基于土地利用變化的瑪納斯河流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

康紫薇,張正勇,*,位 宏,劉 琳,寧 珊,趙貴寧,王統(tǒng)霞,田 浩

1 石河子大學(xué)理學(xué)院, 石河子 832000 2 南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 南京 210023

景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)能較好地反映出景觀格局對(duì)生態(tài)過(guò)程和功能的影響[1],通過(guò)對(duì)各景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)時(shí)空分異變化及其地類構(gòu)成等方面的分析與辨析[2-3],可解釋和預(yù)測(cè)生態(tài)環(huán)境健康程度以及潛在風(fēng)險(xiǎn)壓力的時(shí)空分布及變化特征。流域作為研究景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的理想“靶地”,同時(shí)又為生物繁衍以及人類活動(dòng)提供了強(qiáng)有力的保障,但隨著城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展,工業(yè)和農(nóng)業(yè)大規(guī)模的推動(dòng)和建設(shè),流域生態(tài)環(huán)境變化引起的生態(tài)問(wèn)題及風(fēng)險(xiǎn)壓力等科學(xué)問(wèn)題受到越來(lái)越多的關(guān)注和探究,而基于土地利用/覆被變化的流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)與管理的重要研究?jī)?nèi)容之一[4]。

自景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)概念提出以來(lái),眾多學(xué)者將研究重點(diǎn)放在其理論與方法上,且已初步形成了具有一定國(guó)際引領(lǐng)意義的結(jié)構(gòu)框架[1],但基于土地利用變化的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方面的研究還不夠成熟、完整。土地本身就是地表景觀的宏觀表征方式,其組成結(jié)構(gòu)和格局變化與景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)空分布和動(dòng)態(tài)高度關(guān)聯(lián)[4],反之以土地利用動(dòng)態(tài)變化和景觀格局變化為切入點(diǎn)的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),能夠揭示一個(gè)區(qū)域自然或人為因素影響下景觀格局與生態(tài)過(guò)程相互作用可能產(chǎn)生的不良后果,可有效指引區(qū)域景觀格局優(yōu)化與管理[1]。目前該方面的研究仍處于起步階段,主要以單一風(fēng)險(xiǎn)源、單一受體為主,且景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究沿襲了區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的熱點(diǎn)區(qū)域,以省域、縣域、流域、城市地域?yàn)橹?也有一些針對(duì)工礦開采區(qū)、自然保護(hù)區(qū)等重點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)控制區(qū)的研究[5-7],但對(duì)于孕育綠洲區(qū)的干旱區(qū)內(nèi)陸河流域的研究較少。干旱區(qū)綠洲以荒漠為基質(zhì),以水文條件發(fā)育并沿水系分布,其作為干旱區(qū)人類生產(chǎn)生活的重要載體[3],是生態(tài)最為敏感脆弱的部位,相較其他地區(qū)綠洲區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)受人為因素干擾較大且被破壞后較難恢復(fù),受水資源牽制作用較大,生態(tài)環(huán)境極為脆弱。另外對(duì)于較大尺度區(qū)域來(lái)說(shuō),缺少較為系統(tǒng)完整的生態(tài)統(tǒng)計(jì)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[8],而基于土地利用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)得到的景觀格局指數(shù)可以從空間分異及其格局變化角度解釋景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)情況,因此通過(guò)土地利用動(dòng)態(tài)變化去評(píng)價(jià)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),已成為解析和揭示各景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)及其空間分異的重要手段,同時(shí)還可彌補(bǔ)該評(píng)價(jià)在理論技術(shù)支持和風(fēng)險(xiǎn)管理機(jī)制研究方面的不足。反之,對(duì)該地區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)進(jìn)行研究可以反過(guò)來(lái)規(guī)劃指導(dǎo)土地利用類型的再組合,同時(shí)改善現(xiàn)行規(guī)劃中不合理的土地利用類型,為土地可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

