辛 亮,蘇維詞,2*

基于景觀格局的FAST寧靜區(qū)生態(tài)風(fēng)險時空演變分析

辛 亮1,蘇維詞1,2*

(1.重慶師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院,重慶 401331；2.貴州省山地研究所,貴州 貴陽 550001)

為揭示FAST工程的建成對寧靜區(qū)及區(qū)內(nèi)不同圈層生態(tài)環(huán)境的影響,并為區(qū)域未來的生態(tài)保護(hù)和風(fēng)險防范提供一定參考,以2000、2010、2020年土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),利用景觀干擾度和脆弱度指數(shù)構(gòu)筑評價模型來分析該區(qū)域2000～2020年景觀格局及生態(tài)風(fēng)險的演變特征.結(jié)果表明:林地、草地、耕地為FAST寧靜區(qū)的優(yōu)勢景觀類型,前10a景觀變化以草地、耕地向林地轉(zhuǎn)化為主,人類活動相對較弱;后10a建設(shè)用地快速增加,三個圈層綜合動態(tài)度皆有所上升,景觀變化漸活躍但仍處于較低可控水平;FAST寧靜區(qū)以低、較低、中生態(tài)風(fēng)險區(qū)為主,核心區(qū)、中間區(qū)生態(tài)風(fēng)險低,但受FAST工程影響有上升趨勢,邊遠(yuǎn)區(qū)生態(tài)風(fēng)險變化表現(xiàn)為“兩極下降,中間升高”的紡錘狀;FAST寧靜區(qū)生態(tài)風(fēng)險呈空間正相關(guān)且相關(guān)性越漸顯著,分布特征以“高-高”聚集和“低-低”聚集為主.

FAST寧靜區(qū)；景觀格局變化；生態(tài)風(fēng)險評價；空間自相關(guān)；圈層差異

FAST(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope的簡稱)即500m口徑射電球面望遠(yuǎn)鏡,是世界上最大的單口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡,是具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施工程,被譽為“中國天眼”[1].FAST的穩(wěn)定運行對周邊區(qū)域電磁環(huán)境和生境要求極高,為保證其使用效能,將FAST臺址周邊30km區(qū)域設(shè)立為保護(hù)區(qū),即FAST寧靜區(qū). FAST寧靜區(qū)喀斯特發(fā)育典型,生態(tài)環(huán)境本底脆弱,人地矛盾突出,保護(hù)與發(fā)展壓力較大.據(jù)到中心臺址的距離將寧靜區(qū)劃分為三個圈層,每個圈層實施對應(yīng)的保護(hù)機(jī)制[2].在FAST寧靜區(qū)中:0～5km為核心保護(hù)區(qū),要求無任何電磁干擾,內(nèi)部居民原則上需全部搬離;5～10km為中間保護(hù)區(qū),禁止修建與維持FAST穩(wěn)定運行無關(guān)的新建工程和大的改擴(kuò)建工程;10～ 30km為邊遠(yuǎn)保護(hù)區(qū),明確規(guī)定限制對環(huán)境擾動較大的項目落地,要求區(qū)內(nèi)人類干預(yù)較小.自2000年西部大開發(fā)實施退耕還林、2008年開始實施石漠化治理、2011年FAST正式動工修建、2016年主體工程完工并啟用后,FAST寧靜區(qū)內(nèi)景觀格局和生態(tài)環(huán)境已發(fā)生一系列變化,且因不同圈層的限制和保護(hù)措施的差異性,核心區(qū)、中間區(qū)、邊遠(yuǎn)區(qū)三個圈層的生態(tài)環(huán)境及景觀格局變化各具特性.探索這些變化并基于這些變化評價其生態(tài)風(fēng)險,分析寧靜區(qū)整體以及寧靜區(qū)內(nèi)各個圈層的生態(tài)風(fēng)險分布與變化特征具有緊迫性和重要的現(xiàn)實意義.

景觀生態(tài)風(fēng)險著重強調(diào)景觀格局變化對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響[3],近年逐漸成為國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點問題[4],研究內(nèi)容主要涉及風(fēng)險源[5]和風(fēng)險因子[6]的識別、風(fēng)險作用機(jī)理、評估方法[7]、風(fēng)險修復(fù)[8]等,其中風(fēng)險評價方法一般分為基于景觀格局和基于風(fēng)險源兩種,評價對象多為人類干預(yù)較為頻繁的流域[9]、礦區(qū)[10]、重點城市[11]或城市群[12]等,或是較為典型的生態(tài)脆弱區(qū)如濕地[13]、河漫灘[14]、干旱及沙漠化地區(qū)[15]、海岸帶[16]等.沈問蒼、張建軍等[17]通過分析不同因素對黃土高原生態(tài)風(fēng)險的影響機(jī)制,發(fā)現(xiàn)黃土高原地區(qū)生態(tài)風(fēng)險差異主要受坡度影響;李婷等[18]通過分析渤海地區(qū)典型海島—月島近30年的生態(tài)風(fēng)險演變特征,發(fā)現(xiàn)近年來海島在人為干擾下生境質(zhì)量有明顯惡化;劉焱序等[19]通過有序加權(quán)平均算法探究了在評價者主觀偏好影響下的城市(以深圳市為例)生態(tài)風(fēng)險分異特征,評價結(jié)果更適應(yīng)于不同發(fā)展理念和發(fā)展方向的城市開發(fā)需要.整體上看,景觀生態(tài)風(fēng)險評價集中于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的東部沿海地區(qū)或長江、黃河等大河流域地區(qū),西南喀斯特地區(qū)是社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)等矛盾突出的交匯點,但作為評價對象的研究卻較少.而FAST寧靜區(qū)既屬于典型的喀斯特地區(qū),生態(tài)本底脆弱易損,又是國家一系列重大工程的交匯點,在一定程度上具有特殊性和代表性.自FAST工程開工和運行以來,其寧靜區(qū)內(nèi)發(fā)生了一系列重大工程活動(如退耕還林、石漠化治理、天文小鎮(zhèn)旅游、生態(tài)移民與扶貧攻堅等),這些工程活動帶來的生態(tài)風(fēng)險或環(huán)境效益、FAST對生境安全的承受容量、不同圈層之間存在的差異、以及需要采取的應(yīng)對方案等都是亟待解決的科學(xué)問題.而目前關(guān)于FAST寧靜區(qū)的研究整體較為薄弱,零星的一些研究中,主要涉及FAST周邊(寧靜區(qū))洼地石漠化生態(tài)(立體垂直)修復(fù)模式[20]、土地利用結(jié)構(gòu)合理性評判[21]等,而風(fēng)險識別方面的研究尚較少.且上述研究多以整個FAST寧靜區(qū)作為評價對象,比較缺乏分別以各個圈層作為對象,對比分析各圈層之間生態(tài)環(huán)境變化的差異性研究.因此探討20年來該區(qū)域整體上以及各圈層的景觀格局變化,并揭示其生態(tài)風(fēng)險變化,一定程度上能拓展區(qū)域生態(tài)評價研究的視角,對于有針對性地制定和實施區(qū)域生態(tài)修復(fù)保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展方案,統(tǒng)籌兼顧確保FAST寧靜區(qū)生態(tài)安全與鄉(xiāng)村脫貧成果鞏固拓展有重要意義.

