基于3L模式的典型矿业城市景观生态安全研究*

周俊哲，徐 阳，周 皓，冯 博，陈 勇,2,3

(1.武汉科技大学 资源与环境工程学院，湖北 武汉 430081；2.国家环境保护矿冶资源利用与污染控制重点实验室，湖北 武汉 430081；3.冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室，湖北 武汉 430081)

0 引言

生态安全指生态系统的健康与完整情况[1]，而景观生态安全是生态安全与景观生态学相结合的产物，是从景观的角度探讨生态安全问题。景观是指一定区域土地和土地上空间和物质所构成的综合体[2]，是人类经济活动的载体和开发利用的主要对象，是评估生态环境影响的尺度[3]，良好的景观生态安全对维护或控制区域生态过程具有重要意义[4]。

国内外学者对区域景观生态安全进行了大量研究，内容主要涉及景观生态安全评价、格局构建与优化、预测及预警等3个角度。在景观生态安全评价方面：王娟等[5]以景观格局指数和景观类型的脆弱度为评价指标，研究了澜沧江流域景观生态安全的时空分异特征，为区域生态建设和资源开发提供了指导；谢余初等[6]基于PSR模型构建了景观生态安全指标体系，分析了甘肃白龙江流域时空景观变化过程及其特征，为区域可持续发展提供了参考。在景观生态安全格局构建与优化方面：吴金华等[7]通过自然断点法和MCR模型获取了神木市景观生态安全格局现状并提取了生态源地，基于最小阻力模型构建了生态廊道以优化景观生态安全格局；李涛等[8]针对物种对路径选择的随机性，利用InVES模型生境质量分析模块筛选生态源地、生态廊道，通过评估相关生态要素的重要性及连通性，构建了景观生态安全格局并划定了生态修复优先区域。在景观生态安全预测及预警方面：王让虎等[9]以典型的生态脆弱区东北农牧交错带为例，采用最小累积阻力模型构建了通榆县3个时期的景观生态安全格局，并对其进行了风险预警分析；李杨帆等[10]提出了基于城市不透水面变化率、风险受体敏感指标和生态红线管控的景观生态风险空间预警模型，结合源-汇理论，揭示了厦门市景观生态安全格局在快速城市化胁迫下的现状与未来潜在的风险状态。

现有研究更多的是对土地利用变化过程中景观生态安全状况的评价，以及从景观生态安全格局方面进行优化或预测预警，较少探讨土地利用变化导致的景观生态安全变化及其两者的耦合关系，难以直接指导土地利用管理和调控实践。

本研究以湖北省大冶市为工程背景，以网格作为评价单元，通过构建景观生态安全指标体系表征研究区2个时期的景观生态安全状况，借助GIS技术和地统计学方法得到各时段的地类转移矩阵，运用逐步回归分析筛选出影响景观生态安全的土地利用变化主要类型，选取斑块尺度的景观格局指数，分析景观生态安全与土地利用变化之间的有机联系，进而形成基于3L模式的区域景观生态安全研究范式，以期为区域土地利用管理和景观生态安全维护提供指导。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区概况

大冶市位于东经114°31′～115°20′ ，北纬29°40′～30°15′ ，处于长江中游城市群腹地，依托长江，背靠武汉，属典型的大陆性季风气候，海拔一般为120～200 m；辖1个乡、10个镇、4个街道，总面积1 566.3 km2。大冶已发现和探明的大小矿床有273处，是我国重要的铜、铁矿生产基地，属典型矿业城市。

1.2 数据来源及处理

本研究原始数据源为大冶市2005年和2015年两期的Landsat影像图，空间分辨率为30 m×30 m。使用ENVI 5.3软件对两期影像进行辐射校正、大气校正、配准、裁剪等预处理，参照GB/T 21010-2017《土地利用现状分类》并结合当地专家意见，将研究区土地利用类型划分为耕地、建设用地、林地、未利用地、草地和水域等6种类型。采用监督分类法对研究区土地利用情况进行分类，结果如图1所示。

经检验，图像总体分类精度在80%以上，Kappa系数也在0.77以上，满足实际应用需求。

1.3 研究方法

依据3L模式建立区域景观生态安全与土地利用变化的研究过程：①以网格作为评价单元，统计每个单元内的土地利用转移矩阵；②对每个单元进行景观生态安全评价，根据转移矩阵和评价结果进行逐步回归分析，得到对景观生态安全影响较显著的地类变化；③进一步选取斑块尺度的景观格局指数剖析地类转移特征，进而分析景观生态安全与土地利用变化之间的有机联系。

1.3.1 评价网格划分

采用ArcGIS 10.4.1按照研究区景观类型平均斑块面积的2～5倍对研究区进行网格化处理，即划分评价单元。采用3 km×3 km的正方形网格进行划分，共得到218个评价单元(见图2)。

