基于景观结构的福建省沿海生态风险时空特征

李月月, 黄义雄, 杨 阳, 谢义坚, 李 潇， 叶功富， 高 伟

(福建师范大学 地理科学学院, 福建 福州 350007)

随着城市化的快速发展，生态环境在全球气候变化和人类活动的双重胁迫下，受到了极大的破坏和冲击，出现各种生态问题，如环境恶化、灾害加剧等，生态环境面临巨大挑战[1]，生态风险问题成为各国学者关注的焦点[2]。生态风险是指一定区域内的生态系统及其组分受自然或人类活动威胁所承受的风险，以及对其健康、生产力、遗传结构、经济价值和美学价值产生的不利影响[3-4]。生态风险评价是对生态环境灾害发生的机率进行定量化地评估[5]，现阶段的生态风险评价已进入区域生态风险评价阶段[6]。区域生态风险评价是生态风险评价的一个分支，它在区域尺度上反映和评价环境污染、自然或人类活动对区域内的生态系统结构和功能等产生不利作用的可能性以及危害程度[7]。区域风险问题是多种因素相互作用的结果，其作用时间及产生的后果也很难预[8]。景观具有空间异质性而景观本身也是人类活动的对象[13]，因此景观尺度成为研究人类活动与生态环境的重要尺度[9-10]。景观的组分结构特征是最易于保存的景观信息，其变化直接影响区域生态系统功能[9]。景观结构还可以比较准确地显示各种生态影响的空间分布以及梯度变化，为各种空间分析手段提供可能[11]。在缺乏生态监测资料的历史积累时,很多学者根据景观结构及其动态变化特征来揭示综合性生态影响的程度和分布范围[12]。目前生态风险的研究重点主要集中在流域[13]、行政区[14]、城市地域[15]，但对于沿海地区的生态风险评价研究比较少，因此，本文从区域景观结构的角度分析生态风险，综合评价沿海地区各种生态影响因子及其积累性结果。

福建省有我国第二长的海岸线，是我国改革开放的前沿地带也是经济发展最快的地区之一，土地利用类型变化剧烈，用地矛盾突出，景观结构发生明显变化，生态环境脆弱。本文以福建沿海32个县(区)为研究对象，从景观结构变化的角度来分析福建沿海景观的生态风险的动态变化，以更加深入地探究福建沿海生态风险的变化趋势。

1 研究区概况

福建介于23°32′—28°19′N，115°51′—120°52′E，地处看中国东海之滨，东隔台湾海峡，与台湾省相望，是中国当前对外开放的重点地区和前沿地带。沿海地区属于亚热带海洋性季风气候，是台风、暴雨、风暴潮等自然灾害的多发区，年均降水量在1 000～1 800 mm。地处浙闽沿海山地丘陵的东南和闽粤沿海丘陵的北部，地势总体是西北高，地貌类型复杂多样。福建省现有森林覆盖率为63.1%，居全国第一，是南方的“绿色宝库”。科学合理分析沿海地区的生态风险，有利于区域生态环境的可持续发展，充分发挥对内对外辐射的作用，带动经济的发展。

2 研究方法

2.1 数据来源

以福建沿海2000，2013年两期的Landsat TM遥感影像为数据源(成像时间集中在6—11月，影像平均含云量低于7%)。根据中国土地利用分类标准和研究区内不同时期的土地利用现状，在ENVI 5.0软件平台的支持下，对图像进行融合、校正、配准等图像预处理，用最大似然法进行监督分类，将研究区的景观类型划分为林地、灌丛、草地、耕地、滩涂、水域、建设用地和未利用地8类景观。根据分类结果将空间栅格数据矢量化，借助ArcGIS 10.0创建拓扑关系，最终生成空间信息与属性信息相结合的数据库，满足研究需要。

