基于景观格局的赣江上游区生态风险变化研究* 1

刘光旭，毛梦瑶，相爱存

(赣南师范学院 地理与规划学院，江西 赣州　341000)



基于景观格局的赣江上游区生态风险变化研究* 1

刘光旭，毛梦瑶，相爱存

(赣南师范学院 地理与规划学院，江西 赣州341000)

摘要：基于景观格局的生态风险变化分析是区域的生态风险管理的科学基础.本文选用区域综合风险分析模型，结合层次分析法、GIS技术和FRAGSTATS3.3软件，根据地球科学数据共享网1980s以来的土地利用数据，通过生态景观类型提取、综合生态风险指数和生态风险要素中的风险源、风险受体和风险效应计算，系统的分析赣江上游区80年代以来生态风险的时空变化特征及其驱动因素.结果表明在研究区的六种景观类型中，聚落景观增加明显(从0.90%增加到0.97%)，林地、农业景观和水域占比在波动中略有增加，草地和其他景观呈下降趋势.综合生态风险指数分析显示研究区自1990s以来生态风险水平呈上升趋势.基于风险“三要素”的变化机制分析表明，赣江上游区风险源主要来源于农业景观和聚落景观的变化.人为因素是本区生态风险水平上升的最主要原因.

关键词：赣江上游区；景观格局；生态风险；驱动因素

1引言

近几十年来,随着我国工业化进程的高速发展和气候变暖加速，许多地方出现了森林植被退化、土地荒漠化、酸雨及生物多样性和生态系统服务功能降低等生态问题，危险到我们赖以生存的自然环境[1-2].其中，作为生态系统镶嵌构成的整体[3]，景观是具有明显视觉特征的地理实体，具有经济、生态和美学等多重价值[4].景观异质性在空间中的展布就是景观格局，是大小和形状各异的景观要素(生态系统)在空间上的排列和组合[5]，包括斑块、廊道、基质以及要素的类型、数量构成、空间配置形式、多样性、破碎化、连通性和优势度等[6]，决定于异质性景观要素的数量、种类、形状、规模和其空间展布模式[7].外界干扰和景观内部各组成要素本身的自然演替会影响景观的格局和功能，影响区域生态风险水平.生态风险是生态系统及其组分所承受的风险，是外界干扰或灾害对生态系统结构和功能造成损害的可能性[8]，风险评估结果既可对区域的生态风险管理提供综合、系统、科学的理论借鉴和技术支持，也是景观生态结构优化的科学基础[9]，是生态学和生态经济学研究的热点和前沿[10].

江西赣江上游区是我国著名的革命老区和贫困地区，近些年随着城市化进程加快，水土流失、城市及矿业废水等使赣江流域生态问题日益严峻，已有研究显示赣江仍旧是鄱阳湖最大的泥沙携入者[11].因此，基于景观格局分析赣江上游区生态风险变化情况及其驱动因素，是优化赣江流域生态功能和进行生态风险调控的关键，也是保障赣南苏区振兴、实现人地和谐发展的核心.

2研究数据和方法

2.1研究区域概况

赣江是鄱阳流域最大的河流，也是长江第7大支流.以万安县棉津站为界，以南为赣江上游区，占赣江流域的45.5%，绝大部分隶属于赣州市.本文中研究的赣江上游区即指赣州市整个地区(图1).图1显示，研究区在113.54′-116.38′E和24.29′-27.09′N间，气候属中亚热带季风湿润气候，降水丰富但季节分布不匀，季风盛行的春夏季降水较为集中，热量丰富；区内河流众多、水资源丰富，东源贡水和南源章水等汇入以赣江为中轴的流域水系，流域相对完整；地貌类型齐全，以山地、丘陵为主，山丘面积占总面积的75%以上.整个地势四周高中部低，西北向开口；自然景观以林地为主，包括草地、水域、城镇、农村聚落等类型.林地景观由原始天然林、次生林、以马尾松及杉木为主的人工用材林，以及水土严重流失后飞播的马尾松林(退化林)等多种典型林地类型.天然林以亚热带常绿阔叶为主，针叶林面积比重较大，以杉、松、竹及油茶和柑桔为主，是国家重要的木本油料基地和五大杉木种植区之一.80年代以来，随着社会经济的发展和资源的开发利用，原有的景观类型发生了明显改变，该区的生态环境的压力也在逐步加大.

