基于土地利用变化的漓江上游生态风险时空分异

胡金龙，罗 楠，樊亚明

（1. 桂林理工大学 旅游学院，广西 桂林 541004； 2. 华中农业大学 园艺林学学院，湖北 武汉 430070）

基于土地利用变化的漓江上游生态风险时空分异

胡金龙1,2，罗 楠1，樊亚明1

（1. 桂林理工大学 旅游学院，广西 桂林 541004； 2. 华中农业大学 园艺林学学院，湖北 武汉 430070）

根据漓江上游1986，2000，2013年三期Landsat遥感影像，提取土地利用数据，构建生态风险指数，借助空间自相关分析等方法，研究漓江上游生态风险时空演化特征。结果表明，1986－2013年，漓江上游土地利用变化显著，林地面积持续增加，耕地面积不断减少，建设用地快速扩张，用地类型主要向林地和建设用地转移；27年间漓江上游生态风险维持在较低水平，并呈持续下降趋势，空间分布上存在显著的正自相关性，生态风险高值区聚集在漓江上游的城镇区域，低值区主要分布在北部和西部的山林地带；漓江上游以低和较低生态风险区为主，面积逐年增加，较高和中生态风险区减少，高生态风险区很小但扩张迅速；生态风险空间分布整体格局基本稳定，呈南高北低，中间高两侧低，高风险区沿漓江两岸零散分布的格局特点。

土地利用变化；生态风险；时空分异；漓江上游

生态风险是评估区域生态环境可持续性的重要指标，其评价始于上世纪80年代，经过30多a的发展，评价由单风险源、单一受体的局部小尺度区域扩展到多风险源、多受体的大尺度区域综合生态风险评价[1-4]，现已成为一种重要的生态环境管理手段[5]。近年来，基于土地利用变化的区域生态风险评价逐渐成为环境管理研究领域中的热点问题[6]，大多利用土地类型结构数据来构建生态风险指数，通过层次分析等方法确定不同土地利用类型生态风险权重，利用ARCGIS的空间分析功能进行区域生态风险评价[7-9]，研究中引入空间统计分析方法更深入地揭示生态风险时空分异规律。本文借助3S技术，综合运用地统计和空间统计分析进行生态风险评价，揭示漓江上游27 a间的生态风险时空演化特征，为促进区域协调发展和生态风险管控提供决策依据。

1 研究区概况

漓江流域位于广西东北部、南岭山系西南端，24°38′10″ ~ 25°53′59″ N、110°07′39″ ~ 110°42′57″ E，主要包括象山、七星、叠彩、秀峰、雁山五区以及临桂、灵川、兴安、平乐、阳朔部分区域，漓江干流全长164 km。整体地势北高南低，以漓江为中轴线，呈南北向狭长带状分布，具有典型的喀斯特地貌特征。漓江流域属中亚热带季风气候，四季分明，气候温和，年均气温18.9°，年均降水量1 941.5 mm，植被覆盖度高，类型丰富，典型植被以亚热带常绿阔叶林为主。本研究的范围主要为漓江上游（桂林市区以北段），主要涉及流域北部灵川县、兴安县的大部分乡镇（图1），总面积2 678.17 km2。

图1 漓江上游区位图Figure 1 Upper reaches of Lijiang River

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源与处理

以1986年10月（TM）、2000年9月（TM）、2013年10月（OLI）三期Landsat遥感影像为主要数据源。利用ERDAS9.2，采用最大似然法监督分类对漓江上游土地利用类型进行解译，将研究区土地利用类型划分为6种：林地、耕地、建设用地、水域、草地和未利用地，不同时期总体分类精度介于87.23% ~ 89.75%。

2.2 采样方法

根据漓江上游斑块面积情况，采用2 km×2 km的格网单元，利用等间距系统采样法对生态风险指数进行空间化，共有格网740个，计算每个格网生态风险值，作为格网中心点的生态风险水平。

