基于最佳尺度的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空變化研究： 以重慶市江津區(qū)為例

楊 馗，信桂新，蔣好雨，楊朝現(xiàn)①

(1.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400715；2.長(zhǎng)江師范學(xué)院武陵山區(qū)特色資源開(kāi)發(fā)與利用研究中心，重慶 408100)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷加速，生態(tài)環(huán)境和復(fù)雜的人類(lèi)活動(dòng)相互作用產(chǎn)生了一定的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),威脅著人地關(guān)系的和諧與生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展[1]。生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是一種能有效衡量和評(píng)估環(huán)境污染、人為脅迫或自然災(zāi)害等外界干擾對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)和影響的工具[2]。景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)作為生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究的重要分支，其形成與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)生的不利后果有關(guān)[3]，具有典型的空間異質(zhì)性和尺度依賴性[4]。尺度依賴性是空間異質(zhì)性的基本特征，在空間上通常劃分為粒度(grain)和幅度(extent)[5]。在景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)過(guò)程中，根據(jù)研究對(duì)象和目的選擇最適宜的研究尺度能更有效地反映出區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況及存在的問(wèn)題，對(duì)優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)、建立風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警機(jī)制、促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

景觀格局尺度效應(yīng)一直以來(lái)是景觀生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域，主要包括景觀格局指數(shù)隨尺度變化規(guī)律[6]以及尺度分析的方法選擇與模型構(gòu)建[7]。蘇英慧等[8]利用拐點(diǎn)識(shí)別法確定重慶市永川區(qū)景觀格局適宜空間粒度為60 m；常小燕等[9]以微山縣煤礦較集中，地面塌陷較嚴(yán)重的11個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)作為研究區(qū)，發(fā)現(xiàn)其最佳研究幅度為1 km×1 km的規(guī)則網(wǎng)格；張金茜[10]通過(guò)空間尺度效應(yīng)研究表明涼城縣最佳粒度為70 m，最適宜空間幅度為3 km×3 km的網(wǎng)格單元。以上研究表明，不同區(qū)域景觀格局適宜尺度并不具有普適性。雖然已有部分學(xué)者意識(shí)到尺度效應(yīng)會(huì)對(duì)景觀格局定量分析結(jié)果產(chǎn)生不同程度影響，但多數(shù)研究只是單方面探討適宜粒度或幅度的選取，鮮有研究涉及兩者的對(duì)比和整合分析。在景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究方面，諸多學(xué)者從土地利用格局角度出發(fā)，圍繞城市[11]、湖泊[12]、流域[2]和沿海地區(qū)[13]構(gòu)建景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和演化預(yù)測(cè)。在景觀生態(tài)學(xué)理論支持下，基于土地利用數(shù)據(jù)得到的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)不僅可以定量描述景觀結(jié)構(gòu)，還可以從格局變化角度解釋景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)演化機(jī)制，已成為解析和揭示景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空異質(zhì)性的重要手段[14]?？傮w而言，景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)能夠?qū)崿F(xiàn)多元風(fēng)險(xiǎn)的綜合表征及空間可視化，但眾多學(xué)者將研究重點(diǎn)放在景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空分布特征和內(nèi)在形成機(jī)制上，對(duì)如何準(zhǔn)確把握適宜空間尺度關(guān)注不夠。因此，該研究從最佳尺度視角出發(fā)構(gòu)建景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系，以更加準(zhǔn)確地揭示區(qū)域景觀格局時(shí)空異質(zhì)性及其變化規(guī)律。

長(zhǎng)江上游地區(qū)地貌復(fù)雜多樣，水土流失頻發(fā)，生態(tài)環(huán)境較為敏感和脆弱，長(zhǎng)期以來(lái)人類(lèi)活動(dòng)對(duì)區(qū)域景觀結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能的影響尤為深刻。重慶市江津區(qū)地處長(zhǎng)江上游腹心、三峽庫(kù)區(qū)庫(kù)尾，其景觀生態(tài)安全格局不僅關(guān)系到區(qū)域發(fā)展定位和戰(zhàn)略布局，而且對(duì)推動(dòng)整個(gè)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶綠色發(fā)展起著至關(guān)重要的作用?；诖?，在確定景觀格局最佳尺度的基礎(chǔ)上，對(duì)江津區(qū)近20 a來(lái)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)狀況進(jìn)行深入剖析，探討不同驅(qū)動(dòng)因子對(duì)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的影響機(jī)制，以期為長(zhǎng)江上游重要生態(tài)屏障區(qū)土地利用管理和生態(tài)環(huán)境規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

