北方農牧交錯帶景觀生態風險評價及格局優化研究

　　摘要：以北方農牧交錯帶景觀生態風險為出發點，基于土地利用、土壤類型、DEM數據、道路、居民點等數據，運用ArcGIS空間分析技術，采用空間主成分分析法、加權疊加分析，得到北方農牧交錯帶景觀生態風險空間分布圖，并應用最小累積阻力模型構建生態廊道以優化生態網絡結構.結果表明：北方農牧交錯帶低、較低、中、較高、高風險區的占比分別為0.07%，16.54%，64.32%，19.05%，0.02%;低、較低景觀生態風險區主要位于農牧交錯帶東北段大部分區域、西北段局部區域;較高、高生態風險區主要位于農牧交錯帶的華北段和西北段部分.研究選取29個生態源地，構建51條生態廊道，識別出34個生態節點，形成“點線面”多層次生態網絡優化格局.在今后的建設中，應強化生態源地的保護、加強生態廊道和生態節點的建設，以形成穩定的、物種豐富的生態系統.

　　關鍵詞：景觀生態風險;空間主成分分析;加權疊加分析;最小累積阻力模型;北方農牧交錯帶

　　景觀生態風險指在自然或人為因素影響下，景觀格局與生態過程相互作用可能產生的不利后果[1].伴隨人類活動和自然災害對生態系統影響的加強，景觀生態風險引起政府、學界、社會的廣泛關注，并已有大量研究報道.例如，馬勝等[2-4]通過構建景觀生態風險指數，分別對陜西省米脂縣高渠鄉、陜西榆林市、貴州夾巖水利樞紐區52個鄉鎮進行了景觀生態風險研究;傅微等[5-7]分別以黃土高原、三江平原、升金湖濕地等為研究對象，對區域景觀生態風險進行時空變化探討;奚世軍等[8-9]分別對烏江流域、太湖流域開展流域景觀生態風險評估;劉焱序等[10-11]對城市景觀格局及生態風險進行分析;姜坤等[12]對福州鼓嶺避暑旅游區景觀格局及生態風險進行分析.

　　目前關于景觀生態風險評價指標的選取、評價模型的構建及景觀生態風險的時空演變等研究已取得一定成果，但景觀生態風險應對策略、景觀生態格局優化等研究尚顯不足.北方農牧交錯帶處于森林生態系統與草原生態系統、農業區與牧業區的復合過渡帶[13]，地理條件特殊、生態環境復雜、生態系統類型多樣，該區域海拔高差大、地域廣闊、經度跨度大，分為東北段、華北段、西北段3個部分[14].

　　由于長期采取粗放的經濟開發模式，忽視了生態環境問題，從而使得人地矛盾突出、生態損毀嚴重、生態監測與監管能力不足，致使北方農牧交錯帶地區面臨嚴峻的生態風險，生態環境遭受到嚴重破壞，如生態功能衰退、草地退化、土地沙漠化等.景觀生態風險評價和景觀格局優化是有效應對景觀生態風險的主要途徑，加強對北方農牧交錯帶地區自然地理環境稟賦條件、生態風險評價和格局優化研究，有利于為北方農牧交錯帶地區生態環境的可持續發展提供科學依據和理論支撐.

　　1數據來源與研究方法

　　1.1數據來源

　　文中所涉及的數據主要包括基礎地理數據、遙感影像數據、土壤類型數據及DEM數據.1:1000000的基礎地理數據來源于全國地理信息資源目錄服務系統;遙感影像數據來源于USGS，通過對2018年Landsat7ETM影像進行校正拼接處理后，運用ENVI5.1軟件進行監督分類處理得到2018年土地利用數據(分辨率為30m)，得到的土地利用數據主要用于土地利用分析、香農均勻度指數和蔓延度指數的計算;土壤類型數據(分辨率為1000m)來源于資源環境數據云平臺，運用ArcGIS軟件進行重采樣處理(分辨率統一為30m);數字高程數據(分辨率為30m)來源于地理空間數據云，主要用于高程指標、坡度的提取與相關計算.

　　1.2研究方法

　　1.2.1景觀生態風險指標體系的構建

　　景觀生態風險受多源因素的綜合影響，在充分認識北方農牧交錯帶地理特征、生態環境、社會經濟、人文條件等的基礎上，結合區域實際情況，遵循生態災害所固有的復雜性和不確定性等風險相關原理，依據科學性、可靠性、可操作性、系統性和簡明性等原則，同時參考前人研究成果，選取坡度、海拔、土壤類型、距河流距離、距居民點距離、距城鎮用地距離、距道路距離、土地利用類型、香農均勻度指數、蔓延度指數等10個指標，從“自然環境人類社會景觀格局”3個維度構建景觀生態風險評價指標體系[15-16].運用ArcGIS10.5軟件的重分類功能，對10個指標進行分級，不同景觀生態風險劃分成5個等級，1～5級分別表示低、較低、中等、較高、高風險區.

