基于LUCC的福建省景觀生態風險演化研究

周偉健, 王武林, 羅婉璐, 林 珍

(1.福州大學 數字中國研究院(福建), 福建 福州 350108; 2.湖南師范大學 旅游學院, 湖南 長沙 410081;3.福州大學 環境與安全工程學院, 福建 福州 350108)

自然生態系統為人類社會發展提供了重要的物質基礎和生態服務,其結構與功能的持續穩定已成為人類社會發展的先決條件[1].發展中國家的快速城市化已被證明會產生更頻繁的人類-生態系統互動[2],在過去的20年里,中國快速的城市化推動了大量的人類活動,給自然棲息地帶來了巨大的壓力[3],直接影響了自然生態系統的結構和功能,造成了復雜的生態安全問題.景觀作為反映人類對自然生態系統影響方式與程度的主要載體,是研究人類活動對環境影響的適宜尺度[4],目前基于土地利用變化的生態風險評價方法是景觀生態相關研究中的熱點[5,6],土地利用變化反映了人類活動和自然因素對生態系統的影響[7].

生態風險評價逐漸成為發現和解決環境問題的依據[8],以土地利用格局作為風險綜合體,評估和分析人類活動可能會對生態系統結構和功能造成的不利影響以及危險程度[9].目前多以景觀格局分析為基礎,在“損失與概率累乘”的范式下借助景觀干擾度與景觀脆弱度構建景觀生態風險綜合指數[10].在景觀脆弱度指數的構建上,目前研究主要是采用專家打分法[11,12]以及將景觀脆弱度分為景觀敏感度和景觀適應度進行計算[13,14],也有學者引入生態系統服務作為景觀脆弱度的評價依據[15,16],以期從更加客觀的角度評價景觀脆弱度.同時,景觀格局分析主要以柵格數據為數據源進行研究[17],在以計算景觀格局指數為主要研究方法的研究中,不同空間粒度的選擇對結果的影響較大.

目前基于土地利用數據的景觀生態風險評價研究已有較為成熟的研究范式,研究尺度上大多數為某一流域、市縣等,對省域尺度的研究較少,本文以福建省為研究區域,結合2000年、2010年、2020年三期土地利用數據探究福建省近20年來的生態風險變化趨勢,在基于適合福建省域尺度景觀格局分析的空間粒度下探究其景觀生態風險的時空演變特征,綜合考慮地形以及景觀類型本身抗干擾的能力,以地形起伏度和土地利用類型為基礎計算景觀脆弱度并以此構建景觀生態風險評價模型,對其生態風險變化的研究能為后續生態環境保護、景觀結構優化提供科學依據.

1 研究區域與數據來源

1.1 研究區域概況

福建省地處中國東南沿海(23°31′～28°18′N,115°50′～120°40′E),屬于亞熱帶季風氣候,全年平均氣溫在17°C～22°C之間.福建省下轄九個地級市,陸地面積共12.4×104km2,森林覆蓋率達60%以上,并且有80%以上的土地面積為山地丘陵,地勢上中部、西北部高,東南部低(圖1).一直以來福建省高度重視生態文明建設,但依然面對著經濟發展、城鎮化率提升、人口增長壓力等的挑戰,對福建省景觀生態風險變化的探究具有重要的現實意義.

圖1 研究區概況圖

1.2 數據來源

本文使用的DEM數據來自地理空間數據云(www.gscloud.cn),景觀類型數據采用土地利用數據表示,2000—2020年土地利用分類數據來源于武漢大學楊杰和黃昕教授團隊發布的CLCD數據集(doi.org/10.5281/zenodo.5816591)[18],空間分辨率30m,總體分類精度達80%以上,基本滿足研究需求.

