新疆瑪納斯河流域景觀生態(tài)風(fēng)險評價

梁二敏，張軍民，胡蒙蒙，彭麗媛

（石河子大學(xué)理學(xué)院，新疆 石河子832003）

生態(tài)風(fēng)險是生態(tài)系統(tǒng)及其組分在自然或人類活動干擾下所承受的風(fēng)險，指一定區(qū)域內(nèi)不確定性事故或災(zāi)害對生態(tài)系統(tǒng)組成、結(jié)構(gòu)及功能可能產(chǎn)生的不利影響[1-2]。生態(tài)風(fēng)險最初僅針對個體健康和全球尺度的致災(zāi)事件[3]，隨著風(fēng)險因子數(shù)量及其危害的不斷增加，生態(tài)風(fēng)險評價已關(guān)注到多元的風(fēng)險源和風(fēng)險受體[4]，用以解決不同時空尺度下的生態(tài)風(fēng)險識別、評估及規(guī)劃、防控等問題[5-6]。

景觀生態(tài)風(fēng)險評價來源于區(qū)域生態(tài)評價，其借鑒了空間關(guān)聯(lián)及等級分異等景觀生態(tài)學(xué)核心概念，從景觀形態(tài)與生態(tài)過程耦合角度，研究景觀類型及其格局變化對人類活動或自然災(zāi)害的響應(yīng)，判斷或預(yù)測不同致災(zāi)因子的風(fēng)險表達及時空分異，定量分析其對生態(tài)功能、過程產(chǎn)生的不利影響及潛在危害。因其引入了尺度效應(yīng)及空間異質(zhì)性，關(guān)注到生態(tài)風(fēng)險的時空過程、格局對生態(tài)結(jié)構(gòu)、功能的風(fēng)險表達，為在區(qū)域尺度上系統(tǒng)評價各類風(fēng)險因子的綜合致災(zāi)過程、機理及其潛在危害提供了較規(guī)范的評價模式，因此，景觀格局指數(shù)分析是景觀生態(tài)風(fēng)險評價的基礎(chǔ)[7]。

國外學(xué)者主要從土地資源及土地利用優(yōu)化配置、土地系統(tǒng)設(shè)計及景觀生態(tài)規(guī)劃兩個角度[8-10]，研究全球變化、極端氣候、土地利用等自然、人文因素對具體風(fēng)險受體帶來的干擾或傷害，主要基于LUCC誘因的景觀指數(shù)變化的生態(tài)風(fēng)險效應(yīng)評價方法[11-12]，采用統(tǒng)計分析、系統(tǒng)模擬及半定量化計算等技術(shù)手段[13-14]。國內(nèi)學(xué)者關(guān)注景觀格局及其變化的生態(tài)風(fēng)險判斷及評估，研究對象以流域、行政區(qū)、城市地域為主，多采用景觀格局評價方法，研究景觀生態(tài)安全格局構(gòu)建[15-16]，流域生態(tài)安全格局規(guī)劃[17-18]，土地利用生態(tài)安全優(yōu)化[19-20]。由于各研究區(qū)的自然條件不同，并且研究者的研究目的不一樣，不同的學(xué)者對構(gòu)建的評價模型有不同的解釋和理解，因此，景觀生態(tài)風(fēng)險評價至今尚未能形成全區(qū)適用的評價指標體系和評價標準[21]。在評價范圍上，流域生態(tài)風(fēng)險評價已涉及到濕潤區(qū)、半濕潤區(qū)以及干旱區(qū)的湖泊、河流、河口三角洲等[22-25]，對整個流域進行景觀生態(tài)風(fēng)險的評價較少。

新疆瑪納斯河（簡稱瑪河）流域是干旱區(qū)典型的內(nèi)陸河流域，具有天然的生態(tài)脆弱性，荒漠化、綠洲化進程交替演進使山地、綠洲和荒漠生態(tài)系統(tǒng)敏感而擅變。近年來，出現(xiàn)了生態(tài)環(huán)境惡化、生物多樣性減少以及河流斷流等一系列環(huán)境問題，城市經(jīng)濟發(fā)展面臨較大的生態(tài)風(fēng)險。本文運用空間統(tǒng)計學(xué)分析方法，基于景觀格局和土地利用變化信息，從景觀干擾度和景觀脆弱度兩方面構(gòu)建瑪河流域的景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù)，分析土地利用變化的生態(tài)風(fēng)險，揭示其時空分異規(guī)律，以期為優(yōu)化綠洲土地利用結(jié)構(gòu)及方式提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