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

FAST“中國天眼”臺址位于貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣克度鎮(zhèn)大窩函,106°50′55″～ 106°52′02″E、25°38′48″～25°39′36″N.FAST寧靜區(qū),是指以500m口徑射電球面望遠(yuǎn)鏡為中心, 30km為半徑構(gòu)成的圓形區(qū)域,總面積約為2827.43km2,涉及貴州平塘縣的克度、塘邊、通州等鄉(xiāng)鎮(zhèn),羅甸縣的龍坪、沫陽、邊陽等鄉(xiāng)鎮(zhèn),惠水縣的羨塘、斷杉等鄉(xiāng)鎮(zhèn)以及廣西西北部天峨、南丹兩縣的部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)(圖1).FAST寧靜區(qū)以喀斯特地貌為主,碳酸鹽巖出露面積占比達(dá)85%以上,地表崎嶇不平,坡度大于15°地表面積占比達(dá)81.35%,以峰叢洼地、峰叢山地為主.寧靜區(qū)屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)區(qū),降水充沛且具有明顯的季節(jié)差異,年均降水量多在1200mm以上.土壤類型主要有紅壤、石灰土,土質(zhì)貧瘠且不連續(xù),耕地資源量少質(zhì)差,旱地占比大,地表水系匱乏,水土流失和石漠化較為突出,屬于典型的工程性缺水區(qū)和生態(tài)脆弱區(qū)[22].從經(jīng)濟(jì)區(qū)位看,FAST寧靜區(qū)地處貴州“兩山”(麻山、瑤山)的核心區(qū)域,過去長期處于極端貧困狀態(tài),2020年脫貧后仍為典型的欠發(fā)達(dá)區(qū),人地矛盾突出.在FAST工程啟動后,大量新增建設(shè)用地顯著改變了該地區(qū)的景觀格局,對比分析FAST建成前后寧靜區(qū)整體及各圈層景觀格局及生態(tài)風(fēng)險的時空演變特征,能為該地區(qū)制定生態(tài)保護(hù)措施、土地利用優(yōu)化、后續(xù)發(fā)展與鄉(xiāng)村振興提供一定數(shù)據(jù)參考.

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

2000年、2010年、2020年土地利用數(shù)據(jù)來自于地理監(jiān)測云平臺(www.dsac.cn),每景數(shù)據(jù)精度皆在85%以上,DEM全國高程數(shù)據(jù)來自于地理空間數(shù)據(jù)云(www.gscloud.cn),以上數(shù)據(jù)空間分辨率皆為30m′30m.其他數(shù)據(jù)來自實地考察和統(tǒng)計年鑒.在ArcGIS10.4中根據(jù)FAST臺址的經(jīng)緯度生成點要素,分別以5km、10km、30km為半徑對該點要素進(jìn)行緩沖區(qū)分析,得到FAST寧靜區(qū)的地域范圍并依據(jù)半徑將其劃分為核心區(qū)、中間區(qū)、邊遠(yuǎn)區(qū)三部分.依照國家土地利用分類方法對土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類.由于研究時段內(nèi)該地區(qū)不存在未利用地,故最終將土地利用類型劃分為5個一級類,即耕地、林地、草地、水體、建設(shè)用地.

2 研究方法

2.1 景觀格局變化

2.1.1 土地利用動態(tài)度 通常情況下,土地利用類型可視作景觀類型,土地利用變化過程即可反映景觀格局變化.土地利用動態(tài)度可描述FAST寧靜區(qū)景觀格局在研究時段內(nèi)的變化速率,一般分為以下兩種:

(1) 單一土地利用動態(tài)度:單一土地利用動態(tài)度用來表示某一特定景觀類型的面積在研究時段內(nèi)的年際變化率,表達(dá)式為:

式中:為某一景觀類型面積的年際變化率;U、U分別代表研究開始時和結(jié)束時該景觀類型的面積;為研究時段年數(shù)[23].

