基于景觀格局-服務的景觀生態風險評價
——以廣州市為例

劉珍環,張國杰,付鳳杰

1 中山大學地理科學與規劃學院, 廣州 510275 2 廣州市城市規劃勘測設計研究院, 廣州 510060

景觀生態風險評價是近年來為支持景觀生態建設和管理而發展起來的有效工具,景觀變化引起的生態風險愈來愈受到研究者和管理者的重視[1]。城市是景觀變化的熱點地區,高強度的人類活動對生態系統的結構和功能造成極大干擾[2],因此,完善景觀生態風險評價方法可為景觀管理和綜合風險防范提供定量依據[3]。景觀生態風險評價研究關注對特定區域景觀組分、結構、功能和過程所受人類活動或自然災害的影響進行判定或預測,特別關注城市化、土地利用和氣候變化下的景觀生態風險[4- 5]。基于景觀格局與生態過程的互饋作用視角評價景觀生態風險,可以揭示景觀對風險來源的空間影響和應對措施[6- 7]。

生態風險評價研究受地理學研究生態化和生態學研究宏觀化的影響,從生態系統尺度迅速擴展到景觀尺度,評價對象由單一類型生態系統擴展到多種生態系統的空間鑲嵌體[8]。作為生態風險評價的重要分支,景觀生態風險評價方法尚待進一步改進[9],特別是評價尺度變化導致生態風險評價在景觀尺度上比生態系統尺度更難確定脅迫因子,而又比區域尺度更強調空間異質性,因此更關注景觀的綜合風險[10-11]。景觀生態風險評價常用風險源匯法和景觀指數法,兩種方法都遵循概率乘以損失的風險表征范式；景觀風險源匯法關注區域內具有明確脅迫因子的特定生態風險[12],但多因子景觀生態風險疊加的復雜函數關系并不清晰,難以區分不同因子間風險的相互影響；景觀指數法關注景觀鑲嵌體相對于最優格局的偏離程度的生態風險效應[13-15]。景觀生態風險評價強調景觀格局對風險的定量影響,通常將格局納入評價要素,而將損失看作社會經濟過程的結果,忽略了景觀格局與生態過程和生態風險之間的邏輯關系[16],評價實際操作過程中社會經濟脆弱度往往只能通過專家打分等主觀方式開展,難以評估其不確定性。為避免景觀生態風險評價單純運用景觀格局指數計算和堆砌[17],需要引入新的評價體系定量化脆弱度。生態系統服務是連接景觀格局與過程的有效途徑,也是連接人類福祉和社會—自然復合生態系統的橋梁,其脆弱性與景觀功能密切相關[18-20]。生態系統服務的時空異質性最能體現景觀格局與生態過程的最終后果,是定量景觀脆弱度的最佳指示指標,將其納入景觀生態風險評價模型定量化脆弱度,可以進一步對區域進行風險評估[6]。

城市是復雜的社會-自然復合生態系統[21],其景觀生態風險的特點是多來源和多受體的復雜暴露和干擾,自然景觀與人工景觀的相互作用及其帶來的風險在城市高概率地綜合涌現,亟待建立景觀生態風險評價及預警體系[22-24]。廣州市是華南地區的核心城市,在過去幾十年經歷了快速城市化過程,已成為我國典型的大都市地區之一,該區域的生態保護與城市擴張的權衡是難點,洪水、熱浪、水土流失、臺風等自然災害對自然生態系統和居民健康造成較大風險,亟需探尋以景觀為基礎的應對生態風險的適應方案。研究該城市的景觀生態風險及其變化特征,可為城市景觀生態建設及國土空間規劃提供參考依據。

1 研究方法

1.1 數據源

研究采用的數據包括中分辨率遙感影像數據、數字地形數據、土壤粗砂含量、粉砂含量、有機碳含量數據、廣東省氣溫和降水產品等數據集,主要數據來源見表1。采用中分辨率遙感數據,經大氣校正、幾何校正、圖像增強等預處理,采用最大似然監督分類和目視修正相結合的方法,將廣州市分為農地、林地、城建、水體、草地和濕地六類景觀類型。1990—2015年各期的整體精度介于85.33%—93.51%,Kappa系數介于0.81—0.93。

表1 數據源及說明

1.2 景觀生態風險評價模型

研究改進基于景觀指數評價方法的景觀生態風險模型,以景觀格局指數表征景觀干擾度,引入生態系統服務相關指標定量化景觀脆弱度,相關評價模型如下：

(1)

式中,LERk表示風險評價單元k的景觀生態風險,Rk,i為風險評價單元k中景觀類型i的景觀干擾度；Vk為風險評價單元k的景觀脆弱度；i為景觀類型；N為景觀類型數；Ak,i表示風險評價單元k中景觀類型i的面積；Ak表示景觀生態風險評價單元k的總面積。

