表明在時間序列上,西部槽谷景觀生態(tài)安全的空間自相關(guān)程度有所減弱,空間分異性增強,而中、東部槽谷空間趨同性和自相關(guān)程度逐漸增強(表3)。

表3 研究區(qū)不同時期景觀生態(tài)安全指數(shù)Table 3 Landscape ecological security index in different periods in the study area

圖5 研究區(qū)景觀生態(tài)安全指數(shù)空間自相關(guān)性特征值趨勢圖 Fig.5 Trend chart of spatial autocorrelation eigenvalues of landscape ecological security index in the study area

3.4.2槽谷區(qū)景觀生態(tài)安全指數(shù)局部空間自相關(guān)分析

景觀利用類型的多樣化可以直接導致景觀生態(tài)安全指數(shù)空間分布的顯著性增強[30]。由圖6可以看出,巖溶槽谷區(qū)ESI的空間集聚形式主要表現(xiàn)為高高和低低值集聚區(qū),空間集聚程度較高,而高低和低高集聚區(qū)分布較少且變化不明顯。高值集聚區(qū)主要集中分布在西部槽谷中部的兩翼、中部槽谷中部與南部的槽壩區(qū)域,而東部槽谷槽壩和山坡皆有分布,這主要是由于該區(qū)域有林地、灌木林地和草地的規(guī)模化分布且景觀利用類型單一,對區(qū)域生態(tài)安全系統(tǒng)貢獻率較大,呈現(xiàn)出植被覆蓋率高的區(qū)域景觀生態(tài)安全指數(shù)高的特征。低值集聚區(qū)主要集中分布于西部槽谷的槽壩、中部槽谷北部的兩翼、而東部槽谷與高值集聚區(qū)分布特征一致,這主要是與區(qū)域內(nèi)植被覆蓋率低、土地利用強度大以及地形較緩等特征有關(guān),使得區(qū)域內(nèi)環(huán)境效益較差而直接導致景觀生態(tài)安全指數(shù)下降,整體呈現(xiàn)出沿景觀利用類型多樣和人類活動強的區(qū)域分布。

圖6 研究區(qū)景觀生態(tài)安全指數(shù)局域空間自相關(guān) LISA聚類圖Fig.6 LISA clustering diagram of local spatial autocorrelation of landscape ecological security index in the study areaLISA:空間聯(lián)系的局部指標Local indicators of spatial association

由圖7可知,巖溶槽谷區(qū)大部分區(qū)域ESI空間相關(guān)性不顯著,空間相關(guān)性較顯著的區(qū)域主要集中在低低值和低低值集聚區(qū),主要以點狀的形式呈帶狀分散于西部槽谷槽壩區(qū)域,而中部和東部槽谷則呈現(xiàn)雜亂無序的分布特征,顯著性水平為0.05的區(qū)域規(guī)模逐漸擴大,而顯著性水平為0.01主要以高高值形式分布在西部槽谷中部,其規(guī)模呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,ESI空間異質(zhì)性逐漸增大,可見,巖溶槽谷區(qū)近年來景觀利用類型朝多樣化發(fā)展,區(qū)域內(nèi)土地利強度增大,導致生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)退化現(xiàn)象[31]。

圖7 研究區(qū)生態(tài)安全指數(shù)局域空間自相關(guān)LISA顯著性水平Fig.7 LISA significance level of local spatial autocorrelation of ecological security index in the study area

3.4.3槽谷區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移對景觀生態(tài)安全的影響

土地利用變化復雜多變,其景觀生態(tài)安全指數(shù)受到多種土地利用類型變化共同影響[32]。根據(jù)槽谷區(qū)2005—2017年土地利用轉(zhuǎn)移方向的具體情況,選取面積動態(tài)變化最顯著的幾種土地轉(zhuǎn)移類型,既是有林地、山地旱地、灌木林地、草地以及農(nóng)村居民用地作為景觀生態(tài)安全網(wǎng)格研究樣本(圖8)。