(2) 綜合土地利用動態(tài)度:綜合土地利用動態(tài)度用來表示區(qū)域整體景觀格局的變化速率,表達(dá)式為:

2.1.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可定量描述區(qū)域各景觀類型之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系,揭示景觀格局的變化方向和趨勢[25].其表達(dá)式為:

式中:和(,=1,2…,)分別表示轉(zhuǎn)移前、轉(zhuǎn)移后的景觀類型;S為景觀類型從第類轉(zhuǎn)化為第類的面積;為景觀類型的數(shù)量.

2.2 景觀生態(tài)風(fēng)險評價

2.2.2 生態(tài)風(fēng)險評價模型構(gòu)建 生態(tài)風(fēng)險的高低是生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部抗干擾能力和外界干擾強度共同作用的結(jié)果[28],景觀格局指數(shù)既能反映生態(tài)系統(tǒng)抵抗外界干擾的能力,也能反映人類干擾的強度和方向,因此區(qū)域生態(tài)風(fēng)險會隨景觀格局變化相應(yīng)發(fā)生改變[29](圖2).

圖2 景觀格局與生態(tài)風(fēng)險關(guān)系示意

以景觀干擾度指數(shù)和脆弱度指數(shù)構(gòu)建生態(tài)風(fēng)險評價模型.景觀干擾度指數(shù)用來表示外界各種變化對各類景觀的干擾強度,其值由景觀破碎度、分離度與優(yōu)勢度指數(shù)確定[30],計算方式見表1.

不同景觀類型抵抗外界脅迫作用的能力有異,因此受到外界干擾時發(fā)生變化的程度各不相同,變化幅度越大,該景觀類型越脆弱易損.景觀脆弱度指數(shù)可用來表示這種易損性.在通常情況下,城市建設(shè)用地抗干擾能力最強,其次為林地、草地、耕地,水體抗干擾能力最弱[31].因此,將建設(shè)用地、林地、草地、耕地、水體五種景觀類型的脆弱度由低到高分別賦值為1、2、3、4、5,采用反正切函數(shù)歸一化法對其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,標(biāo)準(zhǔn)化后的脆弱度指數(shù)分別為0.5、0.704833、0.795167、0.844042、0.874334,用F表示.以景觀干擾度指數(shù)與景觀脆弱度指數(shù)構(gòu)建評價模型,得到生態(tài)風(fēng)險指數(shù),用來指示區(qū)域生態(tài)風(fēng)險高低,計算方式如下:

表1 景觀格局指數(shù)公式及意義

2.2.3 空間自相關(guān)分析 空間自相關(guān)一般分為全局自相關(guān)和局部自相關(guān)兩類,全局自相關(guān)用來判定空間中觀測數(shù)據(jù)間是否存在聚集性,局部自相關(guān)則用來描述這種聚集性具體的分布特征[35].利用莫蘭指數(shù)(Moran's)來判定FAST寧靜區(qū)生態(tài)風(fēng)險的全局自相關(guān)性,利用LISA聚類圖來描述該地區(qū)生態(tài)風(fēng)險的局部自相關(guān)性.

3 結(jié)果分析

3.1 景觀格局變化

3.1.1 景觀類型構(gòu)成變化 在ArcGIS10.4中得到FAST寧靜區(qū)2000年、2010年、2020年景觀格局分布圖(圖3),并統(tǒng)計得到各景觀類型的面積構(gòu)成情況(表2),用以分析研究區(qū)景觀構(gòu)成變化.

圖3 FAST寧靜區(qū)2000～2020年景觀格局分布

表2 FAST寧靜區(qū)2000～2020年各景觀類型面積變化

由圖3和表2可知,FAST寧靜區(qū)景觀類型主要為林地、草地(含草灌)和耕地,三者共占區(qū)域總面積的95%以上,其中林地又占據(jù)主導(dǎo)優(yōu)勢,貢獻(xiàn)了五成以上的占比.2000～2010年,除草地外的其他景觀類型面積皆有不同程度的增加,其中因2000年開始的退耕還林工程和2008年開始的石漠化治理工程的實施,林地面增長最顯著,占比增加了0.51%;草地面積占比減少了0.57%,是該時段內(nèi)唯一面積有所減少的景觀類型.2010～2020年,在FAST工程正式動工和城鎮(zhèn)化迅速擴(kuò)張的背景下,耕地、林地、草地面積都有所下降,其中以天文旅游小鎮(zhèn)(克度鎮(zhèn))為代表城鄉(xiāng)建設(shè)快速發(fā)展,克度盆地等耕地集中分布區(qū)內(nèi)的耕地利用轉(zhuǎn)型較突出,導(dǎo)致耕地景觀面積減少幅度最大,相較2010年減少了0.35%;建設(shè)用地面積則迅速增加,面積由0.94km2增加到19.50km2,增加20倍以上,主要集中在平塘縣克度鎮(zhèn)(中間區(qū))、通州鎮(zhèn)(邊遠(yuǎn)區(qū))、以及羅甸縣城關(guān)鎮(zhèn)即龍坪鎮(zhèn)(邊遠(yuǎn)區(qū))和邊陽鎮(zhèn)(邊遠(yuǎn)區(qū)).同時,前10a基本保持不變的水體面積也有一定程度的增長,占比由0.02%上升到0.10%,水資源匱乏得到一定程度緩解.結(jié)合各圈層景觀類型變化情況表(表3),可知:各類景觀面積變化在三個圈層存在差異,以建設(shè)用地最為典型,其面積在限制較少的邊遠(yuǎn)區(qū)增加明顯,20年間增加面積占建設(shè)用地總增加面積的80.17%;在限制較多的中間區(qū)增加相對較少,占比為17.84%;在嚴(yán)格限制的核心區(qū)僅有微小程度的增加,增加的建設(shè)用地為FAST工程自身所占面積和相應(yīng)的旅游配套建筑,增加比例僅為1.9%.

