贵州草海湿地区域土地利用生态风险评估

任金铜，李仰征，王志红，欧阳力剑

（贵州工程应用技术学院生态工程学院，贵州 毕节 551700）

生态风险具有复杂性、客观性、不确定性等特征，生态风险评价是在一种或多种外界因素的影响下，对发生或正在发生的不利于生态系统稳定和良性循环的生态后果进行评估[1]，生态风险评价已成为宏观生态管理的一项重要途径[2]。土地利用作为全球环境变化的重要组成部分，已成为影响人类社会可持续发展的重大问题，土地利用生态风险被用于描述和评价人为活动、自然灾害或者环境污染对生态系统结构和功能所造成的影响[3]，探索土地利用动态变化基础上的生态风险，对区域土地资源合理利用和实现土地生态环境动态平衡具有重要现实意义[4]。

自20世纪80年代以来，国内外学者针对生态风险评价开展了相关研究工作，有学者以土地利用为基础，通过构建生态风险指数模型，对区域生态风险进行了综合评价，如任志远等对榆林市土地生态风险进行了综合评价[5]，徐羽等分析了鄱阳湖流域土地利用生态风险格局[6]，林媚珍等对中山市土地利用变化及其生态风险响应进行了研究[7]；也有学者基于多源数据和相关模型开展了生态风险评价，如王永芳基于多源数据与DPSIR模型对科尔沁沙地进行了生态风险评估[8]，刘晓、苏维词等基于RRM模型对三峡库区重庆开县消落区土地利用生态风险评价[9]，张晓媛、周启刚等基于综合模糊评价对三峡库区屏障带重庆段土地利用生态风险评价[10]，岳东霞、曾建军等基于PSR和熵权物元可拓模型对甘南高原生态环境风险评价研究[11]；近年来，景观生态风险评价理论与方法被高度关注，基于景观的生态风险评价主要应用于流域[12-13]、行政区划[14-15]，以及城市[16-19]等区域。

贵州草海位于国家级贫困县威宁县城附近，随着经济社会发展和城镇化进程的加快，草海及其周边受人为活动影响较为严重，区域土地利用发生了明显变化[20]。基于此，本研究以3S技术为基础，以遥感影像解译获取近20年来草海湿地区域土地利用数据，通过构建生态风险指数模型，结合研究区数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）对研究区土地利用生态风险时空变化特征进行了综合分析，为草海湿地及其周边生态环境保护及土地利用决策提供参考。

1 研究区概况及数据

1.1 研究区概况

贵州草海位于云贵高原中部顶端的乌蒙山麓腹地，是典型的喀斯特高原湖泊湿地。作为我国为数不多的亚热带高原湿地生态系统，草海平均海拔2170m，平均水深约2m，具有日照丰富、冬暖夏凉等独特的高原气候特征，为我国特有的黑颈鹤等珍稀鸟类及其他候鸟提供了重要的越冬地和迁徙中转站，在“中国生物多样性保护行动计划”中被列为Ⅰ级重要湿地，与滇池、青海湖并成为“中国三大高原湖泊”[20-21]。由于地处喀斯特生态脆弱区，草海湿地区域经济、社会发展在受到自然因素制约的同时，也严重影响着区域生态环境问题。2017年8月中央第七环保督察组反馈草海环境问题指出“威宁县城的发展与草海保护严重冲突，‘城进湖退’等问题突出”[22]。

由于草海保护区紧邻威宁县城，随着经济社会的不断发展、周边城镇化水平的不断提高，草海湿地区域人地矛盾、珍稀物种保护与人类社会发展问题不可回避。为揭示草海湿地区域土地利用变化导致的生态风险状况，本研究以草海国家级自然保护区为中心，研究包括威宁县小海镇黑岩洞至草海保护区一带的集水区，涉及草海镇、小海镇和双龙乡部分区域，共计53个行政村[23]。

1.2 数据来源与处理

本研究所需数据主要包括Landsat系列遥感影像、DEM数据以及地形图等。其中，遥感影像数据来源于地理空间数据云平台①和美国地质勘探局网站②提供的轨道号为129/41的Landsat系列影像。DEM数据来源于地理空间数据云平台③提供的GDEM V2 30m分辨率数字高程数据，地形图数据由威宁县国土资源局提供，另外辅以中国科学资源环境科学数据中心④提供的1:10万比例尺土地利用现状遥感监测数据[24]。

