基于3L模式的典型礦業(yè)城市景觀生態(tài)安全研究*

周俊哲，徐 陽，周 皓，馮 博，陳 勇,2,3

(1.武漢科技大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430081；2.國(guó)家環(huán)境保護(hù)礦冶資源利用與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430081；3.冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430081)

0 引言

生態(tài)安全指生態(tài)系統(tǒng)的健康與完整情況[1]，而景觀生態(tài)安全是生態(tài)安全與景觀生態(tài)學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，是從景觀的角度探討生態(tài)安全問題。景觀是指一定區(qū)域土地和土地上空間和物質(zhì)所構(gòu)成的綜合體[2]，是人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的載體和開發(fā)利用的主要對(duì)象，是評(píng)估生態(tài)環(huán)境影響的尺度[3]，良好的景觀生態(tài)安全對(duì)維護(hù)或控制區(qū)域生態(tài)過程具有重要意義[4]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)區(qū)域景觀生態(tài)安全進(jìn)行了大量研究，內(nèi)容主要涉及景觀生態(tài)安全評(píng)價(jià)、格局構(gòu)建與優(yōu)化、預(yù)測(cè)及預(yù)警等3個(gè)角度。在景觀生態(tài)安全評(píng)價(jià)方面：王娟等[5]以景觀格局指數(shù)和景觀類型的脆弱度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究了瀾滄江流域景觀生態(tài)安全的時(shí)空分異特征，為區(qū)域生態(tài)建設(shè)和資源開發(fā)提供了指導(dǎo)；謝余初等[6]基于PSR模型構(gòu)建了景觀生態(tài)安全指標(biāo)體系，分析了甘肅白龍江流域時(shí)空景觀變化過程及其特征，為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供了參考。在景觀生態(tài)安全格局構(gòu)建與優(yōu)化方面：吳金華等[7]通過自然斷點(diǎn)法和MCR模型獲取了神木市景觀生態(tài)安全格局現(xiàn)狀并提取了生態(tài)源地，基于最小阻力模型構(gòu)建了生態(tài)廊道以優(yōu)化景觀生態(tài)安全格局；李濤等[8]針對(duì)物種對(duì)路徑選擇的隨機(jī)性，利用InVES模型生境質(zhì)量分析模塊篩選生態(tài)源地、生態(tài)廊道，通過評(píng)估相關(guān)生態(tài)要素的重要性及連通性，構(gòu)建了景觀生態(tài)安全格局并劃定了生態(tài)修復(fù)優(yōu)先區(qū)域。在景觀生態(tài)安全預(yù)測(cè)及預(yù)警方面：王讓虎等[9]以典型的生態(tài)脆弱區(qū)東北農(nóng)牧交錯(cuò)帶為例，采用最小累積阻力模型構(gòu)建了通榆縣3個(gè)時(shí)期的景觀生態(tài)安全格局，并對(duì)其進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警分析；李楊帆等[10]提出了基于城市不透水面變化率、風(fēng)險(xiǎn)受體敏感指標(biāo)和生態(tài)紅線管控的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間預(yù)警模型，結(jié)合源-匯理論，揭示了廈門市景觀生態(tài)安全格局在快速城市化脅迫下的現(xiàn)狀與未來潛在的風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)。

現(xiàn)有研究更多的是對(duì)土地利用變化過程中景觀生態(tài)安全狀況的評(píng)價(jià)，以及從景觀生態(tài)安全格局方面進(jìn)行優(yōu)化或預(yù)測(cè)預(yù)警，較少探討土地利用變化導(dǎo)致的景觀生態(tài)安全變化及其兩者的耦合關(guān)系，難以直接指導(dǎo)土地利用管理和調(diào)控實(shí)踐。

本研究以湖北省大冶市為工程背景，以網(wǎng)格作為評(píng)價(jià)單元，通過構(gòu)建景觀生態(tài)安全指標(biāo)體系表征研究區(qū)2個(gè)時(shí)期的景觀生態(tài)安全狀況，借助GIS技術(shù)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法得到各時(shí)段的地類轉(zhuǎn)移矩陣，運(yùn)用逐步回歸分析篩選出影響景觀生態(tài)安全的土地利用變化主要類型，選取斑塊尺度的景觀格局指數(shù)，分析景觀生態(tài)安全與土地利用變化之間的有機(jī)聯(lián)系，進(jìn)而形成基于3L模式的區(qū)域景觀生態(tài)安全研究范式，以期為區(qū)域土地利用管理和景觀生態(tài)安全維護(hù)提供指導(dǎo)。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

