基于景觀格局的祁連山國家公園景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

于航, 劉學(xué)錄,*, 趙天明, 張夢(mèng)瑩, 年麗麗, 李曉丹

基于景觀格局的祁連山國家公園景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

于航1, 劉學(xué)錄1,*, 趙天明1, 張夢(mèng)瑩1, 年麗麗1, 李曉丹2

1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院, 蘭州 730070 2. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)管理學(xué)院, 蘭州 730070

為探析祁連山國家公園景觀格局演變對(duì)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的影響及為科學(xué)管理祁連山國家公園提供理論依據(jù), 便于合理的保護(hù)和發(fā)展生態(tài)系統(tǒng)。以祁連山國家公園2000—2018年Landsat遙感影像解譯數(shù)據(jù)為基礎(chǔ), 利用GIS空間分析技術(shù)和Fragstats4軟件計(jì)算景觀格局指數(shù), 對(duì)研究區(qū)的景觀結(jié)構(gòu)的組成及其轉(zhuǎn)化進(jìn)行了分析, 在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù), 并通過空間自相關(guān)性分析了景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化。結(jié)果表明: (1)從整個(gè)景觀來看, 景觀破碎化程度相對(duì)較低, 其中, 森林景觀破碎度顯著增加, 水域破碎度和分離度最高, 不同景觀類型干擾度特征差異較大。(2)研究區(qū)的區(qū)域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積中, 以低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)為主導(dǎo), 高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積占比均較小, 但增長幅度較其他風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)區(qū)高, 較低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積總體呈下降趨勢(shì)。(3)各時(shí)期景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)度的Moran’s I值分別為0.633, 0.526, 0.547, 表現(xiàn)出空間正相關(guān)性,空間上趨于聚集。人類活動(dòng)干擾是導(dǎo)致該區(qū)域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)升高的主要原因。

景觀格局; 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn); 祁連山國家公園

0 前言

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)的重要組成部分, 是對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的補(bǔ)充和拓展, 它主要強(qiáng)調(diào)對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境可能面臨的各種大規(guī)模災(zāi)害的可能影響進(jìn)行綜合分析, 對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的提高和發(fā)展具有指導(dǎo)意義[1–3]。區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)是多種因素相互作用的結(jié)果, 大致可分為自然因素和人為因素, 其特點(diǎn)是影響范圍較大、作用時(shí)間及其產(chǎn)生的后果很難預(yù)測(cè)[4]。景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估不同于傳統(tǒng)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法, 依托于景觀生態(tài)學(xué)中生態(tài)過程與空間格局的耦合關(guān)聯(lián)視角, 更加關(guān)注生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)空異質(zhì)性和尺度效應(yīng)可能帶來的不利后果, 是區(qū)域尺度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的一個(gè)重要分支領(lǐng)域[5]。景觀格局是景觀生態(tài)學(xué)總的核心內(nèi)容和熱點(diǎn)區(qū)域。Forma在景觀與區(qū)域生態(tài)學(xué)中首次提出“斑塊—廊道—基質(zhì)”, 推動(dòng)了景觀格局的進(jìn)程[6]。景觀既是自然社會(huì)資源, 又是人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)開發(fā)的對(duì)象, 人類經(jīng)濟(jì)開發(fā)活動(dòng)主要是在景觀層次上進(jìn)行[7]。對(duì)景觀格局的研究可以揭示空間變異特征及區(qū)域生態(tài)狀況的有效手段, 其沿著某一方向的相互反饋?zhàn)兓陬A(yù)測(cè)某些生態(tài)過程中起著重要作用[8]。

祁連山國家公園是我國重要的生態(tài)功能區(qū), 是西北地區(qū)重要的生態(tài)安全屏障和水源保護(hù)區(qū)。近些年, 由于氣候變化和人類活動(dòng)的干擾, 環(huán)境惡化問題嚴(yán)重, 引起了廣泛關(guān)注。關(guān)于祁連山地區(qū)的研究主要從區(qū)域景觀格局和流域景觀方面展開的。湯萃文(2009)等[9]基于GIS, 通過選擇合適的景觀格局指數(shù), 分析祁連山南坡植被景觀格局的基本特征, 并進(jìn)行破碎化評(píng)價(jià);魏曉旭(2016)等[10]利用三期遙感影像, 結(jié)合相關(guān)氣象數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù), 對(duì)石羊河流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)空變化做了分析研究;趙培強(qiáng)(2018)等[11]以祁連山生物多樣性保護(hù)重點(diǎn)區(qū)域甘肅地區(qū)為研究區(qū), 利用GIS技術(shù), 分析了生態(tài)景觀格局和景觀特征的動(dòng)態(tài)變化;徐亞男(2019)等[12]利用3S技術(shù), 分析了祁連山東段2000—2016年的景觀動(dòng)態(tài)變化和生態(tài)敏感性的關(guān)系, 且研究成果對(duì)于區(qū)域景觀的維護(hù)和可持續(xù)發(fā)展來說具有積極意義。