圖8 研究區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移對景觀生態(tài)安全的影響Fig.8 Impact of land use transfer on landscape ecological security in the study areaFLI:有林地增加Forestland increase;MDLI:山地旱地增加Mountainous dry land increase;SLI:灌木林地增加Shrubland increase;GLI:草地增加Grassland increase;RRLI:農(nóng)村居民用地增加Rural residential land increase;FLD:有林地減少Forestland decrease;MDLD:山地旱地減少 Mountainous dry land decrease;SLD:灌木林地減少Shrubland decrease ;GLD:草地減少Grassland decrease;RRLD:農(nóng)村居民用地減少Rural residential land decrease;;a時段:2005—2010;b時段:2010—2014;c時段:2014—2017;d時段:2005—2017

土地利用轉(zhuǎn)移減少：①有林地各時段內(nèi)等級上升下降曲線走勢差異較大,由同增同減向一增一減過渡,山地旱地的轉(zhuǎn)移面積逐漸增加,可見山地旱地對ESI的貢獻率較低。②山地旱地ESI等級上升曲線逐漸下降,而下降曲線呈小波動上升,這由于其轉(zhuǎn)移成的有林地、灌木林地和草地高等級的ESI大于山地旱地自身的等級范圍,即ESI的上升空間會隨著轉(zhuǎn)移的景觀利用類型逐漸增強。③灌木林地ESI上升等級曲線小幅降低而下降曲線則呈大幅上升的趨勢,其中a與c時段相似,b則與總時段相似,說明有林地對巖溶槽谷區(qū)ESI的貢獻率較灌木林地稍大。④草地ESI下降等級曲線由小波動下降向大波動上升轉(zhuǎn)移,上升等級曲線由大波動下降向小波動下降過渡,主要是由于初期草地大部分轉(zhuǎn)移為有林地,而后期一部分還轉(zhuǎn)移成了山地旱地,山地旱地的增加直接導致ESI下降。⑤農(nóng)村居民用地在b與c時段動態(tài)變化最為顯著,其導致的ESI等級變化的趨勢與灌木林地相似,說明山地旱地對ESI的貢獻率較農(nóng)村居民點大。

土地利用轉(zhuǎn)移增加：①有林地ESI等級上升和下降等級曲線皆呈相反的波動趨勢,說明有林地的增加能顯著的提高區(qū)域的景觀生態(tài)安全指數(shù)。②山地旱地ESI的等級變動趨勢與其減少時相反,也說明了山地旱地的增加能降低區(qū)域的ESI。③灌木林地對ESI的影響與山地旱地相反,它的增加會造成區(qū)域ESI提高。④草地初期主要是由有林地轉(zhuǎn)移而來,后期則是由山地旱地和有林地轉(zhuǎn)移,這就造成了同期ESI下降等級曲線異常波動。⑤農(nóng)村居民用地c時段較b時段的ESI下降等級網(wǎng)格占比大,多樣性的土地利用轉(zhuǎn)移方式較單一方式對ESI影響更大。

