孫麗蓉, 馬靜, 周冬梅,*, 張軍,2

石羊河流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空分布特征

孫麗蓉1, 馬靜1, 周冬梅1,*, 張軍1,2

1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué), 資源與環(huán)境學(xué)院, 蘭州 730070 2. 甘肅省節(jié)水農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心, 蘭州 730070

石羊河流域地處干旱內(nèi)陸河流域, 是西北乃至中國(guó)重要的生態(tài)屏障。以1986、2000和2015年三期土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ), 構(gòu)建景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指數(shù), 研究其景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空分布特征及其與地形因子之間的關(guān)系。結(jié)果表明: (1)石羊河流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分布呈南低北高的趨勢(shì)。Ⅰ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域?yàn)槭蚝恿饔虻闹饕L(fēng)險(xiǎn)類型。(2)Ⅰ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)在較高海拔、中坡度出現(xiàn)的頻率高, Ⅱ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)在高海拔、中坡度具有優(yōu)勢(shì), Ⅲ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分布優(yōu)勢(shì)在高海拔、低坡度, Ⅳ—Ⅴ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)均在低海拔、低坡度出現(xiàn)的頻率高。(3)Ⅰ—Ⅱ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)中土地類型主要為草地和耕地, Ⅲ—Ⅴ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)主要土地類型為未利用地。研究結(jié)果對(duì)流域生態(tài)保護(hù)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

石羊河流域; 景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià); 地形因子梯度; 土地利用

0 前言

生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是生態(tài)系統(tǒng)在一種或多種外界因素作用下發(fā)生生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)可能性的評(píng)價(jià)方法[1]。景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)依托景觀生態(tài)學(xué)的生態(tài)過(guò)程與空間格局, 更加關(guān)注景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)空特性和尺度效應(yīng)可能產(chǎn)生的不良結(jié)果, 在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)領(lǐng)域中占據(jù)重要地位[2]。自然因素和人類活動(dòng)的影響下景觀格局發(fā)生變化, 導(dǎo)致生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)趨于加劇, 而干旱內(nèi)陸河流域本身生態(tài)環(huán)境脆弱, 抗外界干擾性弱, 其景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)勢(shì)必進(jìn)一步增加。保持生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)的穩(wěn)定和低風(fēng)險(xiǎn)是實(shí)現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。

景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)概念提出以來(lái), 國(guó)內(nèi)外學(xué)者高度關(guān)注景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型與研究方法[3]。綜合來(lái)看, 景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法主要有統(tǒng)計(jì)描述、空間制圖和模型運(yùn)算等[4-5]。其中, 統(tǒng)計(jì)描述(如主成分分析、最小二乘法回歸)可以定量描述生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)率、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)等, 但對(duì)時(shí)空特征的關(guān)注較少。最小累積阻力[6]、有序加權(quán)平均[7]等模型可以構(gòu)建生態(tài)安全格局, 設(shè)置情景, 較好地在水平方向上研究景觀格局對(duì)生態(tài)過(guò)程的影響。整體上看, 景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的研究區(qū)域主要以河漫灘[8]、流域[9-13]、城市群[14]為主, 也有一些針對(duì)公路網(wǎng)[15]、物種評(píng)價(jià)、棲息地等[16-18]研究。

石羊河流域是河西走廊三大內(nèi)陸河流域之一, 生態(tài)環(huán)境脆弱, 水資源匱乏, 受氣候變化和人口增加等人類活動(dòng)影響, 造成流域內(nèi)地下水超采, 生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化, 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)加劇。當(dāng)前石羊河流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)研究只是從景觀格局指數(shù)、人為角度出發(fā), 很少?gòu)淖匀弧藶槎嘟嵌瘸霭l(fā)。本文以石羊河流域?yàn)檠芯繉?duì)象, 構(gòu)建景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型, 研究景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空分布規(guī)律, 并結(jié)合地形分布指數(shù)和土地利用變化對(duì)流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析, 以及為石羊河流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)化調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

