重慶市景觀格局脆弱性及其驅(qū)動因素研究

何清清，李月臣，何 君，朱康文

（1.重慶師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院；2.GIS應(yīng)用研究重慶市高校重點實驗室；3.三峽生態(tài)環(huán)境遙感研究所，重慶 401331； 4.重慶市環(huán)境科學(xué)研究院，重慶 401147；5.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400716）

景觀格局是在自然、生物及人類活動等因素的綜合作用下，各景觀要素在空間上形成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，是景觀異質(zhì)性在空間上的綜合體現(xiàn)，反映了區(qū)域資源和環(huán)境的分布形式，其變化對生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動有著顯著影響[1-2]。脆弱性是系統(tǒng)由于外界環(huán)境的擾動及缺乏適應(yīng)能力而導(dǎo)致系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能易受到損害的一種狀態(tài)，是系統(tǒng)內(nèi)部固有的一種屬性，是衡量風(fēng)險的性能指標(biāo)，是可持續(xù)性發(fā)展問題的核心內(nèi)容之一[3-4]。景觀格局脆弱性反映了景觀生態(tài)系統(tǒng)在外界因素作用下所受到的干擾及脆弱程度，是表征區(qū)域生態(tài)安全的重要指標(biāo)之一[5]。

目前，關(guān)于景觀格局的脆弱性研究相對較少，其中大部分集中在盆地、流域及礦區(qū)等區(qū)域，鮮有關(guān)于山地城市景觀脆弱性的研究[6-8]。相關(guān)研究也主要針對區(qū)域景觀格局時空演變的分析，景觀格局變化對生態(tài)安全、生態(tài)風(fēng)險、生態(tài)服務(wù)功能價值的響應(yīng)及對棲息地質(zhì)量的影響，景觀生態(tài)系統(tǒng)對全球氣候變化的反應(yīng)[9-15]。重慶市作為西部大開發(fā)重要的戰(zhàn)略支點、“一帶一路”和長江經(jīng)濟(jì)帶重要聯(lián)結(jié)點，擁有長江流域重要生態(tài)屏障區(qū)——三峽庫區(qū)，其景觀格局及脆弱度變化與區(qū)域生態(tài)安全及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)密切相關(guān)。本研究參考已有的景觀脆弱性評價方法，以研究區(qū)實際情況構(gòu)建重慶市景觀脆弱性評價體系，分析了區(qū)域景觀脆弱性空間分布特征，為維持區(qū)域景觀生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供參考[16]。

1 研究區(qū)概況

如圖1所示，重慶市（105°11′～110°11′E、28°10′～32°13′N）地處四川盆地東南緣，長江上游和三峽庫區(qū)腹心地帶，以山地、丘陵地貌為主，山區(qū)占比超過70%。地勢中西部低，東南東北部高，呈現(xiàn)由長江河谷地帶向南北向逐級抬升趨勢。中西部地區(qū)地勢平坦，土地利用格局以耕地為主，而東南部、東北部的地勢較高，以林地為主。屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，年均溫18℃左右，雨量豐沛。

在地形及氣候的雙重作用下，重慶市多云霧，太陽輻射、日照時間不足，旱、澇、雹、高溫、冷害等氣候災(zāi)害頻繁。夏季，暴雨易造成地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，如崩塌、滑坡、泥石流等。人為及自然因素破壞了研究區(qū)生態(tài)環(huán)境，在環(huán)境演變過程中，景觀類型變化與之具有強烈的響應(yīng)。重慶市作為長江上游重要的生態(tài)屏障區(qū)，人為及自然因素制約下形成的脆弱性問題，已嚴(yán)重影響區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

本研究選取來源于重慶市國土部門2015年的土地利用類型數(shù)據(jù)，包括耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地及未利用地6類。為更加準(zhǔn)確、直觀地分析重慶市2015年景觀脆弱性，考慮研究區(qū)范圍和工作量大小，應(yīng)用網(wǎng)格分析法將研究區(qū)分為20 km×20 km共計274個網(wǎng)格，計算每個網(wǎng)格的景觀脆弱性大小，并以此值作為網(wǎng)格中心點的屬性值，最后利用插值法得到重慶市景觀格局脆弱性分布圖。

