萬慧琳,王賽鴿,陳 彬,夏楚瑜,蘇 銳

北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院環(huán)境模擬與污染控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100875

人口增長、城市擴(kuò)張、土地利用變化等人類活動(dòng)對生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能造成極大干擾[1],加之“零風(fēng)險(xiǎn)”環(huán)境管理弱點(diǎn)的暴露[2—3],使得許多區(qū)域面臨嚴(yán)重的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。建設(shè)用地、耕地等對濕地、水系的侵占趨勢加劇了生態(tài)用地的減少,不合理的土地利用變化是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值喪失的主要驅(qū)動(dòng)力,而破碎化的景觀格局導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)物種病變、棲息地破壞、生物多樣性減少等負(fù)面影響,嚴(yán)重威脅著區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)安全[4—5]。生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)是研究生態(tài)系統(tǒng)及其組分由于暴露于多種風(fēng)險(xiǎn)壓力源而導(dǎo)致的生態(tài)效應(yīng)可能性[6—8],是可持續(xù)生態(tài)系統(tǒng)管理的有效工具[9—11],近年來逐漸成為熱點(diǎn)研究話題[12—16]。

20世紀(jì)80年代,生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)研究開始興起,經(jīng)歷了從環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)到區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)展歷程[17—18]。生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)研究也由單一風(fēng)險(xiǎn)源、單一風(fēng)險(xiǎn)受體逐漸發(fā)展為利用空間要素表征多種風(fēng)險(xiǎn)源和多種風(fēng)險(xiǎn)受體的影響[19—20],研究尺度由種群、群落等微觀研究發(fā)展為區(qū)域水平的宏觀研究,研究范圍由局地?cái)U(kuò)展到區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)[21—22]。作為生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的一個(gè)分支,區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)是在區(qū)域尺度上綜合集成人類活動(dòng)與自然環(huán)境等多種脅迫因子對風(fēng)險(xiǎn)受體造成的影響及危害程度進(jìn)行描述和評價(jià),逐漸成為環(huán)境科學(xué)研究的重要領(lǐng)域與前沿?zé)狳c(diǎn)[23—24]。