3.4.4槽谷區(qū)景觀生態(tài)安全指數(shù)在地形上的分布

槽谷區(qū)景觀生態(tài)安全與地形因子具有顯著影響作用,探究地形因子對土地利用景觀的生態(tài)安全空間相關(guān)聯(lián)性具有重要意義。由圖9、10、11可見,巖溶槽谷區(qū)不同顯著性水平下集聚分布的景觀生態(tài)安全在海拔、坡度和地形起伏度上都呈倒“U”型分布,但地形起伏度和坡度對景觀生態(tài)安全的集聚分布格局有相似的驅(qū)動趨勢,而海拔則相反。①低海拔區(qū)域主要分布顯著性P=0.05的集聚形式,而高海拔處則以顯著性P=0.01的集聚形式為主,在海拔在1080—1180 m范圍內(nèi)最明顯,這是由于高海拔區(qū)域土地利用方式單一、人類活動少,致使該范圍內(nèi)景觀生態(tài)安全度高且內(nèi)部穩(wěn)定。P=0.05高-高值集聚主要分布在680—980 m范圍內(nèi),自身年際波動在高海拔處較明顯,與大量分布在780—1180 m間的低-低值集聚的趨勢一致,但其以更大的幅度向逐漸增多的趨勢發(fā)展。海拔小于780 m區(qū)域,以高-高值集聚為主,而海拔超過780 m,以低-低值集聚為主。P=0.01高-高值和低-低值集聚都主要分布在880—1180 m范圍內(nèi),海拔對其分布量之間存在正比關(guān)系,且變化幅度逐年增強。②2005、2010和2017年的ESI顯著性水平為0.05和0.01皆在地形起伏度上的分布趨勢保持一致,在地形起伏度小于120 m范圍內(nèi),以低-低值集聚為主,在大于120 m區(qū)域以高-高值集聚為主,而2017年ESI不同顯著性在地形起伏上的分布變化曲線存在異常的波動,在低地形起伏度區(qū)域分布量減少,而在高地形起伏度范圍內(nèi)急劇增多,且P=0.01高-高值集聚變化最明顯,這表明了巖溶槽谷簡單化的土地利用方式正在向地形起伏度大的區(qū)域轉(zhuǎn)移。③ESI在不同的顯著性水平下的分布,隨坡度的增大呈先增加后降低的趨勢,且在5—10°區(qū)域內(nèi)都達到最大值。坡度小于10°區(qū)域,以低低值集聚分布為主,大于10°則以主要以高-高值為主。綜上可得,巖溶槽谷區(qū)高程、坡度和地形起伏度對土地利用景觀的生態(tài)安全具有明顯相關(guān)性。

圖9 研究區(qū)ESI的不同顯著性水平在高程上的分布Fig.9 Distribution of different significance levels of ESI on elevation in the study area

圖10 研究區(qū)ESI的不同顯著性水平在坡度上的分布Fig.10 Distribution of different significance levels of ESI on slope in the study area

圖11 研究區(qū)ESI的不同顯著性水平在地形起伏度上的分布Fig.11 Distribution of different significance levels of ESI on topographic relief in the study area

4 討論

4.1 槽谷區(qū)景觀格局演變及生態(tài)安全的演變規(guī)律

4.1.1槽谷區(qū)景觀格局的演變規(guī)律

在當前快速城鎮(zhèn)化和工業(yè)化大發(fā)展多因素驅(qū)動背景下,巖溶槽谷區(qū)景觀格局演變呈現(xiàn)顯著性變化。在對槽谷區(qū)山坡-槽壩土地利用變化的基礎(chǔ)上[33],本文主要從槽谷區(qū)山坡-槽壩進行分析景觀格局演變及其在時序上的演變階段做出系統(tǒng)分析。巖溶槽谷區(qū)山坡-槽壩景觀格局演變存在著共同特征和差異性(圖12)。由于城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民用地、水田、道路等景觀類型主要集中分布于槽壩,林地、草地等主要分布山坡[34],槽壩景觀格局主要由混合復雜型向規(guī)整現(xiàn)代農(nóng)業(yè)型轉(zhuǎn)變,演變階段由擴張模式向集約化模式轉(zhuǎn)變；山坡的景觀格局由林地,農(nóng)地混合型向林地多,農(nóng)地少的景觀演變,其演變階段主要為人為活動擴張模式向人為活動收縮模式轉(zhuǎn)變。通過探討槽谷區(qū)山坡-槽壩的景觀格局演變剖析,掌握其土地利用景觀演變特征,從而更加清楚掌握其土地利用/覆被變化情況、以及景觀恢復取得客觀全面的認識。

圖12 研究區(qū)景觀格局演變規(guī)律Fig.12 Landscape pattern evolution laws in the study area

