铁岭市清河区土地生态空间风险评价

马雪晴，梁 琛，尚国琲

(河北地质大学土地科学与空间规划学院，河北石家庄 050031)

任何生物维持自身生存与繁衍都需要一定的环境条件，一般把处于宏观稳定状态的某物种所需要或占据的环境总和称为生态空间。生态用地是指受人类影响较小，具有调节大气、涵养水源、保持水土、保护生物多样性等功能的用地类型。随着逐渐上升的经济状况，人地矛盾的问题日益严重。在所有的土地类型中，生态用地影响着人类生活生产的环境，同时也影响着人类的身体健康。

目前，随着国家城镇化进程的不断加快，以牺牲自然生态资源为代价的经济发展模式导致区域空间格局失衡、生态功能退化，从而严重影响了国土空间的高质量发展。因此，基于新一轮的国土空间规划改革，以生态空间管控作为重点的管理手段已成为国土空间管理必不可少的新选择。

近年来，许多学者对生态空间的格局变化及影响因素进行了研究。Chi等建立了河口区景观生态敏感性评价模型，根据景观格局整合评价因素，分别对不同空间尺度进行效应验证，结果表明，200 m尺度平衡了精度、空间异质性以及数据量的所有要求，是该模型最佳的空间尺度。陈利顶等提出了一种位置加权景观对比指数，满足了对降雨及土壤均质景观的研究，同时还可用于表征对特定监测点的相关贡献。王甫园等对珠三角城市群生态空间游憩利用扩展的格局及影响因素进行了分析，发现珠三角城市群的生态空间游憩利用数量呈现“由少数向内、外同时扩展”以及“由外向内部分填充”的特征，且生态空间游憩利用主要受人口增长、城镇化发展、休闲旅游需求变化、区域生态空间治理政策和城市群规划理念的综合影响。赵亚琛等利用景观生态优化的视角对台儿庄古镇的水环境生态空间适宜性发展进行了研究。综上所述，研究生态空间格局变化有利于国土空间的高质量发展，并且对人类活动及环境健康也起到一定的指导作用。笔者基于2013—2017年清河区的生态空间土地利用现状，运用景观格局分析法，通过ArcGIS及Fragstats进行数据处理，找出清河区生态用地景观格局变化的规律，求得生态风险指数，从而对清河区的生态空间进行生态风险评价，为清河区生态空间的开发利用优化提供参考数据。

1 资料与方法

清河区位于辽宁省铁岭市东北部，属于市辖区。区行政区域地理坐标为124°03′44″～124°26′09″E、42°27′14″～42°37′57″N。地域面积为480.374 1 km，其中生态用地面积为288.574 0 km，占全区面积的60%。清河区地势东南高、西北低(图1)，属北温带大陆性季风气候，一年四季分明，年均气温为7.5 ℃，年均降水量为690 mm。

清河区辖区内的清河水库为辽宁省第三大水库，最大库容9.71亿m，正常蓄水5亿m，具有防洪、灌溉、工业用水等功能。作为铁岭市的生态重点保护区，清河区对周边城市维持生态安全起到了不可或缺作用。近年来，随着经济社会的发展，人类活动对清河区生态用地的影响程度逐渐增强，所以进行生态用地的风险分析就变得格外重要。

图1 铁岭市清河区高程分布Fig.1 Elevation distribution of Qinghe District in Tieling City

该研究所使用的数据均来源于铁岭市清河区统计资料及《铁岭市统计年鉴》。参照《土地利用现状分类标准》以及自然资源部全国第三次土地调查的用地类型分类，将土地生态利用空间划分为一级类和二级类2个分类层次体系。并根据铁岭市清河区的统计数据及土地空间利用数据，利用ArcGIS进行拓扑分析，形成数据库，通过Fragstats对其进行处理分析，得到铁岭市清河区生态用地利用变化情况。

该研究基于生态风险评价、景观生态学理论和清河区的生态空间利用特征，整体上运用景观格局分析法。根据2013—2017年清河区景观格局的变化情况，参考相关文献，建立景观生态的风险模型，并依据此模型对清河区的生态空间风险状况进行具体分析。