图2 评价单元划分示意图

1.3.2 土地利用转移矩阵

该矩阵能够表征研究区某时期期初和期末各土地利用类型之间的方向和面积的相互转化情况[11]，其数学表达式为

(1)

式中，S为面积，i与j分别为期初和期末的土地利用类型，Sij为地类i转移为地类j的总面积，n为土地利用类型总数。

1.3.3 景观生态安全评价模型

1)评价指标

区域空间结构和生态安全特征可以用景观生态安全指标定量化反映[12]，本文从景观稳定性、景观结构性、景观胁迫性和景观功能性等4个角度构建景观生态安全评价指标体系[13-16]。

景观稳定性反映景观生态系统面对干扰和扰动的应对能力，本文拟选取以下3个指标：

a.指标1：斑块结合度指数(COH)表征斑块聚集程度，斑块聚集程度越高，景观凝聚力越强，景观生态系统稳定性越强，其计算式为

(2)

式中，aij为斑块ij的面积，pij为斑块ij的周长，A为某种景观类型总面积。

b.指标2：周长-面积分维数(PAF)表征斑块形状复杂程度，斑块形状越复杂，景观生态系统抗扰动能力越强，计算式为

(3)

式中，ni为i类斑块的数目。

c. 指标3：香农均匀度指数(SHEI)表征景观均匀程度，均匀程度越高，景观类型越均匀，景观生态系统抗干扰能力越强，其计算式为

(4)

式中，pi为i类斑块面积百分比，m为斑块总数目。

景观结构性反映景观生态系统中的生态过程和系统活力，本文拟选取以下2个指标：

a.指标1：香农多样性指数(SHDI)表征景观异质性，景观异质性越高，物种多样性越丰富，景观生态系统结构性越好，其计算式为

(5)

b.指标2：景观边缘密度(ED)表征景观异质斑块之间信息交流及相互影响的能力，景观边缘密度越大，景观生态过程越活跃，景观生态系统结构性越好，其计算式为

(6)

式中，eij为第i类景观要素斑块与相邻第j类景观要素斑块间的边界长度，Ai为第i类景观总面积。

景观胁迫性反映人类活动对景观生态系统产生的压力状况，本文拟选取以下2个指标：

a.指标1：植被覆盖度(C)表征植被茂密程度，植被茂密程度越高，景观生态系统受外界胁迫程度越小，其计算式为

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)，

(7)

C=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)，

(8)

式中，NIR为近红外波段光谱反射率，R为红色波段光谱反射率。

b.指标2：人为影响强度(H)表征人类活动对景观造成的影响程度，人类活动越少，景观生态系统受人为胁迫程度越小，其计算式为

(9)

式中，n为景观类型数量，Pi为第i种景观人为影响强度，AT为景观总面积。

景观功能性反映景观生态系统在物质生产和维持生态平衡等方面的能力，本文拟选取1个指标：生态系统服务价值(ESV)表征人类直接或间接从生态系统得到的利益，社会经济效益越高，景观生态系统生产服务能力越强，其计算式为

(10)

式中，VCij为j类景观i类生态系统服务基准单价，Aj为j类景观面积，ESV的单位为元/hm2。

2)指标权重

本研究采用主成分分析法确定指标权重，步骤如下：①对8个景观生态安全指标进行主成分分析；②选择累计方差贡献率在80%以上的主成分，根据式(10)得到评价指标在所选主成分下的线性组合系数矩阵；③依据式(12)求得指标在综合得分模型中的系数Xi；④对Xi进行归一化处理后作为各指标权重。

(11)

(12)

3)评价方法

采用多因子加权求和综合评价法对研究区景观生态安全进行评价，其计算式为

(13)

式中：E为景观生态安全指数；Si为指标i针对理想值的标准化值，针对指标情况分别使用正向指标标准化、负向指标标准化和适中指标标准化方法，指标理想值依据相关标准、文献和研究区的实际情况并结合专家意见确定，其中对于有明确值域的指标如COH、PAF、SHEI、C和H以最优值为理想值，对于无明确值域的指标如SHDI、ED和ESV以各乡镇中的最优值为理想值；βi为指标i的权重，依据前述方法确定。指标理想值和指标权重如表1所示。

表1 景观生态安全评价指标体系

4)评价分级

将景观生态安全评价结果划分为5个等级(见表2)。

表2 大冶市景观生态安全分级

1.3.4 逐步回归法

逐步回归法是一种线性回归模型自变量选择方法，其基本思想是将变量一个一个引入，引入的条件是其偏回归平方和经检验后是显著的；同时，每引入一个新变量，要对已入选回归模型的变量逐个检验，删除经检验认为不显著的变量，以保证所得自变量子集中每一个变量都是显著的。此过程经过若干步直至不能再引入新变量，这时回归模型中所有变量对因变量都是显著的。在同一个模型中，标准偏回归系数越大，表明其对因变量的影响越大。本研究以景观生态安全变化为因变量、土地利用变化为自变量、218个评价单元为样本进行逐步回归分析。