瑪河流域作為新疆最大綠洲農(nóng)墾區(qū)和我國(guó)第四大灌溉農(nóng)業(yè)區(qū),人口和經(jīng)濟(jì)都相對(duì)比較集聚。隨著全球變暖等自然過(guò)程的演變,人類活動(dòng)范圍和強(qiáng)度的擴(kuò)大和增強(qiáng),水土資源開發(fā)程度的提高,沙漠綠洲和冰川等對(duì)全球變化具有極強(qiáng)響應(yīng)且自身生態(tài)脆弱的自然地帶的景觀資源變化迅速而明顯,且遭到了越來(lái)越嚴(yán)重的破壞,導(dǎo)致流域景觀生態(tài)發(fā)生變化,生態(tài)環(huán)境退化問(wèn)題突出,景觀整體格局趨于破碎且穩(wěn)定性及恢復(fù)力差；這些景觀生態(tài)問(wèn)題一直是政府和學(xué)者們關(guān)注的焦點(diǎn),且已有眾多學(xué)者從不同角度研究瑪河流域生態(tài)環(huán)境,如于濤等[9]從不同等級(jí)道路角度對(duì)該區(qū)域景觀格局進(jìn)行探討；楊愛(ài)民等[10]從地學(xué)信息圖譜角度分析該區(qū)域土地利用變化；馮異星等[11]從土地利用變化角度評(píng)價(jià)該區(qū)域生態(tài)安全；張青青等[12]從流域生態(tài)問(wèn)題角度評(píng)估該區(qū)域潛在風(fēng)險(xiǎn)；顯然該區(qū)域已然成為景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)熱點(diǎn)研究區(qū),但在瑪河流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)研究中基于土地利用變化及景觀格局指數(shù)的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方面的研究較少。作為生態(tài)環(huán)境極為脆弱的干旱半干旱綠洲區(qū),高寒山區(qū)的冰雪融水與上游的降水作為該流域主要的徑流水源,經(jīng)過(guò)出山口的水體轉(zhuǎn)運(yùn)后到達(dá)耗散最明顯的綠洲區(qū),河流最終流逝于荒漠之中,這形成了瑪河流域獨(dú)具典型且完整的“山-盆”系統(tǒng)地形地貌結(jié)構(gòu)特征。對(duì)其景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)空分布規(guī)律進(jìn)行研究對(duì)于整個(gè)新疆乃至干旱區(qū)綠洲來(lái)說(shuō)都具有一定的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)和理論借鑒意義?；谝陨戏治?本研究以土地利用變化數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),在流域景觀格局變化及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分異分析的基礎(chǔ)上,更為完整的分析和解釋瑪河流域土地利用變化及景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)空分異規(guī)律,科學(xué)地指導(dǎo)瑪河流域生態(tài)環(huán)境健康有序合理的發(fā)展。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

瑪河流域位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣,北至天山山脈中段高山區(qū),地理坐標(biāo)為85°01′—86°32′E,43°27′—45°21′N。本研究以石河子市、瑪納斯縣、沙灣縣三個(gè)行政區(qū)及周邊第八師和第六師兩大農(nóng)牧團(tuán)場(chǎng)為主要研究區(qū)域(圖1),總面積約21060 km2,多年平均徑流量約22.98×108m3,主要依靠降水和冰雪融水補(bǔ)給。流域?qū)儆诙?、夏炎熱的溫帶大陸性氣?年均溫在4.7—5.7 ℃之間且晝夜溫差大,主要景觀類型包括草原、荒漠、高山冰川、森林,且垂直分異特征明顯。自我國(guó)西部大開發(fā)等政策實(shí)施以來(lái),土地利用已由傳統(tǒng)的水土開發(fā)、農(nóng)業(yè)墾殖主導(dǎo)型轉(zhuǎn)向現(xiàn)代城市經(jīng)濟(jì)、生態(tài)經(jīng)濟(jì)模式,使得流域土地利用變化過(guò)程及景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)狀況均發(fā)生了深刻的改變。

圖1 瑪河流域概況及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)單元的劃分

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

基于前人研究成果,均可看出瑪河流域土地利用變化演變比較劇烈的時(shí)期聚焦在2000—2015年[9-10,13-14],且在這一時(shí)期我國(guó)實(shí)施了西部大開發(fā)、各類土地開發(fā)政策、天山北坡經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)、“十二五”總體規(guī)劃,五位一體總體布局等多項(xiàng)引導(dǎo)性政策,故選取瑪河流域2000、2005、2010、2015年4期Landsat TM/ETM系列遙感影像數(shù)據(jù)(時(shí)相為植被覆蓋率較高的6—10月份,云量均<10%,影像軌道行/列號(hào)分別是144/28、144/29、144/30)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),首先利用ENVI 5.3軟件對(duì)4期遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、拼接、裁剪等預(yù)處理,并參照《土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T21010—2015),結(jié)合研究區(qū)實(shí)際景觀類型及遙感影像特點(diǎn)等,將研究區(qū)土地利用類型劃分成林地、草地、水域、耕地、城建用地、未利用地6種類型,對(duì)解譯后的土地利用類型分類數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗(yàn)證,Kappa系數(shù)均在0.85以上,符合分類要求。

