基于格局-過程生態(tài)適應(yīng)性循環(huán)三維框架的自然景觀生態(tài)風(fēng)險評價——以黃土高原為例

景培清,張東海,艾澤民,郭 斌

西安科技大學(xué) 測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,西安 710054

自然生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定已經(jīng)成為人類社會發(fā)展的先決條件。近年來,由于人類社會的快速發(fā)展導(dǎo)致自然生態(tài)系統(tǒng)承受著直接或間接的壓力與脅迫,這些壓力與脅迫產(chǎn)生了諸多生態(tài)危害[1- 3]。十九大報告在論述生態(tài)文明建設(shè)的重要性時,提出“實行最嚴(yán)格的生態(tài)環(huán)境保護(hù)制度”[4]。科學(xué)地評估區(qū)域生態(tài)風(fēng)險,優(yōu)化自然生態(tài)系統(tǒng)安全格局成為科學(xué)開展生態(tài)環(huán)境保護(hù)的迫切需求。景觀生態(tài)風(fēng)險評估是區(qū)域生態(tài)風(fēng)險評估的重要方向,主要探討自然因素或人類活動干擾對生態(tài)環(huán)境與景觀格局交互作用造成的負(fù)面影響[5- 6]。自然景觀生態(tài)風(fēng)險評估需要將橫向的地理空間異質(zhì)性和縱向生態(tài)過程進(jìn)行耦合,通過景觀尺度上對格局與過程定量表征,有效描繪有多風(fēng)險源和風(fēng)險受體的自然生態(tài)系統(tǒng)對區(qū)域生態(tài)安全的維護(hù)作用[7]。

目前常見的景觀生態(tài)風(fēng)險評估主要側(cè)重于評價景觀鑲嵌體相對于最優(yōu)格局的偏離程度的生態(tài)風(fēng)險效應(yīng),也就是以土地利用/覆蓋變化為誘因的生態(tài)風(fēng)險評價[8- 10]。該方法主要包括兩種,一種是土地利用結(jié)構(gòu)綜合指數(shù)法[11- 12],該方法考慮評價單元內(nèi)各土地利用類型的面積比例及其類型的風(fēng)險系數(shù)(以經(jīng)驗性為主),一般以二者的乘積表征該類型的生態(tài)風(fēng)險,將各類土地類型的生態(tài)風(fēng)險之和為評價單元的生態(tài)風(fēng)險值(即加權(quán)求和)；另一種方法是景觀格局的風(fēng)險指數(shù)法[13- 15],該方法是在前者的基礎(chǔ)上,將經(jīng)驗性的景觀類型風(fēng)險系數(shù)改進(jìn)為各景觀類型景觀干擾度指數(shù)和景觀脆弱度指數(shù)乘積的平方根,然后進(jìn)行加權(quán)求和計算。盡管上述方法早期在學(xué)界得到較為廣泛應(yīng)用,但仍有一定的缺陷[8]:一是在理論上僅關(guān)注靜態(tài)景觀格局,忽略生態(tài)系統(tǒng)過程(如空間交互和時間動態(tài)),缺乏生態(tài)學(xué)含義[16]；二是在數(shù)據(jù)源上僅依賴于土地利用/覆蓋數(shù)據(jù),受單一數(shù)據(jù)的詳細(xì)程度影響會忽視各景觀類型內(nèi)部風(fēng)險分異且會低估生態(tài)風(fēng)險系數(shù),如黃土高原草地類型中干旱區(qū)荒漠草地生態(tài)風(fēng)險程度明顯高于半濕潤區(qū)草地,不能直接統(tǒng)一對待；三是在尺度上多以小范圍的規(guī)則格網(wǎng)為評價單元,會將本應(yīng)連通的景觀斑塊分離,降低景觀格局的優(yōu)化程度進(jìn)而高估景觀生態(tài)風(fēng)險[11]。因此,景觀生態(tài)風(fēng)險的評價有必要逐漸向多角度、多層次推進(jìn),從單一靜態(tài)格局到考慮時空動態(tài)變化,在指標(biāo)選擇上考慮本體暴露與外部干擾相結(jié)合的多要素評估,在尺度上打破區(qū)域界限考慮個體與區(qū)域整合關(guān)系[17- 18]。然而,相關(guān)研究多選擇在沿海地區(qū)、河流流域等人類活動劇烈的城市區(qū)域,對于森林、草原等生態(tài)脆弱且對全球變化具有極強(qiáng)響應(yīng)的自然地帶的景觀生態(tài)風(fēng)險評價仍有待繼續(xù)深入[19]。如前人基于“潛力—連通度—恢復(fù)力”三維框架對深圳市城市景觀生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行了評估[17],該方法集成社會—生態(tài)系統(tǒng)時空動態(tài)干擾與暴露指標(biāo)表征城市景觀生態(tài)風(fēng)險,為景觀生態(tài)風(fēng)險評估提供了重要的理論發(fā)展,但指標(biāo)體系中表征經(jīng)濟(jì)發(fā)展強(qiáng)度的夜間燈光強(qiáng)度及變化趨勢并不適合自然生態(tài)系統(tǒng),因此有關(guān)自然生態(tài)系統(tǒng)的景觀生態(tài)風(fēng)險評估亟待發(fā)展。