1 研究區(qū)域概況

瑪河流域位于新疆準噶爾盆地南部，瑪納斯河流域位于新疆準噶爾盆地南部，西南部分別相鄰于準噶爾盆地邊緣和天山山脈，地理位置為85°01′-86°32′E，43°27′-45°21′N，研究區(qū)主要有 5 條河，自東向西包括塔西河、瑪納斯河、寧家河、金溝河和巴音溝河，其中瑪納斯河水量最大、流程最長，源頭位于天山支脈依連哈比爾尕山的高山冰雪區(qū)，向北經(jīng)紅山嘴流入綠洲平原，穿過古爾班通古特沙漠最后注入瑪納斯湖。行政區(qū)劃上，包括瑪納斯縣、沙灣縣、石河子市以及農(nóng)八師的18個農(nóng)牧團場，但在2004年，團場進行了整頓，將122團合并到121團，132團合并到133團，135團合并到134團，151團合并到143團，由原來的18個團場減少為14個團場。

瑪河流域位于亞歐大陸內(nèi)部，遠離海洋，具有氣候干燥、光照充足、熱量豐富、雨量稀少、蒸發(fā)量大、日較差大等顯著的溫帶大陸性氣候特點。年均溫為4.7-5.7℃，年平均降水量115-200 mm，降水不均勻，由南向北遞減，夏季較冬季多，年平均蒸發(fā)量為1500-2000 mm。景觀類型有高山冰川、森林、草甸、干草原和荒漠草原，垂直分異特征明顯?，敽邮橇饔騼?nèi)最大的河流，源頭位于天山支脈依連哈比爾尕山的高山冰雪區(qū)，向北經(jīng)紅山嘴流入綠洲平原，穿過古爾班通古特沙漠最后注入瑪納斯湖（圖1）[26]。

圖1 瑪納斯河流域簡圖及風(fēng)險小區(qū)劃分Fig.1 The ecological risk evaluation cell on simple map of Manasi River Basin

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

以研究區(qū)域2000、2005和2015年TM遙感影像為數(shù)據(jù)源（時相為植被生長茂盛的6-8月份）以及新疆兵團統(tǒng)計年鑒，在ENVI4.8軟件的支持下，對遙感影像進行幾何校正、配準和圖像增強等預(yù)處理，利用最大似然法進行監(jiān)督分類，結(jié)合Google Earth和Arcgis10.2進行目視解譯，利用野外考察數(shù)據(jù)對解譯結(jié)果進行檢驗與修正。依據(jù)瑪河流域景觀類型特點，參考《土地利用現(xiàn)狀分類》（GB-T21010-2007）和全國遙感監(jiān)測土地利用/覆蓋分類體系的分類方法，將研究區(qū)的景觀劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地6種景觀類型，通過景觀格局軟件Fragstats計算各地類的景觀格局指數(shù)進行統(tǒng)計，根據(jù)公式計算出每一個網(wǎng)格中的生態(tài)風(fēng)險值，并結(jié)合地統(tǒng)計學(xué)軟件GS+探索生態(tài)風(fēng)險最優(yōu)變異函數(shù)理論模型，確定最優(yōu)插值參數(shù)，再運用ArcGIS地統(tǒng)計模塊進行數(shù)據(jù)探索，完成景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的空間插值。

2.2 景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù)構(gòu)建

用景觀生態(tài)學(xué)研究方法，采用景觀干擾度指數(shù)、脆弱度指數(shù)和損失度指數(shù)作為評價指標[27]，構(gòu)建景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù)，分析流域景觀生態(tài)風(fēng)險效應(yīng)及其變化情況。

(1)景觀干擾度指數(shù)（Ui）[28]：

其中：

上式中，Ci、Si、Ki分別是景觀破碎度、分離度、優(yōu)勢度；ni為景觀斑塊數(shù)量，N為斑塊總數(shù)，Ai為景觀斑塊面積，A為景觀總面積，mi為某一景觀斑塊類型斑塊出現(xiàn)的樣方數(shù)，M為總樣方數(shù)。a、b、c是權(quán)重系數(shù)，反映各指數(shù)對景觀生態(tài)服務(wù)價值的影響程度，且a+b+c=1，根據(jù)參照的文獻[21-22]的研究成果，對a、b、c分別賦以 0.5、0.3和 0.2的權(quán)值。考慮到研究區(qū)域景觀類型及格局特征，未利用地0.2、0.3和0.5的權(quán)值。