石羊河流域位于河西走廊東部, 祁連山北麓, 西南與青海省相連, 東北與內(nèi)蒙古自治區(qū)接壤, 東經(jīng)101°41′—104°16′, 北緯36°29′—39°27′。行政區(qū)劃涉及武威、金昌、張掖、白銀共四市九縣。流域面積4.16×104km2(圖1)。近年來(lái), 由于人為因素和自然歷史等原因, 導(dǎo)致石羊河流域水資源過(guò)度開(kāi)發(fā)利用, 地下水過(guò)度開(kāi)采, 區(qū)域生態(tài)環(huán)境惡化嚴(yán)重, 面臨沙漠化擴(kuò)展、沙塵暴頻發(fā)、水資源減少、植被退化、水土流失加劇、水源涵養(yǎng)能力下降等問(wèn)題。

圖1 石羊河流域空間位置示意圖

Figure 1 Location of the Shiyang River Basin

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

本文研究所需數(shù)據(jù)涉及土地利用、行政區(qū)劃以及高程數(shù)據(jù)。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”的1986年、2000年和2015年土地利用現(xiàn)狀圖, 采用中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)土地利用分類系統(tǒng), 將流域土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、未利用地和建設(shè)用地。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)劃分

目前, 風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)的劃分以等間距采樣更為常見(jiàn)[19], 即利用ArcGIS中的創(chuàng)建漁網(wǎng)工具, 將石羊河流域劃分為20 km×20 km的網(wǎng)格, 共劃分為130個(gè)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū), 每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值將賦值于中心點(diǎn)。生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)作為一種典型的區(qū)域變量[20], 采用地學(xué)統(tǒng)計(jì)中半變異函數(shù)來(lái)表示其空間變化規(guī)律。公式如下[21]:

式中,r是樣本距為的半方差;是樣本距;Z(x)是位置x處的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值;Z(x)是位置x處的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值;N是間距為的樣本對(duì)的總個(gè)數(shù)。

利用ArcGIS地學(xué)統(tǒng)計(jì)中的空間分析方法, 將風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)中心點(diǎn)通過(guò)克里金插值法生成流域內(nèi)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分布圖。通過(guò)對(duì)球狀模型、三角模型、指數(shù)模型和高斯模型模擬結(jié)果對(duì)比, 發(fā)現(xiàn)球狀模型擬合效果最好。

2.3 景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)大小取決于生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部不同景觀類型受到外部干擾的程度以及內(nèi)部脆弱性大小[22]。本文從景觀類型結(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)之間的聯(lián)系, 構(gòu)建景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)模型。其中, 景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(,)計(jì)算公式如下[23]:

式中:為景觀類型的數(shù)量;E為景觀類型的干擾度指數(shù);F為景觀類型的脆弱度指數(shù);S為第個(gè)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)內(nèi)第類景觀類型的面積;S為第個(gè)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)的總面積。

利用ArcGIS下的自然斷點(diǎn)法, 并根據(jù)石羊河流域?qū)嶋H情況將景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值劃分為5個(gè)級(jí)別(表1)。

2.3.1 景觀干擾度指數(shù)

景觀干擾度指數(shù)用來(lái)反映不同景觀所代表的生態(tài)系統(tǒng)受到外部干擾的程度, 干擾越大, 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)越大。以景觀格局分析為基礎(chǔ), 構(gòu)建景觀干擾度指數(shù), 通過(guò)破碎度、分離度和優(yōu)勢(shì)度疊加來(lái)表示不同景觀所代表的生態(tài)系統(tǒng)受到干擾的程度。其公式為[24]:

其中:

景觀破碎度指數(shù):

Figure 2 Land use distribution map of the Shiyang River Basin from 1986 to 2015

表1 石羊河流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

景觀分離度指數(shù):

景觀優(yōu)勢(shì)度指數(shù):

式中:n為景觀類型的斑塊數(shù), A為景觀類型的總面積,為景觀總面積;Q=斑塊出現(xiàn)的樣方數(shù)/總樣方數(shù),M=斑塊的數(shù)目/斑塊總數(shù),L=斑塊的面積/樣方的總面積。、、分別為C、N、和D的權(quán)重, 且1, 根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[12], 對(duì)、和三個(gè)指標(biāo)分別賦值為0.5、0.3和0.2, 未利用地賦值為0.2、0.3和0.5。

2.3.2 景觀脆弱度指數(shù)

景觀脆弱度表示不同景觀類型抵抗外界干擾的能力, 干擾能力越小, 脆弱性越大, 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)越大。