2019年習(xí)近平總書記指出黃河流域是我國的重要生態(tài)屏障,黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展是國家重要戰(zhàn)略需求,且社會各界愈加重視自然環(huán)境健康以及生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展,所以科學(xué)優(yōu)化評估黃土高原的自然景觀生態(tài)風(fēng)險就顯得尤為重要。隨著退耕還林工程的實施黃土高原的空間分布格局發(fā)生了巨大的改變[20- 21],自然恢復(fù)與人類干預(yù)作用強(qiáng)烈,以往的研究多將人類干擾作為負(fù)向影響,而黃土高原的植被恢復(fù)過程中人類促進(jìn)作用更為強(qiáng)烈,因此開展黃土高原自然景觀生態(tài)風(fēng)險評價具有較強(qiáng)的區(qū)域代表性。此外,黃土高原景觀生態(tài)風(fēng)險的相關(guān)研究還存在一定的不確定性,如劉迪等構(gòu)建“概率-損失”二維模型考慮到自然災(zāi)害和人為擾動等多重因素下的生態(tài)風(fēng)險指出2000—2015年陜西地區(qū)風(fēng)險逐漸升高[22],而傅微等以人類干預(yù)(退耕還林和城鎮(zhèn)化)角度分析認(rèn)為退耕還林逐年拓展的區(qū)域生態(tài)風(fēng)險趨于降低[23],因此亟待對黃土高原景觀生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行全面系統(tǒng)地評估。

鑒于此,本研究從景觀生態(tài)學(xué)的“格局-過程”出發(fā),結(jié)合生態(tài)適應(yīng)性循環(huán)三維框架,構(gòu)建適合自然生態(tài)系統(tǒng)的景觀生態(tài)風(fēng)險評價指標(biāo)體系,以黃土高原為例對退耕還林(草)工程實施以來2000年、2010年、2017年三個時間節(jié)點的自然景觀生態(tài)風(fēng)險制圖,探討其時空變化特征,并對現(xiàn)狀進(jìn)行多情景制圖探討其生態(tài)安全格局建設(shè)。評價結(jié)果可對黃河流域未來生態(tài)規(guī)劃和高質(zhì)量發(fā)展提供建議和參考。

1 數(shù)據(jù)及方法

1.1 研究區(qū)概況

黃土高原位于中國中北部(33°43′—41°16′N,100°54′—114°33′E),屬黃河流域中上游地區(qū),是地球上分布最集中且面積最大的黃土區(qū)。該地區(qū)屬溫帶大陸性氣候,由西北內(nèi)陸干旱氣候向暖溫帶濕潤季風(fēng)氣候過渡,年平均降雨量為200—800 mm,但降水量分布不均多集中在 6—9 月；多年平均溫度為3.6—14.3℃,氣溫和降雨均呈現(xiàn)從東南向西北遞減趨勢。黃土高原地形復(fù)雜,南部溝壑縱橫,水土流失嚴(yán)重,北部為風(fēng)沙地貌,總體生態(tài)環(huán)境脆弱,生態(tài)風(fēng)險高。受水熱條件和地形影響,黃土高原植被覆蓋由東南向西北依次為暖溫帶夏綠闊葉林、森林草原、干草原及中溫帶荒漠草原。近年來隨著生態(tài)工程大力實施,黃土高原植被恢復(fù)顯著,但同時也受到了強(qiáng)烈城市發(fā)展的侵?jǐn)_,生態(tài)風(fēng)險的增減尚無定論。

1.2 數(shù)據(jù)源

本研究涉及的數(shù)據(jù)主要包括數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM)、氣溫、降水、歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index,NDVI)和土地利用數(shù)據(jù)等。各數(shù)據(jù)具體特征和來源如表1所示。需要說明的是,盡管2017年的土地利用數(shù)據(jù)產(chǎn)品總體精度達(dá)到85%以上,但在局部地區(qū)還存一些問題,例如將起伏度較大的陰影區(qū)錯分為建設(shè)用地,荒漠草地認(rèn)定為沙漠,本研究對照Google earth和MODIS NDVI數(shù)據(jù)對2017年土地利用類型中的荒漠草地范圍進(jìn)行修正,并將錯分為建設(shè)用地的陰影區(qū)根據(jù)周邊臨近土地利用類型進(jìn)行合并,使得該數(shù)據(jù)與前三期的分類體系和分布基本保持一致,最終將土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、建設(shè)用地、水體和未利用地等六種類型。