濕地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)作為一類區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià),側(cè)重于識別濕地面臨的主要風(fēng)險(xiǎn)源(自然災(zāi)害、人為因素等)對濕地風(fēng)險(xiǎn)受體(土地利用、景觀格局等)可能導(dǎo)致的危害[25—26]。三江平原是我國最大的淡水沼澤濕地分布區(qū),但由于日益增長的人口壓力與人類活動(dòng)大面積墾殖與過度開發(fā)導(dǎo)致三江平原濕地面積減少、景觀破碎化程度高、生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能遭到嚴(yán)重的干擾破壞[27],實(shí)現(xiàn)三江平原濕地資源合理利用與有效保護(hù)是解決現(xiàn)存問題的基礎(chǔ)。從土地利用視角,一些學(xué)者分析了三江平原土地利用變化對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響。如劉興土等[28]揭示了三江平原大面積開荒引發(fā)土地退化、動(dòng)植物資源稀缺等環(huán)境變化；楊春霞等[29]發(fā)現(xiàn)政策和人口是三江平原土地利用變化的主要驅(qū)動(dòng)因素,土地利用變化進(jìn)而導(dǎo)致濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能下降、生物多樣性喪失、水環(huán)境惡化與農(nóng)田土壤退化等生態(tài)環(huán)境問題；張彪等[30]闡述草地退化、土地鹽堿化等土地利用空間格局變化現(xiàn)象導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和功能破壞或喪失,降低了區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。從景觀生態(tài)視角,一些學(xué)者從景觀空間格局出發(fā)分析其對三江平原濕地生態(tài)過程的維護(hù)和控制作用。如劉吉平等[31]基于三江平原生物地理信息對生物多樣性進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì),通過計(jì)算鳥類物種運(yùn)動(dòng)阻力指數(shù)建立等阻力面,判別景觀生態(tài)安全格局；劉春艷等[32]研究三江平原景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,量化地形地貌、居民點(diǎn)建設(shè)等驅(qū)動(dòng)因子的影響。從評價(jià)體系視角,濕地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)尚未形成統(tǒng)一體系,不同學(xué)者構(gòu)建了不同的三江平原濕地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)體系。如廖玉靜等[33]從三江平原濕地生態(tài)環(huán)境、濕地服務(wù)功能、人類社會(huì)影響三方面構(gòu)建濕地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性評價(jià)指標(biāo)體系,解釋濕地穩(wěn)定性的成因與機(jī)制,協(xié)調(diào)濕地保護(hù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)之間的關(guān)系；陳紅光等[34]基于風(fēng)險(xiǎn)分析對三江平原水稻灌區(qū)建立多水源聯(lián)合調(diào)度模型,以地下水開采最小為目標(biāo),確定聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化方案；Jiang等[35]從水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)的角度,運(yùn)用層次分析法建立評價(jià)指標(biāo)體系和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),對三江平原水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合評價(jià)和區(qū)域差異分析；王輝等[36—39]一系列研究分別從三江平原風(fēng)險(xiǎn)源與風(fēng)險(xiǎn)受體的尺度依存性問題、點(diǎn)軸體系理論、土壤侵蝕及非點(diǎn)源輸出分析產(chǎn)生的干擾對濕地風(fēng)險(xiǎn)的直接與間接影響、構(gòu)建壓力-資本-脆弱性-響應(yīng)模型等方面評價(jià)了三江平原濕地區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。Fu等[40]基于壓力-狀態(tài)-響應(yīng)模型分析未來氣候變化對三江平原濕地植被生產(chǎn)力與多樣性的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級評價(jià)。綜合來看,土地利用變化、景觀生態(tài)格局等方面的融入豐富了濕地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)體系,現(xiàn)有研究雖對空間格局已有分析,但較少分析三江平原濕地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)在空間的集聚現(xiàn)象與輻射擴(kuò)散特征。本文通過構(gòu)建三江平原生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)體系,從空間相關(guān)性角度,確定研究土地利用與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間關(guān)系的最佳閾值距離,采用雙變量空間自相關(guān)模型揭示濕地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的空間集聚特征,對加強(qiáng)三江平原濕地風(fēng)險(xiǎn)防控與區(qū)域管理決策具有一定的理論意義。

圖1 研究區(qū)域Fig.1 Study area

本文以三江平原為研究區(qū)域,基于2000年、2005年、2010年、2015年4期遙感影像,從土地利用、道路密度、夜間燈光等方面分析以人類活動(dòng)為主導(dǎo)的風(fēng)險(xiǎn)源對三江平原濕地的影響。其中,土地利用與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)密切相關(guān),不同土地利用結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的生態(tài)影響可直接作用在區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)變化上,并且具有典型的區(qū)域性和累積性特征；道路密度代表道路建設(shè)對生態(tài)用地連通性的擾動(dòng)；夜間燈光數(shù)據(jù)與人口分布密度呈線性相關(guān)關(guān)系可用來表征人類活動(dòng)強(qiáng)度。三江平原濕地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能受景觀、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)等風(fēng)險(xiǎn)受體的影響顯著,綜合考慮景觀生態(tài)格局、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值兩種受體，分析三江平原濕地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度并運(yùn)用空間相關(guān)分析法剖析生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間差異特征及時(shí)間變化特征,基于土地利用與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)雙變量選取合適的距離閾值確定空間權(quán)重進(jìn)行空間自相關(guān)分析,從而為降低局部生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),提高三江平原濕地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)防控提供理論依據(jù),實(shí)現(xiàn)三江平原濕地生態(tài)安全與可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

