基于价值—风险的阜平县生态分区研究

徐维艺,阚瑶川,王国文,王一晴,张长春

(1河北农业大学 国土资源学院，河北 保定 071000；2河北农业大学 资源与环境科学学院，河北 保定 071000)

生态环境安全是国家安全重要组成部分，高度重视生态风险，是建设生态安全的基础[1]。20世纪末，我国土地利用类型发生巨大改变，生态风险不断发生变化，影响人类福祉建设[2]。由于二者之间存在空间上的相互影响，因此对不同区域生态系统供给造成的生态风险进行测算，并划分不同级别的生态分区，进行分区管理，不仅是生态工程建设的重要基础，也是提升人居环境质量的前提条件[2]。

多数学者将生态系统服务与生态风险作为2个独立的科学问题，分别从格局、过程、功能等方面开展了大量效果显著的研究[3-9]。随着追求生态文明建设，将生态系统服务纳入生态风险评价的过程中，已成为国内外研究的热点之一[10]。因此本文将两者结合起来开展了生态分区研究。生态分区不仅可以兼顾多生存对象，且能对生态系统安全、人类发展等多方面进行考量，增强研究的实用性[2]。此外，分区强调生态系统的综合性，可以更好表征区域状况，使管理者能够更准确地考量、全面开展区域生态安全建设[11]。

阜平县位于保定市西部，有“冀晋咽喉要道”之称。随着京津冀协同发展向更深更广的方向发展，筑牢阜平县生态安全屏障，对其生态系统保护有重要作用。2016年阜平县被划入国家重点生态功能区，因此做好生态风险评价，防范和化解生态环境风险，维护其生态系统的健康与稳定至关重要[12]。山区山体稳定性较差，各种地质灾害频发，自然景观与人类活动带来的风险在山区高概率的综合涌现，亟待建立生态风险评价及预警体系。研究该地的生态风险及其变化特征，可为其他山区风险防范提供参考借鉴，对可持续发展研究以及建设国家重点生态功能区、人类福祉建设具有一定的理论与实践意义。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

阜平县位于太行山中北部，东近唐县，西至五台县，南临行唐县，北邻灵丘县，跨北纬38°09′～39°07′，东经113°45′～114°31′。全县面积2 496 km2，辖6镇7乡。县域为全县山区，属太行山山系，地形复杂。地处中纬度地带，属暖温带半干旱气候，多年平均降水量625 mm，年平均气温12.6 ℃。

1.2 数据来源与处理

遥感影像来源于地理空间数据云，包括2010年、2015年、2020年3期数据，空间分辨率为30 m，影像云量均小于5%，影像轨道号分别为124-033、124-033、124-033。高程数据来源于地理空间数据云，空间分辨率为30 m。2020年全国粮食单位面积产量来源于国家统计局，阜平县全年粮食播种面积、粮食总产量来源于阜平县人民政府。

借助ENVI对遥感影像进行辐射定标、大气校正等处理，参照中国科学院资源环境科学与数据中心，将研究区分为林地、草地、耕地、水域、建设用地、未利用地6种一级类型，建立混淆矩阵进行精度评定，分类结果精度均高于85%(图1)，满足研究精度要求。

2 研究方法

2.1 划分研究单元

为了将生态系统服务与生态风险空间化，结合实际情况，利用ArcGIS将研究区划分为若干网格。参考相关标准《地理网格》，格网宜采用平均斑块面积的2～5倍[13]。因此采用2 km×2 km的正方形网格将阜平县分为704个格网，并对各网格进行编码，作为研究单元进行计算。

2.2 生态系统服务价值评估

参照Costanza和谢高地等提出的方法，结合谢高地2015年对方法的改进，为研究区赋值，得到表1[14-16]。建设用地的价值当量为0，并计算ESV，计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：ESVki是研究单元k的第i种地类的价值；Aki为k的第i种地类面积；ESV是研究区的服务价值；VCi是第i种地类的单位面积服务价值；Ai是第i种地类面积；ECf是某地类第f项价值当量；Ea为1个标准当量服务价值。

谢高地等确定中国1个价值当量的经济价值为3 406.50元/hm2[17]。本研究选取2020年阜平县和全国的单位面积粮食产量，将其比值作为修正系数，计算出阜平县经济价值当量因子为2 691.14元/hm2。

2.3 景观生态风险测算

选取景观干扰度和景观脆弱度建立土地利用类型和景观生态风险之间的关联，最终构建模型。计算公式如下：

Ui=aCi+bSi+cDi

(4)

式中：Ui为景观干扰度；Ci为景观破碎度；Si为景观分离度；Di为景观优势度；a、b、c分别为3类指数的权重，且a+b+c=1，参考前人研究将其赋值为0.5、0.3、0.2[18-19]。

Ci=Ni/Ai

(5)

(6)

Di=1-SHEI

(7)

式中：Ni为景观类型i的斑块数目；Ai为i的总面积。SHEI为香农均匀度指数，其接近于1时说明景观中没有明显的优势类型[13]。上述指数均可通过Fragstats软件计算得到。