3.1.2 景觀類型變化速率分析 由式(1)得到2000～ 2020年FAST寧靜區(qū)各類景觀的土地利用單一動態(tài)度,由式(2)得到FAST寧靜區(qū)整體以及各個圈層的綜合動態(tài)度(表4,表5).

由表4可知,在兩個10a中,建設(shè)用地單一動態(tài)度均為最高,表明建設(shè)用地變化最為活躍.但在第一個10a中,人類活動相對平穩(wěn),建設(shè)用地面積增長速度較慢,動態(tài)度僅為1.94%;第二個10a中,FATS工程建成帶動天文旅游興起,建設(shè)用地迅速擴(kuò)張,面積增加達(dá)18.5625km2,動態(tài)度攀升至197.94%.此外,20年間水體面積增加速度較快,達(dá)19.87%.結(jié)合表5可知,FAST寧靜區(qū)整體土地利用綜合動態(tài)度逐漸上升,由0.0568%上升到0.0735%,20年間整體為0.0534%,表明后10a相較前10a景觀格局變化更快但總體上并不活躍,主要是因為該地區(qū)仍屬于傳統(tǒng)農(nóng)耕區(qū)和經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)區(qū),人類活動僅在局部地區(qū)(如鄉(xiāng)鎮(zhèn)、中心村所在地)不斷增強,特別集中于天文旅游小鎮(zhèn)克度鎮(zhèn)和通州鎮(zhèn)等建設(shè)用地增加較為明顯的鄉(xiāng)鎮(zhèn),但整體上變化幅度小.從不同圈層來看,核心區(qū)景觀變化最不活躍,但后10a因FAST工程及相應(yīng)配套設(shè)施的動工建設(shè),綜合動態(tài)度相較前10a有一定程度提升;中間區(qū)在三個圈層中景觀變化最為活躍,且后10a綜合動態(tài)度較大幅度上升,是因為該時段位于此區(qū)域的天文旅游游客集散中心及配套設(shè)施的建設(shè),以及核心區(qū)居民向外搬遷、外地居民回流等帶來較大人流量所導(dǎo)致;邊遠(yuǎn)區(qū)后10a相較前10a綜合動態(tài)度亦有所提升,是因為在現(xiàn)有保護(hù)措施下,新增建設(shè)用地多集中在邊遠(yuǎn)區(qū)(包括平塘縣通州鎮(zhèn)、羅甸縣城關(guān)鎮(zhèn)——龍坪鎮(zhèn)等),景觀類型之間的互相轉(zhuǎn)化更積極.

表3 FAST寧靜區(qū)2000～2020年各圈層景觀類型面積變化(km2)

表4 FAST寧靜區(qū)2000～2020年土地利用單一動態(tài)度變化

表5 FAST寧靜區(qū)整體及各圈層2000年～2020年土地利用綜合動態(tài)度變化(%)

3.1.3 景觀類型轉(zhuǎn)移分析 為了更清楚地分析FAST寧靜區(qū)景觀格局的時空演變特征,摸清各景觀類型面積變化的“源”與“匯”,根據(jù)式(3)得到2000年～2010年、2010年～2020年該區(qū)域各類景觀間的轉(zhuǎn)移矩陣(表6).由該表可知:(1)2000年～2010年,受退耕退草還林的影響,草地面積顯著減少,去向基本全為耕地和林地,轉(zhuǎn)出面積分別達(dá)9.6885km2和18.3663km2,占轉(zhuǎn)出總面積的34.5%和65.4%;林地面積增加達(dá)14.18km2,主要由草地和耕地轉(zhuǎn)入,來自二者的凈增長面積分別為13.7304km2和0.5598km2;水體、建設(shè)用地轉(zhuǎn)出轉(zhuǎn)入較少,人類活動尚不活躍.(2)2010～2020年,建設(shè)用地面積快速增加,主要由耕地、林地和草地轉(zhuǎn)入,三者轉(zhuǎn)入面積分別占總轉(zhuǎn)入面積的49.21%、31.96%、18.82%.一是因為耕地更易利用和改良,其次,城鎮(zhèn)化蔓延擴(kuò)張時大多以鄰近的景觀類型為對象,而研究區(qū)內(nèi)建設(shè)用地多以鑲嵌分布于耕地或林地中,這種分布格局使得耕地和林地優(yōu)先作為補償對象.水體面積相較2000年增長顯著,從主到次由林地、草地和耕地轉(zhuǎn)入,增加面積多以人造湖、坑塘的形式存在.

表6 2000年～2020年FAST寧靜區(qū)景觀類型面積轉(zhuǎn)移矩陣(km2)

3.2 景觀生態(tài)風(fēng)險構(gòu)成與演變分析

3.2.1 整體景觀生態(tài)風(fēng)險構(gòu)成和演變分析 創(chuàng)建漁網(wǎng)將FAST寧靜區(qū)劃分為770個風(fēng)險小區(qū)后,根據(jù)式(4)計算出每一個小區(qū)的生態(tài)風(fēng)險指數(shù),通過自然斷點法將生態(tài)風(fēng)險值劃分為5個等級:低生態(tài)風(fēng)險區(qū)(ERI￡0.109978454)、較低生態(tài)風(fēng)險區(qū)(0.109978454

