孫詠琦 李約翰 李強軍 陳永志 劉士鑫 李言龍 李建華
摘要:以玉溪市“三湖”流域為研究對象,對研究區(qū)內(nèi)生態(tài)風險狀況進行研究,揭示其 20 年生態(tài)風險演化特征。對2000-2020年的土地利用數(shù)據(jù)進行等間距采樣,基于景觀格局指數(shù)建立生態(tài)風險模型并利用空間自相關(guān)分析、地統(tǒng)計學分析、重心轉(zhuǎn)移等方法對研究區(qū)內(nèi)景觀格局變化特征以及生態(tài)風險演變進行探究。結(jié)果表明:(1)社會發(fā)展及人類活動導致建筑用地的分離度等在研究期內(nèi)呈線性減少趨勢,而草地的破碎度在20年里呈上升趨勢,由2000年的0.55增長到2020年的0.93;(2)生態(tài)風險格局在空間上呈現(xiàn)顯著正相關(guān),Moran's I指數(shù)由2000年的0.522下降至2022年的0.513,表明研究區(qū)內(nèi)景觀生態(tài)風險值在空間分布上的依賴性減弱,空間趨同性逐漸降低;(3)研究區(qū)內(nèi)多年間生態(tài)風險呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢且生態(tài)風險格局重心整體向西南偏移,高風險區(qū)主要分布在研究區(qū)北部的林草地帶以及湖泊周圍,20年面積增加了6 212.07 hm2。研究結(jié)果可為流域內(nèi)水資源開發(fā)、生態(tài)安全保護等決策提供支持。
關(guān)鍵詞:生態(tài)風險;景觀格局指數(shù);標準差橢圓;空間自相關(guān);地統(tǒng)計學;玉溪市
中圖分類號:P901;X144? ? ? ? 文獻標志碼:A? ? ? ? 文章編號:1674-3075(2024)02-0054-09
生態(tài)風險評價是評估區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)受外界脅迫可能產(chǎn)生負面效應的方法,主要對生態(tài)系統(tǒng)在人為因素干擾下可能造成的不良后果進行評估(何莎莎等,2019)。當前一系列的生態(tài)風險和突發(fā)事件對種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)及景觀水平等層次的受體產(chǎn)生影響,破壞當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境,危害人民健康和財產(chǎn)。因此有效評估生態(tài)風險,依據(jù)科學方法提前采取整治措施,對環(huán)境管理和區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護具有重要意義(曾建軍等,2017)。生態(tài)風險研究經(jīng)歷了從環(huán)境風險(呂建樹等,2012)到景觀風險(劉焱序等,2015)的評價歷程,風險源由單一風險源轉(zhuǎn)變?yōu)槎喾N風險源(Landis,2003),評價單元由完整的行政區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榱饔?、風險小區(qū)以及風險柵格(Wallack & Hope,2002),評價對象主要為土壤(Chen et al, 2018)、陸地以及水域等(Corsi et al, 2020)。
景觀生態(tài)風險評價源于區(qū)域生態(tài)風險評價,它更注重區(qū)域時空異質(zhì)性及尺度效應,關(guān)注風險的時空分異特征以及特定空間格局對生態(tài)功能、過程的風險表達,而非傳統(tǒng)區(qū)域生態(tài)風險評價所側(cè)重的對于生態(tài)環(huán)境整體風險的定量評估(彭建等,2015)。因此,景觀生態(tài)風險評價逐漸受到許多學者的關(guān)注,評價方法也日漸完善(田義超等,2021)。由于物質(zhì)和能量在空間上的聚散和遷移會產(chǎn)生重心,其運動方向、速度和強度是空間變化的指標,因此重心遷移模型可用于描述景觀生態(tài)風險的時空演變(彭文君和舒英格,2018)。