2 研究方法

2.1 適宜研究尺度的選取

(1)空間粒度選取.本文以2020年福建省土地利用分類圖作為最佳空間粒度分析的底圖,從30m開始每隔10m采樣一次至200m,從200m開始每隔20m采樣一次至400m,共生成29幅不同空間粒度范圍的土地利用景觀圖.景觀格局指數具有尺度效應[19],借助景觀水平上景觀格局指數在30～400m范圍內的變化趨勢來探究適合福建省域尺度下景觀生態風險研究的空間粒度.本文在景觀格局指數的選擇上參考相關研究[20,21],從景觀面積、形狀、聚合度、多樣性指標中選擇了11個指數:NP(斑塊數量)、PD(斑塊密度)、ED(邊緣密度)、LSI(斑塊形狀指數)、MPS(平均斑塊面積)、PAFRAC(周長面積分維數)、CONTAG(蔓延度指數)、PLADJ(相似鄰接比例度)、MESH(有效網格面積)、SPLIT(景觀分離度指數)、AI(聚合度指數),各指標生態學意義參考相關資料[22],通過Fragstats軟件計算景觀格局指數在不同空間粒度下的變化.采用拐點識別法以景觀格局指數的變化探究最適合福建省研究尺度下的空間粒度.

(2)面積信息損失評價模型.對尺度轉換前后各類型面積進行比較,得到不同尺度下各類型面積損失的絕對值或相對值[23].數學模型表達式為:

Li=(Ai-Abi)/Abi×100%

(1)

(2)

式中:Li表示第i類土地利用類型的面積損失值;Ai表示土地類型i尺度變換后的面積;Abi表示土地類型i尺度變換前的面積;Si表示區域土地面積變化指數;n表示區域土地類型數量.Si越大,表明研究區域內的各類土地利用面積隨空間粒度變化而損失的信息越多.

(3)生態小區劃分.將研究區劃分為若干生態風險子區域,以實現景觀生態風險指數的分區統計,保證空間異質性[24].目前研究普遍采用以研究區平均斑塊面積大小的2～5倍構建生態風險小區,綜合考慮研究區域大小以及平均斑塊面積,本文采用等間距采樣法建立5km×5km大小的漁網進行計算,漁網經裁剪后共生成5446個生態小區.

2.2 景觀格局轉移矩陣

轉移矩陣可定量直觀地反映兩個時期內各景觀類型之間的轉化情況,還可以揭示不同景觀類型間的轉移速率,反映了景觀時空格局的變化[25].數學表達式如下:

(3)

式中:S為總面積;n為景觀類型的數量;i為研究初期的景觀類型,j為研究末期的景觀類型.

2.3 景觀生態風險指數的計算

作為目前常用的生態風險評價方法,生態風險指數能夠定量評價不同研究單元內生態風險的綜合水平,更好地反映一定時期內景觀結構變化所帶來的生態風險變化[26].本文通過景觀脆弱度和景觀干擾度構建景觀生態風險指數.計算公式為:

(4)

式中:Aki為第k個生態小區內第i個景觀類型的面積;Ak為第k個小區的總面積;Ui為景觀類型i的景觀干擾度指數;LVIk為第k個風險小區的景觀脆弱度指數.景觀干擾度、景觀脆弱度指數計算方法如下:

(1)景觀干擾度指數.景觀干擾度指數Ui反映了人類活動或自然變化對每個景觀結構的擾動程度[3],通過景觀破碎度(Pi)、景觀分離度(Fi)、景觀優勢度(Yi)確定(表1),計算公式如下:

Ui=aPi+bFi+cYi

(5)

式中:i為第i類景觀類型,a、b、c為各指數對景觀干擾度指數影響的權重,a+b+c=1,參考已有研究并結合福建省實際地形狀況[16,27],將a、b、c權重值分別設置為0.6、0.3、0.1.

(2)景觀脆弱度指數.景觀脆弱度指數用來表征景觀格局在遭受外界干擾時的抗干擾能力.在參考相關文獻[28,29]的基礎上,將景觀脆弱度以地形起伏度和土地利用類型作為評價因子進行計算,計算公式如下:

(6)

式中:LVIk表示景觀脆弱度大小;Fi表示評價因子i的評價等級;Wi表示評價因子i的權重.將地形起伏度和土地利用類型的權重分別設置為0.4、0.6.兩個評價因子均分為五個等級,地形起伏度以DEM數據為基礎進行計算,將得到的結果參考自然斷點法分為五級;土地利用類型按敏感程度從低到高依次為:建設用地,水域,森林,草地、灌木,未利用地、耕地[13,30].

