南水北调中线汉中市水源地景观生态风险评价与特征

李小燕, 柳书俊, 王志杰

(1.陕西理工大学 历史文化与旅游学院， 秦巴环境与旅游开发协同创新中心, 陕西 汉中723000;2.贵州大学 生命科学学院, 贵阳 550025; 3.贵州大学 茶学院, 贵阳 550025)

生态风险评价能有效支持生态系统管理，为生态学和地理学科热点研究领域[1]。景观生态学高度关注空间异质性及景观格局—过程互馈，横断了地理学的水平空间异质性与生态学的垂直相互关联，是对二者的整合统一[2]。景观生态风险评价源于区域生态风险评价，将传统关注种群、群落、生态系统功能的生态学方法与强调区域、全球空间异质性的地理学思维相结合，以景观为评价对象，为景观生态学所关注的空间异质性及景观格局—生态过程互馈研究提供了新的研究视角[3-6]。不同景观类型承载相应的生态功能，合理的景观结构、稳定的生态过程及丰富的生态服务直接决定着区域的可持续发展[7-8]。景观生态风险评价方法大致可分为基于风险源汇和基于景观格局两类。早期以前者为主，继承了传统生态风险评价和区域生态风险评价的方法原理；后者在区域尺度上直接从空间格局出发评价景观生态风险[9]。目前，主要的景观生态风险指数包括基于景观格局的风险指数、基于土地利用类型的风险指数和基于外部压力—景观暴露性—稳定性的风险指数3类[10-11]。近年来，基于景观格局的生态风险评价受到学者的广泛关注和应用，但相关研究多集中在东部发达地区以及研究热点区[12-13]，而针对南水北调中线水源地、汉江源头或秦巴地区开展的生态环境相关研究主要集中在生态系统服务功能及核算、区域生态风险脆弱性评价以及生态效益测评[14]等方面，基于景观格局的生态风险评价鲜有报道。

南水北调中线工程是缓解我国华北地区水资源严重短缺的大型调水工程，取水口—丹江口水库70%入库水量来自陕西境内的汉江和丹江流域[9]，汉中为主要水源地。保护水源地生态环境，确保受水区水质水量安全、促进供水区和受水区经济发展、实现人与自然和谐共处一直是该区的热点问题。由于山高坡陡、土层较薄等自然条件恶劣，加之淡薄的生态环境保护意识和粗放的生产生活方式等影响，使得该区土壤侵蚀严重，自然灾害频发，各类生态环境问题较为突出。为控制土壤侵蚀，恢复生态环境，该区先后实施了系列植被恢复工程[15]。然而，工程效果如何？景观结构是否合理？生态风险是否有所降低？后续该如何进行有效的生态修复等一系列问题尚不清楚。因此，客观判断景观格局空间分布及动态变化规律、科学诊断生态环境现状及存在的问题、分析原因并发现未来重点治理区域和方向，可为该区生态修复及环境保护工作提供数据支撑和理论指导，对南水北调中线调水工程的长效运行具有科学意义。

基于此，本研究以南水北调中线汉中市水源地为研究对象，利用RS和GIS技术，运用景观生态学、地统计学原理与方法，通过景观生态风险指数计算及空间自相关分析，对汉中水源地景观生态风险与特征进行定量评价，以期揭示汉中市生态风险变化规律和时空分布特征，为南水北调中线水源地的植被恢复与生态建设提供科学依据和决策支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

汉中市(32°08′54″—33°53′16″N,105°30′50″—108°16′45″E)位于陕西省西南部，与川、甘两省毗邻。北靠秦岭，南依巴山，中部为汉中盆地[9]。全市辖汉台区、南郑区、城固、洋县、西乡、勉县、宁强、略阳、镇巴、留坝、佛坪等九县二区，国土总面积约2.71万km2。地势南北高中间低，形成了“两山夹一川”的地貌骨架，区内地貌类型以山地为主，约占辖区面积的75%，丘陵约占15%，平坝仅约占10%。气候属北亚热带季风气候，多年平均降水量在700～1 700 mm。境内主要有东西横贯的、发源于宁强的汉江水系和南北纵穿的嘉陵江水系，是南水北调的中线工程的主要水源地[14]。该区土地利用以林地和耕地为主，农作物一年两熟。早期由于不断的垦殖活动，汉中周边经历了多次大规模的毁林和过度采伐，原始森林几乎破坏殆尽，山区以天然次生林为主，生物多样性、水土流失、水源涵养等生态功能受到影响。为控制土壤侵蚀和恢复生态环境，该区域先后实施了“长治”、“丹治”和退耕还林等植被恢复工程，生态环境改善较为明显[15]。第二轮退耕还林工作也已于2014年正式启动。受快速社会经济发展的影响，该区近年土地利用变化较为显著。