針對(duì)研究區(qū)實(shí)際情況, 在借鑒他人研究成果基礎(chǔ)上[25-26], 采用專家打分法, 將研究區(qū)景觀類型的脆弱性分為6級(jí), 從高到低依次為: 未利用地6、水域5、耕地4、草地3、林地2、建設(shè)用地1, 進(jìn)行歸一化處理后得到各景觀類型脆弱度指數(shù)F。

2.3.3 景觀損失度指數(shù)

景觀損失度指數(shù)R用景觀干擾度和景觀脆弱度表示。

式中:R為景觀損失度指數(shù),E為景觀干擾度指數(shù),F為景觀脆弱度指數(shù)。

2.4 地形因子梯度

2.4.1 高程與坡度分級(jí)

研究區(qū)最低海拔1254 m, 最高海拔5125 m, 考慮兩側(cè)極端高程, 將高程分為5個(gè)梯度; 高程小于1400 m為一級(jí), 1400—2100 m, 2100—2800 m, 2800—3500 m和3500—5000 m共5級(jí)。通過(guò)ArcGIS下的3D Analyst Tools工具, 得到流域的坡度分布, 并依據(jù)《第三次全國(guó)土地調(diào)查技術(shù)規(guī)程》分級(jí)要求, 將坡度分為5類: ≤2°、2—6°、6—15°、15—25°、≥25°。本文將5級(jí)高程/坡度梯度分別定義為低海拔/坡度、較低海拔/坡度、中海拔/坡度、較高海拔/坡度和高海拔/坡度地區(qū)。

2.4.2 地形分布指數(shù)

為消除不同地形因子區(qū)段面積差異和不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積比重差異帶來(lái)的量綱影響, 用分布指數(shù)來(lái)描述各風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)在地形因子梯度上的分布狀況, 公式如下[27—29]:

式中:為地形分布指數(shù);S為第種地形因子下第類風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積;S為第類風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)總面積;為研究區(qū)總面積;S為第種地形因子總面積。>1, 說(shuō)明特定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)在特定地形因子上處于優(yōu)勢(shì)分布, 且值越大, 分布優(yōu)勢(shì)越明顯。

3 結(jié)果與分析

3.1 石羊河流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空特征

由圖3可知, 石羊河流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分布呈現(xiàn)北高南低的趨勢(shì)。Ⅰ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域分布在南部祁連山一帶; Ⅱ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)主要分布在祁連山北部及部分分布在祁連山南部一帶; Ⅲ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域緊靠祁連山北部Ⅱ級(jí)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域及民勤中部、金昌東部; Ⅳ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分布在金昌西部及民勤中部Ⅲ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)向四周延伸一帶; Ⅴ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域主要分布在民勤。

從表2可以看出, Ⅰ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)為石羊河流域的主要風(fēng)險(xiǎn)類型, 約占整個(gè)石羊河流域的70%以上。

1986—2000年間, Ⅰ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積減少0.86%, 主要在祁連山一帶; Ⅱ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積增加1.06%, 主要增加區(qū)域?yàn)槠钸B山北部及天祝地區(qū); Ⅲ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積增加0.78%, 主要增加區(qū)域?yàn)榻鸩龞|北部及民勤中部; Ⅳ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積增加0.49%; Ⅴ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積減少1.47%, 主要減少地區(qū)為民勤荒漠北部。20世紀(jì)90年代, 由于人口規(guī)模的大量增加以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展, 城鎮(zhèn)建設(shè)需要大量的建材及資源, 因此祁連山一帶人類活動(dòng)的出現(xiàn), 使得森林遭濫砍濫伐, 祁連山自然資源被大量開(kāi)采。2000年武威地區(qū)發(fā)生連旱現(xiàn)象, 導(dǎo)致冬春季節(jié)氣溫持續(xù)偏高, 武威市、天?？h、民勤縣半年無(wú)有效降水, 旱情嚴(yán)重導(dǎo)致草地未能返青, 最終導(dǎo)致Ⅰ、Ⅴ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積減少。1993年, 武威地區(qū)出現(xiàn)了歷史上罕見(jiàn)的黑沙塵暴天氣, 破壞力極強(qiáng), 災(zāi)情發(fā)生后, 為保護(hù)民勤綠洲, 保護(hù)資源, 禁止在各縣域采挖植被, 之后啟動(dòng)武威地區(qū)萬(wàn)畝滴灌示范區(qū)建設(shè)工程、民勤調(diào)水工程、天?？h生態(tài)建設(shè)恢復(fù)工程等, 推廣科學(xué)種田和節(jié)水灌溉工程。因此Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積較20世紀(jì)80年代有所增加, 說(shuō)明在一定程度上對(duì)石羊河流域的治理保護(hù)工作有所成效。