表1 數(shù)據(jù)源

2 方法

2.1 自然景觀生態(tài)風(fēng)險評估框架和指標(biāo)體系

生態(tài)系統(tǒng)是在一定的時間和空間范圍內(nèi),生物群落與非生物環(huán)境通過能量流動和物質(zhì)循環(huán)所形成的一個相互影響、相互作用并具有自調(diào)節(jié)功能的自然整體。也就是說,在評估自然景觀生態(tài)風(fēng)險時,不僅要考慮靜態(tài)的空間格局,還需綜合考慮動態(tài)的生態(tài)過程[24- 25]。因此,本研究根據(jù)景觀生態(tài)學(xué)的理論體系將自然景觀生態(tài)風(fēng)險評估分為格局和過程兩個方面,也就是將地理學(xué)橫向空間異質(zhì)性與縱向生態(tài)過程嵌套起來。鑒于此,本研究參考城市景觀生態(tài)風(fēng)險評估的生態(tài)適應(yīng)性循環(huán)三維框架(即潛力-連通度-恢復(fù)力)[3,17],構(gòu)建適合自然景觀生態(tài)風(fēng)險評估框架和指標(biāo)體系,其中格局表示評價對象的空間分布狀態(tài)及其自身屬性和功能(即潛力),而過程包括景觀單元在空間鄰域上的交互影響(即連通度)和時間上的自身動態(tài)持續(xù)變化趨勢(即恢復(fù)力)兩個方面。此外,為了區(qū)分風(fēng)險評估中景觀的自身屬性特征和外界環(huán)境對景觀的干擾,進(jìn)一步將各準(zhǔn)則中的指標(biāo)又劃分為暴露和干擾兩類。具體涉及的指標(biāo)如下(表2):①格局方面,生態(tài)風(fēng)險的暴露對應(yīng)于景觀單元的地形、土地利用方式和植被覆蓋度等要素；而外界干擾主要包括限制植被正常生長的必要條件水熱狀況和反映黃土高原主要自然災(zāi)害水土流失的降水侵蝕力；②過程的連通度方面,生態(tài)風(fēng)險的暴露主要考慮景觀類型的分離度和斑塊的連通性,前者反應(yīng)景觀受到特定干擾時系統(tǒng)崩潰的概率,景觀類型聚集系統(tǒng)崩潰的概率越小,后者表征斑塊的穩(wěn)定性或抵御風(fēng)險的能力[26]；外界干擾則考慮城市開發(fā)對周邊的干擾(建設(shè)用地距離)和景觀單元空間鄰域交互作用的影響(景觀生態(tài)鄰接系數(shù))；③過程的恢復(fù)力方面,生態(tài)風(fēng)險暴露主要考慮植被自身變化過程(植被指數(shù)變化趨勢),表征其抗干擾能力；外界干擾則考慮土地利用類型流轉(zhuǎn),表征景觀單元自身功能的變化。各指標(biāo)權(quán)重基于層次分析法來確定,本研究基于專家的重要程度打分基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化確定最終各指標(biāo)間的重要程度,并基于AHP軟件計算各指標(biāo)權(quán)重,且通過一致性檢驗。各評價指標(biāo)的具體計算方式如表3所示。

表2 基于“格局-過程”的自然景觀生態(tài)風(fēng)險評價指標(biāo)體系

需要說明的是,在進(jìn)行植被覆蓋度提取時以非植被區(qū)域(包括建設(shè)用地和未利用地)NDVI的5%累計概率值作為土壤背景值,以各植被類型的NDVI的95%累計概率值作為其NDVI最大值；考慮到土地利用數(shù)據(jù)中非植被區(qū)域也存在植被覆蓋(如土地利用數(shù)據(jù)中整個建成區(qū)均定義為建設(shè)用地但實際有些區(qū)域是綠化地),此處以耕地的NDVI最大值作為建設(shè)用地和未利用地的NDVI最大值來計算植被覆蓋度；將水體的植被覆蓋度直接賦值為0。在進(jìn)行蔓延度指數(shù)計算時,其值在斑塊邊緣具有較高的得分,但斑塊內(nèi)部均質(zhì)區(qū)域得分則為零,考慮到不同土地利用類型的抗干擾能力,此處利用土地利用類型進(jìn)行零值區(qū)域重新賦值,具體參見表3中的土地利用類型的風(fēng)險賦值。在計算植被覆蓋度時,對于NDVI顯著性增加區(qū)域風(fēng)險認(rèn)為植被恢復(fù)狀態(tài)好預(yù)期的暴露明顯降低,則將其生態(tài)風(fēng)險賦值為0,對于NDVI顯著下降區(qū)域認(rèn)為潛在風(fēng)險增大,賦值為1。對于植被非顯著增加區(qū)域,將其趨勢反向歸一化到[0,0.5],對于植被非顯著退化區(qū)域,將趨勢的絕對值歸一化到[0.5,1]。