江津區(qū)(28°28′～29°28′ N、105°49′～106°38′ E)位于渝西南長(zhǎng)江之濱，三峽庫(kù)區(qū)尾部。全區(qū)轄4個(gè)街道、22個(gè)鎮(zhèn)，面積為3 217.77 km2，常住人口為138.70萬(wàn)人。江津區(qū)境內(nèi)丘陵起伏,溝壑縱橫，地勢(shì)由南、北向中部長(zhǎng)江河谷地區(qū)逐漸降低，地貌以丘陵低山為主，地質(zhì)環(huán)境脆弱。氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤(rùn)區(qū)，多年平均降水量為1 034.7 mm，森林覆蓋率為48.5%。

江津區(qū)是長(zhǎng)江入渝第一區(qū)，坐擁長(zhǎng)江黃金水道127 km，境內(nèi)支流眾多，水網(wǎng)密布，是長(zhǎng)江上游重要的航運(yùn)樞紐和物資集散地。近20 a來(lái)，江津區(qū)城鎮(zhèn)化率從36.9%增至68.43%，GDP增長(zhǎng)近11倍，成為渝西南重要的戰(zhàn)略支點(diǎn)，與此同時(shí)也面臨著耕地資源銳減、土壤質(zhì)量退化和水土流失等突出問(wèn)題。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)雙重壓力下，研究區(qū)景觀破碎化加劇，生態(tài)安全受到嚴(yán)重威脅。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

遙感數(shù)據(jù)均來(lái)源于美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(https:∥www.usgs.gov/)的Landsat TM/ETM+/OLI衛(wèi)星影像，空間分辨率為30 m。為保證時(shí)間粒度的一致性，以9 a為間隔選取2000、2009和2018年成像時(shí)間在6—9月且平均含云量低于10%的影像。采用ENVI 5.1軟件對(duì)影像進(jìn)行幾何糾正、大氣校正、影像增強(qiáng)、影像鑲嵌和裁剪等預(yù)處理，采用監(jiān)督分類(lèi)法與人機(jī)交互結(jié)合方法進(jìn)行解譯判讀。根據(jù)土地調(diào)查分類(lèi)體系和研究區(qū)實(shí)際情況，將土地利用類(lèi)型分為草地、耕地、建設(shè)用地、林地、水域和未利用地6類(lèi)。結(jié)合2009年江津區(qū)第二次土地調(diào)查成果、Google Earth影像和現(xiàn)場(chǎng)采樣點(diǎn)進(jìn)行分類(lèi)后修正和精度驗(yàn)證，總體分類(lèi)精度均超過(guò)85%，能滿足相關(guān)研究分析需要。

在進(jìn)行景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)影響因素探測(cè)時(shí)，DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http:∥www.gscloud.cn/)，用來(lái)生成高程和坡度圖；降水量數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)和江津區(qū)氣象局；人口和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于江津區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒及各鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)統(tǒng)計(jì)報(bào)表，采用ArcGIS 10.2軟件進(jìn)行空間可視化表達(dá)。

2 研究思路與方法

2.1 研究框架

景觀格局與生態(tài)過(guò)程之間聯(lián)系緊密，其關(guān)系隨著尺度變化而變化[15]。景觀格局指數(shù)反映了景觀空間結(jié)構(gòu)、分布和配置等基本信息，是各種生態(tài)過(guò)程在不同尺度上綜合作用的結(jié)果。基于此，該研究首先利用各類(lèi)景觀格局指數(shù)隨粒度和幅度改變而呈現(xiàn)出的不同規(guī)律來(lái)選擇最佳尺度。在最佳尺度下，通過(guò)單一指數(shù)或若干指數(shù)組合的方式分析江津區(qū)土地利用景觀格局總體變化趨勢(shì)。最后，結(jié)合景觀格局指數(shù)和土地利用類(lèi)型面積比例構(gòu)建景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，對(duì)江津區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行分析并采用空間自相關(guān)分析和地理探測(cè)器定量識(shí)別景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化的空間集聚狀況和驅(qū)動(dòng)因素，具體分析框架見(jiàn)圖1。

2.2 最佳尺度分析方法

2.2.1尺度推繹方法

為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及數(shù)據(jù)量的合理性，選取2009年江津區(qū)土地利用數(shù)據(jù)作為最佳尺度分析的底圖。粒度推繹時(shí)，采用ArcGIS平臺(tái)重采樣工具(resample)將底圖轉(zhuǎn)換為不同粒度的柵格數(shù)據(jù)，粒度范圍設(shè)置為10～210 m，以10 m為間隔生成19幅不同粒度的土地利用景觀柵格圖；幅度推繹時(shí)，采用ArcGIS平臺(tái)創(chuàng)建漁網(wǎng)(create fishnet)工具生成1 km×1 km、2 km×2 km、3 km×3 km、4 km×4 km和5 km×5 km等不同大小的網(wǎng)格，并將底圖分割為若干數(shù)量的子研究區(qū)，每個(gè)子研究區(qū)為該空間幅度標(biāo)準(zhǔn)下的1個(gè)統(tǒng)計(jì)樣方。

