黃河流域城市景觀生態(tài)健康動態(tài)評價

張雪瑩 穆戰(zhàn)強 孔德政 王冬夢 馮艷

收稿日期：2022-11-10

基金項目：河南省科學技術(shù)廳軟科學研究項目（212400410023）；河南省興文化工程文化研究專項（2022XWH036）；河南省住房城鄉(xiāng)建設(shè)科技計劃項目（HNJS-2022-R1）

作者簡介：張雪瑩（1998-），女，河南焦作人，在讀碩士研究生，研究方向為景觀生態(tài)，（電話）18538923210（電子信箱）zhangxueyingq@qq.com；通信作者，馮 艷（1980-），女，河南焦作人，副教授，碩士，主要從事景觀生態(tài)和風景園林歷史與理論的研究，（電話）18530900189（電子信箱）fengyan@henau.edu.cn。

張雪瑩，穆戰(zhàn)強，孔德政，等. 黃河流域城市景觀生態(tài)健康動態(tài)評價——以焦作市為例［J］. 湖北農(nóng)業(yè)科學，2024，63（5）：106-112．

摘要：以河南省焦作市為例，基于PSR模型與“活力-組織-彈性-功能”理論，使用相關(guān)遙感數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)等，選取可視化指標構(gòu)建評價指標體系，使用層次分析法與熵權(quán)法集成模型確定指標權(quán)重，對2000—2020年景觀生態(tài)健康進行評價。結(jié)果表明，2000年、2010年、2020年景觀生態(tài)健康綜合指數(shù)分別為0.45、0.53、0.52，整體呈南北高中間低的分布狀況及先上升后下降的變化特征。景觀生態(tài)健康變化較為穩(wěn)定，區(qū)域改善面積大于退化面積，以相鄰等級轉(zhuǎn)化為主，但主要存在于中低值之間的轉(zhuǎn)化，并具有向鄰近區(qū)域等級轉(zhuǎn)化的趨勢。根據(jù)研究結(jié)果，以城市擴張及人類活動對景觀生態(tài)健康影響為基礎(chǔ)，從景觀格局優(yōu)化、完善生態(tài)網(wǎng)絡(luò)布局、管控土地利用開發(fā)等出發(fā)對城市景觀生態(tài)規(guī)劃提出合理化建議。

關(guān)鍵詞：景觀格局； 景觀生態(tài)健康動態(tài)評價； 黃河流域； 河南省焦作市

中圖分類號：TU985.1； P901； X826???????? 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2024）05-0106-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.05.019??????????? 開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Dynamic assessment of urban landscape ecological health in the Yellow River Basin：

A case study of Jiaozuo City

ZHANG Xue-ying1，MU Zhan-qiang2，KONG De-zheng1，WANG Dong-meng1，F(xiàn)ENG Yan1

（1.College of Landscape Architecture and Art， Henan Agricultural University， Zhengzhou? 450002， China；

2.Henan Urban and Rural Planning and Design Institute Co.， Ltd.， Zhengzhou? 450053， China）

Abstract： Taking Jiaozuo City as an example， based on PSR model and the theory of “vitality-organization-elasticity-function”， using relevant remote sensing data/socio-economic data， etc.， visual indicators were selected to construct an evaluation index system， and the index weights were determined by using the integrated model of AHP and entropy weight method， and the landscape ecological health from 2000 to 2020 was evaluated. The results showed that the comprehensive index of landscape ecological health in 2000， 2010 and 2020 was 0.45， 0.53 and 0.52， respectively， showing the overall distribution of high in the north and south， low in the middle and the changing characteristics of rising first and then falling. The change of landscape ecological health was relatively stable， the area of regional improvement was larger than that of degradation， and the transformation was mainly based on adjacent grades， but mainly existed in the transformation between middle and low values， and there was a trend of transformation to adjacent regional grades. According to the research results， based on the impact of urban expansion and human activities on landscape ecological health， it was put forward reasonable suggestions on urban landscape ecological planning from the aspects of optimizing landscape pattern， improving ecological network layout， and controlling land use and development.

