基于土地利用/覆蓋的甘肅省景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空變化特征

修煬景，侯蒙京，田驕陽(yáng)，梁天剛，馮琦勝

（蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部草牧業(yè)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)教育部工程研究中心，蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅 蘭州 730020）

土地利用/覆蓋變化（land use and land cover changes，LUCC）是環(huán)境變化的重要組成部分，對(duì)于維持生態(tài)環(huán)境的安全與穩(wěn)定具有重要意義［1］。近年來(lái)隨著人類社會(huì)生產(chǎn)力與物質(zhì)水平的迅猛發(fā)展，環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻，生態(tài)環(huán)境問(wèn)題已逐漸成為人類進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)所面臨的重大挑戰(zhàn)。甘肅省位于黃土高原西部，地處黃土高原農(nóng)區(qū)和青藏高原牧區(qū)的交錯(cuò)地帶，荒漠面積約占全省總面積的40%［2］。甘肅省處于十分特殊的地理位置，其境內(nèi)的生態(tài)環(huán)境復(fù)雜多樣但又十分脆弱，景觀格局破碎程度高，穩(wěn)定性和恢復(fù)力差［3］，極易受到人為和自然因素干擾。近年來(lái)甘肅省人口不斷增長(zhǎng)、城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快、工業(yè)化程度提高，且由于自然資源分布不均衡，導(dǎo)致人類的不合理活動(dòng)加??；此外由于全球性的氣候變化，該地區(qū)各自然因素指標(biāo)發(fā)生明顯改變，這也給甘肅省的生態(tài)環(huán)境造成了一定的擾動(dòng)和不利影響，其中較為嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題包括河西走廊土地沙漠化，甘南草原草地退化，祁連山、白龍江林區(qū)森林植被減少等［4］。甘肅省地處地勢(shì)二三級(jí)階梯的交匯地帶，其作為防沙治沙和防治水土流失的核心區(qū)域，同時(shí)也是“兩屏三帶”全國(guó)生態(tài)安全戰(zhàn)略格局中的重要組成部分［5］，生態(tài)地位不言而喻。甘肅省生態(tài)質(zhì)量的優(yōu)劣直接決定著西北地區(qū)和青藏高原地區(qū)的生態(tài)安全，并間接影響著長(zhǎng)江黃河下游地區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。因此，對(duì)甘肅省的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)與分析十分必要，具有不可忽視的重要意義。

在此背景之下，有關(guān)生態(tài)環(huán)境的研究和保護(hù)工作被提上日程，生態(tài)問(wèn)題成為熱點(diǎn)議題與研究方向。其中，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)作為生態(tài)環(huán)境研究中的重要組成部分，因其能夠明晰制約生態(tài)持續(xù)性的主要生態(tài)要素與過(guò)程，并對(duì)自然及人為因素進(jìn)行定性和定量研究，現(xiàn)已成為應(yīng)對(duì)社會(huì)-生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)綜合管理的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域之一［6］。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)在區(qū)域尺度上的重要分支領(lǐng)域，其根據(jù)景觀生態(tài)學(xué)的發(fā)生過(guò)程和空間格局的耦合情況建立了景觀格局與功能之間的相互聯(lián)系，并根據(jù)景觀格局的改變來(lái)推測(cè)對(duì)于生態(tài)功能的影響［6-7］；景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)引入了等級(jí)理論，更加注重尺度效應(yīng)和時(shí)空異質(zhì)性［7］，能實(shí)現(xiàn)多源風(fēng)險(xiǎn)綜合表現(xiàn)及空間的可視化，有助于分析區(qū)域生態(tài)環(huán)境的變化趨勢(shì)，為土地利用及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)管控的決策制定提供理論依據(jù)和指導(dǎo)建議。

由于遙感技術(shù)具有數(shù)據(jù)獲取便捷，覆蓋面積廣，時(shí)間序列長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，因此在景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中應(yīng)用十分廣泛［8］。侯蕊等［9］使用2000-2015年4期Landsat TM/OLI遙感影像分析了武漢市江夏區(qū)土地利用/覆蓋的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化，運(yùn)用空間網(wǎng)格法構(gòu)建了景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)模型，揭示了該地區(qū)不同土地利用狀況下的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)演變規(guī)律；熊鷹等［10］利用Landsat TM多光譜遙感影像，通過(guò)地理信息系統(tǒng)（geographic information system，GIS）和地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法構(gòu)建景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)模型，完成了洞庭湖地區(qū)在土地利用/覆蓋動(dòng)態(tài)變化下的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空分布和空間關(guān)聯(lián)格局研究；陳心怡等［11］利用1988-2017年間土地利用/覆蓋矢量數(shù)據(jù)，運(yùn)用GIS網(wǎng)格法和Kriging插值法構(gòu)建景觀生態(tài)指數(shù)模型，完成了?？谑械木坝^生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)。然而，由于近年來(lái)宏觀生態(tài)學(xué)著重強(qiáng)調(diào)人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，因此有關(guān)于景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的內(nèi)容多集中于城市、流域等人類活動(dòng)密集區(qū)域，而關(guān)于自然地域的研究相對(duì)較少，尤其針對(duì)黃土丘陵區(qū)、農(nóng)牧交錯(cuò)帶和荒漠地區(qū)的研究更為缺乏［7］。