2.2.2面積信息損失評(píng)價(jià)模型

面積信息損失評(píng)價(jià)是用來(lái)定量判別柵格粒度變化后精度的有效方法[16]。以不同粒度下區(qū)域景觀總面積精度損失情況作為空間粒度適宜區(qū)間的劃分依據(jù)，其計(jì)算公式為

(1)

(2)

式(1)～(2)中，Li為i類(lèi)景觀面積損失相對(duì)值；Ai為i類(lèi)景觀類(lèi)型粒度變化后的面積，km2；Abi為i類(lèi)景觀粒度變化前的面積，km2；n為景觀類(lèi)型數(shù)量；S為區(qū)域景觀面積損失指數(shù)，其值越大，表明粒度變化所帶來(lái)的面積信息損失越大。

2.2.3半變異函數(shù)

半變異函數(shù)是地統(tǒng)計(jì)學(xué)中關(guān)于數(shù)據(jù)點(diǎn)變異值和數(shù)據(jù)點(diǎn)距離的函數(shù)，用于揭示變量的空間異質(zhì)性[17]。可通過(guò)不同網(wǎng)格尺寸景觀格局指數(shù)的半變異函數(shù)擬合結(jié)果探尋最佳空間幅度，其計(jì)算公式為

(3)

式(3)中，γ(h)為半變異函數(shù)；h為樣本間的空間距離；Z(xi)和Z(xi+h)分別為變量在位置xi和xi+h上的值，i=1，2，…，N(h)；N(h)為h時(shí)樣本對(duì)總個(gè)數(shù)。

在地統(tǒng)計(jì)分析中，球狀模型(Spherical)要求數(shù)據(jù)為各向同性，即觀測(cè)數(shù)據(jù)的變化在空間分布上是均勻的，沒(méi)有方向差異[18]。根據(jù)文獻(xiàn)[19]，選取香農(nóng)多樣性指數(shù)SHDI和斑塊密度PD，采用GS+ 9.0軟件并運(yùn)用球狀模型進(jìn)行擬合，根據(jù)半變異函數(shù)原理計(jì)算得到各類(lèi)參數(shù)。

2.3 景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

依據(jù)不同土地利用類(lèi)型的面積比例和景觀損失度指數(shù)Ri構(gòu)建景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(ERI，IER)[2]，該值越大表示該評(píng)價(jià)單元的風(fēng)險(xiǎn)程度越高，反之，風(fēng)險(xiǎn)程度越低。ERI計(jì)算公式為

(4)

Ri=Ei×Vi，

(5)

Ei=aCi+bNi+cFi。

(6)

式(4)～(6)中，IERk為評(píng)價(jià)單元k的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；N為景觀類(lèi)型數(shù)量；Aki為評(píng)價(jià)單元k中第i類(lèi)景觀的面積，km2；Ak為評(píng)價(jià)單元k的面積，km2；Ri、Ei和Vi分別為第i類(lèi)景觀的損失度指數(shù)、干擾度指數(shù)和脆弱度指數(shù)；Ci、Ni和Fi分別為景觀破碎度指數(shù)、分離度指數(shù)和優(yōu)勢(shì)度指數(shù)，具體計(jì)算方法參照文獻(xiàn)[9，12]；a、b和c分別為各景觀格局指數(shù)權(quán)重，根據(jù)文獻(xiàn)[13]并結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，分別賦值為0.5、0.3和0.2。

景觀干擾度Ei表示不同景觀受到外界干擾的程度，景觀脆弱度Vi表示不同生態(tài)系統(tǒng)的易損性[20]。結(jié)合文獻(xiàn)[21]和各土地利用類(lèi)型面積變化情況(表1)，未利用地主要包括荒草地、裸地及難以利用的沼澤和灘涂等，其景觀脆弱性最強(qiáng)，最為敏感，故將未利用地脆弱度賦值為6；水域易受環(huán)境變化和人類(lèi)活動(dòng)影響而改變其土地利用類(lèi)型，因此將水域賦值為5；研究區(qū)耕地和林地面積遠(yuǎn)大于草地，且兩者面積變化率較大，所以將耕地和林地分別賦值為4和3，草地賦值為2；建設(shè)用地雖然增長(zhǎng)較快，但其性質(zhì)最為穩(wěn)定，在自然演替過(guò)程中不易產(chǎn)生新變化，故將其值賦值為1。6種景觀類(lèi)型分別賦值并進(jìn)行歸一化處理后得到各自脆弱度指數(shù)。在此基礎(chǔ)上，分別計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)并將其值賦予該網(wǎng)格中心點(diǎn)，最后運(yùn)用Kriging插值法生成不同時(shí)期景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分布圖[14]。

