北方农牧交错带景观生态风险评价及格局优化研究

杜华明

(1.绵阳师范学院 资源环境工程学院,四川 绵阳 621000； 2.生态安全与保护四川省重点实验室,四川 绵阳 621000)

景观生态风险指在自然或人为因素影响下,景观格局与生态过程相互作用可能产生的不利后果[1].伴随人类活动和自然灾害对生态系统影响的加强,景观生态风险引起政府、学界、社会的广泛关注,并已有大量研究报道.例如，马胜等[2-4]通过构建景观生态风险指数,分别对陕西省米脂县高渠乡、陕西榆林市、贵州夹岩水利枢纽区52个乡镇进行了景观生态风险研究；傅微等[5-7]分别以黄土高原、三江平原、升金湖湿地等为研究对象,对区域景观生态风险进行时空变化探讨；奚世军等[8-9]分别对乌江流域、太湖流域开展流域景观生态风险评估；刘焱序等[10-11]对城市景观格局及生态风险进行分析；姜坤等[12]对福州鼓岭避暑旅游区景观格局及生态风险进行分析.目前关于景观生态风险评价指标的选取、评价模型的构建及景观生态风险的时空演变等研究已取得一定成果,但景观生态风险应对策略、景观生态格局优化等研究尚显不足.

北方农牧交错带处于森林生态系统与草原生态系统、农业区与牧业区的复合过渡带[13],地理条件特殊、生态环境复杂、生态系统类型多样，该区域海拔高差大、地域广阔、经度跨度大，分为东北段、华北段、西北段3个部分[14](见图1).由于长期采取粗放的经济开发模式,忽视了生态环境问题,从而使得人地矛盾突出、生态损毁严重、生态监测与监管能力不足,致使北方农牧交错带地区面临严峻的生态风险,生态环境遭受到严重破坏，如生态功能衰退、草地退化、土地沙漠化等.景观生态风险评价和景观格局优化是有效应对景观生态风险的主要途径,加强对北方农牧交错带地区自然地理环境禀赋条件、生态风险评价和格局优化研究,有利于为北方农牧交错带地区生态环境的可持续发展提供科学依据和理论支撑.

图1 北方农牧交错带区位图Fig.1 Location of Farming-pastoral Ecotone in Northern China

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

文中所涉及的数据主要包括基础地理数据、遥感影像数据、土壤类型数据及DEM数据.1∶1 000 000的基础地理数据来源于全国地理信息资源目录服务系统(http://www.webmap.cn/)；遥感影像数据来源于USGS(https://earthexplorer.usgs.gov/),通过对2018年Landsat 7 ETM影像进行校正拼接处理后,运用ENVI5.1软件进行监督分类处理得到2018年土地利用数据(分辨率为30 m),得到的土地利用数据主要用于土地利用分析、香农均匀度指数和蔓延度指数的计算；土壤类型数据(分辨率为1 000 m)来源于资源环境数据云平台(http://www.resdc.cn/),运用ArcGIS软件进行重采样处理(分辨率统一为30 m)；数字高程数据(分辨率为30 m)来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/),主要用于高程指标、坡度的提取与相关计算.

1.2 研究方法

1.2.1 景观生态风险指标体系的构建

景观生态风险受多源因素的综合影响,在充分认识北方农牧交错带地理特征、生态环境、社会经济、人文条件等的基础上,结合区域实际情况,遵循生态灾害所固有的复杂性和不确定性等风险相关原理,依据科学性、可靠性、可操作性、系统性和简明性等原则,同时参考前人研究成果,选取坡度、海拔、土壤类型、距河流距离、距居民点距离、距城镇用地距离、距道路距离、土地利用类型、香农均匀度指数、蔓延度指数等10个指标,从“自然环境-人类社会-景观格局”3个维度构建景观生态风险评价指标体系[15-16].运用ArcGIS10.5软件的重分类功能,对10个指标进行分级(见表1),不同景观生态风险划分成5个等级,1～5级分别表示低、较低、中等、较高、高风险区.