基于以上因素考慮，本研究以甘肅省為研究區(qū)，對(duì)歐洲航空局全球土地利用/覆蓋（climate change initiativeland cover，CCI-LC）數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類，分析甘肅省土地覆蓋的時(shí)空變化特征；利用景觀脆弱度和干擾度指數(shù)構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型并結(jié)合空間自相關(guān)分析方法開(kāi)展研究區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。本研究旨在為甘肅省的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)管控及決策制定提供依據(jù)，推動(dòng)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展，并為后期自然地域的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究提供經(jīng)驗(yàn)與指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

甘肅省地處中國(guó)西北部，32°11′-42°57′N，92°13′-108°46′E，地域狹長(zhǎng)且?guī)缀涡螤畈灰?guī)則，總面積45.59萬(wàn)km2，占全國(guó)土地總面積的4.72%（圖1）。其位于黃土高原與青藏高原交匯處，海拔565～5820 m，平均海拔2158 m，地勢(shì)由西南向東北傾斜［12］。境內(nèi)地形地貌復(fù)雜多樣，其中山地、丘陵和高原居多，平原和盆地較少；甘肅省境內(nèi)森林，草原，城市，濕地，荒漠，農(nóng)田六大陸地生態(tài)系統(tǒng)均有分布，土地覆蓋類型多樣，其中以草原和荒漠為主。氣候類型由南向北依次包括亞熱帶季風(fēng)、溫帶季風(fēng)、溫帶大陸性和高原高寒四類，年均溫0～15℃，平均年降水量約400 mm，整體由東南向西北遞減。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of study area

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)來(lái)自歐洲航空局（http://maps.elie.ucl.ac.be/CCI/viewer）2005-2019年的全球土地利用/覆蓋產(chǎn)品。該數(shù)據(jù)格式為TIFF，空間分辨率為300 m，默認(rèn)投影坐標(biāo)系統(tǒng)為WGS1984［13］。該產(chǎn)品以聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織的土地利用/覆蓋分類系統(tǒng)（land cover classification system，LCCS）為分類依據(jù)，共劃分為7個(gè)一級(jí)類型和36個(gè)二級(jí)類型。Yang等［14］分析了8種（CCI-LC、IGBP、DisCover、UMD、GLC2000、MCD12、GLCNMO和GlobeLand30）土地利用/覆蓋產(chǎn)品的分類精度，最終結(jié)果表明，CCI-LC產(chǎn)品在中國(guó)區(qū)域的總體精度為71.98%，Kappa系數(shù)為0.65，分類精度僅次于空間分辨率更高的GlobeLand30。考慮到CCI-LC數(shù)據(jù)時(shí)間序列長(zhǎng)且連續(xù)，與真實(shí)覆蓋情況具有較好的空間一致性，整體分類精度較高，因此適用于本研究。高程數(shù)據(jù)（digital elevation model，DEM）來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站（http://www.gscloud.cn）的美國(guó)航天飛機(jī)雷達(dá)地形測(cè)繪使命（Shuttle Radar Topographic Mission，STRM）數(shù)據(jù)集［15］；該數(shù)據(jù)空間分辨率30 m，覆蓋了56° S-60° N范圍內(nèi)全球80%的陸地表面。

1.3 土地覆蓋類型重分類

本研究所需的CCI-LC根據(jù)原分類標(biāo)準(zhǔn)共被分為22大類和36小類，考慮到原分類體系下的土地利用/覆蓋種類較多，根據(jù)本研究需求，在此將土地利用/覆蓋類型重分類為耕地、林地、草地、灌叢、濕地、水體、建設(shè)用地、裸地和常年冰雪9大類，具體重分類原則如表1所示。