2.4 空間自相關(guān)分析

空間自相關(guān)反映了空間上某一變量的分布特征及其關(guān)聯(lián)集聚程度，包括全局空間自相關(guān)和局部空間自相關(guān)，常用測(cè)度指標(biāo)為Moran′sI指數(shù)和局部空間關(guān)聯(lián)指數(shù)LISA[22-23]。采用Moran′sI指數(shù)分析區(qū)域總體空間相關(guān)性與規(guī)律性，采用LISA識(shí)別局部空間景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)高-高集聚的“熱點(diǎn)”和低-低集聚的“冷點(diǎn)”，并形成空間聚類(lèi)圖來(lái)探析局部空間異常特征。

2.5 地理探測(cè)器

地理探測(cè)器可以對(duì)空間異質(zhì)性及其驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行有效探測(cè)[24]，其中的因子探測(cè)法可用于分析各驅(qū)動(dòng)因子對(duì)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空分異的解釋力大小，其計(jì)算公式為

(7)

式(7)中，q為某個(gè)因子對(duì)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空分異的解釋力度，q∈[0，1]，某一因子的q值越大，說(shuō)明該因子對(duì)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)解釋力越強(qiáng)；N為研究區(qū)樣本數(shù)；σ2為指標(biāo)方差；h為指標(biāo)分級(jí)，L為分級(jí)層數(shù)，h=1，2，…，L。

從自然環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)2個(gè)探測(cè)維度選取海拔、坡度、年降水量、人口密度、GDP和土地利用強(qiáng)度[25]6個(gè)指標(biāo)作為自變量，并通過(guò)最佳幅度下的網(wǎng)格中心點(diǎn)將因變量(ERI)和自變量進(jìn)行關(guān)聯(lián)。采用自然斷點(diǎn)法對(duì)地理探測(cè)器輸入變量進(jìn)行離散化處理，其中海拔、坡度和年降水量分為9級(jí)，人口密度、GDP和土地利用強(qiáng)度分為6級(jí)。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用景觀格局變化特征

由表1可知，2000—2018年江津區(qū)不同土地利用類(lèi)型之間變化特征較為顯著，具體表現(xiàn)為耕地、草地、水域和未利用地面積減少，建設(shè)用地和林地面積增加。

表1 研究區(qū)土地利用類(lèi)型面積變化統(tǒng)計(jì)

其中，耕地面積減少最多，減少量為196.28 km2；建設(shè)用地呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，2000—2009年面積增加17.01 km2，2009—2018年增加35.28 km2，增長(zhǎng)速度較為穩(wěn)定；林地面積呈先減后升趨勢(shì)，18 a間增幅達(dá)到156.69 km2；2000—2018年草地、水域和未利用地面積分別減少1.62、5.88和5.2 km2，水域和未利用地面積變化速度明顯高于草地。從各景觀類(lèi)型面積占比變化情況來(lái)看，建設(shè)用地和林地面積占比分別由4.9%和35.63%增加至6.52%和40.51%，草地、水域和未利用地面積占比分別減少0.05%、0.19%和0.16%，耕地面積占比由55.5%大幅減少至49.4%?？傮w來(lái)看，研究區(qū)景觀格局變化以耕地、林地和建設(shè)用地為主，草地、水域和未利用地總體變化幅度不大。

3.2 土地利用景觀格局最佳尺度分析

3.2.1最佳粒度分析

為避免景觀格局指數(shù)選取的重復(fù)性和無(wú)效性，參照文獻(xiàn)[26-27]，在景觀水平上選取12個(gè)景觀格局指數(shù)進(jìn)行分析，繪制各景觀格局指數(shù)粒度響應(yīng)曲線(圖2)。

由圖2可知，除斑塊形狀指數(shù)(LSI)、平均斑塊面積(AREA_MN)和蔓延度(CONTAG)沒(méi)有明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)外，其他9個(gè)景觀格局指數(shù)對(duì)空間粒度變化均表現(xiàn)出不同程度的響應(yīng)敏感性：最大斑塊指數(shù)(LPI)和有效網(wǎng)格大小(MESH)在粒度范圍為40～90和110～180 m時(shí)變化較為平緩，沒(méi)有明顯波動(dòng)；加權(quán)平均形狀指數(shù)(SHAPE_AM)和斑塊凝聚度(COHESION)分別在粒度為40和90 m時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)；景觀分離度(SPLIT)和景觀分割度(DIVISION)分別在粒度大于30和90 m時(shí)呈明顯下降趨勢(shì)；周長(zhǎng)面積分維數(shù)(PAFRAC)在粒度大于60 m時(shí)變化不大，呈現(xiàn)出穩(wěn)定狀態(tài)；香農(nóng)多樣性(SHDI)和香農(nóng)均勻度(SHEI)均呈現(xiàn)相似的波動(dòng)變化，當(dāng)景觀粒度為30～110 m時(shí)，兩者波動(dòng)變化幅度較少，當(dāng)粒度大于110 m時(shí)，兩者波動(dòng)幅度突然加劇，表現(xiàn)出明顯的粒度效應(yīng)。