2.2 景觀格局脆弱度指數(shù)

景觀格局是景觀異質(zhì)性在空間上的具體體現(xiàn)，受到外界風(fēng)險脅迫因素影響時，會表現(xiàn)出不同程度的敏感性和適應(yīng)性。本研究以景觀格局特征為基礎(chǔ)，結(jié)合相關(guān)研究成果選取景觀敏感度（LSI）和景觀適應(yīng)度（LAI）共10個指標(biāo)（見表1）來構(gòu)建重慶市景觀格局脆弱性指數(shù)（LVI）。

表1 景觀脆弱度指標(biāo)

2.2.1 景觀敏感度

景觀敏感度取決于干擾因子強弱及景觀變化趨勢，是景觀干擾度和景觀類型易損性的綜合。

（1）景觀干擾度（Ui）。景觀干擾度是景觀所受到的外界干擾程度，依據(jù)相關(guān)研究成果，在本研究中，選取景觀破碎度（Ci）、分離度（Si）和優(yōu)勢度（D）三個指標(biāo)共同構(gòu)建景觀干擾度指數(shù)（Ui），相關(guān)公式如下：

式中，a、b、c為相應(yīng)景觀指數(shù)權(quán)重，且a+b+c=1； Ai為i類景觀板塊面積；A為景觀總面積；n為景觀類型；Ni為景觀的斑塊數(shù)量；N為斑塊總數(shù)；mi為i類景觀樣方數(shù)；M為總樣方數(shù)。依據(jù)相關(guān)研究，結(jié)合重慶市實際情況將景觀破碎化指數(shù)（Ci）、分離度指數(shù)（Si）和優(yōu)勢度指數(shù)（Di）權(quán)重分別賦為0.5、0.3、0.2。

（2）景觀易損度（Vi）。景觀易損度反映了不同景觀類型對干擾的抵抗程度，據(jù)已有研究成果和重慶市實際情況，未利用地和草地易于改變、耕地次之、林地在相關(guān)政策支持下易受保護(hù)、水域及建設(shè)用地不易改變，將耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地景觀易損度（Vi）分別賦值為3、5、5、1、1、7，并將其進(jìn)行歸一化處理。

2.2.2 景觀適應(yīng)度

適應(yīng)度指數(shù)與景觀系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能有關(guān)，景觀類型越豐富，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，格局越均勻，抗干擾能力及恢復(fù)力越強。在本研究中，選擇斑塊豐都密度指數(shù)（PRD）、香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）、香濃均勻性指數(shù)（SHEI）來構(gòu)建景觀適應(yīng)度指數(shù)（LAI）：

表2 景觀類型人為干擾度賦值

2.3 空間異質(zhì)性分析

空間自相關(guān)可分析空間單元異質(zhì)性。其中，全局空間自相關(guān)（Moran’sⅠ）指數(shù)反映了相鄰空間單元屬性值間的相關(guān)程度，其絕對值越接近于1，研究單元的空間相關(guān)程度越大[17]。本研究利用Geoda軟件選擇Moran’sⅠ指數(shù)來揭示景觀空間結(jié)構(gòu)對脆弱性的影響程度，進(jìn)一步分析重慶市景觀脆弱性的空間相關(guān)性。

2.4 人為干擾度指數(shù)

地表景觀格局變化是人類活動影響最直接的體現(xiàn)，隨著經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展，人類活動對生態(tài)系統(tǒng)干擾程度日益增強，不同的土地利用方式所產(chǎn)生的人為干擾具有區(qū)域性和累積性特征，可直接反映在生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成上。

本研究結(jié)合前人研究成果及重慶市景觀類型分布、面積及對生態(tài)系統(tǒng)影響程度，對研究區(qū)6種景觀類型進(jìn)行相應(yīng)的人為干擾度賦值，依據(jù)公式計算每個格網(wǎng)的人為干擾指數(shù)[18]。