自然环境维度主要考虑坡度、高程、土壤类型、距水体距离4个因子对景观生态风险的综合影响.坡度大易导致水土流失,从而发生滑坡、泥石流等地质灾害,因此坡度越大景观生态风险越高,根据《水土保持综合治理规划通则》,把坡度划分为5个等级,即1级(<5 °)、2级(5 °～15 °)、3级(15 °～25 °)、4级(25 °～35 °)、5级(>35 °)[17].降水、气温、光照、湿度、植被类型等随海拔高度的不同而发生变化,根据区域特征及高程,结合文献[18-19],将海拔分为5个等级(见表1).不同类型土壤的含沙量、土壤通气性、保水性能等亦不一致,按照不同类型土壤抵抗外界压力能力的强弱,把不同土壤类型划分成5个等级[20].水域生态系统在涵养水源、保持水土、维护物种多样性方面起着非常重要的作用,距水域越近的区域生态风险越小[21].

表1 生态风险指标及分级评价标准Tab.1 Indicators and Grading Evaluation Criteria of Ecological Risk

人类社会维度选取距居民地距离、距城镇用地距离、距道路距离3个指标.距居民地、城镇用地、道路越近的区域,受到人类活动的影响越大.参考文献[22],并结合区域自然地理环境特征,将距居民地距离、距城镇用地距离、距道路距离划分成5个等级，分别对应低、较低、中等、较高、高风险.

景观格局维度选取土地利用类型、香农均匀度指数和蔓延度指数3个指标.不同地类的生态稳定性不同,抗外界干扰能力不一样,其生态恢复能力、水土保持能力亦不同,不同利用类型土地对景观生态风险的敏感性亦不同,参考生态环境评价国家标准并结合区域土地利用类型,将土地划分为林地、草地、水域和湿地、耕地、建设用地5种类型,分别对应低、较低、中等、较高、高风险[23].香农均匀度指数、蔓延度指数分别表示景观丰富度和景观组分空间配置，指数越高生态系统越稳定[15].

1.2.2 空间主成分分析(spatial principal component analysis,SPCA)

SPCA方法可将主成分因子分析结果在对应的每一个栅格上展现出来,空间可视化效果良好[24].运用ArcGIS软件下空间分析中的Principal Components工具,对研究区域10个指标进行空间主成分分析,确定各指标对区域景观生态风险的贡献度,并根据分析结果计算指标权重[25].具体分析流程：打开Principal Components工具,在输入栅格波段中添加10个景观生态风险评价因子所对应的栅格数据,进行SPCA并得到分析结果,根据分析结果中的成分矩阵及方差解释表计算出指标权重[26],结果见表1.

1.2.3 景观综合生态风险指数(landscape ecological risk index,ERI)

参考相关文献,采用景观综合生态风险指数(ERI,IERI)进行区域景观生态风险计算,计算公式为

(1)

式中：IERI为第i个栅格的综合景观生态风险指数，i为交错带30 m×30 m的像元;Pij为第i个栅格对应的第j个指标;Wj为第j个指标的权重[27]，结果见表1.

1.2.4 最小累积阻力(minimum cumulative resistance,MCR)模型

最小累积阻力是经过不同阻力的景观所耗费的距离或克服阻力所做的功[18],运用MCR模型进行区域生态廊道和生态节点构建，其公式为

(2)

式中：VMCR表示生态源j到任意点i之间的最小累积阻力值;f是反映MCR与变量(DijRi)之间正比关系的函数；Dij表示从第j个生态源地到目标点i的距离;Ri为景观表面上第i个栅格的阻力值[15].

2 结果与分析

2.1 北方农牧交错带景观生态风险评价

2.1.1 区域“自然环境-人类社会-景观格局”3个维度景观生态风险评价

运用ArcGIS10.5对北方农牧交错带10个景观生态风险指标进行等级划分,结果见图2.图2a～d是自然环境维度评价因子风险图,坡度因子和高程因子生态风险的空间分布较一致,内蒙古东北部与吉林、黑龙江、辽宁西部交界区域风险最低,山西北部、河北北部与内蒙古中部交绥区域风险较低,青海、甘肃、宁夏、河北北部地区属于高及较高风险区.从土壤因子的生态风险看,农牧交错带河北省北部地区、辽宁省西部地区及交错带东部局部地区生态风险较低；北方农牧交错带西北段大部分区域、交错带东北段部分区域属于高及较高风险区域.从距河流距离看,农牧交错带西北部地区的风险较高,而东南部区域风险较低.