表1 重分類原則Table 1 Reclassification principle

1.4 土地利用/覆蓋動(dòng)態(tài)度

土地利用/覆蓋動(dòng)態(tài)度是用來(lái)反映土地利用/覆蓋類型變化速度快慢的一種指標(biāo)，動(dòng)態(tài)度越高表示土地變化速度越快，兩者呈正相關(guān)關(guān)系［15-16］。其中，土地利用/覆蓋動(dòng)態(tài)度又包括單一土地利用/覆蓋動(dòng)態(tài)度和綜合土地利用/覆蓋動(dòng)態(tài)度兩大類。單一土地利用/覆蓋動(dòng)態(tài)度（K）是反映某一種土地利用/覆蓋類型在某段時(shí)間內(nèi)的變化速率快慢。其公式為：

式中：p為第p類土地利用/覆蓋類型，Uq表示研究時(shí)段末期該類土地利用/覆蓋類型的面積，Up表示研究時(shí)段初期該類土地利用/覆蓋類型的面積，T表示研究時(shí)段的時(shí)長(zhǎng)。

綜合土地利用/覆蓋動(dòng)態(tài)度（LC）是反映多種土地利用/覆蓋類型在某段時(shí)間內(nèi)綜合變化速率的快慢。其公式為：

式中：|ΔUq-p|表示在研究時(shí)段內(nèi)第p類土地利用/覆蓋類型轉(zhuǎn)變?yōu)閝類（非p類）土地利用/覆蓋類型的面積。

1.5 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

轉(zhuǎn)移矩陣由俄國(guó)數(shù)學(xué)家馬爾科夫提出，是用來(lái)表示事物客觀轉(zhuǎn)移規(guī)律的一種數(shù)學(xué)方法。其特點(diǎn)是系統(tǒng)內(nèi)某項(xiàng)事物的第n次轉(zhuǎn)移結(jié)果只由第n-1次轉(zhuǎn)移所決定，即結(jié)果只受當(dāng)前所處狀態(tài)影響［17］，而土地利用/覆蓋轉(zhuǎn)移矩陣（R）是用以描述土地利用/覆蓋類型在某段時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)化情況的一種方法。其公式為：

式中：n是土地利用/覆蓋類型的數(shù)目，Rpq表示第p種土地利用/覆蓋類型轉(zhuǎn)為第q種的面積大小。

1.6 景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)模型構(gòu)建

1.6.1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)單元的劃分 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)單元的劃分是景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中的重要步驟，劃分的目的是以各風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)單元為單位，計(jì)算各單元內(nèi)的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)并用作后期的計(jì)算和分析。在本研究中，經(jīng)過(guò)對(duì)研究區(qū)大小和數(shù)據(jù)計(jì)算量的綜合考量，將研究區(qū)劃分為10 km×10 km的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)單元，共計(jì)4785個(gè)。分別計(jì)算類型尺度（class metrics）下各類景觀類型的面積（Ai）和各類土地覆蓋類型的斑塊個(gè)數(shù)（Npi）；景觀尺度（landscape metrics）下風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)單元的面積（A）和各風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)單元內(nèi)的總斑塊數(shù)（NP）。本研究利用Fragstats 4.2軟件計(jì)算景觀指數(shù)［18］。

1.6.2 景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的構(gòu)建 景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的構(gòu)建是景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)定量分析的關(guān)鍵。本研究選擇利用景觀脆弱度指數(shù)和景觀干擾度指數(shù)共同構(gòu)建景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，其生態(tài)含義及計(jì)算方法如下：

景觀脆弱度指數(shù)（Fi）是對(duì)某種土地利用/覆蓋類型穩(wěn)定程度的定量表示，表示某景觀類型在遭受外部因素影響或外力干擾時(shí)的抵御能力，該數(shù)值越高表示景觀越脆弱。根據(jù)甘肅省土地利用/覆蓋類型的特點(diǎn)并結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，通過(guò)專家打分法對(duì)不同土地利用/覆蓋類型賦值從而對(duì)指標(biāo)進(jìn)行量化，賦值由低到高依次為：濕地1，水體2，常年冰雪3，耕地4，草地5，灌叢6，林地7，裸地8，建設(shè)用地9；對(duì)所賦數(shù)值進(jìn)行歸一化處理，運(yùn)用Z-Scores標(biāo)準(zhǔn)方程將其歸一化［19］，得到的歸一化Fi分別為：濕地0.02，水體0.04，常年冰雪0.06，耕地0.08，草地0.10，灌叢0.12，林地0.14，裸地0.16，建設(shè)用地0.18。