三江平原位于黑龍江東北部,地處45°01′—48°28′N,130°13′—135°05′E之間,涵蓋佳木斯市、鶴崗市及雞西市等23個(gè)縣市(如圖1)。作為我國東北三大平原之一,三江平原是由黑龍江、松花江及烏蘇里江沖擊而成的低平原,總面積達(dá)10.8萬km2,是中國淡水沼澤濕地的集中分布區(qū)[32]。氣候類型屬于溫帶濕潤、半濕潤大陸性季風(fēng)氣候,夏季溫暖而短促,冬季寒冷漫長,全年日照時(shí)數(shù)2400—2500h,雨熱同期,總降水量的75%—85%集中在夏季,主要土地類型為耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)建設(shè)用地及未利用土地等。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究使用數(shù)據(jù)主要有三江平原2000年、2005年、2010年和2015年4期遙感影像數(shù)據(jù),來源于地理景觀遙感組數(shù)據(jù)處理,得到耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)建設(shè)用地、未利用地6個(gè)一級地類以及23個(gè)二級地類的土地利用/土地覆被數(shù)據(jù)(如圖2),自2000年至2015年三江平原土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化,2000年耕地面積占總面積的28.34%,2015年較2010年耕地面積增加了20.11%,草地面積由占比14.71%減少到占比12.01%,2015年林地面積由2000年的22.45%削減了將近一倍,2015年的農(nóng)村用地面積有所減少但城鎮(zhèn)用地面積較2000年擴(kuò)大4倍,湖泊、灘地面積分別減少了22.35%、47.52%；多等級道路數(shù)據(jù),來自中國科學(xué)院東北地理所數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://www.igadc.cn/wetland/index.html)；DMSP/OLS(Defense Meteorological Satellite Program/Operational Linescan System)夜間燈光數(shù)據(jù)來自地理國情監(jiān)測云平臺(http://www.dsac.cn/DataProduct)；稻谷、小麥和玉米的價(jià)格及播種面積等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)出自《全國統(tǒng)計(jì)年鑒》、《全國農(nóng)產(chǎn)品收益資料匯編》；基于ArcGIS 10.2軟件平臺處理數(shù)據(jù),將研究區(qū)劃分為5km×5km的單元網(wǎng)格,共有樣區(qū)4636個(gè),計(jì)算每一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)內(nèi)綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。

圖2 三江平原2000—2015年土地利用Fig.2 Land use in Sanjiang plain from 2000 to 2015

2 研究方法

2.1 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

基于相關(guān)研究[41—45],本文從風(fēng)險(xiǎn)源與風(fēng)險(xiǎn)受體兩個(gè)維度分別選取人類活動(dòng)強(qiáng)度為風(fēng)險(xiǎn)源,景觀生態(tài)格局與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)兩方面為風(fēng)險(xiǎn)受體構(gòu)建生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)體系,采用如下公式進(jìn)行評價(jià)[35]：

R=H(x)×EV(x)×ESV(x)

(1)

式中,R代表綜合風(fēng)險(xiǎn)值；H是人類活動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)源強(qiáng)度；EV是景觀脆弱性；ESV是各生態(tài)系統(tǒng)類型服務(wù)價(jià)值。

風(fēng)險(xiǎn)源是指可能對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響的風(fēng)險(xiǎn)來源,包括自然風(fēng)險(xiǎn)源與人類活動(dòng)導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)源[46—49]。本文參考王輝等選取土地利用強(qiáng)度、道路密度、DMSP/OLS夜間燈光分布以及受人為與自然干擾引發(fā)的土地轉(zhuǎn)移強(qiáng)度賦予權(quán)重0.2、0.3、0.3、0.2[35]以評價(jià)風(fēng)險(xiǎn)源強(qiáng)度,公式如下：

(2)

式中,wi表示第i個(gè)因子權(quán)重,fi為第i個(gè)風(fēng)險(xiǎn)源歸一化數(shù)值,n為風(fēng)險(xiǎn)源個(gè)數(shù)。參考莊大方等的土地利用強(qiáng)度將區(qū)域土地利用類型人為活動(dòng)劃分為4個(gè)等級[50]；依據(jù)人類活動(dòng)程度,利用各等級道路數(shù)據(jù)將其進(jìn)行加權(quán)疊加計(jì)算道路密度[51]；以DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)表征人口的空間分布特征[52]；綜合考慮近年來耕地墾殖開發(fā)、濕地退縮及城鎮(zhèn)化等現(xiàn)象導(dǎo)致土地利用結(jié)構(gòu)失衡問題,構(gòu)建土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析受人為與自然干擾引發(fā)的土地利用轉(zhuǎn)移強(qiáng)度。

景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)是指受人為或自然因素的作用,景觀格局和景觀生態(tài)過程產(chǎn)生的累積性后果,是生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)在區(qū)域尺度上的重要分支[30—31]。依據(jù)謝花林等的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)將其分為景觀干擾度指數(shù)與景觀脆弱度指數(shù),景觀干擾度指數(shù)Ei是表示不同景觀所代表的生態(tài)系統(tǒng)受外界干擾(主要是人類活動(dòng))的程度,通過景觀破碎度指數(shù)、景觀分離度指數(shù)、景觀分維度指數(shù)賦予權(quán)重疊加獲得[42]。