為避免景觀整體特征發(fā)生改變，結(jié)合各景觀格局指數(shù)粒度響應(yīng)曲線圖的關(guān)鍵拐點(diǎn)和突變區(qū)間，確定江津區(qū)土地利用景觀格局適宜粒度的第一尺度域?yàn)閇40，90]。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)面積信息損失評(píng)價(jià)模型結(jié)果(圖3)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)粒度區(qū)間為[50，110]時(shí)，區(qū)域景觀面積損失指數(shù)先增后降，但總體變化幅度不大，說(shuō)明在該區(qū)間內(nèi)粒度效應(yīng)產(chǎn)生的景觀信息損失相對(duì)較小，且變化較為穩(wěn)定。因此，綜合分析粒度響應(yīng)曲線圖和面積信息損失評(píng)價(jià)情況，可得最佳粒度區(qū)間為[50，90]。已有研究[28]表明，隨著粒度減小，數(shù)據(jù)量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。為避免冗余的計(jì)算工作，更好反映景觀格局指數(shù)特征信息，最終確定90 m為江津區(qū)景觀格局最佳分析粒度。

3.2.2最佳幅度分析

表2為不同幅度下香農(nóng)多樣性指數(shù)的半變異函數(shù)模擬結(jié)果。由表2可知，當(dāng)幅度為3 km時(shí)，香農(nóng)多樣性指數(shù)半變異函數(shù)塊金值(C0)相比于幅度為1和2 km時(shí)小，這是由于空間幅度過(guò)小會(huì)改變景觀斑塊原有形狀；當(dāng)幅度為3～5 km時(shí)，塊金值C0隨幅度變大而不斷上升，說(shuō)明隨著幅度增加，較大幅度能掩蓋內(nèi)部更小尺度上的變異特征，被幅度掩蓋的誤差以塊金效應(yīng)體現(xiàn)出來(lái)[18]。當(dāng)幅度為1～3 km時(shí)，香農(nóng)多樣性指數(shù)半變異函數(shù)基臺(tái)值(C0+C)由0.120 3增加至0.150 1；當(dāng)幅度>3 km時(shí)，C0+C值由0.150 1降低至0.103 6，說(shuō)明隨著幅度增加，香農(nóng)多樣性指數(shù)變化程度逐漸減弱。香農(nóng)多樣性指數(shù)半變異函數(shù)塊基比C0/(C0+C)在幅度為1～3 km時(shí)下降，在幅度>3 km時(shí)快速上升，這說(shuō)明過(guò)小的幅度難以直觀反映出香農(nóng)多樣性指數(shù)空間變異情況。

表2 不同幅度下香農(nóng)多樣性指數(shù)半變異函數(shù)參數(shù)

由表3可知，當(dāng)幅度>2 km時(shí)，斑塊密度半變異函數(shù)C0值出現(xiàn)拐點(diǎn)，這說(shuō)明網(wǎng)格尺度為1和2 km時(shí)掩蓋了景觀空間部分重要信息，從而導(dǎo)致尺度效應(yīng)不明顯。斑塊密度半變異函數(shù)C0+C值在幅度為1～3 km時(shí)穩(wěn)定增加，在3～5 km時(shí)呈波動(dòng)式下降，這說(shuō)明幅度持續(xù)增加會(huì)降低空間自相關(guān)性。當(dāng)幅度為1～3 km時(shí)，斑塊密度半變異函數(shù)C0/(C0+C)值隨幅度增大而減小，這反映了隨機(jī)部分引起的空間異質(zhì)性占總空間異質(zhì)性的比例隨著網(wǎng)格尺度增大而減?。划?dāng)幅度為3～5 km時(shí)，C0/(C0+C)值由0.124 1增加到0.245 3，這說(shuō)明隨機(jī)因素引起的空間異質(zhì)性起主要作用，因而斑塊密度隨機(jī)變異性隨著網(wǎng)格尺度變大而逐漸增強(qiáng)。

表3 不同幅度下斑塊密度半變異函數(shù)參數(shù)

對(duì)區(qū)域景觀格局來(lái)說(shuō)，當(dāng)幅度過(guò)小時(shí)，總體規(guī)律會(huì)被局部規(guī)律所掩蓋；當(dāng)幅度過(guò)大時(shí)，可以直觀顯示整體變化，但會(huì)損失更多空間規(guī)律信息[19]。因此，綜合考慮各參數(shù)空間變異情況，確定分析江津區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空分異特征的最佳研究幅度為3 km。