景觀干擾度指數(shù)（Ei）是對(duì)研究區(qū)范圍內(nèi)不同景觀所受干擾程度大小的定量表達(dá)，該數(shù)值越高，表示所受的干擾程度越大。其中，景觀干擾度指數(shù)又由景觀破碎度指數(shù)，景觀優(yōu)勢(shì)度指數(shù)和景觀分離度指數(shù)共同構(gòu)成［20］。

景觀破碎度指數(shù)（Ci）表示景觀破碎化程度的高低，反映的是某一連續(xù)大面積的土地利用/覆蓋類型在遭受人為或自然因素干擾后被分割為面積較小的破碎斑塊，破碎程度越高則破碎度指數(shù)越大。其公式為：

式中：ni代表第i種土地利用/覆蓋類型斑塊的個(gè)數(shù)，A代表風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)單元的面積（10 km×10 km）。

景觀分離度指數(shù)（Ni）用以描述某一景觀類型各斑塊的分離程度，分離度指數(shù)越大代表各斑塊越分散，不同土地利用/覆蓋類型共存度越高，景觀分布越混雜［21］。其公式為：

式中：Ai代表第i種土地利用/覆蓋類型的面積。

景觀優(yōu)勢(shì)度指數(shù)（Ki）表示區(qū)域內(nèi)不同景觀類型的斑塊數(shù)量、斑塊大小以及不同土地利用/覆蓋類型總面積由主到次的排列順序，可以反映出哪些景觀類型在區(qū)域內(nèi)處于優(yōu)勢(shì)地位，各種不同的土地利用/覆蓋類型共同支配著區(qū)域的景觀結(jié)構(gòu)和特征。景觀優(yōu)勢(shì)度指數(shù)與景觀多樣性成反比，對(duì)于景觀類型數(shù)目相同的不同景觀，多樣性指數(shù)越大，其優(yōu)勢(shì)度越?。?2］。其公式為：

式中：N代表斑塊總數(shù)，mi代表出現(xiàn)第m類土地利用/覆蓋類型的風(fēng)險(xiǎn)單元個(gè)數(shù)，M代表總風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)單元個(gè)數(shù)。

根據(jù)已有研究結(jié)果及研究區(qū)具體情況，依照景觀破碎度指數(shù)、景觀分離度指數(shù)、景觀優(yōu)勢(shì)度指數(shù)三者對(duì)景觀干擾度指數(shù)的貢獻(xiàn)度大小進(jìn)行歸一化處理，得到最終的景觀干擾度指數(shù)，其計(jì)算公式為：

最終，經(jīng)過(guò)對(duì)景觀脆弱度指數(shù)和景觀干擾度指數(shù)的綜合考量，計(jì)算出各風(fēng)險(xiǎn)單元的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，再通過(guò)空間插值的方法將數(shù)值賦予單元的幾何中心上?？臻g插值是生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)狀況的一種可視化途徑，此處用到的插值方法為普通克里金插值，再利用球模型進(jìn)行半變異函數(shù)擬合，這種方法所得的數(shù)據(jù)平滑且連續(xù)性強(qiáng)，總體插值精度高，在地理信息和氣象學(xué)方面均有著廣泛的應(yīng)用［22］。利用自然斷點(diǎn)法將生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（ecological risk index，ERI）劃分為5個(gè)梯度：低風(fēng)險(xiǎn)（0.0105～0.0135），較低風(fēng)險(xiǎn)（0.0135～0.0164），中等風(fēng)險(xiǎn)（0.0164～0.0200），較高風(fēng)險(xiǎn)（0.0200～0.0243）和高風(fēng)險(xiǎn)（0.0243～0.0296）。景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)計(jì)算公式為：

式中：ERIk表示第k個(gè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)單元的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。

1.6.3 空間自相關(guān)分析 空間自相關(guān)分析研究的是某一具體變量在空間上是否具有相關(guān)關(guān)系及其相關(guān)程度如何，可用以度量該變量對(duì)空間特征的影響?？臻g自相關(guān)分為全局自相關(guān)和局部自相關(guān)兩大類。全局自相關(guān)描述的是某變量值在全體范圍內(nèi)分布的空間相關(guān)性，而局部自相關(guān)描述的是某單元內(nèi)變量的值與該單元空間相鄰的其他單元變量的值之間的相關(guān)性及相關(guān)程度?？臻g自相關(guān)定量分析的重要關(guān)聯(lián)度計(jì)算指標(biāo)為莫蘭指數(shù)（Moran’sI），該指數(shù)取值范圍為-1～1，其中：-1～0表示該變量在空間上存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，0～1表示存在正相關(guān)關(guān)系，0則表示在空間分布上無(wú)相關(guān)性［23］?？臻g自相關(guān)分析由ArcGIS 10.2空間分析模塊中的空間自相關(guān)工具（spatial autocorrelation）完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用/覆蓋變化統(tǒng)計(jì)分析