Key words： landscape pattern； dynamic assessment of landscape ecological health； Yellow River Basin； Jiaozuo City

景觀生態(tài)健康是基于景觀生態(tài)學及生態(tài)系統(tǒng)健康學交叉形成的概念［1］，體現(xiàn)了人類活動下生態(tài)系統(tǒng)保持自身功能的完整性及自我恢復的能力，進行區(qū)域景觀尺度下生態(tài)健康動態(tài)評價對區(qū)域?qū)崿F(xiàn)生態(tài)環(huán)境管護和可持續(xù)發(fā)展具有重要的參考價值［2，3］。

目前對景觀生態(tài)健康評價的研究多聚焦在流域尺度方面［4］，研究對象多為濕地［5］、海島［6］等，市域尺度的評價常基于行政區(qū)大?。?-10］對社會經(jīng)濟類統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行整合，忽視了景觀結(jié)構(gòu)、地表溫度及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值等對生態(tài)健康的影響及其在時空尺度方面的動態(tài)變化［11］。

黃河流域是生態(tài)保護及高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略的重點實施區(qū)域，有關(guān)其沿線城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價的研究多為單一年份［12］，較少聚焦于景觀尺度的多年份動態(tài)研究與預測。焦作市作為黃河下游典型的資源枯竭型城市，其環(huán)境狀況保護形勢較為嚴峻［13-15］，景觀生態(tài)健康動態(tài)評價與預測方面的研究較為鮮見。本研究旨在從景觀生態(tài)學角度出發(fā)，基于壓力-狀態(tài)-響應(yīng)（P-S-R）［16］模型與“活力-組織-彈性-功能”理論［17］，采用景觀生態(tài)學和地理信息學研究方法，揭示區(qū)域景觀生態(tài)健康時空演變特征，以實現(xiàn)2000—2020年焦作市景觀生態(tài)綜合評價及數(shù)據(jù)可視化研究，為焦作市及其他黃河流域城市發(fā)展轉(zhuǎn)型提供參考。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)處理

1.1 研究區(qū)概況

焦作市位于河南省西北部，介于北緯34°48′—35°30′，東經(jīng)112°32′—113°38′，整體地貌北高南低，屬溫帶季風氣候，是中原城市群與豫晉交界地區(qū)的區(qū)域性中心城市。總面積約4 071 km2，全市總?cè)丝跒?77.89萬人。據(jù)焦作史志記載，1999年城市開始綠色轉(zhuǎn)型，2008年焦作市被確定為全國首批資源枯竭型城市。結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)資料收集，將研究時空范圍定在2000年、2010年、2020年焦作市全域。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

2000年、2010年、2020年土地覆被數(shù)據(jù)為Landsat系列影像解譯結(jié)果，數(shù)據(jù)來源于美國地 質(zhì) 調(diào) 查 局 官 網(wǎng)（https：//earthexplorer.usgs.gov/）。對影像預處理后，結(jié)合野外調(diào)查及高精度谷歌衛(wèi)星影像進行監(jiān)督分類與人工目視解譯，用地覆被類型分類參考中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心 （http：//www.resdc.cn）的中國土地覆蓋遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)。焦作市土地利用類型的空間分布如圖1所示。

植被覆蓋度數(shù)據(jù)（Fractional vegetation cover，F(xiàn)VC）主要來源于遙感影像數(shù)據(jù)的解譯和波段計算，地表溫度（Land surface temperature，LST）及植被凈初生產(chǎn)力（Net primary productivity，NPP）來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心（http：//www.resdc.cn/），DEM高程數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云（https：//www.gscloud.cn/）。人口密度矢量數(shù)據(jù)來源于國家地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)共享平臺（http：//loess.geodata.cn），其他數(shù)據(jù)來源于土地利用數(shù)據(jù)的分析與計算，景觀格局數(shù)據(jù)在FragStats 4.2軟件中使用移動窗口法分析，設(shè)定30 m為分析粒度，1 200 m窗口可以更好地反映研究區(qū)景觀格局變化，所有數(shù)據(jù)標準化后重采樣為500 m。受軟件自身計算誤差所限，得出的景觀格局數(shù)據(jù)會比實際面積略小，此情況不影響實際分析結(jié)果，可忽略不計。