表3 各評價指標(biāo)的計算方法

表4 景觀生態(tài)風(fēng)險鄰接系數(shù)矩陣

2.2 基于OWA方法的自然景觀生態(tài)風(fēng)險情景設(shè)置

為了進(jìn)一步增加自然景觀生態(tài)風(fēng)險評估的在決策中的偏好和可操作性,本研究基于OWA 算法中次序權(quán)重計算黃土高原自然景觀生態(tài)風(fēng)險,實現(xiàn)多種決策風(fēng)險情況下的生態(tài)風(fēng)險評價,為生態(tài)安全空間優(yōu)化決策提供更全面的策略。其情景評估思路是,首先對所有已經(jīng)乘以AHP權(quán)重的指標(biāo)進(jìn)行重排序,同一位置上的像元12個指標(biāo)值計算結(jié)果從大到小重新排序；然后,利用OWA算子計算12個指標(biāo)在不同情景下的位序權(quán)重；再利用重排序的指標(biāo)與對應(yīng)的位序權(quán)重相乘求和得到不同情境下黃土高原的景觀生態(tài)風(fēng)險。目前常用的OWA位序權(quán)重的方法為Yager所定義的算子[31- 32],公式如下:

(1)

式中,j為位序,Wj為位序權(quán)重,n為指標(biāo)數(shù)量。r為自變量,α為表征情景的冪指數(shù)。其中,α<1表示越重要的因子權(quán)重越大,位序越高其權(quán)重因子越大,即研究者持悲觀狀態(tài),說明景觀生態(tài)風(fēng)險趨于增大；α>1時表示位序越低權(quán)重因子越大,即研究者持樂觀狀態(tài),指景觀生態(tài)風(fēng)險趨于降低；α=1表示無偏好。

3 結(jié)果分析

3.1 黃土高原風(fēng)險時空分布特征

2000年、2010年和2017年黃土高原自然景觀生態(tài)風(fēng)險分布如圖1所示,三期景觀生態(tài)風(fēng)險總體分布特征較為相似,由高到低依次為城市和沙漠景觀、中部丘陵溝壑區(qū)草地景觀、西北荒漠草地景觀和東南部農(nóng)田景觀、東南部高山林地景觀,具有明顯空間分異。就2017年而言,高風(fēng)險地區(qū)(風(fēng)險>0.6)主要分布在西北部沙漠地區(qū),東南部零散分布的城市建成區(qū)也處于高風(fēng)險地區(qū),如西安市、洛陽市等,面積分布相對較少僅占全區(qū)的3.32%(表5)；中風(fēng)險地區(qū)(風(fēng)險0.4—0.6)面積相對較大,占全區(qū)的32.40%,主要分布在黃土高原中部丘陵溝壑區(qū),如甘肅天水、平?jīng)鍪幸约皩幭墓淘械?其中相對而言西南部生態(tài)風(fēng)險稍高；全區(qū)63.80%的區(qū)域處于較低風(fēng)險(風(fēng)險0.2—0.4)狀態(tài),主要分布于黃土高原東部和南部的平原區(qū)(河谷平原區(qū))及西北部荒漠草原平地區(qū)(鄂爾多斯烏審旗和鄂托克旗東部)；低風(fēng)險區(qū)(風(fēng)險<0.2)面積最少,僅占全區(qū)的0.48%,主要位于東部和南部的高山林地,如秦嶺北麓地區(qū)以及呂梁山和太行山。

圖1 黃土高原景觀生態(tài)風(fēng)險分布Fig.1 Landscape ecological risk distribution on the Loess Plateau