图2e～g是人类社会维度评价因子风险图,从距居民地距离的生态风险看，北方农牧交错带东北段的黑吉辽西部、华北段、西北段大部分区域生态风险较高,内蒙古东北局部区域、陕西南部局部区域生态风险较低.距城镇用地距离和距道路距离的生态风险在空间上分布较为一致,风险度与城镇的建设及路网密切相关,距城镇及道路越近风险越高.总体上看,除内蒙古东北部局部区域生态风险较低外,华北段和西北段相对较高.

图2h～j是景观格局维度评价因子风险图,受土地利用类型的影响,内蒙古大部分区域属于草地,东部局部为林地,其风险较低；交错带西部的青海部分、甘肃大部分区域、宁夏大部分区域、陕西中部和北部区域、山西北部局部地区等属于较低风险区；甘肃中部地区、宁夏南部、陕西大部分地区、辽宁西北部、内蒙古东部局部区域等属于较高风险区.从香农均匀度指数看,农牧交错带东北段和华北段大部分区域属于低、较低风险区,高、较高风险区主要集中在交错带西北段大部分区域.从蔓延度指数看,交错带大部分区域均属于高、较高生态风险区,而低、较低风险区所占比例相对较小.

a.坡度； b.海拔； c.土壤类型； d.距河流距离； e.距居民地距离；f.距城镇用地距离； g.距道路距离； h.土地利用类型; i.香农均匀度指数； j.蔓延度指数.图2 生态风险因子空间分布Fig.2 Spatial Distribution of Landscape Ecological Risk Factors

2.1.2 区域景观生态风险综合评价

运用ArcGIS空间分析的Weighted Overlay工具,结合指标权重,将10个景观生态风险栅格图层进行加权叠加分析,得到研究区域综合景观格局生态风险评价结果(见图3),运用自然断点分级法,根据景观格局生态风险综合指数的大小将其划分为低、较低、中等、较高、高风险区5个等级.分析发现,低风险区占统计面积的0.07 %,零星分布在农牧交错带东北段局部地区；较低生态风险区占统计面积的16.54 %,主要集中分布于农牧交错带东北段大部分区域、西北段东部局部区域；中等生态风险区分布面积最广,占区域总面积的64.32 %；较高生态风险区占统计面积的19.05 %,主要分布于农牧交错带的华北段和西北段部分区域；农牧交错带的西北段南部局部区域为高生态风险区,占总面积的0.02 %.总体上看,农牧交错带东北段综合景观生态风险偏低,这与该区域海拔低、坡度小、河网密集、居民点较少、香农均匀度指数较高密切相关.华北段和西北段大部分地区综合景观生态风险较高,海拔高、坡度大、居民点多、城镇多、道路密集、香农均匀度指数对高风险的贡献较大.

图3 综合景观生态风险分级Fig.3 Landscape Ecological Risk Levels

由表2可知,低、较低、中等生态风险区占北方农牧交错带面积的80.93 %,较高、高生态风险区占19.07 %,说明目前北方农牧交错带的生态环境整体状况良好.从景观生态风险的空间分布上看,东北段景观生态风险较低,华北段、西北段景观生态风险偏高.其中,低、较低生态风险区主要分布在东北段,该区域海拔低、坡度小、湿地林地面积大,生态系统稳定性较强,建议该区域要合理保护湿地、水域,发挥生态环境的调节作用.中等生态风险区位于北方农牧交错带中部地区,呈带状分布,该区域海拔较高、坡度不是很大,但该区域路网密集、城镇分布众多,人类对生态系统的干预较大,建议合理进行土地资源的开发利用,建立人工生态绿道.较高、高生态风险区主要位于西北段大部分区域和华北段局部地区,该区域海拔高、坡度大、路网密集、居民点多、香农均匀度指数较低、建设用地及耕地所占比例较大,生态较破碎，且受到的人为干扰较大,建议该区域应加强生态环境建设,以保护为主,设置人类活动的限制区,促进生态环境的改善.