2.4 空間自相關分析

空間自相關分析可以揭示一個變量的空間分布是否受到其臨近變量的影響,是空間單元屬性值集聚程度的一種度量[6].本文以Moran’s I指數和LISA指數分別表征福建省景觀生態風險的全局自相關和局部自相關.

3 結果與分析

3.1 福建省景觀格局指數尺度效應分析

研究區整體景觀水平上景觀格局指數在30～400m范圍內的粒度效應如圖2所示呈現以下四種趨勢:單調下降、波動下降、單調上升、波動上升.

30～400m范圍內,呈下降趨勢的指數中,NP、PD、ED、LSI、CONTAG、PLADJ、AI等指數均無明顯波動變化,轉折點不明顯,隨空間粒度的增大而呈現單調減少的趨勢. SPLIT指數呈現波動下降的趨勢,轉折點較明顯,其中第一次轉折點出現在80m處,第一粒度域為30～90m.呈上升趨勢的指數中,MPS指數總體上呈單調上升趨勢,PAFRAC指數先隨著粒度增加而快速增長,后趨于平緩,MESH指數則對粒度變化較為敏感,呈波動上升趨勢,第一次轉折點出現在80m處,第一粒度域為30～90m.

綜合分析所采用的十一種景觀格局指數對空間粒度變化的響應,其中只有SPLIT、MESH兩種指數對空間粒度變化有較為顯著的響應,隨空間粒度增加呈現波動變化狀態,其余指數均對空間粒度變化不敏感,沒有出現明顯的波動和轉折點.因此選定30～90m區間范圍作為福建省尺度效應分析的第一粒度域.

3.2 確定最佳分析粒度

本文以30m分辨率土地利用景觀格局數據為底圖,通過重采樣方法生成30～400m范圍內的景觀格局圖來表征空間粒度的變化,用以探究景觀指數對空間粒度變化的響應情況.參考學者趙文武的研究[31],在不同的空間粒度下,景觀所能表達的信息量也不相同,通過構建面積信息損失指數可以得到景觀在粒度轉換前后面積信息損失度.本文以2020年土地利用分類數據為基礎計算面積損失指數,相關結果如圖3所示,可以看到在30～90m范圍內,信息損失指數始終呈現上升趨勢,綜合面積信息損失指數和前面景觀指數粒度效應的分析結果,在第一粒度域范圍內,應該選擇面積信息損失最小的粒度即40m作為福建省景觀格局分析的最佳粒度.

圖3 面積信息損失指數

3.3 景觀格局變化分析

2000—2020年福建省景觀類型變化如圖4所示,其中耕地、森林為福建省主要景觀類型,兩種景觀類型共占研究區90%以上的面積. 2020年福建省內景觀類型面積按從大到小排序分別為:森林、耕地、建設用地、水域、草地、未利用地、灌木.

圖4 2000—2020年福建省土地利用景觀類型變化

由表2和圖5可知, 2000—2020年20年間福建省各景觀類型發生了不同程度的轉化. 2000—2010年,耕地、森林、建設用地這三類景觀類型面積發生了較大幅度的波動.耕地大面積轉換為森林,占轉出面積的70%,同時森林部分區域也轉換為耕地,總體上耕地處于逐漸減少的狀態;建設用地面積逐漸增加,主要由耕地轉化而來,占耕地減少面積的23%. 2010—2020年,減少面積最多的景觀類型為森林,且大部分轉換為耕地,建設用地面積持續增加且增加速率較2000—2010年期間有所提升,新增的建設用地主要由耕地轉化而來.

表2 2000—2020年福建省景觀類型面積轉移矩陣(km2)

圖5 2000—2020年福建省土地利用變化?；鶊D

2000—2020年期間共有9.2%的面積約6284.22km2發生了變化,其中耕地凈增1089.26km2,森林凈增-2805.37km2、灌木凈增-16.73km2、草地凈增-52.36km2、水域凈增-267.65km2、未利用地凈增0.73km2,建設用地凈增2052.12km2.耕地、建設用地面積均有不同幅度的上升,其中建設用地呈逐漸上升趨勢,近20年內面積增長近90%,建設用地擴張區域主要為東部沿海地區以及省內干、支流沿岸地區.森林、水域面積呈現先增加后減少的趨勢,灌木、草地面積則持續減少.未利用地面積沒有出現較大幅度的波動.