1.2 数据源与数据处理

本研究主要资料包括汉中市2007年和2011年Landsat-5遥感影像、2017年GF1_WFV影像、土地利用数据、退耕还林数据及行政区划图等，主要数据来源及特征见表1。

基于ENVI 5.3遥感数字图像处理平台，对3期遥感影像进行图像辐射校正、大气校正、几何校正、图像镶嵌、图像裁剪和图像增强等预处理[16--17]。得到汉中市2007年、2011年和2017年三期景观类型空间分布图。总体解译精度94%，Kappa系数0.86，满足研究要求。

景观样本的面积为斑块平均面积的2～5倍时能综合反映采样点周围的景观格局信息[18]。综合考虑汉中市景观空间异质性、斑块大小及栅格信息的完整性，采用等间距系统采样法，将研究区划分为3 km×3 km的采样单元，共计3 222个风险小区。

表1 数据源及数据特征

1.3 景观生态风险指数构建

生态风险指数是利用景观干扰指数和景观脆弱性指数构建的。景观干扰指数是在景观破碎度、景观分离度、景观优势度的基础上建立的[11-13]，根据已有相关研究，3个指标分别赋以0.5，0.3，0.2的权值。景观脆弱性指数依据景观类型赋值，针对汉中市的实际情况，借鉴前人的研究成果[17]，脆弱性程度分别赋值：未利用地=6，水域=5，耕地=4，草地=3，林地=2，建设用地=1，并对其相关值进行归一化处理，得到景观脆弱度指数Fi。同时可通过采样方法将景观的空间结构转化为空间化的生态风险变量[18]。计算公式如下：

(1)

式中：ERI为景观生态风险指数；n为景观类型的数量；Aki为第k个风险小区中景观i的面积；Ak为第k个风险小区的总面积；Ri为景观i的损失度指数。

1.4 空间自相关分析

(1) 半变异函数分析。为综合分析景观生态风险的空间规律和等级结构，在生态风险系统采样的基础上，利用地学统计的变异函数方法，通过半方差函数进行理论变异函数拟合进行获取[19]。

(2) 空间自相关。全局空间自相关是分析空间的某属性值在整个区域内的空间分布状态及模式，探讨某属性的空间集聚效应。全局空间自相关通常选用Moran′sI表示。局部空间自相关分析通过比较观测值和相邻值与全局的关系，能准确地把握局部空间要素的集聚与分异特征。局部空间关联指标(LISA)是用来度量每个区域单元与周边地区的属性值之间的显著空间聚集程度的指标[19-20]。

2 结果与分析

2.1 汉中市景观格局时空动态变化特征

从汉中市2007年、2011年和2017年各景观类型面积(表2)来看：十年间，研究区景观类型以林地为主，占总面积的85%以上；耕地次之，约占10%；建设用地、草地、水域和未利用地共占5%左右。研究时段内，汉中市景观类型的变化表现出耕地的持续减少、林地的稳定增加、建设用地快速增长为主要特征。其中：耕地持续减少539.33 km2，为研究区变化面积最大的景观类型；林地增加426.71 km2，变化面积仅次于耕地；建设用地增加215.48 km2，面积变化位居第三。但由于该区以林地和耕地为主，二者年变化率远不及建设用地，即建设用地增速最快。从整体的变化量和年变化率来看，2007—2011年耕地和建设用地的年变化率分别为-1.03%和1.68%，2011—2017年二者年变化率为-2.37%和5.26%，前一时段变化幅度略小于后一时段。林地的增加呈现出缓慢的减少趋势。其他类型波动变化。此外，建设用地的增加主要集中在汉中盆地，并呈现出以主城区及县城为中心向外辐射的趋势，其中：汉台区增加趋势最为明显。林地增加主要集中在城固、洋县、南郑、宁强和西乡等县区，而耕地的减少主要集中在勉县、宁强、洋县和西乡，其他县区也有不同程度的减少。