2.1.1 土地利用/覆蓋類型面積 各期土地利用/覆蓋類型分布及面積如表2、圖2所示：2005-2019年，草地面積位列第一，且面積隨著時(shí)間推移不斷增加，從2005年的223086.15 km2增長(zhǎng)到2019年的227158.02 km2，變化率1.83%；裸地面積穩(wěn)定在第二位，但面積隨著時(shí)間的推移不斷減少，從2005年的162165.96 km2減少到2019年的159110.82 km2，變化率1.88%；耕地和林地面積分列第3、4位，其中：耕地由2005年的64964.07 km2變化至2019年的63460.80 km2，面積先升高后降低；林地面積呈逐年下降的態(tài)勢(shì)，由2005年的55452.24 km2降至2019年的54712.53 km2，變化率1.33%；常年冰雪與濕地二者面積變化幅度較小，總體保持穩(wěn)定；灌叢面積先升高后微降，整體由2005年的506.52 km2增長(zhǎng)至2019年的518.76 km2；水體面積隨時(shí)間推移不斷增加，由2005年的477.99 km2增至2019年的510.30 km2，變化率6.76%；建設(shè)用地面積不斷增長(zhǎng)，從2005年的618.39 km2增 長(zhǎng) 到2019年 的1800.00 km2，增 加 了1181.61 km2，變化率191.08%，在所有土地利用/覆蓋類型中變化程度最明顯。

圖2 甘肅省土地利用/覆蓋類型分布Fig.2 Distribution of land use/cover types in Gansu Province

表2 土地利用/覆蓋類型面積Table 2 Area of each land use/cover type

2.1.2 土地利用/覆蓋動(dòng)態(tài)度 以5年為一期，分別 計(jì) 算2005-2010年，2010-2015年，2015-2019年3個(gè)時(shí)期內(nèi)的單一土地利用/覆蓋動(dòng)態(tài)度和綜合土地利用/覆蓋動(dòng)態(tài)度。由表3可得，3個(gè)階段中，變化速率最快的均為建設(shè)用地且3個(gè)時(shí)期內(nèi)的變化速率都保持較高水平，其中2005-2010年間變化速率最大，達(dá)9.15%；其余發(fā)生較快變化的土地利用/覆蓋類型還有耕地、灌叢和水體，其中耕地在2015-2019年間變化速率最快，達(dá)-0.44%，灌叢在2005-2010年間變化速率最快，達(dá)0.59%，而水體在2010-2015年、2015-2019年2個(gè)時(shí)期內(nèi)的動(dòng)態(tài)度都保持較高水平，分別達(dá)0.43%和0.79%；綜合動(dòng)態(tài)度最大的階段是2010-2015年和2015-2019年，變化速率均為0.09%。

表3 土地利用/覆蓋動(dòng)態(tài)度Table 3 Dynamic degree of land use/cover（%）

2.1.3 土地利用/覆蓋轉(zhuǎn)移矩陣 為了更好地研究甘肅省2005-2019年間各土地利用/覆蓋類型之間的轉(zhuǎn)化情況，借助土地利用/覆蓋類型轉(zhuǎn)移矩陣分析其變化（表4）?？傮w來(lái)看，3個(gè)時(shí)期土地利用/覆蓋類型的主要變化都存在于耕地和草地的互轉(zhuǎn)，林地和草地的互轉(zhuǎn)，草地和裸地的互轉(zhuǎn)，耕地、林地和草地向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)入4個(gè)方面。此外，2005-2010年間還主要存在草地向灌叢的轉(zhuǎn)入、裸地向耕地的轉(zhuǎn)入；2010-2015年間還主要存在耕地向林地的轉(zhuǎn)入；2015-2019年間還主要存在耕地向林地的轉(zhuǎn)入、裸地向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)入（圖3）。

表4 2005-2019年土地利用/覆蓋轉(zhuǎn)移矩陣Table 4 Land use/cover transfer matrix from 2005 to 2019

圖3 2005-2019年甘肅省土地覆蓋類型轉(zhuǎn)移Fig.3 Transfer of land cover types in Gansu Province from 2005 to 2019