Ei=aCi+bNi+cFi

(3)

式中,Ci,Ni,Fi分別代表景觀破碎度指數(shù)、景觀分離度指數(shù)、景觀分維度指數(shù)；a、b、c分別表示不同景觀指數(shù)的權(quán)重。表1為景觀格局指數(shù)的生態(tài)學(xué)意義及計(jì)算公式,結(jié)合三江平原實(shí)際情況及謝花林等的研究[42],將景觀破碎度指數(shù)Ci、景觀分離度指數(shù)Ni、景觀分維度指數(shù)Fi的權(quán)重(a、b、c)分別賦值為0.5、0.3、0.2。

表1 景觀格局指數(shù)

景觀脆弱度指數(shù)Vi用以反映不同景觀類型抵御外部干擾能力的大小?；?種景觀類型所代表的生態(tài)系統(tǒng),結(jié)合謝花林等研究以未利用土地最脆弱賦值為6,其次水域?yàn)?、耕地為4、草地為3、林地為2,城鄉(xiāng)建設(shè)用地最穩(wěn)定設(shè)置為1,然后進(jìn)行歸一化處理,得到景觀脆弱度指數(shù)Vi[42]。通過景觀干擾度指數(shù)Ei和景觀脆弱度指數(shù)Vi構(gòu)建景觀脆弱性評價(jià)模型,考慮人為因素與自然因素的綜合效應(yīng),以此反映景觀脆弱性問題。公式如下：

EVi=Ei×Vi

(4)

式中,EVi代表景觀脆弱性；Ei是景觀干擾度指數(shù)；Vi是景觀脆弱度指數(shù)。

本研究以三江平原2000年、2005年、2010年和2015年4期土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),從供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)和文化服務(wù)4方面依據(jù)謝高地等的價(jià)值當(dāng)量因子換算方法[53—54],結(jié)合三江平原土地利用類型的特征,將土地利用類型與最接近的生態(tài)系統(tǒng)類型相對應(yīng)(如表2),城鄉(xiāng)建設(shè)用地包括城鎮(zhèn)用地與農(nóng)村居民點(diǎn)等,取其ESV為0值。測算得出2000—2015年不同土地利用類型單位面積的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù),計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值公式如下：

ESV=∑Cji×Ai

(5)

式中,ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值;Cji是土地利用類型i的第j項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值系數(shù)；Ai是土地利用類型i的面積。表2為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值土地利用類型對應(yīng)表。

2.2 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間集聚特征分析

空間權(quán)重矩陣能夠定量表達(dá)地理要素之間的空間關(guān)系,是度量空間自相關(guān)的基礎(chǔ),分為鄰接權(quán)重矩陣和距離權(quán)重矩陣[55]。鄰接權(quán)重矩陣是指根據(jù)多邊形的鄰居關(guān)系確定,包括以共邊為鄰接的車權(quán)重矩陣(Rook)和以共邊或共點(diǎn)為鄰接的皇后權(quán)重矩陣(Queen)。距離閾值定義了距離權(quán)重矩陣,距離權(quán)重矩陣決定了空間自相關(guān)指數(shù)的大小。本文分別設(shè)置5、6、7、8、9、10、20、50km不同的距離閾值計(jì)算權(quán)重矩陣,通過空間自相關(guān)指數(shù)的大小變化確定最優(yōu)距離閾值。

表2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值土地利用類型對應(yīng)表

空間自相關(guān)分析方法是表示事物或現(xiàn)象之間具有對空間位置的依賴關(guān)系,包括全局空間自相關(guān)和局部空間自相關(guān)兩方面,常用Moran′sI指數(shù)表示,Moran′sI值介于正負(fù)1之間,0值表示不存在空間相關(guān)性,大于0表示存在空間正相關(guān),反之為空間負(fù)相關(guān)[56]；生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)與土地利用的空間分布、人類活動(dòng)的動(dòng)態(tài)發(fā)展等因素之間存在著一定的空間關(guān)聯(lián),空間自相關(guān)模型在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)方面已有大量研究,本文利用Geoda軟件計(jì)算全局與局部空間自相關(guān)揭示三江平原生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的空間聚集現(xiàn)象。

