基于景觀格局的川西北高原生態(tài)風險時空分析

房彥妮， 巨聆帆， 向明順,c*， 王春建,c

(成都理工大學 a.旅游與城鄉(xiāng)規(guī)劃學院 b.地球科學學院 c.青藏高原及其東緣人文地理研究中心，四川 成都 610000)

關(guān)鍵字：生態(tài)風險；景觀格局；土地利用；川西北高原

0 引言

隨著世界各國對自然資源的開發(fā)和利用，生態(tài)環(huán)境承受來自人類活動的壓力與日俱增[1]，資源短缺、環(huán)境污染和生態(tài)脆弱等問題相繼出現(xiàn)[2]，制約了社會發(fā)展和經(jīng)濟進步.在此背景下，生態(tài)風險研究應(yīng)運而生.生態(tài)風險是指在自然災(zāi)害或人類活動影響下，生態(tài)系統(tǒng)各組分發(fā)生改變從而對生態(tài)系統(tǒng)健康產(chǎn)生威脅的可能性，具有危害性、復(fù)雜性和動態(tài)性等特點[3-5].近年來，隨著景觀生態(tài)學的不斷發(fā)展，基于土地利用的景觀格局指數(shù)作為度量生態(tài)過程和空間格局相互關(guān)系的重要方法[6-7]，被國內(nèi)外學者廣泛地應(yīng)用在生態(tài)風險分析中，從而為科學實施風險管理、合理利用生態(tài)資源和嚴格進行環(huán)境管制提供決策依據(jù).以景觀格局為基礎(chǔ)的生態(tài)風險研究已有了成熟完備的研究框架和方法體系，研究對象多為流域[8-10]、城市[11-13]、礦區(qū)[14-15]、海岸帶[16-17]等人類活動頻繁的中小尺度區(qū)域，而對大尺度和景觀異質(zhì)性較強的生態(tài)脆弱區(qū)的研究則較為薄弱.

川西北高原是長江和黃河的重要屏障，該區(qū)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，景觀破碎化嚴重，是我國典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)和生態(tài)氣候敏感區(qū)[18].受其自然條件的限制及資源的長期不合理利用，該地區(qū)已成為四川省生態(tài)環(huán)境問題較為突出的典型區(qū)域之一.前人對川西北高原的研究主要集中在植被指數(shù)時空演變[18-19]、生態(tài)空間格局構(gòu)建[20]、生態(tài)環(huán)境脆弱性評價[21]和地質(zhì)環(huán)境探究[22-23]等，對其全域的生態(tài)風險研究仍較缺乏.因此，本文基于這一特定區(qū)域，在景觀格局的基礎(chǔ)上建立生態(tài)風險評價體系，運用ArcGIS分析其風險時空演變特征，以期為高原生態(tài)風險防范提供理論支持和決策依據(jù)，進而維護川西北高原生態(tài)功能，優(yōu)化區(qū)域生態(tài)環(huán)境管理.

1 研究區(qū)概況

川西北高原地處青藏高原東南緣，地跨阿壩藏族羌族自治州和甘孜藏族自治州，包括白玉縣、汶川縣和九寨溝縣等31個縣，范圍為97°24′—107°42′E、31°20′—34°08′N，轄區(qū)面積約8.2萬km2，平均海拔在3000～4000米，區(qū)內(nèi)谷底寬展，階地廣布，地貌類型以丘狀高原類型為主，地勢呈東低西高形態(tài)，地質(zhì)構(gòu)造強烈，滑坡、泥石流和崩塌等災(zāi)害頻發(fā)，是我國地質(zhì)災(zāi)害較為嚴重的區(qū)域之一.研究區(qū)整體屬高原寒溫帶，是大陸季風氣候與高原季風氣候的過渡區(qū)域，全年長冬無夏，春秋相連，空氣稀薄，光能資源豐富，因其地形特殊，且受季風環(huán)流的影響，研究區(qū)呈現(xiàn)降雨集中、無霜期短的特點.土壤類型多為高山泥炭土、亞高山和高寒草甸土，局部地區(qū)有荒漠土和沼澤土.近年來，一系列不合理的建設(shè)工程和資源開發(fā)活動，使得川西北高原草原沙化現(xiàn)象嚴重，森林和濕地生態(tài)系統(tǒng)破壞明顯，水土流失、植被退化等問題突出.