3.2.3最佳尺度下景觀格局特征

基于上述研究成果，將90 m柵格像元和3 km網(wǎng)格尺度作為江津區(qū)景觀格局特征分析最佳尺度，并采用Fragstats 4.2軟件計(jì)算不同時(shí)期反映景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)狀況的景觀格局指數(shù)。如圖4所示，2000—2018年研究區(qū)各土地利用類(lèi)型的景觀格局指數(shù)均發(fā)生明顯改變。耕地為研究區(qū)主導(dǎo)景觀類(lèi)型，其景觀破碎度和分離度呈先減少后增加趨勢(shì)，優(yōu)勢(shì)度變化趨勢(shì)與之相反；林地景觀結(jié)構(gòu)保持相對(duì)穩(wěn)定，優(yōu)勢(shì)度逐漸變大，破碎度和分離度有小幅下降；草地、水域的破碎度和分離度較高,其干擾度和損失度隨景觀面積逐漸減少而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；建設(shè)用地隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展而不斷向郊區(qū)擴(kuò)張，侵占部分農(nóng)田和林地，導(dǎo)致其優(yōu)勢(shì)度迅速增長(zhǎng)；未利用地分布較分散，分離度較高，優(yōu)勢(shì)度保持相對(duì)穩(wěn)定,干擾度和損失度受人類(lèi)活動(dòng)擾動(dòng)總體呈增加趨勢(shì)。

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

3.3.1景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空分異特征

為直觀分析比較各時(shí)期景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分布特征，利用自然斷點(diǎn)法將景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)劃分為高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(IER>0.082 5)、較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(0.061 4

由表4可知，2000—2009年，江津區(qū)較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積減少336.41 km2，占比減少達(dá)10.46個(gè)百分點(diǎn)；較高和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積分別減少84.61和18.05 km2；低和中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積增長(zhǎng)明顯，分別增加344.01和95.06 km2。2000—2009年區(qū)域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)整體呈下降趨勢(shì)，主要表現(xiàn)為較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)向低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)轉(zhuǎn)移，較高和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)逐漸向中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)轉(zhuǎn)移，這表明當(dāng)?shù)卣ㄟ^(guò)實(shí)施退耕還林還草、封山育林等政策使區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有所提高。2009—2018年，江津區(qū)中、較高和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積占比分別增加5.50、5.53和2.58個(gè)百分點(diǎn)，較低和低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積分別減少14.89和423.04 km2。2009—2018年，隨著人口不斷向城鎮(zhèn)集聚，建設(shè)用地需求量急速增加，大量農(nóng)田、坑塘和灘涂濕地被改造利用，土地生態(tài)系統(tǒng)不斷遭受破壞，生態(tài)服務(wù)功能整體退化明顯。綜合來(lái)看，2000—2018年，江津區(qū)中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積增幅最大，逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，高、較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積有小幅增加，而低、較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積明顯減小，總體呈現(xiàn)“兩頭小、中間大”的數(shù)量結(jié)構(gòu)。研究區(qū)各生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積變化特征表明區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體呈下降趨勢(shì)，更需要合理規(guī)劃土地資源，加強(qiáng)生態(tài)修復(fù)，進(jìn)一步協(xié)調(diào)生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的矛盾，提高生態(tài)環(huán)境承載力。

3.3.2景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間自相關(guān)分析

采用GeoDa軟件，根據(jù)江津區(qū)各期景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行全局自相關(guān)分析。結(jié)果顯示，在顯著性水平P<0.05情況下，2000、2009和2018年Moran′sI值分別為0.466 1、0.524 2和0.533 3，均大于0，說(shuō)明研究區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系，空間趨同性增強(qiáng)。采用局部自相關(guān)LISA識(shí)別江津區(qū)局部空間景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)(圖6)。

表4 研究區(qū)各等級(jí)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積統(tǒng)計(jì)