2.2 景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空分析

2005、2010、2015和2019年的4個(gè)時(shí)期景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)空分析如圖4所示。5種生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)中，低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積較多，中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積所占比例較少。低風(fēng)險(xiǎn)和較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域主要分布于河西走廊中東部、隴中黃土高原、隴東地區(qū)以及隴南山地大部分，以上地區(qū)人類活動(dòng)相對(duì)頻繁，在受到人類干擾后的損失度低，景觀干擾度指數(shù)較小，此外該區(qū)域土地利用/覆蓋類型以草地、耕地為主且土地覆蓋連續(xù)性高，因此景觀的脆弱和破碎程度較低，致使生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)處于較低水平。中高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域分布較集中，主要位于甘肅北部的酒泉、武威和張掖以及南部的隴南和天水境內(nèi)，其中酒泉、張掖和武威境內(nèi)降水稀少、蒸發(fā)量大，屬于典型的溫帶干旱與半干旱氣候類型，地表植被稀疏，生物多樣性低，土地利用/覆蓋類型單一，裸地和常年冰雪成為該區(qū)域的主要類型，因此景觀脆弱度和優(yōu)勢(shì)度指數(shù)大，致使生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平維持在較高水平；天水南部和隴南的大部分地區(qū)為亞熱帶季風(fēng)氣候，降水充沛，植被類型開(kāi)始由草地向林地轉(zhuǎn)變，此外該地區(qū)海拔差異較大，景觀具有明顯的垂直地帶性，各景觀類型交錯(cuò)分布，導(dǎo)致景觀的破碎和分離程度上升，因此生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)也較高。此外，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的空間變化還存在典型的地帶過(guò)渡性，表現(xiàn)為中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)出現(xiàn)在低風(fēng)險(xiǎn)和較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)外圍，較高風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分布于中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)外圍，形成了生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的梯度變化。

圖4 甘肅省景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分布Fig.4 Spatial distribution of landscape ecological risk in Gansu Province

2005-2010年間，甘肅省景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)狀況整體保持穩(wěn)定，ERI均值維持在0.0147上下；各風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積占比變化較小，其中低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)占比最高，達(dá)60%以上，低風(fēng)險(xiǎn)和較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積占比達(dá)70%以上，整體風(fēng)險(xiǎn)保持在較低水平，但中高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)生態(tài)狀況改善不明顯，空間分布位置未發(fā)生明顯改變，氣候條件是制約地區(qū)生態(tài)環(huán)境改善的主要因素。2010-2015年間，甘肅省景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)整體上升，低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)大面積向較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)轉(zhuǎn)變，中高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域面積有所增長(zhǎng)（表5）。2015年低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域占比由2010年的61.37%降至32.31%，中高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域面積由2010年的29.42%增至34.33%。其中隴中、隴東和隴南的大部分地區(qū)生態(tài)環(huán)境較為穩(wěn)定，這得益于地區(qū)興修梯田、積極營(yíng)造水保林以及推動(dòng)生態(tài)自然保護(hù)區(qū)建設(shè)；此外定西、平?jīng)龊蛻c陽(yáng)所在的隴中和隴東地區(qū)近年來(lái)開(kāi)始推廣牧草種植，發(fā)展草牧業(yè)等生態(tài)友好型產(chǎn)業(yè)，這也對(duì)生態(tài)環(huán)境的改善有所幫助。除以上地區(qū)外，其余地區(qū)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)則出現(xiàn)不同程度升高，低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域開(kāi)始向幾何中心內(nèi)部收縮，北部的中高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域有向南移動(dòng)的趨勢(shì)。以生態(tài)環(huán)境退化較嚴(yán)重的蘭州市和白銀市為例：近年來(lái)在兩地城市建設(shè)不斷加強(qiáng)的背景下，建設(shè)用地迅速擴(kuò)張，景觀脆弱度隨之增大；此外為了發(fā)展農(nóng)業(yè)，部分林地和草地植被遭到破壞，原本較為完整的景觀類型變得破碎化，使得兩地的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)顯著升高［4］。2015-2019年間，甘肅省景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)略有上升，ERI均值由2015年的0.01660上升至2019年的0.01663，低風(fēng)險(xiǎn)和較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積均出現(xiàn)下降，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積增長(zhǎng)近1%，整體生態(tài)狀況較研究初期相比退化明顯。

表5 各生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積所占百分比Table 5 Percentage of area of each ecological risk level（%）