式中，HDI為人為干擾指數(shù)；N為景觀類型數(shù)；Pi為i種景觀類型面積與該格網(wǎng)面積的比值；Hi為第i種景觀類型的人為干擾度。

2.5 灰色關(guān)聯(lián)度

灰色關(guān)聯(lián)度源于灰色關(guān)聯(lián)系統(tǒng)，可度量兩個系統(tǒng)或兩個因素間的關(guān)聯(lián)性大小，兩者發(fā)展趨勢越相近，關(guān)聯(lián)系數(shù)越大，兩者的影響程度越大。根據(jù)Deng等提出的計算公式，基本步驟如下[19]：

首先，確定參考序列和比較序列：表示系統(tǒng)行為的序列數(shù)據(jù)為參考序列，記為x0（t）={x0（1），x0（2），…，x0（m）}，t=1，2，… m；反映影響系統(tǒng)行為的序列數(shù)據(jù)為比較序列，記為xi（t）={xi（1），xi（2），…， xi（m）}，i=1，2，… n。

其次，由于每個序列數(shù)據(jù)的量綱不同，不便于直接比較，因此需對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

再次，求取關(guān)聯(lián)系數(shù)：

式中，maximaxt|x0(t)-xi(t)|、minimint|x0(t)-xi(t)|分別表示兩極最大差和兩極最小差；ρ為分辨系數(shù)，一般取0.5。

最后，計算關(guān)聯(lián)度：

表3 灰色關(guān)聯(lián)度

3 結(jié)果與分析

3.1 景觀類型空間分布

從圖2和表4可以看出，重慶市各景觀類型空間分布相對集中，以耕地和林地為主。耕地主要分布于地勢較平坦的環(huán)主城地區(qū)以及墊江、梁平等渝東北區(qū)縣，占全市面積的42.09%；林地面積占全域面積近50%，主要分布在山高坡陡、人類活動較少的渝東北、渝東南地區(qū)；建設(shè)用地主要集中于主城及環(huán)主城區(qū)，其他用地類型分布較為分散且占比較少。

3.2 景觀格局脆弱性分布特征

基于插值法得到的重慶市2015年景觀脆弱性空間分布，采用自然斷點法其進(jìn)行等級劃分以便分析景觀脆弱性空間特征，分為5個脆弱區(qū)，即低、較低、中、較高及高脆弱區(qū)，如圖3所示。

對研究區(qū)274個評價單元景觀格局脆弱性指數(shù)各等級所占面積統(tǒng)計（見表5）可知，低脆弱區(qū)占主導(dǎo)地位，超過全域面積的50%，其次是較低脆弱區(qū)，約占全域面積的34%，中度及以上脆弱區(qū)約占16%。從空間分布看，低脆弱區(qū)主要分布于三峽庫區(qū)沿岸部分區(qū)縣及渝東南地區(qū)，這些地區(qū)主要是林地和耕地景觀聚集地區(qū)，且建設(shè)用地分布較少；而較高、高脆弱區(qū)主要分布于渝東北北部山區(qū)及主城區(qū)、環(huán)主城部分區(qū)縣，并向外延伸逐漸減輕，這些地區(qū)位于耕地、林地、建設(shè)用地過渡分布地帶，人類活動較活躍。

表4 2015年重慶市土地利用面積

圖2 重慶市2015年景觀類型空間分部

圖3 重慶市2015年景觀脆弱性空間分布

表5 重慶市景觀脆弱性各等級面積

3.3 景觀格局脆弱性全局空間自相關(guān)分析

為更好了解重慶市景觀脆弱度空間分異特征，將重慶市2015年的LVI值在Geoda095i軟件中進(jìn)行空間自相關(guān)分析，得出Moran's I散點圖（見圖4），全局Moran's I值為0.28，表明重慶市景觀格局脆弱性空間分布存在較顯著的、內(nèi)在的正相關(guān)關(guān)系，即脆弱度的空間分布趨于集聚[20]。

圖4 重慶市景觀格局脆弱性Moran散點

3.4 人為干擾空間分布特征

根據(jù)式（9）計算得出每個格網(wǎng)的人為干擾度指數(shù)HDI，利用空間插值法得到重慶市人為干擾空間分布情況，并采用自然斷點法將其分為5個等級，得到重慶市人為干擾空間等級分布（見圖5）。