圖3 石羊河流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分布等級(jí)圖

Figure 3 Spatial distribution of ecological risks in the Shiyang River Basin

表2 石羊河流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)變化

2000—2015年間, Ⅰ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積減少0.28%, 主要在祁連山一帶, 面積變化不大; Ⅱ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積增加0.05%; Ⅲ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積增加1.59%, 金昌東部及民勤中部面積進(jìn)一步擴(kuò)大, 呈現(xiàn)金昌、永昌相連的態(tài)勢(shì); Ⅳ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積增加2.61%, 主要增加區(qū)域?yàn)槊袂诨哪辈? Ⅴ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積減少3.96%, 主要減少地區(qū)為民勤荒漠北部及武威東北部。2001年, 民勤引黃工程正式通水, 溫家寶總理提出“決不能讓民勤成為第二個(gè)羅布泊”, 水利部及相關(guān)部門對(duì)石羊河水資源的統(tǒng)一規(guī)劃, 調(diào)度和管理進(jìn)行重視。之后開(kāi)始實(shí)施防護(hù)林體系建設(shè), 呼吁民勤縣退耕還林、種草養(yǎng)畜、節(jié)水農(nóng)業(yè)等工程。但祁連山自然資源仍遭到破壞, 使得Ⅰ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積仍然減少。祁連山采取移民搬遷, 禁止開(kāi)采自然資源、封鎖保護(hù)等措施, 但總體上景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)仍向好的方向轉(zhuǎn)移, Ⅴ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域減少, Ⅲ、Ⅳ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域面積逐漸增加。

1986—2015年間, Ⅰ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積減少1.15%, 主要在祁連山一帶; Ⅱ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積增加1.11%, 主要增加區(qū)域?yàn)樘熳５貐^(qū); Ⅲ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積增加2.37%, 主要增加區(qū)域?yàn)榻鸩鞅辈考懊袂谥胁? Ⅳ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積增加3.10%; Ⅴ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積減少5.43%, 主要減少地區(qū)為民勤荒漠北部?？偟膩?lái)看, 由于石羊河流域太陽(yáng)輻射強(qiáng)、降水稀少、蒸散發(fā)強(qiáng)烈、空氣干燥和流域水資源承載能力相對(duì)較弱等。自然條件在很大程度上影響了流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平。而上世紀(jì)80年代以來(lái), 流域人口迅速增加, 建設(shè)用地加速擴(kuò)展, 人類對(duì)耕地、水、土地等資源的需求和開(kāi)發(fā)利用急劇加大。人類活動(dòng)作為一種疊加在自然因素上的外力, 加劇了流域生態(tài)環(huán)境的惡化, 從而加劇了景觀的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。可以看出, 2000年以前, 由于流域內(nèi)人口的快速增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展, 不合理的人類活動(dòng)導(dǎo)致了景觀格局的變化, 加劇了生態(tài)環(huán)境的惡化。2000年以來(lái), 整體生態(tài)環(huán)境不斷惡化, 但惡化速度明顯放緩, 并取得了一定的初步恢復(fù)效果。

3.2 景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分布與地形的關(guān)系

3.2.1 景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)與高程關(guān)系

表3是石羊河流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)與高程的關(guān)系, 表中數(shù)字1—5分別表示高程梯度的5個(gè)等級(jí); 數(shù)值區(qū)域則為對(duì)應(yīng)高程的地形分布指數(shù),值越大, 表明在某一生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)下對(duì)應(yīng)高程出現(xiàn)的頻率越高,>1的區(qū)間為對(duì)應(yīng)高程的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分布處于優(yōu)勢(shì)區(qū)間; 本文對(duì)<1的值未統(tǒng)計(jì)。

