涪江流域景觀生態風險空間異質性特征分析

張雪茂, 董廷旭, 杜華明, 袁 川, 廖傳露, 王 飛

(綿陽師范學院 資源環境工程學院， 生態安全與保護四川省重點實驗室, 四川 綿陽 621000)

景觀生態風險是指在自然因素或者是人類社會因素的干擾下，不同因素相互交錯作用而對生態環境而產生的不利影響[[1-2]。近年來，隨著人類對生態環境保護意識的覺醒，對于“人類—自然耦合關系”的研究在地球系統科學領域成為了研究熱點[2-3]，景觀生態風險評價作為景觀生態學研究的重要部分內容之一，倡導將地理學的水平空間景觀格局異質性與生態學的垂直空間景觀功能關聯性進行交叉融合[4]。為此，許多專家學者開展了相應的研究，從研究對象來看，既有行政區域[5-6]、城市[7-8]、工礦開采區[9]等受人類活動干擾較大的區域，也有高原[10-11]、濕地[12]以及自然保護區[13]等生境較為脆弱的區域。從研究方法上可以分為因果分析法、生態風險等級評價法、相對風險評價模型、景觀分析法以及數學概率模型5大類[14]，如Ayre KK[15]等利用貝葉斯網絡模型構建生態風險評估框架，用以評估森林管理和自然干擾對生態資源的潛在影響；齊潤冰[16]、Cui L[17]、楊彥昆[18]、田鵬[19]等基于景觀格局指數構建景觀生態風險評價模型，從多方面考慮影響因素對大連、秦嶺地區、重慶三峽庫區、浙江省等地的景觀生態風險進行評估；李青圃[2]、黃詩曼[20]、常小燕[21]等以景觀格局為基礎，對景觀生態風險的時空異質性特征進行探究。由于流域生態系統本身所具有的復雜性特點，目前從綜合的視角對整個流域生態風險進行研究的案例較少，目前已有的研究主要集中在尺度較小且經濟較為發達的地區[22]。流域作為特殊的景觀生態系統，對特定區域的水循環、地表覆被類型、生物多樣性等起著至關重要的作用，其為人類繁衍、人類活動的開展提供場所，因此以流域為研究尺度具有重要的現實意義[23]。

涪江流域流經川西北丘狀高原山區和盆中丘陵區，是四川省“十三五”規劃中構建“四區八帶多點”生態安全戰略格局中的重要一帶，也是長江流域上游重要的水源地和生態屏障。對涪江流域展開景觀生態風險評價對維護其生態環境的健康發展，乃至整個長江流域的生態安全和生產生活水源補給至關重要。目前對其進行景觀生態風險評價進行相關的研究尚且不足。本文根據涪江流域的生態環境和經濟發展現狀，從“自然—社會—景觀格局”3個維度選取流域生態風險脅迫因子構建評價模型，基于空間主成分分析、空間自相關分析等方法對涪江流域景觀生態風險的空間異質性特征進行研究，為研究區制定綜合景觀生態風險防范措施提供科學參考、保護區域生態安全和提高流域生態系統服務功能等，促進川渝兩地自然與社會的可持續發展。

1 研究區概況、數據來源

1.1 研究區概況

涪江發源于四川省境內的雪寶頂，屬于長江的二級支流，為嘉陵江右岸最大支流，在重慶市的合川區匯入嘉陵江，見圖1，研究區位于29.10°—33.04°N，103.30°—106.30°E，流域總面積3.92萬km2。主要有火溪河、白草河、梓潼江、凱江、安居河、通口河、安昌河、郪江、平通河、小安溪10條支流；區內海拔高差高達5 300 m、地勢起伏較為明顯，地形主要以山地和丘陵為主；土壤類型在自然帶的劃分中以黃壤為主；研究區上游主要以林地為主，植被覆蓋率較高，中下游以耕地和建設用地為主；主要氣候類型為川西高原氣候和亞熱帶濕潤季風氣候，年均溫在14.7～18.2℃，多年平均年降水量在800～1 400 mm，降水量時空分異特征顯著。由于特殊的自然環境狀況以及人類活動影響的加劇，近年來研究區內崩塌、滑坡、泥石流等自然次生災害頻發，導致流域內的景觀格局愈發破碎，所面臨的景觀生態風險問題愈加的突出。