玉溪“三湖”指玉溪市境內(nèi)的撫仙湖、星云湖和杞麓湖。其獨特的高原湖泊群、充沛水量和良好的開發(fā)利用條件,成為玉溪發(fā)展的重要基礎(chǔ)(吳獻花等,2009)。然而,針對于云南高原湖泊,尤其是玉溪高原湖泊流域的生態(tài)風險研究相對較匱乏。本文以玉溪市“三湖”流域為研究對象,研究其生態(tài)風險狀況,揭示近 20 年生態(tài)風險演化特征,為流域水資源開發(fā)、生態(tài)安全保護等決策提供支持。
1? ?材料與方法
1.1? ?研究區(qū)概況
“三湖”流域位于玉溪市東部的滇中經(jīng)濟區(qū),包括撫仙湖、星云湖和杞麓湖(圖1),總面積約150 491.07 hm2。其中撫仙湖屬于南盤江流域西江水系,是中國最大的深水型淡水湖泊;星云湖是江川區(qū)的高原陷落性淺水湖,平均水深7 m,屬珠江流域南盤江水系的源頭湖泊;杞麓湖是通??h境內(nèi)的天然封閉型高原湖泊,平均水深4 m,屬珠江流域西江水系。
1.2? ?數(shù)據(jù)來源
土地利用數(shù)據(jù)采用武漢大學生產(chǎn)的中國土地利用覆被數(shù)據(jù)集(Yang & Huang, 2021),該數(shù)據(jù)總體精度高于GlobaLand 30等數(shù)據(jù)產(chǎn)品。研究區(qū)分為耕地、林地、灌木林地、草地、水體、建筑用地共6種景觀類型。流域邊界采用SWAT模型進行流域劃分,最終提取出合理的流域范圍。
1.3? ?研究方法
1.3.1? ?風險小區(qū)劃分? ?為了探究生態(tài)風險的空間特征,將研究區(qū)劃分若干網(wǎng)格,計算每個網(wǎng)格的景觀格局指數(shù)以及生態(tài)風險指數(shù)。參考國家格網(wǎng)GIS的相關(guān)標準《地理格網(wǎng)》 (GB/T 12409-2009)和部分學者的研究,格網(wǎng)宜采用平均斑塊面積的 2~5 倍(陳心怡等,2021),在景觀生態(tài)學理論和不同土地利用類型面積的基礎(chǔ)上,對2000-2020年的土地利用數(shù)據(jù)進行等間距采樣,經(jīng)對比發(fā)現(xiàn),1 km是該地區(qū)進行生態(tài)風險研究的最優(yōu)尺度,故采用等間距系統(tǒng)采樣法將研究區(qū)劃分為1 km×1 km共1 689個風險小區(qū)。
1.3.2? ?景觀格局指數(shù)? ?景觀指數(shù)能夠濃縮景觀格局信息,揭示景觀結(jié)構(gòu)組成,反映人為擾動對景觀的影響(岳啟發(fā)等,2021)。景觀干擾是景觀生態(tài)學中的重要概念,干擾源不同對生態(tài)產(chǎn)生的影響也不盡相同,本文選取與干擾密切相關(guān)的景觀破碎度、景觀分離度和景觀優(yōu)勢度來構(gòu)建景觀干擾指數(shù)(陳丁楷和石龍宇,2021)。
式中:a、b、c分別對應其權(quán)重;Ci為景觀破碎度指數(shù);Ni為景觀分離度指數(shù);Di為景觀優(yōu)勢度指數(shù)。
1.3.3? ?生態(tài)風險指數(shù)構(gòu)建? ?依據(jù)景觀格局指數(shù)來構(gòu)建景觀生態(tài)風險指數(shù),計算公式如下:
式中:ERIn為第n個風險小區(qū)生態(tài)風險指數(shù),Amn為第m個風險小區(qū)第n類景觀的面積,Am為第m個風險小區(qū)的面積,Rn為第n類景觀的生態(tài)損失度指數(shù)。
1.3.4? ?生態(tài)風險空間分析? ?按以下步驟進行地統(tǒng)計學分析、空間自相關(guān)分析和空間變化方向分析。
(1)地統(tǒng)計學分析? ?流域生態(tài)風險指數(shù)是一種空間變量,其空間異質(zhì)性可利用地統(tǒng)計學方法分析(黃木易和何翔,2016)。地統(tǒng)計學中半方差函數(shù)可用于區(qū)域生態(tài)風險的空間分析,該方法可以關(guān)聯(lián)各單元之間的空間獨立量,是挖掘地理信息空間分布規(guī)律的重要方法(Van de Beek et al,2011)。計算公式如下:
式中:γ(h)代表變異函數(shù),h為配對抽樣的空間間隔距離,N(h)為間隔距離為h時的樣點對數(shù), Z(xi) 和 Z(xi + h) 分別為景觀生態(tài)風險指數(shù)在對應空間位置上的觀測值。
