鐵嶺市清河區土地生態空間風險評價

馬雪晴，梁 琛，尚國琲

(河北地質大學土地科學與空間規劃學院，河北石家莊 050031)

任何生物維持自身生存與繁衍都需要一定的環境條件，一般把處于宏觀穩定狀態的某物種所需要或占據的環境總和稱為生態空間。生態用地是指受人類影響較小，具有調節大氣、涵養水源、保持水土、保護生物多樣性等功能的用地類型。隨著逐漸上升的經濟狀況，人地矛盾的問題日益嚴重。在所有的土地類型中，生態用地影響著人類生活生產的環境，同時也影響著人類的身體健康。

目前，隨著國家城鎮化進程的不斷加快，以犧牲自然生態資源為代價的經濟發展模式導致區域空間格局失衡、生態功能退化，從而嚴重影響了國土空間的高質量發展。因此，基于新一輪的國土空間規劃改革，以生態空間管控作為重點的管理手段已成為國土空間管理必不可少的新選擇。

近年來，許多學者對生態空間的格局變化及影響因素進行了研究。Chi等建立了河口區景觀生態敏感性評價模型，根據景觀格局整合評價因素，分別對不同空間尺度進行效應驗證，結果表明，200 m尺度平衡了精度、空間異質性以及數據量的所有要求，是該模型最佳的空間尺度。陳利頂等提出了一種位置加權景觀對比指數，滿足了對降雨及土壤均質景觀的研究，同時還可用于表征對特定監測點的相關貢獻。王甫園等對珠三角城市群生態空間游憩利用擴展的格局及影響因素進行了分析，發現珠三角城市群的生態空間游憩利用數量呈現“由少數向內、外同時擴展”以及“由外向內部分填充”的特征，且生態空間游憩利用主要受人口增長、城鎮化發展、休閑旅游需求變化、區域生態空間治理政策和城市群規劃理念的綜合影響。趙亞琛等利用景觀生態優化的視角對臺兒莊古鎮的水環境生態空間適宜性發展進行了研究。綜上所述，研究生態空間格局變化有利于國土空間的高質量發展，并且對人類活動及環境健康也起到一定的指導作用。筆者基于2013—2017年清河區的生態空間土地利用現狀，運用景觀格局分析法，通過ArcGIS及Fragstats進行數據處理，找出清河區生態用地景觀格局變化的規律，求得生態風險指數，從而對清河區的生態空間進行生態風險評價，為清河區生態空間的開發利用優化提供參考數據。

1 資料與方法

清河區位于遼寧省鐵嶺市東北部，屬于市轄區。區行政區域地理坐標為124°03′44″～124°26′09″E、42°27′14″～42°37′57″N。地域面積為480.374 1 km，其中生態用地面積為288.574 0 km，占全區面積的60%。清河區地勢東南高、西北低(圖1)，屬北溫帶大陸性季風氣候，一年四季分明，年均氣溫為7.5 ℃，年均降水量為690 mm。

清河區轄區內的清河水庫為遼寧省第三大水庫，最大庫容9.71億m，正常蓄水5億m，具有防洪、灌溉、工業用水等功能。作為鐵嶺市的生態重點保護區，清河區對周邊城市維持生態安全起到了不可或缺作用。近年來，隨著經濟社會的發展，人類活動對清河區生態用地的影響程度逐漸增強，所以進行生態用地的風險分析就變得格外重要。

圖1 鐵嶺市清河區高程分布Fig.1 Elevation distribution of Qinghe District in Tieling City

該研究所使用的數據均來源于鐵嶺市清河區統計資料及《鐵嶺市統計年鑒》。參照《土地利用現狀分類標準》以及自然資源部全國第三次土地調查的用地類型分類，將土地生態利用空間劃分為一級類和二級類2個分類層次體系。并根據鐵嶺市清河區的統計數據及土地空間利用數據，利用ArcGIS進行拓撲分析，形成數據庫，通過Fragstats對其進行處理分析，得到鐵嶺市清河區生態用地利用變化情況。

該研究基于生態風險評價、景觀生態學理論和清河區的生態空間利用特征，整體上運用景觀格局分析法。根據2013—2017年清河區景觀格局的變化情況，參考相關文獻，建立景觀生態的風險模型，并依據此模型對清河區的生態空間風險狀況進行具體分析。