圖1 涪江流域概況

1.2 數據來源

本研究所需的主要數據包括地表覆蓋數據、DEM數據、土壤類型數據、植被覆蓋度數據、居民點數據、工礦用地數據等。數據來源見表1。

表1 數據來源

其中，地表覆蓋數據年份為2020年，分辨率為30 m，總體精度為85.72%，Kappa系數為0.82，可以滿足研究需要；DEM數據分辨率為30 m；土壤類型數據分辨率為1 000 m；植被覆蓋度指數(NDVI)利用Landsat8 2018年7月的遙感影像數據通過像元二分模型反演計算得出；居民點、工礦用地、河流等數據為shp格式1∶25萬的基礎地理數據，通過ArcGIS歐式距離計算工具得到研究區范圍內距居民點、距工礦用地距離等柵格數據。為保證后續計算結果的準確性，所有的柵格數據統一重采樣為30 m×30 m。

2 研究方法

2.1 生態風險評價因子選取

根據涪江流域的景觀生態環境現狀以及經濟發展情況，基于風險“源—匯”理論[3]，從自然、社會、景觀格局3個維度選取區域內10個生態風險脅迫因子——高程、坡度、土壤類型、地表覆蓋類型、距河流距離、距工礦用地距離、距居民點距離、香濃均勻度指數、蔓延度指數、植被覆蓋度指數等構建流域生態風險評價指標體系(表2)。

在自然維度，選擇了海拔、坡度、土壤類型、距水體距離等4個因子，海拔和坡度表征地形要素在土壤侵蝕過程中產生崩塌、滑坡以及泥石流等地質災害所造成的潛在影響，值越大發生自然次生災害的機率越大，景觀生態風險越高[24]，指標分級見表2。坡度對土壤侵蝕的強度有極大的影響，其中3°，8°，15°，25°，35°是不同侵蝕程度的分界線，值越高對土壤的侵蝕越強[25]。土壤的抗侵蝕性能對于植被的水土保持功能以及調節局地小氣候具有重要的影響，因此根據研究區不同土壤類型的抗侵蝕能力進行分類，土壤抗侵蝕性能越低生態安全風險越高[26]。水體的生態服務功能體現在固碳釋氧、調蓄洪水、提供生物棲息地以及氣候調節等方面[27]，大面積的水體對于維持和促進生態環境往良好的方向發展有重要的作用，因此本文將以距水體距離的遠近為標準，距離水體越近的區域生態風險等級越低，利用自然斷點法進行分級。

在社會維度，選取了距居民點和距工礦用地距離等2個指標，人類生產生活行為會對景觀格局產生影響，城市的擴展會對動物的自然棲息地造成嚴重的損害[28]，人類活動較頻繁的區域生態風險強度相對而言較高[6]，因此本研究設定距居民點、距工礦用地距離越近生態風險越高。

在景觀格局維度，選取了香濃均勻度指數(SHEI)、蔓延度指數(CONTAG)、地表覆蓋類型以及植被覆蓋度指數(NDVI)4個指標。香濃均勻度指數和蔓延度指數通過Fragstats軟件利用移動窗口法進行了可視化處理[29]。香濃均勻度指數表示不同景觀類型分布的均勻程度，景觀分布均勻度越高的區域生態系統更加穩定，因此香濃均勻度指數值越高風險等級越低。蔓延度指數可以反映區域景觀的破碎化程度，值越低表示景觀越破碎，對于應對外界干擾時的阻力就越低，風險等級也就越高。地表覆蓋類型以及植被覆蓋度的分級參考文獻[2]和文獻[30]進行。

2.2 景觀生態風險指數模型

基于上述所構建的景觀生態風險評價指標體系，利用空間主成分分析法(SPCA)計算得出每個主成分原始載荷矩陣、貢獻率以及累計貢獻率，將累計貢獻率超過90%的主成分確定為有統計學意義的主成分[33]。根據計量地理學原理[33]計算得出研究區域每個景觀生態風險脅迫因子的權重，再結合ArcGIS的地圖代數工具進行加權疊加，最終得出涪江流域景觀生態風險指數。權重(1)[34]和景觀生態風險指數(2)[2]的表達式如下：

(1)

式中：Fj表示權重；aij表示i因子在第j個主成分中的原始載荷系數；Gj表示第j個主成分的特征貢獻率。

(2)