目前, 國內(nèi)對(duì)該地區(qū)景觀格局變化及其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的研究較少, 在景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)空演變這方面尤甚[13]。隨著祁連山國家公園管理體制的創(chuàng)新, 宏觀層面的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)研究的迫切性日益明顯。本文基于祁連山國家公園2000—2018年各景觀破碎度和干擾度等景觀格局指數(shù), 結(jié)合景觀生態(tài)學(xué)原理與空間統(tǒng)計(jì)學(xué)分析, 構(gòu)建祁連山國家公園的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù), 對(duì)祁連山國家公園進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析, 揭示生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)空變化規(guī)律, 以期為其管理與協(xié)調(diào)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

祁連山國家公園地處青藏高原東北部邊緣, 總面積為50506.03 km2, 由西北至東南一系列山脈、峽谷和山間盆地組成。平均海拔為4000 m以上, 大多數(shù)山地和河流上游發(fā)育有冰緣地貌。屬高原大陸性氣候, 太陽輻射強(qiáng), 日夜溫差較大, 干濕分明, 氣溫和降水垂直變化明顯, 雨熱同季。2017年9月, 中共中央辦公廳國務(wù)院辦公廳印發(fā)了《祁連山國家公園體制試點(diǎn)方案》批準(zhǔn)為祁連山國家公園。是中國首批設(shè)立的10個(gè)國家公園體制試點(diǎn)之一, 公園保護(hù)對(duì)象涵蓋森林、草原、冰川、荒漠等生態(tài)系統(tǒng)。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

選用2000年、2010年和2018年共3個(gè)時(shí)期祁連山國家公園Landsat遙感影像數(shù)據(jù)(分辨率為30 m)。并結(jié)合相關(guān)資料分析, 在ENVI 5.1軟件的支持下, 對(duì)圖像進(jìn)行校正及配準(zhǔn)等預(yù)處理。采用監(jiān)督分類和目視解譯結(jié)合的方法進(jìn)行解譯。依據(jù)一些學(xué)者[14–16]的分類結(jié)果及研究區(qū)的實(shí)際情況, 將研究區(qū)劃分為森林、草地、水域、灌木、冰雪、裸地6類景觀要素。進(jìn)行監(jiān)督分類時(shí), 結(jié)合Google Earth和野外采樣點(diǎn)實(shí)地考察，并對(duì)解譯結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證, 結(jié)果顯示各解譯類型Kappa系數(shù)均介于0.8— 0.95, 解譯精度符合研究需要。研究區(qū)矢量邊界范圍、影像校正參考數(shù)據(jù)來源于甘肅省自然資源規(guī)劃研究院。

2.2 研究方法

2.2.1 景觀結(jié)構(gòu)變化及景觀格局指數(shù)計(jì)算

為了探究不同景觀類型之間的轉(zhuǎn)化情況, 利用GIS10.5空間分析模塊工具計(jì)算研究區(qū)2000—2018年各景觀類型的馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣[17], 有助于探討類型轉(zhuǎn)換的相互關(guān)系。景觀指數(shù)可用于定量描述和監(jiān)測(cè)景觀結(jié)構(gòu)特征隨時(shí)間的變化, 方法是將復(fù)雜的景觀高度濃縮成簡單且易于識(shí)別的景觀格局信息, 并反映其結(jié)構(gòu)組成和空間配置等[18]。通過景觀格局分析軟件Fragstats4得出相關(guān)的景觀指數(shù)。