從時間變化上來看,在退耕還林(草)等生態(tài)工程實施初期(即2000年)黃土高原景觀生態(tài)風(fēng)險總體偏高,平均值為0.410,生態(tài)工程實施后10年(2010年)黃土高原景觀生態(tài)風(fēng)險降低明顯,平均值為0.392,但2017年總體平均水平下降不明顯為0.385(表5)。其原因是,2000—2010年,黃土高原中部丘陵溝壑區(qū)的中風(fēng)險區(qū)大面積轉(zhuǎn)化為較低風(fēng)險區(qū),同時內(nèi)蒙古南部部分荒漠草地的景觀生態(tài)風(fēng)險也有所降低,總體上低風(fēng)險區(qū)(即風(fēng)險<0.4)增加面積占全區(qū)的13.08%；而高風(fēng)險區(qū)(風(fēng)險>0.6)因東南部城市化發(fā)展有所增加,但增加面積占全區(qū)的1.36%。盡管2010—2017年景觀生態(tài)風(fēng)險平均水平未發(fā)生明顯變化,但空間上仍具有一定差異,主要表現(xiàn)為東南部城市化持續(xù)發(fā)展增加的高風(fēng)險面積多于西北部生態(tài)恢復(fù)降促進(jìn)高風(fēng)險降低的面積,總體上高風(fēng)險仍在增加,增加面積占總面積的0.07%；在半干旱黃土丘陵溝壑區(qū)西部寧夏與甘肅交界的生態(tài)風(fēng)險明顯降低,但在其丘陵溝壑區(qū)東部(如陜西省榆林市南部)生態(tài)風(fēng)險有所增加；此外值得注意的關(guān)中的渭北旱塬區(qū)(陜西省寶雞市、咸陽市等)的生態(tài)風(fēng)險也有所升高?？傮w而言,近十幾年間,自然景觀單元(林地和草地)受人類活動促進(jìn)生態(tài)風(fēng)險持續(xù)降低,而人工景觀(耕地和建成區(qū))受人類活動干擾生態(tài)風(fēng)險升高明顯。

表5 黃土高原景觀生態(tài)分級占比/%

3.2 指標(biāo)年際變化對黃土高原景觀生態(tài)風(fēng)險的影響

黃土高原景觀生態(tài)風(fēng)險各指標(biāo)變化情況如圖2所示,其中年總降水量、建設(shè)用地距離、蔓延度指數(shù)和覆蓋度指數(shù)的平均值相對較大,說明這幾個指標(biāo)對綜合風(fēng)險值貢獻(xiàn)大,需要重點關(guān)注。從三期變化趨勢來看,除建設(shè)用地距離、植被覆蓋變化趨勢和降雨侵蝕力等三個指標(biāo)外,其余指標(biāo)均呈現(xiàn)下降趨勢,尤其是植被覆蓋度在生態(tài)工程實施后風(fēng)險值下降明顯,說明近十幾年間黃土高原水熱條件優(yōu)越,植被恢復(fù)顯著,生態(tài)風(fēng)險總體趨于降低。值得注意的是,建設(shè)用地貢獻(xiàn)率較高,且呈現(xiàn)增長趨勢,城市發(fā)展對其周邊景觀生態(tài)風(fēng)險的影響更為強(qiáng)烈；植被變化趨勢在近10年內(nèi)風(fēng)險有所上升,說明該階段植被恢復(fù)處于穩(wěn)定期,與2000—2010年間相比并不顯著,其生態(tài)恢復(fù)潛力不足；此外隨著集中性降雨的增多,近年來黃土高原降雨侵蝕力風(fēng)險明顯增大,對于丘陵溝壑區(qū)來說該影響不容忽視。

圖2 黃土高原景觀生態(tài)風(fēng)險各指標(biāo)平均值Fig.2 Average values of landscape ecological risks in the Loess Plateau

3.3 多情景風(fēng)險制圖與分級

設(shè)置從悲觀到樂觀的情景對指標(biāo)進(jìn)行OWA評價,不同情景的景觀生態(tài)風(fēng)險結(jié)果如圖3所示。對比發(fā)現(xiàn),強(qiáng)悲觀情景(α=0.2)下,整個研究區(qū)內(nèi)絕大部分區(qū)域處于高風(fēng)險區(qū)域,只有秦嶺北麓地區(qū)、延安市黃陵縣和黃龍縣、呂梁山和太行山地區(qū)等高山林地處于較高風(fēng)險區(qū)域；較強(qiáng)悲觀情景(α=0.4)下,西北部河套平原均為大面積高風(fēng)險區(qū),中部丘陵溝壑區(qū)也存在大面積高風(fēng)險區(qū),但格局較為破碎；中等悲觀情景(α=0.6)下,上述高風(fēng)險區(qū)范圍進(jìn)一步縮小,但問題仍然較為嚴(yán)重；弱悲觀情景(α=0.8)下,高風(fēng)險區(qū)與正常情景下一致,主要為城市建成區(qū)和沙漠區(qū)。弱樂觀情景下(α=1.2)高風(fēng)險區(qū)為城市建成區(qū),其中以北部城市風(fēng)險相對較為突出,而沙漠地區(qū)已降低為中等風(fēng)險,其他地區(qū)均為較低或者低風(fēng)險區(qū)；中等樂觀情景(α=1.6)也是城市建成區(qū)和沙漠區(qū)風(fēng)險為中等；較強(qiáng)(α=2.5)和強(qiáng)樂觀(α=5.0)情景下全區(qū)風(fēng)險值較低。以上情景對景觀生態(tài)風(fēng)險評估具有較好的預(yù)警效果。