景觀干擾度指數(Rk,i)反映了景觀格局變化造成的潛在生態損失和風險,研究運用風險制圖方法,將風險小區定為1 km×1 km格網,其計算公式如下：

Hk,i=aCk,i+bNk,i+cDk,i

(2)

(3)

式中,Hk,i為風險評價單元k中景觀類型i的景觀干擾度,Ck,i、Nk,i和Dk,i分別是風險評價單元k中景觀類型i的景觀破碎度、景觀分離度和景觀優勢度,在Fragstats 4.2軟件中運用移動窗完成,a、b和c是各個景觀格局指數的權重,公式內容及意義詳見參考文獻[25-26]。參考他人研究[27-29],結合城市景觀變化的特點,分別賦以景觀破碎度指數、景觀分離度指數和景觀優勢度指數的權重為0.6、0.3和0.1。

景觀脆弱度指數(Vk,i)在以往研究中采用生境脆弱性[30]或專家打分法[31]確定,景觀脆弱度越高,則景觀功能越弱,景觀對于各種干擾就越敏感,抵抗干擾的能力也越弱。采用基于凈初級生產力(Net Primary Production, NPP)的植被碳固定、土壤保持、水源涵養與提供和棲息地提供等生態系統服務評價景觀脆弱度[32],計算公式如下：

VZk=VCk+VSk+VWk+VHk

(4)

(5)

VCk=NPP×(1-VCnpp)

(6)

VSk=NPP×(1-VCnpp)×(1-K)×(1-Fslo)

(7)

VWk=NPP×(1-VCnpp)×Fsic×Fpre×(1-Fslo)

(8)

VHk=NPP×(1-VCnpp)×Fpre×Ftem×D

(9)

式中,VZk為風險評價單元k的生態系統服務值,VCk為風險評價單元k的植被碳固定量；VSk為風險評價單元k的土壤保持能力；VWk為風險評價單元k的水源涵養與提供量；VHk為風險評價單元k的棲息地提供量；NPP：植被凈初級生產力；VCnpp：NPP年內穩定性因子；K：土壤侵蝕因子；Fslo：坡度因子；Fsic：土壤入滲能力因子；Fpre：年均降水量因子；Ftem：年均氣溫因子；D：地表粗糙度因子。NPP計算采用光能利用率模型(CASA模型),其中NDVI數據采用兩種數據產品,2005,2010和2015年采用500 m分辨率的MODIS-NDVI數據；1990,1995和2000年采用Landsat TM計算的NDVI值并重采樣至500 m分辨率。將景觀生態風險值歸一化并制圖,按照自然斷點法[26,33]將風險等級劃分為極低風險區、低風險區、中風險區和高風險區四級。

2 結果分析

2.1 景觀干擾度分布及變化

廣州市景觀格局干擾度空間分布顯示(圖1),廣州市景觀干擾度高值區主要分布在中部、南部和西部,低值區則集中于北部和東北部,表明廣州市景觀格局所受干擾強度南部大于北部、西部大于東部。從時序上看,2000年是景觀干擾度變化的轉折點,1990—2000年,景觀干擾度逐漸增強,中干擾度和高干擾度占比之和由28.16%上升至48.39%,南部干擾度上升最明顯,西部和東南部干擾度也有一定的上升趨勢；2000—2015年,景觀干擾度表現出下降的趨勢,到2015年,中干擾度和高干擾度比例之和降為31.13%,北部和南部干擾均有降低。1990—2015年,低和極低干擾度比例之和由71.84%變為68.87%,等級占比相差不大,但空間分布趨于破碎化。25年間,景觀干擾度經歷了先增加后減小的過程,這與城市擴張由粗放轉為精細,注重城市內部結構調整有關。

2.2 景觀脆弱度分布及變化

由圖2可以看出,1990—2015年,廣州市景觀功能脆弱度逐漸上升,中脆弱度和高脆弱度占比之和均維持在60%以上,高脆弱度比例增加明顯。空間分布整體表現為南部高于北部,西部高于東部,高脆弱度地區集中在南部,中脆弱度地區廣泛分布于北部和東北部,低脆弱度和極低脆弱度地區聚集在廣州市北部區域的行政邊界交界帶附近,以山地丘陵為主。近25年,景觀脆弱度一直維持在較高水平,表明城市發展顯著降低了中心城區生態系統服務能力,也削弱了建成區周邊景觀的抗干擾能力。