圖4 FAST寧靜區(qū)2000～2020年景觀生態(tài)風(fēng)險分布

表7 FAST寧靜區(qū)2000～2020年各等級生態(tài)風(fēng)險區(qū)面積變化情況

根據(jù)圖4和表7可得:(1)FAST寧靜區(qū)以較低生態(tài)風(fēng)險區(qū)和低生態(tài)風(fēng)險區(qū)為主,二者面積占區(qū)域總面積比例超過80%,中生態(tài)風(fēng)險區(qū)次之,占比在16%～19%左右.較高、高風(fēng)險區(qū)占比相對較少,整體來看生態(tài)風(fēng)險較低.(2)從空間變化來看,風(fēng)險分布具有明顯的地域差異.較低、低生態(tài)風(fēng)險區(qū)廣泛分布于FAST寧靜區(qū)全域,中風(fēng)險區(qū)集中分布在通州鎮(zhèn)、克度鎮(zhèn)、平巖鄉(xiāng)等鄉(xiāng)鎮(zhèn),較高風(fēng)險區(qū)主要分布在羅甸縣城關(guān)鎮(zhèn)——龍坪鎮(zhèn),及董當(dāng)鄉(xiāng)和沫陽鎮(zhèn)交界處,高風(fēng)險區(qū)集中分布在羅沙鄉(xiāng)和邊陽鎮(zhèn)交界.較高、高風(fēng)險分布區(qū)多種景觀類型混雜,斑塊分布不連續(xù),景觀分離度和破碎度高,是其風(fēng)險程度高的誘因.(3)從時間演替看,生態(tài)風(fēng)險變化有明顯的階段性,2000～2020年FAST寧靜區(qū)整體生態(tài)風(fēng)險呈現(xiàn)先下降后上升的變化特征.首先是2000～2010年,研究區(qū)因2000年開始的退耕還林和2008年開始石漠化治理,生態(tài)風(fēng)險有一定程度降低,且屆時人為干擾較弱,除中風(fēng)險區(qū)減少較明顯外,其它等級風(fēng)險區(qū)占比僅有微小程度的增減;其次是2010～2020年,風(fēng)險變化更加明顯且呈現(xiàn)兩極分化,低風(fēng)險區(qū)、較高風(fēng)險區(qū)、高風(fēng)險區(qū)占比不同幅度下降,下降比例分別為5.2%、0.5%、0.15%,高風(fēng)險區(qū)已完全消失;較低風(fēng)險區(qū)和中風(fēng)險區(qū)比例上升,分別為3.11%和2.75%,各級風(fēng)險區(qū)變化大致呈現(xiàn)“兩端減中間增”的“紡錘狀”特征.

3.2.2 不同圈層景觀生態(tài)風(fēng)險構(gòu)成和演變分析 在ArcGIS10.4中計算得出FAST寧靜區(qū)核心區(qū)、中間區(qū)、邊遠(yuǎn)區(qū)不同等級生態(tài)風(fēng)險區(qū)面積構(gòu)成情況(表8),并得到各圈層生態(tài)風(fēng)險轉(zhuǎn)移弦圖(圖5～7),分別分析三個不同圈層的生態(tài)風(fēng)險構(gòu)成和演變特征.

表8 FAST寧靜區(qū)2000～2020年不同圈層生態(tài)風(fēng)險分布情況(km2)

據(jù)表8和圖5,可知 FAST寧靜區(qū)的核心區(qū)生態(tài)風(fēng)險構(gòu)成和演變具有下述特點:(1)核心區(qū)由低、較低、中生態(tài)風(fēng)險區(qū)構(gòu)成,無較高、高生態(tài)風(fēng)險區(qū),整體風(fēng)險較低.(2)變化趨勢上看,前10a部分較低風(fēng)險區(qū)轉(zhuǎn)化為低風(fēng)險區(qū),后10a反之,較大面積低風(fēng)險區(qū)轉(zhuǎn)化為較低風(fēng)險區(qū),因此低風(fēng)險區(qū)先增加再減少,占比由56.77%升高到60.15%再降低到47.94%,較低風(fēng)險區(qū)反之,占比由32.85%下降到31.22%再上升到42.03%;中風(fēng)險區(qū)變化與較低風(fēng)險區(qū)類似,與較低風(fēng)險區(qū)的相互轉(zhuǎn)化使其占比由10.38%下降到8.64%再上升到10.04%.多種變化反映的是退耕還林政策下脆弱度較高的坡耕地、零散分布耕地、草地轉(zhuǎn)化為更穩(wěn)定的林地,區(qū)域生態(tài)風(fēng)險降低.后半段風(fēng)險上升歸結(jié)于FAST工程運行后天文旅游的興起,天文小鎮(zhèn)克度鎮(zhèn)每年接待游客20～30萬人次,人類活動顯著增強,且核心區(qū)內(nèi)還存在尚未移民的3500多名村民,相應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)亦可能導(dǎo)致FAST建成運行后區(qū)內(nèi)人類活動在目前某個時段內(nèi)有逆向增長的趨勢.綜上所述,核心區(qū)總體上生態(tài)質(zhì)量優(yōu)良,但后10a生態(tài)風(fēng)險有所上升的問題需引起注意.核心區(qū)作為維系FAST穩(wěn)定運行最關(guān)鍵的區(qū)域,需更嚴(yán)格地把關(guān)區(qū)域內(nèi)部必要的建筑設(shè)施(如區(qū)內(nèi)旅游設(shè)施)的立項和修建,內(nèi)部尚未搬遷居民去留問題也需盡快決定,當(dāng)?shù)卣畱?yīng)做好相關(guān)移民保障.