参考《土地利用现状分类标准》（GBT 21010-2007），结合研究区实际和数据源特点，将土地利用类型划分为：耕地、林地、草地、水域和建设用地等五种类型，通过监督分类和人机交互式判读的方法对不同时期遥感影像数据进行解译，利用混淆矩阵方法对分类结果进行评价，将分类结果总体分类精度控制在85%以上。草海湿地区域土地利用类型解译结果如图1所示。

图1 草海湿地区域土地利用解译结果图

2 研究方法

本研究以草海湿地区域遥感影像解译出的土地利用类型数据为基础，借助3S技术方法，利用生态风险指数，结合研究区地形数据进行生态风险时空变化特征评价。

2.1 高程和坡度划分

利用30m分辨率GDEM V2 DEM数据，根据研究区高程分布情况（2064-2890m），考虑到草海湖区正常水位2171.7m，本研究利用ArcGIS重分类工具将研究区划分为五个高程段，其中2064-2172m作为一个高程段，其他高程段以200m递增，分别为：2172-2372 m、2372-2572 m、2572-2772 m、2772-2890 m。

由于研究区地处喀斯特山区，为进一步研究不同坡度条件下生态风险变化情况，本研究利用Arc⁃GIS 3D分析工具对DEM数据进行处理，获取研究区坡度数据。结合研究区坡度分布情况，将坡度重分类为0°～3°、3°～8°、8°～15°、15°～25°和＞25°五个坡度段。

2.2 生态风险评价模型

根据研究区范围，利用各地类面积比例构建生态风险指数（ERI）评价模型，运用网格采样法将研究区划分为1km×1km的正方形网格作为评价单元，共划分得到576个采样区，计算每个采样网格的生态风险，作为样地中心点的生态风险水平[25]。

其中，ERI为生态风险指数；i为研究区各土地利用类型，Ai为采样区内第i种土地利用类型的面积，Wi为采样区内第i种土地利用类型所反映的生态风险强度参数。参照相关研究成果及研究区实际情况，并经咨询专家打分法，最终确定研究区各土地利用类型的生态风险强度参数Wi值依次为：林地0.0427、耕地0.1916、建设用地0.3934、水域0.1425、草地0.0726、未利用地0.1572[26]。

3 草海湿地区域生态风险变化特征分析

3.1 生态风险随时间变化特征

利用ArcGIS统计分析工具结合公式（1），对1995-2015年间草海湿地区域576个样区的土地利用生态风险指数进行计算，得出研究区土地利用生态风险指数统计表（表1），进一步分析可知：（1）1995年草海湿地区域生态风险值在0.0423～0.369，均值为0.103，标准差为0.044；2005年生态风险值在0.043～0.373，均值为0.107，标准差为0.045；2015年的生态风险值0.043～0.373，均值为0.110，标准差为0.049。（2）近20年，草海湿地区域的土地利用生态风险峰值由0.369增加到0.373，均值由0.103增加到0.110，标准差由0.044持续增加到0.049。由此可知，草海湿地区域土地利用生态风险指数有向高风险变化趋势。

表1 研究区土地利用生态风险指数统计表

按照生态风险值在空间出现的概率，参考相关研究、结合研究区实际情况，利用GIS标准分类法中的几何间隔，依次将研究区生态风险划分为低生态风险、较低生态风险、中等生态风险、较高生态风险和高生态风险五个等级[25]（图2）。

图2 草海湿地区域土地利用生态风险分布

通过对研究区生态风险等级结果进行统计（表2），结合土地利用类型图（图1）分析可知：（1）近20年来，草海湿地区域以中等和较低生态风险为主，二者总面积所占比例均超过70%，其中中等生态风险占比均超过40%，并呈现持续下降趋势；中等和较低生态风险区域以耕地和草地为主，由于耕地面积的增加导致中等生态风险区域面积减少。（2）高生态风险区面积占比较小，均低于1%，但总体呈现上升趋势；随着经济社会发展及城镇化进程的加快，研究区内建设用地持续增加，由于建设用地生态风险强度参数最大，导致高生态风险面积持续增加。（3）较高生态风险区先减后增，总体呈现下降趋势；低生态风险区先增后减，总体呈现增加趋势。