2 數(shù)據(jù)來源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心(https://www.resdc.cn/)，并在ArcGIS平臺中將區(qū)域土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用土地6種類型；行政區(qū)劃數(shù)據(jù)來源于Open Street Map 提供的公開數(shù)據(jù)集(https://www.openstreetmap.org/).

2.2 研究方法

2.2.1 風險小區(qū)劃分

為了將景觀生態(tài)風險指數(shù)空間化，在考慮研究區(qū)范圍的基礎(chǔ)上，運用ArcGIS中create fishnet功能將川西北高原劃分為5 km×5 km的生態(tài)風險小區(qū)采樣方格，共得到2507個生態(tài)風險小區(qū).

2.2.2 景觀生態(tài)風險模型構(gòu)建

選取景觀干擾度指數(shù)、脆弱度指數(shù)和損失度指數(shù)，構(gòu)建生態(tài)風險評價模型，分析川西北地區(qū)2010、2015和2020年生態(tài)風險的大小及時空變化特征.

(1)景觀干擾度指數(shù)(Ei).

景觀干擾度表示不同景觀類型受外界干擾的程度.E1由景觀破碎度指數(shù)(Ci)、景觀分離度指數(shù)(Ni)、景觀優(yōu)勢度(Di)計算得出，其表達式為；

Ei=aCi+bNi+cDi.

其中，景觀破碎度表達式為：

景觀分離度表達式為：

景觀優(yōu)勢度表達式為：

式中：ni為景觀類型i的斑塊數(shù)，n為斑塊總數(shù)量，Ai為景觀類型i的總面積，A為景觀總面積.a、b、c、d、e為各指數(shù)的權(quán)重.考慮到研究區(qū)的地域及景觀特點以及參考文獻[13,24-25]，對a、b、c、d和e分別賦以0.5、0.3、0.2、0.6和0.4的權(quán)重.

(2)景觀脆弱度指數(shù)(Fi).

景觀脆弱度表示各類型景觀受外界干擾后的脆弱程度.基于研究區(qū)實際情況，并參考相關(guān)研究成果[26-27]，采用專家打分法，將研究區(qū)未利用地、水域、耕地、草地、林地、建設(shè)用地的脆弱性從高到低分為6級，歸一化處理以后得到各景觀類型的脆弱度指數(shù)Fi.

(3)景觀損失度指數(shù)(Ri).

景觀損失度表示景觀抵抗外界干擾的損失程度，計算公式如下：

Ri=EiFi.

(4)景觀風險指數(shù)(ERIi).

景觀風險指數(shù)(ERIi)由景觀損失度(Ri)及景觀類型面積比重計算得出，公式如下：

式中：Aki為第k個風險小區(qū)第i類景觀的面積，Ak為第k個風險小區(qū)的面積.

3 結(jié)果分析

3.1 區(qū)域景觀要素變化

計算川西北高原各種土地利用類型面積占比可知，草地和林地為研究區(qū)主要景觀類型.2010—2020年，草地面積顯著減少，由原來總面積占比的60.68%減少到59.03%;林地面積的漲幅最大，由原來總面積占比的30.62%增長到31.94%;水域、耕地、未利用地和建設(shè)用地的面積分別增加了0.12%、0.10%、0.07%和0.05%，呈小幅增加趨勢.各土地利用類型占比如圖1所示.

圖1 2010-2020年間研究區(qū)土地利用類型面積占比

3.2 區(qū)域景觀指數(shù)變化

利用 Fragstats4 軟件，按上述公式計算以后，得到研究區(qū)2010、2015和2020年各景觀類型的景觀格局指數(shù)，具體如表1所示.由表1可見,研究期間景觀指數(shù)發(fā)生了較大變化，草地的破碎度和分離度顯著增加，表明草地景觀分布趨于分散化，呈現(xiàn)隨機分布的格局.這是由于川西北高原是少數(shù)民族高原藏區(qū)，畜牧業(yè)是當?shù)氐闹еa(chǎn)業(yè)，牧民不合理的放牧方式會對天然草地產(chǎn)生一定的負面影響，使得草地面積減少.林地作為區(qū)域優(yōu)勢景觀，其優(yōu)勢度較大，因研究區(qū)實施退耕還林、退牧還林等項目，促使林地面積增加，因此研究期間林地的破碎度和分離度均降低，景觀趨于集中化，景觀損失度減少.水域的分離度和干擾度降低，優(yōu)勢度增加，分布面積持續(xù)增多.2010—2020年，建設(shè)用地優(yōu)勢度整體呈增加趨勢，破碎度和分離度大幅降低，面積持續(xù)增加，這說明在城鎮(zhèn)化不斷加快的背景下，城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積增加的現(xiàn)象加劇，建設(shè)用地各斑塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，聚集程度增強.研究區(qū)不同景觀類型的干擾度差異較大，建設(shè)用地干擾度最大，水域和耕地次之，且隨時間變化，除草地之外的其他景觀類型干擾度均有降低趨勢.其中，建設(shè)用地和未利用地持續(xù)擴展，連通性增加使其抗干擾能力得到加強，因此，這兩類景觀的干擾度變化明顯，下降趨勢顯著.