参考前人研究成果，并结合阜平县实际情况，发现建设用地对抗外界干扰能力最高，水域最低[20-21]。将6种地类的景观脆弱度赋值，并进行归一化处理(表2)。

表2 景观脆弱度赋值表Table 2 Landscape vulnerability assignment table

最终构建模型，得到各网格的景观生态风险指数。计算公式如下：

(8)

Ri=Ui×Fi

(9)

式中：ERIk为第k个网格的生态风险；Aki为第k个网格中景观类型i的面积；Ak为第k个网格的总面积；Ri为景观损失度；Ui为景观干扰度；Fi为景观脆弱度。

2.4 生态分区划分依据

依据对ESV和ERI的计算，对704个研究单元进行Z-score标准化，X轴是标准化后的ESV，Y轴是标准化后的ERI，据此可划分为4个象限。计算公式如下：

(10)

(11)

(12)

3 结果分析

3.1 土地利用类型特征与变化

由2010至2020年阜平县土地利用矢量数据得到表3。用单一土地利用动态度对阜平县土地利用变化进行分析，得到表4。

表3 2010—2020年阜平县土地利用格局表Table 3 Land use pattern of Fuping County from 2010—2020

表4 2010—2020年阜平县土地利用年变化表Table 4 Annual changes of land use in Fuping County from 2010—2020

(13)

式中：K为土地利用动态度；Ua和Ub分别为研究初期和末期的景观类型面积；T为研究时段。

根据表3、表4可知，阜平县主要以林地和草地为主，林地面积占59.32%，草地面积占28.07%，而水域最少，占0.98%。阜平县变化特征总体表现为：草地、水域地类呈下降趋势，其余地类呈增加趋势，表现出“4增2降”变化。其中，耕地于2010至2020年大幅增长，年变化率达到8.30%和24.11%。建设用地于2015至2020年大幅增长，年变化率为14.38%。水域于2010至2020年大幅度减少，年变化率达8.52%和7.82%。草地于2015至2020年大幅减少，年变化率为4.92%。

3.2 生态系统服务时空分布特征

对2010至2020年各网格的生态系统服务价值进行计算，并赋值给每个样区的中心点，将中心点的数据进行插值处理，为了分析不同年份的变化，根据研究区各网格的生态系统服务价值所处的范围，利用等间距分级法，将其分为5类：低价值区(ESV≤0.45×108元)、较低价值区(0.45×108元0.75×108元)，最终得到图2、表5和表6。

图2 2010—2020年阜平县生态系统服务价值空间分布图

表5 不同土地利用类型生态系统服务价值及占比Table 5 Value and proportion of ecosystem services of different land use types

表6 2010—2020年阜平县土地生态系统单项服务价值Table 6 Individual service value of land ecosystem in Fuping County from 2010—2020

由图2可知，阜平县高价值区主要分布在夏庄乡、龙泉关镇西部、天生桥镇南部等地，其中夏庄乡和龙泉关镇西部呈大片连续分布，其余分布较为分散。该区域多为林、草地，植被覆盖度高、水热条件较好，因此该区域生态系统能实现良性循环，能提供较多的服务种类和价值。较高价值区位于史家寨乡中部、砂窝乡、吴王口乡西北部。中价值区位于高价值区和较高价值区外围，且呈条带状分布。较低价值区分布在城南庄镇东部、阜平县中部等地区。低价值区分布在王林口镇、平阳镇、阜平镇东南部等地，该地区植被覆盖度较低、人口数量多、人为破坏严重，植被难以生长，生态系统等级低，服务价值也较低。

由表5可知，2010年、2015年、2020年ESV分别为409.63亿元、380.61亿元、387.23亿元。2010至2020年，林地面积最大，林地服务价值占比最多。草地价值减少13.08亿元，由于城镇建设占用、草地的不合理利用，使草地的价值降低。耕地服务价值增加1.78亿元，耕地面积增加和生态保护措施使耕地的服务价值增加。水域服务价值降低15.51亿元，这是由于水域面积在研究期内减少，导致水域服务价值减少。未利用地的服务价值占比最少，总量均不足0.05%。各土地利用类型ESV变化和面积变化是一致的。

由表6可知，阜平县各类服务价值以气候调节为主，其次为水文调节。近10年，单项价值变化最大的是供给服务中的水资源供给，减少了2.12亿元，降低了0.30%。其次为水文调节，减少了13.08亿元，变化率为-0.14%。气体调节和气候调节变化率最小，都为-0.01%。

3.3 景观生态风险时空分布特征

利用Fragstats软件计算相关景观指数，见表7。

表7 2010—2020年各景观指数统计表Table 7 Statistical table of landscape indexes from 2010—2020

