徐維藝,闞瑤川,王國文,王一晴,張長春

(1河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 國土資源學(xué)院，河北 保定 071000；2河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河北 保定 071000)

生態(tài)環(huán)境安全是國家安全重要組成部分，高度重視生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，是建設(shè)生態(tài)安全的基礎(chǔ)[1]。20世紀(jì)末，我國土地利用類型發(fā)生巨大改變，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)不斷發(fā)生變化，影響人類福祉建設(shè)[2]。由于二者之間存在空間上的相互影響，因此對不同區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)供給造成的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行測算，并劃分不同級別的生態(tài)分區(qū)，進(jìn)行分區(qū)管理，不僅是生態(tài)工程建設(shè)的重要基礎(chǔ)，也是提升人居環(huán)境質(zhì)量的前提條件[2]。

多數(shù)學(xué)者將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)作為2個(gè)獨(dú)立的科學(xué)問題，分別從格局、過程、功能等方面開展了大量效果顯著的研究[3-9]。隨著追求生態(tài)文明建設(shè)，將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)納入生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的過程中，已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一[10]。因此本文將兩者結(jié)合起來開展了生態(tài)分區(qū)研究。生態(tài)分區(qū)不僅可以兼顧多生存對象，且能對生態(tài)系統(tǒng)安全、人類發(fā)展等多方面進(jìn)行考量，增強(qiáng)研究的實(shí)用性[2]。此外，分區(qū)強(qiáng)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)的綜合性，可以更好表征區(qū)域狀況，使管理者能夠更準(zhǔn)確地考量、全面開展區(qū)域生態(tài)安全建設(shè)[11]。

阜平縣位于保定市西部，有“冀晉咽喉要道”之稱。隨著京津冀協(xié)同發(fā)展向更深更廣的方向發(fā)展，筑牢阜平縣生態(tài)安全屏障，對其生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)有重要作用。2016年阜平縣被劃入國家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)，因此做好生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，防范和化解生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，維護(hù)其生態(tài)系統(tǒng)的健康與穩(wěn)定至關(guān)重要[12]。山區(qū)山體穩(wěn)定性較差，各種地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，自然景觀與人類活動帶來的風(fēng)險(xiǎn)在山區(qū)高概率的綜合涌現(xiàn)，亟待建立生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)及預(yù)警體系。研究該地的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)及其變化特征，可為其他山區(qū)風(fēng)險(xiǎn)防范提供參考借鑒，對可持續(xù)發(fā)展研究以及建設(shè)國家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)、人類福祉建設(shè)具有一定的理論與實(shí)踐意義。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

阜平縣位于太行山中北部，東近唐縣，西至五臺縣，南臨行唐縣，北鄰靈丘縣，跨北緯38°09′～39°07′，東經(jīng)113°45′～114°31′。全縣面積2 496 km2，轄6鎮(zhèn)7鄉(xiāng)。縣域?yàn)槿h山區(qū)，屬太行山山系，地形復(fù)雜。地處中緯度地帶，屬暖溫帶半干旱氣候，多年平均降水量625 mm，年平均氣溫12.6 ℃。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

遙感影像來源于地理空間數(shù)據(jù)云，包括2010年、2015年、2020年3期數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m，影像云量均小于5%，影像軌道號分別為124-033、124-033、124-033。高程數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云，空間分辨率為30 m。2020年全國糧食單位面積產(chǎn)量來源于國家統(tǒng)計(jì)局，阜平縣全年糧食播種面積、糧食總產(chǎn)量來源于阜平縣人民政府。

借助ENVI對遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正等處理，參照中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心，將研究區(qū)分為林地、草地、耕地、水域、建設(shè)用地、未利用地6種一級類型，建立混淆矩陣進(jìn)行精度評定，分類結(jié)果精度均高于85%(圖1)，滿足研究精度要求。