2.3 景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間相關(guān)性分析

2.3.1 全局自相關(guān)分析 通過(guò)計(jì)算2005、2010、2015和2019年4期景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)的莫蘭指數(shù)，結(jié)果如表6所示。由計(jì)算結(jié)果可知在2005-2019年間，莫蘭指數(shù)呈逐年下降的態(tài)勢(shì)，由2005年的0.8255降至2019年的0.8076，盡管如此其數(shù)值仍然較大，景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)呈現(xiàn)出較強(qiáng)的空間聚集效應(yīng)，即在景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值高的區(qū)域其周圍的風(fēng)險(xiǎn)值也較高，景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值低的區(qū)域其周圍的風(fēng)險(xiǎn)值也較低。這說(shuō)明甘肅省景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的分布情況相對(duì)集中，破碎和分離程度較低。從生態(tài)建設(shè)的角度而言，需提高景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)高低交接處的管控，嚴(yán)防高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)向低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)擴(kuò)散；還應(yīng)注意保持低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)內(nèi)部的景觀整體性，避免其內(nèi)部生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)上升。

表6 各時(shí)期莫蘭指數(shù)和P值Table 6 Moran’s I and P value of each period

2.3.2 局部自相關(guān)分析 對(duì)2005、2010、2015和2019年景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行局部自相關(guān)分析，得到的集聚情況如圖5所示。4個(gè)時(shí)期“高高聚集區(qū)”和“低低聚集區(qū)”分布較為集中，其中“高高聚集區(qū)”主要集中分布于甘肅省北部的酒泉市境內(nèi)，其余零散分布于武威、天水和隴南地區(qū)，“低低聚集區(qū)”集中分布的區(qū)域位于河西走廊中東部、隴中黃土高原和隴東地區(qū)，此外在甘南草原以及河西走廊西部地區(qū)還有部分分布；“高低聚集區(qū)”和“低高聚集區(qū)”面積很少，其中“低高聚集區(qū)”主要在武威市北部集聚分布。2005-2010年間，“高高聚集區(qū)”和“低低聚集區(qū)”的面積與分布變化不大；2010-2015年間，“低低聚集區(qū)”面積明顯減少，連續(xù)性和完整度降低，減少的區(qū)域主要位于河西走廊中東部，隴中和隴東地區(qū)變化不明顯，這也與同期景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)克里金插值的空間分布格局保持較高一致性；2015-2019年間各聚集區(qū)情況基本保持穩(wěn)定。

圖5 甘肅省景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間局部自相關(guān)集聚Fig.5 Local autocorrelation clustering of landscape ecological risk space in Gansu Province

3 討論

本研究結(jié)果表明，甘肅省耕地、林地、草地和裸地之間轉(zhuǎn)化頻繁，建設(shè)用地面積增長(zhǎng)迅速，導(dǎo)致原有的景觀格局發(fā)生明顯變化。4個(gè)時(shí)期中，甘肅省生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)具有明顯的空間分異性［24］，整體呈現(xiàn)北高南低的分布特點(diǎn)，各風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)間也具有明顯的梯度變化；盡管中高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積所占的比例變化不大，但甘肅省整體的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)還是由低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)大量向較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)轉(zhuǎn)化而呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)。景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)在空間上的聚集效應(yīng)顯著，以高高聚集和低低聚集為主導(dǎo)的局部自相關(guān)格局也與同期生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的分布密切相關(guān)，其面積與空間的變化與克里金插值下的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化一致性較高。

綜合以上分析，為甘肅省景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的管理調(diào)控提供以下建議：對(duì)于低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)如定西、天水和臨夏等地，盡管生態(tài)環(huán)境總體較好，但區(qū)域內(nèi)景觀類型相對(duì)單一，一旦受到破壞將難以恢復(fù)，因此需要加強(qiáng)各景觀類型間的有機(jī)聯(lián)系，提高生物多樣性，不斷提升抗干擾能力；應(yīng)當(dāng)有節(jié)制地開(kāi)發(fā)利用各項(xiàng)資源，遵循生態(tài)優(yōu)先原則，以實(shí)現(xiàn)自然和經(jīng)濟(jì)的健康可持續(xù)發(fā)展。對(duì)于較低和中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)如白銀和蘭州等地，應(yīng)積極實(shí)行自然保育政策，提高植被覆蓋率，加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境的自我修復(fù)；推進(jìn)景觀綜合治理，降低景觀破碎度，提升景觀完整性和連續(xù)性；提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平，促進(jìn)農(nóng)業(yè)資源合理配置，避免耕地的不合理利用；建立完善的生態(tài)補(bǔ)償制度，嚴(yán)格限制開(kāi)發(fā)強(qiáng)度，在保護(hù)與利用之間尋找平衡點(diǎn)［25］，避免因過(guò)度利用而造成生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化。對(duì)于較高和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)如酒泉和武威等地，應(yīng)鼓勵(lì)防風(fēng)造林，退耕還林還草，加強(qiáng)對(duì)裸露地表的植被覆蓋，防治水土流失和土地沙漠化；推廣節(jié)水型農(nóng)業(yè)，加強(qiáng)水源涵養(yǎng)，提高水資源利用和配置效率。此外，還應(yīng)建立多重生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)緩沖區(qū)、加大生態(tài)環(huán)境的監(jiān)管力度、提高生態(tài)調(diào)查結(jié)果反饋效率和加強(qiáng)民眾生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識(shí)等。