　　自然環境維度主要考慮坡度、高程、土壤類型、距水體距離4個因子對景觀生態風險的綜合影響.坡度大易導致水土流失，從而發生滑坡、泥石流等地質災害，因此坡度越大景觀生態風險越高，根據《水土保持綜合治理規劃通則》，把坡度劃分為5個等級，即1級(<5°)、2級(5°～15°)、3級(15°～25°)、4級(25°～35°)、5級(>35°)[17].降水、氣溫、光照、濕度、植被類型等隨海拔高度的不同而發生變化，根據區域特征及高程，結合文獻[18-19]，將海拔分為5個等級.不同類型土壤的含沙量、土壤通氣性、保水性能等亦不一致，按照不同類型土壤抵抗外界壓力能力的強弱，把不同土壤類型劃分成5個等級[20].水域生態系統在涵養水源、保持水土、維護物種多樣性方面起著非常重要的作用，距水域越近的區域生態風險越小[21].

　　人類社會維度選取距居民地距離、距城鎮用地距離、距道路距離3個指標.距居民地、城鎮用地、道路越近的區域，受到人類活動的影響越大.參考文獻[22]，并結合區域自然地理環境特征，將距居民地距離、距城鎮用地距離、距道路距離劃分成5個等級，分別對應低、較低、中等、較高、高風險.景觀格局維度選取土地利用類型、香農均勻度指數和蔓延度指數3個指標.

　　不同地類的生態穩定性不同，抗外界干擾能力不一樣，其生態恢復能力、水土保持能力亦不同，不同利用類型土地對景觀生態風險的敏感性亦不同，參考生態環境評價國家標準并結合區域土地利用類型，將土地劃分為林地、草地、水域和濕地、耕地、建設用地5種類型，分別對應低、較低、中等、較高、高風險[23].香農均勻度指數、蔓延度指數分別表示景觀豐富度和景觀組分空間配置，指數越高生態系統越穩定[15].

　　1.2.2空間主成分分析(spatialprincipalcomponentanalysis，SPCA)

　　SPCA方法可將主成分因子分析結果在對應的每一個柵格上展現出來，空間可視化效果良好[24].運用ArcGIS軟件下空間分析中的PrincipalComponents工具，對研究區域10個指標進行空間主成分分析，確定各指標對區域景觀生態風險的貢獻度，并根據分析結果計算指標權重[25].具體分析流程：打開PrincipalComponents工具，在輸入柵格波段中添加10個景觀生態風險評價因子所對應的柵格數據，進行SPCA并得到分析結果，根據分析結果中的成分矩陣及方差解釋表計算出指標權重[26]。

　　2結果與分析

　　2.1北方農牧交錯帶景觀生態風險評價

　　2.1.1區域“自然環境人類社會

　　景觀格局”3個維度景觀生態風險評價運用ArcGIS10.5對北方農牧交錯帶10個景觀生態風險指標進行等級劃分，坡度因子和高程因子生態風險的空間分布較一致，內蒙古東北部與吉林、黑龍江、遼寧西部交界區域風險最低，山西北部、河北北部與內蒙古中部交綏區域風險較低，青海、甘肅、寧夏、河北北部地區屬于高及較高風險區.從土壤因子的生態風險看，農牧交錯帶河北省北部地區、遼寧省西部地區及交錯帶東部局部地區生態風險較低;北方農牧交錯帶西北段大部分區域、交錯帶東北段部分區域屬于高及較高風險區域.從距河流距離看，農牧交錯帶西北部地區的風險較高，而東南部區域風險較低.

　　從距居民地距離的生態風險看，北方農牧交錯帶東北段的黑吉遼西部、華北段、西北段大部分區域生態風險較高，內蒙古東北局部區域、陜西南部局部區域生態風險較低.距城鎮用地距離和距道路距離的生態風險在空間上分布較為一致，風險度與城鎮的建設及路網密切相關，距城鎮及道路越近風險越高.總體上看，除內蒙古東北部局部區域生態風險較低外，華北段和西北段相對較高.

　　受土地利用類型的影響，內蒙古大部分區域屬于草地，東部局部為林地，其風險較低;交錯帶西部的青海部分、甘肅大部分區域、寧夏大部分區域、陜西中部和北部區域、山西北部局部地區等屬于較低風險區;甘肅中部地區、寧夏南部、陜西大部分地區、遼寧西北部、內蒙古東部局部區域等屬于較高風險區.從香農均勻度指數看，農牧交錯帶東北段和華北段大部分區域屬于低、較低風險區，高、較高風險區主要集中在交錯帶西北段大部分區域.從蔓延度指數看，交錯帶大部分區域均屬于高、較高生態風險區，而低、較低風險區所占比例相對較小.