2.3 生态风险指数

利用各地类的面积比例，构建生态风险指数（ERI），用于测度格网内生态风险的相对大小，以建立土地利用结构与区域生态风险之间的经验联系[10]。计算公式如下：

式中：Ak为第k个样地总面积；Aki为第k个样地第i类土地类型的总面积；Wi为第i类土地类型的生态风险强度参数；N为土地利用类型数量。采用层次分析法，通过咨询12位从事土地管理、生态评估等方面专家确定判断矩阵，最终得出不同土地利用类型的Wi[10]，依次为：林地0.042 7，耕地0.191 6，建设用地0.393 4，水域0.142 5，草地0.072 6，未利用地0.157 2。

2.4 空间分析方法

2.4.1 空间自相关分析法 空间自相关分析分为全局自相关和局部自相关分析，用来检验某一变量是否在空间上相关及其相关程度[11]。

全局空间自相关是对属性值在整个区域空间特征的描述。全局Moran’s I是最常用的全局自相关统计指标[12]，可从整体上反映区域生态风险的空间自相关性，其值介于-1 ~ 1，小于0表明生态风险值空间分布呈负相关，大于0表明生态风险值空间分布呈正相关，等于0表示不相关。计算公式如下[13]：

式中，n为空间点总数；xi和xj别是变量x在相邻配对空间点的取值；wij表示邻接或距离空间权重矩阵；`x为变量的平均值。

局部空间自相关可以反映整个区域中，局部小区域某一属性值与周边单元同一属性值的相关程度。用局部空间自相关指标LISA来揭示各个区域单元生态风险值空间自相关的程度，具体计算公式如下[13]：

式中，xi，xj，wij和`x 的含义同（2）。LISAi小于0表示非相似生态风险值的空间聚集，LISAi大于0表示该区域单元周围生态风险高值或低值空间聚集。

2.4.2 半方差分析法

区域生态风险指数作为一种空间变量，可以利用ArcGIS中的地统计分析模块，计算半变异函数，进行区域生态风险程度的空间分析。计算公式如下[14]：

式中，r(h)为变异函数；h为样本空间距离（步长）；N(h)为样本对总数；Z(xi)和Z(xi+h)分别为空间位置xi，xi+h处的生态风险值。在理论拟合的基础上，利用普通克里格法编制不同时期漓江上游生态风险程度图。

3 结果与分析

3.1土地利用动态变化

1986－2013年，林地一直是漓江上游的优势景观，占总面积的80%以上，面积持续增加，2013年比1986年林地面积净增187.44km2，2013年所占比例高达88.61%。耕地作为流域第二大土地利用类型，面积持续减少，由1986年的397.50 km2下降到2013年的157.54 km2，下降近60%。建设用地快速增加，由1986年的19.83 km2增加到2013年的54.09 km2，净增34.26 km2。水域呈先减少后增加的趋势，研究期内整体小幅减少1.92 km2。草地先小幅减少后快速增加，2013年比1986年大幅增加15.08 km2。未利用地持续增加，但绝对面积少，在整体变化中反映不明显（表1）。从整个研究期来看，各土地利用类型都发生了一定程度的转移（表2），发生变化的面积占13.61%，其中草地最为剧烈，转化率为84.62%，其次为未利用地，转化率为71.33%。由于退耕还林、石漠化治理、林果种植等措施的实施以及城镇扩张和旅游开发等因素的驱动，用地类型主要向林地和建设用地转移。

表1 1986－2013年漓江上游土地利用变化Table 1 Land use changes in upper reaches of Lijiang River between 1986 and 2013

表2 1986－2013年漓江上游土地利用转移矩阵Table 2 The matrix of land-use transition from 1986 to 2013

3.2生态风险指数的空间自相关特征

3.2.1 全局空间自相关分析 全局空间自相关指标用于验证整个研究区域某一要素的空间模式[12]。利用Geo9.5计算1986，2000，2013年漓江上游生态风险指数的全局Moran′s I估计值分别为：0.758 3，0.744 5，0.711 2。三个时期全局Moran′s I 估计值均大于0，并不断下降，显著性水平均小于0.05。结果表明，漓江上游生态风险指数存在明显的空间正自相关性，相邻样地在空间上呈现高度相似性和聚集分布。1986－2013年，生态风险指数空间聚集程度呈不断下降的趋势。

