三明地区景观格局变化分析及生态风险评估

林莉平，陈文惠，2*，刘育圳

(1.福建师范大学 地理科学学院，福州 350007；2.湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地，福州 350007)

三明地处中亚热带季风区，降水丰富，地形以山地、丘陵为主，地势西北高东南低，森林资源丰富。由于趋于活跃的人类活动的影响，路网延伸，城市扩张，人工景观侵占原生自然景观，以及该地区独特的地理特征加剧了生态环境的脆弱度。景观格局是在自然因素、生物因素和人类活动综合作用下形成的景观要素在空间上的排列和组合[1]。景观格局指数作为研究区景观格局特征的评价因子已被大量学者进行了广泛的应用。较多学者根据景观格局指数的不同类别，从景观格局的总体特征、景观斑块异质性和景观水平异质性3个方面对研究区进行景观格局评价[2-4]。除了作为不同特征的单因子使用外，景观格局指数还可用于生态风险的评估，以此探究景观格局变化对人为干扰的响应度，这已成了地理学和景观生态学领域的研究热点。目前学者逐渐针对不同类型研究区开展了景观指数结合于生态风险的评估[5-6]，但是针对森林山地的研究相对较少。本研究以三明地区为例，基于土地覆盖数据和景观格局指数的计算，探讨2005—2015年间三明地区景观格局的变化，并以景观变化作为切入点，结合干扰度指数，进行森林山地生态风险指数的构建，揭示十年间三明地区的景观变化规律，希望为三明地区的开发与规划提供一些参考。

1 研究区概况与研究数据

1.1 研究区概况

图 1 研究区地理位置示意Figure 1 Location of the study area

三明(25°30′～27°07′N，116°22′～118°39′E)位于福建省中部，为闽中与闽西北的结合处，全境面积22 965 km2。研究区位于闽江流域上游，水系众多。受中亚热带季风的影响，多年平均降雨量为1 500～2 100 mm。三明市林地面积189.47万hm2，占土地总面积的82.5%，森林覆盖率76.8%，人均林木林地资源居全省第一，是全国少数几个林分蓄积量超亿m3的设区市之一，素有“中国绿都”之称。近年来，该地区经济不断增长，城市面积不断扩张，至2015年，三明地区生产总值达1 713亿元，常住人口达253万人。在城市建设用地面积上，与以往相比均有增加，其中道路与交通设施用地面积增加显著，2015年比上一年增长了46.2%。随着城市化进程的推进，人类活动趋于活跃，对生态景观格局产生了一定程度的影响，加剧了生态环境的脆弱性，导致了水土流失、洪涝等灾害的发生[7]。

1.2 数据来源与分析思路

2015年土地覆盖数据是从福建省测绘局申请使用的地理国情普查数据，2005年土地覆盖数据是以2015年数据为基础，参照2005年分辨率为2.5 m 的SPOT-5影像进行逆向变更得到的。所用影像也是从福建省测绘局申请的，变更操作前参照2015年高分影像对2005年影像进行了几何校正、镶嵌等预处理。按生态风险评估的类别进行类型整合操作，对地理国情普查数据土地覆盖类型的分类系统进行了调整，分为耕地、园地、林地、草地、房屋建筑、道路、构筑物、人工堆掘地、荒漠与裸露地、水域。对两期土地覆盖数据进行类型变化和景观格局指数的计算，揭示十年间三明地区土地覆盖类型变化的特点和规律；再根据计算的景观干扰指数(Ei)和景观脆弱度指数(Fi)进行生态风险的定量评估，分析其景观格局变化对该区域生态风险的影响。

2 主要指标及计算方法

2.1 土地覆盖类型变化程度

为了反映2005—2015年间三明地区景观格局变化程度，定量其发展趋势，本研究引入景观变化动态度这一指标，定量评价该地区景观格局变化程度。同时通过土地覆盖类型转移矩阵，探究景观类型间变化方向，分析十年间景观格局变化的内部特点。景观变化动态度计算公式如下[8]：

(1)

式(1)中：Dc为 年的景观变化动态度，Ub为研究初期的景观面积，Ua为研究末期的景观面积，T为时间。

2.2 景观指数

景观指数高度浓缩了景观格局信息，反映景观的结构组成和空间配置特征，使用景观指标定量分析景观格局的特征与变化是景观生态学研究的核心之一[9]。本研究采用总斑块数、斑块密度、边缘密度、香农多样性指数、香农均匀度指数、景观形状指数、蔓延度来描述土地覆盖特征及其十年间整体景观特征的变化[10]，利用Fragstats 4.2软件和Excel软件分析得到这些景观指数。