(2)空間自相關(guān)? ?空間自相關(guān)分為全局空間自相關(guān)和局部空間自相關(guān)。全局空間自相關(guān)一般用Moran's I系數(shù)表示,是對研究區(qū)域內(nèi)生態(tài)風險空間相互關(guān)系的總體描述,取值范圍為[-1,1]。
式中:I為全局空間自相關(guān)數(shù)值,n為空間單元數(shù),Wij為研究區(qū)i和j的空間權(quán)重矩陣,Zi和Zj為研究區(qū)i、j的空間屬性值。解讀空間相關(guān)性時結(jié)合置信度(P)和標準差(Z)來驗證結(jié)果的有效性(王玲,2018)。
(3)空間變化方向分析 生態(tài)風險的空間變化方向采用標準差橢圓以及其重心變化進行探究。標準差橢圓空間統(tǒng)計方法可多角度衡量地理要素空間分布全局特征,包括集中﹑離散趨勢及方向分布,同時可定量解釋其中心性、方向性和擴展方向偏差等信息(左岍等,2022)。
2? ?結(jié)果與分析
2.1? ?景觀格局指數(shù)分析
利用Fragstate軟件得出2000-2020年間研究區(qū)內(nèi)各類景觀格局面積以及景觀指數(shù)(表1)。研究區(qū)內(nèi)耕地面積占比最大,由于玉溪市2003年開始實施退耕還林,在20年間耕地面積呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢,相應的林地面積逐年增加,由2000年的40 304.79 hm2增長到2020年的48 016.53 hm2。
分析各年間不同景觀類型破碎度指數(shù),可知灌木林地破碎度最高,水體基本最低。玉溪市經(jīng)濟社會發(fā)展,使建筑用地面積逐年增長,已由2000年1 761.39 hm2上升至2020年4 059.81 hm2,增長面積約2 298.42 hm2,其斑塊面積和數(shù)量上升,且斑塊面積的增長速度快于斑塊數(shù),導致其破碎度(Ci)、分離度(Ni)和損失度(Ri)在研究期內(nèi)呈線性減少趨勢,表明建設(shè)用地各斑塊集聚程度增強,內(nèi)部結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定﹐景觀由分散向集中連片式發(fā)展;“三湖”流域草地面積逐年降低,20年間減少面積達到5 646.87 hm2,草地的破碎度和分離度上升,破碎度從2000年的0.55增長到2020年的0.93。干擾度和損失度也略有上升。所有景觀類型中,干擾度指數(shù)從大到小排序為:灌木林地>建筑用地>草地>耕地>林地>水體,損失度指數(shù)由大到小排列為:灌木林地>草地>建筑用地>耕地>水體>林地。
2.2? ?景觀生態(tài)風險時空變化分析
2.2.1? ?生態(tài)風險空間分異? ?為進一步分析“三湖”流域生態(tài)風險的空間分異特征,運用GS+ 9.0軟件擬合ERI半變異函數(shù),結(jié)果如表2。所有年份的最佳擬合模型均為指數(shù)模型,擬合效果好,結(jié)果精確,決定系數(shù)R2均大于0.88。塊基比能夠反映空間自相關(guān)程度,塊基比值<0.25表示變量具有顯著的空間自相關(guān),0.25~0.75表示變量具有中等自相關(guān),>0.75表示變量自相關(guān)程度不強(陳毛華等,2017)。根據(jù)表2可知,研究區(qū)內(nèi)所有年份的塊基比均小于0.25,證明ERI具有顯著的空間自相關(guān)。基臺值能反應變量的波動幅度(趙越等,2019),2000-2020年間研究區(qū)基臺值基本穩(wěn)定。變程能揭示流域內(nèi)生態(tài)風險指數(shù)采樣點的最大空間自相關(guān)距離(葉長盛和馮艷芬,2013),研究區(qū)內(nèi)變程均大于7 500.00,說明生態(tài)風險在這些年份具有空間相關(guān)性。