2 研究方法

2.1 劃分研究單元

為了將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間化，結(jié)合實(shí)際情況，利用ArcGIS將研究區(qū)劃分為若干網(wǎng)格。參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)《地理網(wǎng)格》，格網(wǎng)宜采用平均斑塊面積的2～5倍[13]。因此采用2 km×2 km的正方形網(wǎng)格將阜平縣分為704個(gè)格網(wǎng)，并對各網(wǎng)格進(jìn)行編碼，作為研究單元進(jìn)行計(jì)算。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評估

參照Costanza和謝高地等提出的方法，結(jié)合謝高地2015年對方法的改進(jìn)，為研究區(qū)賦值，得到表1[14-16]。建設(shè)用地的價(jià)值當(dāng)量為0，并計(jì)算ESV，計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：ESVki是研究單元k的第i種地類的價(jià)值；Aki為k的第i種地類面積；ESV是研究區(qū)的服務(wù)價(jià)值；VCi是第i種地類的單位面積服務(wù)價(jià)值；Ai是第i種地類面積；ECf是某地類第f項(xiàng)價(jià)值當(dāng)量；Ea為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量服務(wù)價(jià)值。

謝高地等確定中國1個(gè)價(jià)值當(dāng)量的經(jīng)濟(jì)價(jià)值為3 406.50元/hm2[17]。本研究選取2020年阜平縣和全國的單位面積糧食產(chǎn)量，將其比值作為修正系數(shù)，計(jì)算出阜平縣經(jīng)濟(jì)價(jià)值當(dāng)量因子為2 691.14元/hm2。

2.3 景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)測算

選取景觀干擾度和景觀脆弱度建立土地利用類型和景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)之間的關(guān)聯(lián)，最終構(gòu)建模型。計(jì)算公式如下：

Ui=aCi+bSi+cDi

(4)

式中：Ui為景觀干擾度；Ci為景觀破碎度；Si為景觀分離度；Di為景觀優(yōu)勢度；a、b、c分別為3類指數(shù)的權(quán)重，且a+b+c=1，參考前人研究將其賦值為0.5、0.3、0.2[18-19]。

Ci=Ni/Ai

(5)

(6)

Di=1-SHEI

(7)

式中：Ni為景觀類型i的斑塊數(shù)目；Ai為i的總面積。SHEI為香農(nóng)均勻度指數(shù)，其接近于1時(shí)說明景觀中沒有明顯的優(yōu)勢類型[13]。上述指數(shù)均可通過Fragstats軟件計(jì)算得到。

參考前人研究成果，并結(jié)合阜平縣實(shí)際情況，發(fā)現(xiàn)建設(shè)用地對抗外界干擾能力最高，水域最低[20-21]。將6種地類的景觀脆弱度賦值，并進(jìn)行歸一化處理(表2)。

表2 景觀脆弱度賦值表Table 2 Landscape vulnerability assignment table

最終構(gòu)建模型，得到各網(wǎng)格的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。計(jì)算公式如下：

(8)

Ri=Ui×Fi

(9)

式中：ERIk為第k個(gè)網(wǎng)格的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；Aki為第k個(gè)網(wǎng)格中景觀類型i的面積；Ak為第k個(gè)網(wǎng)格的總面積；Ri為景觀損失度；Ui為景觀干擾度；Fi為景觀脆弱度。

2.4 生態(tài)分區(qū)劃分依據(jù)

依據(jù)對ESV和ERI的計(jì)算，對704個(gè)研究單元進(jìn)行Z-score標(biāo)準(zhǔn)化，X軸是標(biāo)準(zhǔn)化后的ESV，Y軸是標(biāo)準(zhǔn)化后的ERI，據(jù)此可劃分為4個(gè)象限。計(jì)算公式如下：

(10)

(11)

(12)

