基于景观格局的红壤丘陵区生态风险评价——以赣州市为例_刘志强.pdf

第 卷 第 期 年 月测绘与空间地理信息 ，收稿日期：基金项目：江西理工大学清江青年英才支持计划项目（）资助作者简介：刘志强（），男，内蒙古赤峰人，测绘工程专业硕士研究生，主要研究方向为土地利用规划。基于景观格局的红壤丘陵区生态风险评价 以赣州市为例刘志强，李沛鸿，周成杰（江西理工大学 土木与测绘工程学院，江西 赣州）摘要：南方红壤丘陵区生态环境脆弱，为合理评估红壤丘陵区生态风险时空变化规律，以赣州市为例，基于 年 期 分辨率土地利用数据，对该区土地利用时空格局变化进行分析，从景观格局角度构建生态风险指数，结合生态风险影响因素对景观生态评价分析。研究期内，林地面积持续减少，建设用地面积增加。年土地利用多样化指数由 上升至，土地利用类型总体结构向丰富多样化发展。各时期景观生态风险在空间上分布差异显著，集聚效应明显，高风险区面积由 下降到 。研究区生态压力和生态响应在空间上分布差异明显，该区生态风险受多重因素影响，应对重点区域加强生态治理。关键词：红壤丘陵区；土地利用 覆被变化（）；景观格局中图分类号：；文献标识码：文章编号：（）：，（，）：，：；（）；引 言南方红壤区是我国水土流失严重的地区之一，该地区水土流失强度大、范围广，是制约生态可持续发展的重要因素。近年来社会经济高速发展、人口密度持续扩增等系列问题促使人地关系日趋紧张，大量开垦山地、不合理的农业耕作方式、违法扩张扩建等问题破坏了生态平衡，造成了大面积水土流失、农田水利受损及生态环境恶化等问题，为此进行生态风险评价尤为重要。目前，在土地利用风险评价中，等提出的相对风险模型（）和 模型应用最广泛。相对风险模型（）是以各个风险单元内部因子的风险贡献度、综合风险源和风险受体等对区域生态风险进行定量评价。模型源于区域生态风险评价，该方法可将区域生态风险时空变化特征空间化表达，便于长时间序列的生态风险研究。对区域内部生态威胁因素识别准确，但变量间关系复杂，模型可在多时序生态风险空间上弥补 不足。景观是人类活动的基本的单元，若 模型运用景观指数评价生态风险，可从时间和空间上分析自然和人类生态足迹共同作用下土地利用格局变化的累积影响。许多学者通过对景观指数研究、分析、实验，结果表明，通过景观格局进行 生 态 风 险 评 价 是 相 对 科 学 的。如 余 敦、汪翡翠等学者从景观生态学角度利用景观生态指数研究探讨土地利用 覆被变化对生态效应的影响。刘纪远、陈书林等在长时序土地利用数据的基础上，采用土地利用动态度、利用程度等指数探讨了土地利用变化特征和驱动机制，并进行了景观生态安全及时空演变规律研究。从已有研究来看，研究区域主要集中在农牧交错带等生态脆弱区和人类生态足迹活跃的城市及边缘地带，而南方红壤丘陵区的土地利用生态风险评价研究较少。江西省是我国南方红壤区水土流失最严重的区域之一，赣州市是典型的代表。赣州市曾有“江南红色沙漠”之称，其土地类型复杂，是生态环境变化敏感的脆弱区域。本文基于景观格局指数，对该区域土地利用驱动下的生态风险时空演变进行分析评价，对深入研究以赣州市为代表的南方红壤丘陵区的生态风险治理、维持和优化生态功能有一定的参考价值。研究区概况与数据来源 研究区概况赣州市又称赣南，是江西省最大的行政区，是赣江和东江源发源地，土壤类型以酸性红壤为主，易发生水土流失，自然生态地位突出。赣州市是江西省人口最多的地级市，人口密度大、增长速度快，经济、社会发展较发达地区相对落后，人均可支配收入低，经济发展任务繁重。人口的增加和经济的发展，衍生了一系列生态问题，如森林植被破坏严重、水土流失面积大和生物多样性降低等问题。数据来源及预处理本文采用、年和 年分辨率为 的土地利用栅格数据，该数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心，在此基础上参考土地利用现状分类（）和第三次全国土地调查土地分类方法并结合研究区实际情况及研究内容将研究区土地类型分为耕地、草地、林地、水域、建设用地、未利用地 种类型。