根據(jù)半變異函數(shù)模型擬合結(jié)果和劃定的風險小區(qū)的生態(tài)風險指數(shù),進行克里金插值和歸一化處理,結(jié)合自然斷點法將生態(tài)風險劃分5個等級,分別為低風險區(qū)(Ⅰ,0.15≤ERI),中低風險區(qū)(Ⅱ,0.15 土地利用變化對生態(tài)風險大影響較大(張月等,2016)。根據(jù)表3可知,草地主要處于中高風險區(qū)且面積在逐漸減少,由2000年的7 555.86 hm2降至2020年的5 320.44 hm2;人類活動導致耕地普遍處于中風險區(qū)和中高風險區(qū),2000-2012年,中高風險區(qū)域的面積逐漸增加,12年間增加了15 647.31 hm2,此后逐漸減少并向中風險和中低風險區(qū)轉(zhuǎn)移;耕地、林地以及草地景觀類型易受到外界影響,不合理的空間配置導致生態(tài)風險較高。 2.2.2? ?全局空間自相關(guān)? ?全局空間自相關(guān)Moran's I指數(shù)可以反映區(qū)域空間內(nèi)相似屬性的平均集聚程度(宋瑜等,2015)。根據(jù)圖3可知2000-2020年間各期Moran's I指數(shù)均大于0.5,且通過P=0. 01水平的顯著性檢驗,說明生態(tài)風險在空間上呈顯著正相關(guān)。2000-2012年Moran's I指數(shù)從0.522逐漸上升到0.536,2012-2020年逐漸下降到0.513,表明景觀生態(tài)風險值在空間分布上的依賴性減弱,空間趨同性降低,人類活動影響生態(tài)風險指數(shù)的空間格局,導致其由聚集向均勻過渡(李琛等,2022)。各期散點主要分布在“高-高”聚集和“低-低”聚集象限中,但在第一象限散點差距較大,表示高風險區(qū)域內(nèi)生態(tài)風險值差異較大,第三象限散點相對聚集,表明低風險區(qū)域內(nèi)生態(tài)風險值差異較小,低風險區(qū)域被其他區(qū)域所包圍。 2.2.3? ?局部空間自相關(guān)? ?為進一步探討生態(tài)風險在空間上的關(guān)聯(lián)度和集聚特征,利用GeoDa軟件計算局部空間自相關(guān)莫蘭指數(shù),即以顯著水平P=0.05計算得到2000-2020年玉溪市“三湖”流域各期的LISA集聚圖(圖4)。根據(jù)結(jié)果可知研究區(qū)內(nèi)“高-高”聚集基本穩(wěn)定,主要分布在研究區(qū)北部和湖泊附近的高生態(tài)風險區(qū)域,該部分主要為林草分布區(qū)域,景觀脆弱,內(nèi)部穩(wěn)定性較差,景觀損失度較大?!暗?低”聚集的區(qū)域分布在生態(tài)風險較低的水域部分,該區(qū)域受人類干擾較小,景觀整合度較高,損失度較低。 2.3? ?生態(tài)風險空間變化方向特征分析 標準差橢圓(Standard deviational ellipse,SDE)能夠準確反映出研究對象的空間分布多面性,揭示地理要素特征(譚淼,2020)。本文選擇6個時間節(jié)點來探究生態(tài)風險標準差橢圓分布,以了解研究區(qū)生態(tài)風險重心變化、空間形態(tài)和延展性。由表4可知,研究區(qū)內(nèi)標準差橢圓面積呈“W”型變化,2012年橢圓面積最大,為115 152.8969 hm2,此后波動下降;x軸呈先增后減、再增再降的鋸齒形變化,且在 2016年達到最低值10.7078? km;y軸同樣也呈鋸齒形變化,2012年達到最高值33.0617 km;橢圓的方位角始終穩(wěn)定在20°~25°,即東北-西南方向,最低值與最高值跨度約5°,偏轉(zhuǎn)幅度較小。 以10年為跨度區(qū)間,選取2000、2010、2020年標準差橢圓及其重心位置進行空間分布上的分析,根據(jù)圖5可知各個時期的生態(tài)風險重心均在江城鎮(zhèn)內(nèi)發(fā)生偏移,2000-2010年間重心向東北偏移,經(jīng)度由東經(jīng)102°49′57.177″變?yōu)闁|經(jīng)102°50′8.248″,緯度由北緯24°25′54.136″變?yōu)楸本?4°26′27.544″,2010-2020年間生態(tài)風險重心向西南移動,各研究期的重心分別落在中風險區(qū)、中高風險區(qū)、中高風險區(qū),由此可見,流域重心的轉(zhuǎn)移在一定程度反映了中高風險的變化趨勢。 3? ?討論 “三湖”流域作為玉溪市社會、經(jīng)濟、文化發(fā)展的重要基礎(chǔ),在當前生態(tài)文明建設(shè)的前提下,探究其生態(tài)風險很有必要。