大冶市位于東經(jīng)114°31′～115°20′ ，北緯29°40′～30°15′ ，處于長(zhǎng)江中游城市群腹地，依托長(zhǎng)江，背靠武漢，屬典型的大陸性季風(fēng)氣候，海拔一般為120～200 m；轄1個(gè)鄉(xiāng)、10個(gè)鎮(zhèn)、4個(gè)街道，總面積1 566.3 km2。大冶已發(fā)現(xiàn)和探明的大小礦床有273處，是我國(guó)重要的銅、鐵礦生產(chǎn)基地，屬典型礦業(yè)城市。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

本研究原始數(shù)據(jù)源為大冶市2005年和2015年兩期的Landsat影像圖，空間分辨率為30 m×30 m。使用ENVI 5.3軟件對(duì)兩期影像進(jìn)行輻射校正、大氣校正、配準(zhǔn)、裁剪等預(yù)處理，參照GB/T 21010-2017《土地利用現(xiàn)狀分類》并結(jié)合當(dāng)?shù)貙＜乙庖?，將研究區(qū)土地利用類型劃分為耕地、建設(shè)用地、林地、未利用地、草地和水域等6種類型。采用監(jiān)督分類法對(duì)研究區(qū)土地利用情況進(jìn)行分類，結(jié)果如圖1所示。

經(jīng)檢驗(yàn)，圖像總體分類精度在80%以上，Kappa系數(shù)也在0.77以上，滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

1.3 研究方法

依據(jù)3L模式建立區(qū)域景觀生態(tài)安全與土地利用變化的研究過程：①以網(wǎng)格作為評(píng)價(jià)單元，統(tǒng)計(jì)每個(gè)單元內(nèi)的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣；②對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行景觀生態(tài)安全評(píng)價(jià)，根據(jù)轉(zhuǎn)移矩陣和評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行逐步回歸分析，得到對(duì)景觀生態(tài)安全影響較顯著的地類變化；③進(jìn)一步選取斑塊尺度的景觀格局指數(shù)剖析地類轉(zhuǎn)移特征，進(jìn)而分析景觀生態(tài)安全與土地利用變化之間的有機(jī)聯(lián)系。

1.3.1 評(píng)價(jià)網(wǎng)格劃分

采用ArcGIS 10.4.1按照研究區(qū)景觀類型平均斑塊面積的2～5倍對(duì)研究區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格化處理，即劃分評(píng)價(jià)單元。采用3 km×3 km的正方形網(wǎng)格進(jìn)行劃分，共得到218個(gè)評(píng)價(jià)單元(見圖2)。

圖2 評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐质疽鈭D

1.3.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

該矩陣能夠表征研究區(qū)某時(shí)期期初和期末各土地利用類型之間的方向和面積的相互轉(zhuǎn)化情況[11]，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(1)

式中，S為面積，i與j分別為期初和期末的土地利用類型，Sij為地類i轉(zhuǎn)移為地類j的總面積，n為土地利用類型總數(shù)。

1.3.3 景觀生態(tài)安全評(píng)價(jià)模型

1)評(píng)價(jià)指標(biāo)

區(qū)域空間結(jié)構(gòu)和生態(tài)安全特征可以用景觀生態(tài)安全指標(biāo)定量化反映[12]，本文從景觀穩(wěn)定性、景觀結(jié)構(gòu)性、景觀脅迫性和景觀功能性等4個(gè)角度構(gòu)建景觀生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[13-16]。

景觀穩(wěn)定性反映景觀生態(tài)系統(tǒng)面對(duì)干擾和擾動(dòng)的應(yīng)對(duì)能力，本文擬選取以下3個(gè)指標(biāo)：

a.指標(biāo)1：斑塊結(jié)合度指數(shù)(COH)表征斑塊聚集程度，斑塊聚集程度越高，景觀凝聚力越強(qiáng)，景觀生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性越強(qiáng)，其計(jì)算式為

(2)

