景观尺度土地利用生态风险评价指标体系的构建

傅丽华,张 晔,彭淑华

（1.湖南工业大学商学院,中国株洲 412008;2.湖南师范大学资源与环境科学学院,中国长沙 410081）

景观尺度土地利用生态风险评价指标体系的构建

傅丽华1,2＊,张 晔2,彭淑华1

（1.湖南工业大学商学院,中国株洲 412008;2.湖南师范大学资源与环境科学学院,中国长沙 410081）

指标体系构建是生态风险评价的核心内容.由于区域土地利用生态风险评价指标体系的构建方法不同,对同一区域采用不同方法评价的结果有较大差异.以区域土地利用生态风险为切入点,借助景观生态学的尺度分析优势及多学科知识的综合,将景观尺度作为生态系统与区域之间相对独立的中间尺度,运用尺度推绎和指标敏感性分析等方法,筛选并构建景观尺度的“源”和“汇”功能生态风险评价指标体系,科学规范指标体系的构建方法和评价模型,其分析结果能较好地反映区域生态风险变化特征,为实现区域土地利用与生态、社会、经济可持续发展提供了决策依据.

生态风险评价;指标体系;景观尺度;土地利用;区域

生态风险评价是一种应用正式的评估框架解释与人类相关的活动对一定区域内特定种群、生态系统或整个景观的正常功能因不确定性的事故或灾害影响或胁迫,以及一个或多个风险源在暴露过程中对生态系统可能造成的危害评估[1-7].

生态风险评价框架的核心构成是指标体系和评价模型.生态风险评价常以定量评价为主,在数学模型支持下对相关数据进行分析运算,计算生态风险指数值为评价结果,用以表达研究地生态风险的强弱.由于研究目的不同,对同一地区或同一类型区域的生态风险评价结果常有较大差异.另一方面,由于指标体系选择、评价内容与方法、指标权重选择的差异,也使得生态风险评价结果不能客观反映研究区生态系统的状况.

区域土地利用生态风险研究多采用环境生态风险常用的方法和手段,注重微观尺度研究,在大尺度单元的生态风险研究或多尺度研究中,对空间结构、多生态风险源和风险受体等尺度变化引起的空间生态风险差异缺乏剖析,较少考虑学科交叉的作用,对GIS与空间统计学、数学等相结合的空间风险技术运用较少.殷贺,王仰麟（2009）指出,由于生态风险评价研究尺度扩大,传统研究框架已不能适应区域尺度下生态风险评价的需要,须分析风险评价的尺度特征,实现不同尺度生态风险评价的协调和对接[8].但是,区域尺度常忽略生态功能价值与作用,而生态系统尺度又无法体现区域生态风险的整体性,因此,景观尺度分析的优势得到凸显,作为处于生态系统与区域之间的中间尺度,具有突出的生态价值,常用于表达社会和自然空间特征,是最合适的生态风险分析尺度.

本文以景观尺度土地利用生态风险为切入点,综合考虑人口增加、城市扩张、土地利用结构及功能变化等因素对土地生态系统的作用,以典型区域土地利用为分析实证,借助景观生态学的尺度分析优势和多学科知识的综合,对区域土地利用变化过程中所导致的区域生态风险程度进行分析,其结果将为实现区域土地利用与生态、社会、经济可持续发展提供决策依据.

1 景观生态学理论基础

区域土地利用生态风险评价最核心的景观生态学概念是尺度.尺度是自然界所固有的特征或规律并为有机体所感知的某一现象和过程在时间和空间上所涉及的范围和发生的频率[9],开展景观尺度生态风险研究,能更好地通过感知测量尺度来揭示景观尺度下土地利用生态风险分布的规律性[10].

Almo Farina（1998）提出的景观等级与结构理论是景观尺度分析的主要理论之一[11].该理论较好地解释了不同等级时空尺度格局与过程特定尺度下,不同成分景观组成与其他可见尺度的分辨率之间的关系.此后,邬建国（2000）提出了景观“等级斑块动态范式”,进一步阐述如何分析区域生态风险的尺度特征,指出尺度分析必须至少同时涉及斑块个体和镶嵌体水平两个层次的尺度[9],斑块动态是斑块个体本身的状态变化和斑块镶嵌体水平上的结构和功能的变化,同时应考虑相关尺度上的斑块性及斑块间的相互作用.另一重要理论是“源”与“汇”景观理论.该理论认为,不同研究对象和研究区域,均具有不同的景观功能和特征,在具体的生态过程中应进行“源”与“汇”景观分析[12].陈利顶等研究发现“源”和“汇”景观类型的空间分布与非点源污染的形成有密切的关系,并运用“源”与“汇”景观理论解释了景观格局与生态过程之间的联系[13].

