黄河流域城市景观生态健康动态评价

张雪莹 穆战强 孔德政 王冬梦 冯艳

收稿日期：2022-11-10

基金项目：河南省科学技术厅软科学研究项目（212400410023）；河南省兴文化工程文化研究专项（2022XWH036）；河南省住房城乡建设科技计划项目（HNJS-2022-R1）

作者简介：张雪莹（1998-），女，河南焦作人，在读硕士研究生，研究方向为景观生态，（电话）18538923210（电子信箱）zhangxueyingq@qq.com；通信作者，冯 艳（1980-），女，河南焦作人，副教授，硕士，主要从事景观生态和风景园林历史与理论的研究，（电话）18530900189（电子信箱）fengyan@henau.edu.cn。

张雪莹，穆战强，孔德政，等. 黄河流域城市景观生态健康动态评价——以焦作市为例［J］. 湖北农业科学，2024，63（5）：106-112．

摘要：以河南省焦作市为例，基于PSR模型与“活力-组织-弹性-功能”理论，使用相关遥感数据、社会经济数据等，选取可视化指标构建评价指标体系，使用层次分析法与熵权法集成模型确定指标权重，对2000—2020年景观生态健康进行评价。结果表明，2000年、2010年、2020年景观生态健康综合指数分别为0.45、0.53、0.52，整体呈南北高中间低的分布状况及先上升后下降的变化特征。景观生态健康变化较为稳定，区域改善面积大于退化面积，以相邻等级转化为主，但主要存在于中低值之间的转化，并具有向邻近区域等级转化的趋势。根据研究结果，以城市扩张及人类活动对景观生态健康影响为基础，从景观格局优化、完善生态网络布局、管控土地利用开发等出发对城市景观生态规划提出合理化建议。

关键词：景观格局； 景观生态健康动态评价； 黄河流域； 河南省焦作市

中图分类号：TU985.1； P901； X826         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2024）05-0106-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.05.019            开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Dynamic assessment of urban landscape ecological health in the Yellow River Basin：

A case study of Jiaozuo City

ZHANG Xue-ying1，MU Zhan-qiang2，KONG De-zheng1，WANG Dong-meng1，FENG Yan1

（1.College of Landscape Architecture and Art， Henan Agricultural University， Zhengzhou  450002， China；

2.Henan Urban and Rural Planning and Design Institute Co.， Ltd.， Zhengzhou  450053， China）

Abstract： Taking Jiaozuo City as an example， based on PSR model and the theory of “vitality-organization-elasticity-function”， using relevant remote sensing data/socio-economic data， etc.， visual indicators were selected to construct an evaluation index system， and the index weights were determined by using the integrated model of AHP and entropy weight method， and the landscape ecological health from 2000 to 2020 was evaluated. The results showed that the comprehensive index of landscape ecological health in 2000， 2010 and 2020 was 0.45， 0.53 and 0.52， respectively， showing the overall distribution of high in the north and south， low in the middle and the changing characteristics of rising first and then falling. The change of landscape ecological health was relatively stable， the area of regional improvement was larger than that of degradation， and the transformation was mainly based on adjacent grades， but mainly existed in the transformation between middle and low values， and there was a trend of transformation to adjacent regional grades. According to the research results， based on the impact of urban expansion and human activities on landscape ecological health， it was put forward reasonable suggestions on urban landscape ecological planning from the aspects of optimizing landscape pattern， improving ecological network layout， and controlling land use and development.

