新疆玛纳斯河流域景观生态风险评价

梁二敏，张军民，胡蒙蒙，彭丽媛

（石河子大学理学院，新疆 石河子832003）

生态风险是生态系统及其组分在自然或人类活动干扰下所承受的风险，指一定区域内不确定性事故或灾害对生态系统组成、结构及功能可能产生的不利影响[1-2]。生态风险最初仅针对个体健康和全球尺度的致灾事件[3]，随着风险因子数量及其危害的不断增加，生态风险评价已关注到多元的风险源和风险受体[4]，用以解决不同时空尺度下的生态风险识别、评估及规划、防控等问题[5-6]。

景观生态风险评价来源于区域生态评价，其借鉴了空间关联及等级分异等景观生态学核心概念，从景观形态与生态过程耦合角度，研究景观类型及其格局变化对人类活动或自然灾害的响应，判断或预测不同致灾因子的风险表达及时空分异，定量分析其对生态功能、过程产生的不利影响及潜在危害。因其引入了尺度效应及空间异质性，关注到生态风险的时空过程、格局对生态结构、功能的风险表达，为在区域尺度上系统评价各类风险因子的综合致灾过程、机理及其潜在危害提供了较规范的评价模式，因此，景观格局指数分析是景观生态风险评价的基础[7]。

国外学者主要从土地资源及土地利用优化配置、土地系统设计及景观生态规划两个角度[8-10]，研究全球变化、极端气候、土地利用等自然、人文因素对具体风险受体带来的干扰或伤害，主要基于LUCC诱因的景观指数变化的生态风险效应评价方法[11-12]，采用统计分析、系统模拟及半定量化计算等技术手段[13-14]。国内学者关注景观格局及其变化的生态风险判断及评估，研究对象以流域、行政区、城市地域为主，多采用景观格局评价方法，研究景观生态安全格局构建[15-16]，流域生态安全格局规划[17-18]，土地利用生态安全优化[19-20]。由于各研究区的自然条件不同，并且研究者的研究目的不一样，不同的学者对构建的评价模型有不同的解释和理解，因此，景观生态风险评价至今尚未能形成全区适用的评价指标体系和评价标准[21]。在评价范围上，流域生态风险评价已涉及到湿润区、半湿润区以及干旱区的湖泊、河流、河口三角洲等[22-25]，对整个流域进行景观生态风险的评价较少。

新疆玛纳斯河（简称玛河）流域是干旱区典型的内陆河流域，具有天然的生态脆弱性，荒漠化、绿洲化进程交替演进使山地、绿洲和荒漠生态系统敏感而擅变。近年来，出现了生态环境恶化、生物多样性减少以及河流断流等一系列环境问题，城市经济发展面临较大的生态风险。本文运用空间统计学分析方法，基于景观格局和土地利用变化信息，从景观干扰度和景观脆弱度两方面构建玛河流域的景观生态风险指数，分析土地利用变化的生态风险，揭示其时空分异规律，以期为优化绿洲土地利用结构及方式提供科学依据和技术支持。

1 研究区域概况

玛河流域位于新疆准噶尔盆地南部，玛纳斯河流域位于新疆准噶尔盆地南部，西南部分别相邻于准噶尔盆地边缘和天山山脉，地理位置为85°01′-86°32′E，43°27′-45°21′N，研究区主要有 5 条河，自东向西包括塔西河、玛纳斯河、宁家河、金沟河和巴音沟河，其中玛纳斯河水量最大、流程最长，源头位于天山支脉依连哈比尔尕山的高山冰雪区，向北经红山嘴流入绿洲平原，穿过古尔班通古特沙漠最后注入玛纳斯湖。行政区划上，包括玛纳斯县、沙湾县、石河子市以及农八师的18个农牧团场，但在2004年，团场进行了整顿，将122团合并到121团，132团合并到133团，135团合并到134团，151团合并到143团，由原来的18个团场减少为14个团场。