迄今为止,国内外学者Almo Farina（1998）、邬建国（2000）、陈利顶（2006）分别从景观生态学视角提出景观等级与结构理论、景观“等级斑块动态范式”、“源”与“汇”等景观理论,是土地利用生态风险评价的重要理论基础,确立了景观尺度指标体系建立的可行性与科学性.建立基于“源”“汇”景观特征的生态风险评价指标体系,结合不同尺度等级结构和功能斑块的变化分析,将是景观生态学在区域生态风险评价研究中的科学应用.

2 景观尺度生态风险评价指标体系

从景观生态学角度评价生态风险,国外学者较有代表性的是Graham,Hunsaker,O'Nell（1991）等运用蔓延度指标对区域生态风险进行评价[14],国内学者曾辉（1999）、谢花林（2008）等开展了基于景观脆弱度及干扰度、景观损失度及各风险小区景观结构和空间统计学特征的生态风险分析,采用景观指数表示生态风险指数,从物理属性和景观尺度反映土地利用变化引起的生态风险[15-19],并运用ArcGIS和Fragstats软件为分析平台,通过空间采样和插值方法探求区域生态风险的空间分布规律[20].总体看来,建立在压力-状态-响应（Pressure-State-Response,P-S-R）的因果关系下的概念框架[21],是国内外学者普遍承认和应用的分析方法,多用于土地利用驱动因素导致的生态风险分析.

2.1 数据来源与处理

景观尺度土地利用生态风险评价所需的数据为两大类,分别为研究区遥感影像数据及区域人口、社会、经济、环境、土地利用等统计资料.遥感数据作为尺度研究的主要资料,结合土地利用现状,同时考虑社会、经济、环境等驱动因素的影响,建立景观尺度样地及邻域尺度的土地利用生态风险评价指标体系,对拟选用指标的尺度相关性、尺度敏感性等相关特征进行分析,确定景观尺度敏感性强,权重值排前列的指标作为生态风险判断的主要指标,并构建相应的指标体系.

2.2 指标分析框架

景观尺度作为具有相对独立性的中尺度分析,将基于不同压力下的景观敏感度和景观结构功能分析为重点,按照生态风险源-生态风险路径-生态风险受体（Source-Pathway-Receptor）分析路径,结合反映区域土地利用压力-状态-响应因果关系的指标体系,即具有景观尺度特征的D-P-S-I-R（driver-pressure-state-impact-response）框架下的土地利用生态风险评价分析指标体系[22],建立评价模型进行评价分析.因该指标体系具有多样性、多量纲、多尺度等特点,能综合反映区域土地利用和景观变化的空间单元结构、功能和过程的影响[23],同时增加了景观变化驱动力因素及生态风险源与受体相互作用等因素的考虑,更能综合反映区域生态风险状况及变化和分布特征,较常用的PSR分析框架更完善.

在本指标体系分析框架中（图1）,将各指标分别纳入D（Drive）驱动力、P（Pressure）压力、S（State）状态、I（Impact）影响作用、R（Response）响应等类别的指标中,从自然及人为驱动因素的环境污染、人口压力、土地利用方式等土地生态系统压力分析入手,以景观空间异质性、景观功能、景观干扰度等景观生态学指标作为重点内容,判断不同“源”和“汇”景观斑块及镶嵌体的结构和功能差异的“源”指标体系,及系统内不同生态风险受体对各种压力给予的时空尺度响应的“汇”指标体系,并建立生态风险评价指标体系.

图1 土地利用生态风险DPSI R评价指标分析框架

2.3 指标筛选

选取研究区域一定时间段数据,采用灰色关联度分析法、景观尺度的指标敏感性分析、指标相关性分析等方法对入选的各项指标进行筛选.

2.3.1 指标标准化处理 对起始年-终止年的原始数据进行标准化处理.首先用均值化方法把原始数据做无量纲化处理,得到均值化矩阵,然后计算主导因子序列与各关联因子序列相互比较的绝对差值,并找出最大绝对差值与最小绝对差值,最后按公式计算主导因子与关联因子间的关联度,并据此确定各个指标权重.Yt为无量纲数据,Xt为某年度数据,max（Xi）、min（Xi）为变量数据的最大值和最小值,为数据平均值.需注意的是,采用极差标准化处理数据时要考虑变量指标变化的正负相关两种情况,即

2.3.2 评价指标的尺度检验 分别采用尺度上推和下推方法,并结合层次分析法,运用arcgis9.0软件对遥感数据进行分析,依据粒度、幅度等信息对数据的尺度特征重点判别,同时结合邻域尺度生态风险指标体系的特征值的比较,找出最适宜进行风险分析的指标特征尺度.