由圖6可知，江津區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的集聚空間格局變化較大，高-高和低-低集聚由分散變?yōu)榧?，而?高和高-低集聚分布相對(duì)零星。2000—2009年，研究區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)低-低集聚區(qū)逐漸向北部轉(zhuǎn)移，而高-高集聚區(qū)趨向東北部集中；2009—2018年，景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)低-低集聚區(qū)幾乎占據(jù)研究區(qū)南部的絕大部分，高-高集聚區(qū)在原有基礎(chǔ)上繼續(xù)向周?chē)鷧^(qū)域拓展。從分布范圍來(lái)看，高-高集聚區(qū)主要集中在北部快速城鎮(zhèn)化地區(qū)，說(shuō)明這些區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值高，且相鄰地區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值也較高，易受到外界干擾，呈高風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)；而低-低集聚區(qū)多集中在地形條件較為復(fù)雜的丘陵低山地帶，景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間趨同性較強(qiáng)，這些區(qū)域也是江津區(qū)重要的自然保護(hù)區(qū)所在地，如四面山自然保護(hù)區(qū)、滾子坪桫欏保護(hù)區(qū)和大圓洞國(guó)家森林公園等。結(jié)合景觀類(lèi)型分布可知，低-低集聚區(qū)主要景觀類(lèi)型為林地和草地，與低和較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要景觀類(lèi)型相符；高-高集聚區(qū)內(nèi)建設(shè)用地、耕地和林地受人類(lèi)活動(dòng)干擾而相互交錯(cuò)分布，導(dǎo)致景觀內(nèi)部結(jié)構(gòu)細(xì)碎化，難以維持穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3.3景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)影響因素分析

為進(jìn)一步探究2009—2018年江津區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)演變驅(qū)動(dòng)力機(jī)制，通過(guò)地理探測(cè)器得到各影響因素解釋力。由表5可知，2000年各指標(biāo)解釋力由大到小依次為人口密度(0.223 6)>GDP(0.189 7)>年降水量(0.189 3)>海拔(0.186 9)>土地利用強(qiáng)度(0.131 9)>坡度(0.048 1)，人口密度解釋力明顯高于其他指標(biāo)；2009年，GDP解釋力由2000年的0.189 7增加到0.228 4，上升勢(shì)頭較快，逐漸成為研究區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)主導(dǎo)誘因之一，而海拔和年降水量解釋力均有所下降；2018年，人口密度和GDP解釋力均>0.25，對(duì)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)量較為明顯，海拔(0.194 2)、土地利用強(qiáng)度(0.185 3)和年降水量(0.156 0)解釋力次之，坡度解釋力最小(0.102 9)。2000—2018年，人口密度對(duì)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空動(dòng)態(tài)變化的解釋力最強(qiáng)，說(shuō)明在庫(kù)區(qū)移民政策和農(nóng)村勞動(dòng)力轉(zhuǎn)移的背景下，人口高度集聚對(duì)研究區(qū)景觀結(jié)構(gòu)和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了一定負(fù)面效應(yīng)。此外，GDP和土地利用強(qiáng)度解釋力穩(wěn)定遞增說(shuō)明隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類(lèi)活動(dòng)干擾增強(qiáng)，其對(duì)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的影響也越來(lái)越深刻?？傮w來(lái)看，社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子解釋力整體高于自然環(huán)境因子，說(shuō)明研究區(qū)人為活動(dòng)對(duì)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化起主導(dǎo)作用，而海拔等自然環(huán)境因子也對(duì)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化起一定控制作用。

表5 2000—2018年研究區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)影響因子探測(cè)q值統(tǒng)計(jì)

4 討論

景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)將景觀空間格局與生態(tài)過(guò)程相結(jié)合，注重多元風(fēng)險(xiǎn)的空間可視化和時(shí)空分異規(guī)律。從評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看，江津區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空變化呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：(1)空間格局差異明顯，總體呈現(xiàn)“北高南低”的分布特征；(2)自然環(huán)境變化對(duì)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)影響有限，而以人口密度和GDP為代表的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)影響越來(lái)越明顯。景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空分布與土地利用強(qiáng)度和土地利用結(jié)構(gòu)存在著密切關(guān)系[2]。筆者發(fā)現(xiàn)研究區(qū)北部城鄉(xiāng)發(fā)展程度高，不同景觀類(lèi)型之間相互轉(zhuǎn)移的概率更大，速度更快，近年來(lái)隨著人為景觀增加，自然景觀減少，地表景觀生態(tài)系統(tǒng)的原有平衡被打破，導(dǎo)致生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)增加；研究區(qū)南部主要優(yōu)勢(shì)景觀類(lèi)型為林地和草地，土地開(kāi)發(fā)強(qiáng)度較低，景觀破碎度和分離度小，景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)總體偏低，但生態(tài)環(huán)境較為敏感脆弱，抗干擾能力差。2000—2018年，江津區(qū)低和較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積下降幅度分別為2.45%和10.92%，而較高和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積占比合計(jì)由17.48%提高至22.4%，區(qū)域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平隨著人類(lèi)活動(dòng)對(duì)景觀的干擾程度加劇而整體上升。作為復(fù)雜的生態(tài)過(guò)程，研究區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空分布與自然環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)關(guān)系密切。研究結(jié)果表明雖然不同階段各驅(qū)動(dòng)因子影響程度存在差異，但人口及經(jīng)濟(jì)因素對(duì)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)變化的解釋力較強(qiáng)，這印證了奚世軍等[29]研究觀點(diǎn)。江津區(qū)緊鄰重慶主城，不僅是人口大區(qū)，更是推動(dòng)重慶市“一區(qū)兩群”協(xié)調(diào)發(fā)展和成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟(jì)圈建設(shè)的重要戰(zhàn)略支點(diǎn)，存在生態(tài)環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不協(xié)調(diào)、不同步的問(wèn)題，亟需調(diào)整依賴土地資源的傳統(tǒng)發(fā)展模式，通過(guò)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型實(shí)現(xiàn)綠色高質(zhì)量發(fā)展，筑牢長(zhǎng)江上游重要生態(tài)屏障。