結(jié)合表8和圖6,可知FAST寧靜區(qū)的中間區(qū)生態(tài)風(fēng)險構(gòu)成和演變具有下述特點:(1)中間區(qū)主要由低、較低、中三種等級生態(tài)風(fēng)險區(qū)構(gòu)成,較高生態(tài)風(fēng)險區(qū)極少,無高生態(tài)風(fēng)險區(qū),整體生態(tài)風(fēng)險較低.(2)2000～2020年,低、較低風(fēng)險區(qū)皆先增加再減少.低、較低風(fēng)險區(qū)前10a變化幅度小,后10a則主要向更高一級風(fēng)險區(qū)轉(zhuǎn)移而減少,其原因可歸結(jié)于低、較低風(fēng)險區(qū)主要處于天保林、珠防林和低效集體林地區(qū),2000年開始的退耕還林工程,使林地斑塊連通性增強,低生態(tài)風(fēng)險區(qū)面積增加,2010年后則受同期中間區(qū)的中風(fēng)險區(qū)溢出效益影響,低、較低風(fēng)險區(qū)域有所減少.中、較高風(fēng)險區(qū)先減少再增加,轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出對象皆為較低一級風(fēng)險區(qū),二者占比由31.50%減少到29.85%再增加到33.60%,主要分布在村落周邊人類活動較強的區(qū)域及坡耕地片區(qū),前10a因退耕還林、村民外出務(wù)工等原因?qū)е律鷳B(tài)風(fēng)險降低,后10a則因以克度鎮(zhèn)為中心的天文旅游小鎮(zhèn)的打造,致使部分村民回流,村鎮(zhèn)建設(shè)(如新農(nóng)村建設(shè)等)的快速發(fā)展也占用部分良田好土,需要在低緩丘陵山區(qū)完成耕地的占補平衡,再加上道路修建、村莊建設(shè)等原因,林地斑塊破碎化現(xiàn)象有所增加,后期生態(tài)風(fēng)險升高;因此中間區(qū)整體生態(tài)風(fēng)險偏低但有逐漸升高之勢.

根據(jù)表8和圖7,可知FAST寧靜區(qū)的邊遠(yuǎn)區(qū)生態(tài)風(fēng)險構(gòu)成和演變具有以下特征:(1)邊遠(yuǎn)區(qū)因面積大、生境復(fù)雜多變、人類活動較為分散,各級生態(tài)風(fēng)險區(qū)皆有,且主要以低、較低、中生態(tài)風(fēng)險區(qū)為主.(2)2000～2010年,各級生態(tài)風(fēng)險區(qū)之間的轉(zhuǎn)化,主要表現(xiàn)為較低風(fēng)險區(qū)和低風(fēng)險區(qū)的互相轉(zhuǎn)化;2010～2020年,各級風(fēng)險區(qū)間的轉(zhuǎn)化變得活躍,大面積低風(fēng)險區(qū)轉(zhuǎn)化為較低風(fēng)險區(qū),部分較低風(fēng)險區(qū)則轉(zhuǎn)化為中風(fēng)險區(qū),而較高風(fēng)險區(qū)和高風(fēng)險區(qū)僅轉(zhuǎn)出而無匯入.總的來看,2000～2020年,低風(fēng)險區(qū)面積占比由43.23%增加到43.74%再減少到38.47%,后10a面積減少明顯.較低風(fēng)險區(qū)、中風(fēng)險區(qū)面積則是先略有減少再明顯增加,較低風(fēng)險區(qū)由39.40%先略微下降到39.30%再上升到42.61%,中風(fēng)險區(qū)先由15.44%略微下降到15.19%再上升到17.93%;較高風(fēng)險區(qū)和高風(fēng)險區(qū)單調(diào)減少,較高風(fēng)險區(qū)先由1.67%下降到1.60%再下降到0.99%,高風(fēng)險區(qū)則由0.22%下降到0.17%再減少到0,可知邊遠(yuǎn)區(qū)生態(tài)風(fēng)險變化具有地區(qū)差異性,在空間上呈局部(鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村寨附近)升高局部(如撂荒地、棄耕區(qū))降低的特點,風(fēng)險等級變化總體上表現(xiàn)為“兩極下降,中間升高”的紡錘狀.

近年來人類活動、城鎮(zhèn)化擴(kuò)張不斷增強,區(qū)域生態(tài)風(fēng)險變化多受建設(shè)用地增加的影響.建設(shè)用地為高穩(wěn)定性景觀類型,其面積增加有序與否會對區(qū)域生態(tài)風(fēng)險造成不同影響.核心區(qū)和中間區(qū)人類活動弱,原有的村落、村鎮(zhèn)區(qū)域生態(tài)風(fēng)險整體處于一個較低水平,但近年來新增建設(shè)用地較為分散,占用耕地、林地等導(dǎo)致景觀破碎度、分離度升高,區(qū)域生態(tài)風(fēng)險有上升之勢;邊遠(yuǎn)區(qū)生態(tài)風(fēng)險降低的區(qū)域,多因為建設(shè)用地規(guī)律地由點狀向周邊蔓延成團(tuán)狀(如龍坪鎮(zhèn)、羅沙鄉(xiāng)與邊陽鎮(zhèn)交界),增加相對有序,景觀破碎度和分離度無太大變化的同時,景觀脆弱度下降,使得區(qū)域景觀生態(tài)風(fēng)險下降.

3.3 空間自相關(guān)分析

3.3.1 全局自相關(guān)分析 FAST寧靜區(qū)2000、2010、2020年Moran’s指數(shù)如圖8所示,分別為 0.327、0.338、0.430,其值皆大于0并在不斷增大,說明該區(qū)域生態(tài)風(fēng)險分布存在空間正相關(guān)關(guān)系且集聚特征越加明顯.散點主要分布在第一、三象限,與數(shù)據(jù)分布的空間正相關(guān)性吻合,可知FAST寧靜區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險分布特征以“高-高”聚集和“低-低”聚集為主,且后期(2020年)聚集特征更為明顯,這與鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略實施、產(chǎn)業(yè)與村落統(tǒng)籌規(guī)劃力度加大有關(guān).