景觀格局分析方法是用來研究景觀結構組成特征和空間配置關系的研究方法，該研究主要通過斑塊密度指數(PD)、破碎度指數(C)、Shannon多樣性指數(SHDI)、景觀干擾度(LDI)、景觀損失度(LDD)和生態風險指數(ERI)6個指標對清河區土地生態空間利用現狀進行風險分析。

(1)斑塊密度指數。斑塊密度即在單位面積上的斑塊數量，是景觀格局分析的基本指數。斑塊密度指數有利于不同大小景觀間的比較，也可以直接反映土地利用景觀斑塊空間分布的均勻程度。計算公式如下：

(1)

式中，為生態類型，PD是生態類型的斑塊密度指數，為生態類型的斑塊數，是生態空間的總面積。

(2)破碎度指數。破碎度指數反映了景觀空間結構的復雜性，并且直接體現了人類活動的干擾程度。破碎度即土地利用斑塊的破碎程度，其值越大，表示斑塊越破碎。其計算公式如下：

(2)

式中，為生態景觀的破碎度指數，為生態類型的斑塊數，為生態類型的總面積。

(3)Shannon多樣性指數。Shannon多樣性指數表示土地利用類型的數量及各種類型所占的比例。它能夠反映景觀的異質性、復雜度和豐富度，尤其敏感于景觀中各斑塊類型非均衡分布的狀況，所以在群落生態學中被廣泛應用于多樣性的檢測。另外，在對比分析不同景觀或者同一景觀的不同時期的景觀多樣性變化時，Shannon多樣性指數也是一個敏感指標，該指數越大，土地利用類型就越豐富，破碎度就越大。其計算公式如下：

(3)

式中，SHDI表示生態用地的Shannon多樣性指數，表示生態景觀斑塊類型，表示生態景觀斑塊類型所占全部清河區斑塊數量的比例。

(4)景觀干擾度。景觀干擾度是指由一個區域內各種景觀所構成的生態系統受到外部因素(尤其是人類活動)的干擾程度，該區域的景觀干擾度越大，生態風險就越大，其計算公式如下：

LDI=+ED+

(4)

式中，LDI為地類的景觀干擾度，為破碎度指數；ED表示地類的邊緣密度，表示地類的斑塊聚合度。、、分別為、ED、的權重，且++=1，該研究運用熵權法，確定了、、3個指標的權重分別為057、039、004。

(5)景觀損失度。景觀損失度即研究區內的一種景觀結構被人類活動與自然外部環境干擾之后，其自身結構所受到損傷程度的大小。它綜合直觀地反映了各種因素對環境的影響。與地類的景觀干擾度和景觀脆弱度有直接聯系。其公式如下：

LDD=LDV×LDI

(5)

式中，LDD為地類的景觀損失度；LDV為地類的景觀脆弱度，該研究所使用的景觀脆弱度由專家咨詢法并歸一化獲得；LDI為地類的景觀干擾度。

(6)生態風險指數。生態風險指數表示生態格局由于人類活動和外部自然環境干擾所造成的景觀生態環境風險的易變情況。其公式如下：

(6)

式中，ERI為生態風險指數，為清河區的總面積，為地類的斑塊面積，LDD為景觀損失度。

2 結果與分析

清河區生態空間現狀分析。從2017年鐵嶺市清河區土地生態空間利用的數量結構(表1)可以看出，2017年清河區生態空間的總面積為288.574 3 km，占清河區總體面積的60.07%。其中林地為生態空間的主要土地類型，占清河區全部生態用地的80.60%。作為清河區三生空間的最重要組成部分，清河區生態空間的變化影響著清河區的生產生活，并且清河區生態空間各土地利用類型特征的變化也間接地反映清河區生態空間的總體變化情況。

表1 2017年鐵嶺市清河區土地生態空間利用數量結構Table 1 Quantitative structure of land ecological space use in Qinghe District of Tieling City in 2017

由圖2和表1可知，清河區的主體為生態用地，且主要集中分布在中部和東部地區，其中林地和水域及水利設施用地為清河區生態空間利用的主要組成部分，分別占生態空間的80.60%和17.37%。從圖2可以看出，清河區東北部及東南部生態空間面積比例較大，主要為林地。從空間形態上看，清河區東部生態空間的斑塊較多，其中東北部較為完整，東南部相比之下較為破碎，形狀多呈“羽片”狀。

圖2 2017年鐵嶺市清河區土地利用現狀Fig.2 Land use status of Qinghe District in Tieling City in 2017