2.2 基于景观结构的景观生态风险指数构建

景观指数法是景观生态学中最常用的定量研究方法，通过单一指数或若干指数的结合，以其数值变化反映景观格局变化信息及其结构组成和空间配置，不同的景观类型具有不同的生态功能，抵抗外界干扰的能力也不同[16]。本文依据景观格局指标，通过不同指数的叠加计算反映不同景观类型所代表的生态系统在受自然和人为干扰情况下其自然属性损失的程度，用景观损失指数(Ri)来表示，计算公式为：

Ri=Si·Fi

(1)

式中：Si——景观干扰度指数；Fi——景观脆弱度指数。

景观干扰度指数Si指不同区域受到干扰之后的损失程度，是破碎度、分离度和优势度权重的叠加，计算公式为：

Si=aCi+bNi+cDi

(2)

式中：a，b，c——破碎度、分离度和优势度的权重，其值大小反映不同景观的生态系统受到干扰的程度，a+b+c=1，根据前人研究成果[12]，采用专家咨询法确定，a,b,c分别赋予0.5，0.3，0.2的权值.

景观优势度是斑块在景观中所占重要地位的一种指标，表达式为：

Di=(Mi+Li)/4+Pi/2

(3)

式中：Li——相对密度;Pi——盖度;Mi——频度;Li=斑块i的数目/斑块的总数目，Pi=斑块i的面积/总面积,Mi=斑块i出现的样方数/总样方数。

景观脆弱度指数是指不同生态系统的易损性，根据前人研究结果[17]，将研究区的景观类型生态脆弱性分为8级，由低到高依次为建设用地、林地、灌丛、草地、耕地、养殖用地、滩涂和未利用地，对此进行归一化处理后得到各类景观类型的脆弱度指数Fi。

2.3 风险小区生态风险指数

结合已有的研究经验[18]，同时根据研究区范围和采样工作量的大小，采用10 km×10 km的正方形风险小区采样格网进行等间距采样，生成237个风险小区。基于景观指数所构建的风险指数，计算每个风险小区的景观生态风险值，计算公式为[19]：

(4)

式中：ERIi——风险小区i的景观生态风险指数;Aki——第k个风险小区内景观类型i的面积；A——第k个小区的的总面积；Ri——景观类型i的景观损失度指数。在此基础上，计算每一个风险小区的综合生态风险指数，并将其作为该风险小区中心质点的生态风险指数。

2.4 地统计分析

地统计学是一种检测、模拟、评估变量在空间上的相关关系和格局的统计方法。为了直观的表现研究区生态风险程度的空间分布特点，根据相关研究[20]，基于地统计学中半方差函数的理论进行模拟分析，利用ArcGIS 10.0平台地统计模块中普通克里格法进行插值生成2000,2013年的空间连续分布图进行空间分析。

2.5 空间自相关分析

选取MoranI和LISA研究研究区景观生态风险的空间相关性，MroanI主要反映空间邻域单元属性的相关性，当MoranI>0时，说明具有正的相关性，且值越大说明相关性越明显，MoranI<0时，说明具有负相关性，值越小说明空间差异性越明显，MoranI=0时，说明该属性在空间上随机分布。LISA则反映研究属性值的高值和低值局部空间的集聚情况，通过识别高—高集聚和低—低集聚区域反映出局部空间的异常特征。