Key words： landscape pattern； dynamic assessment of landscape ecological health； Yellow River Basin； Jiaozuo City

景观生态健康是基于景观生态学及生态系统健康学交叉形成的概念［1］，体现了人类活动下生态系统保持自身功能的完整性及自我恢复的能力，进行区域景观尺度下生态健康动态评价对区域实现生态环境管护和可持续发展具有重要的参考价值［2，3］。

目前对景观生态健康评价的研究多聚焦在流域尺度方面［4］，研究对象多为湿地［5］、海岛［6］等，市域尺度的评价常基于行政区大小［7-10］对社会经济类统计数据进行整合，忽视了景观结构、地表温度及生态系统服务价值等对生态健康的影响及其在时空尺度方面的动态变化［11］。

黄河流域是生态保护及高质量发展战略的重点实施区域，有关其沿线城市生态系统健康评价的研究多为单一年份［12］，较少聚焦于景观尺度的多年份动态研究与预测。焦作市作为黄河下游典型的资源枯竭型城市，其环境状况保护形势较为严峻［13-15］，景观生态健康动态评价与预测方面的研究较为鲜见。本研究旨在从景观生态学角度出发，基于压力-状态-响应（P-S-R）［16］模型与“活力-组织-弹性-功能”理论［17］，采用景观生态学和地理信息学研究方法，揭示区域景观生态健康时空演变特征，以实现2000—2020年焦作市景观生态综合评价及数据可视化研究，为焦作市及其他黄河流域城市发展转型提供参考。

1 研究区概况及数据处理

1.1 研究区概况

焦作市位于河南省西北部，介于北纬34°48′—35°30′，东经112°32′—113°38′，整体地貌北高南低，属温带季风气候，是中原城市群与豫晋交界地区的区域性中心城市。总面积约4 071 km2，全市总人口为377.89万人。据焦作史志记载，1999年城市开始绿色转型，2008年焦作市被确定为全国首批资源枯竭型城市。结合相关数据资料收集，将研究时空范围定在2000年、2010年、2020年焦作市全域。

1.2 数据来源及处理

2000年、2010年、2020年土地覆被数据为Landsat系列影像解译结果，数据来源于美国地 质 调 查 局 官 网（https：//earthexplorer.usgs.gov/）。对影像预处理后，结合野外调查及高精度谷歌卫星影像进行监督分类与人工目视解译，用地覆被类型分类参考中国科学院资源环境科学数据中心 （http：//www.resdc.cn）的中国土地覆盖遥感监测数据。焦作市土地利用类型的空间分布如图1所示。

植被覆盖度数据（Fractional vegetation cover，FVC）主要来源于遥感影像数据的解译和波段计算，地表温度（Land surface temperature，LST）及植被净初生产力（Net primary productivity，NPP）来源于中国科学院资源环境科学数据中心（http：//www.resdc.cn/），DEM高程数据来源于地理空间数据云（https：//www.gscloud.cn/）。人口密度矢量数据来源于国家地球系统科学数据共享平台（http：//loess.geodata.cn），其他数据来源于土地利用数据的分析与计算，景观格局数据在FragStats 4.2软件中使用移动窗口法分析，设定30 m为分析粒度，1 200 m窗口可以更好地反映研究区景观格局变化，所有数据标准化后重采样为500 m。受软件自身计算误差所限，得出的景观格局数据会比实际面积略小，此情况不影响实际分析结果，可忽略不计。

2 研究方法

2.1 景观生态健康指标体系的构建

为科学化、合理化地表现区域景观生态健康水平，参考已有研究及焦作市2000—2020年发展特征，遵循代表性、可获取性及可视化原则，从社会经济、自然资源、人类活动、景观生态方面选取指标。使用PSR模型（即状态-压力-响应模型）与“活力-组织-恢复力-功能”理论，建立指标评价体系（表1）。其中压力代表人类活动及自然界对景观生态系统的作用强度，参考相关文献并确定相关系数［18-21］（表2），确定人口密度、人为影响强度、土地垦殖率及地形破碎度为压力指标；状态指景观生态系统的结构与功能所呈现出的状态，FVC及NPP可以体现研究区植物生长状态及空间分布特征，间接反映植被碳平衡的能力［19］，而研究区曾是矿业城市，地表温度是研究其气候及环境的重要变量，因而选取FVC、NPP及LST作为活力表征；景观格局指数可以衡量景观生态系统的组织结构复杂性，以散布并列指数表示整体景观的连通性，林地和水体景观凝聚度一定程度上表现了生态斑块的连通性［20］；恢复力指生态系统在受到干扰后进行自我调节及恢复的能力，以生态弹性度表示；生态系统服务价值代表生态系统为人类提供服务的功能［21］。响应指生态系统在面临压力时所做出的反应［24］，以景观破碎度表示。

