石羊河流域土地利用景观变化及生态风险评价

王璐 乔蕻强 马世瑛 张睿 王书凝 汤超鑫

摘要：以人类活动为风险源的生态风险评价对于合理调整流域景观结构、维护流域生态环境具有重要的意义。文章以人类活动对景观格局的影响为角度构建景观格局指数，以四期遥感数据为基础，构建生态风险指数，划分生态风险等级，对石羊河流域的生态风险的时空特征进行分析。石羊河流域中部区域的生态风险较高，南部区域的生态风险位于中等，北部地区的生态风险较低。今后应加强土地利用合理调控和人类活动的管理，提高生态系统的自然恢复能力和生态承载力。

关键词：景观格局指数;生态风险评价;石羊河流域

一、研究区与项目概况

石羊河流域地理位置介于北纬36°29′～39°27′，东经101°41′～104°16′之间，位于甘肃省河西走廊东部、祁连山北麓，地处黄土高原、青藏高原、内蒙古高原的交汇过渡带，属巴丹吉林沙漠与腾格里沙漠的汇合地，面积约41600km2，全流域由南部祁连地、中部走廊平原区、北部低山丘陵区及荒漠区四大地貌单元组成， 为我国水资源现开发利用度最高的内陆河。研究区总人口大约为227万，人口密度较高，人类活动对土地利用变化影响较大。依据石羊河流域土地的覆盖特点，此次实验将土地类型分为：耕地、草地、林地、水域、建设用地以及其他用地。

二、数据源及处理

实验遥感数据为Iandsat卫星数据，采用2010年和2016年的TM，5个时相的数据。选择数据的原则是影像无云雾遮挡。分类前对影像做重采样、几何精纠正并进行配准，并将几何精度控制为1个像元内。影像分类采用方法为最大似然分类法及目视解译，将土地类型分为6类：耕地、草地、林地、建设用地、水域、其他用地。遥感解译精度为90%以上，能满足本次实验的研究需求。

三、研究方法

（一）景观格局变化分析

景观格局能反映景观异质性，同时可以对不同尺度上的各种生态过程做出分析，景观格局分析方法在景观生态学的研究过程中起很重要的作用。本次研究根据我国干旱半干旱区的土地特点，选取破碎度指数、分离度指数、景观分维数、景观干扰度、生态损失度指数、景观脆弱度，对景观生态损失度进行分析。

（二）生态风险评价分析

在人类活动占优势的景观内，生态系统的结构和组成可以揭示出不同土地利用方式和强度所导致的生态影响，而且其具有区域性和累积性的特点，因而从区域生态系统的结构出发构建生态风险评价模型可以表征区域内的生态风险状况，综合评估各种潜在生态影响的种类及其造成的累积性的生态后果。本文主要依据流域内人类活动对景观结构的影响，研究区斑块面积大小以及数据处理量，将研究区分成20km*20km的采样网格，共127个风险小区。在景观格局指数的基础上构建模型，利用公式（1）计算研究区各样方的生态风险指数，经过归一化处理，将该值赋予各风险小区中心的属性值。之后运用ArcGIS地统计分析模块，通过半变异函数进行理论变异函数拟合，运用球形拟合较为理想。采用普通克里金插值法分析研究区生态风险时空变化特征。

式中，ERIi表示第i个风险小区的生态风险指数;n表示景观的数量;Aij表示在i个风险小区内第j类景观的面积;Ai表示第i个风险小区的面积;Ri表示生态损失度指数。