圖8 FAST寧靜區(qū)2000～2020年景觀生態(tài)風(fēng)險全局自相關(guān)

圖 9 FAST寧靜區(qū)2000～2020年景觀生態(tài)風(fēng)險局部自相關(guān)

3.3.2 局部自相關(guān)分析 采用局部自相關(guān)分析中的LISA聚集圖來表示相鄰網(wǎng)格單元景觀生態(tài)風(fēng)險值的相關(guān)關(guān)系(圖9).

由圖9可知,FAST寧靜區(qū)內(nèi)景觀生態(tài)風(fēng)險分布特征以“高-高”聚集和“低-低”聚集兩種類型為主,極少數(shù)區(qū)域為“高-低”聚集或“低-高”聚集.“高-高”聚集類型集中于塘邊鎮(zhèn)、克度鎮(zhèn)、通州鎮(zhèn)、新塘鄉(xiāng)、董當(dāng)鄉(xiāng)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)的部分地區(qū),這些區(qū)域大多為中、較高生態(tài)風(fēng)險區(qū),受溢出效應(yīng)影響其周邊地區(qū)生態(tài)風(fēng)險同樣較高,呈現(xiàn)高值與高值的集聚特征.“低-低”聚集類型主要分布在太陽鄉(xiāng)、沫陽鎮(zhèn)、三堡鄉(xiāng)、中堡苗族鄉(xiāng)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)的部分地區(qū),這些區(qū)域以低、較低風(fēng)險區(qū)為主,鄰近地區(qū)生態(tài)風(fēng)險同樣較低,呈低值與低值的集聚特征.綜合各景觀類型的分布格局(圖3),發(fā)現(xiàn)“低-低”聚集區(qū)域,景觀類型較為單一且呈相對集中的連片分布,以林地和草地為主,景觀破碎度、分離度較低.“高-高”聚集區(qū)域耕地、林地、草地、建設(shè)用地等多種景觀類型混雜,景觀多樣性、破碎度和分離度較高,加之人類活動干擾較強,致使其周邊地區(qū)生態(tài)風(fēng)險值皆處于一個較高水平.

在現(xiàn)有保護(hù)措施(包括對部分工礦項目準(zhǔn)入制和嚴(yán)控城鎮(zhèn)化擴(kuò)展等)下,FAST寧靜區(qū)較高和高生態(tài)風(fēng)險區(qū)有所減少,但相當(dāng)一部分低、較低生態(tài)風(fēng)險區(qū)有向上轉(zhuǎn)移的趨勢.為保障FAST寧靜區(qū)生態(tài)安全,維護(hù)FAST工程的穩(wěn)定運行,應(yīng)根據(jù)各圈層生態(tài)安全管控要求和目前生態(tài)風(fēng)險分布格局及變化趨勢,不斷調(diào)整優(yōu)化保護(hù)措施,有針對性地在生態(tài)風(fēng)險升高的區(qū)域進(jìn)行生態(tài)修復(fù),改善生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與整體功能,同時在鞏固拓展鄉(xiāng)村脫貧成果和鄉(xiāng)村振興時著力推進(jìn)FAST寧靜區(qū)山地現(xiàn)代農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及農(nóng)戶生計的優(yōu)化轉(zhuǎn)型.應(yīng)合理優(yōu)化景觀構(gòu)成,有序布局新的居建用地,在既滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求、緩解人口轉(zhuǎn)移壓力的同時,也要考慮其對生態(tài)環(huán)境的影響.從不同圈層來看,核心區(qū)應(yīng)盡快確定尚未搬遷的原居民的最終去留問題,以便安排其安置計劃及尚未搬遷村寨周邊的景觀修復(fù)工程.區(qū)內(nèi)除了FAST正常運行和天文旅游外,應(yīng)禁止其他人類活動;中間區(qū)優(yōu)化土地利用格局和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),以天文旅游及其配套產(chǎn)業(yè)(如水果采摘、特色生態(tài)農(nóng)業(yè)等)為主,促進(jìn)農(nóng)戶生計轉(zhuǎn)型升級.嚴(yán)控新的村鎮(zhèn)擴(kuò)建活動,加強林草植被景觀的連通性建設(shè);邊遠(yuǎn)區(qū)通過土地生態(tài)型整理,逐步退出15°以上坡耕地的耕種,降低景觀破碎化程度.建設(shè)和完善邊遠(yuǎn)區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)(村寨)產(chǎn)業(yè)基地內(nèi)部的產(chǎn)業(yè)路及灌溉水網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施,提高土地的集約利用率和產(chǎn)出率,鞏固生態(tài)建設(shè)和脫貧成果.對已有的工礦點進(jìn)行合理歸并,部分噪音或污染較大的企業(yè)(尤其是采石場等)逐步有序退出等.需要盡快把FAST寧靜區(qū)作為一個特殊區(qū)域,加大生態(tài)保護(hù)力度,完成生態(tài)修復(fù).

由于FAST寧靜區(qū)范圍內(nèi)的各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的行政區(qū)界并不是規(guī)整劃一,其人口、經(jīng)濟(jì)、社會等數(shù)據(jù)獲取存在較大難度,因此對影響該地區(qū)生態(tài)風(fēng)險演變的社會經(jīng)濟(jì)因素,以及FAST各圈層鄉(xiāng)村社會經(jīng)濟(jì)與生態(tài)耦合發(fā)展模式、鄉(xiāng)村振興路徑亟待在下一步深入研究.

