基于景觀格局指數(shù)的坪山河流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

鄧佳婧

摘 要 在城市的發(fā)展過程中，河流與陸域是不可分割且相互影響的兩個(gè)重要部分，對(duì)研究城市流域未來的發(fā)展方向具有重要意義。廣東省深圳市坪山區(qū)是粵港澳大灣區(qū)發(fā)展建設(shè)中關(guān)鍵的一環(huán)，因此以坪山河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，選取2001年、2013年和2019年的3期遙感影像數(shù)據(jù)，綜合運(yùn)用景觀生態(tài)學(xué)的基本原理與方法，利用遙感（Remote Sensing，RS）技術(shù)和地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）通過相關(guān)計(jì)算得出坪山河流域的景觀格局指數(shù)以構(gòu)建生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，并對(duì)近20年內(nèi)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)空變化特征進(jìn)行系統(tǒng)分析。結(jié)果表明：1）由于林地面積比重較大，其各景觀指數(shù)呈相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，建設(shè)用地面積持續(xù)增加，分離化減少，草地及水域受外界影響嚴(yán)重，損失度及分離度趨勢愈發(fā)嚴(yán)重；2）坪山河流域內(nèi)較高風(fēng)險(xiǎn)及高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域面積逐年減少，原有的集中式連片高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域格局被打破。通過對(duì)相關(guān)政策措施的研究可以得出水生態(tài)修復(fù)工作成效顯著，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)明顯降低，范圍逐漸縮小。

關(guān)鍵詞 景觀格局指數(shù)；生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；廣東省深圳市坪山河流域

中圖分類號(hào)：X826；X87 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2023.08.070

近年來，隨著城市的多元化發(fā)展，頻繁的人類活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境產(chǎn)生了巨大的影響，生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能受到了極大的挑戰(zhàn)。目前，關(guān)于生態(tài)環(huán)境的一系列問題受到學(xué)者的重點(diǎn)關(guān)注和研究，其中對(duì)景觀格局的研究在整個(gè)景觀生態(tài)學(xué)領(lǐng)域具有重要的意義。廣東省深圳市坪山區(qū)作為大灣區(qū)戰(zhàn)略的核心區(qū)之一，是深圳市未來發(fā)展極為重要的增長極。經(jīng)過查閱相關(guān)資料得知，景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)作為景觀生態(tài)學(xué)中一種常用的研究方法可以引入對(duì)坪山河流域的研究中。景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)是指在外界環(huán)境（人類、自然等因素）主動(dòng)或被動(dòng)的影響下，景觀格局與生態(tài)過程之間相互作用可能產(chǎn)生的不良效應(yīng)，對(duì)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行系統(tǒng)化的分析有利于區(qū)域生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展和有效指導(dǎo)未來城市更新的方向[1]。

1 研究區(qū)域概況

坪山河流域位于廣東省深圳市東北部的坪山新區(qū)，流域總面積（集雨面積）181 km2，該分區(qū)內(nèi)共有大小河流15條，其中干流1條（坪山河），一級(jí)支流11條，二、三級(jí)支流3條。流域地貌以丘陵、臺(tái)地、低山為主，地勢南高北低。干流東南側(cè)為低山和高丘陵，西北側(cè)為臺(tái)地和少數(shù)低丘陵。夏季經(jīng)常遭受南方臺(tái)風(fēng)的襲擊，導(dǎo)致形成局部暴雨和洪水災(zāi)害。降水量年內(nèi)分配不均，主要集中在夏季，占全年總降水量的86%，且年際變化大。坪山河流域內(nèi)以居住用地和工業(yè)用地為主，兩者所占比重為建設(shè)用地總規(guī)模的60%以上。傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)園區(qū)基本為社區(qū)實(shí)際掌握的工業(yè)區(qū)，產(chǎn)業(yè)類型主要是橡膠塑料、金屬制品、器材制造、木材家具及計(jì)算機(jī)等。未來將打造新能源、生物醫(yī)藥、高新技術(shù)、文化產(chǎn)業(yè)及汽車產(chǎn)業(yè)等工業(yè)園區(qū)，成為深圳市新的產(chǎn)業(yè)高地。

2 數(shù)據(jù)來源及方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究主要包含坪山河流域2001年、2013年和2019年的Landsat-5/Landsat-8遙感影像數(shù)據(jù)及土地利用數(shù)據(jù)等資料，數(shù)據(jù)來源見表1。

2.2 研究方法

2.2.1 風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)劃分

通過對(duì)數(shù)據(jù)及遙感地圖的處理，導(dǎo)入ArcGIS中得到坪山河流域2001年、2013年和2019年的景觀類型空間分布圖。采用等間距系統(tǒng)采樣法，采樣單元為100 m×100 m格網(wǎng)，共計(jì)16 841個(gè)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)。

2.2.2 景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)構(gòu)建

利用Fragstats 4.2計(jì)算出不同景觀類型的景觀格局基本指數(shù)，再根據(jù)前人研究中得出的公式對(duì)景觀破碎度、分離度、優(yōu)勢度、干擾度、脆弱度及損失度指數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算，最終得到景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。