由表3可知, 景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)在不同高程上具有分異性。Ⅰ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分布在高程2100—3500 m上, 且高程越高,值越大, 說(shuō)明Ⅰ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)多集中分布在較高海拔地區(qū)。這主要是由于2100—3500 m海拔高度多為山地高原, 降水充足, 植被豐富, 再加上高海拔地區(qū)人類干擾度小, 所以此高程帶上景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)低。Ⅱ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分布于1400—5000 m海拔上, 并且海拔越高,值越大, 但1986—2000年時(shí)段, 海拔2100—2800 m上<1, 說(shuō)明這一時(shí)段, 此海拔高度上人類活動(dòng)干擾性大, Ⅱ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)在此高程上沒(méi)有分布。整體來(lái)看, Ⅱ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)在高海拔具有優(yōu)勢(shì), 主要原因是隨著海拔的不斷升高, 植被覆蓋高, 植物涵養(yǎng)水分、土質(zhì)質(zhì)量高, 自然條件優(yōu)越以及人類干擾度小, 所以Ⅱ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)多分布于高海拔。Ⅲ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分布于1400—2100 m以及3500—5000 m高程上, 從表3中可以看出, 1986—2000年, Ⅲ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)在3500—5000 m上更有優(yōu)勢(shì), 但2015年, 3500—5000 m高程上優(yōu)勢(shì)下降, 主要分布在1400—2100 m上, 這說(shuō)明, 在1986—2000年期間, 由于人口急速增長(zhǎng)以及城鎮(zhèn)建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大, 人類仍然向祁連山高海拔地區(qū)進(jìn)行樹(shù)木砍伐, 破壞自然資源, 但2000年之后, 石羊河治理工程逐漸開(kāi)展, 祁連山進(jìn)行“生態(tài)移民”等措施, 遏制人類活動(dòng), 因此Ⅲ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)在高海拔地區(qū)優(yōu)勢(shì)下降, 多集中在中低海拔。Ⅳ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)在<1400 m高程上分布, Ⅴ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)在2100 m高程以下分布, 且海拔越低,值越大, 這主要是研究區(qū)在低海拔人口密集, 耕地量大, 用水需求高, 人類活動(dòng)劇烈, 生態(tài)脆弱, 因此低海拔地區(qū)多為景觀生態(tài)的高風(fēng)險(xiǎn)地帶。

3.2.2 景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)與坡度分布關(guān)系

由表4可知, 景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)在不同坡度上的分異性規(guī)律明顯。Ⅰ、Ⅱ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)主要分布在坡度>2°以上區(qū)域, Ⅰ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的值在6—15°時(shí)最大, 說(shuō)明在這一坡度范圍內(nèi), Ⅰ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)具有優(yōu)勢(shì), Ⅱ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)坡度>25°時(shí)值最大, 說(shuō)明Ⅱ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)在坡度大的區(qū)域越有優(yōu)勢(shì)。坡度越大, 水土流失逐漸嚴(yán)重, 這種地勢(shì)對(duì)人類活動(dòng)沒(méi)有優(yōu)勢(shì), 因此, 坡度越大的地區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)越小。

表3 石羊河流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)與高程的分布關(guān)系

Ⅲ—Ⅴ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)均表現(xiàn)為坡度<2°時(shí)具有優(yōu)勢(shì), 這主要是坡度越平坦, 越有利于耕地、建設(shè)用地的擴(kuò)展, 人類的干擾越大, 因此景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的等級(jí)就越高。

3.3 景觀格局變化及土地利用對(duì)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的影響

3.3.1 景觀格局指數(shù)

表5為石羊河流域1986—2015年各景觀格局指數(shù)。其中, 2015年, 耕地、林地、建設(shè)用地的破碎度和分離度指數(shù)下降, 草地、水域和未利用的破碎度和分離度指數(shù)升高, 說(shuō)明城市化的加快對(duì)建設(shè)用地的擴(kuò)展規(guī)模增大, 使得該類景觀地域趨于集中, “退耕還林”等項(xiàng)目的實(shí)施使得生態(tài)環(huán)境得以改善, 耕地、林地在地域上呈集中分布趨勢(shì), 破碎程度明顯下降。