式中：E表示景觀生態風險指數結果；bij表示第i個柵格對應的第j個脅迫因子；Fj表示第j個主成分的權重。

表2 涪江流域景觀生態風險評價指標及分級標準

2.3 空間自相關分析

空間自相關性是指在地理空間上越靠近的事物或現象越相似，其基本度量是空間自相關系數，可以用全局和局部兩種指標進行衡量[35]。本文所用的指標為全局空間自相關，用于描述區域單元內景觀生態風險指數的整體分布狀況，判斷景觀風險指數在空間上是否存在集聚性的特點，常用全局Moran′sI指數表示，通過該指數評估研究區內所有景觀風險指數是集聚分布、離散分布還是隨機分布。表達式如下[36]：

(3)

3 結果與分析

3.1 主成分分析確定指標權重

本文基于“自然—社會—景觀格局”所選取的10個景觀生態風險脅迫因子，利用空間主成分分析(SPCA)得出前7個主成分的累計方差貢獻率為91.43%(>90%)，因此前7個主成分基本可以對研究區的景觀生態風險信息進行有效的概括(表3)。從各主成分原始載荷矩陣(表4)中可以得出第1主成分在距河流距離、DEM、蔓延度指數上的載荷較大，第2主成分在蔓延度、香濃均勻度上的載荷較大，第3主成分在距工礦用地距離上的載荷較大，第4在主成分在香濃均勻度上的載荷較大，第5主成分在坡度、土壤類型以及香濃均勻度上所占的載荷較大，第6主成分在植被覆蓋度和土壤類型上所占的載荷較大，第7主成分在坡度、植被覆蓋度上所占的載荷較大。

表3 各主成分特征值以及累積貢獻率

根據前7個主成分的初始特征根以及貢獻率按照公式(1)得出各景觀生態風險脅迫因子的權重值(表4)，從計算結果可以得出蔓延度指數(CONTAG)、距水體距離、香濃均勻度指數(SHEI)、坡度所占比例較大，分別為0.129 3，0.128 0，0.119 7，0.109 8，說明其對涪江流域景觀生態風險評價結果的影響較大。因此，從計算出的權重可以得出涪江流域景觀生態風險評價結果受自然因子和景觀格局因子影響較大，社會因子影響相對較小。

表4 各主成分載荷原始矩陣及權重

3.2 流域景觀生態風險空間異質性分析

研究區景觀生態風險空間異質性特征如圖2所示：(1) 低度生態風險：風險指數為1.30～2.43，主要位于河流、濕地以及植被覆蓋度較高的區域，面積為5 453.52 km2，在整個研究區范圍內所占比例最小，僅為13.92%，此類區域距離人類活動場所較遠，受干擾較小。(2) 較低生態風險：風險指數為2.44～2.79，面積為8 117.26 km2，所占研究區總面積的20.72%，主要的景觀類型以耕地、草地以及灌木為主。(3) 中度生態風險：風險指數為2.80～3.11，較為零星的分布于旌陽、中江、三臺、樂至、安岳、潼南、合川、銅梁、大足以及永川等縣(區)，該生態風險等級在整個研究區內的分布面積為9 957.43 km2，所占整個流域面積的25.43%。(4) 較高生態風險：風險指數為3.12～3.44，主要分布在城鎮建設用地以及工礦用地等受人為活動干擾強烈的外圍區域，面積為9 941.48 km2，所占整個研究區面積25.38%。(5) 高度生態風險：風險指數為3.45～4.51，主要分布于研究區上游以及中下游工礦用地和居民點集中分布的區域，總面積為5 697.60 km2，占了整個流域面積14.55%，主要是由于上游地區海拔較高、坡度較大、土壤易侵蝕，在降水較強的季節易發生崩塌、滑坡、泥石流等自然次生災害，而中下游居民點分布的區域的人為活動頻繁，對生態環境破壞較大。

3.3 流域景觀生態風險空間關聯性分析

基于GeoDa和涪江流域景觀生態風險指數值，根據景觀生態學原理和空間統計學中的“共享邊或角”規則，探討涪江流域景觀生態風險的空間關聯性特征，其中正態分布95%置信區間雙側檢驗閾值的臨界值為1.96，Moran′sI指數為0.631，Z檢驗值為849.90大于1.96，p值<0.05，說明涪江流域景觀生態風險在空間上呈集聚分布模式，空間正相關性存在顯著特征，即生態風險指數高的區域和生態風險指數低的區域在空間分布上呈現出較為明顯的集聚特征。進一步更加直觀的顯示4種空間關聯模式的分布概況，采用LISA聚類圖進一步可視化涪江流域景觀生態指數的分布格局見圖3，其中，研究區的松潘、平武、北川、安岳、潼南等區縣形成了顯著的高—高聚類區，或稱為“熱點”，同時也表明了該聚類區對研究區景觀生態風險指數的關聯性具有顯著的影響；高—低和低—高聚類異常區主要分布范圍較小，主要較為零散的分布在涪江流域的中游地區；低—低聚類區，或稱為“冷點”，集中分布于研究區的梓潼、游仙、鹽亭、中江等區縣并與涪江水系走向基本吻合。