式中，aij為斑塊ij的面積，pij為斑塊ij的周長(zhǎng)，A為某種景觀類型總面積。

b.指標(biāo)2：周長(zhǎng)-面積分維數(shù)(PAF)表征斑塊形狀復(fù)雜程度，斑塊形狀越復(fù)雜，景觀生態(tài)系統(tǒng)抗擾動(dòng)能力越強(qiáng)，計(jì)算式為

(3)

式中，ni為i類斑塊的數(shù)目。

c. 指標(biāo)3：香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)表征景觀均勻程度，均勻程度越高，景觀類型越均勻，景觀生態(tài)系統(tǒng)抗干擾能力越強(qiáng)，其計(jì)算式為

(4)

式中，pi為i類斑塊面積百分比，m為斑塊總數(shù)目。

景觀結(jié)構(gòu)性反映景觀生態(tài)系統(tǒng)中的生態(tài)過程和系統(tǒng)活力，本文擬選取以下2個(gè)指標(biāo)：

a.指標(biāo)1：香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)表征景觀異質(zhì)性，景觀異質(zhì)性越高，物種多樣性越豐富，景觀生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性越好，其計(jì)算式為

(5)

b.指標(biāo)2：景觀邊緣密度(ED)表征景觀異質(zhì)斑塊之間信息交流及相互影響的能力，景觀邊緣密度越大，景觀生態(tài)過程越活躍，景觀生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性越好，其計(jì)算式為

(6)

式中，eij為第i類景觀要素斑塊與相鄰第j類景觀要素斑塊間的邊界長(zhǎng)度，Ai為第i類景觀總面積。

景觀脅迫性反映人類活動(dòng)對(duì)景觀生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的壓力狀況，本文擬選取以下2個(gè)指標(biāo)：

a.指標(biāo)1：植被覆蓋度(C)表征植被茂密程度，植被茂密程度越高，景觀生態(tài)系統(tǒng)受外界脅迫程度越小，其計(jì)算式為

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)，

(7)

C=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)，

(8)

式中，NIR為近紅外波段光譜反射率，R為紅色波段光譜反射率。

b.指標(biāo)2：人為影響強(qiáng)度(H)表征人類活動(dòng)對(duì)景觀造成的影響程度，人類活動(dòng)越少，景觀生態(tài)系統(tǒng)受人為脅迫程度越小，其計(jì)算式為

(9)

式中，n為景觀類型數(shù)量，Pi為第i種景觀人為影響強(qiáng)度，AT為景觀總面積。

景觀功能性反映景觀生態(tài)系統(tǒng)在物質(zhì)生產(chǎn)和維持生態(tài)平衡等方面的能力，本文擬選取1個(gè)指標(biāo)：生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(ESV)表征人類直接或間接從生態(tài)系統(tǒng)得到的利益，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益越高，景觀生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)服務(wù)能力越強(qiáng)，其計(jì)算式為

(10)

式中，VCij為j類景觀i類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)基準(zhǔn)單價(jià)，Aj為j類景觀面積，ESV的單位為元/hm2。

2)指標(biāo)權(quán)重

本研究采用主成分分析法確定指標(biāo)權(quán)重，步驟如下：①對(duì)8個(gè)景觀生態(tài)安全指標(biāo)進(jìn)行主成分分析；②選擇累計(jì)方差貢獻(xiàn)率在80%以上的主成分，根據(jù)式(10)得到評(píng)價(jià)指標(biāo)在所選主成分下的線性組合系數(shù)矩陣；③依據(jù)式(12)求得指標(biāo)在綜合得分模型中的系數(shù)Xi；④對(duì)Xi進(jìn)行歸一化處理后作為各指標(biāo)權(quán)重。

(11)

(12)

3)評(píng)價(jià)方法

采用多因子加權(quán)求和綜合評(píng)價(jià)法對(duì)研究區(qū)景觀生態(tài)安全進(jìn)行評(píng)價(jià)，其計(jì)算式為

(13)