草地、未利用地為優(yōu)勢(shì)較高的兩類景觀, 說(shuō)明這兩類景觀在一定程度上影響著整個(gè)研究區(qū), 由于草地的涵養(yǎng)能力高, 因此在景觀類型中占有優(yōu)勢(shì), 未利用地的優(yōu)勢(shì)高則和面積大有很大的關(guān)系。建設(shè)用地的干擾度指數(shù)高, 說(shuō)明建設(shè)用地的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)高, 未利用的脆弱度和損失度指數(shù)均高, 說(shuō)明未利用地的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)也相應(yīng)高。結(jié)合圖2, 未利用地主要分布在石羊河流域的北部, 城鎮(zhèn)建設(shè)用地主要零星分布于中部走廊區(qū)以及民勤地區(qū), 因此這些區(qū)域的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高, 而草地、林地主要分布在石羊河流域下游, 因此景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較低。

3.3.2 土地利用對(duì)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的影響

本文統(tǒng)計(jì)石羊河流域1986—2015年期間各景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)內(nèi)不同土地利用類型所占面積比例(如圖3)。可以看出, 三個(gè)時(shí)段在各景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)土地利用類型面積占比的趨勢(shì)一致。整體看, 草地在Ⅰ—Ⅴ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)占比逐漸下降, 未利用地占比逐漸上升。在Ⅰ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)中, 僅草地這一單項(xiàng)就占約50%, 其次為耕地和林地; 水域、建設(shè)用地及未利用地占比之和不到5%。Ⅱ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)中占比最高的仍然是草地和耕地, 這一景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)中, 未利用地的占比較Ⅰ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)內(nèi)占比增長(zhǎng)幅度大。Ⅲ—Ⅴ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)中, 未利用地的占比持續(xù)上升, 從Ⅲ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的40%上升到Ⅴ級(jí)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的90%。

表4 石羊河流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)與坡度的分布關(guān)系

表5 景觀格局指數(shù)

Ⅰ—Ⅱ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)區(qū)域位于祁連山一帶, 主要土地類型為草地、耕地及林地, 草地、林地具有較強(qiáng)的水源涵養(yǎng)能力, 因此景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的等級(jí)較低。從石羊河流域中游至民勤地區(qū), 人類活動(dòng)及氣候因素對(duì)自然環(huán)境產(chǎn)生干擾及破壞, 導(dǎo)致天然草場(chǎng)、林地逐漸被退化, 撂荒土地現(xiàn)象也逐漸嚴(yán)重, 因此出現(xiàn)地表水下降、植被退化、荒漠化蔓延及沙塵暴頻繁等生態(tài)問(wèn)題, 導(dǎo)致景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度高, 自然環(huán)境面臨危機(jī)。

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

石羊河流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)受多種因素的影響, 其中自然因素和人類活動(dòng)是影響景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的主導(dǎo)因素之一。流域南部祁連山區(qū)由地形形成的高原山地為該地區(qū)重要的水源涵養(yǎng)區(qū), 礦藏、水資源相對(duì)豐富, 因此景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)低, 但是違規(guī)開(kāi)采礦產(chǎn)資源、建設(shè)水電站等, 造成該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能受損。流域中部是綠洲平原, 人類活動(dòng)和對(duì)土地的開(kāi)墾頻繁, 對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了劇烈的影響, 如城鎮(zhèn)化擴(kuò)張, 道路拓寬修建以及工業(yè)用地的擴(kuò)大等都對(duì)原有的土地類型進(jìn)行破壞, 因此景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)仍面臨惡化趨勢(shì)。流域北部, 由于地廣人稀, 人類對(duì)該地的干擾較小, 但是, 自然環(huán)境的惡劣, 該區(qū)域仍是景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的高區(qū)域?？梢?jiàn), 自然因素和人類活動(dòng)對(duì)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的影響之大。

圖3 石羊河流域1986—2015各景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)內(nèi)不同土地利用類型所占面積

Figure 3 Area of different land use types in each ecological risk level of the Shiyang River Basin from 1986 to 2015

本文結(jié)果無(wú)論自然環(huán)境還是人為活動(dòng)導(dǎo)致的后果均與流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分布一致, 說(shuō)明此方法具有一定的可行性。但是, 由于影響景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的自然因素很多, 本文僅以地形(高程和坡度)研究, 具有一定的局限性, 在下一步的研究中, 有必要加入多源因素(如氣候等)對(duì)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)做進(jìn)一步深入分析。其次, 由于地域差異化, 影響景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的主要土地類型不同, 張學(xué)斌[12]等研究表示未利用地對(duì)石羊河流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的幾率大, 與本文的研究結(jié)果一致, 而孫洪波[30]等研究表示建設(shè)用地對(duì)三峽庫(kù)區(qū)流域的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)影響大。