由于人類活動干擾,研究區(qū)內(nèi)各景觀斑塊交錯分布,林地、灌木林地分離度較高﹑破碎化嚴重,不同景觀之間的相互作用受阻,20年間景觀生態(tài)風險指數(shù)呈小幅度增長,生態(tài)建設(shè)和保護有待加強。中高風險和高風險區(qū)域應注重林地、草地的保護,防止生態(tài)環(huán)境惡化,繼續(xù)實施天然林保護、退耕還林還草,開展水土流失與石漠化的綜合治理,恢復受損區(qū)域景觀覆被完整性;中風險、中低風險以及低風險區(qū)域則應加強林草地與各類景觀的有機聯(lián)系,建設(shè)生態(tài)環(huán)境,嚴控開發(fā)強度,發(fā)展特色生態(tài)農(nóng)業(yè),降低生態(tài)風險,統(tǒng)籌推進“三湖”流域“山水林田湖草”系統(tǒng)治理。 從標準差橢圓及生態(tài)風險重心的轉(zhuǎn)變來看,“三湖”流域生態(tài)風險呈東向西擴展,研究區(qū)內(nèi)主要走向仍為東北-西南,這主要是因為湖泊的地理位置和周圍城鎮(zhèn)沿湖分布。研究區(qū)應加快推進退田、退塘、還湖、還水、還濕地及生態(tài)濕地建設(shè)﹐流域內(nèi)湖周邊地區(qū)應合理規(guī)劃綠化,完善污水處理系統(tǒng)(鐘欣呈和許泉立,2021), 本文以景觀格局指數(shù)為指標,研究流域生態(tài)風險,為玉溪市“三湖”流域資源開發(fā)和社會經(jīng)濟活動提供預警。但研究仍有一定的局限性,未來將結(jié)合經(jīng)濟等政策,探討最優(yōu)尺度下的景觀生態(tài)風險,強化對區(qū)域生態(tài)風險的解釋。 參考文獻 陳丁楷,石龍宇,2021.基于土地利用變化的雄安新區(qū)景觀生態(tài)風險評價與預測[J].生態(tài)經(jīng)濟, 37(11):224-229. 陳毛華,高鵬,劉明廣,等,2017.基于 GS+ 的阜陽市城郊菜地重金屬空間分布研究[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,(8): 148-152. 陳心怡,謝跟蹤,張金萍,2021.海口市海岸帶近30年土地利用變化的景觀生態(tài)風險評價[J].生態(tài)學報,41(3):975-986. 何莎莎,李欣,何春龍,等,2019.基于土地利用變化的揚州市廣陵區(qū)景觀生態(tài)風險評價[J]. 南京師大學報 (自然科學版),42(1): 139-148. 黃木易,何翔,2016.近 20 年來巢湖流域景觀生態(tài)風險評估與時空演化機制[J].湖泊科學,28(4): 785-793. 李琛,高彬嬪,吳映梅,等,2022.基于PLUS模型的山區(qū)城鎮(zhèn)景觀生態(tài)風險動態(tài)模擬[J].浙江農(nóng)林大學學報,39(1): 84-94. 劉焱序,王仰麟,彭建,等,2015.基于生態(tài)適應性循環(huán)三維框架的城市景觀生態(tài)風險評價[J].地理學報,70(7):1052-1067. 呂建樹,張祖陸,劉洋,等,2012.日照市土壤重金屬來源解析及環(huán)境風險評價[J].地理學報,67(7):971-984. 彭建,黨威雄,劉焱序,等,2015.景觀生態(tài)風險評價研究進展與展望[J].地理學報,70(4):664-677. 彭文君,舒英格,2018.喀斯特山區(qū)縣域耕地景觀生態(tài)安全及演變過程[J].生態(tài)學報,38(3):852-865. 宋瑜,劉婷,唐堯,等,2015.快速城市化進程中我國城市空間形態(tài)演化特征分析[J].生態(tài)科學, 34(3):122-126. 譚淼,2020.基于多源遙感數(shù)據(jù)三峽庫區(qū)重慶段建成區(qū)擴張及其植被NPP影響研究[D].重慶:重慶工商大學:47. 田義超,黃鵠,張強,等,2021.基于蜂巢格網(wǎng)的北部灣典型海島景觀生態(tài)風險空間異質(zhì)性研究[J].海洋環(huán)境科學,40(4):527-534,541. 王玲,2018.基于土地利用變化的上海市生態(tài)風險評價[J].農(nóng)業(yè)科學研究,39(1): 10-16. 吳獻花,胡小貞,李平,等,2009.玉溪“三湖”污染狀況和控制策略[J].玉溪師范學院學報,25(12):1-5. 葉長盛,馮艷芬,2013.