2 研究方法

2.1 景觀生態(tài)健康指標體系的構(gòu)建

為科學化、合理化地表現(xiàn)區(qū)域景觀生態(tài)健康水平，參考已有研究及焦作市2000—2020年發(fā)展特征，遵循代表性、可獲取性及可視化原則，從社會經(jīng)濟、自然資源、人類活動、景觀生態(tài)方面選取指標。使用PSR模型（即狀態(tài)-壓力-響應(yīng)模型）與“活力-組織-恢復力-功能”理論，建立指標評價體系（表1）。其中壓力代表人類活動及自然界對景觀生態(tài)系統(tǒng)的作用強度，參考相關(guān)文獻并確定相關(guān)系數(shù)［18-21］（表2），確定人口密度、人為影響強度、土地墾殖率及地形破碎度為壓力指標；狀態(tài)指景觀生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能所呈現(xiàn)出的狀態(tài)，F(xiàn)VC及NPP可以體現(xiàn)研究區(qū)植物生長狀態(tài)及空間分布特征，間接反映植被碳平衡的能力［19］，而研究區(qū)曾是礦業(yè)城市，地表溫度是研究其氣候及環(huán)境的重要變量，因而選取FVC、NPP及LST作為活力表征；景觀格局指數(shù)可以衡量景觀生態(tài)系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)復雜性，以散布并列指數(shù)表示整體景觀的連通性，林地和水體景觀凝聚度一定程度上表現(xiàn)了生態(tài)斑塊的連通性［20］；恢復力指生態(tài)系統(tǒng)在受到干擾后進行自我調(diào)節(jié)及恢復的能力，以生態(tài)彈性度表示；生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值代表生態(tài)系統(tǒng)為人類提供服務(wù)的功能［21］。響應(yīng)指生態(tài)系統(tǒng)在面臨壓力時所做出的反應(yīng)［24］，以景觀破碎度表示。

考慮各個指標對研究區(qū)域景觀生態(tài)健康的影響程度具有一定差異，為滿足主觀經(jīng)驗的同時又能客觀反映各數(shù)據(jù)信息，本研究采用了AHP-EWM（層次分析法-熵權(quán)法）集合模型確立各指標權(quán)重，為提高計算組合權(quán)重的兼容性及穩(wěn)定性，采用基于最小相對信息熵的組合權(quán)重優(yōu)化法，其計算公式如下。