表1 2010—2020年間研究區(qū)景觀格局指數(shù)

3.3 區(qū)域生態(tài)風險時空分析

根據(jù)公式計算出各風險小區(qū)的景觀生態(tài)風險指數(shù)(ERI)，借助ArcGIS中的自然段點法將生態(tài)風險分為5個等級：分別為低生態(tài)風險、較低生態(tài)風險、中生態(tài)風險、較高生態(tài)風險和高生態(tài)風險，利用克里金插值法獲得研究區(qū)的景觀生態(tài)風險空間分布情況(見圖2)，統(tǒng)計不同等級生態(tài)風險區(qū)的面積及比例，結(jié)果如表2所示.

由圖2可知，高、較高和中生態(tài)風險區(qū)主要分布在研究區(qū)西部、東北部和東南部，面積隨時間變化逐漸減少，這些區(qū)域的未利用地和水域分布較為廣泛，其中未利用地的景觀連通性和整體性較差，生物多樣性較低，而水域的破碎度較高.故這些區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱，生態(tài)系統(tǒng)的抗風險能力較差.較低、低生態(tài)風險區(qū)主要位于川西北高原東部，研究期間其面積逐漸增大，該地區(qū)土地利用類型以林地和草地為主，景觀損失度較小，林地和草地還具有涵養(yǎng)水分、調(diào)節(jié)氣候和保持水土的功能，且該區(qū)建設(shè)用地占比較小，受人類活動影響不大，水域和未利用地分布較少，故區(qū)域生態(tài)風險較低.

圖2 2010-2020年研究區(qū)生態(tài)風險分區(qū)

從面積上看，川西北高原各等級生態(tài)風險的面積發(fā)生了較大變化.如表2所示，10年間研究區(qū)低生態(tài)風險區(qū)面積小幅減少，共減少2.798×105hm2，所占比例降低1.21%；較低生態(tài)風險面積漲幅較大，共增加10.44×105hm2，所占比例增長4.53%；中生態(tài)風險面積減少了4.676×105hm2，所占比例減少2.03%；較高生態(tài)風險區(qū)域共減少5.003×105hm2，所占比例減少2.17%；高風險地區(qū)面積小幅增加，共增加2.037×105hm2，所占比例增加0.89%.依據(jù)表2可看出，川西北地區(qū)生態(tài)風險整體處于下降趨勢，2010年和2015年中生態(tài)風險占比最高，2020年中、較高生態(tài)風險面積占比呈降低趨勢，較低生態(tài)風險面積增長較快，區(qū)域生態(tài)風險情況由中風險為主導演化為以較低、中風險為主導的態(tài)勢.

表2 2010—2020年間研究區(qū)生態(tài)風險等級

3.4 生態(tài)風險轉(zhuǎn)換分析

基于生態(tài)風險評價結(jié)果，計算得到川西北高原地區(qū)10年間生態(tài)風險等級轉(zhuǎn)移矩陣，如表3所示.結(jié)果表明，2010—2020年川西北高原生態(tài)風險等級由高向低轉(zhuǎn)化了72.834×105hm2，占區(qū)域總面積的31.63%，而由低轉(zhuǎn)化為高的面積為66.845×105hm2，占區(qū)域總面積的29.03%，生態(tài)風險整體降低.川西北高原作為四川省生態(tài)環(huán)境問題突出的典型區(qū)域之一，2010年國務(wù)院發(fā)布的《關(guān)于印發(fā)全國主體功能區(qū)規(guī)劃的通知》將它納入了國家重點生態(tài)功能區(qū)，2011年《四川省國民經(jīng)濟社會發(fā)展第十二個五年規(guī)劃綱要》將它作為全省規(guī)劃發(fā)展的重點地區(qū).在2010—2020年間，川西北高原的生態(tài)環(huán)境治理工作得到了大力推進，區(qū)內(nèi)各類提升水源涵養(yǎng)能力、防治水土流失、遏制草地退化沙化、合理控制國土開發(fā)強度和規(guī)模等措施得到有效落實，生態(tài)保護和修復(fù)得到階段性成果，故區(qū)域生態(tài)風險呈下降趨勢，且速度加快.