考虑各个指标对研究区域景观生态健康的影响程度具有一定差异，为满足主观经验的同时又能客观反映各数据信息，本研究采用了AHP-EWM（层次分析法-熵权法）集合模型确立各指标权重，为提高计算组合权重的兼容性及稳定性，采用基于最小相对信息熵的组合权重优化法，其计算公式如下。

Zj=[AJEJJMAJEJ]                （1）

式中，AJ为主观赋权权重；EJ为客观赋权权重；Zj为综合权重。

2.2 综合评价模型构建

根据所建立的指标体系，使用综合指数法分析，其计算公式如下。

Z=[i=1nwiyi]           （2）

式中，Z为综合评价值；[wi]为第i个指标权重；[yi]为标准化指标值；n为指标数。

由于指标特征及量纲差异，需要进行标准化处理，采用极差法进行处理。

正向指标：A=[x-xminxmax-xmin]       （3）

负向指标：A=[xmax-xxmax-xmin]       （4）

式中，A为正向指标；x为指标值；xmin为指标中的最小值；xmax为指标中的最大值。

参考已有研究［25-27］，根据不同年份综合评价数值范围，使用自然断裂点法将健康评价等级分为5级，从Ⅰ级到Ⅴ级分别为差、较差、一般、较好、好。

3 结果与分析

3.1 景观生态健康空间分布

由图2可知，2000年、2010年及2020年景观生态健康数平均值分别为0.45、0.53、0.52，标准差分别为0.08、0.09、0.10，2000年、2010年等级面积表现为Ⅱ>Ⅰ>Ⅲ>Ⅴ>Ⅳ，2020年等级面积表现为Ⅱ>Ⅲ>Ⅰ>Ⅴ>Ⅳ。从图2景观生态健康等级空间分布可以看出，2000—2020年焦作市景观生态健康呈先上升后下降的趋势，景观生态格局趋于复杂，破碎度明显增加，各等级空间分布具有显著的区域差异性，高值集中分布于修武县、中站区及沁阳市北部高植被覆盖山区，并有向南发展态势；中值区较为分散，主要分布在山区平原交界处及临大沙河、沁河、老蟒河干流区域，多为生态保护缓冲区，景观格局及生态系统较复杂，到2020年区域内已出现明显的有规律的Ⅲ级带状破碎区域；低值区主要集中在城市及人口密度较大区域，中北部城市主要发展区呈现断崖式的低值，其中Ⅱ等级分布最广，2000年、2010年、2020年占比分别为40.75%，51.61%，45.18%（表3），主要分布于中部平原地带，多为乡镇区域。

3.2 焦作市景观生态健康时空演变特征分析

转移矩阵是一种土地类型向另一种类型转化的量化值，稳定区表示此区域内景观生态健康等级未发生明显变化，退化区表示10年间区域健康等级向较低等级转化，改善区表示10年间区域健康等级向较高等级转化，转移矩阵为等级之间的具体转化面积。由表4可知，2000—2010年景观生态健康等级转化中，稳定区面积为2 094.50 km2，占区域总面积的54.43%，改善区及退化区面积分别为1 067.25 km2和681.00 km2，Ⅱ等级向Ⅰ等级转移面积最多。2010—2020年景观生态健康等级转化中，稳定区面积为2 287.25 km2，占比为59.51%，改善区及退化区面积分别为1 152 km2和447.75 km2，Ⅱ等级向Ⅲ等级转移面积最多。总体来看，2020年的景观生态等级转换较为稳定，区域改善面积大于退化面积，但健康等级改善面积多以中值和低值的相邻等级转移为主，较少实现跨级转移。