2.2.2 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)劃分

為了讓景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)空間化, 采用覆蓋所有研究區(qū)域的網(wǎng)格來進(jìn)行系統(tǒng)采樣。景觀生態(tài)學(xué)研究認(rèn)為, 要全面反映采樣點(diǎn)周圍的景觀格局信息, 風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)的面積必須達(dá)到平均斑塊面積的2—5倍。研究區(qū)邊緣切破的不規(guī)整地塊, 面積大于0.5個(gè)規(guī)整樣區(qū)的單獨(dú)作為一個(gè)樣區(qū), 面積小于0.5個(gè)規(guī)整樣區(qū)并入相鄰樣區(qū)[19]。因此, 風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)的劃分是根據(jù)景觀斑塊的平均面積大小將其劃分為10 km×10 km的風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)采樣方格, 采樣方式為等間距系統(tǒng)采樣法, 共劃分風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)702個(gè), 以此作為生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)采集的樣本。通過景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型, 對(duì)每一評(píng)價(jià)單元樣區(qū)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)進(jìn)行計(jì)算, 讓其作為空間插值分析的樣本。研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)樣區(qū)劃分如圖1所示。

2.2.3 景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)模型的構(gòu)建

景觀損失度是指受自然和人為因素干擾時(shí), 不同景觀類型所代表的生態(tài)系統(tǒng)自然屬性的損失程度。通過公式(表1)計(jì)算, 將不同指數(shù)疊加, 利用景觀干擾度、景觀脆弱度, 構(gòu)建景觀損失度指數(shù)(R):

式中:R為景觀損失度指數(shù),E為景觀干擾度指數(shù),V為脆弱度指數(shù), 在借鑒他人研究成果[4,20]的基礎(chǔ)上并結(jié)合研究區(qū)的特點(diǎn), 采用專家打分法, 將景觀類型的脆弱性分為6級(jí): 冰雪為6, 水域?yàn)?, 草地為4, 灌木為3, 林地為2, 裸地為1。歸一化后, 得到各景觀類型的脆弱度指數(shù)V的權(quán)重。景觀干擾度的計(jì)算公式及各參數(shù)的意義見表1。

通過景觀干擾度指數(shù)和景觀脆弱度指數(shù)來建立景觀損失度指數(shù), 在此基礎(chǔ)上, 構(gòu)建景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)[21]():

式中:R為景觀損失度指數(shù),A表示第個(gè)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)中景觀類型的面積,A是第個(gè)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)的總面積,為景觀類型。ERI為風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù), 該值越大表示生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度越高, 反之, 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度越低。

2.2.4 空間自相關(guān)分析

空間自相關(guān)分析通過描述某一要素的屬性值與其在空間上相鄰的各要素屬性值之間是否存在顯著相關(guān)性, 來揭示空間參考單元和相鄰單元在屬性特征值方面的空間相關(guān)特征。分為兩種指標(biāo): 全局Moran's I指數(shù)用于檢驗(yàn)?zāi)骋灰氐膶傩灾翟谡麄€(gè)研究區(qū)內(nèi)的空間相關(guān)性[25]: 局部Moran's I指數(shù)用于反映某一要素的屬性值和相鄰空間單元的相關(guān)性[26]。選取 Moran's I 指數(shù)研究區(qū)域全局空間相關(guān)性, 當(dāng) Moran's I的值為正數(shù)時(shí), 說明存在正相關(guān)性, 且隨著數(shù)值的增加, 相關(guān)性越來越顯著。通過LISA 圖來研究屬性值在局部地區(qū)是否存在明顯的高高聚集情況和低低聚集情況。

圖1 風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)劃分圖

Figure 1 Risk plot division

表1 景觀格局指數(shù)及意義[22]

3 結(jié)果與分析

3.1 景觀要素變化分析

在各個(gè)研究階段, 對(duì)3期數(shù)據(jù)進(jìn)行地類面積和數(shù)理統(tǒng)計(jì)可知, 2000—2018年裸地顯著減小, 由原來總面積占比的85.76%減少到67.19%(圖2), 草地和灌木處于漲勢(shì), 森林、水域大體上處于平穩(wěn)狀態(tài)。冰雪面積變化最小, 較2000年增加了0.3%(表2)。