通常情况下,根据研究区域的景观类型复杂性程度,考虑选择景观破碎度、景观优势度、景观异质性、景观脆弱度、景观敏感性、景观干扰度、景观损失度等景观结构及功能指标,并运用尺度推绎的方法对相关指标进行尺度上推和下推检验,通过对邻域尺度景观特征的分析,确定景观尺度特征最明显的几个评价指标.

以景观敏感性这一重要景观特征指标为例进行说明.由于不同生态风险源的作用尺度及风险受体的差异,不同区域生态风险构成指标体系不同.另外,同一指标在不同的尺度分析中的尺度敏感性差异,导致区域生态风险评价结果并不是尺度等级下的线性叠加.因此,进行景观敏感性分析对判断区域生态系统的结构和功能有着重要意义.徐立等人构建如下模型对指标敏感性进行分析[23]:

其中CS为敏感性指数,i和j代表初始状态和变化调整后的状态,Vi、Vj分别表示研究区土地利用结构调整前后的变化值,k为各种不同的景观类型,Cik、Cjk代表土地利用结构调整前后的景观变化值.从景观格局角度进行分析,可选取关键的景观格局分析指数如多样性指数、优势度指数、景观损失度、破碎度指数作为评价指标.

CS＞1,表示该研究尺度下土地利用结构变化影响强于景观变化的影响,表明结果是富有弹性的,该尺度的景观敏感性较差;若CS＜1,表明结果是缺乏弹性的,景观敏感性较强,研究结果的可信度高.

2.3.3 指标权重确定 指标标准化后,对相关因子进行显著性检验,通过相关分析,确定相应的因子相关系数值.以各类指标类型为因变量,以拟用指标为自变量,对指标进行逐一回归分析.

根据指标的尺度影响作用对不同尺度区域赋予不同主成分载荷值,依据主成分分析得到各类指标的第一主成分贡献率.再将指标放在不同的典型区域中进行分析,判断各种指标的显著度和贡献度及敏感度.根据贡献率大小对指标值进行排序,并确定各指标在风险评价体系中的权重.

式中R（j）为主导因子与其他各因子间的关联度,N为样本数,i为第i个样本;j为第j个关联因子;Δ（i,j）为主导因子与次要因子差的绝对值;Δmin为所有绝对差值中的最小值;Δmax为所有绝对差值中的最大值;k为敏感系数.

2.4 景观尺度区域土地利用生态风险状况的实证分析

陈利顶,傅伯杰等（2006）提出的“源”与“汇”景观功能指数,是生态风险评价的重要指数之一.该指数基于对“源”、“汇”景观的识别,判断“源”景观类型对于研究区生态过程的将起到正向推动作用,“汇”景观类型对研究过程将起到负向滞缓作用[21].拟定将研究区划分为若干结构功能近似的小区,分别对不同区域土地利用生态风险指数按样地面积权值进行加权,得到整个研究区土地利用生态风险评价值.

以长沙市沿湘江岸线分布的3块面积为10 km×10 km大小,从中心城区芙蓉区、天心区南接长沙县暮云镇,具有不同景观类型的样地为研究单元,各样地中各景观类型及面积见表1,并分别标为1、2、3号样地.根据敏感性指数分析结果可知,耕地与草地的敏感性最强,其次是林地和水域,建设用地及未利用地的景观尺度敏感性差,再计算不同景观类型的生态风险值,考虑景观权重及各类景观生态服务价值的差异得出整个样地的生态风险值.土地利用生态风险值计算公式为

式中,Ri为单个样区的生态风险指数,m为研究单元中的地类数,ωi为i地类的土地利用分级指数（参照刘纪远提出的土地利用分级指数[24],未利用地取值为0.25,林地、草地、水域取值为0.5,耕地取值为0.75,建设用地取值为1）,Ai为i地类面积,A为样地面积,Vi为i地类2000—2008年动态变化率,Ci是i地类生态系统服务价值系数.相关研究证明,不同土地利用类型的生态服务价值有较大的差异,水体、湿地的生态服务价值最高,其次为林地.参照徐立等关于湘中地区土地利用变化生态服务价值的确定[23],取水体的生态服务价值系数为25.3、林地为12、草地为4、耕地为3.8、建设用地为1、未利用地为0.23,计算得到各样区土地利用生态风险指数值（表1）.

表1 2008年长沙市典型样地土地利用生态风险评价

结果表明,样地1的大部分区域在长沙市中心城区芙蓉区范围内,土地利用生态风险值最高,位于长株潭三市结合部的长沙县暮云镇范围内的样地3计算得出的生态风险值最低.该结果进一步验证,建设用地面积大小对土地利用生态风险值高低有决定性作用.建设用地比重越大的区域生态风险值越高,林地、草地、水域等景观类型对降低区域景观生态风险起到突出的作用.