2 研究方法

本研究以4期土地利用類型分類數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),根據(jù)瑪河流域景觀格局特征選取景觀破碎度(Ci)、分離度(Si)和優(yōu)勢(shì)度(Ki)、干擾度(Ui)、脆弱度(Ei)、損失度(Ri)6個(gè)指數(shù),并以此構(gòu)建景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)模型；參考相關(guān)理論對(duì)研究區(qū)進(jìn)行景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)劃分[15-16],借助GIS空間分析和插值技術(shù)計(jì)算各風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù),在此基礎(chǔ)上獲取各年份景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)狀況,并以此為支撐進(jìn)一步分析2000—2015年研究區(qū)內(nèi)景觀格局指數(shù)時(shí)序變化、景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分異及格局變化,為瑪河流域景觀的預(yù)測(cè)和發(fā)展提供理論和數(shù)據(jù)支撐。

2.1 風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)的劃分

為合理劃分景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)小區(qū)以及空間化顯示瑪河流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù),在考慮景觀空間異質(zhì)性、斑塊大小和流域面積的基礎(chǔ)上[17],利用ArcGIS 10.3軟件,依據(jù)研究區(qū)景觀斑塊平均面積2—5倍原則,同時(shí)考慮采樣和計(jì)算的工作量,對(duì)研究區(qū)采用12 km×12 km的正方形網(wǎng)格并進(jìn)行等間距采樣的漁網(wǎng)操作處理[15-16],共劃分景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)175個(gè)(圖1)。利用景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型計(jì)算每一風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù),并將賦予景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值的各小區(qū)中心點(diǎn)作為空間插值分析的樣本。

2.2 景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)模型的構(gòu)建

綠洲不是孤立存在的,其存在于干旱區(qū)、半干旱區(qū)的荒漠背景條件下時(shí),荒漠地區(qū)才是真正意義的綠洲。它與山地、荒漠構(gòu)成了一個(gè)完整的相互作用的干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng),其作為干旱區(qū)景觀結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、類型最豐富,景觀多樣性最高的地區(qū),具有高風(fēng)沙,干旱嚴(yán)重,受人類活動(dòng)干擾較大且較難恢復(fù)等景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)特征。隨著人工干擾時(shí)間的延長(zhǎng),綠洲景觀多樣性和均勻度下降,而優(yōu)勢(shì)度指數(shù)增加,鄰近沙漠的綠洲愈來(lái)愈為少數(shù)斑塊控制,人類活動(dòng)對(duì)鄰近沙漠的人工綠洲的直接影響逐漸減弱,而間接影響逐漸增強(qiáng),追其根源綠洲地區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)主要受自然因素和人為因素決定[18-19]。故參照相關(guān)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究及研究區(qū)景觀格局特點(diǎn),本文選取景觀破碎度(Ci)、分離度(Si)和優(yōu)勢(shì)度(Ki)指數(shù)來(lái)構(gòu)建景觀干擾度指數(shù)(Ui)計(jì)算模型[16],并借助景觀生態(tài)學(xué)方法,選取景觀干擾度(Ui)、脆弱度(Ei)和損失度指數(shù)(Ri)作為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo),以此構(gòu)建景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(ERI),以表征瑪河流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分異及格局變化情況。對(duì)于干旱區(qū)綠洲景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)來(lái)說(shuō)比較重要及特殊的表征指標(biāo)是景觀干擾度、脆弱度指數(shù),其重要性和特殊性以及與其他地區(qū)的不同主要體現(xiàn)在對(duì)其指數(shù)中的參數(shù)根據(jù)綠洲干旱區(qū)各景觀的實(shí)際情況及所占地位賦予不同的權(quán)重。對(duì)于景觀干擾度中參數(shù)(Ci、Ki、Si)的權(quán)重,白龍江流域[20]賦予0.5、0.2和0.3,西北干旱區(qū)綠洲[3]賦予0.3、0.5和0.2；對(duì)于景觀脆弱度指數(shù)而言,細(xì)河流域[16]、紅河流域[21]中未利用地最為脆弱,紅河流域[21]、渭干河—庫(kù)車河綠洲[22]中林草地最為穩(wěn)定；本研究則根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況并借助前人研究成果對(duì)各參數(shù)進(jìn)行權(quán)重賦值。具體各景觀格局指數(shù)計(jì)算公式及含義[16,21,23]見表1。

表1 景觀格局指數(shù)及計(jì)算方法

為分析瑪河流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分布特征,將各景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)小區(qū)的ERI值作為其漁網(wǎng)中心點(diǎn)的屬性值,同時(shí)參考相關(guān)研究借助ArcGIS地統(tǒng)計(jì)模塊中的普通克里金插值功能得到研究區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分布情況。根據(jù)4個(gè)時(shí)期ERI值的實(shí)際分布情況,利用自然斷點(diǎn)法對(duì)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)進(jìn)行等級(jí)劃分[24-25],設(shè)定了5個(gè)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)(0.036—0.047)、較低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)(0.047—0.052)、中生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)(0.052—0.057)、較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)(0.057—0.065)、高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)(0.065—0.114),并統(tǒng)計(jì)研究區(qū)內(nèi)不同時(shí)期各景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的面積及比例。