4.2 結(jié)論

(1)石羊河流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分布呈南低北高的趨勢(shì)。Ⅰ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域?yàn)槭蚝恿饔虻闹饕L(fēng)險(xiǎn)類型, 30年來(lái), Ⅴ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域減少3.52%, 逐漸向Ⅲ、Ⅳ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域轉(zhuǎn)移, 但Ⅰ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)減少0.19%, 提醒人類在采取相關(guān)措施減少高景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí), 也要關(guān)注低景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。

(2)Ⅰ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)在較高海拔, 中坡度出現(xiàn)的頻率高, Ⅱ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)向高海拔, 高坡度轉(zhuǎn)移, Ⅲ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分布優(yōu)勢(shì)在高海拔, 低坡度, Ⅳ—Ⅴ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)均在低海拔, 低坡度出現(xiàn)的頻率高。

(3)2015年, 耕地、林地、建設(shè)用地的破碎度和分離度指數(shù)下降, 草地、水域和未利用地的破碎度和分離度指數(shù)升高; 草地、未利用地優(yōu)勢(shì)度指數(shù)較高; 城鎮(zhèn)用地干擾度指數(shù)高, 未利用地脆弱度和損失度高。Ⅰ—Ⅱ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)中土地類型主要為草地和耕地, Ⅲ—Ⅴ級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)主要土地類型為未利用地。

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Temporal and spatial distribution characteristics of landscape ecological risk in the Shiyang River basin

SUN Lirong1, MA Jing1, ZHOU Dongmei1,*, ZHANG Jun1,2

1. College of Resources and Environmental Sciences, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China 2. Research Center for Water-saving Agriculture in Gansu Province, Lanzhou 730070, China

The Shiyang River basin is located in the arid inland river basin and is an important ecological barrier in Northwestern China and even China. Based on the three phases of land use data in 1986, 2000, and 2015, a landscape ecological risk assessment index was constructed to study the spatial and temporal distribution characteristics of landscape ecological risk and its relationship with terrain factors. The results show that: (1) The spatial distribution of landscape ecological risk in the Shiyang River basin showed a trend of low in the south and high in the north. Ⅰ, Ⅳ, and Ⅴ landscape ecological risk areas were the main types of risks in the Shiyang River basin. (2) Ⅰ landscape ecological risks had a high frequency at higher altitude and mid-slope, and Ⅱ landscape ecological risks had high-altitude and mid-slope. Advantages, the distribution advantages of grade Ⅲ landscape ecological risk were at high altitude and low slope, and the frequency of grade Ⅳ-Ⅴ landscape ecological risks were high at low altitude and low slope. (3) The land types in the landscape ecological risks of grades Ⅰ-Ⅱ were mainly grassland and cultivated land, and the main land types of landscape ecological risks in grades Ⅲ-Ⅴ were unused land. The research results are of great significance to the ecological protection of the river basin and the sustainable development of the economy and society.

Shiyang River basin; landscape ecological risk assessment; gradient of terrain factor; land use

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.02.023

S157.2

A

1008-8873(2022)02-194-10

2020-04-20;

2020-04-28

甘肅省高等學(xué)校創(chuàng)新基金(2021A-061); 甘肅省自然科學(xué)基金(21JR7RA811); 甘肅省林業(yè)和草原資源保護(hù)與發(fā)展項(xiàng)目(環(huán)縣人工造林地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)價(jià)及優(yōu)化調(diào)控)

孫麗蓉(1996—), 女, 甘肅蘭州人, 碩士, 主要從事農(nóng)業(yè)水土資源利用研究, E-mail: 2358448018@qq.com

通信作者:周冬梅, 女, 博士, 副教授, 主要從事農(nóng)業(yè)氣候適宜性研究, E-mail: zhoudm@gsau.edu.cn

孫麗蓉, 馬靜, 周冬梅,等. 石羊河流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空分布特征[J]. 生態(tài)科學(xué), 2022, 41(2): 194–203.

SUN Lirong, MA Jing, ZHOU Dongmei, et al. Temporal and spatial distribution characteristics of landscape ecological risk in the Shiyang River basin[J]. Ecological Science, 2022, 41(2): 194–203.