(2)景觀脆弱度指數(shù)（Vi）[29-30]，根據(jù)干旱區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險源分異特點，研究中把土地利用類型與景觀脆弱性聯(lián)系，耕地=6、未利用地=5、草地=4、水域=3、林地=2、建設(shè)用地 =1。其中，耕地最為脆弱，建設(shè)用地最穩(wěn)定，并對各數(shù)值進行歸一化處理(0，1)范圍內(nèi)，得到各自的脆弱度指數(shù)分別為：0.2857、0.2831、0.1905、0.1429、0.0952、0.0476。

(3)景觀損失度指數(shù)（Ri）

景觀損失度指數(shù)表示遭遇干擾時各類型景觀所受到生態(tài)損失的差別，即其自然屬性損失的程度，是某一景觀類型的景觀干擾度指數(shù)和脆弱度指數(shù)的綜合[31]，表達表示如下:

(4)景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù)

用某種景觀類型的面積乘以該類景觀類型的生態(tài)風(fēng)險系統(tǒng)，并對所有類型景觀的生態(tài)風(fēng)險加和即得到流域的景觀生態(tài)風(fēng)險，用以表征景觀格局偏離理想或優(yōu)化狀態(tài)的程度。公式如下：

式中：ERIi為第i個風(fēng)險小區(qū)生態(tài)風(fēng)險指數(shù)，Aki為第k個風(fēng)險小區(qū)第i類景觀的面積，Ak為第k個風(fēng)險小區(qū)的面積。

2.3 空間分析方法

為了直觀地描述研究區(qū)內(nèi)生態(tài)風(fēng)險程度的空間分布特征，本文基于地統(tǒng)計學(xué)半方差函數(shù)的理論模型，利用Arc GIS10.2的地統(tǒng)計模塊中的普通克里格法進行插值生成2000、2005和2015年的生態(tài)風(fēng)險等級連續(xù)空間分布圖；通過空間疊加生成擬合圖，采用地統(tǒng)計軟件GS+實現(xiàn)樣本變異函數(shù)理論模型的最優(yōu)擬合，得到三期景觀生態(tài)風(fēng)險擬合最優(yōu)模型，定量測度2000-2014年各風(fēng)險等級的轉(zhuǎn)化方向和面積，分析其生態(tài)風(fēng)險分布特征。

3 結(jié)果與分析

利用景觀格局指數(shù)計算軟件Fragstats3.3和Excel2003的統(tǒng)計分析功能，按照上述公示表所給出的計算方法，得到研究區(qū)2000、2005和2015年各景觀類型的景觀格局指數(shù)（表1）。

2000-2015年，耕地和建設(shè)用地面積不斷增加而斑塊個數(shù)不斷減少，景觀破碎度化程度降低，分離度減少，優(yōu)勢度不斷增加；水域面積增加但斑塊個數(shù)減少，其破碎化和分離度不斷增加，優(yōu)勢度減弱；草地和未利用地面積及斑塊數(shù)減少 (面積減少速率小于斑塊減少速率)，其破碎化度、分離度降低最多，未利用地的損失度最大；林地也有相同趨勢，但其面積減少的速率大于斑塊減少的速率，損失度居次。研究期間，未利用地、建設(shè)用地和水域損失度指數(shù)維持在較高水平，是增大生態(tài)風(fēng)險的重要原因。

表1 景觀格局指數(shù)Tab.1 Indices of landscape pattern

3.1 景觀生態(tài)風(fēng)險時空變化

按照式(3)計算119個風(fēng)險小區(qū)的景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù)，并對其變異函數(shù)進行理論模型的最優(yōu)擬合(表2)。研究區(qū)2000、2005年的生態(tài)風(fēng)險指數(shù)均為球狀模型擬合的效果最為理想，2015年則為高斯模型擬合效果較好，其隨機變異(塊金值/基臺值)2000年為19.0%、2005年為16.6%、2014年為33.3%，呈上升趨勢，說明在15 km以下的小尺度上，生態(tài)風(fēng)險的隨機變異性較大，人類活動對生態(tài)重構(gòu)的影響較大，且始終是影響景觀生態(tài)風(fēng)險的重要因素。

表2 景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的變異函數(shù)理論模型的相關(guān)參數(shù)Tab.2 The related parameters of variogram model of landscape ecological risk index

圖2 2000、2005和2015年生態(tài)風(fēng)險克里格插值空間分布Fig.2 Distribution of Kriging interpolation for ecological risk of 2000，2005 and 2015