綜上所述,森林、耕地、建設用地為主要發生變化的景觀類型,在退耕還林政策、耕地紅線保護制度、森林砍伐、城鎮面積增加等多種因素影響下,森林面積呈現出先增后減的變化,耕地面積則為先減后增,而建設用地面積在福建省快速城市化的背景下大量增加,主要增加區域為東部沿海及省內各大河流沿岸.

3.4 景觀格局生態風險時空變化分析

構建5km×5km網格建立生態風險小區作為評價單元,以生態風險小區的質心作為采樣點,通過ArcGIS軟件進行克里金插值對采樣點賦值生成福建省景觀生態風險分布圖,參考自然間斷點分級法將2010年的生態風險等級分為五級[30]:低風險、較低風險、中風險、較高風險、高風險,2000年、2020年的生態風險等級劃分采用與2010年相同的標準,以便不同年份之間數據的對比分析,探究福建省景觀生態風險時空演變規律.

2000—2020年福建省景觀生態風險變化如圖6所示,將各風險等級的面積統計,統計結果如圖7所示,由計算結果可知,2000年福建省景觀生態風險格局總體上為東部沿海地區生態風險較低,中部、北部山區生態風險較高,低風險、較低風險主要分布在東南沿海以及西部的寧化縣、長汀縣等和北部的建陽區、蒲城縣、武夷山市等區域,共占福建省總面積的23%,其中東南沿海地區人類活動較為強烈,但大部分區域地勢低,地形平緩且為建設用地,人類活動帶來的影響較小.較高風險和高風險區域沿著西南-東北走向縱向分布,主要分布在省內地勢較高,起伏度較大、景觀類型為較為敏感的森林、耕地、未利用地等區域. 2010年高風險區域較2000年有所增加,主要增加的區域為漳平市、泰寧縣、建寧縣,中風險區域向東部擴張,福建省整體的景觀生態風險值增加. 2010—2020年期間福建省整體生態風險變化程度較大,主要表現為中高風險區進一步向東擴張,中部、北部高風險區域增加,較多中風險區域轉化為較高風險區域.

圖6 福建省景觀生態風險分布

圖7 2000—2020年福建省景觀生態風險占比

2000—2020年期間福建省整體的景觀生態風險逐漸上升,2000年、2010年和2020年福建省景觀生態風險均值分別為0.167、0.217和0.243,20年間數值增長45.4%,低風險、較低風險、中風險區域面積逐年下降;較高風險、高風險區域面積逐漸增加.

利用GeoDa軟件計算Moran’s I指數對福建省各生態風險小區的景觀生態風險進行全局空間自相關分析,結果顯示2000—2020年福建省3期Moran’s I指數分別為0.715、0.738、0.768,表明研究區景觀生態風險值在空間上呈現顯著的正相關關系,景觀生態風險在空間上會相互影響,即福建省景觀生態風險存在集聚效應,并且Moran’s I指數值呈上升趨勢,集聚效應不斷加強.

采用LISA指數對福建省景觀生態風險進行局部空間自相關分析,進一步探討景觀生態風險值的空間集聚程度.結果如圖8所示,整體上來看,福建省景觀生態風險以高-高、低-低集聚區為主.其中高-高自相關類型的數量呈逐漸增加的趨勢;低-低自相關類型數量先減后增,整體上呈現減少的狀態;低-高、高-低自相關類型數量較少且逐年減少.近20年間福建省中東部與北部的高風險集聚區不斷增加,西部與北部的低風險集聚區大部分消失,集聚區的變化同樣也說明了福建省中部、北部的景觀生態風險正在增加,并且有高風險區向東擴張的趨勢,這可能是由于城市發展、不規則擴張導致的景觀破碎化所導致的.從空間分布上看,目前福建省高風險集聚區主要位于龍巖市的新羅區、連城縣,三明市的大田縣、尤溪縣、將樂縣,泉州市的德化縣,福州市的永泰縣,南平市的光澤縣、武夷山市、建甌市,寧德市的壽寧縣、周寧縣,漳州市的平和縣等地區,這些地區的用地類型以森林、耕地為主,且地勢復雜地形起伏較大,景觀穩定性較差導致抗風險能力較低.低風險集聚區主要位于東部沿海已建成的城市區域,這些區域的城鎮化率較高,多為建設用地,抗風險能力較強.