清河區生態空間變化分析。根據清河區統計年鑒，得到清河區2013—2017年的生態空間面積變化，如表2所示。近5年來清河區的生態用地面積除其他用地外，均呈緩慢下降趨勢，2013年清河區的生態用地面積為288.592 3 km，2017年面積為288.574 3 km。其中，林地面積和水域及水利設施用地的面積逐年減少，草地面積在2013—2016年逐年減少，但逐漸趨于平穩。主要原因是清河區近年來對水庫周邊用地進行開發利用形成旅游區，造成了生態用地向生產生活用地轉變的情況。而在其他用地中，沙地面積保持穩定，裸地和設施農用地面積逐年緩慢上升。造成這種情況的原因是在土地類型轉換的過程中沒有將待轉換的土地完全利用起來，造成了裸地的產生。

表2 2013—2017年清河區生態用地利用類別及面積Table 2 Type and area of ecological land use in Qinghe District from 2013 to 2017 km2

清河區是鐵嶺市重要的生態屏障及水源地之一，也是鐵嶺市重要的生態屏障。因此對清河區生態空間用地的景觀格局進行研究，不僅能反映出清河區生態空間用地的景觀格局與人類活動之間的關系，還對預知其生態風險起到決定性作用。該研究從斑塊數量(NP)、邊界密度指數(ED)、斑塊密度指數(PD)、斑塊聚合度(AI)4個角度論述了清河區生態空間景觀格局變化。在同等面積下，各景觀斑塊數量越多，邊界密度指數越大，說明該景觀類型的分布更為破碎。同時，斑塊密度指數越大，斑塊聚合度越大，說明該類型的景觀在全區內的聚合度越高。根據清河區2013—2017年土地利用變化的柵格數據，運用Fragstats軟件進行計算分析，得到5年間清河區生態用地景觀格局指數(表3)。

從斑塊數量(NP)來看，2013—2017年清河區生態用地斑塊數量呈逐漸上升的趨勢，但結合表2分析，5年來清河區的生態用地總面積變化不大，更多的是不同地類之間的轉換。同時，邊界密度指數(ED)從65.46上漲至66.52，表明其生態用地斑塊的總周長在不斷上漲，進而說明5年間清河區的生態用地呈現出破碎化的發展趨勢。從2013—2017年清河區生態用地中各地類斑塊密度指數(PD)變化(圖3)可以看出，5年間清河區斑塊密度指數最大的為林地，其次為水域及水利設施用地、其他用地；草地的斑塊密度指數最小。相較于其他地類，林地斑塊更為破碎，且連貫性較低。

表3 2013—2017年清河區生態用地空間格局指數Table 3 Spatial pattern index of ecological land use in Qinghe District from 2013 to 2017

圖3 2013—2017年清河區生態用地斑塊密度變化情況Fig.3 Change of ecological land patch density in Qinghe District from 2013 to 2017

斑塊密度指數(PD)及斑塊聚合度(AI)呈現出相同的變化趨勢。5年間清河區的斑塊密度指數由5.33上升至5.59，而斑塊聚合度始終處于90%左右。可見，清河區生態用地的分布逐漸集中，在全區內空間分布較為密集，整體性較高。從5年間清河區各地類聚合度的變化情況(圖4)可以看出，林地、水域及水利設施用地、其他用地的聚合度較高，基本保持在80%以上；而草地的聚合度較差，但也隨時間變化在逐漸上升。

圖4 2013—2017年清河區各地類聚合度變化情況Fig.4 Changes of clustering degree in Qinghe District from 2013 to 2017

通過上述指標分析，基本了解了清河區2013—2017年的生態空間景觀格局變化，基于此，該研究對清河區生態空間的景觀格局進行了風險評價，并從破碎度指數()、Shannon多樣性指數(SHDI)、景觀干擾度(LDI)、生態風險指數(ERI)4個方面整體分析。從5年間清河區各生態風險指數的變化情況(表4)可以看出，整體來看，清河區生態空間的生態風險在逐年增高，對人類活動的敏感度也在逐年上漲。破碎度指數()表示清河區生態空間的復雜度。5年間清河區生態用地的破碎度呈現出逐漸升高的趨勢。從5年內清河區各地類破碎度的變化情況(圖5)可以看出，在4個土地利用類型中，斑塊破碎度最大的為草地，最小的為林地，說明5年間草地的斑塊復雜度較高，分布較為分散，而林地的斑塊較為完整，分布較為集中。但同時，林地的破碎度指數也呈逐年上漲的趨勢，說明隨著時間的推移，林地的分散程度越來越大。