利用Fragstats 4.2得到汉中市各期景观破碎度、分离度、干扰度和损失度指数，分析研究区景观类型分布较广的林地、耕地和建设用地3类主要景观类型的景观格局指数及变化情况(表3)：2007—2017年汉中市景观破碎度、分离度、干扰度以及损失度等均呈现出波动上升趋势。其中：耕地各项指标依次分别增大0.32，0.41，0.28，0.05；林地分别增大0.02，0.03，0.03，0.002；建设用地分别增大0.52，0.001，0.28，0.01。研究时段内，汉中市景观的破碎程度、分离程度等均呈现出明显的恶化趋势。研究区林地景观分布最为广泛，景观优势度均最大，并呈缓慢增加趋势，增加约0.03；建设用地的景观优势度较小，但增速快，增加约0.10。除景观优势度指数外，建设用地和耕地的各项景观格局指数远高于林地景观，且变化幅度也较大，说明建设用地和耕地更为破碎和分离，受外界干扰较强。

表2 汉中市2007年、2011年和2017年各景观类型面积统计

表3 汉中市2007年、2011年和2017年各景观类型的景观格局指数

2.2 汉中市景观生态风险及其变化特征

为便于比较不同时期景观生态风险指数变化情况，直观分析空间分布特征，借鉴前人的研究成果，结合汉中实际情况，经多次重分类，将汉中市景观生态风险划分为5个等级：低风险区(ERI≤0.04)、较低风险区(0.040.19)。

2.2.1 景观生态风险时间变化 通过2007年、2011年和2017年汉中市不同景观生态风险等级的面积及其变化(表4)可见：研究区整体景观生态风险处于相对较低水平。研究区低风险区和较低风险区面积2.17万km2，占全区总面积的73%～85%左右；中等及以上景观生态风险区约占15%～27%。各等级生态风险区变化显著。研究始末，景观生态风险变化面积占总研究区面积的55.42%，即一半以上的区域生态风险有所变化，其中：面积变化最大的是低风险区。10 a间，低风险区面积持续减少，共减少0.72万km2，变化面积占该类型总面积的40.16%；并且，研究区除较高风险区面积略有减少外，其他类型风险区面积均有不同程度的增加，说明研究区景观生态风险有加剧态势。

表4 汉中市2007年、2011年和2017年不同景观生态风险等级面积统计

2.2.2 景观生态风险空间变化 通过景观生态风险等级图(图1)可见：研究区较低及以上生态风险整体呈现出明显的倒“r”型分布，即嘉陵江沿岸两侧的略阳县、宁强县，汉江沿岸两侧的汉中市中东部地区景观生态风险相对较高，且表现出沿嘉陵江、汉江向外逐渐扩散的特征。并且，10 a间汉中市景观生态风险表现出“整体加剧，局部波动缓解”的趋势。高风险区分布范围明显扩大，2007年较高风险区和高风险区仅出现在汉中盆地及西乡县城周边，2017年其分布范围明显增大且程度加重，南郑区以及西部嘉陵江流域的略阳县和宁强县也出现明显的高风险区；较低风险区也从2007年仅分布于河流沿线的低山丘陵区向中高山区扩散；此外，2007年低风险区几乎全部分布在南北两侧的中高山区，呈明显的集中连片分布态势，而2017年低风险区范围急速锐减，且集中连片格局被彻底打破。中等风险区表现出波动缓解特征，2007年中等风险区集中分布于嘉陵江沿线及汉中盆地周边的低山丘陵区，2011年其分布范围和面积急剧增大，沿嘉陵江和汉江两岸辐射状扩展，截至2017年，中等风险区大部分转变为较低风险区，且其分布范围缩小、零散分布于较高和高风险区周围。