1）破碎度計(jì)算。破碎度是指景觀被分割的程度，可以從側(cè)面反映景觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度[2]。破碎度計(jì)算公式為

（1）

式中，Ci表示景觀破碎度，mi表示景觀類型i的斑塊數(shù)量，Si表示景觀類型i的總斑塊面積。

2）分離度計(jì)算。分離度表示在同一景觀類型斑塊中，單個(gè)斑塊分布的情況，分離度越大表示該斑塊類型越分散[3]。分離度計(jì)算公式為

（2）

（3）

（4）

式中，F(xiàn)i表示景觀分離度，li表示景觀類型i的距離指數(shù)，Ai表示景觀類型i的面積指數(shù)，di表示景觀類型i的斑塊密度，Si表示景觀類型i的總斑塊面積，S表示景觀總面積。

3）優(yōu)勢度計(jì)算。優(yōu)勢度可以反映斑塊類型在景觀空間中的地位，對(duì)景觀整體格局的發(fā)展和變化有較大的影響[4]。優(yōu)勢度計(jì)算公式為

（5）

（6）

（7）

（8）

式中，Di表示景觀類型i的優(yōu)勢度，Ri表示景觀類型i的斑塊數(shù)目（mi）與總斑塊數(shù)目（m）的比值，T為景觀類型i出現(xiàn)的樣方數(shù)（ni）與總樣方數(shù)（n）的比值，Qi為景觀類型i的斑塊面積（si）與樣方總面積（S′）的比值。

4）干擾度計(jì)算。干擾度可以體現(xiàn)不同的景觀類型在抵抗外界影響、影響生態(tài)系統(tǒng)及保護(hù)生物多樣性上的抗干擾能力。相關(guān)研究指出，干擾度與破碎度、分離度及優(yōu)勢度有關(guān)，經(jīng)過查閱，分別賦予破碎度、分離度、優(yōu)勢度以0.5、0.3、0.2的權(quán)重。干擾度計(jì)算公式為

Pi=0.5Ci+0.3Fi+0.2Di（9）

5）損失度計(jì)算。損失度指數(shù)可以反映不同景觀類型在面對(duì)外界各因素干擾時(shí)受到的生態(tài)損失，與景觀干擾度和脆弱度有關(guān)[5]。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)所述，景觀脆弱度指數(shù)（Ki）是根據(jù)不同斑塊類型的生態(tài)脆弱程度進(jìn)行排序后歸一化所得[6]。綜合坪山河流域6類景觀類型結(jié)構(gòu)特征，將其按照脆弱程度由高到低賦值：

6=未利用土地、5=水域、4=耕地、3=草地、2=林地、1=建設(shè)用地，歸一化的范圍設(shè)定為[0，1][7]。因此，損失度計(jì)算公式為

Vi=Pi×Ki（10）

6）生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算。由上述相關(guān)景觀格局指數(shù)的計(jì)算，可以得出不同景觀類型及風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，計(jì)算公式為

（11）

式中，d為生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)單元內(nèi)景觀類型的數(shù)目，s″i為劃分的風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)中i斑塊的面積，S″為風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)的總斑塊面積。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用類型時(shí)空變化

由表2可知，研究區(qū)域內(nèi)林地面積占比最大，占整體區(qū)域的43.8%；其次是建設(shè)用地，面積占比從2001年的25.0%增長到2019年的43.0%；耕地、草地及水域共占10.7%。從研究時(shí)段可以看出，經(jīng)過近20年的發(fā)展，坪山河流域的景觀類型變化主要表現(xiàn)為耕地、草地、未利用土地和水域持續(xù)減少，建設(shè)用地大幅增長，林地波動(dòng)性遞減。從空間分布圖來看，建設(shè)面積的增加主要集中在坪山河水系的坪環(huán)段及中心城區(qū)段，耕地、未利用土地的減少主要存在于燕子嶺段（見圖1）。

3.2 景觀格局指數(shù)時(shí)序變化

由表3可知，在2001—2019年近20年的發(fā)展下，坪山河流域內(nèi)除耕地外，其他各項(xiàng)景觀類型的破碎度呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，同時(shí)草地、水域與未利用土地的分離度也顯著提升。林地由于在研究區(qū)域內(nèi)占比較大，因此景觀優(yōu)勢度也最為顯著，其他各類指數(shù)變化幅度較低。而水域的分離度、破碎度與損失度呈現(xiàn)出愈發(fā)惡劣的趨勢，優(yōu)勢度在所有類型中的占比也較低。隨著每年人口的增加，建設(shè)用地需求在同步增加。從分離度指數(shù)可以看出，建設(shè)用地由以前的離散分布變得越來越集中，整體優(yōu)勢度在不斷增強(qiáng)，而未利用土地由于其特殊性，易受到外界環(huán)境的干擾，整體優(yōu)勢度明顯降低。