2 结果分析

2.1 景观生态安全动态变化分析

采用普通克里格插值法对218个评价单元进行空间插值，得到大冶市不同时期景观生态安全空间分布(见图3)。

图3 2005、2015大冶市景观生态安全空间分布

由图3可知，2005、2015年大冶市总体景观生态安全状况相对稳定，均处于第4等级，景观生态安全状况仍有待改善。218个评价单元中，2015年景观生态安全状况得到改善的有133个，景观生态安全等级有所下降的有85个。2005年有3个处于第2等级，97个处于第3等级，101个处于第4等级，17个处于第5等级；2015年有3个处于第2等级，118个处于第3等级，91个处于第4等级，6个处于第5等级。

2.2 土地利用变化特征分析

为了研究景观生态安全与土地利用变化之间的有机联系，对景观生态安全变化和土地利用变化共计218个样本进行逐步回归分析，结果见表3。本研究选取逐步回归分析结果拟合程度最优模型中的4种显著地类变化展开分析，即耕地-建设、耕地-草地、耕地-林地和水域-耕地。其中，耕地-建设和水域-耕地对区域景观生态安全起负面影响，耕地-草地和耕地-林地对区域景观生态安全起正面影响。

表 3 回归系数及显著性检验

选取斑块个数(NP)、斑块平均面积(SMP)、斑块聚集度指数(IA)和斑块形状指数(ILS)4个反映斑块尺度的景观格局指数，对4种主要的地类变化状况进行定量分析，结果如图4所示。

图4 斑块尺度景观格局指数

由图4(a)可知：耕地-建设有2 564个斑块，总面积达31.27 km2；耕地-草地有163个斑块，总面积为0.32 km2；耕地-林地有485个斑块，总面积为4.3 km2；水域-耕地有142个斑块，总面积为0.24 km2。由此说明在2005-2015年期间研究区建设用地快速扩张，且主要占用耕地。部分耕地转变为草地和林地，一方面是由于种植业收益较低，存在耕地抛荒或耕地改种树木现象；另一方面是由于 “退耕还草”和“退耕还林”政策的实施。同时还有部分水域转变为耕地，主要原因是存在废塘复垦现象。

由图4(b)、图4(c)可知：耕地-建设的斑块平均面积为0.012 km2，主要是因为存在大面积的开发区建设，而其斑块聚集指数仅为86.17%，在4种地类变化类型中最低，说明耕地-建设仅以少部分大斑块团聚，大多数斑块都相对分散，反映了矿产资源分布不集中所导致的工矿建设“遍地开花”的局面；耕地-草地和耕地-林地的斑块平均面积分别为0.002 km2和0.009 km2，斑块聚集指数分别为94.57%和91.46%，主要是因为耕地抛荒集中在山丘区域，虽集中度高但单块面积较小，而耕地改种树木现象在各乡镇已较为普遍，因此单块面积较大且相对集中；水域-耕地的斑块平均面积为0.002 km2，斑块聚集指数为88.62%，主要由于各乡镇均存在坑塘改为耕地的现象，因此单块面积较小且相对分散。

由图4(d)可知：耕地-建设的斑块形状指数为68.72%，表明由耕地转化而来的建设用地形状较不规则，主要是建设用地多沿道路线性扩张所致；而耕地-草地、耕地-林地和水域-耕地的斑块形状指数分别为21.47%、19.32%和24.62%，形状较为规则，主要原因是耕地抛荒、耕地改种树木以及废塘复垦多为成片实施。

3 结论

2005-2015年大冶市景观生态安全状况相对稳定，景观生态安全状况总体处于第4等级，景观生态安全状况仍有待改善。对区域景观生态安全状况影响较大的土地利用变化类型依次为耕地-建设、耕地-草地、耕地-林地和水域-耕地，其中：耕地-建设和水域-耕地两种地类变化导致区域景观结构性变差、胁迫性提高、稳定性和功能性降低，对区域景观生态安全起负面影响；耕地-草地和耕地-林地两种地类变化使得区域景观结构性变好、胁迫性降低、稳定性和功能性都有所提升，对区域景观生态安全起正面影响。

本文基于3L的区域景观生态安全研究模式构建了地类转移矩阵和景观生态安全评价体系，采用逐步回归分析法探讨了景观生态安全与土地利用变化之间的有机联系，结果表明，土地利用变化和景观生态安全紧密相关，合理的土地利用调控是改善区域景观生态安全状况的关键。研究成果可为实施科学的土地利用发展规划和合理的景观生态管理提供指导。