图1 汉中市2007年、2011年和2017年景观生态风险等级

2.3 汉中市景观生态风险空间相关分析

2.3.1 汉中市景观生态风险空间自相关分析 基于地统计学软件GS+，利用3 222个样点数据计算汉中市景观生态风险半变异函数并进行函数拟合，结果表明(表5)：汉中市景观生态风险空间相关性用球状模型拟合效果最佳。2007年、2011年和2017年的块金值分别为0.000 2，0.000 04，0.000 7，基台值分别为0.003 38，0.003 38，0.004 85，表明块金作用较小，在3 km研究尺度下的变异特征不显著，该尺度能较好地反映景观生态风险度的空间异质性特征。块金值/基台值分别为0.059 2，0.010 8，0.144，总体呈上升趋势，且均小于15%，说明在选取3 km的采样间距内，空间异质性特征主要取决于系统自身的空间自相关过程，小尺度的随机变异较小，具有强烈的空间相关性。变程值从2007年的50.3 km先增加到2011年的54 km，后下降到2017年的45.4 km，表明在50 km左右变程内各区域景观生态风险值存在空间相关性，且相关性范围呈先增后减，总体减小的趋势。

表5 汉中市2007年、2011年和2017年景观生态风险变异函数理论模型相关参数

2.3.2 汉中市景观生态风险空间变异特征 基于GeoDa软件得到汉中市2007年、2011年和2017年景观生态风险全局自相关Moran分析,结果表明：汉中市2007年、2011年和2017年Moran指数分别为0.836 1，0.845 3，0.728 2，且均通过了p<0.05的显著性检验，说明研究区内生态风险空间分布上存在显著的空间正相关，即汉中市3个时期的景观生态风险表现出相似值之间的空间聚集趋势。同时，Moran指数从2007年的0.836 1降低到2017年的0.728 2，区域景观生态风险指数集聚态势进一步减弱，空间自相关程度有所减弱，空间趋同性逐渐降低。大部分风险小区位于第一、第三象限，空间正相关性显著，属于“高—高”和“低—低”风险聚集模式。第二象限的“低—高”聚集模式和第三象限的“高—低”聚集模式也有零星分布，但数量上明显小于“高—高”和“低—低”聚集模式。

汉中市景观生态风险局部自相关LISA聚类图(图2)，可以看出：汉中市景观生态风险指数均以“高—高”和“低—低”景观生态风险聚集区为主；“高—低”景和“低—高”景观生态风险聚集区则呈零散分布。“高—高”景观生态风险聚集区主要集中在汉中盆地和西乡盆地，说明该地区的景观生态风险值较高，生态环境脆弱，其相邻地区的景观生态风险值也较高，这是由于该区域地势相对平坦，社会经济发展水平较高，优势景观为耕地和建设用地，交通通达度高，人类活动较强，城市建设用地侵占耕地，景观破碎度增高，景观分离度加大，导致该区域整体景观生态高风险度聚集。“低—低”景观生态风险聚集区主要集中研究区南部和北部区域，说明该地区景观生态风险值较低，其相邻地区的景观生态风险值也较低，这些区域主要为高山及中高山，优势景观主要为林地，交通通达度低，人类活动较弱，景观连通性强，景观破碎度小，因此该区域整体景观生态风险度较低。“低—高”景观生态风险聚集区多分布于汉中盆地北部边缘和南部边缘地区，该区域是盆地向低山丘陵过渡的区域，该区域内侧为地形平坦，土壤肥沃，以耕地和建设用地景观为主的汉中盆地，随着人类活动强度的不断增大，致使该区域景观破碎度增高，景观分离加大，景观格局不稳定，生态环境较为脆弱，生态风险较高；而该区域外侧受人类活动干扰较弱，生态环境保护良好，以林地景观为主的优势景观格局稳定，生态风险较低。“高—低”景观生态风险聚集区多分布于研究区东南部和东北部区域。

图2 汉中市2007年、2011年和2017年景观生态风险LISA聚类

整体而言，2007—2017年汉中市景观生态风险变化显著，中部“高—高”景观生态风险聚集区总面积呈减小趋势；研究区南部和北部“低—低”景观生态风险聚集区总面积减小，分布由聚集向分散化演变，景观破碎度增强；“高—低”景观生态风险聚集区和“低—高”景观生态风险聚集区分布随时间的推移上有扩大的趋势，说明景观生态高风险和低风险之间的分化程度在减小。

