天山大峡谷国家森林公园土地景观格局及生态风险分析

2022-04-12赵芳芳孙桂丽吉小敏各文婷卢航

新疆农业科学 2022年3期

赵芳芳，孙桂丽，2，吉小敏，各文婷，李雪，卢航

(1.新疆农业大学林学与风景园林学院，乌鲁木齐 830000；2.干旱区林业生态与产业技术重点实验室，乌鲁木齐 830052；3.新疆林业科学院荒漠化研究所，乌鲁木齐 830052)

0 引言

【研究意义】天山大峡谷国家森林公园位于新疆乌鲁木齐县境内，具有独特的自然景观资源，其土地资源丰富。利用景观格局指数分析方法和描述景观格局几何特征，对研究区的土地景观格局的进行生态学意义的研究，对实现景观生态学提供理论和具体方法支撑和进一步改善天山大峡谷国家森林公园生态环境和优化土地利用布局有重要意义。【前人研究进展】随着信息科技的发展，RS和GIS等技术被广泛用于景观生态学的研究[1]，并利用FRAGSTATS软件计算各类景观格局指标[2]，运用景观格局指数法分析东灵山地区的景观格局动态变化情况[3]。近几年，研究了对景观生态风险评价等内容[4-7]。在进行区域研究中，2013年孙慧慧结合地理信息系统(GIS)技术获取甘州区景观格局的变化信息，并从景观角度对区域进行生态风险评估[8]；2015年提出了对新疆地区生态风险等级划分为不同等级[9]。【本研究切入点】目前对研究区土地景观格局相关研究较少。随着对森林公园的开发和利用，生态资源的有限性与人类需求之间的矛盾日益强烈[10]，如何有效合理开发利用景区内的土地资源，实现景区生态系统稳定可持续发展，成为急待解决的问题[11]。【拟解决的关键问题】以土地景观变化为基础，采用景观生态学指数方法分析探究区土地景观，从空间变化和时间尺度上，分析其景观格局及生态风险动态变化，为进一步改善区域生态环境、优化土地利用布局提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

天山大峡谷国家森林公园，其地理坐标为87°06'～87°65'W，43°02'～43°62'N，位于板房沟乡，其在天山中部的北坡和准噶尔盆地的南端，山峰陡峭。总体南高北低，平均海拔2 000 m，地形起伏较大，一般坡度为0～25°，呈现中部和南部较陡，北部较平缓。年均气温是4～6℃，气候呈温带大陆性干旱气候，冬冷夏热，年温差大，降水集中，年雨量较少，有天山北坡最完整的天然云杉林。图1

图1 研究区地形

土地利用景观数据来源于地理空间数据云平台(http://www.dsac.cn/)，以1990、2000、2010和2018年4期监测遥感影像(30 m空间分辨率)，利用ENVI5.3软件对影像图进行大气校正、几何图形校正、裁剪等预处理，并通过采用监督影像分类的方法进行目视解译得到的土地景观利用数据。在严格参照《土地利用现状(GB/T21010-2007)》分类标准[7]基础上，将土地利用景观类型分为：耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地6种，进而进行景观格局和生态风险分析。气象数据来源中国资源环境科学中心(http://www.resdc.cn/)。图2

1.2 方法

1.2.1 景观结构及其变化

景观结构分析法是用于研究空间结构的组合特性与空间构成之间关系的一种方法[8-9]。通过不同景观类型分析不仅维护物种多样性和完整性，而且也促进景观结构和演变的过程[10]。以ArcGIS10.5 软件统计不同土地利用景观类型的面积，同时利用空间分析模块中的面积制表，得出各景观类型的转移矩阵，了解不同景观类型之间的转化情况。

1.2.2 景观格局

景观生态指数能将复杂的景观复杂信息浓缩为较简单、易识别的景观信息，能反映其景观结构组成和空间结构配置等方面的特征，用来描述和分析监测景观空间结构随时间的变化[11]。在 Arc GIS10.5系统软件支持下，利用 Fragstats4.2软件对景观生态格局指数进行分析。表1

表1 景观格局指数计算

景观脆弱度指数LVI表示各景观类型受外界干扰后的敏感程度，其通过赋值后进行归一化得到。结合相关研究[12]对各景观类型赋值如下：建设用地为1、林地为2、草地为3、耕地为4、水域为5、未利用地为6，为方便计算归一化值区间为[0.1-0.9]。未利用地0.90，水域0.74耕地0.58，草地0.42，林地0.26，建设用地0.10。