通過(guò)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)可以發(fā)現(xiàn)區(qū)域景觀格局存在的突出問(wèn)題和潛在風(fēng)險(xiǎn)，從而為制定有效的管控措施提供決策依據(jù)。在生態(tài)保護(hù)和修復(fù)工作中，針對(duì)不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)區(qū)域，需要依據(jù)其風(fēng)險(xiǎn)源特點(diǎn)和類(lèi)型采取不同風(fēng)險(xiǎn)對(duì)策：在較高和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，需要合理規(guī)劃土地利用，嚴(yán)格控制建設(shè)開(kāi)發(fā)規(guī)模和強(qiáng)度，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，避免較高和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)繼續(xù)向外擴(kuò)展；中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)作為耕地和林地的過(guò)渡區(qū)域，應(yīng)合理開(kāi)展農(nóng)業(yè)活動(dòng)，通過(guò)土地整理工程優(yōu)化耕地利用布局，同時(shí)積極實(shí)施“保土護(hù)林”工程，建立健全生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益的可持續(xù)發(fā)展；在生態(tài)脆弱區(qū)和敏感地帶，需要有效控制人類(lèi)活動(dòng)，如在水源保護(hù)地、風(fēng)景名勝區(qū)、基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)和重要濕地周?chē)鷦澏ㄉ鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)范圍和生態(tài)緩沖區(qū)，減緩低和較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)向中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的轉(zhuǎn)移速度，防范突發(fā)性生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

從景觀生態(tài)學(xué)角度將尺度效應(yīng)分析與景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)相結(jié)合，有利于揭示不同尺度下空間格局與生態(tài)過(guò)程之間耦合機(jī)制，同時(shí)也有利于提高景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別效率。筆者研究充分考慮了景觀格局特征與尺度轉(zhuǎn)換之間的關(guān)系，為深入分析長(zhǎng)江上游重要生態(tài)屏障區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空異質(zhì)特征提供了有效的方法支撐。值得注意的是，不同景觀格局指數(shù)對(duì)尺度效應(yīng)的響應(yīng)規(guī)律存在差異，在識(shí)別轉(zhuǎn)折拐點(diǎn)和突變區(qū)間時(shí)會(huì)受到一定主觀因素影響；此外，半變異函數(shù)擬合結(jié)果也缺乏景觀格局指數(shù)變化方向效應(yīng)分析。在今后研究中，需要繼續(xù)加強(qiáng)有關(guān)景觀尺度-格局-過(guò)程分析框架的理論探索，綜合運(yùn)用地理學(xué)、生態(tài)學(xué)模型和方法提高景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的準(zhǔn)確性和全面性。

5 結(jié)論

基于2000、2009和2018年3期遙感影像數(shù)據(jù)，在確定景觀格局最佳粒度和幅度基礎(chǔ)上分析了江津區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空變化及主要風(fēng)險(xiǎn)來(lái)源，得出結(jié)論如下：

(1)江津區(qū)土地利用景觀格局具有明顯尺度依賴性，其最佳粒度和幅度分別為90 m和3 km。在最佳尺度下，各土地類(lèi)型景觀格局指數(shù)變化特征反映出在外界干擾下，區(qū)域景觀格局空間結(jié)構(gòu)及其變化趨勢(shì)受到一定程度影響。

(2)研究區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間差異明顯，各風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積均有所變化。2000—2018年，研究區(qū)中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積持續(xù)增加，逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位；低和較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積總體有所減小；高和較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積呈現(xiàn)先降低后升高的波動(dòng)式變化；研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)威脅程度整體有所上升。

(3)2000—2018年，研究區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)與自然環(huán)境變化和社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)關(guān)系密切。隨著人口規(guī)模擴(kuò)大和GDP迅速增長(zhǎng)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子作用強(qiáng)度整體呈不斷增強(qiáng)態(tài)勢(shì)，人類(lèi)活動(dòng)的強(qiáng)烈擾動(dòng)疊加于脆弱的自然基底之上，加劇了研究區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)狀況惡化。