4.1.2槽谷區(qū)景觀生態(tài)安全的演變規(guī)律

(1)景觀生態(tài)安全分布規(guī)模。巖溶槽谷區(qū)系統(tǒng)內(nèi)生態(tài)安全度有先提高后降低的趨勢,并逐漸向南部轉(zhuǎn)移。西部槽谷ESI的高值集聚區(qū)主要分布在中部山坡兩翼,其規(guī)模呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢,而低值集聚區(qū)主要分布在槽壩,其分布規(guī)模以減小的趨勢逐漸由山坡向槽壩聚攏；中部槽谷北部ESI較低且分布凌亂,中、北部ESI高低值集中分布區(qū)域與西部槽谷相反,低值分布規(guī)模逐漸增大；東部槽谷北、中部ESI年際變化不明顯,南部ESI高值集聚區(qū)規(guī)模降低。

(2)土地利用景觀的組合模式。景觀生態(tài)安全度的動態(tài)變化與土地利用變化存在密切的關(guān)系[35]。本文基于網(wǎng)格量化槽谷區(qū)土地利用類型的轉(zhuǎn)移過程,探究出土地利用類型的組合模式對景觀生態(tài)安全的提高或降低具有顯著影響(圖13)。由圖13可知,在西部槽谷區(qū)灌木林地的減少中,有林地-草地-山地旱地的轉(zhuǎn)移組合能降低區(qū)域ESI；而山地旱地的減少中,有林地-灌木林地-草地的組合能增加區(qū)域ESI,以中部槽谷最為明顯；東部槽谷景觀利用類型相對單一,以至區(qū)域ESI變化不顯著。通過土地利用對生態(tài)安全的貢獻效率分析得出,西東部槽谷景觀格局的演變現(xiàn)狀,其采用適當?shù)目s減“有林地-草地-山地旱地”的組合模式降低該區(qū)域景觀生態(tài)安全；中部槽谷需擴充“林地-灌木林地-草地”的組合模式能增加該區(qū)域景觀生態(tài)安全。

圖13 基于土地利用組合模式的研究區(qū)ESI的變化Fig.13 ESI changes based on the combined land use mode in the study area

4.2 槽谷區(qū)景觀格局演變及其生態(tài)安全的驅(qū)動機制

巖溶槽谷區(qū)景觀格局演變受當?shù)刈匀画h(huán)境因素、社會經(jīng)濟發(fā)展和地方政策的導向共同作用[36],然而景觀格局受影響的同時隨之導致其生態(tài)安全受到不同程度的影響(圖14)。由于槽谷區(qū)地形地貌復雜、降水在空間上分布不均,水資源稟賦差異大,山坡-槽壩氣候溫差等直接形成了槽谷區(qū)山坡-槽壩的景觀類型分布差異；其中景觀類型山地旱地、草地、有林地、灌木林地是主要分布山坡部位,城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民用地及農(nóng)業(yè)耕作景觀利用類型主要分布于槽壩部位。社會經(jīng)濟發(fā)展對景觀格局的演變具有推動作用[37],其中區(qū)域人口增長加快,城鎮(zhèn)化和工業(yè)化、市場需求不斷加大,地方產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)模不斷加大,各項農(nóng)村資源整合使得區(qū)域土地利用方式發(fā)生轉(zhuǎn)變,城鄉(xiāng)一體化不斷加強,農(nóng)戶維持生計轉(zhuǎn)型及生活質(zhì)量提高、地方生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變和農(nóng)業(yè)朝著現(xiàn)代化[38]。社會經(jīng)濟提高,人為活動對區(qū)域景觀擾動不斷加大,其景觀破碎度和多樣性在一定程度上空間異質(zhì)性加強。由于人為活動主要集中于槽壩區(qū)域,造成山坡的生態(tài)安全大于槽壩部位。近年來,隨著槽谷區(qū)實施生態(tài)修復工程,例如,封山育林、退耕還林,退牧還草、石漠化綜合治理工程以來,促使大面積的未利用地、裸露巖地、草地轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷳B(tài)林地,從而提高區(qū)域生態(tài)功能,其生態(tài)安全也不斷增高(圖15)。2014 年來,在國家實施精準扶貧政策、生態(tài)移民搬遷,導致山地旱地、水田、草地撂荒現(xiàn)象突出,大面積轉(zhuǎn)為草地、林地和灌木林地；另一方面,在地區(qū)鄉(xiāng)村旅游發(fā)展和鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略和城鄉(xiāng)一體化建設(shè)制度下,集中連片的經(jīng)果林和觀光旅游業(yè)等規(guī)模利用增加,槽谷區(qū)景觀利用呈現(xiàn)轉(zhuǎn)型階段[39]。