圖3 2017年黃土高原不同情景下景觀風(fēng)險制圖Fig.3 Landscape risk mapping under different scenarios of the Loess Plateau in 2017

基于以上分析,中等悲觀情景(α=0.6)和中等樂觀情景(α=1.6)圖層不僅數(shù)據(jù)分離度較好,且能夠很好地反映風(fēng)險預(yù)警,因此本研究以中等悲觀情景為風(fēng)險惡化潛力,以中等樂觀情景為風(fēng)險控制潛力,進(jìn)行空間疊置分析,設(shè)定當(dāng)同一個像元控制潛力低于惡化潛力兩個等級時則認(rèn)為該像元生態(tài)風(fēng)險惡化在樂觀情景下易控制。結(jié)果如圖4所示,惡化潛力風(fēng)險>0.6的面積占全區(qū)的21.19%,主要分布在城市建成區(qū)(如陜西西安市、河南洛陽市等)和西北部的沙漠(內(nèi)蒙古鄂爾多斯市西北部)大面積連續(xù)分布,同時中部丘陵溝壑區(qū)也存在大范圍不連續(xù)分布,其中難控制的面積相對較少,主要為北部城市建成區(qū)和杭錦旗烏海市的沙漠地區(qū),面積僅占全區(qū)的2.38%,其余地區(qū)其惡化潛力風(fēng)險均屬于易控制性。惡化潛力風(fēng)險0.5—0.6的面積最大,占全區(qū)的42.88%,但基本均屬于易控性,其中在西部大面積連續(xù)分布,即西南部溝壑區(qū)包括甘肅中部等和西北部平原區(qū)包括寧夏中南部、河套平原,但在西北部平原區(qū)相對更多,其余皆分布在惡化潛力風(fēng)險>0.6區(qū)域的外圍且成破碎形態(tài),以東部平原和中部丘陵區(qū)為主(如陜北榆林地區(qū))。惡化潛力風(fēng)險0.4—0.5的面積占全區(qū)面積的31.96%,主要在西北部荒漠草地區(qū)大面積連續(xù)分布,在東南部高山林地外圍也有部分,且絕大部分屬于易控制性,僅1.57%的面積處于難控性,基本均位于中部丘陵溝壑區(qū),且為碎小斑塊。惡化潛力風(fēng)險<0.4的面積占全區(qū)面積僅為3.97%,且基本均屬于易控制性,在空間上均為高山林地,在正常情景下均處于低風(fēng)險區(qū)。

圖4 黃土高原景觀生態(tài)風(fēng)險潛力分區(qū)Fig.4 Landscape ecological risk potential zoning on the Loess Plateau

4 討論

4.1 綜合格局-過程的生態(tài)適應(yīng)性循環(huán)三維框架有利于景觀生態(tài)風(fēng)險評價

相較于傳統(tǒng)僅依賴于土地利用數(shù)據(jù)的土地利用結(jié)構(gòu)綜合指數(shù)法和景觀格局的風(fēng)險指數(shù)法,本研究基于綜合格局-過程的生態(tài)適應(yīng)性循環(huán)三維框架(即潛力-連通度-恢復(fù)力),構(gòu)建適合自然景觀生態(tài)風(fēng)險評估框架和指標(biāo)體系,該方法不僅考慮了評價對象的空間分布狀態(tài)及其自身屬性和功能,而且還包括了景觀單元在空間鄰域上的交互影響和時間上的自身動態(tài)持續(xù)變化趨勢,更為全面和系統(tǒng)地反應(yīng)景觀的格局和過程,符合景觀生態(tài)系統(tǒng)的本質(zhì)。另外,本研究還基于傳統(tǒng)的景觀格局風(fēng)險指數(shù)法對研究區(qū)進(jìn)行了評估,該方法采用干擾度和脆弱度的乘積獲得,其中干擾度是由景觀破碎度、景觀分離度和景觀優(yōu)勢度的加權(quán)求和獲取,脆弱度則依據(jù)土地利用類型進(jìn)行經(jīng)驗賦值[33]。其評價結(jié)果如圖5所示,可以看出僅在沙漠區(qū)表現(xiàn)為高風(fēng)險,且北部荒漠草地與南部的溝壑區(qū)的草地的風(fēng)險基本無差異,在制定對策時難以采用具有針對性的措施,而綜合格局-過程的生態(tài)適應(yīng)性循環(huán)三維框架更有利于景觀生態(tài)風(fēng)險評價,研究結(jié)果更能體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的暴露和干擾,生態(tài)風(fēng)險評價圖不僅顯示土地沙漠化的高風(fēng)險區(qū)域,同時凸顯了城市發(fā)展和水土流失等黃土高原等多個重點生態(tài)問題。