3 结论与讨论

3.1 讨 论

汉中地处秦巴腹地，北靠秦岭，南倚大巴山西段的米仓山，境内自然植被覆盖高，相对集中分布的林地是其优势景观，对景观生态风险贡献大，奠定了该区景观生态风险总体水平相对较低的基础[21]。然而，长期以来，汉中经济落后，人口地域分布差异显著，城乡二元结构明显。尤其是，近年来，人口数量的增长，使区域环境承载力不堪重负，导致对资源环境的不合理利用和干扰程度大，加之多次大规模的毁林和过度采伐，原始森林几乎破坏殆尽，生态效益变差，保障区域生态安全的功能明显下降，不合理的人类活动，引起自然灾害频繁，生态环境恶化问题突出[22-23]。为了恢复和保护秦巴山区自然生态环境，保障南水北调中线工程水源地的供水和生态安全，汉中市先后实施了“天保”工程、“长治”工程、“丹治”工程水源区生态和水资源补偿工程、退耕还林还草工程、以及生态环境综合治理工程等一系列生态环境保护和建设工程，汉中市植被覆盖的数量化指标明显提高，生态系统日趋稳定，特别是长期以来生态环境恶化问题最为突出、人类活动干扰最为剧烈的低山丘陵区，景观生态风险与2011年相比得到明显控制。然而，从景观尺度和景观生态的角度而言，当前的一系列生态环境保护措施和建设工程，大都基于坡面、小流域或生态系统尺度，部分县区退耕还林还草工程也存在“见缝插绿”的现象，虽然景观优势度持续增加，但同时也导致生态风险较小的林地和草地景观破碎度、分离度增大，加之社会经济的不断发展，人类活动最密集、城市化进度最快的汉中盆地、各县城及周边地区景观生态风险愈加恶化；并且，随着耕地的大面积减少，道路、城市建设用地的快速增加，人类活动逐渐向中高山区扩散，进一步加剧了景观的破碎化程度，景观在空间上的分布更加分散，使汉中市10 a间的景观生态风险总体有明显加剧趋势，并导致中高山区原有的集中连片分布的低风险格局被打破。因此，建议今后在实施相关生态环境保护和建设过程中，除大力进行小流域生态环境治理与保护，以及生态建设数量化指标提升外，应着重从景观连通、稳定的景观角度，宏观布局，标本兼治，优化景观安全网络格局，降低景观破碎化和分离化程度，科学调控人类活动对景观的干扰，构建景观生态安全网络体系，以确保区域生态安全、社会经济与生态环境可持续发展，保障南水北调中线工程的水源安全以及调水工程的长效安全运行。

3.2 结 论

(1) 2007—2017年汉中市景观类型均以林地景观占绝对优势，呈现出林地和建设用地持续增加、耕地稳定减少。研究区景观格局破碎化程度加剧。

(2) 汉中市景观生态风险总体处于较低水平，以低风险和较低风险为主。但10 a间，景观生态风险呈现出“总体恶化，局部波动缓解”的特征。低风险区面积由2007年的65.72%降低到2017年的39.33%，而其他较高等级风险区的面积几乎均有不同程度的增加。高风险区主要集中在人类活动最密集、城市化进度最快的汉中盆地、各县城及周边地区。汉江沿岸两侧低山丘陵区景观生态风险经历了由“低风险→中等、较高风险→较低风险”的波动缓解过程，中高山区景观生态风险呈现由汉江两侧辐射状扩散加剧的趋势。

(3) 2007—2017年汉中市景观生态风险具有显著的空间相关性。不同景观格局生态风险水平具有强烈的空间正相关关系，景观生态相近区域在空间上的聚集态势呈逐步减弱趋势。并且，汉中市景观生态风险存在明显的空间关联，“高—高”和“低—低”风险聚集区分布随时间推移逐渐缩小，“低—高”和“高—低”风险聚集区分布随时间推移逐渐扩大，高风险和低风险间的分化程度也在逐渐减小。