3 结论与讨论

景观尺度土地利用生态风险分析,较好地反映了区域土地利用变化的社会变化和空间特征.同时,该尺度作为处于生态系统与区域之间的中间尺度,也反映了区域土地利用的生态价值,是最适宜的生态风险分析尺度.

3.1 不同研究区域景观尺度分析指标选择有明显的差异

景观尺度土地利用生态风险指标体系的选择对评价结果有着直接的影响.不同研究区域指标体系的构建方法可相同,但基于区域自然、经济、社会条件的差异,具体指标选择应有差异.对于不同的研究区域而言,重点选择对构成区域生态风险具有关键作用的关键区段,结合区域内局部区段生态风险空间组合进行分析,从风险组成结构、作用强度、影响范围等方面反映生态风险的区域差异.区域生态风险值有明显的时间和空间分布差异,景观尺度的差异在典型区段表现更明显.

3.2 “源”与“汇”景观特征是制定生态风险调控措施的重要依据

不同“源”及“汇”景观的作用方式、影响范围和作用强度有明显的差异,对区域土地利用生态风险判断产生重要影响.提高对“源”及“汇”景观的识别,对不同风险的发生频率、强度等进行分析,有助于基于土地利用功能差异下确定区域内部保护和管理的重点对象,并由此建立相应的预警和防范机制,加强对各类生态风险影响的动态监控与信息管理,采取有效措施共同抵抗风险[25].

3.3 景观尺度土地生态风险研究结果有助于提高城市群土地利用管理水平

景观尺度的区域土地利用问题以城市群表现最为突出.一方面是因为城市群在发展过程中人口聚集度增加,使得土地供求矛盾日益加剧;另一方面,土地利用格局调整导致土地生态系统的结构功能发生巨大变化,这种土地利用方式对生态环境将产生深远的影响.因此,从景观生态学角度分析评价土地利用状态对生态系统结构和功能造成的危害,对实现区域可持续发展具有积极的意义.从城市规划的可操作性与生态城市建设的实践性看,开展景观尺度的生态风险评价指标体系构建是十分必要的.构建景观尺度土地利用生态风险评价指标体系,既突出了区域土地利用空间差异的整体特征,也规范了土地利用驱动动因为主的生态风险评价指标体系.同时,对城市群土地利用生态风险的分析,为有效进行生态风险等级管理,加强生态风险动态监测与预警、提高城市群土地集约利用水平提供了科学决策的依据.

3.4 影响生态风险评价结果准确性的因素

景观尺度的土地利用生态风险受诸多因素的影响,应重点关注主要因素对指标体系构建及评价结果的影响.一要考虑获取数据的准确性.遥感资料判读的准确性直接影响到解译的效果,其结果也影响到景观分析具体指标的选取;二是考虑尺度选择的弹性空间.景观尺度也是一个弹性的尺度,不同研究地的自然、社会、经济条件差异,导致了尺度选择的不确定性,因此对样地大小的确定应结合景观尺度而确定;三是要提高甄别不同类型景观的能力.“源”与“汇”景观在功能上的区分有时并不十分明显,也可能出现功能叠加的情况,需仔细判别才能提高生态风险评价结果的准确性.

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The Index System Construction of Land U se EcologicalR isk Assessm ent in Landscape Scale Perspective

FU Li-hua1,2＊,ZHANG Ye2,PENG Shu-hua1
（1.College ofBusiness,Hunan University of Technology,Zhuzhou 412008,China;
2.College of Resources and Environment Science,Hunan NormalUniversity,Changsha 410081,China）

Index system construction is the core of ecological risk assessment.As different index system construction methods had been used in land use ecological risk assess ment,the results of the same region are a lways different.In this paper,the ecological risk of land use was selected as a starting point,and also the advantages of scale analysis in landscape ecology,integrate multi-disciplinary knowledge were used.The landscape scale was regarded as an intermediate scale be tween ecosystem and region.Scaling and sensitive analysis method was used in screening and constructing the“source”and“sink”ecological risk system,the index was selected in ruling the method andmodelof the assessment.The results notonly reflect the state and distribution of regional ecological risk but also provide the decision of ecological risk assess ment for the sustainable development of land use in regional ecology,social and economy.

ecological risk assess ment;index system;landscape scale;land use;region

K903

A

1000-2537（2011）02-0089-06

2011-01-10

湖南省国土厅2010年度科技资助项目（2010-23）

＊通讯作者,E-mail:lihuaf88@163.com

（编辑 王 健）