為使劃分的風(fēng)險區(qū)更接近客觀實際，選取最優(yōu)擬合模型和相關(guān)參數(shù)進行克里格插值(圖2)，得到各風(fēng)險小區(qū)的生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的值，并根據(jù)風(fēng)險值分布特征，將其劃分為5個等級：低生態(tài)風(fēng)險區(qū)（0-0.25）、較低生態(tài)風(fēng)險區(qū)（0.25-0.40）、中生態(tài)風(fēng)險區(qū)（0.40-0.55）、較高生態(tài)風(fēng)險區(qū)（0.55-0.70）、高生態(tài)風(fēng)險區(qū)（0.70-0.78），統(tǒng)計各風(fēng)險等級的面積（圖 3和表 3）。

圖3 2000、2005和2015年各級生態(tài)風(fēng)險面積比例Fig.3 Distribution of the ecological risk grades of 2000，2005 and 2015

表3 生態(tài)風(fēng)險等級面積統(tǒng)計Tab.3 Statistics of ecological risk grade

（1）2000年研究區(qū)域主要以較低和中風(fēng)險區(qū)為主，二者面積占研究區(qū)面積的56.6%。其中，低和較低風(fēng)險區(qū)面積分別為3336.99和9092.68 km2，分別占總面積的10.0%和27.4%，主要分布于研究區(qū)中游的洪積扇平原上，是耕地和水域集中分布地區(qū)，該區(qū)域水網(wǎng)渠庫密布，耕地田塊連片，普遍采用節(jié)水灌溉技術(shù)，綠洲農(nóng)牧業(yè)和林果業(yè)發(fā)達，生態(tài)風(fēng)險度相對較低。中等風(fēng)險地區(qū)分布在中上游的城市及交通、工礦區(qū)，面積約9690.67 km2，該地區(qū)城市經(jīng)濟發(fā)達，人口高度聚集，斑塊破碎分離，景觀動態(tài)變化較大。較高和高風(fēng)險區(qū)主要分布在流域西北部的河流尾閭區(qū)，面積分別為8074.51和3044.51 km2，一方面因河流下游來水減少、河道斷流，生態(tài)難以修復(fù)，同時，石河子市、沙灣縣等在此新建了大量重化工企業(yè)及發(fā)電廠，原本脆弱的生態(tài)環(huán)境又遭到破壞，導(dǎo)致該地區(qū)生態(tài)風(fēng)險程度較高。

（2）2005年研究區(qū)依然是以較低風(fēng)險區(qū)和中風(fēng)險區(qū)為主，并且面積不斷增加，兩者所占研究區(qū)的面積由56.6%增加至69.1%。其中較高風(fēng)險區(qū)和高風(fēng)險區(qū)的范圍顯著變小，低風(fēng)險區(qū)、較低風(fēng)險區(qū)和中風(fēng)險區(qū)的面積增加。變化較為明顯的是中游的較高風(fēng)險區(qū)轉(zhuǎn)化為中風(fēng)險區(qū)，2000年西部大開發(fā)造成的生態(tài)問題，生態(tài)環(huán)境惡化，之后人們開始注重環(huán)境的保護，另外，2005年以來實施的節(jié)水灌溉以及退耕還草等工程產(chǎn)生了明顯的生態(tài)治理成效，生態(tài)環(huán)境逐漸向好的方向發(fā)展，使研究區(qū)的生態(tài)風(fēng)險程度整體有所降低。

（3）2015年研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險等級分布狀況最明顯的變化是處于較高生態(tài)風(fēng)險等級的區(qū)域范圍顯著擴大，面積由2005年的390.05 km2增加至2015年的1544.89 km2，主要分布于141和142團場。相對于其他團場來說，該地區(qū)2013年人口數(shù)量分別為0.9萬人和2.54萬人，人口數(shù)量增加較多，經(jīng)濟發(fā)展較快，人們對土地的需求量增加，大量的林草地轉(zhuǎn)化為耕地和建設(shè)用地，導(dǎo)致景觀格局的破碎度和分離度增大，使生態(tài)風(fēng)險程度加深；較高風(fēng)險區(qū)不斷向東部延伸；處于低風(fēng)險區(qū)和較低風(fēng)險區(qū)的面積增加，但增加的面積較少，主要還是集中于研究區(qū)中上游和下游地區(qū)的未利用地和草地等自然景觀類型區(qū)，草地和未利用地的分離度和破碎度均在不斷降低，生態(tài)風(fēng)險度隨之降低；中風(fēng)險區(qū)和較高風(fēng)險區(qū)的面積變化不大。