2000—2018年, 轉(zhuǎn)出面積的順序依次為裸地＞冰雪＞森林＞灌木＞草地＞水域, 而轉(zhuǎn)入的面積為灌木＞草地＞裸地＞冰雪＞水域＞森林。在這個(gè)變化的過程中, 裸地和灌木體現(xiàn)出大幅度的轉(zhuǎn)出、轉(zhuǎn)入變化。其中裸地表現(xiàn)為比較明顯的雙向轉(zhuǎn)化的特點(diǎn), 草地和灌木則以單向的轉(zhuǎn)出變化為主。祁連山國家公園景觀要素變化在一定程度上體現(xiàn)了頻繁的人類活動(dòng)對(duì)景觀要素的影響。研究區(qū)內(nèi)由于氣候變化及人為的干擾的因素使具有較高生態(tài)意義的景觀要素減少, 最終使得生態(tài)環(huán)境惡化, 景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)升高。

3.2 景觀指數(shù)變化分析

利用Fragstats4軟件, 得到祁連山國家公園2000—2018年景觀格局指數(shù)(表3)。由于自然脅迫和人類活動(dòng)的干擾, 導(dǎo)致各景觀要素面積及斑塊數(shù)的變化, 進(jìn)而導(dǎo)致相應(yīng)景觀類型風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的變化[20]。由表3可以看出, 2000—2018年, 在整個(gè)景觀中, 研究區(qū)景觀破碎度＜1, 景觀破碎化程度相對(duì)較低, 其中, 森林景觀破碎度顯著增加, 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)增加, 由于人類一系列不合理的開發(fā)利用, 如亂砍亂伐、無序采礦, 導(dǎo)致祁連山森林不斷減少。水域破碎度和分離度最高, 引起其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)上升。研究區(qū)內(nèi)不同景觀類型干擾度特征差異較大, 水域干擾度最大, 灌木和森林的干擾度次之。20年間研究區(qū)內(nèi)各景觀類型的分維數(shù)均<1.5, 景觀類型的形狀復(fù)雜度較低, 從總體看, 研究區(qū)各景觀類型的分維數(shù)變化不明顯, 草地的分維數(shù)在20年間略有增加, 說明其景觀類型的異質(zhì)性略有增加: 裸地景觀類型的分維數(shù)表現(xiàn)為下降趨勢(shì), 裸地景觀異質(zhì)性有所下降。

圖2 研究區(qū)2000—2018年各景觀類型面積

Figure 2 Area of various landscape types in the study area from 2000 to 2018

表2 研究區(qū)2000—2018年各景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣

表3 研究區(qū)2000—2018年各景觀指數(shù)變化

3.3 景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間變化分析

對(duì)基于景觀結(jié)構(gòu)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)進(jìn)行等級(jí)劃分, 目的是為了便于直觀地分析生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的空間分布特征。根據(jù)公式(2)計(jì)算出各生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù): 2000年介于0.0361—0.1756之間, 2010年介于0.0707—0.1399之間, 2018年介于0.0476— 0.1902之間, 利用GIS所提供的自然斷點(diǎn)法, 將研究區(qū)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)劃分成5個(gè)等級(jí): 0.03—0.06為低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū), 0.06—0.09為較低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū), 0.09—0.12為中生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū), 0.12—0.15為較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū), 大于0.15為高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。在此基礎(chǔ)上, 利用克里格插值法得到研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)圖(圖3), 并獲取研究區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的面積變化情況(圖4)。

研究表明, 祁連山國家公園風(fēng)險(xiǎn)空間分布一定程度上體現(xiàn)了景觀結(jié)構(gòu)的分布規(guī)律, 具有區(qū)域性和異質(zhì)性特征。低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)主要分布在中西部的裸地上, 該區(qū)域多年來已經(jīng)形成較為穩(wěn)定的景觀結(jié)構(gòu), 景觀破碎度和敏感度較低。2000年, 處于高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的景觀類型分布在研究區(qū)的中部地區(qū), 以林地和草地為主, 林地景觀類型易受人為因素干擾而產(chǎn)生高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn): 2010年中部處于較低風(fēng)險(xiǎn)的灌木, 變?yōu)檩^高風(fēng)險(xiǎn)區(qū), 說明近幾年該地區(qū)人類活動(dòng)及降水因素對(duì)于其影響比較明顯: 2018年, 受其他風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的脅迫, 高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)從中部發(fā)展到西部以及其他部分區(qū)域: 低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)主要分布在中西部及西部部分一帶, 這些區(qū)域景觀結(jié)構(gòu)較為完善, 但也是毀林開礦等行為的主要發(fā)生區(qū)域, 存在一定的潛在風(fēng)險(xiǎn)。2000—2018年, 較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的分布有一定的蔓延的趨勢(shì), 今后應(yīng)重點(diǎn)防范, 中生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)主要分布于西部的山區(qū)地帶, 該區(qū)域海拔相對(duì)較高, 有較多的破碎化水域、冰雪和灌木鑲嵌其中, 這些景觀的自身的穩(wěn)定性較差, 生態(tài)系統(tǒng)相對(duì)脆弱: 低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分布區(qū)域逐漸變小且演變?yōu)槠渌鷳B(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 2000—2018年生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分布圖

