2000-2015年豫西黃土丘陵區土地利用變化及景觀生態風險評價

杜 軍, 趙勝朝, 邱士可, 郭 雷

(1.河南省科學院地理研究所, 鄭州 450052; 2.河南省水土保持監督監測總站, 鄭州 450003)

生態風險指在一定區域內，生態系統或整個景觀的正常功能受到外界脅迫，這些脅迫作用的結果可能導致生態系統結構和功能的損傷[1-4]。生態風險評價是針對自然和人類活動對區域生態系統產生不利影響的可能性和程度評價[5-6]。已有研究結果表明，土地利用變化能夠直接反映區域中各種潛在的生態影響及其空間異質性[7-8]，土地利用強度的變化及利用類型的轉變將會直接影響區域生態風險的強度[9-11]。因此，在缺少長時間序列生態監測數據的情況下，從土地利用變化及景觀格局特征角度構建生態風險指數能夠有效反映區域生態狀況及空間分異情況。國內學者以土地利用數據為基礎，提出了不同的生態風險指數構建方法，藏淑英[12]、盧江林[13]、王衛林[14]等學者利用土地利用類型面積占比及土地利用類型所反映的生態風險強度參數構建生態風險指數，于淑會[15]、南穎[16]等基于壓力—狀態—響應(P-S-R)模型構建生態安全評價體系，張月[6]、周汝佳[17]等學者基于景觀格局指數和土地利用變化的信息，構建區域景觀生態風險指數，并對區域生態風險的時空分布特征及關聯特征進行了分析。

豫西黃土丘陵區屬于黃土高原向黃淮海平原過渡的交錯地帶，是河南省生態環境比較脆弱的區域之一。本研究在前人研究的基礎上，結合豫西黃土丘陵的實際情況，基于2000年、2010年、2015年的遙感影像獲取研究區土地利用動態變化數據，采用由土地利用類型占比、景觀擾動指數和景觀脆弱指數構建的景觀生態風險指數，借助地統計學和空間自相關分析方法，對豫西黃土丘陵區生態風險的時空分布特征及關聯特征進行評估，為豫西黃土丘陵區生態風險的防控提供一定的參考依據。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

豫西黃土丘陵區(110°21′—113°30′E、33°32′—35°17′N)位于河南省西北部，行政區劃上包括鄭州市、洛陽市、焦作市、三門峽市和濟源市的19個縣(市)，總面積2.71萬km2，約占河南省總面積的16.23%。屬于黃土高原向黃淮海平原過渡的交錯地帶，水土流失嚴重，是河南省生態環境比較脆弱的區域之一。區域內地形起伏較大、地貌復雜、土地利用類型多樣，最低海拔85 m，最高海拔2 392 m，地貌類型主要包括山地(中山和低山)、丘陵和平原等，土地利用類型主要以耕地、林地為主。該區屬于溫帶半濕潤半干旱氣候，年平均氣溫14.6℃，平均降水約為643.4 mm。

1.2 數據來源

本文利用2000年、2010年的Landsat TM和2015年的Landsat OLI遙感影像數據(分辨率:30 m;成像時間:8—10月)，對影像進行融合、校正等預處理，利用監督分類法并結合人工目視判讀對3期利用進行解譯，將研究區分為林地、園地、草地、耕地、建設用地、水域、未利用地7種類型，解譯結果隨機采樣并進行野外核查，總體精度均大于95%。

2 研究方法

2.1 評價單元劃分

研究土地利用變化對區域景觀生態風險的影響，進一步體現豫西黃土丘陵區景觀生態風險在空間上的分異特征，根據景觀斑塊大小和研究區面積，本文利用5 km×5 km正方形格網對研究區2000年、2010年和2015年3期土地利用數據進行采樣，共有1 069個生態風險單元(圖1)。

圖1 豫西黃土丘陵區概況及景觀生態風險評價單元劃分

2.2 景觀生態風險指數構建

本文依據采樣各評價單元內土地利用類型占比、景觀擾動及景觀脆弱性構建景觀生態風險指數ER，公式如下:

(1)

式中:ERk表示采樣單元k的生態風險指數;Aki表示采樣單元k中i類景觀面積;Ak表示采樣單元k的面積;N表示景觀類型數量；Fi為景觀脆弱指數，表示各類景觀受外界干擾的敏感性，林地、園地、草地、耕地、水域、建設用地、未利用地為不同景觀類型賦值分別為2，2，3，4，5，1，6[18]。通過賦值的歸一化處理，得到各類景觀的脆弱度指數。

