基于土地利用变化的沱江流域景观生态风险时空分异研究_李永平.pdf

2 0 2 3年4月第3 8卷第4期内江师范学院学报J o u r n a l o fN e i j i a n gN o r m a lU n i v e r s i t yA p r.2 0 2 3V o l.3 8N o.4基于土地利用变化的沱江流域景观生态风险时空分异研究李永平a,赵晓燕b*(内江师范学院a.国际教育学院b.地理与资源科学学院,四川 内江 6 4 1 1 0 0)摘 要:沱江流域作为成渝经济圈和长江上游生态屏障建设的重点区域,诊断其景观生态风险及时空分异特征对促进流域经济带建设和生态安全建设具有重要意义.基于2 0 0 0、2 0 1 0和2 0 2 0年的土地利用数据,以景观干扰度和景观脆弱度计算景观损失度,以此构建了景观生态风险评价模型,运用统计和空间自相关分析方法,揭示了沱江流域近2 0年的生态风险时空演化特征和空间自相关关系.结果表明:沱江流域土地利用类型以耕地、林地和草地为主,其中耕地是流域内的优势景观,对景观格局的变化起着重要作用;从数量来看,流域内的生态风险处于低风险等级,但生态风险指数逐渐增大,风险等级逐渐增高,说明整体上区内生态环境质量有所下降;2 0 0 0、2 0 1 0、2 0 2 0年三个时段流域内全局空间自相关的莫兰指数(M o r a n s I)分别为0.4 8 4 4、0.5 1 6 2、0.5 3 3 6,M o r a n s I均为正值且呈上升趋势,表明在空间上呈正相关且生态风险的空间聚集程度逐渐增强.以上评价结果为流域内生态风险防控和生态环境保护提供定量参考和决策依据.关键词:土地利用类型;景观生态风险;时空分异;沱江流域D O I:1 0.1 3 6 0 3/j.c n k i.5 1-1 6 2 1/z.2 0 2 3.0 4.0 1 6中图分类号:X 4 3;P 6 9 4文献标志码:A文章编号:1 6 7 1-1 7 8 5(2 0 2 3)0 4-0 0 9 4-0 80 引言生态风险是指生态系统或其组成部分受到自然因素和人为活动的干扰或胁迫1,使生态系统中的某些要素(生产力、经济价值、美学价值、遗传结构等)的组成和结构发生变化而导致生态系统功能减弱或损失的可能性,从而影响区域生态系统的安全和健康2-3.土地利用生态风险评价是在生态风险评价的基础上扩展而来的,而生态风险评价又经历了从环境影响评价到环境风险评价的发展过程4-5.随着人类活动对土地利用的广度、深度和合理程度的干预以及生态系统风险评价研究的深入,以城市群6-8、经 济 带9、湖 泊 或 河 流 流 域1 0-1 2、荒 漠 绿洲1 3、风景名胜区1 4、海岸带1 5等为研究区,采用景观指数法1 2-1 3和相对风险模型1 6-1 8(r e l a t i v er i s km o d e l,R RM)为评价方法,从区域、时空、评价模型等角度多尺度、全方面地开展土地利用生态风险评价研究.为了进一步分析不同土地利用类型的景观生态风险在空间上的相关性及其相关的程度状况,常采用全局自相关的M o r a n sI指数来反映区内景观生态风险在空间上的整体分布情况和集聚特征,采用局部自相关的L I S A指数1 0,1 3-1 4来反映景观生态风险在空间上的聚集范围,以此来确定要素在空间上集聚或离散的程度.朱娴飞等1 9、L i u等2 0、田鹏等2 1以省级区域、海岸带、流域等区域为研究对象,采用景观格局指数构建生态风险指数(e c o l o g i-c a l r i s k i n d e x,E R I)开展了土地利用生态风险评价;奚世军等2 2、张文静等2 3采用E R I模型开展了生态风险评价,在E R I模型基础上进行了空间相关性分析并探讨了驱动因素;徐兰等2 4、张月等2 5、周汝佳等2 6以湖泊和河流流域为研究区,从土地利用*收稿日期:2 0 2 2-1 0-2 8 基金项目:沱江流域生态安全评价及调控机制研究项目(T J G Z L 2 0 2 0-2 1);内江师范学院校级科研项目(2 0 2 2 QN 0 1)作者简介:李永平(1 9 9 0-),男,云南曲靖人,内江师范学院讲师,硕士,研究方向:土地利用/覆被变化与生态环境效应第4期李永平,等:基于土地利用变化的沱江流域景观生态风险变化的视角,采用景观格局指数对区域生态风险的演化特征开展了研究,揭示了区域生态质量的时序变化特征和空间格局特征.