3.2.2 局部空间自相关分析 根据公式（3）得出漓江上游1986，2000，2013年生态风险度局部空间自相关LISA结果（图2）。结果表明，1986－2013年漓江上游生态风险指数的高值和低值聚集区保持着基本稳定的空间格局。高值区域聚集在漓江上游沿岸的兴安镇、严关镇、溶江镇和灵川镇等地，主要由于上述地方的区域经济发展水平较高，建设用地面积大，人类活动剧烈。低值聚集区主要分布在漓江上游的北部和西部，此区域生态风险低，植被状况良好，受人类活动干扰少。

3.3生态风险时空分异

3.3.1 生态风险指数的空间结构分析 利用ARCGIS10.0进行理论半变异函数拟合，发现球状模型的拟合较为理想，基于此模型分析漓江上游生态风险空间结构。

图2 漓江上游生态风险值LISA指数空间分布图Figure 2 LISA of ecological risk in upper reaches of Lijiang River

表3 生态风险指数的理论半变异函数Table 3 Theoretical semivariable function of eco-risk index

由表3可知，1986－2013年的基台值介于0.002 322 7 ~ 0.002 501 2，均较小，但呈现逐渐增长的趋势，说明研究时段内漓江上游生态风险强度的空间分布较为均匀，生态系统的稳定性相对较好，但研究后期伴随城镇化不断加快和旅游活动的日趋增多，高生态风险区不断扩张，空间分布差异逐渐变大、不均匀性增强。1986－2013年变程由18 437.8 m逐渐增加到20 916.4 m，表明生态风险强度的空间相关距离逐渐增大。研究前期区域内的主要人为改造活动为低强度的农业生产，受复杂地形条件和道路可达性的影响比较大，因此生态风险强度相关距离较短；研究后期，特别是2000年以来，旅游开发和城市建设等大规模土地开发活动，使道路系统不断完善、交通可达性增强，导致生态风险强度空间相关距离不断增大。由于研究区复杂的地形条件，仍是生态风险空间扩散的主要限制因素，所以生态风险指数的变程增加缓慢，并维持较小的变程。3.3.2 生态风险时序变化 利用ARCGIS 10.0，根据公式（1）分别计算1986，2000，2013年漓江上游740个格网的生态风险值，1986年生态风险值介于0.001 5 ~ 0.204 0，均值为0.067 5，2000年介于0.001 8 ~ 0.246 5，均值为0.064 8，2013年介于0.001 3 ~ 0.248 9，均值为0.060 3。研究期内漓江上游的生态风险均值由0.067 5减少到0.060 3，峰值由0.204 0持续增加到0.248 9，整体上持续处于较低生态风险水平，局部高风险区域趋向集中。参考相关研究[12]，采用相对指标法将生态风险指数划分为高生态风险（≥0.20）、较高生态风险（0.15 ~ 0.20）、中生态风险（0.10 ~ 0.15）、较低生态风险（0.05 ~ 0.10）、低生态风险（≤0.05）等5个等级，统计三个时相不同生态风险等级分布面积及比例。

表4 漓江上游不同等级生态风险变化特征Table 4 Changes of eco-risk grades in upper reaches of Lijiang River

结果显示（表4），1986－2013年间漓江上游以低和较低生态风险为主，合计占比均在80%以上，并呈逐年增加的趋势，占比由1986年的82.32%增加到2013年的90.05%。中生态风险先增后减，较高生态风险持续下降，主要由于研究区中部生态风险较高的农田朝向林地和建设用地双向转移的结果。高生态风险面积快速增加，由0.07 km2增加到7.50 km2，主要由于流域内城镇快速扩张、景区开发带来的建设用地增加。

3.3.3 生态风险空间变化 采用普通克里格法对三个时相的生态风险值进行空间插值[14]，编制不同时期漓江上游生态风险空间分布图。由图3可以看出，1986－2013年漓江上游生态风险的整体格局基本稳定，但空间差异显著，呈南高北低，中间高两侧低，高风险区沿漓江两岸零散分布的格局特点。研究期内低生态风险区集中分布在研究区北部的猫儿山国家级自然保护区、西部的青狮潭水源林保护区。低生态风险区域持续增加，特别2000年后退耕还林、封山育林等措施的实施，使其面积快速扩大。较低生态风险区主要环绕中高风险区域圈层状分布，面积先增加后减少。中生态风险区主要分布在漓江上游的中间区域，属于低风险和高分险区的过渡地带。较高生态风险区环绕高风险区分布，面积持续减少，由风险水平较高的农田转化为建设用地和林地所致。高生态风险区主要分布在灵川镇，其他区域零星分布，面积增加迅速。总体来看，1986－2013年漓江上游一直处于较低的生态风险水平，并呈逐渐向好的趋势，但高风险区增加迅速，此类区域需加强生态环境建设，适度降低区域生态风险。