Zj=[AJEJJMAJEJ]?????? ???????? （1）

式中，AJ為主觀賦權(quán)權(quán)重；EJ為客觀賦權(quán)權(quán)重；Zj為綜合權(quán)重。

2.2 綜合評價模型構(gòu)建

根據(jù)所建立的指標體系，使用綜合指數(shù)法分析，其計算公式如下。

Z=[i=1nwiyi]???? ????? （2）

式中，Z為綜合評價值；[wi]為第i個指標權(quán)重；[yi]為標準化指標值；n為指標數(shù)。

由于指標特征及量綱差異，需要進行標準化處理，采用極差法進行處理。

正向指標：A=[x-xminxmax-xmin]? ???? （3）

負向指標：A=[xmax-xxmax-xmin] ????? （4）

式中，A為正向指標；x為指標值；xmin為指標中的最小值；xmax為指標中的最大值。

參考已有研究［25-27］，根據(jù)不同年份綜合評價數(shù)值范圍，使用自然斷裂點法將健康評價等級分為5級，從Ⅰ級到Ⅴ級分別為差、較差、一般、較好、好。

3 結(jié)果與分析

3.1 景觀生態(tài)健康空間分布

由圖2可知，2000年、2010年及2020年景觀生態(tài)健康數(shù)平均值分別為0.45、0.53、0.52，標準差分別為0.08、0.09、0.10，2000年、2010年等級面積表現(xiàn)為Ⅱ>Ⅰ>Ⅲ>Ⅴ>Ⅳ，2020年等級面積表現(xiàn)為Ⅱ>Ⅲ>Ⅰ>Ⅴ>Ⅳ。從圖2景觀生態(tài)健康等級空間分布可以看出，2000—2020年焦作市景觀生態(tài)健康呈先上升后下降的趨勢，景觀生態(tài)格局趨于復雜，破碎度明顯增加，各等級空間分布具有顯著的區(qū)域差異性，高值集中分布于修武縣、中站區(qū)及沁陽市北部高植被覆蓋山區(qū)，并有向南發(fā)展態(tài)勢；中值區(qū)較為分散，主要分布在山區(qū)平原交界處及臨大沙河、沁河、老蟒河干流區(qū)域，多為生態(tài)保護緩沖區(qū)，景觀格局及生態(tài)系統(tǒng)較復雜，到2020年區(qū)域內(nèi)已出現(xiàn)明顯的有規(guī)律的Ⅲ級帶狀破碎區(qū)域；低值區(qū)主要集中在城市及人口密度較大區(qū)域，中北部城市主要發(fā)展區(qū)呈現(xiàn)斷崖式的低值，其中Ⅱ等級分布最廣，2000年、2010年、2020年占比分別為40.75%，51.61%，45.18%（表3），主要分布于中部平原地帶，多為鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域。

3.2 焦作市景觀生態(tài)健康時空演變特征分析

轉(zhuǎn)移矩陣是一種土地類型向另一種類型轉(zhuǎn)化的量化值，穩(wěn)定區(qū)表示此區(qū)域內(nèi)景觀生態(tài)健康等級未發(fā)生明顯變化，退化區(qū)表示10年間區(qū)域健康等級向較低等級轉(zhuǎn)化，改善區(qū)表示10年間區(qū)域健康等級向較高等級轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)移矩陣為等級之間的具體轉(zhuǎn)化面積。由表4可知，2000—2010年景觀生態(tài)健康等級轉(zhuǎn)化中，穩(wěn)定區(qū)面積為2 094.50 km2，占區(qū)域總面積的54.43%，改善區(qū)及退化區(qū)面積分別為1 067.25 km2和681.00 km2，Ⅱ等級向Ⅰ等級轉(zhuǎn)移面積最多。2010—2020年景觀生態(tài)健康等級轉(zhuǎn)化中，穩(wěn)定區(qū)面積為2 287.25 km2，占比為59.51%，改善區(qū)及退化區(qū)面積分別為1 152 km2和447.75 km2，Ⅱ等級向Ⅲ等級轉(zhuǎn)移面積最多?？傮w來看，2020年的景觀生態(tài)等級轉(zhuǎn)換較為穩(wěn)定，區(qū)域改善面積大于退化面積，但健康等級改善面積多以中值和低值的相鄰等級轉(zhuǎn)移為主，較少實現(xiàn)跨級轉(zhuǎn)移。

由圖3可知，2000—2010年焦作市景觀生態(tài)健康等級空間轉(zhuǎn)化中，穩(wěn)定區(qū)域均勻分布于研究區(qū)內(nèi)，改善區(qū)集中分布于平原地區(qū)，多為Ⅰ級至Ⅱ級的轉(zhuǎn)移，以沁陽市西南部、孟州市東北部、博愛縣東部及武陟縣黃河北岸為主，退化區(qū)多分布于城市發(fā)展邊緣區(qū)及沁陽市、中站區(qū)的山區(qū)平原交界處，多為土地墾殖率高、生態(tài)系統(tǒng)易受人為干擾區(qū)域；2010—2020年穩(wěn)定區(qū)域均勻分布于山區(qū)及平原地帶，得益于退耕還林、河流疏浚、濕地公園建設(shè)等一系列生態(tài)文明建設(shè)，改善區(qū)主要分布在中北部鳳凰山、中部沁河、大沙河區(qū)域及城鎮(zhèn)區(qū)域，山區(qū)以Ⅳ級至Ⅴ級的轉(zhuǎn)移為主，平原區(qū)域以中低值轉(zhuǎn)移為主，退化區(qū)主要分布于城市邊緣區(qū)?？傮w來看，2020年景觀生態(tài)健康時空演變較為穩(wěn)定，改善區(qū)域由2000—2010年以中低值轉(zhuǎn)化為主，到2010—2020年出現(xiàn)區(qū)域的高值轉(zhuǎn)化及退化區(qū)、景觀等級的轉(zhuǎn)移。