由表7可知，从景观水平上看，景观干扰度呈增加趋势，表明景观抗外界干扰能力降低，主要是受城镇化进程的影响；景观分离度和景观破碎度总体呈增加趋势，表明人类对景观的干扰程度增大，主要是受交通、工矿建设的影响。景观优势度降低了6.92%，表明景观的丰富度和复杂度增加。其中景观干扰度、景观破碎度、景观分离度均在2020年达到最大值，表明2010至2020年人类活动对研究区的景观产生了负面影响，给研究区生态环境带来了较高风险。

对2010至2020年各网格的景观生态风险值进行计算，并赋值给每个样区的中心点，将中心点的数据进行插值处理。目前等级划分没有统一标准，为比较不同年份的风险变化，根据前人研究，结合研究区实际情况，本文利用等间距分级法，将其分为5类：低生态风险区(ERI≤0.125)、较低生态风险区(0.1250.425)[22]。2010—2020年阜平县景观生态风险等级面积和空间分布见表8、图3。

表8 2010—2020年阜平县景观生态风险等级面积Table 8 Landscape ecological risk grade area of Fuping County from 2010—2020

图3 2010—2020年阜平县生态风险等级空间分布图

由表8和图3可知，2010至2020年阜平县以较低生态风险区为主，占总面积的一半以上。低、较低生态风险区总体上呈减少的趋势，分别减少3.09%和31.42%。中、较高、高生态风险区总体上呈增加的趋势，分别增加了15.51%、16.14%、2.86%。景观生态风险在空间上呈“东南高、西北低”的分布特征。2020年高生态风险区主要分布在北果园乡和王林口镇，此区域以草地为主的景观类型呈分散状、细碎、零散分布，景观斑块破碎化特征明显，破坏了生态系统的整体性和稳定性，导致生态风险较高。较高生态风险区主要分布在北果园乡北部、王林口镇、平阳镇西部等地，此区域为中生态风险区向高生态风险区过渡区域，此区域建设用地迅速增加，原本脆弱的生态环境又遭到破坏。中生态风险区主要位于城南庄镇、阜平镇西部、史家寨乡南部等地，此区域大量草地转为耕地，使土地风险增加，景观生态风险加剧。较低生态风险区主要位于龙泉关镇、天生桥镇、夏庄乡等地，此区域以林地和草地为主要地类，较难受环境变化和人类活动的影响而发生改变，从而使景观生态风险值较低。低生态风险区主要位于阜平县边界，该区域以林地为主，自然景观保存完好不易受人类活动干扰。

3.4 生态分区划分结果

通过Z-score标准化，得到图4、图5和表9。图4中X轴是标准化后的ESV，Y轴是标准化后的ERI。

图4 阜平县生态分区象限分布图

图5 阜平县生态分区空间分布图Figure 5 Spatial distribution map of ecological division in Fuping County

表9 2010—2020年阜平县生态分区变化Table 9 Changes of ecological zoning in Fuping County from 2010—2020

由图4、图5和表9可知，所有生态分区都发生了改变。高生态系统服务价值—低生态风险区(Ⅳ)面积最大，占比高于38%，主要分布于夏庄乡、天生桥镇南部、龙泉关镇南部等地区，该地多为林、草地，人口数量少，植被覆盖度高，生态环境受外界干扰少，可以实现良性循环。低生态系统服务价值—低生态风险区(Ⅲ)分布于台峪乡东部、平阳镇东部、吴王口乡北部，分布面积最少，且都为区域边缘地区，表明该区域不协调。低生态系统服务价值—高生态风险区(Ⅱ)分布在王林口镇、阜平镇东部、平阳镇西部等地，该区域经济水平高、人口数量多，生态环境脆弱，城市扩张导致人地矛盾增加。高生态系统服务价值—高生态风险区(Ⅰ)分布分散，如史家寨乡南部是林地、草地和建设用地的交界处，研究区与林、草地相邻的城镇、未利用地少，导致Ⅰ区分布零散且稀少。

4 讨论与结论

通过解译土地利用数据，根据对ESV、ERI的测算，分析了两者的时空分布特征，通过Z-score标准化划分了生态分区。

(1)6种土地利用类型均发生了不同程度的变化，耕地增加最多，草地减少最多。高价值区主要分布于夏庄乡、龙泉关镇西部等林地、草地植被覆盖度高、水热条件较好的地区。林地是提供服务价值最多的地类，高达70%以上。在单项服务中，调节服务占比最多，高于67%。(2)阜平县以较低生态风险区为主，占50%以上，在空间上呈“东南高、西北低”的分布特征，高生态风险区分布于北果园乡和王林口镇等人口数量多、景观类型细碎、零散分布的区域。(3)生态分区变化程度较小，表明阜平县处于较为稳定的状态，Ⅳ区占比最高，高于38%。Ⅲ区占比最低，低于15%。

本研究的生态风险评价及生态分区划分都是针对于阜平县而言的，尚未形成可以推广到各个县域和国家重点生态功能区的方法和体系，因此，可以按照本试验提出的方法进行其他区域的研究，以期找到具有普适性的方法，为区域生态安全规划提供参考。