式中：E為景觀生態(tài)安全指數(shù)；Si為指標(biāo)i針對(duì)理想值的標(biāo)準(zhǔn)化值，針對(duì)指標(biāo)情況分別使用正向指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化、負(fù)向指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化和適中指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化方法，指標(biāo)理想值依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、文獻(xiàn)和研究區(qū)的實(shí)際情況并結(jié)合專家意見確定，其中對(duì)于有明確值域的指標(biāo)如COH、PAF、SHEI、C和H以最優(yōu)值為理想值，對(duì)于無明確值域的指標(biāo)如SHDI、ED和ESV以各鄉(xiāng)鎮(zhèn)中的最優(yōu)值為理想值；βi為指標(biāo)i的權(quán)重，依據(jù)前述方法確定。指標(biāo)理想值和指標(biāo)權(quán)重如表1所示。

表1 景觀生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

4)評(píng)價(jià)分級(jí)

將景觀生態(tài)安全評(píng)價(jià)結(jié)果劃分為5個(gè)等級(jí)(見表2)。

表2 大冶市景觀生態(tài)安全分級(jí)

1.3.4 逐步回歸法

逐步回歸法是一種線性回歸模型自變量選擇方法，其基本思想是將變量一個(gè)一個(gè)引入，引入的條件是其偏回歸平方和經(jīng)檢驗(yàn)后是顯著的；同時(shí)，每引入一個(gè)新變量，要對(duì)已入選回歸模型的變量逐個(gè)檢驗(yàn)，刪除經(jīng)檢驗(yàn)認(rèn)為不顯著的變量，以保證所得自變量子集中每一個(gè)變量都是顯著的。此過程經(jīng)過若干步直至不能再引入新變量，這時(shí)回歸模型中所有變量對(duì)因變量都是顯著的。在同一個(gè)模型中，標(biāo)準(zhǔn)偏回歸系數(shù)越大，表明其對(duì)因變量的影響越大。本研究以景觀生態(tài)安全變化為因變量、土地利用變化為自變量、218個(gè)評(píng)價(jià)單元為樣本進(jìn)行逐步回歸分析。

2 結(jié)果分析

2.1 景觀生態(tài)安全動(dòng)態(tài)變化分析

采用普通克里格插值法對(duì)218個(gè)評(píng)價(jià)單元進(jìn)行空間插值，得到大冶市不同時(shí)期景觀生態(tài)安全空間分布(見圖3)。

圖3 2005、2015大冶市景觀生態(tài)安全空間分布

由圖3可知，2005、2015年大冶市總體景觀生態(tài)安全狀況相對(duì)穩(wěn)定，均處于第4等級(jí)，景觀生態(tài)安全狀況仍有待改善。218個(gè)評(píng)價(jià)單元中，2015年景觀生態(tài)安全狀況得到改善的有133個(gè)，景觀生態(tài)安全等級(jí)有所下降的有85個(gè)。2005年有3個(gè)處于第2等級(jí)，97個(gè)處于第3等級(jí)，101個(gè)處于第4等級(jí)，17個(gè)處于第5等級(jí)；2015年有3個(gè)處于第2等級(jí)，118個(gè)處于第3等級(jí)，91個(gè)處于第4等級(jí)，6個(gè)處于第5等級(jí)。

2.2 土地利用變化特征分析

為了研究景觀生態(tài)安全與土地利用變化之間的有機(jī)聯(lián)系，對(duì)景觀生態(tài)安全變化和土地利用變化共計(jì)218個(gè)樣本進(jìn)行逐步回歸分析，結(jié)果見表3。本研究選取逐步回歸分析結(jié)果擬合程度最優(yōu)模型中的4種顯著地類變化展開分析，即耕地-建設(shè)、耕地-草地、耕地-林地和水域-耕地。其中，耕地-建設(shè)和水域-耕地對(duì)區(qū)域景觀生態(tài)安全起負(fù)面影響，耕地-草地和耕地-林地對(duì)區(qū)域景觀生態(tài)安全起正面影響。

表 3 回歸系數(shù)及顯著性檢驗(yàn)

選取斑塊個(gè)數(shù)(NP)、斑塊平均面積(SMP)、斑塊聚集度指數(shù)(IA)和斑塊形狀指數(shù)(ILS)4個(gè)反映斑塊尺度的景觀格局指數(shù)，對(duì)4種主要的地類變化狀況進(jìn)行定量分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 斑塊尺度景觀格局指數(shù)