3 結(jié)果分析

3.1 土地利用類型特征與變化

由2010至2020年阜平縣土地利用矢量數(shù)據(jù)得到表3。用單一土地利用動態(tài)度對阜平縣土地利用變化進(jìn)行分析，得到表4。

表3 2010—2020年阜平縣土地利用格局表Table 3 Land use pattern of Fuping County from 2010—2020

表4 2010—2020年阜平縣土地利用年變化表Table 4 Annual changes of land use in Fuping County from 2010—2020

(13)

式中：K為土地利用動態(tài)度；Ua和Ub分別為研究初期和末期的景觀類型面積；T為研究時(shí)段。

根據(jù)表3、表4可知，阜平縣主要以林地和草地為主，林地面積占59.32%，草地面積占28.07%，而水域最少，占0.98%。阜平縣變化特征總體表現(xiàn)為：草地、水域地類呈下降趨勢，其余地類呈增加趨勢，表現(xiàn)出“4增2降”變化。其中，耕地于2010至2020年大幅增長，年變化率達(dá)到8.30%和24.11%。建設(shè)用地于2015至2020年大幅增長，年變化率為14.38%。水域于2010至2020年大幅度減少，年變化率達(dá)8.52%和7.82%。草地于2015至2020年大幅減少，年變化率為4.92%。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)空分布特征

對2010至2020年各網(wǎng)格的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行計(jì)算，并賦值給每個(gè)樣區(qū)的中心點(diǎn)，將中心點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，為了分析不同年份的變化，根據(jù)研究區(qū)各網(wǎng)格的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值所處的范圍，利用等間距分級法，將其分為5類：低價(jià)值區(qū)(ESV≤0.45×108元)、較低價(jià)值區(qū)(0.45×108元0.75×108元)，最終得到圖2、表5和表6。

圖2 2010—2020年阜平縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間分布圖

表5 不同土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值及占比Table 5 Value and proportion of ecosystem services of different land use types

表6 2010—2020年阜平縣土地生態(tài)系統(tǒng)單項(xiàng)服務(wù)價(jià)值Table 6 Individual service value of land ecosystem in Fuping County from 2010—2020

由圖2可知，阜平縣高價(jià)值區(qū)主要分布在夏莊鄉(xiāng)、龍泉關(guān)鎮(zhèn)西部、天生橋鎮(zhèn)南部等地，其中夏莊鄉(xiāng)和龍泉關(guān)鎮(zhèn)西部呈大片連續(xù)分布，其余分布較為分散。該區(qū)域多為林、草地，植被覆蓋度高、水熱條件較好，因此該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)良性循環(huán)，能提供較多的服務(wù)種類和價(jià)值。較高價(jià)值區(qū)位于史家寨鄉(xiāng)中部、砂窩鄉(xiāng)、吳王口鄉(xiāng)西北部。中價(jià)值區(qū)位于高價(jià)值區(qū)和較高價(jià)值區(qū)外圍，且呈條帶狀分布。較低價(jià)值區(qū)分布在城南莊鎮(zhèn)東部、阜平縣中部等地區(qū)。低價(jià)值區(qū)分布在王林口鎮(zhèn)、平陽鎮(zhèn)、阜平鎮(zhèn)東南部等地，該地區(qū)植被覆蓋度較低、人口數(shù)量多、人為破壞嚴(yán)重，植被難以生長，生態(tài)系統(tǒng)等級低，服務(wù)價(jià)值也較低。

由表5可知，2010年、2015年、2020年ESV分別為409.63億元、380.61億元、387.23億元。2010至2020年，林地面積最大，林地服務(wù)價(jià)值占比最多。草地價(jià)值減少13.08億元，由于城鎮(zhèn)建設(shè)占用、草地的不合理利用，使草地的價(jià)值降低。耕地服務(wù)價(jià)值增加1.78億元，耕地面積增加和生態(tài)保護(hù)措施使耕地的服務(wù)價(jià)值增加。水域服務(wù)價(jià)值降低15.51億元，這是由于水域面積在研究期內(nèi)減少，導(dǎo)致水域服務(wù)價(jià)值減少。未利用地的服務(wù)價(jià)值占比最少，總量均不足0.05%。各土地利用類型ESV變化和面積變化是一致的。