玛河流域位于亚欧大陆内部，远离海洋，具有气候干燥、光照充足、热量丰富、雨量稀少、蒸发量大、日较差大等显著的温带大陆性气候特点。年均温为4.7-5.7℃，年平均降水量115-200 mm，降水不均匀，由南向北递减，夏季较冬季多，年平均蒸发量为1500-2000 mm。景观类型有高山冰川、森林、草甸、干草原和荒漠草原，垂直分异特征明显。玛河是流域内最大的河流，源头位于天山支脉依连哈比尔尕山的高山冰雪区，向北经红山嘴流入绿洲平原，穿过古尔班通古特沙漠最后注入玛纳斯湖（图1）[26]。

图1 玛纳斯河流域简图及风险小区划分Fig.1 The ecological risk evaluation cell on simple map of Manasi River Basin

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源与处理

以研究区域2000、2005和2015年TM遥感影像为数据源（时相为植被生长茂盛的6-8月份）以及新疆兵团统计年鉴，在ENVI4.8软件的支持下，对遥感影像进行几何校正、配准和图像增强等预处理，利用最大似然法进行监督分类，结合Google Earth和Arcgis10.2进行目视解译，利用野外考察数据对解译结果进行检验与修正。依据玛河流域景观类型特点，参考《土地利用现状分类》（GB-T21010-2007）和全国遥感监测土地利用/覆盖分类体系的分类方法，将研究区的景观划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地6种景观类型，通过景观格局软件Fragstats计算各地类的景观格局指数进行统计，根据公式计算出每一个网格中的生态风险值，并结合地统计学软件GS+探索生态风险最优变异函数理论模型，确定最优插值参数，再运用ArcGIS地统计模块进行数据探索，完成景观生态风险指数的空间插值。

2.2 景观生态风险指数构建

用景观生态学研究方法，采用景观干扰度指数、脆弱度指数和损失度指数作为评价指标[27]，构建景观生态风险指数，分析流域景观生态风险效应及其变化情况。

(1)景观干扰度指数（Ui）[28]：

其中：

上式中，Ci、Si、Ki分别是景观破碎度、分离度、优势度；ni为景观斑块数量，N为斑块总数，Ai为景观斑块面积，A为景观总面积，mi为某一景观斑块类型斑块出现的样方数，M为总样方数。a、b、c是权重系数，反映各指数对景观生态服务价值的影响程度，且a+b+c=1，根据参照的文献[21-22]的研究成果，对a、b、c分别赋以 0.5、0.3和 0.2的权值。考虑到研究区域景观类型及格局特征，未利用地0.2、0.3和0.5的权值。

(2)景观脆弱度指数（Vi）[29-30]，根据干旱区景观生态风险源分异特点，研究中把土地利用类型与景观脆弱性联系，耕地=6、未利用地=5、草地=4、水域=3、林地=2、建设用地 =1。其中，耕地最为脆弱，建设用地最稳定，并对各数值进行归一化处理(0，1)范围内，得到各自的脆弱度指数分别为：0.2857、0.2831、0.1905、0.1429、0.0952、0.0476。

(3)景观损失度指数（Ri）

景观损失度指数表示遭遇干扰时各类型景观所受到生态损失的差别，即其自然属性损失的程度，是某一景观类型的景观干扰度指数和脆弱度指数的综合[31]，表达表示如下:

(4)景观生态风险指数

用某种景观类型的面积乘以该类景观类型的生态风险系统，并对所有类型景观的生态风险加和即得到流域的景观生态风险，用以表征景观格局偏离理想或优化状态的程度。公式如下：

式中：ERIi为第i个风险小区生态风险指数，Aki为第k个风险小区第i类景观的面积，Ak为第k个风险小区的面积。

2.3 空间分析方法

为了直观地描述研究区内生态风险程度的空间分布特征，本文基于地统计学半方差函数的理论模型，利用Arc GIS10.2的地统计模块中的普通克里格法进行插值生成2000、2005和2015年的生态风险等级连续空间分布图；通过空间叠加生成拟合图，采用地统计软件GS+实现样本变异函数理论模型的最优拟合，得到三期景观生态风险拟合最优模型，定量测度2000-2014年各风险等级的转化方向和面积，分析其生态风险分布特征。