表2 研究区生态风险面积统计

3.2 生态风险的空间变化分析

从空间变化的角度，结合研究区土地利用生态风险分布（图2），对草海湿地区域土地利用生态风险变化情况进行分析可知：（1）近20年来，草海湿地区域生态风险的空间分布特征较为明显，其中，威宁县城附近区域一直处于高生态风险，草海湖区和杨家湾水库区域处于较高生态风险，中部区域以中等和较低生态风险区为主，低生态风险区主要位于草海湿地区域周边以林地为主的山区。（2）草海湿地区域高生态风险区域主要集中在威宁县城附近，且随着建设用地面积持续增加，高生态风险区面积持续增加；较高生态风险区由连片区域不断收缩，导致其空间分布逐渐分散；中等生态风险区位于较高生态风险区外围，以耕地类型为主；低和较低生态风险区以林地和草地为主，面积先增后减，但随着退耕还林以及草海周边水源地保护等政策的实施，使得低和较低生态风险区面积总体呈增加趋势。

利用ArcGIS分别将草海湿地区域1995-2005年和2005-2015年生态风险进行叠加分析，借助EX⁃CEL数据透视表功能，获取研究区生态风险转移情况（表3、表4）。经分析可知，近20年来研究区生态风险在空间上发生不同程度的转换，其中：（1）1995-2005年间，低生态风险主要向较低生态风险转换，转换面积为1615.568hm2；较低生态风险主要向低和中等生态风险转换为主，转换面积分别为1615.568 hm2、1050.162 hm2；中等生态风险主要向较低生态风险转换，转换面积为5014.542 hm2，其中750.243hm2向较高生态风险转换；较高生态风险主要向中等生态风险转换，转换面积为2860.010 hm2，另有86.886 hm2转为了较高生态风险；高生态风险未发生明显转移情况。（2）2005-2015年间，低生态风险主要向较低和中等生态风险转移为主，转移面积分别为838.984 hm2、133.799 hm2；较低生态风险主要向中等生态风险转移为主，转移面积有2144.855 hm2，另有190.061 hm2转为低生态风险，7.590 hm2转为较高生态风险；中等生态风险主要向较高生态风险转移为主，2423.245 hm2转为较高生态风险，555.216 hm2转为较低生态风险；较高生态风险中260.447 hm2转为中等生态风险，24.817 hm2转为高生态风险；高生态风险转移依然不明显，只有0.635 hm2转为较高生态风险。

表3 1995-2005年间研究区生态风险面积转移矩阵（单位：hm2）

表4 2005-2015年间研究区生态风险面积转移矩阵（单位：hm2）

3.3 地形特征对生态风险变化影响分析

3.3.1 不同高程带生态风险变化特征

将研究区重分类后的高程数据与三个时期生态风险分布进行叠加分析，统计不同时期各高程带上不同生态风险分布情况（表5），结合公式（1）计算得出研究区不同高程带的生态风险指数（表6）。经统计分析可知，近20年来，草海湿地区域生态风险分布与研究区不同高程带具有明显的相关性，其中：（1）低生态风险和较低生态风险区主要位于2172-2372m和2372-2572m高程带，中等、较高和高生态风险主要位于2172-2372m高程带，大于2372m高程带不存在高生态风险，大于2572m高程不存在较高生态风险；结合图1进一步分析可知，研究区位于典型喀斯特山区，其土地利用类型与地形高程密切相关，其中，2172-2372m高程带土地利用类型以耕地和草地为主，且建设用地主要位于该区域，而大于2572m高程带的土地利用以林地为主。

表5 不同高程带生态风险面积分布（面积单位：hm2）

（2）从不同高程带的生态风险指数变化情况来看，20年间草海湿地区域不同高程带的生态风险指数均出现不同程度的增加，其中，高程2372m以下的生态风险指数增加了0.008，高程2572-2772m的生态风险指数未发生明显变化，大于2772m的生态风险指数减少了0.001。