Ei為景觀干擾指數，計算公式如下:

Ei=waCi+wbNi+wcDi

(2)

式中:Ni,Ci,Di分別為第i個評價單元的景觀分離度、破碎度及優勢度指數;Wa,Wb,Wc為各指數權重,分別賦值為0.5,0.3,0.2[19]。

2.3 空間分析方法

(1) 土地利用動態變化。利用2000年、2010年、2015年的研究區土地利用數據，通過土地利用面積變化類型轉化等指標分析不同時間段土地利用動態變化過程。利用ArcGIS的Tabulate Area空間疊加分析，計算生成2000—2015年研究區土地利用轉移矩陣，定量分析土地利用結構特征與各類型之間的轉換特征，明確2000年各土地利用類型轉移去向以及2015年各土地利用類型面積增加的來源。

(2) 空間自相關分析。空間自相關系數是用來度量物理或生態學變量在空間上的分布特征及其對鄰域的影響程度。空間自相關分析可以檢驗空間變量在特定位置與相鄰區域是否具有顯著相關性[20]。全局空間自相關用來研究某一現象在空間上是否具有聚集特性，而局部空間自相關更能體現其空間聚集分布格局和集聚的顯著度。全局自相關公式為:

(3)

局部空間自相關可表征每個區域與周邊地區之間的局部空間關聯和差異程度，通常利用Moran散點圖和LISA聚集圖對局部差異的空間分布進行可視化表達。局部Moran′sI指數計算公式為:

(4)

式中:xi代表采樣單元i標準化值;xj代表采樣單元j標準化值。利用Geoda、ArcGIS統計分析軟件分別計算Moran′s指數和制作空間關聯局域指標(LISA)圖。

3 結果與分析

3.1 土地利用類型變化特征分析

豫西黃土丘陵區主要的土地利用類型為林地、耕地，共占研究區總面積的83%以上。由表1看出，2000—2015年豫西黃土丘陵區土地利用變化較為顯著，林地面積占比減少了0.64%，耕地面積占比減少了4.74%有;草地、建設用地和水域面積不斷增加，面積占比分別增加了3.20%，32.77%，45.29%。其中耕地、建設用地的變化最為顯著，2000—2015年耕地面積共計減少了554.90 km2，建設用地共計增加了423.70 km2。

表1 2000-2015年豫西黃土丘陵區土地利用變化

豫西黃土丘陵區林地占比較高，為研究區的優勢地類，主要分布于西部的崤山和熊耳山的陜州區、靈寶市、盧氏縣、嵩縣、汝陽縣等區域，在2000—2015年的15 a間，林地面積持續減少，減少面積為184.29 km2，其中2000—2010年林地減少率遠大于2010—2015年。園地面積由2000年的40.99 km2增加到2015年的151.93 km2，集中分布在靈寶是、陜州區等區域。草地零星分布于研究區中部和北部區域，2000—2015年草地面積增加了66.51 km2，面積的增加主要集中在2010—2015年。耕地集中分布中部和東部的在澗河流域、伊川臨汝盆地、伊洛河盆地等區域，2000—2015年耕地面積大幅度減少，總計減少了554.90 km2，其中2010—2015年耕地面積減少了459.91 km2，變化幅度最大，占耕地減少總量的82.88%。與耕地面積大幅度減少相對應的是建設用地的大幅度增加，2000—2015年建設用地持續增加，總計增加了423.70 km2,2010—2015年建設用地增加率顯著高于前一個時期。

利用2000年、2015年兩期土地利用圖在ArcGIS中進行疊加分析，生成豫西黃土丘陵區2000—2015年土地利用類型變化轉移矩陣。由圖2可以看出,2000—2015年，耕地是豫西黃土丘陵區土地利用的主要轉出類型，耕地與建設用地、林地和園地的轉化比較劇烈，轉出面積分別為455.66 km2，233.40 km2，138.56 km2，占耕地總面積的比例分別為3.89%，1.99%和1.18%。其次為林地轉變為草地、耕地和建設用地的面積分別為181.00 km2，143.40 km2，53.61 km2。近15 a年來，建設用地是豫西黃土丘陵區土地利用的主要轉入類型，增加面積表主要來源耕地和林地，城市空間擴展、交通設施建設與農業產業結構調整是建設用地增加與耕地減少的主要原因。