表2 各等级景观生态风险面积及所占比例Tab.2 The Area and Percentage of Landscape Ecological Risk Levels

2.2 北方农牧交错带景观格局优化

通过确立生态源地、构建生态廊道、识别生态节点,在景观层面构建“点-线-面”多层次生态网络,有利于促进物种迁移、生物多样性的保护,促进生态系统的物质循环和能量流动,以维护生态系统稳定、健康地发展,增强生态系统服务价值.

2.2.1 生态源地的确定

结合区域实际状况,选择抗外界干扰能力较强的大面积林地及具有涵养水源、保持水土、调蓄径流的水域作为生态源地.运用粒度反推法[28],通过反复实验,最终以2 000 m粒度的景观组分结构为依据,在此基础上，采用选取相连的斑块以及间距在20 m以内的斑块合并为1个生态源地等方法,共得到29个生态源地(见图4),总面积为119 322.97 km2,占区域总面积的16.73 %.由图4可知,北方农牧交错带生态源地整体分布欠均匀,即东北段分布比较集中且规模较大、华北段生态源地小且分散、西北段分散但面积较大.具体看,林地型生态源地面积达116 010.26 km2,主要分布在农牧交错带东北段和西北段；水源型生态源地主要集中在华北段,东北段及西北段也有零星分布,总面积为3 312.71 km2.其中，面积最大的生态源地位于河北北部、辽宁西部和内蒙古东部的交界地带,占地面积51 657.66 km2；其次是位于青海与甘肃交界处的生态源地,面积12 305.47 km2；较小的生态源地面积仅有266.15 km2.总体上看,该区域生态源地规模差异显著、分散,反映出生态环境受人为干扰的程度较大,景观破碎,不利于生态流在生态源地之间的流通.

图4 生态源地Fig.4 Ecological Sources Areas

2.2.2 景观格局阻力表面

以景观生态风险评价结果和生态源地为基础,运用ArcGIS中的Cost Distance工具,获得北方农牧交错带景观格局累积阻力表面,按自然断裂法将其划分为5个等级(见图5).从图5可以看出,低阻力区主要位于内蒙古东部局部地区、辽宁西北部边缘、河北北部地区、山西北部局部区域、黄河流域沿线、陕西中部地带、青海甘肃交绥区域等,占比最高(38.80 %),占地面积276 781.92 km2.较低阻力区零星分布在低阻力区的外围地带,华北段部分占比较高(25.79 %),占地面积183 964.08 km2.中等阻力区主要位于内蒙古东部局部区域、华北段部分地区、陕西北部地带、甘肃宁夏交界地带、青海局部区域,占地面积132 584.35 km2,占比18.59 %.较高阻力区占地面积79 752.96 km2,占比11.18 %.高阻力区主要位于农牧交错带西北段的甘肃与宁夏的交界地区、陕北北部区域,华北段部分主要位于内蒙古境内,东北段部分位于内蒙古东部边缘与吉林、辽宁的交界区域,高阻力区面积40 206.40 km2,占比5.64 %.总体上看,低阻力区主要分布于林地、水域等斑块,这些斑块物种多样性相对丰富,受人为干扰较少.研究发现，海拔越高、坡度越大、受人类活动干扰越大的区域阻力值越大,成为景观生态流的阻碍.

图5 景观格局阻力分级Fig.5 Landscape Pattern Cumulative Resistance Levels

2.2.3 区域生态廊道的构建

廊道是带状的连接着斑块并一起镶嵌于基质中的景观要素,是连接各种生境斑块的通道,廊道可增强生态源地之间的连通性,有利于物种的迁徙,是促进生态流的主要途径[29].根据生态源地和阻力成本面,运用最小累积阻力模型构建51条生态廊道(见图6).生态廊道划分为3个等级，即廊道长度≥400 km为1级、100 km<廊道长度<400 km为2级、廊道长度≤100 km为3级.1级生态廊道共有4条：1号生态廊道经过宁夏、甘肃、陕西、内蒙,长度为619.85 km；2号生态廊道主要位于农牧交错带华北段内,连接内蒙与河北,长度为565.01 km；3号生态廊道位于交错带东北段内,位于吉林与内蒙的边缘地带,长度为499.68 km；4号生态廊道位于交错带西北段,是连接甘肃和陕西的生态通道,长度为459.25 km.2级生态廊道共有16条:农牧交错带西北段有5条,主要位于甘肃、宁夏、陕西境内；华北段内有4条,位于陕西、内蒙、河北境内；东北段内有7条,主要位于内蒙、黑龙江境内.3级生态廊道共有31条：西北段3条、华北段18条、东北段10条.