1.2.3 景观生态风险评价

基于建立统计景观格局与生态风险之间联系，基于景观干扰度指数和脆弱性指数，构建景观生态风险评估分析模型[13-14]，评价研究区不同土地类型利用方式和强度所导致的生态风险影响，综合分析评估各种潜在影响生态风险的种类及其造成的累积性的生态风险后果。根据有关景观生态学课题的研究[15-16]，将研究区划分5 km×5 km的风险评价单元网格，共69个网格，采用克里金进行空间插值，得到景观生态风险空间分布图。参考其他相关研究[17]，结合实际情况，采用自然断点法将景观生态风险分为5个生态风险等级：低[0.0

式中：ERIk表示景观生态风险指数，值越大表示该评价单元的生态风险值越高，反之亦然；Aki是第i类景观类型的面积；Ak是评价单元k的总面积，Ri是第i类景观的生态损失指数。

2 结果与分析

2.1 土地景观类型分布及其变化

研究表明，1990～2018年，研究区土地景观类型结构变化显著。土地景观类型以耕地、草地和林地为主，1990、2000、2010、2018年其面积占比分别为81.63%、84.95%、85.71%和85.5%。建设用地和未利用地面积整体呈增加趋势，其中未利用地的变化幅度最大，面积从7 208.82 hm2增长到11 433.51 hm2，增长率4.23%，而水域和林地景观类型均呈减少趋势，其林地面积减少幅度最大，从16 031.97 hm2减少到10 133.46 hm2，减少率为5.9%，但林地依旧是研究区域主要景观类型。图2，表2

图2 研究区土地利用景观格局

表2 1990～2018年景观类型面积变化

土地利用景观变化研究不仅体现土地利用景观变化的数量，还体现在景观面积的转化上，通过1990～2018年间各景观类型转移矩阵知，1990～2000 年，耕地面积呈下降趋势，主要流出方向为建设用地和草地，流出面积分别为61.7和81.50 hm2；水域面积下降，其转出为草地面积2.50 hm2；其他土地类型面积增加，但其增加幅度不明显。2000～2010年，耕地面积继续呈下降趋势，主要流出为建筑用地、草地和水域，流出面积分别为335.10、2 037.69和162.60 hm2。水域面积大幅度下降，主要流出方向为草地和未利用地，面积分别为1 241.50和5 843 hm2。林地面积有所下降，除建设用地以外的其他用地类型均有林地面积的转入，其主要输出重点为草地，面积为7 799.76 hm2。草地、建设用地和未利用地主要转出量小于其转入量，总体的面积呈上升趋势。2010～2018 年，耕地面积再次下降，流出主向为草地，面积为242.7 hm2；草地面积下降，主要流出为建设用地和耕地，分别为228.4和 184.00 hm2；建设用地面积增长，主要转入源为草地和耕地。研究区土地利用景观类型的变化主要体现为耕地、林地和水域转化为草地、未利用地和建设用地，面积在逐年增加。表3

表3 1990～2018景观类型转移矩阵

2.2 景观格局变化特征

2.2.1 斑块类型水平格局变化

研究表明，1990～2018年，耕地、林地和水域面积减少(1 556、5 898.54和6 240.73 hm2)，草地、建设用地和未利用地面积上升(7 894.7、1 116.39和4 684.12 hm2)；耕地、林地、水域和未利用地的斑块数量NP、破碎度Ci、干扰度Ei、分离度Si和脆弱度Ri呈增加趋势，其较显著的是林地和未利用地(NP：271和18；Ci：0.453和0.251；Ei：6.716和4.231；Si：19.688和14.849；Ri：1.746和3.808)，建设用地Ci、Si、Ei和Ri下降趋势，其Si下降的显著为0.784，分维度Fi上升0.907。在2000～2010年变化较为显著，其10年间林地和未利用地的脆弱度分别增长了1.746 3和3.955 2；分离度指数Si，林地和未利用地增长速度较快(19.505 7和15.329 7)，分维度Fi和破碎度Ci指数也在逐步呈上升趋势。表4

表4 研究区各景观要素斑块特征指数(1990～2018)