由圖5可以看出，2015年重慶市人為干擾影響強度呈現(xiàn)由渝西向渝東北、渝東南逐漸減弱空間分布狀態(tài)，以較低影響強度為主導(dǎo)，與圖3對比可知，重慶市景觀格局脆弱性與人為干擾指數(shù)空間集聚程度高度一致。

3.5 景觀格局脆弱性驅(qū)動因素分析

圖5 重慶市人為干擾空間分布

為更好探討景觀格局脆弱性影響因素，本文引入灰色關(guān)聯(lián)度，其值的大小影響各因子對景觀格局脆弱性貢獻(xiàn)作用的顯著程度，值越大，作用效果越強，因此可根據(jù)關(guān)聯(lián)度值的大小對各影響因子按強弱進(jìn)行排序。本文在前人研究及重慶市景觀格局實際情況，選取PRD、SHDI、SHEI以及HDI四個因素，根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度公式，計算每個格網(wǎng)的LVI與PRD、SHDI、SHEI、M的灰色關(guān)聯(lián)度值，最后求取重慶市LVI與四個因子的平均值，如表6所示。

表6 重慶市景觀格局脆弱性LVI與影響因子間的 灰色關(guān)聯(lián)度

通過對LVI與各指標(biāo)因子的關(guān)聯(lián)度（見表6）分析可知，LVI與各影響因子間的灰色關(guān)聯(lián)度值均較大，四個因子關(guān)聯(lián)度R值均在中度及以上（見表3），可知研究區(qū)景觀脆弱區(qū)空間分布與景觀分布情況、人類活動密切相關(guān)[21]。較高及以上脆弱區(qū)主要集中在主城區(qū)、渝西部分區(qū)縣及巫山、巫溪、奉節(jié)等。主城區(qū)、渝西部分區(qū)縣位于重慶市經(jīng)濟(jì)發(fā)展中心地帶，工農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)、人為干擾指數(shù)最高，人類活動空間分布規(guī)律與脆弱度空間聚集度有著較強的相似性，林地耕地分布較多抗外界干擾力較弱，加之人為活動的影響使得脆弱度較高；巫山、巫溪、奉節(jié)位于渝東北山區(qū)，處三峽庫區(qū)腹心地帶，境內(nèi)林地、草地、耕地、建設(shè)用地等交錯分布，景觀較破碎，近年來依托自身生物、旅游資源旅游業(yè)得到快速發(fā)展，人類活動明顯增強，其作用的結(jié)果使得景觀原始自然特性不斷降低，生態(tài)結(jié)構(gòu)被破壞，抗干擾能力減弱，脆弱性較高。中度及以下脆弱區(qū)主要是耕地、林地等景觀類型，基本呈連片分布，景觀破碎度較低，生態(tài)系統(tǒng)發(fā)育完善、穩(wěn)定性強，盡管受到一定程度的人為干擾，但區(qū)域整體抗干擾能力、適應(yīng)能力較強，脆弱性相對較低。

4 結(jié)論

本文基于景觀格局指數(shù)構(gòu)建重慶市景觀格局脆弱性評價模型，結(jié)合空間自相關(guān)Moran’s Ⅰ指數(shù)分析2015年重慶市景觀格局脆弱性的空間分布特征，并利用灰色關(guān)聯(lián)度探討影響其空間分布的因素。一是低度脆弱區(qū)占據(jù)主導(dǎo)地位，占比超過全市面積的50%，景觀脆弱性整體較低。二是Moran's I值為0.28，景觀格局脆弱性空間分布具有相關(guān)性，呈現(xiàn)聚集狀態(tài)。較高及以上脆弱區(qū)主要集聚在人類活動較活躍、各類景觀交錯分布的主城區(qū)、渝西部分區(qū)縣及巫山、奉節(jié)等，低脆弱區(qū)主要分布于各類景觀較連續(xù)分布、人類活動較少的三峽庫區(qū)沿岸部分區(qū)縣及渝東南地區(qū)。三是景觀脆弱性與各影響因子間的灰色關(guān)聯(lián)度值均在中度及以上，景觀脆弱區(qū)空間分布與景觀空間分布狀況、人類活動密切相關(guān)。