2.3 空間分析方法

景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)在區(qū)域尺度的重要組分,其借助景觀生態(tài)學(xué)的生態(tài)過(guò)程與空間格局耦合關(guān)聯(lián)視角,更加注重風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)空異質(zhì)性和尺度效應(yīng),致力于實(shí)現(xiàn)多源風(fēng)險(xiǎn)的綜合表征及其空間可視化[26-27]。地統(tǒng)計(jì)學(xué)則主要用于檢驗(yàn)、模擬和估算變量在空間上的相關(guān)關(guān)系和格局,半方差分析作為地統(tǒng)計(jì)學(xué)的一個(gè)子部分可借助其統(tǒng)計(jì)方法對(duì)空間特征進(jìn)行分析[21,23]。為了更清晰的描述瑪河流域各景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的空間分布情況,本研究根據(jù)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的要求和各分析方法的作用針對(duì)性的選取了地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法,借助 GIS軟件,通過(guò)求和、采樣、普通克里金空間插值等處理得出2000、2005、2010、2015年的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)連續(xù)空間分布情況,定量測(cè)度和描述2000—2015年各景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的轉(zhuǎn)化方向及面積,分析其景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分布特征及變化原因。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化分析

對(duì)瑪河流域2000—2015年土地利用類型結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行分析(圖2、圖3),就各景觀類型面積發(fā)生的變化而言,草地和未利用地的面積呈減少趨勢(shì),耕地、水域和城建用地的面積呈增加趨勢(shì),而林地的面積則呈先減少后增加的趨勢(shì)；其中耕地面積增加的最多,增加量為2638.31 km2,未利用地減少的最多,減少量為2559.99 km2,草地面積減少了429.45 km2,林地面積增加了7.95 km2。從各景觀類型面積占總面積的比例來(lái)看,耕地所占面積比例從20.84%增加至33.37%,未利用地所占面積比例從37.19%減少至25.04%,水域和城建用地所占面積比例分別由0.18%、1.50%增加至1.27%、2.67%,草地所占面積比例從35.37%減少至33.33%,林地所占面積比例由4.29%增加至4.33%。

圖2 瑪河流域2000—2015年土地利用類型結(jié)構(gòu)變化

圖3 瑪河流域2000—2015年土地利用類型面積變化

基于ArcGIS軟件對(duì)相鄰兩期分類后影像進(jìn)行疊加分析獲得瑪河流域2000—2015年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣。對(duì)土地利用類型轉(zhuǎn)化過(guò)程進(jìn)行分析,可以看出各景觀類型在這15年期間發(fā)生了較為明顯的相互轉(zhuǎn)化。具體表現(xiàn)在耕地、城建用地、林地、水域用地的面積以轉(zhuǎn)入為主,草地和未利用地的面積以轉(zhuǎn)出為主；其中轉(zhuǎn)入面積最多的是耕地,轉(zhuǎn)入量為3004.51 km2,主要由草地和未利用地轉(zhuǎn)入,轉(zhuǎn)入面積分別為1601.22、1054.45 km2；轉(zhuǎn)出面積最多的是未利用地,轉(zhuǎn)出量為2602.86 km2,轉(zhuǎn)出的未利用地主要轉(zhuǎn)化成了草地、耕地和林地,轉(zhuǎn)出面積分別為1192.12、1054.45、301.15 km2；在這15年間面積總量上增減幅度較大的是耕地和未利用地,草地的轉(zhuǎn)化力度和數(shù)量較大但在面積總量上增減幅度較小,其他土地利用類型之間也產(chǎn)生了不同程度的轉(zhuǎn)化。

3.2 流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空變化分析

3.2.1景觀格局指數(shù)的時(shí)序變化

統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn),2000—2015年瑪河流域總體ERI值由8.858下降至8.780,且流域各時(shí)期ERI最大值、最小值、均值都呈現(xiàn)減小趨勢(shì),說(shuō)明研究期內(nèi)流域各景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值整體變化均呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。從各景觀斑塊面積和數(shù)目的轉(zhuǎn)化上、破碎度、分離度、損失度指數(shù)等指標(biāo)的變化上(表2),可以看出在這15年間瑪河流域景觀格局演變較為劇烈。

表2 瑪河流域2000—2015年景觀格局指數(shù)