2.3 生态风险指数

暴露-响应分析法是研究生态风险较为常见的方法，通过暴露接触关系，研究受体受到压力胁迫后的变化[11]。由于人类活动干扰范围较大，暴露在人类活动下的各个类型景观均可能受到胁迫，各个类型景观受体抗外界干扰的能力也存在差异性。因此本研究选取景观干扰指数(Ei)和景观脆弱度指数(Fi)来构建生态风险指数。

景观干扰指数(Ei)常用来反映不同区域受到干扰之后的损失程度，区域受到的干扰越大，生态风险越大。常用破碎度(Ci)、优势度(Di)、分离度(Ni)3个指数综合构建景观干扰指数(Ei)。

其公式如下：

Ei=aCi+bNi+cDi

(2)

(3)

(4)

(5)

式(2～5)中:a、b、c分别为响应各景观指数的权重，且a+b+c=1，根据相关研究[12]，认为景观破碎度指数最为重要，其次为分离度和优势度，其权重分别为0.5、0.3、0.2；ni为第i种景观的斑块数量；Ai为第i种景观的总面积；A为所有景观类型面积之和；Qi为第i种景观斑块出现的风险小区数/总风险小区数；Mi为第i种景观的斑块数/斑块总数；Li为第i种景观面积比。

景观脆弱度指数(Fi)描述不同生态系统的易损性，与其在景观自然演替过程中所处的阶段有关，处于初级演替阶段食物链结构简单、生物多样性指数小的生态系统对外部干扰抵抗能力较小，较为脆弱[13]。根据研究区实际情况，结合他人研究成果[14]，将本研究区分为7类景观类型，采取专家打分法，得到各个景观类型的脆弱度(Fi)分别为：耕地0.633、园地0.500、林地0.233、草地0.367、建设用地0.100、荒漠与裸露地0.900、水域0.767。

景观损失度指数(Ri)反映了不用景观类型所代表的生态系统在受自然和人为干扰时的自然属性损失程度和景观生态风险指数(ERIi)[15]。其计算公式为：

Ri=Ei×Fi

(6)

(7)

式(7)中:ERIi为第i个风险小区的生态风险指数,n为景观类型数量,Ai为风险小区内i景观的面积，A为景观总面积。

3 结果分析

3.1 土地覆盖类型时空变化

表 1 2005—2015年三明地区土地覆盖类型面积及动态度统计 Table 1 Land use area and dynamics in Sanming area from 2005 to 2015

三明地区的自然景观类型面积远高于人工景观类型(表1)。林地占总面积比率达到88%以上，是该区域的优势景观。2005年各类型占比从大到小排序为：林地>耕地>草地>园地>房屋建筑>水域>道路>构筑物>人工堆掘地>荒漠与裸露地。2015年该排序有所变化，人工堆掘地类型增长迅速，总面积超过道路和构筑物。该地区地物整体变化较为和缓稳定。

耕地、草地、林地、荒漠与裸露地均呈减少态势，其中耕地覆盖类型的面积变化最大，减少占比达到0.51%，其次为林地，减幅为0.11%，草地、荒漠与裸露地的面积减幅较小。其余覆盖类型均呈增加态势，包括房屋建筑、道路、构筑物、人工堆掘地等体现人类活动的土地覆盖类型，其中增幅最大的类型为人工堆掘地覆盖类型，达到0.33%；其次为水域类型，涨幅达0.12%，构筑物和房屋建筑覆盖类型增幅均为0.09%。

结合动态度分析可知：十年间，各类土地覆盖变化程度从大到小的排序为：人工堆掘地>构筑物>道路>水域>耕地>房屋建筑>荒漠与裸露地表>草地>园地>林地。与面积变化率相比，动态度更体现出土地覆盖类型的变化剧烈程度。三明地区十年间，人工景观类型的动态度基本高于自然景观类型，其中人工堆掘地的变化最为剧烈，动态度为6.05；构筑物和道路的增长变化也较为明显，动态度分别为2.82、1.12。房屋建筑与自然景观类型中动态度最大的耕地相当，绝对值均为0.7，说明2005年房屋建筑的建设规模已经成型，十年间的变化与其他人工景观相比较为平稳。总体上看耕地、林地、草地、荒漠与裸露地呈负增长态势，其中耕地覆盖类型负增长程度最大。园地、房屋建筑、道路、构筑物、人工堆掘地、水域则呈增长态势，人工堆掘地增长最为剧烈；其次为构筑物、道路等人工景观类型，房屋建筑、水域则在原有基础上略有增长，但变化程度较小；耕地是自然景观中减少幅度最大的类型，其余自然景观变化则基本处于稳定状态。

表 2 2005—2015年三明地区土地覆盖类型转出比例矩阵/% Table 2 Proportional matrix of land use transfer in Sanming area from 2005 to 2015/%

