基于景观格局指数的坪山河流域生态风险评价

2023-07-14邓佳婧

南方农业 2023年8期

邓佳婧

［同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海 200092］

近年来，随着城市的多元化发展，频繁的人类活动对自然环境产生了巨大的影响，生态系统的结构和功能受到了极大的挑战。目前，关于生态环境的一系列问题受到学者的重点关注和研究，其中对景观格局的研究在整个景观生态学领域具有重要的意义。广东省深圳市坪山区作为大湾区战略的核心区之一，是深圳市未来发展极为重要的增长极。经过查阅相关资料得知，景观生态风险评价作为景观生态学中一种常用的研究方法可以引入对坪山河流域的研究中。景观生态风险是指在外界环境（人类、自然等因素）主动或被动的影响下，景观格局与生态过程之间相互作用可能产生的不良效应，对景观生态风险进行系统化的分析有利于区域生态的可持续发展和有效指导未来城市更新的方向[1]。

1 研究区域概况

坪山河流域位于广东省深圳市东北部的坪山新区，流域总面积（集雨面积）181 km2，该分区内共有大小河流15条，其中干流1 条（坪山河），一级支流11条，二、三级支流3 条。流域地貌以丘陵、台地、低山为主，地势南高北低。干流东南侧为低山和高丘陵，西北侧为台地和少数低丘陵。夏季经常遭受南方台风的袭击，导致形成局部暴雨和洪水灾害。降水量年内分配不均，主要集中在夏季，占全年总降水量的86%，且年际变化大。坪山河流域内以居住用地和工业用地为主，两者所占比重为建设用地总规模的60%以上。传统产业园区基本为社区实际掌握的工业区，产业类型主要是橡胶塑料、金属制品、器材制造、木材家具及计算机等。未来将打造新能源、生物医药、高新技术、文化产业及汽车产业等工业园区，成为深圳市新的产业高地。

2 数据来源及方法

2.1 数据来源

本研究主要包含坪山河流域2001 年、2013 年和2019 年的Landsat-5/Landsat-8 遥感影像数据及土地利用数据等资料，数据来源见表1。

表1 数据来源

2.2 研究方法

2.2.1 风险小区划分

通过对数据及遥感地图的处理，导入ArcGIS 中得到坪山河流域2001 年、2013 年和2019 年的景观类型空间分布图。采用等间距系统采样法，采样单元为100 m×100 m 格网，共计16 841 个风险小区。

2.2.2 景观生态风险指数构建

利用Fragstats 4.2 计算出不同景观类型的景观格局基本指数，再根据前人研究中得出的公式对景观破碎度、分离度、优势度、干扰度、脆弱度及损失度指数进行进一步计算，最终得到景观生态风险指数。

1）破碎度计算。破碎度是指景观被分割的程度，可以从侧面反映景观结构的复杂程度[2]。破碎度计算公式为

式中，Ci表示景观破碎度，mi表示景观类型i的斑块数量，Si表示景观类型i的总斑块面积。

2）分离度计算。分离度表示在同一景观类型斑块中，单个斑块分布的情况，分离度越大表示该斑块类型越分散[3]。分离度计算公式为

式中，Fi表示景观分离度，li表示景观类型i的距离指数，Ai表示景观类型i的面积指数，di表示景观类型i的斑块密度，Si表示景观类型i的总斑块面积，S表示景观总面积。

3）优势度计算。优势度可以反映斑块类型在景观空间中的地位，对景观整体格局的发展和变化有较大的影响[4]。优势度计算公式为

式中，Di表示景观类型i的优势度，Ri表示景观类型i的斑块数目（mi）与总斑块数目（m）的比值，T为景观类型i出现的样方数（ni）与总样方数（n）的比值，Qi为景观类型i的斑块面积（si）与样方总面积（S′）的比值。

4）干扰度计算。干扰度可以体现不同的景观类型在抵抗外界影响、影响生态系统及保护生物多样性上的抗干扰能力。相关研究指出，干扰度与破碎度、分离度及优势度有关，经过查阅，分别赋予破碎度、分离度、优势度以0.5、0.3、0.2 的权重。干扰度计算公式为

5）损失度计算。损失度指数可以反映不同景观类型在面对外界各因素干扰时受到的生态损失，与景观干扰度和脆弱度有关[5]。根据相关文献所述，景观脆弱度指数（Ki）是根据不同斑块类型的生态脆弱程度进行排序后归一化所得[6]。综合坪山河流域6 类景观类型结构特征，将其按照脆弱程度由高到低赋值：6=未利用土地、5=水域、4=耕地、3=草地、2=林地、1=建设用地，归一化的范围设定为[0,1][7]。因此，损失度计算公式为