图6 景观格局优化网络Fig.6 Optimization of Landscape Ecological Network

2.2.4 区域生态节点的建立

生态节点有益于物种迁徙及生态流的运行,利于维持局部区域生态平衡.参考文献[15]研究发现,农牧交错带共有34个生态节点，其中生态廊道与阻力脊线的交点，即“廊道-阻力”型生态节点29个；生态廊道与生态廊道的交点，即“廊道-廊道”型生态节点5个.1级生态节点有13个:农牧交错带西北段境内有7个,即甘肃与宁夏交界处1个、甘肃境内2个、陕西境内4个；华北段境内有3个,即内蒙古2个、河北北部地区1个；东北段有3个,即内蒙古2个、吉林1个.2级生态节点有15个：西北段有6个,即甘肃境内3个、宁夏境内1个、陕西中部2个；华北段有3个,即山西北部2个、内蒙古境内1个；东北段内有6个,即黑龙江西部1个、内蒙古东北部5个.3级生态节点有6个：西北段甘肃中部1个；陕西中部地区1个；华北段内有4个,即河北北部地区1个、山西西北部地区3个.

总体上看,生态节点和廊道的分布具有空间一致性,表现为西北段和东北段多、华北段偏少、景观斑块破碎的区域廊道和节点较多.“廊道-阻力”型生态节点的生态阻力值高,是生态功能最薄弱的地方,应该加以保护和减少人为活动的干扰；“廊道-廊道”型生态节点的生态阻力值相对较低,是促进生态流运行的主要节点[30].

3 结 论

从“自然环境-人类社会-景观格局”3个维度构建了北方农牧交错带景观生态风险评价指标体系,在生态风险评价的基础上,运用粒度反推法优选生态源地并构建区域生态廊道,得到以下结论：1) 北方农牧交错带低、较低、中、较高、高风险区的占比分别为0.07 %,16.54 %,64.32 %,19.05 %,0.02 %,低、较低生态风险区主要分布于农牧交错带东北段大部分区域、西北段东部局部区域，较高、高生态风险区主要位于农牧交错带的华北段和西北段部分；2) 运用粒度反推法识别出生态源地29个,其规模差异显著、分布分散，生态源地总面积为119 322.97 km2,占区域总面积的16.73 %，其中林地型生态源地面积达116 010.26 km2、水源型生态源地面积为3 312.71 km2；3) 北方农牧交错带由29个生态源地、51条生态廊道、34个生态节点形成“点-线-面”多层次生态网络，生态廊道和生态节点是连接生态源地的通道,对维持生态流起着非常重要的生态作用,应加强该区域生态廊道及生态节点的建设,以维持区域生态景观多样性及生态系统稳定性.

4 讨 论

采用空间主成分分析、加权叠加分析、最小累积阻力模型等方法对北方农牧交错带景观生态风险评价及格局优化研究发现,较高、高景观生态风险区主要位于农牧交错带的华北段和西北段部分,研究识别出29个生态源地、构建出51条生态廊道、识别出34个生态节点,形成多层次生态网络.北方农牧交错带属于湿润气候与干旱气候的过渡区域,生境复杂,生态环境脆弱,根据区域地理位置和环境特征,从“自然环境-人类社会-景观格局”3个维度构建景观生态风险评价指标体系,该指标体系具有很好的适宜性；但由于景观生态系统的内在演化机理问题还缺乏全面、综合、系统深入地分析研究,因此在景观生态风险评价指标体系的构建上还存在不足,今后应认真总结经验,并在此基础上拓展新的研究领域.