图1　研究区范围

2.2研究数据

该研究的主要数据来源于地球科学数据共享网，包括研究区1986年、1995年、2000年和2005年四个时段的土地利用数据，通过校对和重分类，获得80年代以来不同时段的生态景观类型信息.根据研究数据，本文把赣江上游的景观类型分为林地、草地、水域、农业景观、聚落景观和其他六种类型.

2.3研究方法

研究方法上，采用安佑志等构建的区域综合生态风险模型，结合层次分析法、GIS技术和FRAGSTATS3.3软件，通过生态风险指数和生态风险要素中的风险源、风险受体和风险效应计算，系统的分析赣江上游区80年代以来生态风险的时空变化特征.其中，区域综合生态风险模型为：

(1)

式中，ERI是生态风险指数；i是第i种景观类型；Si是第i类景观类型的面积；S是区域总面积；Pi是不同类型景观类型下的生态风险强度指数，通过专家咨询打分确定.本文根据相关研究，将林地、草地、水域、农业景观、聚落景观和其他类型的风险强度指数确定为0.146 9、0.072 8、0.083 9、0.101 3、0.316 1、0.088 4[12].

生态风险分析需综合考虑多风险源、多受体和复杂的空间信息[13]，在进行风险指数计算的基础上，本文从生态风险三要素：风险源、风险受体、风险效应入手，通过代用指标计算，探讨影响生态风险的主要因子.根据相关研究，风险要素的具体指标如表1所示.采用FRAGSTATS3.3和ArcGIS10.2软件计算各指标在赣江上游区的分布情况.

表1　赣江上游区生态风险评价指标体系

表2　赣江上游主要景观类型空间展布(单位%)

3结果与分析

3.1赣江上游景观类型时空变化特征

基于2005年土地利用图重分类得出的景观类型图，以县级行政区划为基本单元，分析赣江上游区六类景观类型的空间分布情况见表2.

表2显示，赣江上游主要景观类型为农业、林地和草地，这3种类型的面积占比在98%以上.其中，林地是本区占比最大的景观类型，2005年面积比高达81.39%.按照面积比，本区景观类型依次为林地、耕地、草地、水域、聚落和其他类型.从各个县(或县级市)空间分布分析，林地和农业景观占比最大.定南的林地比重最高，达到90.8%，寻乌、崇义也接近90%.农业景观占比最大的县市是南康，高达18.4%，赣州市区、信丰、大余等也在15%以上.聚落景观占比中位数为0.93%，接近1%.

通过计算四期景观类型占比，分析研究区景观类型的变化情况见表3.根据表3，赣江上游聚落景观增加明显，从1986的0.9%增加到2005年的0.97%.草地和其他景观类型持续下降，尤其是其他景观类型，20年间减少了50%，占比从1986年的0.02%，到2005年减少为0.01%.水域景观在波动中上升，而林地景观、农业景观变化平缓但略有增加.

表3　1986-2005年赣江上游主要景观类型占比变化

图2　1986-2005年赣江上游区生态风险指数动态变化

图3　2005年赣江上游区生态风险分区

3.2赣江上游生态风险变化分析

基于2.3中介绍的区域景观综合生态风险模型，分析1986年以来赣江上游区的生态风险变化情况(图2).

据图2，赣江上游区的生态风险指数在1986年到1995年期间呈下降趋势，自1995年后，逐步上升，速度由快到缓.结合表3可以看出，1986-2005年景观类型结构的变化与生态风险指数呈现明显的相关性：聚落景观比重最高的年份(2005年)生态风险指数最高.究其原因，在赣江上游区四期景观类型中，景观结构虽保持了一定的稳定性，但是内部不同景观类型的转换在持续发生，景观结构的调整，直接影响了生态风险指数的变化，而前者更多的受到社会经济发展的驱动(聚落占比持续增加).随着社会经济快速发展,不同景观类型之间的转换速度可能还会加快，赣江上游区生态系统的结构和功能也会发生较大改变，生态风险也会随之增加，进而会影响到生态潜力的发挥.