由图3可知，2000—2010年焦作市景观生态健康等级空间转化中，稳定区域均匀分布于研究区内，改善区集中分布于平原地区，多为Ⅰ级至Ⅱ级的转移，以沁阳市西南部、孟州市东北部、博爱县东部及武陟县黄河北岸为主，退化区多分布于城市发展边缘区及沁阳市、中站区的山区平原交界处，多为土地垦殖率高、生态系统易受人为干扰区域；2010—2020年稳定区域均匀分布于山区及平原地带，得益于退耕还林、河流疏浚、湿地公园建设等一系列生态文明建设，改善区主要分布在中北部凤凰山、中部沁河、大沙河区域及城镇区域，山区以Ⅳ级至Ⅴ级的转移为主，平原区域以中低值转移为主，退化区主要分布于城市边缘区。总体来看，2020年景观生态健康时空演变较为稳定，改善区域由2000—2010年以中低值转化为主，到2010—2020年出现区域的高值转化及退化区、景观等级的转移。

4 小结与讨论

4.1 小结

本研究依据景观生态健康理论，基于PSR模型与“活力-组织-弹性-功能”理论建立评价体系及方法，以遥感及统计数据为基础，对2000—2020年焦作市景观生态健康进行评价，得出以下结论。

1）景观生态健康在2000—2020年先上升后小幅下降。20世纪之前对煤矿产业“掠夺式”开展导致其生态环境受到了严重的破坏。至2000年，整体景观生态健康水平较低。城市扩张不明显，研究区内存在大量Ⅰ级和Ⅱ级区域。

2）20世纪后，区域实施了包括凤凰山的景观规划、退耕还林等在内的相关政策，城市开始绿色转型，重要生态用地类型不断增加。到2010年，区域内景观生态健康稳定性区域较多，整体景观生态健康较2000年有所改善，但由于干旱等自然灾害的发生、土地垦殖及城市扩张加剧，导致黄河北岸及太行山南部水资源枯竭，景观格局破碎化严重，原有生态系统被不断干扰侵蚀，低值区明显增大，区域仍面临严峻的生态问题。

3）自2008年焦作市被定为资源枯竭型城市开始，焦作市矿山区域修复及退耕还林政策进一步推行，包括城市绿地建设、南水北调黄河以北干线工程的通水与两岸绿化带的建设、水域的综合治理与疏浚等，改善区占比不断增加，黄河北岸等出现Ⅴ级区域。但由于在城市快速发展转型及中部崛起的背景下，城市进一步扩张，城市边缘区破碎化更加明显，生态系统受到了威胁；村镇的建设及耕种同样对村落本有生态用地造成了破坏，整体景观生态健康仍处于下降趋势；然而研究区域在2020年出现了多处Ⅲ级的带状区域，这些带状区域可修复形成城市生态廊道。在经济转型发展的同时应着重关注区域生态承载力，加强对中心城区、县域乡镇等的景观格局优化。

4）生态弹性度、人类活动因子、生态系统功能等为景观生态健康等级的主要驱动因子，在未来的区域建设中，应着重关注人与生态环境之间的相互影响，减少人类扰动对生态承载力的破坏，进一步改善城市边缘区的景观格局，修复并保护人为扰动较大的旅游型自然资源。

4.2 讨论

本研究的可视化分析可以更直观地对城市景观生态健康进行动态分析，并为区域景观生态健康发展状况的预测提供新手段。其研究结果可为焦作市及其黄河沿线同类城市的生态建设发展提供依据和参考。由于数据收集、技术局限等原因，解译数据精度仍有待提高。接下来将进一步提高数据处理精度，以期为后续深入研究提供有利保障。

参考文献：

［1］ 刘焱序，彭 建，汪 安，等.生态系统健康研究进展［J］.生态学报，2015，35（18）：5920-5930.

［2］ 曹 宇，哈斯巴根，宋冬梅.景观健康概念、特征及其评价［J］.应用生态学报，2002（11）：1511-1515.

［3］ 姚 昆，张存杰，何 磊，等.雅砻江中上游流域生态环境脆弱性动态评价及预测［J］.国土资源遥感，2020，32（4）：199-208.

［4］ 宋 爽，许大为，石梦溪，等.挠力河流域景观生态健康时空演变［J］.南京林业大学学报（自然科学版），2021，45（2）：177-186.