景观格局分析方法是用来研究景观结构组成特征和空间配置关系的研究方法，该研究主要通过斑块密度指数(PD)、破碎度指数(C)、Shannon多样性指数(SHDI)、景观干扰度(LDI)、景观损失度(LDD)和生态风险指数(ERI)6个指标对清河区土地生态空间利用现状进行风险分析。

(1)斑块密度指数。斑块密度即在单位面积上的斑块数量，是景观格局分析的基本指数。斑块密度指数有利于不同大小景观间的比较，也可以直接反映土地利用景观斑块空间分布的均匀程度。计算公式如下：

(1)

式中，为生态类型，PD是生态类型的斑块密度指数，为生态类型的斑块数，是生态空间的总面积。

(2)破碎度指数。破碎度指数反映了景观空间结构的复杂性，并且直接体现了人类活动的干扰程度。破碎度即土地利用斑块的破碎程度，其值越大，表示斑块越破碎。其计算公式如下：

(2)

式中，为生态景观的破碎度指数，为生态类型的斑块数，为生态类型的总面积。

(3)Shannon多样性指数。Shannon多样性指数表示土地利用类型的数量及各种类型所占的比例。它能够反映景观的异质性、复杂度和丰富度，尤其敏感于景观中各斑块类型非均衡分布的状况，所以在群落生态学中被广泛应用于多样性的检测。另外，在对比分析不同景观或者同一景观的不同时期的景观多样性变化时，Shannon多样性指数也是一个敏感指标，该指数越大，土地利用类型就越丰富，破碎度就越大。其计算公式如下：

(3)

式中，SHDI表示生态用地的Shannon多样性指数，表示生态景观斑块类型，表示生态景观斑块类型所占全部清河区斑块数量的比例。

(4)景观干扰度。景观干扰度是指由一个区域内各种景观所构成的生态系统受到外部因素(尤其是人类活动)的干扰程度，该区域的景观干扰度越大，生态风险就越大，其计算公式如下：

LDI=+ED+

(4)

式中，LDI为地类的景观干扰度，为破碎度指数；ED表示地类的边缘密度，表示地类的斑块聚合度。、、分别为、ED、的权重，且++=1，该研究运用熵权法，确定了、、3个指标的权重分别为057、039、004。

(5)景观损失度。景观损失度即研究区内的一种景观结构被人类活动与自然外部环境干扰之后，其自身结构所受到损伤程度的大小。它综合直观地反映了各种因素对环境的影响。与地类的景观干扰度和景观脆弱度有直接联系。其公式如下：

LDD=LDV×LDI

(5)

式中，LDD为地类的景观损失度；LDV为地类的景观脆弱度，该研究所使用的景观脆弱度由专家咨询法并归一化获得；LDI为地类的景观干扰度。

(6)生态风险指数。生态风险指数表示生态格局由于人类活动和外部自然环境干扰所造成的景观生态环境风险的易变情况。其公式如下：

(6)

式中，ERI为生态风险指数，为清河区的总面积，为地类的斑块面积，LDD为景观损失度。

2 结果与分析

清河区生态空间现状分析。从2017年铁岭市清河区土地生态空间利用的数量结构(表1)可以看出，2017年清河区生态空间的总面积为288.574 3 km，占清河区总体面积的60.07%。其中林地为生态空间的主要土地类型，占清河区全部生态用地的80.60%。作为清河区三生空间的最重要组成部分，清河区生态空间的变化影响着清河区的生产生活，并且清河区生态空间各土地利用类型特征的变化也间接地反映清河区生态空间的总体变化情况。

表1 2017年铁岭市清河区土地生态空间利用数量结构Table 1 Quantitative structure of land ecological space use in Qinghe District of Tieling City in 2017

由图2和表1可知，清河区的主体为生态用地，且主要集中分布在中部和东部地区，其中林地和水域及水利设施用地为清河区生态空间利用的主要组成部分，分别占生态空间的80.60%和17.37%。从图2可以看出，清河区东北部及东南部生态空间面积比例较大，主要为林地。从空间形态上看，清河区东部生态空间的斑块较多，其中东北部较为完整，东南部相比之下较为破碎，形状多呈“羽片”状。

图2 2017年铁岭市清河区土地利用现状Fig.2 Land use status of Qinghe District in Tieling City in 2017