（4）為了更好地研究各等級生態(tài)風(fēng)險的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，運用生態(tài)風(fēng)險轉(zhuǎn)移矩陣分析各等級風(fēng)險區(qū)的變化情況(表4)，流域生態(tài)風(fēng)險等級由低向高轉(zhuǎn)化的面積為8488.423 km2，占研究區(qū)面積的26.6%，由高向低轉(zhuǎn)化的總面積為12752.418 km2，占研究區(qū)面積的38.4%。說明近年來流域內(nèi)林草地封育保護、防風(fēng)固沙以及節(jié)水灌溉等措施的實施，使流域內(nèi)整體生態(tài)環(huán)境有所改善，生態(tài)風(fēng)險程度降低。雖然流域內(nèi)整體生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)向好的趨勢，但局部生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)惡化明顯，并且隨著人口的增長和經(jīng)濟的發(fā)展，人類不合理的活動對流域景觀格局的變化和生態(tài)環(huán)境均有不同程度的影響。

表4 2000-2015年生態(tài)風(fēng)險轉(zhuǎn)移矩陣 km2Tab.4 Transition matrixes of ecological risk from 2000 to 2015

總之，研究期間，流域整體生態(tài)風(fēng)險呈降低趨勢，但是局部環(huán)境有所惡化，湖泊萎縮、河流斷流現(xiàn)象比較嚴重，加之流域人口數(shù)量增加，對耕地的需求急劇增加，使水土資源被過度的開發(fā)利用，人類活動作為外在的力量加劇了研究區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化的進程。

4 結(jié)論與討論

本文以遙感影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用Fragstat3.3統(tǒng)計研究區(qū)域景觀類型變化情況，運用GS+和ArcGIS的地統(tǒng)計模塊，對研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險指數(shù)變異函數(shù)的理論模型進行了最優(yōu)擬合并對其進行了空間插值，結(jié)果表明：

（1）2000-2015年，研究區(qū)的景觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變化，耕地和草地為主要景觀類型。耕地、建設(shè)用地和未利用地均有增加；林地、草地以及水域面積均有不同程度的減少。耕地、建設(shè)用地、草地和未利用地破碎度和分離降低；水域和林地破碎度和分離度增加?？傮w說，人類對土地資源和水資源的需求不斷增加，導(dǎo)致大量的林地、草地轉(zhuǎn)化為耕地和建設(shè)用地；對水資源的不合理利用，使水域面積減少，湖泊萎縮。

（2）2000和2005年流域生態(tài)風(fēng)險等級均以較低和中風(fēng)險區(qū)為主，但2005年較高和高風(fēng)險區(qū)的面積明顯小于2000年，相較于2005年來說，2015年研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險等級分布狀況最明顯的變化是處于較高生態(tài)風(fēng)險等級的區(qū)域范圍顯著擴大，主要分布于中游西北部河流尾閭區(qū)，河流下水量較少，生態(tài)環(huán)境惡化較快；中風(fēng)險區(qū)的范圍不斷向東部延伸，近幾年石河子市、沙灣縣經(jīng)濟的快速發(fā)展，脆弱的生態(tài)環(huán)境又遭到破壞，導(dǎo)致該地區(qū)生態(tài)風(fēng)險程度較高。就整體而言，流域整體生態(tài)風(fēng)險程度降低，生態(tài)環(huán)境有所好轉(zhuǎn)，但是局部環(huán)境有所惡化，湖泊萎縮、河流斷流現(xiàn)象比較嚴重。

（3）2000-2015年，風(fēng)險等級由低向高轉(zhuǎn)化的面積為8488.423 km2，占研究區(qū)面積的26.6%，而生態(tài)風(fēng)險等級由高向低轉(zhuǎn)化的總面積為12752.418 km2，占研究區(qū)面積的38.4%。雖然流域內(nèi)整體生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)好轉(zhuǎn)的趨勢，但隨著人口的增長和經(jīng)濟的發(fā)展，人類不合理的活動對流域景觀格局的變化和生態(tài)環(huán)境均有不同程度的影響。因此，對局部生態(tài)環(huán)境的保護應(yīng)該引起高度重視。

生態(tài)風(fēng)險評價是一個復(fù)雜的過程，要考慮很多不確定因素，本文基于景觀格局以量化的形式對瑪納斯河流域的生態(tài)風(fēng)險進行評價，不具有絕對性，但是人類經(jīng)濟活動對土地利用變化有較深影響，因此從景觀格局的角度來進行分析也具有重要的意義。

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