就景觀格局指數(shù)變化來(lái)看,林地和耕地除景觀優(yōu)勢(shì)度指數(shù)呈增大趨勢(shì),其他指數(shù)均呈減小趨勢(shì),說(shuō)明林地和草地景觀受其他因素的干擾逐漸減??；林地景觀格局指數(shù)的減小主要是由于自身面積的減少,而耕地景觀格局指數(shù)的減小主要是由于人們對(duì)土地利用需求增加,耕地面積擴(kuò)張聯(lián)結(jié)了周圍的細(xì)小斑塊,導(dǎo)致自身斑塊數(shù)目減少。草地和未利用地除景觀優(yōu)勢(shì)度指數(shù)呈減小趨勢(shì),其他指數(shù)均呈增大趨勢(shì),草地景觀格局指數(shù)增大主要是由于流域南部地區(qū)冰雪消融導(dǎo)致很多碎小斑塊出現(xiàn),增大了景觀破碎度；未利用地景觀格局指數(shù)增大的主要原因在于,應(yīng)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求,大量未利用地轉(zhuǎn)化成了耕地、草地和林地,導(dǎo)致未利用地面積不斷減少且景觀中的大斑塊被拆分,使得未利用地景觀斑塊趨于分散化和個(gè)體化[28-29]。城建用地除景觀優(yōu)勢(shì)度指數(shù)整體上呈增大趨勢(shì),其他指數(shù)整體上均呈減小趨勢(shì),主要原因在于城鎮(zhèn)化進(jìn)程加速增大了城建用地需求量,周圍細(xì)小斑塊被聯(lián)結(jié)導(dǎo)致景觀斑塊趨于集中化和整體化[30]。而水域除景觀優(yōu)勢(shì)度指數(shù)呈增大趨勢(shì),其他指數(shù)均處波動(dòng)狀態(tài),這主要是由于水域自身面積和斑塊數(shù)量呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)且景觀脆弱度指數(shù)也很高。

3.2.2景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的空間分異及其格局變化

從瑪河流域不同時(shí)期各景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積數(shù)量情況(圖4)可以看出,各時(shí)期各景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)所占面積比例存在一定差異；2000—2015年瑪河流域景觀生態(tài)以低、較低和中風(fēng)險(xiǎn)為主,較高和高風(fēng)險(xiǎn)次之(圖5)。研究期內(nèi),低和中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積在增加,分別增加了148.41、1750.93 km2,占總面積的9.02%；較低、較高、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積在減少,分別減少了661.72、749、489.17 km2,占總面積的9.02%；低風(fēng)險(xiǎn)范圍的面積逐漸增加,而高風(fēng)險(xiǎn)范圍的面積逐漸減小,且流域整體景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)處于減小趨勢(shì)；因此在這15年間瑪河流域整體景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)處于好轉(zhuǎn)狀態(tài)。

圖4 瑪河流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積圖

圖5 瑪河流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)空間分布圖

2000—2005年,瑪河流域低、中、較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積增加,面積所占比例分別從17.98%、17.40%、10.77%上升至20.97%、18.95%、13.63%；而較低、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積減少,面積所占比例分別從49.81%、4.04%下降至44.07%、2.39%。但在此期間對(duì)于各風(fēng)險(xiǎn)區(qū)來(lái)說(shuō),空間分布格局上發(fā)生的變化相對(duì)較?。惠^高和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)依舊主要分布在研究區(qū)的中部,主要以水域、城建用地為主；此地區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度較高一方面是由于河流水的減少,河道斷流,生態(tài)難以修復(fù)；另一方面是因?yàn)樵诖似陂g,石河子、沙灣等行政區(qū)在此修建了大量的重化工企業(yè)及發(fā)電廠,原本脆弱的生態(tài)環(huán)境又遭到破壞。低、較低以及中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)在流域內(nèi)分布較廣,主要以林地、草地、耕地和未利用地為主；值得注意的是,干旱內(nèi)陸河黑河流域耕地占比約11%左右,無(wú)規(guī)劃開墾荒地以及不合理使用草地,使得沙漠化、鹽漬化土地急速增加,景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度加深[31]；而瑪河流域耕地占比(27%)明顯高于黑河流域,但瑪河流域耕地田塊連片分布且普遍都采用節(jié)水灌溉技術(shù),這在很大程度上提高了水資源的利用率,與一般干旱區(qū)相比,有效的降低了流域干旱和水資源風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)綠洲農(nóng)牧業(yè)和林果業(yè)發(fā)達(dá),所以景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度較低；中等景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要處在較高景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)外圍,主要分布在人類活動(dòng)比較頻繁和集中的景觀類型中。