2.3 景觀生態風險分布特征

圖3展示的是1990—2015年廣州市景觀生態風險空間分布,景觀生態風險表現為南部高于北部、西部高于東部。總體上廣州市以低風險和極低風險區為主,中風險區和高風險區有所增加,25年間,中風險區增長幅度為5.78%,高風險區變化幅度超過50%,說明景觀變化主要造成高風險的提升。2000年是廣州市景觀生態風險的轉折點,前10年風險趨于增大,后15年風險趨向降低。低風險和極低風險區占比最大為1990年的76.52%,最小為2000年的55.16%。極低風險區景觀以大斑塊林地為主,主要分布在與天河、白云和黃埔交界的白云山區以及增城和從化；低風險區景觀以農業用地和林地為主,少量草地和灘涂濕地。中風險區的整體變化趨勢表現為2000年最高,占25.24%,覆蓋范圍主要是城市建成區及城郊建設用地區、農業景觀分布區。高風險區在2000年比較突出,占比19.61%,主要分布在南沙萬頃沙、番禺與南沙交界帶、番禺與海珠交界帶、白云區和花都區的城鄉交錯帶,是城市蔓延的主軸,少量分布在荔灣和天河等地的城市開發建設區,如荔灣的廣鋼新城、天河區東部,還有少量分布在濕地灘涂景觀中。

圖1 1990—2015年廣州市景觀干擾度空間分布圖Fig.1 Spatial distribution of landscape disturbance in Guangzhou during 1990—2015

圖3 1990—2015年廣州市景觀生態風險空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of landscape ecological risk in Guangzhou during 1990—2015

圖4 1990—2015年廣州市景觀生態風險變化圖Fig.4 Spatial distribution of landscape ecological risk changes in Guangzhou during 1990—2015

2.4 景觀生態風險變化特征

運用變化分析可以看出(圖4),近25年,廣州市景觀生態風險保持低風險(低和極低風險)以下的比例為40.74%,基本都分布在北部山區。高風險(中高風險)的比例維持在6.67%,主要分布在南部的番禺和南沙。由低風險向高風險的轉變比例為32.28%,分布在城市邊緣帶和城鄉交錯帶,包括花都、白云、從化、增城、天河北部和番禺中心區。由高風險轉變為低風險的比例為20.31%,主要分布在主城區荔灣、海珠、越秀和天河南部,這25年間景觀生態風險的變化反映了景觀城市化的影響。

3 結論與討論

3.1 主要結論

本研究基于景觀干擾度與脆弱度的景觀生態風險評價體系,引入生態系統服務改進脆弱度的評價方法,選取植被碳固定、土壤保持、水源涵養與提供和棲息地提供等4種生態系統服務,通過定量表征脆弱度,構建快速城市化地區的城市景觀生態風險評價模型。采用1990—2015年廣州市的多源數據,分析了城市景觀生態風險的時空格局及變化特征,基本結論如下：

(1)25年間,景觀干擾度經歷了先增加后降低的過程,2000年是景觀干擾度變化的轉折點；1990—2015年,景觀脆弱度不斷增加,抗干擾能力下降,中脆弱度和高脆弱度占比之和均維持在60%以上。景觀干擾度和景觀脆弱度在空間分布上均表現為南部高于北部,西部高于東部。

(2)1990—2015年廣州市景觀變化明顯,景觀生態風險時空格局呈現出一定的規律性,表現為南部高于北部、西部高于東部,以低風險和極低風險為主。2000年是廣州市景觀生態風險的轉折點,1990—2000年間景觀生態風險趨于增大,2000—2015年間景觀生態風險趨向降低。

(3)近25年,廣州市景觀生態風險與景觀變化具有較好的空間一致性。低風險區比例保持在40.74%左右,基本都分布在北部山區,而高風險的比例維持在6.67%,由低風險向高風險的轉變比例為32.28%,由高風險轉變為低風險的比例為20.31%,反映了25年間景觀城市化對景觀生態風險的影響。

3.2 問題討論

景觀變化引起的生態風險一直以來重點關注景觀格局導致的生態風險,對于景觀功能的易損特質未受到足夠的重視。本研究嘗試性將生態系統服務引入表征景觀功能的脆弱性,用于評價快速城市化過程中的景觀生態風險,改進基于景觀指數的景觀生態風險評價方法。從評價結果看,引入生態系統服務比單純的景觀格局指數法更容易刻畫城市景觀變化引起的風險,也更容易空間化景觀生態風險,減少了主觀定量過程,提升了生態風險制圖及評價的可信度。然而,以下兩點仍需要景觀生態風險評價研究進一步關注：(1)景觀生態風險評價結果缺少驗證,降低了景觀生態風險評價結果的可靠性。(2)風險的隨機性和不穩定性決定了難以圈定特定的防范區。例如廣州市主要的景觀生態風險防范應在南部中心六區和西部的白云和花都區,然而這種景觀變化帶來的風險會隨著景觀變化而變化,只能表征當下景觀生態風險,不能夠預測和預警未來的景觀生態風險。為此,需要通過時序變化來探尋景觀生態風險的演變規律,再輔助以情景變化,方可為景觀生態風險的具體應用提供基礎。