本研究基于土地利用/覆蓋動(dòng)態(tài)變化的研究方法，通過(guò)對(duì)各景觀數(shù)量、分布、結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)注以及對(duì)實(shí)際景觀格局與最優(yōu)景觀格局之間的偏離程度的評(píng)估，綜合分析了甘肅省的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，該方法技術(shù)成熟，運(yùn)用廣泛，適合所有區(qū)域的綜合評(píng)價(jià)［7］，在本研究中取得的結(jié)果較好。此外本研究立足于甘肅省，針對(duì)目前研究較為缺乏的農(nóng)牧交錯(cuò)帶、黃土丘陵區(qū)等自然地域進(jìn)行了景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的定量分析，這對(duì)該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行了有效補(bǔ)充，有利于地區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的防治管控，為后期更多自然地域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)研究提供經(jīng)驗(yàn)和指導(dǎo)。但同時(shí)本研究仍存在一定不足之處：第一，本研究所采用的土地利用/覆蓋產(chǎn)品（CCI-LC），盡管其分類精度較高，但仍不可避免會(huì)出現(xiàn)部分景觀分類錯(cuò)誤的情況，此外在研究中僅選用了部分時(shí)間節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，這會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)整體的可用度和適用性下降。第二，在景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)構(gòu)建中，風(fēng)險(xiǎn)的分級(jí)設(shè)定存在一定主觀性，由于各區(qū)域內(nèi)的驅(qū)動(dòng)力主次順序不盡相同，因此一種分級(jí)結(jié)果并不能完全契合所有區(qū)域內(nèi)的具體情況。第三，本研究?jī)H以景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)要素為指標(biāo)分析生態(tài)環(huán)境的安全性，此方法雖可行有效但沒(méi)有考慮到氣候、地形、地貌和社會(huì)因素等，缺乏多尺度綜合評(píng)價(jià)，并不具有絕對(duì)性［25］。綜合以上問(wèn)題，在今后的研究中，可以將土地利用/覆蓋產(chǎn)品和目視解譯相結(jié)合，用以提高景觀分類精度；通過(guò)縮短各數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)時(shí)間間隔的方法提高數(shù)據(jù)適用性；進(jìn)一步完善景觀生態(tài)學(xué)內(nèi)涵和評(píng)價(jià)體系，使其能夠更加準(zhǔn)確地對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估；綜合考慮多種因素對(duì)景觀環(huán)境的影響，對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行多尺度綜合評(píng)價(jià)。

4 結(jié)論

從土地利用/覆蓋變化、景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空特征兩個(gè)方面對(duì)甘肅省生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果表明：1）2005-2019年，甘肅省9種土地利用/覆蓋類型中，以草地和裸地為主；所有景觀類型在20年間均發(fā)生不同程度的轉(zhuǎn)化，其中耕地、林地、草地、裸地和建設(shè)用地的變化較為劇烈。2）15年來(lái)，甘肅省景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)明顯上升，其中低風(fēng)險(xiǎn)和較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域面積占比最大，轉(zhuǎn)化最頻繁；低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積減少29.20%，較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積增長(zhǎng)23.94%，中等風(fēng)險(xiǎn)、較高風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積分別增長(zhǎng)3.73%、0.97%和0.56%；低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要集中于隴中、隴東和河西走廊的部分地區(qū)，中高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在甘肅省北部以及南部的天水市、隴南市，北部的中高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)有向南移動(dòng)的趨勢(shì)。3）2019年相較于2005年，Moran’sI略有下降，但生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)在空間上仍呈顯著正相關(guān)分布，聚集效應(yīng)強(qiáng)；局部自相關(guān)分布格局與同期生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)克里金插值的空間分布保持較高一致性，“高高聚集區(qū)”主要分布于甘肅省北部，“低低聚集區(qū)”主要分布于臨夏、定西、天水、平?jīng)?、慶陽(yáng)、隴南以及河西走廊的部分地區(qū)，“低高聚集區(qū)”則在武威市北部聚集；“高高聚集區(qū)”的面積與分布相對(duì)穩(wěn)定，“低低聚集區(qū)”面積顯著下降，變化主要存在于隴中地區(qū)及河西走廊中東部。