2005—2010年,瑪河流域低、較低、較高和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積減少,面積所占比例分別從20.97%、44.07%、13.63%、2.39%下降至18.42%、44.01%、8.33%、2.17%；而中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積呈現(xiàn)增加趨勢(shì),面積所占比例從18.95%上升至27.06%。此期間各級(jí)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)在格局上也發(fā)生了較大變化,流域中部的中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)有較大部分轉(zhuǎn)化成了低和較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū),主要是由于2000年我國(guó)西部大開發(fā)政策實(shí)施后,生態(tài)環(huán)境惡化等問(wèn)題凸顯出來(lái),人們開始注重環(huán)境和生態(tài)保護(hù)；同時(shí)2005年以來(lái)為治理生態(tài)環(huán)境而實(shí)施的節(jié)水灌溉和退耕還林等工程都取得了良好效果,在一定程度上降低了生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度[30]。另一個(gè)顯著變化是低、中、較高和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的分布范圍在研究區(qū)內(nèi)變得分散和個(gè)體,分布區(qū)域較多,且向流域南部和北部轉(zhuǎn)移和集聚；主要原因在于城鎮(zhèn)化建設(shè)不斷帶動(dòng)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展且陸續(xù)吸引大量人口和資金聚集于此,為滿足更高的城市發(fā)展需求和土地利用需求,就需要提高土地的開發(fā)利用程度和范圍,從而導(dǎo)致大量的草地、林地和未利用地轉(zhuǎn)化成了耕地和城建用地,增大了景觀格局破碎度和分離度,且草地、林地和未利用地本身脆弱度也較高,加深了景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度；同時(shí)流域北部荒漠和耕地交替地帶景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度較2005年有所加深,主要是由于人類開發(fā)利用等活動(dòng),導(dǎo)致景觀斑塊趨于破碎和零散,景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度隨之升高；流域西南部景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化幅度也較大,主要是由于近年來(lái)環(huán)境污染、全球變暖等生態(tài)問(wèn)題加速了冰雪消融,冰雪消融伴隨新植物長(zhǎng)出導(dǎo)致許多破碎的小斑塊出現(xiàn),增加了景觀的破碎度和分離度,景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度也隨之增大[16]。

2010—2015年,瑪河流域低、較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積增加,所占面積比例分別從18.42%、44.01%上升至18.69%、46.67%；而中、較高、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積減少,面積比例分別從27.06%、8.33%、2.17%下降至25.71%、7.21%、1.72%。在這5年間,景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)在格局上發(fā)生的變化相對(duì)較小,主要表現(xiàn)在流域中部的中、較高和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)范圍較為明顯的減少了；這主要得益于國(guó)家在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)上所頒布的政策以及做出的努力,2011年國(guó)家環(huán)境保護(hù)“十二五”規(guī)劃頒布,2012年國(guó)家提出把生態(tài)文明建設(shè)納入中國(guó)特色社會(huì)主義事業(yè)“五位一體”的總體布局等,這五年一系列政策的頒布和實(shí)施使生態(tài)文明建設(shè)和環(huán)境保護(hù)取得了顯著成效。

為了更好地研究流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)之間的轉(zhuǎn)化,借助景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)移矩陣分析各等級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的變化情況(表3)；總體來(lái)說(shuō),2000—2015年,低、中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積呈增加趨勢(shì),而較高和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積呈現(xiàn)減少趨勢(shì),較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積存在波動(dòng)但最終在總量上變化較??；低和較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)之間的轉(zhuǎn)換、較低和中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)之間的轉(zhuǎn)換、較高和較低、中、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)之間的轉(zhuǎn)換均較為明顯。在這15年間,有6120.57 km2的低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)等級(jí)上升了,占研究區(qū)面積的29.06%,有2516.80 km2的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)等級(jí)下降了,占研究區(qū)面積的11.95%；較低風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)為中風(fēng)險(xiǎn)的速率最高,轉(zhuǎn)換速率為246.71 km2/a,其次為中風(fēng)險(xiǎn)到低風(fēng)險(xiǎn)的轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換速率為128.26 km2/a。中、較高、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)由瑪河流域中部向南北部轉(zhuǎn)移且由集中分布變?yōu)榉稚⒎植?較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)由流域南部轉(zhuǎn)向北部,同時(shí)結(jié)合各景觀格局指數(shù)分析得,在研究期內(nèi)瑪河流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)情況呈好轉(zhuǎn)趨勢(shì),但局部地區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化情況較明顯,如河流斷流、湖泊枯萎、且伴隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口增長(zhǎng)、耕地需求量增加等[32-33],人類對(duì)各景觀不合理的開發(fā)和利用,對(duì)景觀格局的變化和生態(tài)環(huán)境惡化的加劇均產(chǎn)生了不同程度的影響。