综上所述,国内外学者从不同的研究尺度开展了生态风险评价及时空演变分析,其评价模型和方法较为成熟,但从多个评价单元和评价方法角度入手开展区域生态风险对比分析方面还存在不足,对区域生态风险的研究深度和广度还有待提高.沱江流域作为成渝经济圈和长江上游生态屏障建设的重点区域,森林覆盖率较低,人口密度较高,途经多个大中型城市,工业聚集且环境负荷大,生态环境脆弱.近几年,伴随成渝双城经济圈的建设和发展,对区内自然资源综合利用的程度和开发强度逐渐增大,为了促进区内自然资源的可持续开发利用和生态环境保护,对沱江流域生态环境开展评价和研究显得极为重要和迫切.从人类活动作用于自然环境较为频繁且强烈的土地利用类型为研究视角点,将景观格局和生态风险评价相结合,多尺度长时间序列诊断沱江流域的生态风险,对推动流域高质量发展和成渝双城经济圈的建设具有重要意义.为了更好地反映沱江流域生态环境的时空变化特征和研究结果的时效性,结合区内近几十年的社会经济发展水平,以1 0年为研究尺度,选取了2 0 0 0-2 0 2 0年的土地利用分类数据,运用A r c G I S的空间分析和统计功能,构建了以景观干扰度和脆弱度为指标的景观损失度生态风险评价模型,对流域内土地利用的时空变化、生态风险转移矩阵特征以及空间自相关性开展了研究,以期为流域内生物多样性保护、生态系统健康和服务监测以及生态风险保护和防控提供参考,以此推动沱江流域高质量发展和区域可持续开发利用.1 研究区概况沱 江 流 域 位 于 四 川 省 中 部,地 理 位 置 为1 0 3.6 8 E1 0 5.7 6 E,2 8.8 7 N3 1.7 0 N,属于长江上游四川段支流,流经德阳、成都、资阳、眉山、内江、自贡、泸州7个大中型城市,流域总长为7 1 2k m,其覆盖面积为3 29 0 0k m2.流域内地势西北高东南低,地形起伏较大,为亚热带季风气候,夏季高温多雨,冬季寒冷干燥,支流众多,河网水系密集,流域内多年平均降雨量约12 0 0mm,年径流量3 5 1亿立方米,水资源蕴藏量丰富;同时区内人口众多,工业聚集,大中型工厂多达千余座,截至2 0 2 0年底,流域内总人口为3.91 07人,人均G D P收入为2.71 01 2元,其人口密度位居四川省各河之首,而森林覆盖率仅为6.1%,低于四川省其他各河,生态环境负荷大且较为脆弱.2 数据来源和预处理为了更好地开展沱江流域生态风险评价和调控机制研究,在考虑数据获取的可行性和准确性的基础上,将研究时段定为2 0 0 02 0 2 0年.从中国科学院资源环境科学数据中心(h t t p s:/w w w.r e s d c.c n/)下载了全国的行政界线矢量,在A r c G I S中定义好投影坐标,采用筛选和裁剪的方法提取出沱江流域的行政界线矢量数据.根据研究时段的不同,在地理空间数据云(h t t p s:/www.g s c l o u d.c n)下载不同系列的L a n d s a t遥感影像数据,空间分辨率为3 0m,时相为5-1 0月,云量2 0%,并对L a n d s a t遥感影像数据进行镶嵌、裁剪、融合、云量掩膜等预处理,得到处理好的L a n d s a t遥感影像数据,便于进行土地利用分 类.根 据 我 国 土 地 利 用 现 状 分 类(G B/T2 1 0 1 02 0 1 7)标准1 1和在考虑沱江流域土地利用现状的情况下,将研究区土地利用类型划分为建设用地、耕地、林地、草地、水体、湿地和灌木地7大类.