基于LECI的三峽庫區重慶段景觀生態敏感性分析及關鍵修復區識別

彭春花, 周啟剛, 孟浩斌, 李明慧, 周 浪, 劉栩位

(1.重慶工商大學 環境與資源學院, 重慶 400067; 2.重慶工商大學 旅游與國土資源學院,重慶 400067; 3.生態環境空間信息數據挖掘與大數據集成重慶市重點實驗室, 重慶 401320)

近年來，隨著人類活動和全球環境的加速變化，人類對環境資源高強度的開發和利用，對生態環境以及經濟社會可持續發展構成了極大威脅[1]。因此，如何全面準確評價生態環境狀況的研究，成為國內外學者關注的研究方向[2-3]。景觀格局作為多種景觀鑲嵌體在空間上的排列組合，與生態過程的變遷有著密切關聯，對于保護自然資源和維持物種多樣性等生態功能具有深刻影響，不同的景觀組成和配置又將影響生態作用各異的景觀功能[4-6]。從景觀生態學角度出發，基于景觀格局和景觀功能來構建涵蓋多尺度、多指標影響因素的景觀生態狀況評價體系，全面準確反映區域敏感性變化趨勢和吸收外界干擾能力，同時在一定程度上可以掌握景觀生態環境狀況優劣和相應的區域特征，為恢復區域生態環境提供科學指導。

景觀生態敏感性是指在各種自然和人為干擾下，通過特定的閾值測定景觀生態環境狀況的變化特征。當前國內外學者關于生態環境脆弱性和生態環境敏感性研究較多[7-10]，基于景觀角度研究區域景觀生態環境狀況及景觀生態敏感性相對較少。在自然狀態下，受外來干擾和自身調節的雙重作用下的景觀生態系統演變發展具有特定結構、功能和特征，其變化受干擾程度和系統穩定的影響，而景觀格局能夠反映景觀生態系統中不同景觀單元之間的空間格局及關系[6]，景觀功能可體現著各類景觀單元所擁有的生態服務功能，景觀功能的消退或喪失將直接導致區域間生態敏感性的加劇[11-12]。現目前，學者們大多采用景觀格局指數或生態要素等方法對區域展開景觀生態狀況評價或景觀敏感性研究[13-14]，而基于景觀功能以及景觀格局相結合的研究較為薄弱[15-16]。同時，當前關于生態環境狀況的敏感性影響因素多為定性考量，定量考量較為缺乏[17]。因此，從景觀格局和景觀功能整體出發，研究區域的景觀生態環境狀況及其敏感性顯得尤為重要，不僅能夠充分體現研究區的景觀生態敏感性綜合特征，其評價結果還能直觀且全面反映區域景觀生態環境狀況[18]，也能為區域生態保護和修復策略提出一定的研究基礎。

三峽庫區土地結構復雜，生態環境脆弱敏感，資源不合理的開發利用引發的植被破壞、水土流失、物種多樣性喪失等突出問題嚴重威脅著庫區的生態安全[19]。本研究從景觀功能和景觀格局整體出發，選取多影響因子指標構建景觀生態狀況評價模型，基于景觀格局的組成和配置要素，并結合景觀功能構建新的LECI(景觀生態狀況指數)和LESI(景觀生態敏感性指數)評價體系來研究三峽庫區重慶段景觀生態狀況及敏感性時空變化。該評價方法同時選取多期三峽庫區遙感數據，通過靜態與動態結合分析方式，對庫區景觀生態敏感性進行時空變化特征的研究與評估，識別區域景觀生態敏感區，為研究區域的關鍵生態修復區提供一定的參考依據。

1 研究方法與數據來源

1.1 研究區概況與數據來源

1.1.1 研究區概況 三峽庫區重慶段涵蓋重慶市22個區縣，東起巫山縣、西至江津區、南起武隆區、北至開州區。該區域地理位置介于東經105°49′—110°12′，北緯28°31′—31°44′，面積約為46134km2。三峽庫區重慶段地處長江中下游平原和四川盆地，地表起伏較大，地形地貌復雜，以山地丘陵為主。該區域作為我國西南部具有重要生態功能的生態屏障區，同時也是長江上游生態敏感區之一，生態環境十分脆弱敏感。該區域自然資源豐富、景觀類型多樣、景觀組成復雜，近年來庫區人類活動加劇，對環境資源不合理的開發利用導致庫區內人地關系緊張，人類活動和環境變化帶來的外界壓力嚴重影響生態系統穩定性，急需展開區域生態環境狀況的敏感性評價研究。