全局空間自相關(guān)Moran′sI指數(shù)計(jì)算公式[57]：

(6)

局部空間自相關(guān)計(jì)算公式[57]：

(7)

可用標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計(jì)量z來表征空間自相關(guān)的顯著性。計(jì)算公式為[57]：

(8)

式中,E(I)為I的期望值；VAR(I)為I的方差,當(dāng)|z|>1. 96,|P|<0. 05時(shí),拒絕無效假設(shè)。

3 結(jié)果與討論

圖3展示了2000年、2005年、2010年和2015年的風(fēng)險(xiǎn)源強(qiáng)度等級時(shí)空分布變化情況。從時(shí)間尺度看,三江平原風(fēng)險(xiǎn)源強(qiáng)度呈增加趨勢。其中,2000年到2010年風(fēng)險(xiǎn)水平雖變化不大,但2015年生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)源強(qiáng)度等級愈加嚴(yán)重,從網(wǎng)格水平均值統(tǒng)計(jì)得中高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)占總面積的70.92%,較2000年增加了13.52%。從空間尺度看,松花江、穆棱河、倭肯河一直處于中高風(fēng)險(xiǎn)水平,且高等級道路網(wǎng)格分布與河流分布相對一致,風(fēng)險(xiǎn)源等級與道路密度擬合度高,隨著道路密度的增加而增加,高等級道路中心地所在網(wǎng)格風(fēng)險(xiǎn)等級高。DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)較好的表征了行政區(qū)域多等級中心地的分布,鶴崗市、佳木斯市、雙鴨山市、七臺河市與雞西市5個(gè)地級市為高等級燈光值分布區(qū),其次縣級所在地?zé)艄獾燃壿^高,燈光值與居住點(diǎn)的匹配有利于較好反映風(fēng)險(xiǎn)源的空間特征。土地利用變化與人類不合理的開發(fā)利用密不可分,由于土地利用轉(zhuǎn)移的頻率和強(qiáng)度加大,2015年河流兩側(cè)水田旱田面積明顯增加,2015年較2000年濕地面積減少了21.93%,導(dǎo)致河流流域高風(fēng)險(xiǎn)突出,出現(xiàn)以河流為中心向四周擴(kuò)散趨勢,占用濕地過度圍墾是風(fēng)險(xiǎn)源強(qiáng)度嚴(yán)重的重要原因。

圖3 三江平原2000—2015年人類活動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)源強(qiáng)度等級Fig.3 Risk source intensity of human activities in Sanjiang plain from 2000 to 2015

圖4為2000年到2015年景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分布結(jié)果。由圖4可知,景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分布隨著時(shí)間變化總體上表現(xiàn)為增加趨勢。 2000年到2015年中高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)面積占比分別為26.94%、46.46%、61.86%、63.83%,中高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)從網(wǎng)格水平上2015年較2000年增加了36.89%,景觀斑塊破碎化程度高是導(dǎo)致研究區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)呈加劇趨勢的重要原因,并且較高風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)等級面積持續(xù)增加?？臻g上,景觀生態(tài)中高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)重點(diǎn)集中在濕地與水體分布區(qū),景觀自身穩(wěn)定性被破壞,受人為干擾后易損程度大。2000—2005年,景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)以低風(fēng)險(xiǎn)水平為主,除低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積有所減少外,其他風(fēng)險(xiǎn)等級區(qū)均有不同程度的增加,中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積分別增加了6.88%、3.37%、3.13%,且集中分布在松花江、穆棱河、撓力河等區(qū)域,此部分主要土地利用類型為水體和濕地,受人為干擾易損程度大。2010—2015年,景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)以中高風(fēng)險(xiǎn)為主。高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積有所增加,其他生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級區(qū)域面積均有減少。其中,高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)增加17.15%,增加幅度大,研究區(qū)內(nèi)松花江、撓力河、黑龍江、烏蘇里江及其周圍濕地區(qū)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)突出,受人類活動(dòng)對濕地區(qū)的干擾程度加劇,景觀類型轉(zhuǎn)移頻率加大,景觀斑塊破碎化程度高,導(dǎo)致景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重。