圖5 基于景觀格局的風(fēng)險指數(shù)法的黃土高原景觀生態(tài)風(fēng)險Fig.5 Landscape ecological risks of the Loess Plateau based on the risk index method of landscape pattern

另外,本研究在參考前人城市景觀生態(tài)風(fēng)險評估指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上,針對自然生態(tài)系統(tǒng)和黃土高原的生態(tài)風(fēng)險脅迫特點對其指標(biāo)體系進(jìn)行了改進(jìn)。例如,本研究聚焦于自然生態(tài)系統(tǒng),因此剔除了反應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r的夜間燈光強(qiáng)度及其變化趨勢,根據(jù)黃土高原干旱半干旱的特性在潛力的干擾層中增加了水分限制要素年總降水量,同時考慮到土地開發(fā)利用對景觀生態(tài)風(fēng)險的影響,在恢復(fù)力的干擾層中增加了土地利用類型轉(zhuǎn)化系數(shù)。這里需要說明的是,由于景觀連通度計算復(fù)雜且效率較低,一般適合于小區(qū)域(比如城市建成區(qū))的計算,在大區(qū)域的黃土高原難以獲得相應(yīng)的計算結(jié)果,因此本研究采用同樣表征與鄰域連通的蔓延度進(jìn)行替換,并進(jìn)行改進(jìn)(見2.1)；同時,多樣性指數(shù)與景觀分離度具有較強(qiáng)的相關(guān)性,本研究為了繼承傳統(tǒng)的基于景觀格局的風(fēng)險指數(shù)法,選用了景觀分離度替換多樣性指數(shù)。

4.2 受城市發(fā)展影響趨于降低的黃土高原景觀生態(tài)風(fēng)險潛力不足

本研究發(fā)現(xiàn)2000—2017年間黃土高原景觀生態(tài)風(fēng)險總體趨于降低,平均值由0.410降低到0.385,但2010年景觀生態(tài)風(fēng)險已經(jīng)降低到0.392,近7年間景觀生態(tài)風(fēng)險降低潛力明顯。景觀生態(tài)風(fēng)險總體降低生態(tài)工程實施功不可沒,林地和草地等自然單元面積不斷擴(kuò)大,沙漠化問題退化,景觀連通性變好,且植被覆蓋度一直在提升,其景觀生態(tài)風(fēng)險總體降低。但是黃土高原同時受到城市擴(kuò)展影響較強(qiáng),在城市建成區(qū)及其周邊農(nóng)田生態(tài)風(fēng)險不斷擴(kuò)大,是黃土高原景觀生態(tài)風(fēng)險局部升高的主要原因。這里需要說明的是,傳統(tǒng)的基于景觀格局的風(fēng)險指數(shù)法認(rèn)為建設(shè)用地為城市生態(tài)系統(tǒng),其穩(wěn)定性強(qiáng)于自然生態(tài)系統(tǒng),故賦值最低。然而城市生態(tài)系統(tǒng)依賴于外部物質(zhì)的流入才能維持其強(qiáng)穩(wěn)定性,一旦切斷外部供給則其生態(tài)系統(tǒng)就會崩潰；同時城市生態(tài)的系統(tǒng)發(fā)展比較快,外部的土地和物質(zhì)補(bǔ)給量大,對其周邊會產(chǎn)生強(qiáng)脅迫,因此本研究與劉焱序等[7]均認(rèn)為建設(shè)用地風(fēng)險最高,所以黃土高原城市發(fā)展是其生態(tài)風(fēng)險的主要干擾源。其次,植被恢復(fù)力降低也是景觀生態(tài)風(fēng)降低潛力不足的原因之一,生態(tài)工程實施前十年黃土高原變綠顯著,但近期基本成型多呈現(xiàn)波動性變化,植被恢復(fù)并沒有前期顯著,Zhao等[20]和Liu等[21]也到相似的結(jié)果。此外,本研究發(fā)現(xiàn)近年來極端降水的增多,該結(jié)果與李雙雙等[34]成果一致,極端降水的增多會增強(qiáng)丘陵溝壑區(qū)的土壤侵蝕的風(fēng)險,也是阻礙生態(tài)風(fēng)險降低的因素之一。