1.1.2 數據來源 本研究時序上以2002年、2007年、2012年、2017年四期為研究年限，所使用數據包括三峽庫區重慶段土地利用數據、歸一化植被指數(NDVI)數據、植被凈初生產力(NPP)數據。其中研究區土地利用數據來源于地理數據空間云平臺下載的Landsat5 TM和Landsat8 OLI遙感影像數據(時相均為6—10月份且云量較少)，空間分辨率為30 m×30 m，結合三峽庫區實際景觀類型和遙感影像特點，采用最大似然監督分類和目視修正結合的方法，將研究區劃分為水域、草地、耕地、未利用地、建設用地和林地6種景觀類型，對解譯后土地利用類型精度驗證的Kappa系數均在0.86以上，符合本次精度要求；NDVI，NPP均從NASA地球科學數據網下載的MODIS數據中得到，NDVI來自MODIS 3級16日合成歸一化的植被指數MOD13A1產品，空間分辨率為250 m×250 m；NPP來自MOD17A3產品，空間分辨率為500 m×500 m。將所有數據空間分辨率重采樣為250 m×250 m。

1.2 研究方法

1.2.1 移動窗口法 本研究基于移動窗口法[20]，采用Fragstats4.2軟件中Moving Window模塊，利用500 m大小的移動窗口，在景觀層面計算斑塊個數、板塊密度、香濃均勻度及香濃多樣性等景觀格局指數，最終獲得各景觀要素的空間分布規律圖。

1.2.2 景觀生態狀況評價指標體系 景觀生態環境狀況評價是利用一個綜合指數(景觀生態狀況指數，LECI)評價研究區域景觀生態環境的整體狀態[17]。本研究基于景觀功能和景觀格局的景觀組成、景觀配置3個要素來構建生態狀況評價體系。其中，景觀組成表示不同景觀類型的數量、面積對生態系統的生境質量、物種流動和其他生態過程產生的影響；景觀配置不同于代表不同景觀的數量和面積的景觀組成，景觀配置側重于景觀斑塊的空間分布和排列的相互關系[21]：景觀功能反映景觀生態系統的生態服務功能情況，受景觀組成和配置的影響[22-23]。

1.2.3 景觀生態狀況評價模型 景觀是一個整體系統，其格局和功能在外界干擾和本身自然演替作用下呈動態變化特征。景觀功能需基于自身格局，而功能亦是格局體現，因此難以判定兩者對生態環境狀況的好壞程度。將景觀格局中的景觀組成、景觀配置和景觀功能3個方面的評價結果進行綜合計算，構建一個新景觀生態狀況評價指標，LECI(景觀生態狀況指數)，它表示某個時間點的景觀生態狀況和質量的空間特征[21]。景觀組成和景觀配置相互關聯，共同影響景觀功能，因此LECI的計算公式如下：

(1)

式中:Pa1,Pa2,和Pa3分別代表景觀組成、配置和功能的綜合評估結果,權重w為0.5。

1.2.4 景觀生態敏感性評價模型 景觀生態敏感性本質上是一個動態參數，受生態系統變化的綜合影響，可通過研究基準年限內兩個時間點的景觀生態狀況變化來評估在時間上的敏感性變化，本文選取4個時間點數據，因此計算得到3個時期LESI(景觀生態敏感性指數)數據，其計算公式如下：

LESI=LECIen-LECIbe

(2)

式中:LECIbe和LECIen分別表示時間段的開始時間點和結束時間點的LECI。為了更好地評價研究區域生態敏感性時空變化情況,依據相關參考文獻[17],將研究區LESI分為極負敏感(LESI<-0.2)、微負敏感(-0.20.2)5類,在此基礎上對LESI的三期結果值進行相減,得到景觀生態敏感性等級波動變化,其變化趨勢分為5類(表1)。

持續弱化型和波動弱化型兩者都表明景觀生態條件都在惡化，生態系統不穩定，二者之間存在一定程度差異。波動增加型和持續增強型兩者都表明景觀生態條件正在改善，生態系統相對穩定，生態系統結構和功能都在逐年提高，二者之間存在一定程度的差異。