由圖4(a)可知：耕地-建設(shè)有2 564個(gè)斑塊，總面積達(dá)31.27 km2；耕地-草地有163個(gè)斑塊，總面積為0.32 km2；耕地-林地有485個(gè)斑塊，總面積為4.3 km2；水域-耕地有142個(gè)斑塊，總面積為0.24 km2。由此說明在2005-2015年期間研究區(qū)建設(shè)用地快速擴(kuò)張，且主要占用耕地。部分耕地轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸睾土值兀环矫媸怯捎诜N植業(yè)收益較低，存在耕地拋荒或耕地改種樹木現(xiàn)象；另一方面是由于 “退耕還草”和“退耕還林”政策的實(shí)施。同時(shí)還有部分水域轉(zhuǎn)變?yōu)楦?，主要原因是存在廢塘復(fù)墾現(xiàn)象。

由圖4(b)、圖4(c)可知：耕地-建設(shè)的斑塊平均面積為0.012 km2，主要是因?yàn)榇嬖诖竺娣e的開發(fā)區(qū)建設(shè)，而其斑塊聚集指數(shù)僅為86.17%，在4種地類變化類型中最低，說明耕地-建設(shè)僅以少部分大斑塊團(tuán)聚，大多數(shù)斑塊都相對(duì)分散，反映了礦產(chǎn)資源分布不集中所導(dǎo)致的工礦建設(shè)“遍地開花”的局面；耕地-草地和耕地-林地的斑塊平均面積分別為0.002 km2和0.009 km2，斑塊聚集指數(shù)分別為94.57%和91.46%，主要是因?yàn)楦貟伝募性谏角饏^(qū)域，雖集中度高但單塊面積較小，而耕地改種樹木現(xiàn)象在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)已較為普遍，因此單塊面積較大且相對(duì)集中；水域-耕地的斑塊平均面積為0.002 km2，斑塊聚集指數(shù)為88.62%，主要由于各鄉(xiāng)鎮(zhèn)均存在坑塘改為耕地的現(xiàn)象，因此單塊面積較小且相對(duì)分散。

由圖4(d)可知：耕地-建設(shè)的斑塊形狀指數(shù)為68.72%，表明由耕地轉(zhuǎn)化而來的建設(shè)用地形狀較不規(guī)則，主要是建設(shè)用地多沿道路線性擴(kuò)張所致；而耕地-草地、耕地-林地和水域-耕地的斑塊形狀指數(shù)分別為21.47%、19.32%和24.62%，形狀較為規(guī)則，主要原因是耕地拋荒、耕地改種樹木以及廢塘復(fù)墾多為成片實(shí)施。

3 結(jié)論

2005-2015年大冶市景觀生態(tài)安全狀況相對(duì)穩(wěn)定，景觀生態(tài)安全狀況總體處于第4等級(jí)，景觀生態(tài)安全狀況仍有待改善。對(duì)區(qū)域景觀生態(tài)安全狀況影響較大的土地利用變化類型依次為耕地-建設(shè)、耕地-草地、耕地-林地和水域-耕地，其中：耕地-建設(shè)和水域-耕地兩種地類變化導(dǎo)致區(qū)域景觀結(jié)構(gòu)性變差、脅迫性提高、穩(wěn)定性和功能性降低，對(duì)區(qū)域景觀生態(tài)安全起負(fù)面影響；耕地-草地和耕地-林地兩種地類變化使得區(qū)域景觀結(jié)構(gòu)性變好、脅迫性降低、穩(wěn)定性和功能性都有所提升，對(duì)區(qū)域景觀生態(tài)安全起正面影響。

本文基于3L的區(qū)域景觀生態(tài)安全研究模式構(gòu)建了地類轉(zhuǎn)移矩陣和景觀生態(tài)安全評(píng)價(jià)體系，采用逐步回歸分析法探討了景觀生態(tài)安全與土地利用變化之間的有機(jī)聯(lián)系，結(jié)果表明，土地利用變化和景觀生態(tài)安全緊密相關(guān)，合理的土地利用調(diào)控是改善區(qū)域景觀生態(tài)安全狀況的關(guān)鍵。研究成果可為實(shí)施科學(xué)的土地利用發(fā)展規(guī)劃和合理的景觀生態(tài)管理提供指導(dǎo)。