2.2.2 景观水平上的格局指数

研究表明，1990～2018年研究区域的水平景观指数特征知，斑块数量、斑块密度、最大斑块指数、蔓延度及聚集度指数呈现上升的趋势，斑块数量由161增加到545个，增加了384个；斑块密度由0.034 9增加到0.118 2，增加了0.083 3；最大斑块指数由10.670 0增加到11.726 1，增加1.056 1；香浓多样性指数和香浓均匀度分别下降0.056 8和0.065 9，蔓延度指数由63.869 4增加到66.565 5，增加了2.696 1；聚集度指数由97.831 1下降到96.780 3，下降1.050 8。

蔓延度指数增加，但其变化缓慢，说明土地利用景观向一个方向逐渐发展，景观多样性保持相对稳定的状态；总体聚集指数较高，景观分布较为集中；香浓均匀度指数、香浓多样性指数呈现下降趋势，表明其存在优势斑块多样性低，结构比较单一。其中人类活动对景观格局产生一定的影响，人为干扰度不断增加，使其景观变的复杂化和分散性加大。表5

表5 研究区研究区景观水平指数

2.3 生态风险时空变化

研究表明，1990年低风险和较低风险区域的面积分别为452.565和168.360 hm2，各占总面积的45.3%和16.8%，以草地及林地为主的景观结构，其主要分布于中部和北部、南部小部分地区，该地区海拔较高，人类活动对该区景观干扰度较小，故生态风险等级较低；中级生态风险区面积140.153 hm2，约占总面积的14%，主要分布于上北部和南部，斑块数量、破碎度和分离度较高，人类活动对该区域有较大影响；处于较高风险和高风险等级的面积分别为138.598和99.830 hm2，占总面积的13.9%和10%，主要分布在南部和北部地区，由于地势较低，人类在长期土地利用过程中，对土地景观的改造性较强，主要以建设用地和未利用地为主的景观类型，景观破碎化加剧，此外建设用地属于人口密集区，人类活动使其风险升高，而未利用地植被覆盖面积较小，景观敏感脆弱，从而导致生态风险较高。

与1990年相比，2000年低风险区的面积增加了68.327 hm2，主要分布在东南部，草地和林地是主要的景观类型。因海拔较高，人为干扰较小，其降低了景观类型的风险。较高风险和高风险区的面积均减少，分别减少24.308和52.299 hm2，其坡度越大，地势较陡，其受人为干扰因素较小，景观破碎化严重程度小，因此，导致该区景观生态风险逐渐在降低。与2000年相比，2010年低风险区的面积增加了46.476 hm2，其景观以草地和林地为主，主要分布在中部和北部地区。而较低风险、中风险、高风险和较高风险区域面积下降。与2010年相比，2018年低风险增加19.383 hm2，较低、中风险等级面积减少，分别减少12.329和15.961 hm2。而较高风险区和高风险区的面积增加8.201和0.705 hm2。

从1990年到2018年，中、高和较高风险区的面积减少，低和较低风险区的面积增加；在空间分布方面，研究区域低风险区域正在向南部发展，高风险区域的重心逐渐向东南方向转移。表6，图2，图3

表6 1990～2018生态风险区面积

图3 景观生态风险空间格局

3 讨论

研究借助土地景观格局变化数据构建生态风险评价模型，参考前人有关区域生态风险涉及的风险因子存在相互作用和叠加效应的相关研究[24-25]，研究在借助克里金插值法划分景观生态风险指数时，发现在景观生态风险等级划分方式上多以自然断点法为主，且大多遵循“低风险区值小且范围小，高风险区值大且范围大”的原则，其次用的较多的方法是等间隔法[26-28]，地形地貌是影响景观结构和布局的重要因素，通过对研究区不同地形的景观生态格局及生态风险特征进行分析，地势平缓适宜农业生产和生活，以耕地和建设用地景观类型分布区；地势陡峭不利于开发利用，以林地和草地集中分布区；地势陡峭的草地占比较高，其破碎度较低，这与肖欢等[29]、王成等[30]的研究结果较为一致。基于韩晓佳[31]的研究，分别从斑块水平和景观结构2个方面，使用Fragstats软件分析以获得不同的土地利用类型景观指数，从而描述景观变化的类型和趋势。