圖4 三江平原2000—2015年風(fēng)險(xiǎn)受體-景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)Fig.4 Landscape ecological risk in Sanjiang plain from 2000 to 2015

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,圖5為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)化后取負(fù)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級結(jié)果。如圖所示,從時(shí)間上,2000—2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總體呈穩(wěn)定趨勢。雖波動(dòng)幅度較小,但生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)以中高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域?yàn)橹?且重點(diǎn)集中在中部地區(qū),2000—2015年中高風(fēng)險(xiǎn)面積所占比例分別為67.54%、66.46%、66.52%、67.95%。土地利用變化是導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的主要原因,,且生態(tài)系統(tǒng)一旦遭到破壞,短時(shí)間內(nèi)難以快速恢復(fù),因此,基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)在2000—2015年總體變化幅度較小,且突出表現(xiàn)為中高風(fēng)險(xiǎn)。從空間格局上看,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)低價(jià)值區(qū)即高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在中部水田、旱田、建設(shè)用地以及東北部與東南小范圍的濕地區(qū)域,由于城市擴(kuò)張與耕地開墾消耗了大量的自然資源,濕地、水體等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)高價(jià)值的地區(qū)被占用,生態(tài)用地面積減少導(dǎo)致氣候調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)、土壤保持等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能受損,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)低價(jià)值區(qū)域擴(kuò)散分布,中高風(fēng)險(xiǎn)等級區(qū)域出現(xiàn)集中化趨勢。

圖5 三江平原2000—2015年風(fēng)險(xiǎn)受體-基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)Fig.5 Ecological risk assessment of ecosystem services value in Sanjiang plain from 2000 to 2015

圖6展示了2000—2015年三江平原綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)空格局演變特征。時(shí)間上,生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)呈現(xiàn)明顯的增加趨勢,2000年,低風(fēng)險(xiǎn)、較低風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)、較高風(fēng)險(xiǎn)及高風(fēng)險(xiǎn)等級網(wǎng)格數(shù)所占比例分別為39.68%、51.57%、4.81%、2.72%、1.23%。2015年,這一比例分別為32.85%、15.53%、11.82%、14.50%、25.30% 。較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域下降了36.04%,與此相反,高風(fēng)險(xiǎn)等級網(wǎng)格數(shù)比例上升了24.07%。從空間看,由于人為風(fēng)險(xiǎn)源干擾頻繁,2000—2015年濕地轉(zhuǎn)移為其他生態(tài)系統(tǒng)類型面積共有3637.96km2,其中轉(zhuǎn)化為農(nóng)田面積達(dá)3235.16km2,濕地面積大幅度減少,加之較高的景觀生態(tài)脆弱性和生態(tài)服務(wù)價(jià)值的損失造成高風(fēng)險(xiǎn)上升區(qū)域主要集中在研究區(qū)中部的穆棱河、倭肯河、撓力河、松花江區(qū)域。隨著水田與旱田面積增加,高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)由松花江河灘型濕地區(qū)與穆棱河的零星分布區(qū)逐漸向四周蔓延,擴(kuò)散區(qū)域主要為被侵占的濕地、林地區(qū)域。此外,生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)受城市擴(kuò)張影響大,高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域行政中心具有極高的擬合度,鶴崗市、佳木斯市、雞西市等城市顯示為高和極高風(fēng)險(xiǎn)水平,且輻射周邊地區(qū)具有較高的風(fēng)險(xiǎn)水平,以樺川縣、勃利縣、穆棱市、友誼縣最為突出。

圖6 三江平原2000—2015年綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)Fig.6 Integrated ecological risk assessment results in Sanjiang plain from 2000 to 2015