3.3生态风险区划分析

根据2005年赣江上游区各县(或县级市)的各个景观类型的面积比重和GIS技术，以县市为评价单元对研究区进行生态风险区划分析(图3).图3中，风险等级中的Ⅰ～Ⅳ级是根据计算出来的风险指数以0.05为间隔进行划分的.其中，把指数在0.80以下的划分为Ⅰ级风险区，0.80-0.85、0.85-0.90、0.90以上的依次划分为Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级.等级越高表明其生态风险指数越大，生态风险水平越高.

图3显示，赣江上游区的生态风险指数总体从南向北有递增趋势，赣州市区和南康区最高，其次是石城、宁都、大余、于都、信丰、瑞金，林地面积较大的上犹、赣县、全南、安远、兴国、龙南稍低，而定南、寻乌和崇义三县的生态风险水平最低.

3.4生态风险系统变化机制分析

基于2005年赣江上游区景观类型分布数据和2005年赣江上游区人口、GDP和道路长度等数据，通过本文所构建的生态风险指标体系分析模型，探讨分析影响生态风险的变化机制.其中，风险源因子基于赣江上游区景观类型结构变化数据进行选取，选取变化显著的农业景观、聚落景观、林地景观面积占比作为指标；风险受体中各项指标是利用专业软件FRAGSTATS3.3对2005赣江上游区景观类型分类景观图分析得出，斑块密度、形状指数反映景观斑块复杂程度，聚集度反映板块的空间构型[13]；风险效应选取的是与赣江上游区生态环境变化、频发自然灾害息息相关的3个指标，包括植被覆盖度、水面率、人口密度3项.根据FRAGSTATS3.3和ArcGIS10.2的计算结果，在SPSS17.0软件中，本文采用主成分分析法，探讨影响风险三要素的主要影响因子.分析结果如下(表4).

根据分析结果，农业景观比例和聚落景观比例是驱动赣江上游区风险源强的主要因子.综合分析表3和图3可以看出，因近年来赣州城区及各县市强力推进城市化进程、工农业快速发展及人口持续增长，赣江上游区的景观类型格局也随之变化，林地减少，聚落和农业景观增加，风险源强增加，对本地生态稳定性造成了一定的影响，生态风险水平有增加趋势.

表4　风险要素主要影响因子分析

注：1、KMO 和 Bartlett 的检验显示，风险源、风险受体和风险效应在检验统计量观测值为

1.896、2.87、0.83时，相应的概率p分别为0.59、0.41和0.84，高于显著性水平.但本研究仅用之确定主要因子，未作定量分析.2、根据特征值大于1的标准，风险源和风险受体选取两个主要影响因子，风险效应选取一个主要影响因子.

受体暴露度是反映一个区域风险源强空间暴露程度，土地斑块形状越复杂、空间越分散、景观类型越多，面对风险源压力的受体暴露度越大[13].根据分析结果，在赣江上游区景观类型的形状指数和斑块密度对受体暴露度起正效应，聚集度起负效应，其中形状指数和聚集度是受体暴露度的主要影响因子.

风险效应中植被覆盖度是风险效应的主要影响因子(表4).赣江上游区植被覆盖率高，林地景观是生态环境的最主要组分.如果林地面积持续减少、植被覆盖率不断降低，受其影响的风险源强和生态风险效应值也会发生着相应的变化，综合风险源的主要影响因子可以看出两者具有高度的相关性.

总之，生态风险三要素中，风险源、风险受体和风险效应相互关联、相互影响，共同决定着区域生态风险的大小和趋势.受农业景观比例和聚落景观比例驱动的风险源强变化，作用于风险受体，最终以植被覆盖度等风险效应展现，造成了赣江上游区景观格局的变化，进而影响赣江上游区生态风险水平.

3.5生态风险驱动因子分析

结合生态风险机制分析和赣江上游区社会经济、人口情况，研究区生态风险的驱动因子可归纳出以下几个方面.