3 结果分析

3.1 景观格局的时空变化

借助ArcGIS 10.2及Fragsrats 4.2软件平台，提取研究区2000—2013年各景观类型的面积和斑块数目，根据上述公式，计算得出福建沿海地区2000和2013年各景观格局指数(表1)。由表1可知，2000—2013年景观格局发生了明显变化，各种土地利用类型的面积均有一定的波动，其中建设用地、林地和水域的面积呈上升趋势，其他土地利用类型的面积均呈现出下降趋势。建设用地面积显著增加，13 a的增加量为1.13×105hm2，年均增长量为8 680.10 hm2；林地面积也有一定的增长，增长量为1.04×104hm2，水域面积增长面积不明显。景观面积下降最明显的是草地，下降量为3.96×104hm2，其他土地利用类型面积下降的顺序依次为灌丛、未利用地、耕地、和滩涂。研究区内建设用地、林地和水域的斑块数目有所增加，分别由2000年的1.26×104，1.69×104和5 640增加至2013年的1.47×104，1.80×104和5 811，灌丛、草地、耕地、滩涂和未利用地的斑块数目均有减少，其中灌丛、草地和未利用地减少明显，分别减少4 976，7 166和3 670，主要是此3种地类稳定性差，容易向其他土地利用类型转化。同时，林地、灌丛、草地、耕地和未利用地的破碎度和分离度指数均有不同程度的上升，由此说明这5种景观类型的破碎化程度加深，分离度加大，随机散布的程度加剧，损失度上升；随着城市化进程的加快，城市建设面积的不断增加，使建设用地的破碎度和分离度逐渐下降，建设用地的地域分布也逐渐趋于集中，损失度下降，同时也表明自然景观不断向人文景观转化，因此所导致福建沿海地区的生态风险加大。

3.2 景观生态风险的时空分异及格局变化

根据景观生态风险的计算公式计算出福建沿海237个风险小区在不同时期的生态风险，并选取最佳的变异函数进行拟合，通过比较2000年和2013年均用球状模型拟合效果最佳，然后利用ArcGIS 10.2的地统计分析模块对福建沿海2000和2013年的生态风险进行克里金插值，并以自然间断法的方法将生态风险指数分为低生态风险(ERI<0.012 9)、较低生态风险(0.012 9≤ERI<0.014 3)、中生态风险(0.014 3≤ERI<0.018 1)、较高生态风险(0.018 1≤ERI<0.028 7)和高生态风险(ERI>0.028 7)5个等级，得到福建沿海生态风险的空间分布图，并对不同生态风险的面积进行统计。

表1 研究区各景观类型的景观格局指数

从图1和表2可以看出，福建省沿海地区2000和2013年的的生态风险空间分布均大致呈带状分布，2000年处于低生态风险等级和较低生态风险等级的面积分别为4.24×105hm2和2.67×105hm2,分别占研究区总面积的17.7%和11.1%，低风险等级主要分布在沿海北部的福鼎市、霞浦县、蕉城区和罗源县等地区，较低风险等级主要分布在低风险等级的外围，此地带的林地和耕地面积大，生态风险相对较低，中风险等级主要分布在福安市、连江县的西侧以及福清市—城厢区的中部、泉港区、惠安县和南安市以及同安区的大部分区域，面积为5.45×105hm2，约占研究区总面积的22.9%，这些地区主要为耕地向建设用地的过渡地带。较高风险区域主要分布于连江—城厢区和丰泽区和杏林区的沿海地带，以及龙海市、诏安县和东山岛等地区，面积为7.38×105hm2，占研究区总面积的31.4%，这些区域的景观类型单一，未利用地和草地的分布较多，因此生态风险较高。高风险等级主要集中在平潭县、湄湘湾北岸以及漳浦县和云霄县，这些区域主要由于人类干预活动加大，林地退化导致斑块破碎化程度高以及分离度加大，因此生态风险高，约占总面积的16.8%。与2000年相比，2013年低生态风险、较低生态风险及中生态风险的面积均有不同程度的增加，低生态风险面积增加5 813.85 hm2，主要发生在霞浦一带，其主要原因为林地面积有所增加，生态脆弱性降低。较低生态风险等级的面积增加1.03×104hm2，增加量主要由低风险等级的转化。中风险等级面积增加1.29×105hm2，空间位置的变化主要表现为向东部的扩张，侵占了2 000处于较高生态风险等级的区域，其在长乐市至城厢区表现最明显，主要原因是城市进程的加快，导致建设用地面积大量增加，出现规模化的城市景观，连通性增加，景观破碎化程度降低，而建设用地的脆弱度又较小，因此生态风险降低。较高生态风险等级和高生态风等级的面积均有不同程度的减小，面积减少量分别为1.50×104hm2和1.30×104hm2，分别由31.4%，16.8%降低至30.8%和11.4%，较高风险等级的空间变化除了长乐至相城区的面积减少外，龙海市和漳浦县地区面积增加，大部分来源于高风险等级的转化，主要由于建设用地面积的逐渐增加和集中导致景观分离度和景观脆弱度逐渐降低。