表3 瑪河流域2000—2015年景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)移矩陣

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

為了比對(duì)我國(guó)不同自然(氣候)區(qū)劃帶各景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果的異同,本文從各風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)所占面積比例、所占地類情況及等級(jí)劃分方式3個(gè)方面進(jìn)行比較(表4),盡管各文獻(xiàn)涉及的自然區(qū)劃帶流域土地利用類型構(gòu)成和氣候變化不同,且采用的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分方法不統(tǒng)一,但仍可為評(píng)估對(duì)比景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究提供重要依據(jù),也可為今后在該方面研究的其他學(xué)者提供劃分及評(píng)價(jià)的參考依據(jù)及理論支撐。在借助克里金插值法劃分景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)時(shí),學(xué)者們?cè)诰坝^生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分方式上多以自然斷點(diǎn)法為主,且大多遵循“低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)值小且范圍小,高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)值大且范圍大”的原則,其次用的較多的方法是等間隔法[34-36],本研究在對(duì)比后結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況選取了自然斷點(diǎn)法。需要注意的是即使選取相同等級(jí)劃分方式的兩研究,但因其各等級(jí)端點(diǎn)數(shù)值不同卻存在很大差異,這主要是由于各地區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)本身存在差異。對(duì)選取的相關(guān)研究成果進(jìn)行總結(jié)可以看出, 較低和低景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)所占面積比例上下波動(dòng)較大,但大多數(shù)結(jié)果在50%左右,中景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)所占面積比例一般在20%—40%左右,較高和高景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)所占面積比例上下懸殊最大,高可達(dá)58%,低可至4.26%,這些都與各地區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)狀況密切相關(guān),可以很明顯的看出,較高和高景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)所占面積比例越大則景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度越高,反之越小[37-39]。除此之外,對(duì)比各自然區(qū)劃帶研究區(qū)各景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)地類分布及占比情況可以明顯的發(fā)現(xiàn),相比干旱區(qū)綠洲區(qū)而言,濕潤(rùn)地區(qū)較高和高景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積占比較大,且大多數(shù)分布于開發(fā)程度和條件較高的未利用地、城建用地、耕地及流域沿岸；而干旱區(qū)綠洲較高和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積占比相對(duì)較小,主要分布在人類活動(dòng)相對(duì)比較頻繁或自身脆弱度較高的區(qū)域中,如耕地、未利用地。對(duì)干旱區(qū)綠洲區(qū)和濕潤(rùn)地區(qū)而言,其低和較低景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要集中分布在林、草地及受人類活動(dòng)和擾動(dòng)較小的未利用地和石質(zhì)山區(qū)中,但這些區(qū)域一旦受到人類活動(dòng)或其他因素的干擾和破壞后,其恢復(fù)重建比較困難；例如日益加劇的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題、人類對(duì)未利用地的開發(fā)利用等活動(dòng)都導(dǎo)致這些區(qū)域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度加深,更值得注意的是這些區(qū)域遭到破壞后會(huì)誘發(fā)并加劇滑坡泥石流、水土流失等地質(zhì)災(zāi)害,因此應(yīng)更加注重此類地區(qū)的保護(hù)和建設(shè)[40-41]。中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要處在較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的外圍,多集中在水域、距離人類活動(dòng)和干擾較近的草地、林地和未利用地等景觀中,或分布在原本景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較低但受人類干擾和破壞后較難恢復(fù)重建的景觀類型中,相比濕潤(rùn)地區(qū)而言干旱區(qū)綠洲表現(xiàn)的尤為明顯,這主要是由于其受水資源牽制作用較大。

表4 不同自然區(qū)劃帶景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)比較

生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指在自然或人類活動(dòng)干擾下生態(tài)系統(tǒng)及其組分所承受的風(fēng)險(xiǎn),是一定區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能受到來(lái)自不確定性事故或?yàn)?zāi)害可能產(chǎn)生的不利影響,而景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)作為生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)在區(qū)域尺度的重要分支領(lǐng)域[42],指景觀格局與生態(tài)過(guò)程在自然或人為因素影響下相互作用可能產(chǎn)生的不利后果[1]；但在該方面相關(guān)研究時(shí),不少學(xué)者在探究和描述過(guò)程都用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)一詞替代景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),然而對(duì)于同一時(shí)間同一區(qū)域來(lái)說(shuō)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)高卻不等同于生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)也高,景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)作為生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的一個(gè)分支領(lǐng)域只是從某一方面衡量了一個(gè)地區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度[43-44]。例如,有學(xué)者分別對(duì)白龍江流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究,將兩研究結(jié)果進(jìn)行辨析可以看出,趙彩霞[45]在研究白龍江流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)過(guò)程中,將環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)理論、景觀生態(tài)理論與自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)理論相結(jié)合,對(duì)人類活動(dòng)、地質(zhì)災(zāi)害和水土流失三種典型的風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行研究,所以最終的結(jié)果由三方面共同表現(xiàn)(綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)范圍在1.00—9.42之間)；而鞏杰等[20]為評(píng)價(jià)白龍江流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),基于土地利用變化的生境脆弱度和景觀生態(tài)損失度構(gòu)建了流域景觀綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型,以此評(píng)價(jià)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),但最終結(jié)果只能解釋該區(qū)域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度(景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)范圍在0.29—1.59之間),并不能決定生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的高低,且生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度高的區(qū)域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度卻不一定高,本質(zhì)上來(lái)說(shuō)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)并不等同于景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),因此在此類研究中要注意兩者的混用。