由表6可知，阜平縣各類服務(wù)價(jià)值以氣候調(diào)節(jié)為主，其次為水文調(diào)節(jié)。近10年，單項(xiàng)價(jià)值變化最大的是供給服務(wù)中的水資源供給，減少了2.12億元，降低了0.30%。其次為水文調(diào)節(jié)，減少了13.08億元，變化率為-0.14%。氣體調(diào)節(jié)和氣候調(diào)節(jié)變化率最小，都為-0.01%。

3.3 景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空分布特征

利用Fragstats軟件計(jì)算相關(guān)景觀指數(shù)，見表7。

表7 2010—2020年各景觀指數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 7 Statistical table of landscape indexes from 2010—2020

由表7可知，從景觀水平上看，景觀干擾度呈增加趨勢，表明景觀抗外界干擾能力降低，主要是受城鎮(zhèn)化進(jìn)程的影響；景觀分離度和景觀破碎度總體呈增加趨勢，表明人類對景觀的干擾程度增大，主要是受交通、工礦建設(shè)的影響。景觀優(yōu)勢度降低了6.92%，表明景觀的豐富度和復(fù)雜度增加。其中景觀干擾度、景觀破碎度、景觀分離度均在2020年達(dá)到最大值，表明2010至2020年人類活動對研究區(qū)的景觀產(chǎn)生了負(fù)面影響，給研究區(qū)生態(tài)環(huán)境帶來了較高風(fēng)險(xiǎn)。

對2010至2020年各網(wǎng)格的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值進(jìn)行計(jì)算，并賦值給每個(gè)樣區(qū)的中心點(diǎn)，將中心點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理。目前等級劃分沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，為比較不同年份的風(fēng)險(xiǎn)變化，根據(jù)前人研究，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，本文利用等間距分級法，將其分為5類：低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(ERI≤0.125)、較低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(0.1250.425)[22]。2010—2020年阜平縣景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級面積和空間分布見表8、圖3。

表8 2010—2020年阜平縣景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級面積Table 8 Landscape ecological risk grade area of Fuping County from 2010—2020

圖3 2010—2020年阜平縣生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級空間分布圖

由表8和圖3可知，2010至2020年阜平縣以較低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)為主，占總面積的一半以上。低、較低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)總體上呈減少的趨勢，分別減少3.09%和31.42%。中、較高、高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)總體上呈增加的趨勢，分別增加了15.51%、16.14%、2.86%。景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)在空間上呈“東南高、西北低”的分布特征。2020年高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在北果園鄉(xiāng)和王林口鎮(zhèn)，此區(qū)域以草地為主的景觀類型呈分散狀、細(xì)碎、零散分布，景觀斑塊破碎化特征明顯，破壞了生態(tài)系統(tǒng)的整體性和穩(wěn)定性，導(dǎo)致生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較高。較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在北果園鄉(xiāng)北部、王林口鎮(zhèn)、平陽鎮(zhèn)西部等地，此區(qū)域?yàn)橹猩鷳B(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)向高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)過渡區(qū)域，此區(qū)域建設(shè)用地迅速增加，原本脆弱的生態(tài)環(huán)境又遭到破壞。中生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要位于城南莊鎮(zhèn)、阜平鎮(zhèn)西部、史家寨鄉(xiāng)南部等地，此區(qū)域大量草地轉(zhuǎn)為耕地，使土地風(fēng)險(xiǎn)增加，景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)加劇。較低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要位于龍泉關(guān)鎮(zhèn)、天生橋鎮(zhèn)、夏莊鄉(xiāng)等地，此區(qū)域以林地和草地為主要地類，較難受環(huán)境變化和人類活動的影響而發(fā)生改變，從而使景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值較低。低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要位于阜平縣邊界，該區(qū)域以林地為主，自然景觀保存完好不易受人類活動干擾。