3.3 景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空演變

3.3.1 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)方法

筆者參考既有研究成果將生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分級(jí)，將坪山河流域劃分為5個(gè)等級(jí)：Ei≤0.025（低風(fēng)險(xiǎn)）、0.025＜Ei≤0.050（較低風(fēng)險(xiǎn)）、0.050＜Ei≤0.075（中風(fēng)險(xiǎn)）、0.075＜Ei≤0.100（較高風(fēng)險(xiǎn)）、Ei＞0.100（高風(fēng)險(xiǎn)）[8]。

3.3.2 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)演變

如圖2所示，通過對(duì)2001年、2013年和2019年坪山河流域不同景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的面積及變化進(jìn)行分析可以得出，研究區(qū)域內(nèi)整體景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)處于相對(duì)較低的水平。研究區(qū)域內(nèi)低風(fēng)險(xiǎn)及較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域面積占該區(qū)總面積的55%～70%，中風(fēng)險(xiǎn)及以上風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域占30%～45%。除了南側(cè)的馬巒山及田頭山區(qū)域基本處于低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)外，其他區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)在20年間變化顯著，其中面積變化最大的是高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域持續(xù)減少，而原高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的區(qū)域大部分轉(zhuǎn)為中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，由此可說明該研究區(qū)域的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)有減弱態(tài)勢。

3.4 坪山河流域綜合治理情況

根據(jù)相關(guān)研究，坪山河流域超標(biāo)最嚴(yán)重的污染因子為銨態(tài)氮和總磷，且在1996—2005年，水質(zhì)總體呈現(xiàn)惡化趨勢，污染物濃度在2005年達(dá)到峰值，是Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值的3倍以上[9]。深圳市人民政府于1994年

7月設(shè)立大工業(yè)區(qū)，開發(fā)建設(shè)面積109 hm2，該工業(yè)區(qū)以高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)為主導(dǎo)，產(chǎn)業(yè)集聚效應(yīng)明顯，大量產(chǎn)業(yè)在該區(qū)落戶，2002年，流域內(nèi)建設(shè)用地面積約占流域總面積的17.1%。由此可見，該時(shí)期該區(qū)域的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)為中風(fēng)險(xiǎn)以上面積占比較大與建設(shè)用地面積擴(kuò)大呈正相關(guān)關(guān)系。2006年，流域內(nèi)上洋污水處理廠建成，相關(guān)配套管網(wǎng)設(shè)施逐步完善，大幅度提高污水處理效率。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，2011年坪山河水質(zhì)改善幅度較為明顯，雖仍未達(dá)到Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，但總體呈現(xiàn)較好的發(fā)展趨勢[10]。按照國家“水十條”和《深圳市貫徹國務(wù)院水污染防治行動(dòng)計(jì)劃實(shí)施治水提質(zhì)行動(dòng)方案》的要求，2016年深圳市坪山河干流綜合整治及水質(zhì)提升工程開始實(shí)施，該工程是全國第1個(gè)以交接斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)為要求的水環(huán)境綜合整治工程，將防洪、供水、凈水生態(tài)、景觀及智慧等領(lǐng)域有機(jī)統(tǒng)籌，進(jìn)行整體治理技術(shù)方案的實(shí)施，2018年底，坪山河流域水質(zhì)已達(dá)到Ⅳ類水，水質(zhì)考核已達(dá)標(biāo)[11]。2019年，深圳市水務(wù)局首創(chuàng)設(shè)立流域管理機(jī)構(gòu)，全面統(tǒng)籌涉水事務(wù)，截至2021年底，坪山河國考斷面水質(zhì)大部分達(dá)到Ⅴ類、地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)[12]。整體發(fā)展趨勢與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)時(shí)空演變趨于一致。由此可見，針對(duì)坪山河的一系列水治理舉措較為成功地促進(jìn)了該區(qū)域生態(tài)環(huán)境的良性發(fā)展。

4 結(jié)論

1）在2001—2019年近20年的發(fā)展中，由于林地面積比重較大，其各景觀指數(shù)呈相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，其他景觀類型的各指數(shù)均有相對(duì)幅度的上升或下降。其中，由于城市發(fā)展，建設(shè)用地面積逐年增加，分離度降低，表現(xiàn)為城市集中性發(fā)展。草地及水域受人為活動(dòng)的影響嚴(yán)重，分離度明顯上升，其形狀的復(fù)雜度也逐漸增大。

2）通過對(duì)景觀格局指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得出單元生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)值及空間分布圖。從圖中可以看出，坪山河流域內(nèi)較高風(fēng)險(xiǎn)及高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域逐年減少，在空間分布上還處于較為離散的狀態(tài)。但就總體趨勢而言，無新增高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，且各風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的區(qū)域面積在不斷下降。

3）在對(duì)深圳市近20年的政策措施查詢后得知，坪山河流域由于在20世紀(jì)90年代設(shè)立為大工業(yè)區(qū)，該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境受到了極大的影響，但通過完善污水處理設(shè)施、水環(huán)境整治工程和設(shè)立管理機(jī)構(gòu)等措施，區(qū)域內(nèi)水生態(tài)環(huán)境逐漸變好，表明人類活動(dòng)對(duì)土地利用變化及生態(tài)環(huán)境的影響日益增強(qiáng)。

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（責(zé)任編輯：劉寧寧）