为了进一步开展沱江流域景观生态风险评价,需要对流域内土地利用类型进行划分和识别.目前应用较多的土地利用类型划分方法有目视解译、监督分类、非监督分类和深度学习分类2 7.通过对常用的四种分类方法的对比以及对研究区图像特征了解的基础上,本文选择监督分类方法进行地类的划分.2 0 0 0年和2 0 1 0年采用L a n d s a t 5遥感影像,2 0 2 0年采用L a n d s a t 8遥感影像,借助E NV I软件平台,选择已知的土地利用类型作为训练样点,运用监督分类方法中的最大似然法对有待分类的图像元进行分类识别2 8,最后采用空间分辨率小于2m的遥感影像,选取建设用地、耕地、林地、草地、水体、湿地和灌木地各5 0 0个训练样本,对土地利用分类结果进行精度 检 验.研 究 结 果 显 示,2 0 0 0年、2 0 1 0年 和2 0 2 0年的土地利用分类数据精度总体在8 5%以上,灌木地和湿地的误差最大,而建筑用地、耕地、草地和水体的分类精度较高,这一结果与O t u k e i等人的研究结果相一致2 9,分类结果能够满足本次研究的需要.59内江师范学院学报第3 8卷3 研究方法3.1 生态风险评价模型的构建本研究以3期土地利用分类数据为基础,在考虑景观格局指数生态学意义基础上,在借鉴前人学者相关研究成果和考虑研究区景观格局特征的基础上1 3,选取景观破碎度、分离度、分维度指数构建景观干扰度指数1 1,通过对不同土地利用类型进行赋值得到景观脆弱度指数,将景观干扰度和脆弱度指数进行求积计算得到景观损失度指数.最后利用不同土地利用类型的面积比重和景观生态风险单元的损失度指数进行加权求和构建研究区景观生态风险指数3 0,其各景观格局指数的生态学意义及其计算方法如表1所示.表1 景观格局指数的生态学意义及其计算方法景观格局指数生态学意义计算方法景观破碎度指数(Ci)表示在自然和人为因素干扰破坏下,景观被分割的破碎程度,其值越大表明景观受干扰破坏越大,其稳定性越差Ci=N iA i景观分离度指数(Vi)表示景观中不同斑块数个体分布的分离程度,其值越大表明景观斑块越分散,内部结构越复杂Vi=A2A iN iA景观分维度指数(Di)表示景观斑块形状对内部斑块生态过程影响的指标,其值越大表明形状越复杂Di=2 I n(Pi/4)I nA i景观干扰度指数(Ei)表示景观受到外界干扰后的损失强度,干扰度指数越大,生态风险越大.中低强度的干扰能增加景观的异质性,有利于生物多样性的保护Ei=a Ci+b Vi+c Di景观脆弱度指数(Fi)表示景观抗外界干扰能力的大小,抗干扰能力越小,景观越脆弱,生态系统稳定性越差,越容易受到破坏根据研究区的特点和前人研究成果1 0,1 3,将Fi赋值到7类土地利用类型中:建设用地=1、草地=2、林地=3、灌木地=4、水体=5、湿地=6、耕地=7,并对赋值做归一化处理景观损失度指数(Ri)表示不同景观类型所代表的生态系统在受到自然和人为干扰时其自然属性损失的程度,由景观干扰度和脆弱度指数构建R i=E iF i景观生态风险指数(E R Ik)表示每个生态风险小区综合的生态环境损失的程度,生态风险指数越大表示未来可能发生的环境问题及其影响后果越大E R Ik=nk=1A k iA kR k 注:Ni为景观类型i的斑块数;Ai为景观类型i的总面积;Pi为景观类型i的周长;Ci为第i类景观破碎度指数;Vi为第i类景观分离度指数;Di为第i类景观分维数指数;a、b、c分别表示Ci、Vi、Di的权重,其中a=0.5、b=0.3、c=0.2;E R Ik为评价单元k的景观风险指数大小;n为评价单元格数量;Ak i为评价单元k内第i类景观类型的面积;Ak为评价单元k的面积.3.2 空间分析方法为了更好地分析景观斑块在空间上与相邻单元属性值的相似程度,解释景观生态现象的空间依赖关系,采用应用较为广泛的莫兰指数M o r a n sI和L I S A指数(M