［5］ 孙才志，陈富强.鸭绿江口滨海湿地景观生态健康评价［J］.湿地科学，2017，15（1）：40-46.

［6］ 林明太，余建辉，黄俊超，等.旅游型海岛景观生态健康评价［J］.生态学杂志，2012，31（7）：1846-1854.

［7］ 严 超，张安明，石仁蓉，等.重庆市黔江区土地生态安全评价及时空变化分析［J］.水土保持通报，2016，36（4）：262-268.

［8］ 谈娟娟，董增川，方 庆，等.漳卫南运河流域生态健康演变分析［J］.南水北调与水利科技，2014，12（5）：67-71.

［9］ 李灏欣，万华伟，孙 林，等.新疆生态系统健康遥感评估及关键驱动因子研究［J］.干旱区地理，2021，44（2）：460-470.

［10］ 张婉婷，马志远，陈 彬，等.福建省九龙江口红树林生态系统健康评价：基于活力-组织结构-恢复力框架［J］.生态与农村环境学报，2022，38（1）：61-68.

［11］ 牛明香，王 俊，徐宾铎.基于PSR的黄河河口区生态系统健康评价［J］.生态学报，2017，37（3）：943-952.

［12］ 牛明香，王 俊.黄河河口区生态系统健康评价指标体系探讨［J］.水资源保护，2016，32（1）：57-63

［13］ 徐 辉，丁祖栋，武玲玲.黄河下游沿黄城市生态系统健康评价［J］.人民黄河，2022，44（2）：12-15，20.

［14］ 陶晓燕.资源枯竭型城市生态安全评价及趋势分析——以焦作市为例［J］.干旱区资源与环境，2014，28（2）：53-59.

［15］ 高彩玲，田采霞，麻冰涓.基于熵权法的焦作市城市生态系统健康动态评价［J］.水土保持通报，2015，35（3）：197-202.

［16］ 何 新，姜广辉，张瑞娟，等.基于PSR模型的土地生态系统健康时空变化分析——以北京市平谷区为例［J］.自然资源学报，2015，30（12）：2057-2068.

［17］ 张 楠，窦世卿，徐 勇，等.近14年广西生态系统健康时空变化特征［J］.桂林理工大学学报，2021，41（2）：370-378.

［18］ 宁立新，马 兰，周云凯，等.基于PSR模型的江苏海岸带生态系统健康时空变化研究［J］.中国环境科学，2016，36（2）：534-543.

［19］ 徐洲洋.基于PSR模型的四川生态系统健康时空动态研究［J］.国土资源遥感，2020，32（2）：251-258.

［20］ 刘 杰，汲玉河，周广胜，等.2000—2020年青藏高原植被净初级生产力时空变化及其气候驱动作用［J］.应用生态学报，2022，33（6）：1533-1538.

［21］ 李卫海，李阳兵，邵景安，等.基于景观尺度的城市生态健康时空过程——贵阳市案例研究［J］.环境科学学报，2011，31（2）：440-448.

［22］ 徐明德，李 静，彭 静，等.基于RS和GIS的生态系统健康评价［J］.生态环境学报，2010，19（8）：1809-1814.

［23］ 谢高地，张彩霞，张雷明，等.基于单位面积价值当量因子的生态系统服务价值化方法改进［J］.自然资源学报，2015，30（8）：1243-1254.

［24］ 杨胜玮，陈博伟，闫 敏，等.基于多源数据的泰国生态环境遥感评估［J］.生态科学，2021，40（4）：47-56.

［25］ 千 倩.焦作市土地利用变化的生态系统服务功能价值响应［D］.河南开封：河南大学，2015.

［26］ 孟 孟，张 运，支俊俊，等.快速城市化背景下生态系统服务价值时空演变——以南京市为例［J］.水土保持通报，2021，    41（3）：296-304.

［27］ 林华荣.广州市生态系统服务价值的时空演变及其驱动机制分析［D］.广州：广州大学，2019.