圖2 2000-2015年豫西黃土丘陵區土地利用轉換特征

3.2 景觀生態風險空間自相關分析

空間自相關分析是檢驗某一要素與其鄰近范圍是否具有關聯以及關聯度，全局空間自相關可以表征某一要素在整體范圍內的空間依賴程度，而局部空間自相關表征一個采樣單元與其相鄰單元的相似程度，能夠更直觀體現某一要素在空間上的的聚集特征。本研究通過生態風險指數構建模型計算得到研究區2000年、2010年、2015年3期生態風險指數，利用空間計量軟件(GeoDa)進行空間全局和局部自相關分析。由圖3看出，研究區2000年、2010年、2015年3期生態風險指數全局自相關系數分別為0.587，0.586，0.540。Moran′sI指數為正值，表明研究區生態風險呈現正相關關系，生態風險出現聚集區，高等級風險區周圍分布著相應高等級的風險，低等級生態風險區周圍風險等級也較低。全局自相關值呈現上升的趨勢，表明研究區2000—2010年生態風險區聚集趨勢變化不明顯，2010—2015年呈現減弱的趨勢。

圖3 2000-2015年豫西黃土丘陵區景觀生態風險Moran散點圖

Moran′sI指數僅可以反映區域空間分布狀態及空間聚集指數，并不能完全表現生態風險在空間上的相互聯系程度，利用局部自相關分析(LISA)來探討豫西黃土丘陵區生態風險在區域上的關聯度及其空間集聚特征。通過GeoDa軟件對研究區1 096個采樣區2000年、2010年、2015年3期生態風險進行LISA分析，得到3期生態風險局部自相關LISA結果(圖4)。研究區生態風險值的空間集聚形態主要以低—低集聚和高—高集聚為主。3個時期低—低集聚樣區分別占總采樣數的13.75%，13.84%，20.49%，高—高集聚樣區分別占總采樣數的12.91%，12.91%，16.18%，低—高集聚和高—低集聚區占總采樣數的0.94%，0.75%，2.71%。從研究區局部自相關情況來看，低—低集聚區域呈現增加趨勢，高—高集聚區域呈現先增加后減少趨勢。從空間分布來看，生態風險高值集聚區(H—H)主要集中分布在盧氏縣—洛寧縣—靈寶縣，這一區域屬于黃土覆蓋低山區，地表覆蓋類型多樣，景觀優勢度較低且景觀分布破碎，人類活動強度的增加極易引起水土流失、林草退化等生態環境問題。其次，高—高集聚區(H—H)也少量分布在城市的建成區及周邊地區，這些區域受人類活動影響大，土地利用轉換和利用強度高。生態風險低值集聚區(L—L)主要集中分布在伊川縣、孟津縣、新安縣、義馬市等區域，這些區域主要位于伊川臨汝盆地、黃土臺地丘陵區，景觀類型以耕地為主，景觀優勢度較高，且斑塊的破碎度較低。

圖4 豫西黃土丘陵區生態風險值局部自相關分布

3.3 景觀生態風險時空變化分析

為了進一步分析豫西黃土丘陵區景觀生態風險的空間分異特征，本研究借助地統計學方法，將研究區1 096個采樣單元的生態風險值(ER)進行克里金插值(Kriging)，得到豫西黃土丘陵區景觀生態風險的空間分布圖(圖5)。利用ArcGIS自然斷點法(Natural Breaks)將研究區的景觀生態風險劃分為高風險、較高風險、中風險、較低風險以及低風險區5個等級，賦值區間分別為:較高風險區(ER>0.45)、較高風險區(0.40

圖5 豫西黃土丘陵區景觀生態風險空間分布

2000年豫西黃土丘陵區低、較低生態風險分布區域分別占研究區總面積的18.22%，23.77%。低生態風險區主要集中分布在孟津縣西部、新安縣南部、宜陽縣北部、澠池縣南部以及伊川縣等區域，靈寶北部、孟州西部也有分布，該區域位于黃土臺地丘陵和伊川臨汝盆地，較低生態風險區主要分布在低生態風險區周邊區域，土地利用類型主要以耕地為主，土地利用類型單一且集中連片。這些區域景觀類型以耕地為主，林地和草地等景觀在周邊分布，耕地、林地的景觀脆弱度較低，且耕地景觀集中連片分布，因此這些區域生態風險等級較低。中生態風險區主要分布在澠池縣和新安縣北部、洛寧縣東部、宜陽縣南部及嵩縣中北部等區域，處于耕地和林地景觀類型的過渡帶，占研究區總面積的34.98%。較高風險區主要分布在濟源市西部、洛陽—宜陽一線以及鞏義市中部區域，占研究區總面積的14.99%。高生態風險區主要分布在盧氏縣—洛寧縣—靈寶縣三角地帶，這一區域屬于黃土覆蓋低山區，占研究區總面積的8.04%，景觀類型主要為林地、坡旱地，且景觀較為破碎，人類活動強度的增加極易引起水土流失、林草退化等生態環境問題。