使用3種空間鄰接矩陣,計(jì)算土地利用與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)自相關(guān)的權(quán)重。如表3所示,在P值均小于0.01的顯著性水平上,使用二階皇后矩陣(Queen2)所得的Moran′sI值小于車矩陣(Rook)的Moran′sI值小于一階皇后矩陣(Queen1)的Moran′sI值,說明在空間鄰接矩陣中使用一階皇后矩陣(Queen1)空間自相關(guān)效果好?；诰嚯x的權(quán)重矩陣,圖7表示分別選取5、6、7、8、9、10、20、50km 為距離閾值構(gòu)造距離權(quán)重矩陣計(jì)算所得的Moran′sI值和P值結(jié)果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在P值均小于0.01的顯著性水平上,當(dāng)5km≤d≤7km時(shí),Moran′sI值在2000年、2005年、2010年、2015年均為最高值,分別是0.33、0.31、0.24、0.20。隨著距離閾值的增大,四年的Moran′sI值均呈下降趨勢。由此說明,生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的強(qiáng)弱受到空間距離的影響,且距離閾值越大,以某一網(wǎng)格為中心的相關(guān)區(qū)域越大,整體的相關(guān)性指數(shù)降低。通過鄰接權(quán)重矩陣與距離權(quán)重矩陣比較分析可知,當(dāng)5km≤d≤7km時(shí),所建立的矩陣能較好地表達(dá)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的空間分布自相關(guān)情況。

表3 空間鄰接矩陣的Moran′s I值

圖7 基于距離閾值的Moran′s I值Fig.7 Moran′s I value of distance threshold

本文對2000年、2005年、2010年、2015年三江平原的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了空間自相關(guān)指數(shù)計(jì)算,并繪制了空間集聚分布圖?；谇拔姆治?當(dāng)距離閾值5km≤d≤7km時(shí),空間集聚性較高,因此本研究選取5km為局部自相關(guān)分析的距離閾值,在z檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上(P=0.05)得到2000年、2005年、2010年、2015年三江平原綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間集聚分布圖(如圖8),三江平原土地利用-綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分布的雙變量空間自相關(guān)表示土地利用類型與其鄰域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)均值間的相關(guān)性。由圖8可知,2010—2015年兩者的正相關(guān)型分布(高-高或低-低)較負(fù)相關(guān)型(低-高或高-低)分布比例較高,高-高地區(qū)由7%增加到13%。2000—2015年空間自相關(guān)指數(shù)Moran′sI值呈現(xiàn)增加趨勢,且均通過了顯著性檢驗(yàn),其中2010年Moran′sI值最高為0.33,這表示三江平原土地利用與綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的空間格局存在顯著的空間正相關(guān)關(guān)系,即隨著土地利用程度的增強(qiáng),綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)總體上呈現(xiàn)增強(qiáng)趨勢,這主要是受人類活動(dòng)干擾引起土地利用的變化與轉(zhuǎn)移,導(dǎo)致綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間上出現(xiàn)集聚現(xiàn)象,綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分布范圍有擴(kuò)大趨勢。

在空間演變上,土地利用與綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)呈高-高的地區(qū)主要集中在研究區(qū)內(nèi)的松花江流域及周圍灘地地區(qū),隨著土地利用變化及轉(zhuǎn)移,空間關(guān)聯(lián)逐漸增強(qiáng)且區(qū)域不斷擴(kuò)大,到2010年,兩者成團(tuán)狀由松花江流域及周圍灘地逐漸擴(kuò)散到撓力河附近的水田及穆棱河中部地區(qū),到2015年,區(qū)域擴(kuò)大現(xiàn)象持續(xù)發(fā)生,倭肯河區(qū)域的土地利用與綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的空間關(guān)聯(lián)逐漸增強(qiáng),耕地面積的增加導(dǎo)致濕地水域區(qū)域被侵占,生態(tài)服務(wù)價(jià)值降低,景觀脆弱性加劇,造成綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)呈現(xiàn)空間集聚與擴(kuò)散分布現(xiàn)象。土地利用與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)呈低-低的地區(qū)主要分布在林地分布區(qū),這些地區(qū)由于地勢高,受人類干擾少,土地利用變化小,綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)增加緩慢。不同時(shí)間尺度上,負(fù)相關(guān)分布所占比例較少,呈零星分布,無明顯的集聚特征。

圖8 三江平原2000—2015年綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間集聚圖Fig.8 Spatial analysis of integrated ecological risk in Sanjiang plain from 2000 to 2015