基于本文研究結(jié)果及瑪河流域生態(tài)現(xiàn)狀存在的問(wèn)題,建議瑪河流域結(jié)合自身實(shí)際情況,在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、資源開發(fā)及土地利用過(guò)程中,應(yīng)在堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先的原則下進(jìn)行耕地景觀的再開發(fā)和再發(fā)展；在保護(hù)水域及林地的同時(shí),要限制對(duì)地表擾動(dòng)及對(duì)景觀生態(tài)破壞較大的大規(guī)模城建用地的發(fā)展；同時(shí)由于新疆存在特殊且脆弱的荒漠和冰川景觀類型,且在其過(guò)渡帶地區(qū)尤為脆弱,所以在注重冰川及荒漠的保護(hù)治理外,還應(yīng)在其景觀的開發(fā)及建設(shè)過(guò)程中保留一定的生態(tài)緩沖區(qū),加強(qiáng)對(duì)各景觀過(guò)渡帶的保護(hù)與治理,這在很大程度上控制了研究區(qū)內(nèi)易產(chǎn)生生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)生態(tài)環(huán)境的惡化。

4.2 結(jié)論

本研究以遙感影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),在GIS技術(shù)的支持下對(duì)瑪河流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)；從土地利用變化及轉(zhuǎn)移、景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)序特征和景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分異3個(gè)方面對(duì)瑪河流域的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了綜合分析,得出以下結(jié)論：

(1)2000—2015年,瑪河流域主要以草地、耕地和未利用地為主,耕地景觀面積增加的最多,面積比例從20.84%增加至33.37%,增加的2638.31 km2耕地主要由草地和未利用地轉(zhuǎn)化而來(lái)；未利用地景觀面積減少的最多,面積比例從37.19%下降至25.04%,減少的2560 km2未利用地主要轉(zhuǎn)化成了耕地、草地和林地?？傮w來(lái)說(shuō),伴隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速,人們也加大了對(duì)土地資源的需求,所以導(dǎo)致大量的草地和未利用地轉(zhuǎn)化成了城建用地和耕地。

(2)研究期內(nèi)瑪河流域整體景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)呈減小趨勢(shì),流域主要以低、較低和中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)為主,較高和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)次之；低、中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積呈增加趨勢(shì),而較低、較高和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積呈減小趨勢(shì)。整體而言2000—2015年,流域景觀生態(tài)狀況好轉(zhuǎn),但局部地區(qū)景觀生態(tài)狀況有所惡化,景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度較高。

(3)2000—2005年瑪河流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)呈中部高、南北低的分布格局；2005—2010年流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)出現(xiàn)了轉(zhuǎn)移、分散和聚集等明顯變化,具體表現(xiàn)為中、較高、高風(fēng)險(xiǎn)向流域南北部轉(zhuǎn)移、低風(fēng)險(xiǎn)向流域中部和北部轉(zhuǎn)移,且分布變的分散和破碎；2010—2015年流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分布格局變化較小,主要變化為較高、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積較為明顯的減少,景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分布格局的變化主要受國(guó)家政策、地類變化、人口和經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及人類活動(dòng)等因素影響。

本研究借助土地利用變化數(shù)據(jù)構(gòu)建景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型,受篇幅等限制,在景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)上未考慮地形地貌、海拔氣候等自然風(fēng)險(xiǎn)源對(duì)其影響,對(duì)于瑪河流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空關(guān)聯(lián)格局的驅(qū)動(dòng)力解釋也有待進(jìn)一步完善；正如部分學(xué)者認(rèn)為區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)涉及的風(fēng)險(xiǎn)因子很多,并存在相互作用和疊加效應(yīng)[46-47],在未來(lái)對(duì)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的研究中,要進(jìn)一步關(guān)注研究區(qū)地形地貌、海拔氣候等自然因素對(duì)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)高低的影響以及驅(qū)動(dòng)力的解釋,以深入評(píng)價(jià)并預(yù)測(cè)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分布格局變化。