清河区生态空间变化分析。根据清河区统计年鉴，得到清河区2013—2017年的生态空间面积变化，如表2所示。近5年来清河区的生态用地面积除其他用地外，均呈缓慢下降趋势，2013年清河区的生态用地面积为288.592 3 km，2017年面积为288.574 3 km。其中，林地面积和水域及水利设施用地的面积逐年减少，草地面积在2013—2016年逐年减少，但逐渐趋于平稳。主要原因是清河区近年来对水库周边用地进行开发利用形成旅游区，造成了生态用地向生产生活用地转变的情况。而在其他用地中，沙地面积保持稳定，裸地和设施农用地面积逐年缓慢上升。造成这种情况的原因是在土地类型转换的过程中没有将待转换的土地完全利用起来，造成了裸地的产生。

表2 2013—2017年清河区生态用地利用类别及面积Table 2 Type and area of ecological land use in Qinghe District from 2013 to 2017 km2

清河区是铁岭市重要的生态屏障及水源地之一，也是铁岭市重要的生态屏障。因此对清河区生态空间用地的景观格局进行研究，不仅能反映出清河区生态空间用地的景观格局与人类活动之间的关系，还对预知其生态风险起到决定性作用。该研究从斑块数量(NP)、边界密度指数(ED)、斑块密度指数(PD)、斑块聚合度(AI)4个角度论述了清河区生态空间景观格局变化。在同等面积下，各景观斑块数量越多，边界密度指数越大，说明该景观类型的分布更为破碎。同时，斑块密度指数越大，斑块聚合度越大，说明该类型的景观在全区内的聚合度越高。根据清河区2013—2017年土地利用变化的栅格数据，运用Fragstats软件进行计算分析，得到5年间清河区生态用地景观格局指数(表3)。

从斑块数量(NP)来看，2013—2017年清河区生态用地斑块数量呈逐渐上升的趋势，但结合表2分析，5年来清河区的生态用地总面积变化不大，更多的是不同地类之间的转换。同时，边界密度指数(ED)从65.46上涨至66.52，表明其生态用地斑块的总周长在不断上涨，进而说明5年间清河区的生态用地呈现出破碎化的发展趋势。从2013—2017年清河区生态用地中各地类斑块密度指数(PD)变化(图3)可以看出，5年间清河区斑块密度指数最大的为林地，其次为水域及水利设施用地、其他用地；草地的斑块密度指数最小。相较于其他地类，林地斑块更为破碎，且连贯性较低。

表3 2013—2017年清河区生态用地空间格局指数Table 3 Spatial pattern index of ecological land use in Qinghe District from 2013 to 2017

图3 2013—2017年清河区生态用地斑块密度变化情况Fig.3 Change of ecological land patch density in Qinghe District from 2013 to 2017

斑块密度指数(PD)及斑块聚合度(AI)呈现出相同的变化趋势。5年间清河区的斑块密度指数由5.33上升至5.59，而斑块聚合度始终处于90%左右。可见，清河区生态用地的分布逐渐集中，在全区内空间分布较为密集，整体性较高。从5年间清河区各地类聚合度的变化情况(图4)可以看出，林地、水域及水利设施用地、其他用地的聚合度较高，基本保持在80%以上；而草地的聚合度较差，但也随时间变化在逐渐上升。

图4 2013—2017年清河区各地类聚合度变化情况Fig.4 Changes of clustering degree in Qinghe District from 2013 to 2017

通过上述指标分析，基本了解了清河区2013—2017年的生态空间景观格局变化，基于此，该研究对清河区生态空间的景观格局进行了风险评价，并从破碎度指数()、Shannon多样性指数(SHDI)、景观干扰度(LDI)、生态风险指数(ERI)4个方面整体分析。从5年间清河区各生态风险指数的变化情况(表4)可以看出，整体来看，清河区生态空间的生态风险在逐年增高，对人类活动的敏感度也在逐年上涨。破碎度指数()表示清河区生态空间的复杂度。5年间清河区生态用地的破碎度呈现出逐渐升高的趋势。从5年内清河区各地类破碎度的变化情况(图5)可以看出，在4个土地利用类型中，斑块破碎度最大的为草地，最小的为林地，说明5年间草地的斑块复杂度较高，分布较为分散，而林地的斑块较为完整，分布较为集中。但同时，林地的破碎度指数也呈逐年上涨的趋势，说明随着时间的推移，林地的分散程度越来越大。