2 結果與分析

2.1 三峽庫區重慶段景觀生態狀況分析

景觀生態狀況是景觀功能與景觀格局的景觀組成和景觀配置計算結果的集成表達。通過對2002—2017年四期數據進行處理，分別計算景觀組成、配置和功能3個要素。結果表明：2002—2017年三峽庫區重慶段景觀生態狀況的空間分布趨勢總體保持一致，呈現從西到東景觀生態狀況等級值逐漸增大的趨勢。其中LECI高值區間主要分布于東北部的巫山縣、巫溪縣，中部的石柱縣、武隆縣以及北部的江津區，表明這些區域的生境質量和生態狀況良好；LECI中高值主要分布于東北部的奉節縣、云陽縣以及主城區的周邊區域，表明區域景觀生態狀況整體較好；LECI中低值主要分布于東北部的開州區、萬州區，中部的豐都縣、忠縣、長壽區以及西部的江津區，表明區域的景觀生態環境狀況整體偏差；LECI低值主要分布與重慶市主城區以及萬州區的中心區域，表明該區域的景觀生態狀況整體較差。

表1 景觀生態敏感性等級波動類型

為了更好地探討三峽庫區重慶段景觀生態狀況的時空變化，本文對4個時期的景觀生態狀況進行等級劃分(附圖10)，共分為5級：差(0≤LECI≤0.2)、較差(0.2

總體而言，近15 a三峽庫區重慶段景觀生態環境狀況大部分處于一般和良好的階段，整體生態環境狀況較好。從3個時間段來看，較差和差的生態環境狀況面積在2012年以前逐年增加，表明部分研究區的景觀生態狀況在逐漸變差，但在2012年后變差速度有所減緩，同時，景觀生態狀況良好和好的面積在2012年后有所增加，表明研究區景觀生態狀況在逐漸變好。

2.2 三峽庫區重慶段景觀生態敏感性分析

2.2.1 景觀生態敏感性時空變化分析 景觀生態敏感性是衡量景觀生態環境及生態系統穩定性的重要因素，研究其景觀生態狀況及敏感性時空演變特征有助于優化區域生態環境，對識別區域生態修復區和協調生態平衡具有重要意義[24]。三峽庫區重慶段LESI的時空特征分布見附圖11。

第一階段(2002—2007年)景觀生態敏感性以微負敏感為主，其占據整個研究區面積的49.843%，中性敏感占42.922%，極負敏感占6.615%，微正敏感占0.618%，極正敏感所占面積最少，僅0.002%。其中，極負敏感區域主要分布在研究區西南部及北部，中性敏感分布較為平均，其在研究區內部均有分布，微負敏感和微正敏感僅在局部區域有所分布。

第二階段(2007—2012年)景觀生態敏感性以中性敏感為主，其占據整個研究區面積的47.426%，微負敏感占34.395%，微正敏感占16.721%，極負敏感占1.394%，極正敏感僅占研究區面積的0.064%。第二階段的微負敏感區域主要分布在第一階段的極負敏感區域，而其中性敏感區域主要分布在第一階段的微負敏感區域，因第一階段生態敏感均值(-0.080)小于第二階段(-0.024)，說明研究區第二階段敏感整體較第一階段有了一定的提升，但部分區域仍屬于負敏感類型。

第三階段(2012—2017年)研究區全域景觀生態敏感性基本被中性敏感占據，其面積占比達到98.208%，而微負敏感、微正敏感、極負敏感占比分別為1.044%，0.744%，0.004%，極正敏感可以忽略不計。第三階段的中性敏感區域幾乎替代了第二階段各類生態敏感性區域，又因第三階段生態敏感均值(0.001)大于第二階段(-0.024)，說明研究區第三階段生態敏感整體生態在向好的方向轉變，但提升水平不大。

2.2.2 景觀生態敏感性等級波動變化分析 通過相減3個階段研究區LESI得到兩期差值，將等級差值分為以下類別：持續弱化型(-,-)、波動弱化型[(-,0);(0,-);(+,-)]、持續穩定型(0,0)、波動增加型[(+,0);(0,+);(-,+)]、持續增強型(+,+)，分類結果見圖1。對5種變化類別分別進行統計，持續弱化型占比6.054%，波動弱化型占比44.331%，持續穩定型占比32.120%，波動增強型占比17.494%，持續增強型僅占比0.001%。其中持續弱化型主要分布于研究區西部，少量分布于北部；波動增強型主要分布于研究區東部，少量分布于南部；波動弱化型和基本不變型分布較為均等。由此可以看出，持續增強型的低占比說明三峽庫區重慶段在研究時間內景觀生態穩定性不高，同時，持續弱化型所屬的研究區西部及北部區域尤其需要警惕景觀生態退化風險。