气温数据和降水数据来源于国家科技基础条件平台 国家地球系统科学数据中心，并结合赣州市生态环境局网站、赣州市 年统计年鉴等数据资料，充分分析引起生态风险的因素。研究方法 土地利用多样化程度土地利用多样化程度指数是反映研究区域内土地利用总体类型结构和齐全程度的指标。计算公式如下：（）（）式中，为多样化指数；为第 种土地利用类型面积。值在 之间，越接近，说明该地区土地利用多样化程度越高。景观生态风险指数模型构建景观指数法是地学常用的定量研究法，它通过多个指数的组合分析来描述景观格局及变化。为了提高生态风险评价精度，本文采用等间距网格采样法，利用 渔网分析功能，借鉴已有研究，渔网大小宜为平均斑块面积的 倍，本文将研究区域划分 格网，得到 个生态风险样本区。本文依据区域生态系统景观结构，选取景观干扰度指数、脆弱度指数和损失度指数综合构建生态风险指数，来分析生态风险大小及变化情况。景观生态风险指数的计算公式为：（）式中，为第 个生态风险小区的生态风险指数；为第 个风险小区内土地利用类型 的面积；为第 个风险小区的面积；为景观损失度指数。（）（）式中，为景观破碎度；为景观分离度；为景观优势度；为景观干扰度，为景观指数权重，且 。借鉴相关研究成果，综合分析景观指数对生态环境贡献大小，本文权重分别赋值为 ，；为景观脆弱度，本文对 种景观类型脆弱度指数赋值为未利用地，水域，耕地，草地，林地，建设用地，并做归一化进行计算。生态风险综合指数模型构建根据 模型，构建综合指数模型以建立各影响因素之间的联系：（）式中，为土地利用生态风险综合指数；为第 个风险指标的权重，权重赋值法常采用层次分析法（）；为风险指标评价值。结果与分析 土地利用变化情况分析对土地利用情况分类汇总，计算各类型用地面积占当年总面积的比例（见表）。研究期内，未利用地和水域第 期刘志强等：基于景观格局的红壤丘陵区生态风险评价面积基本保持不变，面积占比维持平衡；年期内耕地面积小幅度增加，但 年期内耕地面积持续下降；年期内，草地面积的增加和减少处于波动状态，面积占比基本保持稳定；年期内林地面积持续下降，年林地面积比 年减少了，但建设用地面积研究期内持续增加，增加了近 倍，面积占比由 增加至。从空间分布上看，赣南地区土地利用多样化程度总体呈平稳上升趋势，从 年多样化指数，到 年多样化指数，区域土地利用类型的总体结构向丰富化方向发展，可以看出在人类生态足迹驱动下，近 年赣南地区土地利用类型越来越丰富，生态恢复和人类活动正向良性循环方向发展，区域多样性愈加多元化。表 年土地利用类型面积统计（单位：）（：）年份耕地草地林地水域建设用地未利用地多样化指数 景观生态风险评价分析 景观生态风险空间自相关分析根据公式（）计算景观生态风险指数模型，计算得到 个风险小区的生态风险值，分析得到 散点图和 聚集图。研究区 年 期 散点图生态风险指数全局自相关系数分别为 ，。通过零假设验证，以正态分布置信区间双侧检验阈值 为临界值，值小于，值远大于，研究区域在研究期内生态风险呈聚集分布，具有很强的自相关性。从局部空间自相关 聚集图（如图 所示）分析，年研究期内土地利用生态风险高值集聚区主要集中在研究区北部，低值生态风险区主要在南部地区，生态风险差异较为明显，呈现两极化。高低值聚集和低高值聚集区分布散，建筑群周围主要为高值聚集区，水域周围主要为低值聚集区。总体来看，土地利用生态风险强度整体分布显著，整体局部空间差异在 年期内变化较小。图 土地利用生态风险指数 聚集图 景观生态风险时序分析利用克里金插值法得到 期土地利用生态风险指数值的空间分布，根据克里金插值法结果，按自然断点法将生态风险值划分为高风险区、较高风险区、中风险区、较低风险区和低风险区 类等级，赋值区间为高风险区（）、较高风险区（）、中风险区（）、较低风险区（）和低风险区（）。根据生态风险等级空间分布图和生态风险面积统计表（见表）可知。年期内，主要以较低风险区面积为主，面积占比近，高风险区域面积持续下降，生态风险逐渐在降低。