4 結(jié)論與建議

本研究從風(fēng)險(xiǎn)源與風(fēng)險(xiǎn)受體兩方面考慮了人類活動(dòng)、土地利用變化、城市擴(kuò)張、景觀生態(tài)、生態(tài)服務(wù)價(jià)值等因素構(gòu)建了生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)體系,并以三江平原濕地為研究對象,評價(jià)了2000年、2005年、2010年、2015年的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空變化特征,通過選取合適的距離閾值利用空間自相關(guān)模型對三江平原濕地的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間集聚效應(yīng)進(jìn)行了探究。基于以上研究,本文得到的結(jié)論主要有：

(1)從風(fēng)險(xiǎn)源角度,高等級道路中心地所在網(wǎng)格風(fēng)險(xiǎn)等級高,道路密度與風(fēng)險(xiǎn)源等級擬合度高,DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)較好的表征了行政區(qū)域多等級中心地的分布,土地利用變化突出表現(xiàn)為濕地面積減少,耕地面積增加。三江平原濕地風(fēng)險(xiǎn)源強(qiáng)度呈增加趨勢,松花江、穆棱河、倭肯河地區(qū)一直處于中高風(fēng)險(xiǎn)水平；從風(fēng)險(xiǎn)受體角度,2000年到2015年景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的中高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)重點(diǎn)集中在濕地與水體分布區(qū)；生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)低價(jià)值區(qū)主要分布在中部水田、旱田、建設(shè)用地以及東北部與東南小范圍的濕地區(qū)域,中高風(fēng)險(xiǎn)等級區(qū)域出現(xiàn)集中化趨勢。

(2)綜合風(fēng)險(xiǎn)源與風(fēng)險(xiǎn)受體的三江平原濕地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空變化可知,從2000年到2015年濕地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)呈現(xiàn)明顯的增加趨勢,高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)由松花江河灘型濕地區(qū)與穆棱河的零星分布區(qū)逐漸向四周蔓延,受較高的景觀生態(tài)脆弱性和生態(tài)服務(wù)價(jià)值損失的影響,高風(fēng)險(xiǎn)上升區(qū)域集中分布在研究區(qū)中部的穆棱河、倭肯河、撓力河、松花江區(qū)域；受城市擴(kuò)張影響,鶴崗市、佳木斯市、雞西市等城市顯示高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域行政中心具有極高的擬合度,且輻射周邊地區(qū)具有較高的風(fēng)險(xiǎn)水平。

(3)綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)弱受空間距離的影響,本研究選取5km為局部自相關(guān)分析的距離閾值,較好地表達(dá)綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的空間分布自相關(guān)情況。2000年、2005年、2010年、2015年三江平原土地利用與綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的空間格局存在顯著的空間正相關(guān)關(guān)系。研究區(qū)內(nèi)的松花江流域及周圍灘地地區(qū)為綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)突出熱點(diǎn)區(qū)域,隨著土地利用變化及轉(zhuǎn)移,空間聚集性增強(qiáng)且呈現(xiàn)擴(kuò)散分布趨勢。

根據(jù)以上研究結(jié)果,本文為三江平原濕地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)防控管理提出以下建議：提高重視濕地、水體等土地利用類型的侵占式利用與高強(qiáng)度轉(zhuǎn)移是導(dǎo)致生態(tài)脆弱性顯著的重要原因,加強(qiáng)治理高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域集中分布的松花江流域撓力河等水體和濕地區(qū)。建議在城市路網(wǎng)規(guī)劃與道路選址過程中加強(qiáng)分析道路建設(shè)與生態(tài)系統(tǒng)之間的交互作用機(jī)制,通過自上而下的管理方式降低人類活動(dòng)對生態(tài)環(huán)境的不良影響；嚴(yán)格把控城鄉(xiāng)建設(shè)與耕地?cái)U(kuò)張的生態(tài)紅線,合理規(guī)劃城市人口與道路建設(shè),以降低局部生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；優(yōu)化土地利用模式,增強(qiáng)區(qū)域各景觀間的連通性,恢復(fù)已破壞的景觀,保護(hù)濕地水域等景觀斑塊的完整性,避免風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)移；明確三江平原濕地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)能力與經(jīng)濟(jì)價(jià)值,合理增加濕地與林地等高生態(tài)服務(wù)價(jià)值的面積,增強(qiáng)系統(tǒng)自身穩(wěn)定性,提高三江平原濕地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)防控化解能力。