3 结果与分析

利用景观格局指数计算软件Fragstats3.3和Excel2003的统计分析功能，按照上述公示表所给出的计算方法，得到研究区2000、2005和2015年各景观类型的景观格局指数（表1）。

2000-2015年，耕地和建设用地面积不断增加而斑块个数不断减少，景观破碎度化程度降低，分离度减少，优势度不断增加；水域面积增加但斑块个数减少，其破碎化和分离度不断增加，优势度减弱；草地和未利用地面积及斑块数减少 (面积减少速率小于斑块减少速率)，其破碎化度、分离度降低最多，未利用地的损失度最大；林地也有相同趋势，但其面积减少的速率大于斑块减少的速率，损失度居次。研究期间，未利用地、建设用地和水域损失度指数维持在较高水平，是增大生态风险的重要原因。

表1 景观格局指数Tab.1 Indices of landscape pattern

3.1 景观生态风险时空变化

按照式(3)计算119个风险小区的景观生态风险指数，并对其变异函数进行理论模型的最优拟合(表2)。研究区2000、2005年的生态风险指数均为球状模型拟合的效果最为理想，2015年则为高斯模型拟合效果较好，其随机变异(块金值/基台值)2000年为19.0%、2005年为16.6%、2014年为33.3%，呈上升趋势，说明在15 km以下的小尺度上，生态风险的随机变异性较大，人类活动对生态重构的影响较大，且始终是影响景观生态风险的重要因素。

表2 景观生态风险指数的变异函数理论模型的相关参数Tab.2 The related parameters of variogram model of landscape ecological risk index

图2 2000、2005和2015年生态风险克里格插值空间分布Fig.2 Distribution of Kriging interpolation for ecological risk of 2000，2005 and 2015

为使划分的风险区更接近客观实际，选取最优拟合模型和相关参数进行克里格插值(图2)，得到各风险小区的生态风险指数的值，并根据风险值分布特征，将其划分为5个等级：低生态风险区（0-0.25）、较低生态风险区（0.25-0.40）、中生态风险区（0.40-0.55）、较高生态风险区（0.55-0.70）、高生态风险区（0.70-0.78），统计各风险等级的面积（图 3和表 3）。

图3 2000、2005和2015年各级生态风险面积比例Fig.3 Distribution of the ecological risk grades of 2000，2005 and 2015

表3 生态风险等级面积统计Tab.3 Statistics of ecological risk grade

（1）2000年研究区域主要以较低和中风险区为主，二者面积占研究区面积的56.6%。其中，低和较低风险区面积分别为3336.99和9092.68 km2，分别占总面积的10.0%和27.4%，主要分布于研究区中游的洪积扇平原上，是耕地和水域集中分布地区，该区域水网渠库密布，耕地田块连片，普遍采用节水灌溉技术，绿洲农牧业和林果业发达，生态风险度相对较低。中等风险地区分布在中上游的城市及交通、工矿区，面积约9690.67 km2，该地区城市经济发达，人口高度聚集，斑块破碎分离，景观动态变化较大。较高和高风险区主要分布在流域西北部的河流尾闾区，面积分别为8074.51和3044.51 km2，一方面因河流下游来水减少、河道断流，生态难以修复，同时，石河子市、沙湾县等在此新建了大量重化工企业及发电厂，原本脆弱的生态环境又遭到破坏，导致该地区生态风险程度较高。

（2）2005年研究区依然是以较低风险区和中风险区为主，并且面积不断增加，两者所占研究区的面积由56.6%增加至69.1%。其中较高风险区和高风险区的范围显著变小，低风险区、较低风险区和中风险区的面积增加。变化较为明显的是中游的较高风险区转化为中风险区，2000年西部大开发造成的生态问题，生态环境恶化，之后人们开始注重环境的保护，另外，2005年以来实施的节水灌溉以及退耕还草等工程产生了明显的生态治理成效，生态环境逐渐向好的方向发展，使研究区的生态风险程度整体有所降低。