基于土地利用變化的珠江三角洲生態(tài)風險評價[J].農(nóng)業(yè)工程學報,29(19):224-232. 岳啟發(fā),趙筱青,李思楠,等,2021. “一帶一路”背景下博多河流域景觀格局變化及生態(tài)風險評價研究[J].世界地理研究,30(4):839-850. 曾建軍,鄒明亮,郭建軍,等,2017.生態(tài)風險評價研究進展綜述[J].環(huán)境監(jiān)測管理與技術(shù),29(1):1-5,10. 張月,張飛,王娟,等,2016.基于LUCC的艾比湖區(qū)域生態(tài)風險評價及預測研究[J].中國環(huán)境科學,36(11):3465-3474. 趙越,羅志軍,李雅婷,等,2019.贛江上游流域景觀生態(tài)風險的時空分異——從生產(chǎn)-生活-生態(tài)空間的視角[J].生態(tài)學報,39(13): 4676-4686. 鐘欣呈,許泉立,2021.基于RSEI模型的玉溪市生態(tài)環(huán)境變化監(jiān)測與評價[J].水土保持研究, 28(4):350-357. 左岍,周勇,李晴,等,2022.鄂西南地區(qū)土地利用格局時空變化及軌跡特征分析[J].水土保持學報,36(1):161-169. Chen Y, Jiang X, Wang Y, et al, 2018. Spatial characteristics of heavy metal pollution and the potential ecological risk of a typical mining area: A case study in China[J]. Process Safety and Environmental Protection, 113: 204-219. Corsi I, Bergami E, Grassi G, 2020. Behavior and bio-interactions of anthropogenic particles in marine environment? for a more realistic ecological risk assessment[J]. Frontiers in Environmental Science, 8: 60. Landis W G, 2003. Twenty years before and hence; ecological risk assessment at multiple scales with multiple stressors and multiple endpoints[J]. 1317-1326. Van de Beek C Z, Leijnse H, Torfs P, et al, 2011. Climatology of daily rainfall semi-variance in The Netherlands[J]. Hydrology and Earth System Sciences, 15(1): 171-183. Wallack R N, Hope B K, 2002. Quantitative consideration of ecosystem characteristics in an ecological risk assessment: A case study[J]. Human and Ecological Risk Assessment, 8(7): 1805-1814. Yang J, Huang X, 2021. The 30 m annual land cover dataset and its dynamics in China from 1990 to 2019[J]. Earth System Science Data, 13(8): 3907-3925. (責任編輯? ?鄭金秀) 收稿日期:2022-02-09? ? ? 修回日期:2024-02-29 基金項目:云南省教育廳科學研究基金(2022Y288)。 作者簡介:孫詠琦,1998年生,女,在讀碩士研究生,研究方向為資源與環(huán)境遙感。E-mail:1615572056@qq.com 通信作者:李建華,1980年生,男,博士,副教授,研究方向為土地整治與環(huán)境遙感。E-mail:wenniforever@126.com