圖8 2000—2020年福建省景觀生態風險局部自相關分布圖

4 討論與結論

4.1 討論

從生態風險指數的計算結果來看,福建省目前景觀生態風險呈上升趨勢,中高風險區域主要分布在福建省中部、北部的位置,這些地區的海拔相較周圍其他地區更高,地形起伏度大且景觀類型以耕地和森林為主,表明這些地區的景觀類型更容易受到外界影響,在土地耕作和森林開發的過程中容易產生水土流失等問題.福建省東部沿海地區地形起伏度較低,景觀類型以建設用地為主,隨著近年來城市的快速發展,東部城市群逐漸向內陸擴張,在這過程中會侵占大量其他景觀用地,原本連續的景觀被分割,從而導致景觀破碎度和相應的景觀生態風險增加.在今后進行相關國土空間規劃的過程中需要加強對生態系統保護的重視程度,福建省中部、北部高風險區域大部分為地形起伏度較高區域,開發過程中應注意防范耕地和森林資源的過度集中開發,避免出現水土流失問題,加強森林、耕地等景觀的整體性,繼續實行退牧還林、還草政策,促進區域可持續發展.東部城市擴張邊界區域景觀類型變化較頻繁,城市化進程是該地區景觀生態風險提高的主要原因,發展過程中需注意景觀結構的合理搭配,合理規劃城鎮和鄉村的建設用地,提高建設用地集中使用率,避免因城鎮發展而導致其他連續的景觀被分割,促進人與自然和諧發展.

景觀生態風險指數可以定量表征研究區的景觀生態風險狀況.本文以福建省為研究區域,以2000年、2010年和2020年三期土地利用數據為基礎,在確定適宜分析粒度的基礎上以景觀脆弱度指數、景觀干擾度指數構建景觀生態風險指數并結合空間自相關分析探究福建省2000—2020年期間景觀生態風險的時空演變特征.然而,區域生態系統風險的變化是受多種因素影響的,本文僅從景觀格局和地形狀況的角度評價研究區景觀生態風險,評價結果存在一定的片面性.在未來研究中可以考慮在生態風險評價體系中加入氣候、降水、社會經濟等其他相關影響因素,構建綜合評價體系,形成更加全面的評價結果,增強評價結果的合理性.

4.2 結論

(1)結合景觀格局指數對粒度變化的響應以及面積信息損失指數的結果,確定適合福建省景觀格局分析的適宜空間粒度為40m.在結合前人研究基礎上選用的11個景觀格局指數中,只有SPLIT(景觀分離度指數)、MESH(有效粒度尺寸)兩種指數對空間粒度發生的變化較為敏感,其余指數均隨粒度增加呈現單調變化.

(2)2000—2020年期間,耕地、森林、建設用地3種景觀類型面積發生了較大的變化,耕地面積先減少后增加;森林面積先增加后減少;建設用地面積大量增加,增加的部分主要由耕地面積轉化而來.在經濟快速發展與人口不斷增長的背景下,建設用地保持快速擴張的趨勢,同時在耕地保護政策、森林資源開采力度加大等多重因素下,福建省景觀破碎度呈增加的態勢,導致了整體景觀生態風險的增加. 2020年福建省內景觀類型面積按從大到小排序分別為:森林、耕地、建設用地、水域、草地、未利用地、灌木.

(3)2000年、2010年、2020年,福建省景觀生態風險平均值分別為0.167、0.217、0.243,整體上呈上升趨勢,低風險、較低風險、中風險區域逐漸減少,較高風險、高風險區域逐漸增加.高風險區域主要位于福建省中部、北部山區,用地類型以耕地、森林為主的區域. 20年間,中風險區域逐漸往東部沿海地區擴張,福建省3期Moran’s I指數分別為0.715、0.738、0.768,景觀生態風險分布在空間上呈顯著的正相關關系且逐漸增強.從局部空間自相關結果來看,福建省主要以高-高、低-低集聚區為主,高-高集聚區呈現擴張的趨勢.