表4 2013—2017年清河区生态风险指数Table 4 Ecological risk index of Qinghe District from 2013 to 2017

图5 2013—2017年清河区生态用地破碎度变化Fig.5 Changes of ecological land fragmentation in Qinghe District from 2013 to 2017

Shannon多样性指数(SHDI)同样表示土地类型的复杂程度。2013—2017年清河区生态用地的Shannon多样性指数不断增长，说明5年间清河区的生态空间土地类型数量在逐渐增加，土地的复杂度不断上升，土地生态用地总体的利用类型逐渐丰富，但随着土地利用类型的增加，人类活动(包括过度放牧、开垦、樵采以及退耕还林等)对生态用地的影响逐步加大。同时，景观干扰度(LDI)在5年间也呈现缓慢上升的趋势，说明清河区生态空间受干扰的情况逐渐严重，受到风险的程度也在逐年上涨，更容易被外界因素影响而造成水土流失等环境问题。

根据清河区的生态风险指数(ERI)可以看出，近5年生态景观风险指数也在不断增加，这也代表着清河区生态用地受到干扰的风险在不断增大。造成以上结果的主要原因是因为清河区的主导土地类型为生态用地，占清河区总面积的50%以上，且清河区的经济发展速度加快，人类对环境的破坏程度也逐渐加大，所以人类活动因素对其生态用地的影响逐年上升，生态风险指数逐年增大。

3 结论与建议

该研究对铁岭市清河区2013—2017年土地遥感影像进行数据提取，通过ArcGIS和Fragstats软件对数据库的内容依据公式进行计算并得出分析需要的数据，在此基础上进行清河区生态空间的生态风险分析，得出的结论主要有以下几点：

(1)清河区生态用地逐年变化。受到清河区退耕还林工程以及清河水库附近旅游业开发的影响，2013—2017年清河区的生态空间土地利用变化较明显，虽然生态空间的面积逐渐增大，但均为其他用地的增加，林地、水域及水利设施用地、草地面积逐年减少。主要原因是未能将土地完全利用，产生了一部分的裸地。

(2)清河区生态空间景观格局发生较大变化。生态用地的空间在整个清河区内的分布较均匀。5年内清河区生态空间的土地利用类型复杂度逐渐提高；虽然斑块的完整性较高，分散度较小，但完整度有逐年下降的趋势，容易因为外界因素的影响而受到破坏。

(3)清河区的生态景观破碎度提高。2013—2017年清河区各类生态景观的聚合度缓慢下降，林地和水域及水利设施用地的空间分布更为集中，草地更加分散。受人类活动的干扰度在逐渐增强，生态用地的生态风险指数缓慢上升，更容易遭受到人类活动及外界因素的破坏。

基于研究结论，对清河区的生态空间优化提出了以下建议：

(1)加强水域生态环境安全保护，防止水土流失。清河区是铁岭市的重要水源地，且水域及水利设施用地是清河区生态用地的重要组成部分。保护水域生态环境安全是改善生态环境的重要基础，也是清河区当前最重要的任务之一。同时要加强清河水库的水土流失动态监测，防止因人类活动造成的水土流失。

(2)加强林地生态建设，推进城乡绿化。随着清河区经济的快速发展，生态空间受到了不同程度的破坏，而林地作为清河区生态用地的主要组成部分，被破坏的范围也在日益扩大，破坏程度也比其他生态用地严重。为了保护清河区的生态空间，应加强林地的生态建设，政府应理顺部门关系，推进联合执法，加大改进力度。仅靠一个部门的林地管理是远远不够的，因此，部门间的相互配合就尤为重要。同时，应建立健全的规章制度，强化群众的林地保护意识和法制观念，对农村的群众进行林地管理方面的宣传，使其树立起保护林地资源的生态意识。

(3)充分利用生态空间未利用地，减少裸地产生。通过2013—2017年清河区土地利用变化可以清楚地看出，虽然清河区的生态用地面积在逐年增加，但裸地的面积也在逐年增加。为了防止清河区的生态用地进一步退化，应对清河区的土地进行合理规划；清河区生态空间占整个清河区面积的50%以上，对于未利用地及裸地，应对其进行改造，使其变成林地或建设用地，能被人类充分利用。