圖2 涪江流域景觀生態風險等級空間分布

圖3 涪江流域景觀生態風險指數LISA聚類圖

將研究區流域生態風險等級空間分布結果與地表覆蓋類型進行疊加處理，統計得到不同景觀類型所占風險等級比例情況(圖4)。結果顯示，研究區景觀生態風險等級的空間分布狀況與景觀類型有著密切的關系。由于灌木、水體以及濕地這3種景觀類型自身的穩定性較好，其生態環境修復功能較為完善、抵抗人為干擾的能力較強，因此生態風險等級為低度和較低所占的總面積比例都高達到了88%以上。林地、草地、永久冰川主要集中分布于上游地區的松潘、平武、北川等縣(區)，由于上游地區的地形起伏明顯、坡度較大、土壤的抗侵蝕能力較弱，因此研究區上游雖然以生態服務功能較為強的景觀類型為主，但是區域生態風險等級仍然較高，中度及以上等級的生態風險區的面積占比分別達到了64.87%，55.96%，100%。耕地在整個研究區內呈均勻分布，此景觀類型長期受人類活動的影響，導致其景觀破碎度較高、生態環境較脆弱，生態風險等級為低度和較低的面積占比僅為37.93%。建筑用地主要分布于研究區中下游地區的河流沿岸以及地勢較為平坦的區域，是人類進行社會活動的主要場所，受人為活動的干擾最為嚴重，因此導致其生態風險等級為中度及以上的面積總和占比達到了71.20%。

圖4 涪江流域各景觀類型生態風險等級分布

4 討論與結論

4.1 討 論

在研究思路和方法上，與利用壓力—狀態—響應模型(PSR)[37]、驅動力—狀態—響應模型(DSR)[38]、驅動力—壓力—狀態—沖擊響應模型(DPSIR)等[39]方法研究景觀生態風險相比較，本研究著重從“自然—社會—景觀格局”3個維度選取景觀生態風險脅迫因子構建生態風險評價模型，基于空間主成分分析法(SPCA)和空間自相關分析方法著重對涪江流域景觀生態風險的空間異質性特征進行探討，從3個維度綜合的選取景觀生態風險脅迫因子進行景觀生態風險指數計算，可以改善單一指標對風險賦值的單一性和主觀性。而空間主成分分析法(SPCA)可以客觀的計算出各生態風險脅迫因子的權重，避免了多指標評判權重的不完善，進一步揭示了區域景觀生態風險形成的內在機制[40]。通過研究發現，研究區景觀生態風險指數值在空間上的分布中不是隨機的，而是存在顯著的空間依賴性和異質性特征，得出的結果與研究區的景觀生態環境現狀較為吻合，對今后涪江流域的景觀生態建設具有一定的指導意義。但是由于本研究側重點在于景觀生態風險的空間異質性研究，由于篇幅的限制以及其他的客觀原因對于生態風險的變化趨勢方向以及優化等內容尚未展開研究，在后續的研究工作中需要更進一步的深化。

4.2 結 論

(1) 生態風險評價的結果主要受自然因子和景觀格局因子的影響較大，社會因子的作用較小。景觀生態風險指數在空間分布上呈聚集模式，“熱點”主要分布在研究區上游和下游區域，“冷點”主要分布在中游區域，并且具有很強的空間正相關性。

(2) 由于受多種因子相互作用和影響，涪江流域的景觀生態風險指數的空間異質性特征較為明顯，生態風險等級整體上呈西北部的高于東南部；低度、較低、中度、較高、高度生態風險等級在整個研究區內所占的比例分別為19.32%，20.72%，25.43%，25.38%，14.55%，中度及以上的生態風險等級占了總面積的65.36%。研究表明涪江流域所面臨的生態風險問題較為嚴峻。

(3) 綜合景觀生態風險空間分布與景觀類型有著密切的聯系，較低、低度生態風險區主要分布于灌木、濕地和水體等景觀類型中；中度及以上生態風險區受海拔、坡度、土壤類型等自然因素影響，主要分布于上游以林地、草地、等為主的景觀類型中。