年各风险区出现幅度波动，与 年相比，低风险区面积减少 ，中风险区面积增加 ，表明伴随着经济的快速发展，人类对生态干扰有很大的影响，给赣南地区整体生态带来了危机。但从 年，中风险区域面积减少近一半，开始向低风险区和较低风险区转化，表明人类已经意识到生态破坏带来的危害，为防止生态进一步退化，已对重点区域加强了监管和生态修复。表 年不同生态风险区面积统计表（单位：）（：）低风险区 较低风险区 中风险区 较高风险区 高风险区 年 年 年 年 生态风险综合评价根据公式（）和生态风险驱动因素分析，选取年平均降水量、年平均气温、人口密度、分布、景观脆弱度、植被覆盖度 个评价指标，采用层次分析法确定指标权重。按层次结构关系构建指标体系层次结构模型，通过判断矩阵计算得到层次指标因子权重大小。表 是生态风险评价权重指标值，且均通过一致性检验。由于各个指标单位和取值的不同，将各个指标进行归一化处理，使指标权重在 之间。测绘与空间地理信息 年表 年生态风险综合评价指标及权重 目标层评价形式评价指标权重运算符号生态风险综合评价生态压力生态响应年平均降水量 年平均气温 人口密度 分布 景观脆弱度 植被覆盖度 生态压力表示区域地理生态环境受人类生态足迹和气候变化的影响情况。气温和降水是影响赣南地区重要的自然条件因素，高温天气会影响植被作物生长，而持续降水会增加泥石流和水土流失等自然灾害。如图 所示，赣南地区生态压力在空间上的分布特征，整体上呈现北部高南部低的格局。因建设用地持续扩张，林田湖草被侵占现象持续发展，生态压力高值区域呈现小范围局部聚集，主要分布在建筑群周围，表明建筑群周边因人类频繁活动，已经威胁到生态系统的安全。年研究期内气温和降水情况出现波动，故生态压力值出现小幅度波动，但整体生态压力值有减缓的趋势，区域内防灾、减灾综合能力效果显著。生态响应表示人类干预和区域自身具备抵御生态风险的能力。景观脆弱度可评估生态系统抵御外来干扰的能力；植被覆盖度表示绿色植被的空间分布，其值越高区域植被功能性和生态健康程度越高，分布为负向指标；反映了区域面对生态威胁时，可以抵御的程度，分布为负向指标。如图 所示，赣南地区生态响应空间分布差异显著，呈现出西部高、东部低的状态，建筑群周围生态响应能力明显高于其他区域。年研究期内，赣南地区总体生态响应变化差异不明显，生态响应高值区更随着建筑群的变化出现波动，部分植被覆盖度低的区域，人类干预相对不足，生态响应值较低。图 年生态响应空间分布图 结束语通过景观生态学，深入研究不同土地利用类型变化下的生态风险演变规律，有利于揭示土地利用生态风险时空变化特征，结合统计资料探讨生态风险与多重外在影响因素的关系，可以有效提高生态风险评价的准确性。以赣南地区生态风险演变研究为例，可探讨红壤丘陵区生态风险的一般性规律。红壤丘陵区森林覆盖率较高，但由于人类过度追求砍伐树木带来的经济效益，致使林地面积持续减少，短时间内林地无法恢复生态效力，林下水土流失严重。由于人口等社会经济因素的影响，建筑用地持续扩张，给红壤丘陵区山水林田湖草生态带来了冲击，导致土壤养分流失，影响林地植被的生长，植被群落朝单一化方向发展。笔者充分考虑了土地利用变化、景观格局特征和生态风险驱动因素之间的关系，以赣南地区生态风险时空演变分析为例，为红壤丘陵区生态风险评估提供新的参考。但研究对区域地形地貌及尺度效应之间差异缺乏研究，还需要今后在“尺度格局过程”的分析框架中深入探索。参考文献：莫明浩，方少文，杨洁，等红壤小流域水土治理模式及其环境效益分析江苏农业科学，（）：，：，（）：，（）：孙洪波，杨桂山，苏伟忠，等沿江地区土地利用生态风险评价：以长江三角洲南京地区为例生态学报，（）：王洁，摆万奇，田国行土地利用生态风险评价研究进展自然资源学报，（）：白舒婷基于土地利用变化的吉林西部景观生态风险评价研究长春：吉林大学，：，（）：孙天弘，雷平国内土地利用生态风险研究进展资源与产业，（）：余敦，梁珍宝，肖志娟，等基于景观生态思维的南昌市土地生态风险时空特征分析