（3）2015年研究区生态风险等级分布状况最明显的变化是处于较高生态风险等级的区域范围显著扩大，面积由2005年的390.05 km2增加至2015年的1544.89 km2，主要分布于141和142团场。相对于其他团场来说，该地区2013年人口数量分别为0.9万人和2.54万人，人口数量增加较多，经济发展较快，人们对土地的需求量增加，大量的林草地转化为耕地和建设用地，导致景观格局的破碎度和分离度增大，使生态风险程度加深；较高风险区不断向东部延伸；处于低风险区和较低风险区的面积增加，但增加的面积较少，主要还是集中于研究区中上游和下游地区的未利用地和草地等自然景观类型区，草地和未利用地的分离度和破碎度均在不断降低，生态风险度随之降低；中风险区和较高风险区的面积变化不大。

（4）为了更好地研究各等级生态风险的相互转换关系，运用生态风险转移矩阵分析各等级风险区的变化情况(表4)，流域生态风险等级由低向高转化的面积为8488.423 km2，占研究区面积的26.6%，由高向低转化的总面积为12752.418 km2，占研究区面积的38.4%。说明近年来流域内林草地封育保护、防风固沙以及节水灌溉等措施的实施，使流域内整体生态环境有所改善，生态风险程度降低。虽然流域内整体生态环境出现向好的趋势，但局部生态环境出现恶化明显，并且随着人口的增长和经济的发展，人类不合理的活动对流域景观格局的变化和生态环境均有不同程度的影响。

表4 2000-2015年生态风险转移矩阵 km2Tab.4 Transition matrixes of ecological risk from 2000 to 2015

总之，研究期间，流域整体生态风险呈降低趋势，但是局部环境有所恶化，湖泊萎缩、河流断流现象比较严重，加之流域人口数量增加，对耕地的需求急剧增加，使水土资源被过度的开发利用，人类活动作为外在的力量加剧了研究区生态环境恶化的进程。

4 结论与讨论

本文以遥感影像为基础数据，利用Fragstat3.3统计研究区域景观类型变化情况，运用GS+和ArcGIS的地统计模块，对研究区生态风险指数变异函数的理论模型进行了最优拟合并对其进行了空间插值，结果表明：

（1）2000-2015年，研究区的景观结构发生了较大变化，耕地和草地为主要景观类型。耕地、建设用地和未利用地均有增加；林地、草地以及水域面积均有不同程度的减少。耕地、建设用地、草地和未利用地破碎度和分离降低；水域和林地破碎度和分离度增加。总体说，人类对土地资源和水资源的需求不断增加，导致大量的林地、草地转化为耕地和建设用地；对水资源的不合理利用，使水域面积减少，湖泊萎缩。

（2）2000和2005年流域生态风险等级均以较低和中风险区为主，但2005年较高和高风险区的面积明显小于2000年，相较于2005年来说，2015年研究区生态风险等级分布状况最明显的变化是处于较高生态风险等级的区域范围显著扩大，主要分布于中游西北部河流尾闾区，河流下水量较少，生态环境恶化较快；中风险区的范围不断向东部延伸，近几年石河子市、沙湾县经济的快速发展，脆弱的生态环境又遭到破坏，导致该地区生态风险程度较高。就整体而言，流域整体生态风险程度降低，生态环境有所好转，但是局部环境有所恶化，湖泊萎缩、河流断流现象比较严重。

（3）2000-2015年，风险等级由低向高转化的面积为8488.423 km2，占研究区面积的26.6%，而生态风险等级由高向低转化的总面积为12752.418 km2，占研究区面积的38.4%。虽然流域内整体生态环境出现好转的趋势，但随着人口的增长和经济的发展，人类不合理的活动对流域景观格局的变化和生态环境均有不同程度的影响。因此，对局部生态环境的保护应该引起高度重视。

生态风险评价是一个复杂的过程，要考虑很多不确定因素，本文基于景观格局以量化的形式对玛纳斯河流域的生态风险进行评价，不具有绝对性，但是人类经济活动对土地利用变化有较深影响，因此从景观格局的角度来进行分析也具有重要的意义。

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