图1 研究区2000，2013年生态风险空间分布

表2 研究区2000-2013年各风险等级面积hm2

3.3 福建沿海生态风险的空间关联分析

在ArcGIS 10.2中计算福建沿海地区2000和2013年生态风险指数的全局MoranI值，分别为0.798 6和0.660 8，表明福建沿海地区生态风险指数在空间上具有较强的集聚效应，生态风险高的区域周围生态风险也高，生态风险低的区域生态风险也低。2000—2013年MoranI值呈下降趋势，表明福建沿海地区生态风险的空间自相关性有所下降，空间趋同性有所下降。从局部空间自相关的集聚程度可以看出，福建沿海2000,2013年生态风险指数空间分布均以高—高聚集和低—低聚集为主，2000—2013年发生变化的区域主要发生在沿海南部的漳浦县至云霄县一带，主要表现为高值聚集区的分布由聚集向分散的演变。低值集聚主要集中在沿海北部的福鼎市、蕉城区及罗源县，高值集聚区主要分布在龙海市、漳浦县及云霄县一带。

3.4 景观生态风险等级转移分析

分析表3可知，2000—2013年研究区内由低等级向高等级转换的总面积为1.28×105hm2，约占研究区总面积的5.3%，生态风险等级由高级向低级转换的总面积为4.08×105hm2，占研究区总面积的17.03%，其中面积变化最大的是较高风险等级向中风险等级的转化，其次是高风险等级向较高风险等级的转换，转换量分别为1.69×105hm2和1.41×105hm2，说明福建沿海地区较高风险等级和高风险等级的面积不断减小，总体生态风险呈下降趋势，生态环境逐步好转，转化区域主要集中在长乐市—城厢区以及龙海市和漳浦县，主要是这些区域城市建设用地快速增加，建设用地逐步替代了其他土地利用类型，使城市建设用地的斑块面积增加，景观破碎化程度降低，而城市建设用地自身的脆弱性较低，因而生态风险也呈现下降趋势。2013年福建沿海区域处于高风险和较高风险等级的面积为1. 01×106hm2，占研究区总面积的42.17%，说明13 a来福建沿海地区景观生态问题依然很严峻，且出现局部恶化的趋势。

图2 2000,2013年研究区生态风险的局部空间相关性

表3 研究区2000-2013年各生态风险等级的转移矩阵hm2

4 结 论

(1) 2000—2013年研究区内景观格局发生了较大变化，其中建设用地、林地和水域的面积呈上升趋势，灌丛、草地、耕地、滩涂和未利用地的面积均呈现下降趋势，且斑块数目减少，破碎化程度加深，而建设用地的破碎度和分离度逐渐下降，地域分布逐渐趋于集中，损失度下降。

(2) 研究区2000和2013年的的生态风险空间分布均大致呈带状分布，2000年研究区内各风险等级面积相对均衡，中等和较高风险等级最多分别占总面积的22.9%和31.4%.2013年较高生态风险等级和高生态风等级的面积。总体生态风险呈下降趋势，生态环境逐步好转。

(3) 2000和2013年研究区内生态风险指数在空间上具有较强的集聚效应，均以高—高聚集和低—低聚集为主，2000—2013年集聚发生变化的区域主要发生在沿海南部的漳浦县至云霄县一带，主要表现为高值聚集区的分布由聚集向分散的演变。低值集聚主要集中在沿海北部的福鼎市、蕉城区及罗源县，高值集聚区主要分布在龙海市、漳浦县及云霄县一带。