表3 2010-2020年間研究區(qū)生態(tài)風險等級轉(zhuǎn)移矩陣 單位：105hm2

4 結(jié)論

本文以川西北高原地區(qū)為研究對象，以2010、2015、2020年三期土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過ArcGIS、Fragstats等軟件，從景觀格局的角度構(gòu)建生態(tài)風險模型，探討研究區(qū)生態(tài)風險演變特征，結(jié)論如下：

(1)川西北地區(qū)用地類型以草地和林地為主，研究期間草地面積大幅減少，草地破碎度和分離度顯著增加，林地面積漲幅較大，建設(shè)用地干擾度較大，優(yōu)勢度不斷增加，呈集聚性分布.

(2)川西北高原生態(tài)風險整體呈現(xiàn)西部、東北部和東南部高，東部地區(qū)低的空間分布特征，2010—2015年生態(tài)風險下降趨勢較緩，2015—2020年生態(tài)風險下降速度加快，生態(tài)風險情況由2010年的以中風險區(qū)為主轉(zhuǎn)變?yōu)?020年的以較低、中風險區(qū)為主的態(tài)勢.

(3)研究期間生態(tài)風險下降趨勢面積高于上升趨勢面積，川西北高原地區(qū)生態(tài)風險不斷下降，主要在于政府實施了一系列生態(tài)保護措施，使得研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量逐步提高，生態(tài)文明建設(shè)取得一定成就.

5 建議

川西北生態(tài)示范區(qū)作為四川省五大經(jīng)濟區(qū)之一，保障其經(jīng)濟進步與生態(tài)環(huán)境的和諧發(fā)展至關(guān)重要.結(jié)合研究區(qū)景觀生態(tài)風險演變結(jié)果，依據(jù)各等級生態(tài)風險區(qū)的區(qū)域特點和實際情況，參考《關(guān)于加快推進川西北生態(tài)示范區(qū)建設(shè)的實施意見》，對研究區(qū)提出相應(yīng)的建議，以期達到降低其生態(tài)系統(tǒng)損失的目的.

研究期間高、較高和中風險地區(qū)建設(shè)用地占比逐漸增大，草地破碎度和分離度增加，區(qū)域受人類活動影響逐漸增強，草地退化明顯，故政府應(yīng)制定限制開發(fā)和嚴格管理的保護政策，嚴格土地用途管制，推動城鎮(zhèn)低效用地再開發(fā)，提高土地利用水平，嚴格控制放牧和草地開墾強度，適當進行人工植被建設(shè)，加大草原蟲鼠害治理，加快提高植被覆蓋率，同時發(fā)展生態(tài)農(nóng)牧業(yè)，降低人類生產(chǎn)生活對生態(tài)環(huán)境的影響，提升綜合生態(tài)服務(wù)功能，以達到降低生態(tài)風險目的.

對于較低、低生態(tài)風險區(qū)，應(yīng)積極落實當?shù)氐纳鷳B(tài)修復(fù)政策，注重林地和草地的保護，減少耕地開墾，因地制宜地配置資源，控制建設(shè)開發(fā)強度，加大環(huán)境執(zhí)法力度，實施草原生態(tài)保護補償獎勵機制，合理進行旅游資源的開發(fā)與保護，以堅持生態(tài)保護為主旨，推行綠色生產(chǎn)生活方式，引導科技創(chuàng)新，加強節(jié)能技術(shù)的運用，減少環(huán)境污染和生態(tài)破壞，逐步發(fā)展低碳的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，向各單位和居民倡導綠色低碳生活方式，增強全民節(jié)約意識、環(huán)保意識和生態(tài)意識，做到生態(tài)建設(shè)和經(jīng)濟發(fā)展齊頭并進，從而實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展.