从土地覆盖类型转移方向的角度来分析(表2)：在转入方面，转移强度最大的人工覆盖类型为人工堆掘地，转入占比为57.58%，主要由林地转出，占转入面积的41.38%；构筑物、道路、水面、荒漠与裸露地、房屋建筑的转入占比分别为32.48%、 20.16%、12.92%、9.26%和9.63%，主要由林地转出；草地转入占比为4.30%，主要为耕地和林地转入，分别占转入比例的2.51%和1.41%；耕地、园地、林地转入较少，仅为1.45%、1.81%、0.50%；其中耕地的主要转入类型为林地，占比0.15%；园地的主要转入类型为耕地，占比1.04%；林地的主要转入类型为耕地，占比0.36%；水面类型由于本身基数小，水库坑塘的修建导致林地、耕地、草地等类型的转入对其产生了较大的影响。总体上，在土地覆盖变化中，变化较剧烈的类型，如人工堆掘地、构筑物、道路，均有大量比例由林地转化而来，说明随着经济发展，城市化扩张进一步推进，人类活动影响的范围逐渐加大，同时林地面积减少，生物多样性减少，可能造成生态环境质量下降、生态功能降低的后果。在转出方面，自然景观转出比率较高，耕地与草地的转出率为7.17%和7.67%，耕地类型中有3.9%向林地转移，草地中则有1.62%向林地转出，1.19%向人工堆掘地转出。此外，林地处于动态平衡的状态，在转出的同时也有转入，转入主要由自然景观类型构成。由于林地面积较大，在自身变化率上体现微弱，但对于其他土地覆盖类型的变化影响较大，其转出面积主要由其余土地覆盖类型转入，说明该地区中，林地对维持整体景观格局具有重要的作用。

3.2 景观指数变化分析

在景观水平上，选取了总斑块数、斑块密度、边缘密度、香农多样性指数、香农均匀度指数、景观形状指数和蔓延度[16](表3)来描述十年间整体景观特征的变化。总斑块个数、斑块密度的增加，说明整体景观呈破碎化的趋势。香农均匀度指数维持在0.3，说明在该景观内各斑块类型分布不均匀，林地类型支配着整个景观。香农多样性指数和均匀度指数的小幅增长表明人工景观的显著增加导致总景观内各要素景观分布均匀度和丰富度上升，林地的优势地位有削弱趋势。景观形状指数增长了0.179，说明景观内结构复杂度增加，蔓延度指数减少了0.813，景观中集聚大斑块连通性下降，主要为大斑块内细碎斑块增加导致的。总体上，林地是该地区优势的景观类型,由于人工景观增加，侵占了原生自然景观，大片原生自然景观类型间连通度下降，削弱了林地的优势度，同时增加了该地区景观结构的复杂度和丰富度。

表 3 三明地区景观水平特征指数Table 3 Landscape horizontal characteristic index in Sanming area

表 4 三明地区景观类型水平特征指数 Table 4 Horizontal characteristic index of landscape types in Sanming area

表 5 三明地区景观格局指数 Table 5 Landscape pattern index in Sanming area

结合表4和表5分析，景观类型水平上耕地斑块数目、平均斑块面积、聚集度等指标均明显减少，对应其优势度降低，破碎度、分离度提升，受干扰度和生态损失度也相应提升0.01、0.007。林地由于本身面积基数太大，在指数上体现微弱，草地面积占比和聚集度均有下降，而斑块数目有所增多，优势度指数下降，分离度指数增加，导致其干扰度略有提升。房屋建筑、构筑物、人工堆掘地、道路等类型斑块数量、显著上升，其中道路类型不同于其他人工景观类型随着景观斑块数量而斑块平均面积、聚集度上升，道路因其分布特征，斑块平均面积减少、聚集度下降且破碎度上升，房屋建筑及构筑物聚集度分别上升0.22、1.63，但斑块密度基本维持不变，说明这两类人工景观在十年间是在原有聚集区域上发生变化，聚集区域发展得更加聚集。人工景观类型中变化程度最高的为人工堆掘地，斑块面积比例上升了14.57，聚集度上升了5.88，表明在这十年间，人工堆掘地的聚集化迅速，与房屋建筑不同的是，房屋建筑和构筑物类型在变化初期已经形成了明显的聚集区域，而人工堆掘地在变化初期聚集度较低。经过十年，聚集度渐渐接近房屋建筑，因此是十年间增长聚集最为剧烈的景观类型。荒漠与裸露地的斑块数下降、斑块平均面积上升，聚集度提升，干扰度上升而损失度下降，说明荒漠与裸露地类型有聚集化的分布趋势，且面积逐渐增大。水域的斑块数目和面积均有提升，聚集度增加显著，而斑块密度变化微弱，干扰度损失度均下降，说明水域类型景观在十年间呈聚集化变化趋势，抗干扰能力增强。