表6 不同高程带生态风险指数

3.3.2 不同坡度段生态风险变化情况

通过对不同时期草海湿地区域生态风险与研究区坡度分类结果进行叠加分析，得出不同坡度带的各级生态风险面积分布（表7），结合公式（1）进一步计算得出不同坡度带的生态风险指数（表8）。研究发现：（1）草海湿地区域0～3°坡度带主要分布有草海湖区和杨家湾水库，以水域为主，生态风险以中等和较高生态风险为主，该区域易受人类活动影响，20年间中等生态风险区域面积先增后减，总体呈增加趋势，较高生态风险区面积先减后增，总体呈下降趋势。（2）高和较高生态风险区主要位于3～8°和8～15°两个坡度段，随着坡度的增加，较高和高生态风险面积持续下降，该区域林地分布较低。（3）8～15°坡度带是各级别生态风险区域主要分布带，在该坡度带，高生态风险区域面积持续增加，低生态风险区则持续减少，较高生态风险区面积先减少后增加，总体呈现减少趋势；较低和中等生态风险区面积先增加后减少，但总体呈现增加趋势。（4）低、较低和中等生态风险区在15～25°坡度带的分布仅次于8～15°坡度带，在15～25°坡度带则是以中等生态风险为主，且高生态风险在该区域内面积持续增加。（5）大于25°的坡度以较低和中等生态风险为主，低生态风险在该坡度带面积持续减少，高生态风险在该坡度带占比最小，但面积呈增加趋势。

表7 不同坡度带生态风险面积分布（面积单位：hm2）

从生态风险指数变化情况（表8）来看，近20年来草海湿地区域生态风险指数均发生了不同程度的增加，其中，0～3°坡度带生态风险指数增加0.008，3～8°和8～15°两个坡度段增加0.007，15～25°坡度带则增加0.006，大于25°的坡度带增加0.005。

表8 不同坡度带的生态风险指数变化

4 结论与讨论

本研究以3S技术为基础，以遥感影像解译获取近20年来研究区土地利用数据，参考前人研究构建了生态风险指数模型，针对研究区地形特点，结合研究区数字高程模型对研究区土地利用生态风险时空变化特征进行了综合分析，得出以下结论：

（1）近20年来，草海湿地区域土地利用生态风险指数有向高风险变化趋势。研究区内以中等和较低生态风险为主，并呈现持续下降趋势；高生态风险区面积占比较小，但总体呈现上升趋势；较高生态风险区总体呈现下降趋势，低生态风险区总体呈现增加趋势。

（2）研究区土地利用生态风险的空间分布特征较为明显，县城附近区域一直处于高生态风险，草海湖区和杨家湾水库区域处于较高生态风险，中部区域以中等和较低生态风险区为主，低生态风险区主要位于草海湿地区域周边以林地为主的山区。

（3）随着经济社会发展和城镇化进程的加快，研究区土地利用生态风险在空间上发生不同程度的转换。低生态风险主要向较低生态风险转换，较低生态风险主要向低和中等生态风险转换为主，中等生态风险主要向较低生态风险转换，较高生态风险主要向中等生态风险转换，高生态风险未发生明显转移情况。

（4）近20年来，草海湿地区域土地利用生态风险分布与研究区不同高程带和坡度带具有明显的相关性，高程越大土地利用生态风险等级越低，坡度越小土地利用生态风险等级越高。

土地利用对生物多样性、生态系统服务功能及生态系统资源环境的承载力有着直接的影响，是近年来全球变化研究的热点问题之一。基于土地利用的生态风险评估，对于区域生态环境保护及土地利用决策具有重要现实意义。通过对草海湿地区域近20年来的土地利用生态风险的时空变化特征进行研究可知，人类活动对区域土地利用生态风险变化起到主导作用，随着经济社会发展及城镇化进程的加快，建设用地面积急剧增加是导致生态风险向高生态风险变化的主要原因；随着退耕还林以及草海周边水源地保护等政策的实施，使得研究区内低和较低生态风险区面积总体呈增加趋势。因此，制定科学合理的土地利用政策对区域生态环境保护具有重要意义。

注释:

①遥感影像数据来源于地理空间数据云平台，http://www.gscloud.cn/。

②遥感影像数据来源于美国地质勘探局网站，http://glovis.usgs.gov/。

③DEM数据来源于地理空间数据云平台，http://www.gscloud.cn/.地形图数据于1990年12月航摄，1992年4月调绘。

④土地利用现状数据来源于中国科学资源环境科学数据中心，http://www.resdc.cn/。