2010年豫西黃土丘陵區生態風險各等級面積發生相應變化，但空間分布規律較2000年未發生明顯變化。其中生態風險低、較低等級所占面積較2000年增加了2.96%，面積增加區域主要是生態風險區低、較低等級向外擴展，面積增大。生態風險中等級分布面積有大幅度的減少，面積占比較2000年減少了6.32%，生態風險中等級區域主要轉變為較高生態風險區等級，減少的區域主要分布在洛陽—宜陽一線、濟源市、鞏義和滎陽市，這些區域人類活動強度增大，大面積耕地景觀向建設用地類型轉換，使得原有較完整的景觀變得破碎，景觀生態風險在逐漸增大。較高生態風險等級區域面積占比較2000年增加了3.85%，主要是集中分布在濟源西部、靈寶市南部、洛陽—宜陽一線以及鞏義市，這些區域林地轉換為耕地和草地景觀，景觀類型轉換的區域生態脆弱度增大，高生態風險區面積略有減少，面積占比較2000年減少了0.47%。2015年豫西黃土丘陵區中生態風險和高生態風險區面積及空間分布發生了顯著變化，低生態風險區較2010年基本保持穩定，生態風險較低、中等級分布面積較2010年顯著減少，分別減少了3.36%，5.69%;生態風險較高等級面積占比較2000年增加了1.93%，高生態風險區等級所占面積增長較為顯著，較2010年增加了6.88%。較高、高生態風險變化的區域主要集中在澠池縣北部、鞏義市、滎陽市西部，這些區域的基質景觀類型以耕地為主，受到人類活動干擾后的損失度較高，另外，這些區域耕地景觀向建設用地轉換，景觀的破碎度及分離度也在不斷增大。

2000—2015年，豫西黃土丘陵區低、較低生態風險區面積基本保持穩定，僅減少了0.17%，中生態風險區所占面積減小幅度較大，面積占比較2000年減少了12.02%,2015年較高、高生態風險區所占面積較2000年增加了12.19%，呈現明顯的上升趨勢。在這15 a間，研究區景觀生態風險整體呈現上升趨勢，高生態風險區的基質景觀類型以耕地為主，受到人類活動干擾后的損失度較高，隨著人類活動強度增強，土地利用類型的轉化強度也在不斷加大，景觀類型轉換的區域生態脆弱度增大(林地轉換為耕地和草地)，景觀的破碎度及分離度也在不斷增大(耕地轉換為建設用地)。

圖6 2000-2015年研究區景觀生態風險各等級面積占比

4 結 論

(1) 豫西黃土丘陵區主要的土地利用類型為林地、耕地，共占研究區總面積的83%以上。2000—2015年土地利用類型的轉化強度也在不斷增加，大量的耕地、林地向為建設用地轉換，其中2010—2015年耕地減少幅度最大，占耕地減少總量的82.88%。

(2) 2 000-2015的15 a間，景觀生態風險整體呈現上升趨勢，高生態風險區的基質景觀類型以耕地為主，受到人類活動干擾后的損失度較高。

(3) 研究區生態風險空間集聚形態以低—低集聚和高—高集聚為主，表現為低—低集聚區域呈現增加趨勢，高—高集聚區域呈現先增加后減少趨勢。生態風險高值集聚區(H-H)主要集中分布在盧氏縣—洛寧縣—靈寶縣，這一區域屬于黃土覆蓋低山區，地表覆蓋類型多樣，景觀優勢度較低且景觀分布破碎。

本文嘗試通過構建景觀生態風險指數建立土地利用及景觀格局的變化與區域生態風險之間的經驗聯系，通過空間格網采樣方法將景觀空間結構轉化為生態風險變量。本文僅從景觀空間結構角度衡量豫西黃土丘陵區生態風險程度，并沒有考慮其他自然或社會經濟因素，所以計算出的生態風險值并不具有絕對性。但是基于景觀格局構建生態風險指數的方法研究流域的生態風險空間格局和動態變化是可行有效的。