4结论和讨论

本文基于1980s年代以来赣江上游区四期土地利用数据，在校对和重分类后，从林地、草地、水域、农业、聚落和其他六种景观类型的时空变化视角，综合风险指数的分析方法和生态风险要素系统，分析了赣江上游区的生态风险时空变化状况和驱动因素.研究得出如下结论：

基于本文研究结论，林地景观是赣江上游区最主要的景观类型，林地景观的面积占比、破碎化程度、形状指数等可用来直观表征本区域生态风险水平，林地景观占比较高的县市，生态风险水平较低，如定南县、寻乌县等，林地占比在90%左右，均属于低度风险区.综合自然、人文、经济三方法的生态风险驱动因子，人文、经济因子依然是驱动本区生态风险水平变化的主要因素.加速的城市化进程使聚落景观面积占比出现了明显增加，人口密度和经济发展水平较高的赣州市辖区和南康区成为极高的生态风险区，面临着林地、水域面积减少、景观斑块化和生态廊道缺失等问题.研究区发达的采矿业也直接影响矿区所在县市的生态风险水平.研究区稀土、钨等矿产资源丰富，但开采相对工艺简单，监管不力，常造成水土流失、破坏森林植被及污染环境等问题.其中，著名的钨矿所在地大余县，就因生态环境退化成为高度生态风险区.受本区特殊的自然地理环境影响，自然驱动因子中的地形、气候、土壤等因素对生态风险也有直接的影响，如位于赣江源自然保护区的石城县，属于典型的东南丘陵低山区，“八山半水一分田”.虽经济发展水平不高，但林地占比只有71.37%，且易受洪水灾害影响，滑坡、冲沟坍塌、泥石流等多发，生态风险水平较高.因此，在降低赣江上游区生态风险的策略中，既需要科学利用政策、规划的作用，把经济发展与生态保护与修复整合起来，优化各个景观类型的空间格局.还需要加强生态风险科学管理，根据不同县市的生态风险水平，因地制宜的进行动态的、实时的监控和科学的分析，辨析生态风险源的类型、影响范围和作用强度，采取多种措施有效管理风险.

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* 收稿日期：2016-03-16

DOI：10.13698/j.cnki.cn36-1037/c.2016.03.019

基金项目：国家自然科学基金项目(41561020)

作者简介：刘光旭(1977-)，男，河南南阳人，赣南师范学院地理与规划学院讲师、博士，研究方向：灾害风险与资源环境.

中图分类号：X171；P208

文献标志码：A

文章编号：1004-8332(2016)03-0072-05

A Research on Changes of Ecology Risk in the Upstream of the Ganjiang River based on Landscape Patterns

LIU Guangxu, MAO Mengyao, XIANG Aicun

(SchoolofGeographyandPlanning,GannanNormalUniversity,Ganzhou341000,China)

Abstract:It is a scientific basis for regional ecological risk management to research into changes in ecological risk based on landscape patterns. This paper employed a regional synthesis risk analysis model, integrated with methods like analytic hierarchy process(AHP),GIS technology and FRAGSTATS3.3 software, to analyze the temporal and spatial variation characteristic of ecological risk since 1980s as well as their driving factors in the upstream of the Ganjiang River. The data were from Data-Sharing Network of Earth System Science including the land use GIS records in 1986, 1995, 2000 and 2005.We extracted the ecological landscape types, calculated and analyzed the risk elements such as the risk source, risk receptors and risk effects. The results show that of the six landscape types involved, the ratio of settlement landscape noticeably increased from 0.90% in 1986 to 0.97% in 2005. The ratios of landscapes such as forests, agricultures and waters have fluctuated to increase slightly. The ratio of grasslands and other landscapes have tended to decline. The comprehensive ecological risk indexes exhibit that the ecological risk levels in the region of interest have remarkably increased since 1990s. The driving factor analysis from the three risk elements proclaims that the risk source in the upstream of the Ganjiang River were mainly from the agriculture landscape and settlement landscape, which implies human disturbances might be the key factor to explain the ascending tendency of ecological risk level.

Key words:upstream of the Ganjiang River; landscape patterns; ecological risk; driving factors

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/36.1037.C.20160510.1209.020.html