3.4 生態(tài)分區(qū)劃分結(jié)果

通過Z-score標(biāo)準(zhǔn)化，得到圖4、圖5和表9。圖4中X軸是標(biāo)準(zhǔn)化后的ESV，Y軸是標(biāo)準(zhǔn)化后的ERI。

圖4 阜平縣生態(tài)分區(qū)象限分布圖

圖5 阜平縣生態(tài)分區(qū)空間分布圖Figure 5 Spatial distribution map of ecological division in Fuping County

表9 2010—2020年阜平縣生態(tài)分區(qū)變化Table 9 Changes of ecological zoning in Fuping County from 2010—2020

由圖4、圖5和表9可知，所有生態(tài)分區(qū)都發(fā)生了改變。高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值—低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(Ⅳ)面積最大，占比高于38%，主要分布于夏莊鄉(xiāng)、天生橋鎮(zhèn)南部、龍泉關(guān)鎮(zhèn)南部等地區(qū)，該地多為林、草地，人口數(shù)量少，植被覆蓋度高，生態(tài)環(huán)境受外界干擾少，可以實(shí)現(xiàn)良性循環(huán)。低生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值—低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(Ⅲ)分布于臺峪鄉(xiāng)東部、平陽鎮(zhèn)東部、吳王口鄉(xiāng)北部，分布面積最少，且都為區(qū)域邊緣地區(qū)，表明該區(qū)域不協(xié)調(diào)。低生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值—高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(Ⅱ)分布在王林口鎮(zhèn)、阜平鎮(zhèn)東部、平陽鎮(zhèn)西部等地，該區(qū)域經(jīng)濟(jì)水平高、人口數(shù)量多，生態(tài)環(huán)境脆弱，城市擴(kuò)張導(dǎo)致人地矛盾增加。高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值—高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(Ⅰ)分布分散，如史家寨鄉(xiāng)南部是林地、草地和建設(shè)用地的交界處，研究區(qū)與林、草地相鄰的城鎮(zhèn)、未利用地少，導(dǎo)致Ⅰ區(qū)分布零散且稀少。

4 討論與結(jié)論

通過解譯土地利用數(shù)據(jù)，根據(jù)對ESV、ERI的測算，分析了兩者的時(shí)空分布特征，通過Z-score標(biāo)準(zhǔn)化劃分了生態(tài)分區(qū)。

(1)6種土地利用類型均發(fā)生了不同程度的變化，耕地增加最多，草地減少最多。高價(jià)值區(qū)主要分布于夏莊鄉(xiāng)、龍泉關(guān)鎮(zhèn)西部等林地、草地植被覆蓋度高、水熱條件較好的地區(qū)。林地是提供服務(wù)價(jià)值最多的地類，高達(dá)70%以上。在單項(xiàng)服務(wù)中，調(diào)節(jié)服務(wù)占比最多，高于67%。(2)阜平縣以較低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)為主，占50%以上，在空間上呈“東南高、西北低”的分布特征，高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分布于北果園鄉(xiāng)和王林口鎮(zhèn)等人口數(shù)量多、景觀類型細(xì)碎、零散分布的區(qū)域。(3)生態(tài)分區(qū)變化程度較小，表明阜平縣處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)，Ⅳ區(qū)占比最高，高于38%。Ⅲ區(qū)占比最低，低于15%。

本研究的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)及生態(tài)分區(qū)劃分都是針對于阜平縣而言的，尚未形成可以推廣到各個(gè)縣域和國家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的方法和體系，因此，可以按照本試驗(yàn)提出的方法進(jìn)行其他區(qū)域的研究，以期找到具有普適性的方法，為區(qū)域生態(tài)安全規(guī)劃提供參考。