Figure 3 Spatial distribution map of ecological risk from 2000 to 2018

圖4 2000—2018年區(qū)域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積占比

Figure 4 Proportion of regional landscape ecological risk grade area from 2000 to 2018

由圖4可知: (1)研究區(qū)3期景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)中處于高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的面積占比最小, 均未超過14%, 2000—2018年間研究區(qū)的高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積有所增加, 增加了5764.04 km2, 占到總的研究區(qū)的11.41%。(2)其次是較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū), 從數(shù)據(jù)來看, 近20年來, 較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積逐漸升高, 2000— 2010年面積有所增加, 增加到12.49%, 2000年和2010年處于較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的面積占整個(gè)研究區(qū)面積的17.64%。(3)中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)20年間的面積先增加后略有下降, 由2000年的13.29%增加到2010年的23.39%, 后來略下降到23.37%。(4)中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積先增加后下降, 由2000年的13.29%增加到2010年的23.29%, 后下降到2018年的23.37%: (5)在3期景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積占比中, 低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)2000年面積占比是最大但持續(xù)下降, 由2000年的52.18%下降到2018年的16.26%。

總體看來, 20年間研究區(qū)的區(qū)域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積中, 高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積占比均較小, 低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積占比最大, 其次是較低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū): 從橫向?qū)Ρ让娣e變化情況來看, 較低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積占比變化趨勢(shì)較平穩(wěn), 總體看來無明顯變化: 較低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積先升后降, 總體呈下降趨勢(shì): 低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積持續(xù)下降。

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

(1) 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)全局自相關(guān)分析

利用GeoDa計(jì)算2000—2018年研究區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分布數(shù)據(jù)得到Moran’s I散點(diǎn)圖(圖5), 顯示出整個(gè)區(qū)域的整體分布和空間聚集情況。祁連山國家公園景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)在2000、2010、2018年Moran’s I分別為0.633, 0.526, 0.547。三個(gè)時(shí)期Moran’s I的數(shù)值均大于0, 說明各年研究區(qū)內(nèi)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值存在空間正相關(guān)關(guān)系, 即相鄰地區(qū)在空間上呈現(xiàn)出高度相似性, 存在集聚效應(yīng)。

(2) 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)局部自相關(guān)分析

由于Moran’s I值并不能展現(xiàn)空間上的相互聯(lián)系, 進(jìn)一步采用局部自相關(guān)分析, 得到局部自相關(guān)LISA聚集圖(圖6)。由圖可知, 2000—2018年, 祁連山國家公園的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均以高-高聚集和低-低聚集結(jié)構(gòu)為主。研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的“高-高”值區(qū)域聚集于中部及東部, 這些景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)高的地區(qū), 相鄰地區(qū)的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度也比較高?！暗?低”值區(qū)域主要聚集在研究區(qū)西部和中西部, 說明這些區(qū)域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度低, 其相鄰地區(qū)的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度也較低。結(jié)合景觀類型分布來看, “低-低”聚集區(qū)主要景觀類型為灌木, 與低景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)主要景觀類型相符, “高-高”聚集區(qū)主要景觀類型為林地、冰雪和草地, 與高景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和較高景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的主要景觀類型相符, “高-高”結(jié)構(gòu)聚集區(qū)內(nèi), 林地、草地和冰雪的分布較分散, 加上人類活動(dòng)干擾程度較大, 景觀內(nèi)部穩(wěn)定性較差。

圖5 研究區(qū)2000—2018年景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)Moran’s散點(diǎn)圖

Figure 5 Moran’s scatter plot of landscape ecological risk in the study area from 2000 to 2018

圖6 研究區(qū)2000—2018年景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)局部空間自相關(guān)