总体上，该地区十年间变化较为缓和，从各项指标来分析，园地和林地变化轻微；耕地受人类活动干扰程度较大；水域类型面积增大，有聚集化的变化趋势，干扰度下降；而草地类型面积减少，呈破碎化分布的趋势，更容易被人类活动干扰；荒漠与裸露地面积比例上升，分布更加聚集化，因此也易受人类活动干扰。人工景观类型的面积均呈增长态势，其中人工堆掘地增长幅度最大。房屋建筑、构筑物和人工堆掘地均在分布上有显著的聚集化趋势，人工堆掘地聚集化迅速，与房屋建筑达到同一水平。道路类型破碎度提升，随着建成数量和公里数的增加，分布愈加分散，意味着路网逐渐向非建成区扩展延伸。

3.3 生态风险值评估

根据公式(7)，计算出2005年及2015年各风险小区的景观生态风险指数(ERI)，得出2005年ERI值介于0.000 1～1.045 0之间，2015年ERI值介于0.000 1～0.803 7。根据自然断点法对风险值进行分级：0～0.10为低生态风险，0.10～0.17为较低生态风险，0.17～0.26为中生态风险，0.26～0.43为较高生态风险，0.43～1.05为高生态风险。

图 2 三明区域生态风险Figure 2 Ecological risk of Sanming area

十年间，生态风险平均值基本维持不变，不同级别的风险小区的个数变化明显。不同风险等级区域的变化呈现两头减少，中间增长的变化趋势。2005年该地区的低生态风险小区个数为992个，2015年的个数为748个，减少了2.4%。2005年的较低风险区个数为900个，2015年的个数为1 043个，增加了1.6%。中风险区和较高风险区个数均有变化，变化比率相对较小。2005年高风险区个数为81个，2015年个数为44个，下降了45.7%，说明这十年间高风险和低风险区域在缩小，而处于二者之间的较低风险区、中风险区、较高风险区的面积在不断扩大。即使高风险区域面积减幅较大，但低风险区域也在向更高风险区域转移，不同级别风险区域的面积也呈现扩大的态势。较高和高风险区主要分布在三明西南部、中北部，即清流县东南部和泰宁县与建宁县的交界处。尤溪县和大田县间，中风险与较高风险区域由东北-西南带状分布。三明西部地区，即泰宁县和宁化县，有较多的风险小区由低风险向较低风险转移，总体风险值上升。十年间，泰宁县和清流县的高风险区域风险值有所下降，等级转变为较高风险及中生态风险。2015年的高生态风险区域减小，较高生态风险区域增加，一是由于高风险降低，二是由于中生态风险区域风险值升高。

4 结论与讨论

研究期内，三明地区景观格局变化较为轻微，主要体现在自然景观向人工景观的转移上，体现出人类活动是该地区原生景观变化的主要驱动力。该地区林地景观具有独特的优势性，在这种背景下，虽然林地景观动态度变化小，但剧烈变化体现在本身基数小的其他景观之中，对其他自然、人工景观的变化造成强烈的影响，因此在该地区的可持续发展规划中应当特别注重林地的开发规划与保护。

人工景观中道路不断向非建成区扩展延伸，其他人工景观则呈现聚集化分布的趋势，城市化也从中得以体现。房屋建筑和构筑物在研究初期已初成聚集规模，十年间这两种类型的建设用地的扩张均在原有基础上继续维持稳中有升的态势。人工堆掘地类型的面积和聚集度在研究期间攀升迅速，说明该地区城市化建设仍有较为强劲的力量积蓄。

由于人工景观的面积增加，整体景观的多样性趋于上升，但人工景观的扩张侵占了原生自然景观，也造成了整体景观趋于破碎，大块斑块间的连通性变差，人类活动的干扰度提升也在其中体现，对总体生态造成一定的负面影响。

三明林地的覆盖率高，因此整体的生态风险处于较低的水平。 高风险区主要分布在三明西南部、中北部，即清流县东南部和泰宁县与建宁县的交界处。在尤溪县和大田县间，中风险与较高风险区域呈东北-西南带状分布。在十年变化期间，高生态风险区显著下降。但在人工景观侵占自然景观的背景之下，低生态风险等级的面积在减少，而除高生态风险等级以外，其余级别的风险区面积也均在扩大，其他风险区均在向更高风险等级转移。该研究结果表明该地区的低风险区的生态风险有逐渐升高的可能。即使高风险区域在逐渐减少，人工景观的破碎化分布，低风险区域的问题也不容小觑，应当多关注低风险区域的生态维持与保护。

本研究以土地覆盖情况作为评估的主要因子，反映十年间三明地区宏观变化和景观生态风险水平，角度较为单一，未来可结合景观结构与区域其他自然因子和社会经济指标，建立更全面的评估指标体系和社会经济指标体系。