4 結(jié)論

4.1 林地、草地和耕地為FAST寧靜區(qū)的優(yōu)勢景觀類型.2000年～2010年,因退耕還林的實施,景觀類型間的轉(zhuǎn)化以草地、耕地向林地轉(zhuǎn)化為主.2010～2020年,區(qū)域景觀變化更活躍,建設(shè)用地面積迅速增加 ,主要由耕地、林地和草地轉(zhuǎn)入.FAST寧靜區(qū)三個圈層中,不同圈層限制措施存在差異,核心區(qū)因嚴(yán)格限制措施景觀格局變化最不活躍,而中間區(qū)因天文旅游興起致使人流量大增而最為活躍,邊遠(yuǎn)區(qū)介于二者之間,三個圈層綜合動態(tài)度在后10a皆有所上升但仍處于較低可控水平.

4.2 FAST寧靜區(qū)生態(tài)風(fēng)險分布以低生態(tài)風(fēng)險區(qū)、較低生態(tài)風(fēng)險區(qū)和中生態(tài)風(fēng)險區(qū)為主 ,整體風(fēng)險較低.區(qū)域風(fēng)險分布具有明顯的地域差異,景觀類型繁雜或景觀斑塊分布不連續(xù)的地方,生態(tài)風(fēng)險相對較高.2000～2020年,整個FAST寧靜區(qū)生態(tài)風(fēng)險經(jīng)歷先下降后上升的V型變化,風(fēng)險區(qū)面積變化則大致呈“兩極降低,中間升高”的紡錘狀.

4.3 FAST寧靜區(qū)三個圈層生態(tài)風(fēng)險構(gòu)成和變化具有差異性,其中核心區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量優(yōu)良,但后期因天文旅游開發(fā)、FAST工程自身運行以及相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等,局部生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有逐漸退變的趨勢;中間區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量良好,前10a因退耕還林和村民外出務(wù)工等原因生態(tài)風(fēng)險略有降低,但后10a因村民回流、新農(nóng)村建設(shè)等,生態(tài)風(fēng)險有一定程度升高;邊遠(yuǎn)區(qū)由多種等級生態(tài)風(fēng)險區(qū)構(gòu)成,區(qū)域內(nèi)部分大型工礦制造等項目因受到限制停擺,山地丘陵間林草地景觀連通性有所提高,較高風(fēng)險區(qū)和高風(fēng)險區(qū)不斷向下轉(zhuǎn)化,高風(fēng)險區(qū)最終完全消失,但因脫貧成果鞏固拓展及鄉(xiāng)村振興需要,一些山地特色經(jīng)果林基地和新型鄉(xiāng)村建設(shè),致使部分耕地和低效林草地被占用,因此較低和中風(fēng)險區(qū)占比有所上升.總體上看,邊遠(yuǎn)區(qū)生態(tài)風(fēng)險變化亦呈紡錘狀.

4.4 2000～2020年,FAST寧靜區(qū)Moran’s分別為0.327、0.338、0.430,生態(tài)風(fēng)險分布呈正相關(guān)關(guān)系且相關(guān)性越來越顯著,生態(tài)風(fēng)險集聚特征以“高-高”聚集和“低-低”聚集為主.“低-低”聚集區(qū)域以林地、草地為主,景觀類型單一;“高-高”聚集區(qū)域景觀類型繁多混雜,景觀多樣性、分離度和破碎度較高.

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Spatial and temporal evolution of ecological risk in FAST Radio Quiet Zone based on landscape pattern.

XIN Liang1, SU Wei-ci1,2*

(1.College of Geography and Tourism, Chongqing Normal University, Chongqing 401331, China；2.Institute of Mountain Resources of Guizhou Province, Guiyang 550001, China).2023,43(10)：5475～5487

Based on the land use data in 2000, 2010 and 2020, the evaluation model was constructed by using the landscape disturbance index and landscape vulnerability index to analyze the change characteristics of landscape pattern and ecological risk in the region in the past two decades, so as to reveal the impacts of the completion of the FAST project on the ecological environment of different circles in this region. The purpose was to provide some reference for the future ecological protection and risk prevention in this region. The results showed that: woodland, grassland and cultivated land were the dominant landscape types in FAST Radio Quiet Zone. From 2000 to 2010, the landscape changes were mainly from grassland and cultivated land to woodland, and human activities were relatively weak. From 2010 to 2020, the construction land increased rapidly, the comprehensive dynamic attitudes of the three circles increased, and the landscape pattern changed gradually active but still at a low controllable level. The study area was mainly composed of low ecological risk area, lower ecological risk area and medium ecological risk area. The ecological risk was low in both the core area and the middle area but had an increasing trend under the influence of the FAST project, while the risk change in the remote area showed a spindle shape of "decreasing at the poles and increasing in the middle". The ecological risk in the study area showed a spatial positive correlation and the correlation became more and more significant. The distribution characteristics were mainly "high-high" aggregation and "low-low" aggregation.

FAST Radio Quiet Zone；landscape pattern change；ecological risk assessment；spatial autocorrelation；circle difference

X826

A

1000-6923(2023)10-5475-13

2023-03-06

國家自然科學(xué)基金資助項目(42161052)

* 責(zé)任作者, 研究員, suweici@sina.com

辛 亮(1998-),男,四川南充人,重慶師范大學(xué)碩士研究生,主要從事喀斯特地區(qū)生態(tài)環(huán)境變化與區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面研究. 1843743696@qq.com.

辛 亮,蘇維詞.基于景觀格局的FAST寧靜區(qū)生態(tài)風(fēng)險時空演變分析 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2023,43(10):5475-5487.

Xin L, Su W C.Spatial and temporal evolution of ecological risk in FAST Radio Quiet Zone based on landscape pattern [J]. China Environmental Science, 2023,43(10):5475-5487.