Figure 6 Local spatial autocorrelation of landscape ecological risk in the study area from 2000 to 2018

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

由于自然環(huán)境和人類社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)的相互作用, 區(qū)域生態(tài)環(huán)境遭到了威脅, 從而增加了景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。學(xué)界對(duì)于區(qū)域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)日益關(guān)注, 而對(duì)祁連山地區(qū)景觀格局變化及其景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的研究較少, 本文基于祁連山國家公園2000—2018年景觀格局的動(dòng)態(tài)變化為基礎(chǔ), 分析了區(qū)域景觀結(jié)構(gòu)的組成及其轉(zhuǎn)化, 在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù), 并通過空間自相關(guān)性分析了景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化。通過相關(guān)分析得知, 研究區(qū)的景觀破碎化程度相對(duì)較低, 其中, 森林景觀破碎度顯著增加, 水域破碎度和分離度最高, 由于時(shí)令河湖等多重因素和部分人為干擾導(dǎo)致的。各年研究區(qū)內(nèi)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值存在空間正相關(guān)關(guān)系, 即相鄰地區(qū)在空間上呈現(xiàn)出高度相似性, 存在集聚效應(yīng)。且“低低”和“高高”聚集是其主要生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)聚集模式, 研究區(qū)內(nèi)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間差異明顯。此結(jié)論與婁妮等[27]學(xué)者關(guān)于生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)聚集模式的研究結(jié)果較為一致, 亦與謝剛等[28]、謝小平等[29]學(xué)者認(rèn)為的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)在空間上不斷集聚且景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的空間趨同性有所提高的結(jié)論具有相似性, 可知景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度空間的表現(xiàn)模式。然而, 本研究認(rèn)為祁連山國家公園范圍廣闊, 人類對(duì)于各種景觀格局有一定的影響, 但由于氣候變化及時(shí)令河湖等多重因素, 使得祁連山國家公園的景觀格局及景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)表現(xiàn)的略為復(fù)雜, 且在空間上呈現(xiàn)出相應(yīng)的規(guī)律, 這在今后中有待進(jìn)一步考證。

總的看來, 在研究區(qū)的區(qū)域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積中, 以低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)為主, 高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積均占比不大, 但增長幅度較其他風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)區(qū)高, 以后應(yīng)進(jìn)一步重點(diǎn)治理。主要治理方向是對(duì)草地和森林的治理, 較高和高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的主要風(fēng)險(xiǎn)源歸于自然因素和人類活動(dòng)的干擾。應(yīng)從本研究區(qū)生態(tài)環(huán)境的角度出發(fā), 科學(xué)合理地降低研究區(qū)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。首先對(duì)國家自然保護(hù)區(qū)的有關(guān)規(guī)定要嚴(yán)格執(zhí)行, 禁止在自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)、緩沖區(qū)內(nèi)開展旅游活動(dòng)和建設(shè)生產(chǎn)設(shè)施: 其次是本著宜牧則牧、宜林則林的原則, 對(duì)祁連山國家公園全面規(guī)劃、綜合治理, 要盡力做到與自然環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。祁連山國家公園在今后的保護(hù)中應(yīng)尊重景觀的整體性和異質(zhì)性等, 尊重自然的自我修復(fù)。該區(qū)域生態(tài)環(huán)境因近些年來的保護(hù)政策有所改善, 但總的來說生態(tài)環(huán)境十分脆弱, 所以針對(duì)該區(qū)域做出的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)很有必要。生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是一個(gè)復(fù)雜的過程, 需要考慮多重不確定因素, 這些因素決定了綜合評(píng)價(jià)結(jié)果, 在對(duì)于祁連山國家公園景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)時(shí), 評(píng)價(jià)方法和過程還有待進(jìn)一步完善。

4.2 結(jié)論

通過對(duì)2000—2018年的遙感數(shù)據(jù)結(jié)合文獻(xiàn)資料及其野外調(diào)查, 基于景觀格局指數(shù)構(gòu)建生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù), 并以景觀的角度以定量化的形式表現(xiàn)出來, 對(duì)認(rèn)識(shí)祁連山地區(qū)生態(tài)環(huán)境、空間特征等方面具有一些參考意義, 為祁連山國家公園環(huán)境治理提供了輔助決策支持。結(jié)果如下:

(1)2000—2018年, 在整個(gè)景觀中, 研究區(qū)景觀破碎度＜1, 景觀破碎化程度相對(duì)較低, 其中, 森林景觀破碎度顯著增加, 水域破碎度和分離度最高, 研究區(qū)內(nèi)不同景觀類型干擾度特征差異較大, 水域干擾度最大, 灌木和森林的干擾度次之。

(2)2000年, 研究區(qū)以低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)為主, 而到了2018年低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)有明顯降低趨勢(shì), 2010—2018年, 則以較低和中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)為主, 高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的面積明顯增加, 高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布于研究區(qū)西部以及中部區(qū)域, 東南部區(qū)域也有少面積分布, 因此在這些區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)度也較大。2000—2018年, 研究區(qū)各生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)大體呈趨平走向, 較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)占比面積顯著增加, 主要分布于研究區(qū)西南部和中部地區(qū)。祁連山國家公園景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)三個(gè)時(shí)期Moran’s I的數(shù)值均大于0, 說明各年研究區(qū)內(nèi)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值存在空間正相關(guān)關(guān)系, 即相鄰地區(qū)在空間上呈現(xiàn)出高度相似性, 存在集聚效應(yīng)。

(3)2000—2018年, 祁連山國家公園的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均以高-高聚集和低-低聚集結(jié)構(gòu)為主。研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的“高-高”值區(qū)域聚集于中部及東部, 這些景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)高的地區(qū), 相鄰地區(qū)的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度也比較高。“低-低”值區(qū)域主要聚集在研究區(qū)西部和中西部, 說明這些區(qū)域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度低, 其相鄰地區(qū)的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度也較低。研究期間, 整體生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)呈現(xiàn)上升趨勢(shì), 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度表現(xiàn)出空間正相關(guān)性。

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Landscape ecological risk assessment of Qilian Mountain National Park based on landscape pattern

YU Hang1, LIU Xuelu1,*, ZHAO Tianming1, ZHANG Mengying1, NIAN Lili1, LI Xiaodan2

1. College of Resources and Environmental Sciences, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China 2. College of Management, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China

In order to analyze the impact of the evolution of the Qilian Mountain National Park landscape pattern on the landscape ecological risk and provide a theoretical basis for the scientific management of the Qilian Mountain National Park, it is convenient for the reasonable protection and development of the ecosystem. Based on the interpretation data of Landsat remote sensing images of Qilian Mountain National Park from 2000 to 2018, the landscape pattern index was calculated using GIS spatial analysis technology and Fragstats4 software, and the composition and transformation of the landscape structure of the study area were analyzed and constructed on this basis The landscape ecological risk index is analyzed, and the change of landscape ecological risk is analyzed through spatial autocorrelation. The results show that: (1) From the perspective of the entire landscape, the degree of landscape fragmentation is relatively low. Among them, the fragmentation degree of forest landscape has increased significantly, the degree of fragmentation and separation of water area is the highest, and the characteristics of interference degree of different landscape types are quite different. (2) In the area of regional landscape ecological risk level in the study area, the low ecological risk area is the leading area. The areas of high ecological risk area and higher ecological risk area account for a small proportion, but the growth rate is higher than that of other risk level areas. The areas of low ecological risk areas and medium ecological risk areas have shown an overall downward trend. (3) The Moran’s I values of the landscape ecological risk in each period are 0.633, 0.526, and 0.547 respectively, showing positive spatial correlation and tending to congregate in space. The disturbance of human activities is the main reason leading to the increase of ecological risks in the landscape in this area.

landscape pattern; ecological risk; qilian Mountain National Park

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.02.012

x826

A

1008-8873(2022)02-099-09

2020-06-22;

2020-08-01

甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)校級(jí)自列課題(GSAU-ZL-2015-046)

于航(1996—), 男, 內(nèi)蒙古通遼人, 碩士研究生, 主要從事景觀生態(tài)學(xué)方面的研究, E-mail: yh0035@126.com

通信作者:劉學(xué)錄(1966—), 男, 甘肅天水人, 博士, 教授, 主要從事景觀生態(tài)學(xué)和土地利用管理方面的研究, E-mail: liuxl@gsau.edu.cn

于航, 劉學(xué)錄, 趙天明, 等. 基于景觀格局的祁連山國家公園景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J]. 生態(tài)科學(xué), 2022, 41(2): 99–107.

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