圖1 景觀生態敏感性波動變化空間分布

2.3 三峽庫區重慶段景觀生態關鍵修復區識別與策略研究

2.3.1 基于LECI和LESI的景觀生態關鍵修復區識別 基于多年期的LECI平均值和LESI的波動情況共同識別研究區生態修復的關鍵區域，以LESI持續弱化型與四期平均的LECI等級為差的區域疊加，同時剔除面積低于0.1 km2的碎小區域，最終形成999.83 km2的景觀生態關鍵修復區域，占研究區總面積的2.17%。修復區沿長江兩岸呈現出兩極分化的情況，巫溪縣、巫山縣、奉節縣、武隆區生態狀況較好無關鍵修復區域分布，其余區縣關鍵修復區域的面積及占比見表2。江津區待恢復的關鍵區域面積為326.27 km2，占比最大，為32.63%，石柱縣、北碚區、云陽縣、巴南區關鍵修復區面積分別為0.13，5.38，8.25，9.32 km2，占比均小于1%。

2.3.2 主要生態修復策略 生態修復區是前期注重區域發展，而區域景觀生態狀況差，生態敏感性持續弱化，區域本底狀況差且持續惡化的區域，在生態優先的發展格局下，應更加注重生態修復區域的環境治理與生態保護。根據不同區域的修復目標與修復條件，因地制宜開展生態修復，如位于研究區的西南部的重慶主城區，建成區面積大，應控制城市擴展速度，同時加強綠色基礎設施建設，提高城市生態狀況水平；長壽區、江津區與城市主城區相鄰，開州區與萬州區作為重慶的較大城市，這些區域發展中應該加強工程措施，嚴控建設過程中的污染排放，適當封山育林，改善區域環境狀況；研究區中重慶市郊縣可加強農田整治工程、防護林建設工程、封山育林等環境建設，并充分發揮耕地、林地的生態功能，改善區域內生態環境。此外，為保證待修復區域的良好修復效果，可建立長期生態監測體系，及時發現修復關鍵區域內生態環境問題以及修復過程中出現的問題以調整修復措施。

表2 各區縣生態修復關鍵區域統計

3 討論與結論

3.1 討 論

(1) 在國內外生態敏感性研究中，關于生態敏感性評價研究主要是針對某一單一的生態環境問題進行評價研究，研究其生態敏感性變化更多是基于各類影響因子的變化來綜合評價，同時關于長時間連續序列的時空動態變化研究也相對缺乏。本研究基于景觀生態學角度，從三峽庫區重慶段景觀的格局與功能方面構建生態狀況評價體系，在時間和空間上分析三峽庫區重慶段的景觀生態狀況和景觀敏感性，采取遞進方式，結合景觀生態狀況指數和時間維度來計算景觀生態敏感性指數以及敏感性波動情況，該評價模型能從時間和空間變化下評價三峽庫區重慶段的景觀生態敏感性，選取的11個指標因子也具有綜合代表性，使其評價體系和評價范圍更加全面，同時從時空動態的角度以LECI和LESI共同識別研究區待修復的關鍵生態區域，并因地制宜提出修復策略。

(2) 生態敏感性是區域自然和人類活動對生態系統共同作用的結果，本研究主要基于景觀生態學從景觀的格局和功能角度研究生態環境的景觀生態狀況和景觀生態敏感性，多注重景觀生態環境本身自然因素和作用，忽略了人類的社會經濟作用，社會經濟對生態環境作用的定量化表達有待進一步研究，因此，結合區域的社會經濟狀況是本研究下一步工作的主要方向，以達到精準識別生態修復關鍵區域，更加快速、高效修復生態環境，提高生態環境質量。

3.2 結 論

(1) 2002—2017年三峽庫區重慶段景觀生態狀況的空間分布趨勢總體保持一致，呈現從東到西景觀生態狀況等級值逐漸減小的趨勢。近15 a研究區整體生態環境狀況較好，部分研究區的景觀生態狀況在逐漸變差，2012年為轉折點，在此之后生態環境狀況有所改善。

(2) 研究年限內區域整體生態在向好的方向轉變，但提升水平不大。第一階段(2002—2007年)景觀生態敏感性以微負敏感為主，第二階段(2007—2012年)及第三階段(2012—2017年)景觀生態敏感性以中性敏感為主，研究年限內區域整體生態在向好的方向轉變，但提升水平不大。

(3) 景觀生態敏感性等級波動變化空間分布差異較大。持續弱化型主要分布于研究區西部；波動增強型主要分布于研究區東部。研究區整體景觀生態穩定性較低，西部及北部區域需警惕景觀生態退化風險。

(4) 待生態關鍵修復區域空間分布差異大。識別研究區生態關鍵修復區域面積共999.83 km2，占研究區總面積的2.17%，江津區、長壽區及重慶主城區待修復的區域較多，不同區域應采用不同生態修復策略。