四、实验结果

（一）景观格局变化分析

由表1得，2010～2016年草地、林地、水域的破碎度和分离度都呈现出比较大幅度的减小趋势，这是因为随着人们生态保护意识的提高，政府出台相关生态保护方面的政策，草地、林地、水域的面积增加，逐渐趋向于连片分布。而耕地的破碎度和分离度由0.2130和0.6101增加到0.6640和1.0590，说明6年来耕地受人类活动影响剧烈，大的板块被不断分割，斑块数目大幅度增加。建设用地的破碎度和分离度变化不大，说明建设用地结构变化较平稳。水域的分维数呈现出下降的趋势，从1.5611降至1.3302，图形变化更为简单。而建设用地和其他用地的分维数则呈现出上升的趋势，说明图形变化更为复杂。景观格局指数能反映不同生态系统受到的干扰程度，由表1可知，研究区景观中建设用地受干扰程度最大，其他用地最小;从时间上来看，草地、林地、水域及建设用地的景观结构指数呈现下降趋势，说明这几种类型景观结构得到有序调整，受人类干扰程度趋于平缓。而建设用地和其他用地景观结构指数呈现出小幅度上升，说明受人类干扰程度增加。

（二）生态风险时空变化分析

为了比较研究区生态风险的等级空间变化，借助ArcGIS所提供的自然断点法将研究区的生态风险划分成5个等级：低风险区（0.0199～0.1736）、较低风险区（0.1736～0.4076）、中等风险区（0.4076～0.7217）、较高风险区（0.7217～1.0892）、高风险区（1.0892～1.7242）。并得到生态风险空间分布图，依据空间分布图统计面積，得到生态风险区面积（表2）。

2010年石羊河流域生态风险空间分布特征与2016年进行对比来看，高风险区面积减少明显，主要分布在研究区的中部绿洲区，是位于金川南部、永昌北部及部分凉州和永昌的交界处在天祝地区南部也有小部分分布;较高风险区和中等风险区面积小幅度增加，都以高风险区为中心呈环状分布，中等风险区在民勤中部和西部区域、古浪东部也有部分分布;较低风险区面积大幅度减少，大部分转化为低风险区域。低风险区域在民勤区域以较低风险区呈包围趋势分布，分布在肃南、天祝北部地区，凉州的中部地区。综合以上对石羊河流域生态风险时空特征的分析可知：研究区生态风险等级较高的区域主要分布在流域中部的绿洲区，这是因为该区域内，人口较密集、人类活动较频繁，经济建设、城镇化发展以及农业生产等活动的影响对区域生态环境影响较大，所以该区域在进行工农业等的经济建设活动的同时，要合理利用土地，调整土地利用的结构，合理安排农业活动，保护天然植被等措施提高生态系统的自然恢复能力和生态承载力;流域生态险等级较低的区域主要分布在流域上游及下游地区，这是因为受地形影响，人口较少，对生态系统的影响较少，上游区域要提高水土的保持效益，增强生态系统的稳定性，下游区域则应加大人工植被的种植，提高区域植被的覆盖度和物种的多样性，协调经济和生态环境的共同发展。

五、结论与讨论

1. 研究区的主要景观类型为耕地和草地，研究期内耕地、草地、林地、建设用地的面积都呈现总体上增加的趋势，水域和其他用地类型的面积则呈现了总体上减少的趋势。

2. 研究区的景观格局指数显示出建设用地的受干扰程度最大，其他用地最小。在研究期内石羊河流域的呈现下降趋势。

3. 在研究区的中部地区由于人类活动最为频繁，高风险区以及较高风险区主要分布在中部地区。在研究期内，高风险区有明显的减少，说明政府政策对生态环境保护的效果明显。

4. 本文以人类活动对景观格局结构的影响角度构建生态风险指数，角度较为单一。受遥感影像分辨率的限制，以及ArcGIS软件使用过程中的误差，对遥感影像分类结果的精度影响无法避免。生态风险小区的划分是以均质的方式，对流域内荒原边缘区、森林边缘区和绿洲边缘区等较为敏感区域的变化考虑不全面，从这些方面可以有更多的提升。

参考文献：

[1]乔蕻强，刘学录，程文仕，等.基于RRM模型的土地利用变化生态风险评价[J].中国沙漠，2017（01）.

[2]雷金睿，陈宗铸，杨琦基，等.基于GIS的海口市景观格局梯度分析[J].西北林学院学报，2017（03）.

[3]曾辉，刘国军.基于景观结构的区域生态风险分析[J].中国环境科学，1999（05）.