圖14 研究區(qū)景觀格局演變及其生態(tài)安全的驅(qū)動機制Fig.14 The landscape pattern evolution and its ecological security of driving mechanism in the study area

圖15 研究區(qū)生態(tài)修復Fig.15 The ecological restoration in the study area

4.3 槽谷區(qū)景觀格局演變及其生態(tài)安全的意義

隨著國家對生態(tài)文明建設(shè)的明確要求,山區(qū)應(yīng)承擔更多的平衡責任。本文通過對槽谷區(qū)三條槽谷景觀生態(tài)安全進行橫向?qū)Ρ确治?以量化每個網(wǎng)格ESI的途徑,有效平衡數(shù)據(jù)統(tǒng)計和空間分析,定量分析景觀利用類型對區(qū)域生態(tài)安全的影響。由土地利用景觀格局帶來的生態(tài)安全狀況不同,在槽壩和山坡因地制宜進行區(qū)域性生態(tài)安全保護策略[40]。依據(jù)景觀生態(tài)安全局域空間自相關(guān)分為4種不同類型,其中高高值集聚區(qū)存在明顯的空間擴散效應(yīng),采用擴張型策略,對其周邊區(qū)域的生態(tài)安全水平起到帶動作用,低低值集聚區(qū)主要分布在槽壩,采用集聚型手段[41-42],改善槽谷這典型地貌單元的生態(tài)環(huán)境具有重大意義。

5 結(jié)論

本文以貴州省東北部西中東部槽谷區(qū)這典型地貌單元為研究對象,利用遙感影像和景觀空間分析方法,基于景觀生態(tài)理論,構(gòu)建槽谷區(qū)景觀生態(tài)安全模型,系統(tǒng)分析了景觀格局變化情況及其生態(tài)安全的時空格局變化規(guī)律,并解釋其景觀格局及生態(tài)安全的驅(qū)動機制,得到以下幾點結(jié)論：

(1)2005—2017年,槽谷區(qū)內(nèi)部景觀整體呈現(xiàn)破碎化,景觀斑塊數(shù)量增多,景觀格局由單一規(guī)則化、簡單化向復雜混合型演變,槽壩區(qū)域較山坡變化顯著,多樣性增加且空間異質(zhì)性增強。

(2)2005—2017年,槽谷區(qū)ESI在時序上整體呈現(xiàn)升高趨勢；西、東部槽谷ESI由槽壩向山坡兩側(cè)逐漸呈現(xiàn)增加,而中部槽谷則由山坡向槽壩呈現(xiàn)增加。

(3)槽谷區(qū)景觀生態(tài)安全與地形因子具有顯著影響關(guān)系,景觀集聚分布格局受低地形起伏和坡度較緩區(qū)域影響較高且呈現(xiàn)共性趨勢,而海拔則相反。

(4)巖溶槽谷區(qū)景觀格局以擴充“林地-灌木林地-草地”的土地利用組合模式能增加景觀生態(tài)安全。景觀格局及其生態(tài)安全的時空分異是受當?shù)刈匀画h(huán)境、社會經(jīng)濟和政策導向共同作用的結(jié)果。

(5)近年來,在人工干預(yù)下實施生態(tài)修復工程,槽谷區(qū)生態(tài)由裸露石漠化逐漸恢復,實現(xiàn)了綠水青山就是金山銀山的新面貌。