4 小結(jié)與討論

4.1 小結(jié)

本研究依據(jù)景觀生態(tài)健康理論，基于PSR模型與“活力-組織-彈性-功能”理論建立評價體系及方法，以遙感及統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對2000—2020年焦作市景觀生態(tài)健康進行評價，得出以下結(jié)論。

1）景觀生態(tài)健康在2000—2020年先上升后小幅下降。20世紀之前對煤礦產(chǎn)業(yè)“掠奪式”開展導致其生態(tài)環(huán)境受到了嚴重的破壞。至2000年，整體景觀生態(tài)健康水平較低。城市擴張不明顯，研究區(qū)內(nèi)存在大量Ⅰ級和Ⅱ級區(qū)域。

2）20世紀后，區(qū)域?qū)嵤┝税P凰山的景觀規(guī)劃、退耕還林等在內(nèi)的相關(guān)政策，城市開始綠色轉(zhuǎn)型，重要生態(tài)用地類型不斷增加。到2010年，區(qū)域內(nèi)景觀生態(tài)健康穩(wěn)定性區(qū)域較多，整體景觀生態(tài)健康較2000年有所改善，但由于干旱等自然災(zāi)害的發(fā)生、土地墾殖及城市擴張加劇，導致黃河北岸及太行山南部水資源枯竭，景觀格局破碎化嚴重，原有生態(tài)系統(tǒng)被不斷干擾侵蝕，低值區(qū)明顯增大，區(qū)域仍面臨嚴峻的生態(tài)問題。

3）自2008年焦作市被定為資源枯竭型城市開始，焦作市礦山區(qū)域修復及退耕還林政策進一步推行，包括城市綠地建設(shè)、南水北調(diào)黃河以北干線工程的通水與兩岸綠化帶的建設(shè)、水域的綜合治理與疏浚等，改善區(qū)占比不斷增加，黃河北岸等出現(xiàn)Ⅴ級區(qū)域。但由于在城市快速發(fā)展轉(zhuǎn)型及中部崛起的背景下，城市進一步擴張，城市邊緣區(qū)破碎化更加明顯，生態(tài)系統(tǒng)受到了威脅；村鎮(zhèn)的建設(shè)及耕種同樣對村落本有生態(tài)用地造成了破壞，整體景觀生態(tài)健康仍處于下降趨勢；然而研究區(qū)域在2020年出現(xiàn)了多處Ⅲ級的帶狀區(qū)域，這些帶狀區(qū)域可修復形成城市生態(tài)廊道。在經(jīng)濟轉(zhuǎn)型發(fā)展的同時應(yīng)著重關(guān)注區(qū)域生態(tài)承載力，加強對中心城區(qū)、縣域鄉(xiāng)鎮(zhèn)等的景觀格局優(yōu)化。

4）生態(tài)彈性度、人類活動因子、生態(tài)系統(tǒng)功能等為景觀生態(tài)健康等級的主要驅(qū)動因子，在未來的區(qū)域建設(shè)中，應(yīng)著重關(guān)注人與生態(tài)環(huán)境之間的相互影響，減少人類擾動對生態(tài)承載力的破壞，進一步改善城市邊緣區(qū)的景觀格局，修復并保護人為擾動較大的旅游型自然資源。

4.2 討論

本研究的可視化分析可以更直觀地對城市景觀生態(tài)健康進行動態(tài)分析，并為區(qū)域景觀生態(tài)健康發(fā)展狀況的預測提供新手段。其研究結(jié)果可為焦作市及其黃河沿線同類城市的生態(tài)建設(shè)發(fā)展提供依據(jù)和參考。由于數(shù)據(jù)收集、技術(shù)局限等原因，解譯數(shù)據(jù)精度仍有待提高。接下來將進一步提高數(shù)據(jù)處理精度，以期為后續(xù)深入研究提供有利保障。

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