表4 2013—2017年清河區生態風險指數Table 4 Ecological risk index of Qinghe District from 2013 to 2017

圖5 2013—2017年清河區生態用地破碎度變化Fig.5 Changes of ecological land fragmentation in Qinghe District from 2013 to 2017

Shannon多樣性指數(SHDI)同樣表示土地類型的復雜程度。2013—2017年清河區生態用地的Shannon多樣性指數不斷增長，說明5年間清河區的生態空間土地類型數量在逐漸增加，土地的復雜度不斷上升，土地生態用地總體的利用類型逐漸豐富，但隨著土地利用類型的增加，人類活動(包括過度放牧、開墾、樵采以及退耕還林等)對生態用地的影響逐步加大。同時，景觀干擾度(LDI)在5年間也呈現緩慢上升的趨勢，說明清河區生態空間受干擾的情況逐漸嚴重，受到風險的程度也在逐年上漲，更容易被外界因素影響而造成水土流失等環境問題。

根據清河區的生態風險指數(ERI)可以看出，近5年生態景觀風險指數也在不斷增加，這也代表著清河區生態用地受到干擾的風險在不斷增大。造成以上結果的主要原因是因為清河區的主導土地類型為生態用地，占清河區總面積的50%以上，且清河區的經濟發展速度加快，人類對環境的破壞程度也逐漸加大，所以人類活動因素對其生態用地的影響逐年上升，生態風險指數逐年增大。

3 結論與建議

該研究對鐵嶺市清河區2013—2017年土地遙感影像進行數據提取，通過ArcGIS和Fragstats軟件對數據庫的內容依據公式進行計算并得出分析需要的數據，在此基礎上進行清河區生態空間的生態風險分析，得出的結論主要有以下幾點：

(1)清河區生態用地逐年變化。受到清河區退耕還林工程以及清河水庫附近旅游業開發的影響，2013—2017年清河區的生態空間土地利用變化較明顯，雖然生態空間的面積逐漸增大，但均為其他用地的增加，林地、水域及水利設施用地、草地面積逐年減少。主要原因是未能將土地完全利用，產生了一部分的裸地。

(2)清河區生態空間景觀格局發生較大變化。生態用地的空間在整個清河區內的分布較均勻。5年內清河區生態空間的土地利用類型復雜度逐漸提高；雖然斑塊的完整性較高，分散度較小，但完整度有逐年下降的趨勢，容易因為外界因素的影響而受到破壞。

(3)清河區的生態景觀破碎度提高。2013—2017年清河區各類生態景觀的聚合度緩慢下降，林地和水域及水利設施用地的空間分布更為集中，草地更加分散。受人類活動的干擾度在逐漸增強，生態用地的生態風險指數緩慢上升，更容易遭受到人類活動及外界因素的破壞。

基于研究結論，對清河區的生態空間優化提出了以下建議：

(1)加強水域生態環境安全保護，防止水土流失。清河區是鐵嶺市的重要水源地，且水域及水利設施用地是清河區生態用地的重要組成部分。保護水域生態環境安全是改善生態環境的重要基礎，也是清河區當前最重要的任務之一。同時要加強清河水庫的水土流失動態監測，防止因人類活動造成的水土流失。

(2)加強林地生態建設，推進城鄉綠化。隨著清河區經濟的快速發展，生態空間受到了不同程度的破壞，而林地作為清河區生態用地的主要組成部分，被破壞的范圍也在日益擴大，破壞程度也比其他生態用地嚴重。為了保護清河區的生態空間，應加強林地的生態建設，政府應理順部門關系，推進聯合執法，加大改進力度。僅靠一個部門的林地管理是遠遠不夠的，因此，部門間的相互配合就尤為重要。同時，應建立健全的規章制度，強化群眾的林地保護意識和法制觀念，對農村的群眾進行林地管理方面的宣傳，使其樹立起保護林地資源的生態意識。

(3)充分利用生態空間未利用地，減少裸地產生。通過2013—2017年清河區土地利用變化可以清楚地看出，雖然清河區的生態用地面積在逐年增加，但裸地的面積也在逐年增加。為了防止清河區的生態用地進一步退化，應對清河區的土地進行合理規劃；清河區生態空間占整個清河區面積的50%以上，對于未利用地及裸地，應對其進行改造，使其變成林地或建設用地，能被人類充分利用。