图3 1986－2013年漓江上游生态风险空间分布Figure 3 Spatial distribution of eco-risk in upper reaches of Lijiang River during 1986－2013

4 结论与讨论

（1）1986－2013年，漓江上游土地利用变化显著，其生态风险一直维持在较低水平，并略有下降，但局部地区呈快速增加之势。三个时期生态风险存在明显的空间正自相关性，高值和低值聚集区保持着基本稳定的空间格局，高值区明显聚集在漓江上游沿岸的兴安镇、严关镇、溶江镇和灵川镇等人类活动干扰剧烈的区域，低值聚集区主要分布在研究区北部的自然山林地带，人类活动干扰少，灵川、定江等地生态风险变化显著。

（2）研究期内，漓江上游以低和较低生态风险区为主，面积逐年增加，中生态风险区先增后减，较高生态风险区不断下降，高生态风险面积快速增加。生态风险的整体格局基本稳定，但空间差异显著，呈南高北低，高生态风险区沿漓江两岸离散分布的特点。低生态风险区集中分布在北部和西部，高生态风险区主要分布在灵川镇，其他区域零星分布，面积增加迅速。

（3）研究基于不同土地利用类型生态风险强度构建生态风险指数，来评价漓江流域的相对生态风险，但没有考虑土地利用的破碎度、分离度等斑块特征以及社会、经济及生态环境的其它因素，故不具有绝对性。但由于土地利用变化必然引起区域生态功能的变化，因此通过研究不同土地利用的迁移特征来分析生态风险的变化趋势以及驱动因素是有效的。

（4）作为漓江的源头区域，在今后区域发展中应加强土地资源管理，优化土地利用结构，确定合理的景观组分构成及功能和空间分布，减少土地利用格局的破碎度和分离度，合理安排建筑用地密度，严禁重点保护区域的非法建设，有效保护自然山林等低生态风险区，减少人为干扰，确保区域生态安全，协调环境保护与社会经济发展的关系，促进区域可持续发展。

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Spatiotemporal Variation of Ecological Risk in Upper Reaches of Lijiang River by Land Use Change

HU Jin-long1,2，LUO Nan1，FAN Ya-ming1
（1. Tourism College, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China; 2. College of Horticulture & Forestry Science, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China )

Based on remote sensing images of upper reaches of Lijiang River, Guangxi, in 1986, 2000 and 2013, the land-use data were extracted and ecological risk index was constructed. The characteristics of spatiotemporal variation of ecological risk were analyzed by spatial autocorrelation. The results showed that land use changed significantly from 1986 to 2013 in upper reaches of Lijiang River. Woodland and construction land increased while farmland decreased. Ecological risk kept at a low level and decreased continuously in the research area. The spatial distribution of ecological risk showed significant positive autocorrelation. Cities and towns had higher ecological risk along Lijiang River, mountain and forest in the northern and western of the research area had lower risk. The research demonstrated that ecological risk was low in upper reaches of Lijiang River, with increase of areas, and small area has high ecological risk but increased quickly.

land use change; ecological risk; spatiotemporal variation; upper reaches of Lijiang River

S718.5

A

1001-3776（2017）02-088-07

10.3969/j.issn.1001-3776.2017.02.014

2016-10-30；

2017-02-15

国家科技支撑计划课题（2012BAC16B04）；广西自然科学基金项目（2012jjBA50033）；广西高校科研项目（YB2014146），桂林市科技计划课题（20140117-2）

胡金龙，副教授，博士，从事景观规划、旅游用地管理等研究；E-mail：43765934@qq.com。通信作者：樊亚明，讲师，博士，从事风景园林与旅游规划设计研究；E-mail：51661906@qq.com。