4.3 生態(tài)風(fēng)險防范建議

根據(jù)本研究2017年景觀生態(tài)風(fēng)險評估及多情景風(fēng)險制圖結(jié)果,可以提出針對性的管理舉措建議。

(1)高風(fēng)險區(qū):城市建成區(qū)及其周邊屬于高風(fēng)險且大部分屬于難控制區(qū),尤其是北部外部條件惡劣的城市其景觀生態(tài)風(fēng)險極高,建議加強(qiáng)內(nèi)部土地集約高效利用,合理配置城市內(nèi)部綠地建設(shè),對于北部環(huán)境惡劣的小城鎮(zhèn)建議限制發(fā)展,促進(jìn)大城市集中化發(fā)展,減少多源干擾。西北地區(qū)沙漠區(qū)屬于高風(fēng)險潛力易控制區(qū),建議在自然條件允許的情況下可開展生態(tài)工程,以較低成本防止惡化為目標(biāo)。

(2)中風(fēng)險區(qū):中部黃土丘陵溝壑區(qū)屬于高風(fēng)險潛力易控制區(qū),水土流失是該地區(qū)的主要問題,近年來生態(tài)工程成效顯著,建議繼續(xù)開展生態(tài)工程對現(xiàn)有成果進(jìn)行鞏固,對于局部高風(fēng)險區(qū)優(yōu)先進(jìn)行針對性保護(hù)。

(3)較低風(fēng)險區(qū):平原農(nóng)耕區(qū)也屬于高風(fēng)險潛力易控制區(qū),城市發(fā)展是其主要潛力影響,建議嚴(yán)格落實土地占補(bǔ)平衡政策,提高農(nóng)田質(zhì)量,整治撂荒土地；西北部荒漠草地區(qū)屬于中風(fēng)險易控制區(qū),該地區(qū)早期沙漠化問題明顯,近年來生態(tài)恢復(fù)顯著,但總體偏干旱植被以荒漠草地為主,建議在自然條件允許下繼續(xù)保持和改善。

(4)低風(fēng)險:高山林地屬于中風(fēng)險潛力易控制區(qū),建議繼續(xù)保持提高保護(hù)等級。

5 結(jié)論

本研究綜合“格局-過程”的生態(tài)適應(yīng)性循環(huán)三維框架,構(gòu)建適合自然生態(tài)系統(tǒng)的景觀生態(tài)風(fēng)險評價指標(biāo)體系,對黃土高原2000年、2010年、2017年的自然景觀生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行評估,分析其時空變化特征并對現(xiàn)狀進(jìn)行多情景制圖。主要得到以下結(jié)論:

(1)黃土高原景觀生態(tài)風(fēng)險空間分布,由高到低依次為城市和沙漠景觀、中部丘陵溝壑區(qū)草地景觀、西北荒漠草地景觀和東南部農(nóng)田景觀、東南部高山林地景觀,具有明顯空間分異。

(2)隨著生態(tài)工程實施以來,黃土高原景觀生態(tài)風(fēng)險總體呈現(xiàn)下降趨勢,平均值由0.410降低到0.385,但2010—2017年下降不明顯,生態(tài)工程持續(xù)實施 對景觀生態(tài)風(fēng)險持續(xù)下降作用變?nèi)酢＿@是因為盡管自然景觀單元(林地和草地)受生態(tài)工程促進(jìn)生態(tài)風(fēng)險持續(xù)降低,而人工景觀(耕地和建成區(qū))受人類活動脅迫生態(tài)風(fēng)險升高明顯,其中城市發(fā)展是風(fēng)險增強(qiáng)的主要原因,此外植被恢復(fù)力不足和降水侵蝕力增強(qiáng)也會促使風(fēng)險升高。

(3)通過模擬不同情景探討黃土高原安全格局建設(shè),建議在高風(fēng)險的城市建成區(qū)加強(qiáng)內(nèi)部土地集約高效利用,限制北部環(huán)境惡劣的小城鎮(zhèn)發(fā)展；西北地區(qū)沙漠區(qū)屬于高風(fēng)險易控制區(qū),建議在自然條件允許的情況下以較低成本防止惡化為主；中部黃土丘陵溝壑區(qū)屬于高風(fēng)險潛力易控制區(qū),建議繼續(xù)開展生態(tài)工程,且對于局部高風(fēng)險區(qū)優(yōu)先進(jìn)行保護(hù)；平原農(nóng)耕區(qū)建議嚴(yán)格落實土地占補(bǔ)平衡政策,提高農(nóng)田質(zhì)量；西北部荒漠草地區(qū)建議在自然條件允許下繼續(xù)保持和改善；高山林地屬于中風(fēng)險潛力易控制區(qū),建議繼續(xù)保持提高保護(hù)等級。