6）生态风险计算。由上述相关景观格局指数的计算，可以得出不同景观类型及风险小区的生态风险指数，计算公式为

式中，d为生态风险单元内景观类型的数目，s″i为划分的风险小区中i斑块的面积，S″为风险小区的总斑块面积。

3 结果与分析

3.1 土地利用类型时空变化

由表2 可知，研究区域内林地面积占比最大，占整体区域的43.8%；其次是建设用地，面积占比从2001 年的25.0%增长到2019 年的43.0%；耕地、草地及水域共占10.7%。从研究时段可以看出，经过近20 年的发展，坪山河流域的景观类型变化主要表现为耕地、草地、未利用土地和水域持续减少，建设用地大幅增长，林地波动性递减。从空间分布图来看，建设面积的增加主要集中在坪山河水系的坪环段及中心城区段，耕地、未利用土地的减少主要存在于燕子岭段（见图1）。

图1 2001 年、2013 年和2019 年坪山河流域景观类型空间分布

表2 2001 年、2013 年、2019 年坪山河流域土地利用类型面积

3.2 景观格局指数时序变化

由表3 可知，在2001—2019 年近20 年的发展下，坪山河流域内除耕地外，其他各项景观类型的破碎度呈现先降低后升高的趋势，同时草地、水域与未利用土地的分离度也显著提升。林地由于在研究区域内占比较大，因此景观优势度也最为显著，其他各类指数变化幅度较低。而水域的分离度、破碎度与损失度呈现出愈发恶劣的趋势，优势度在所有类型中的占比也较低。随着每年人口的增加，建设用地需求在同步增加。从分离度指数可以看出，建设用地由以前的离散分布变得越来越集中，整体优势度在不断增强，而未利用土地由于其特殊性，易受到外界环境的干扰，整体优势度明显降低。

表3 2001 年、2013 年和2019 年坪山河流域各土地利用类型的景观格局指数

3.3 景观生态风险时空演变

3.3.1 生态风险分级方法

笔者参考既有研究成果将生态风险进行分级，将坪山河流域划分为5 个等级：Ei≤0.025（低风险）、0.025 ＜Ei≤0.050（较低风险）、0.050 ＜Ei≤0.075（中风险）、0.075 ＜Ei≤0.100（较高风险）、Ei＞0.100（高风险）[8]。

3.3.2 生态风险演变

如图2 所示，通过对2001 年、2013 年和2019 年坪山河流域不同景观生态风险等级的面积及变化进行分析可以得出，研究区域内整体景观生态风险处于相对较低的水平。研究区域内低风险及较低风险区域面积占该区总面积的55%～70%，中风险及以上风险区域占30%～45%。除了南侧的马峦山及田头山区域基本处于低风险等级外，其他区域的风险等级在20 年间变化显著，其中面积变化最大的是高风险区域持续减少，而原高风险等级的区域大部分转为中风险等级，由此可说明该研究区域的景观生态风险有减弱态势。

图2 2001 年、2013 年和2019 年坪山河流域景观生态风险等级

3.4 坪山河流域综合治理情况

根据相关研究，坪山河流域超标最严重的污染因子为铵态氮和总磷，且在1996—2005年，水质总体呈现恶化趋势，污染物浓度在2005 年达到峰值，是Ⅴ类水质标准限值的3 倍以上[9]。深圳市人民政府于1994 年7 月设立大工业区，开发建设面积109 hm2，该工业区以高新技术产业为主导，产业集聚效应明显，大量产业在该区落户，2002年，流域内建设用地面积约占流域总面积的17.1%。由此可见，该时期该区域的生态风险为中风险以上面积占比较大与建设用地面积扩大呈正相关关系。2006年，流域内上洋污水处理厂建成，相关配套管网设施逐步完善，大幅度提高污水处理效率。相关数据表明，2011 年坪山河水质改善幅度较为明显，虽仍未达到Ⅴ类标准，但总体呈现较好的发展趋势[10]。按照国家“水十条”和《深圳市贯彻国务院水污染防治行动计划实施治水提质行动方案》的要求，2016 年深圳市坪山河干流综合整治及水质提升工程开始实施，该工程是全国第1 个以交接断面水质达标为要求的水环境综合整治工程，将防洪、供水、净水生态、景观及智慧等领域有机统筹，进行整体治理技术方案的实施，2018 年底，坪山河流域水质已达到Ⅳ类水，水质考核已达标[11]。2019年，深圳市水务局首创设立流域管理机构，全面统筹涉水事务，截至2021 年底，坪山河国考断面水质大部分达到Ⅴ类、地表水Ⅲ类标准[12]。整体发展趋势与生态风险等级时空演变趋于一致。由此可见，针对坪山河的一系列水治理举措较为成功地促进了该区域生态环境的良性发展。