　　2.1.2區域景觀生態風險綜合評價

　　運用ArcGIS空間分析的WeightedOverlay工具，結合指標權重，將10個景觀生態風險柵格圖層進行加權疊加分析，得到研究區域綜合景觀格局生態風險評價結果，運用自然斷點分級法，根據景觀格局生態風險綜合指數的大小將其劃分為低、較低、中等、較高、高風險區5個等級.分析發現，低風險區占統計面積的0.07%，零星分布在農牧交錯帶東北段局部地區;較低生態風險區占統計面積的16.54%，主要集中分布于農牧交錯帶東北段大部分區域、西北段東部局部區域;中等生態風險區分布面積最廣，占區域總面積的64.32%;較高生態風險區占統計面積的19.05%，主要分布于農牧交錯帶的華北段和西北段部分區域;農牧交錯帶的西北段南部局部區域為高生態風險區，占總面積的0.02%.

　　總體上看，農牧交錯帶東北段綜合景觀生態風險偏低，這與該區域海拔低、坡度小、河網密集、居民點較少、香農均勻度指數較高密切相關.華北段和西北段大部分地區綜合景觀生態風險較高，海拔高、坡度大、居民點多、城鎮多、道路密集、香農均勻度指數對高風險的貢獻較大.

　　低、較低、中等生態風險區占北方農牧交錯帶面積的80.93%，較高、高生態風險區占19.07%，說明目前北方農牧交錯帶的生態環境整體狀況良好.從景觀生態風險的空間分布上看，東北段景觀生態風險較低，華北段、西北段景觀生態風險偏高.其中，低、較低生態風險區主要分布在東北段，該區域海拔低、坡度小、濕地林地面積大，生態系統穩定性較強，建議該區域要合理保護濕地、水域，發揮生態環境的調節作用.

　　中等生態風險區位于北方農牧交錯帶中部地區，呈帶狀分布，該區域海拔較高、坡度不是很大，但該區域路網密集、城鎮分布眾多，人類對生態系統的干預較大，建議合理進行土地資源的開發利用，建立人工生態綠道.較高、高生態風險區主要位于西北段大部分區域和華北段局部地區，該區域海拔高、坡度大、路網密集、居民點多、香農均勻度指數較低、建設用地及耕地所占比例較大，生態較破碎，且受到的人為干擾較大，建議該區域應加強生態環境建設，以保護為主，設置人類活動的限制區，促進生態環境的改善.

　　2.2北方農牧交錯帶景觀格局優化

　　通過確立生態源地、構建生態廊道、識別生態節點，在景觀層面構建“點線面”多層次生態網絡，有利于促進物種遷移、生物多樣性的保護，促進生態系統的物質循環和能量流動，以維護生態系統穩定、健康地發展，增強生態系統服務價值.

　　3結論

　　從“自然環境人類社會景觀格局”3個維度構建了北方農牧交錯帶景觀生態風險評價指標體系，在生態風險評價的基礎上，運用粒度反推法優選生態源地并構建區域生態廊道，得到以下結論：1)北方農牧交錯帶低、較低、中、較高、高風險區的占比分別為0.07%，16.54%，64.32%，19.05%，0.02%，低、較低生態風險區主要分布于農牧交錯帶東北段大部分區域、西北段東部局部區域，較高、高生態風險區主要位于農牧交錯帶的華北段和西北段部分;2)運用粒度反推法識別出生態源地29個，其規模差異顯著、分布分散，生態源地總面積為119322.97km2，占區域總面積的16.73%，其中林地型生態源地面積達116010.26km2、水源型生態源地面積為3312.71km2;3)北方農牧交錯帶由29個生態源地、51條生態廊道、34個生態節點形成“點線面”多層次生態網絡，生態廊道和生態節點是連接生態源地的通道，對維持生態流起著非常重要的生態作用，應加強該區域生態廊道及生態節點的建設，以維持區域生態景觀多樣性及生態系統穩定性.

　　4討論

　　采用空間主成分分析、加權疊加分析、最小累積阻力模型等方法對北方農牧交錯帶景觀生態風險評價及格局優化研究發現，較高、高景觀生態風險區主要位于農牧交錯帶的華北段和西北段部分，研究識別出29個生態源地、構建出51條生態廊道、識別出34個生態節點，形成多層次生態網絡.

　　北方農牧交錯帶屬于濕潤氣候與干旱氣候的過渡區域，生境復雜，生態環境脆弱，根據區域地理位置和環境特征，從“自然環境人類社會景觀格局”3個維度構建景觀生態風險評價指標體系，該指標體系具有很好的適宜性;但由于景觀生態系統的內在演化機理問題還缺乏全面、綜合、系統深入地分析研究，因此在景觀生態風險評價指標體系的構建上還存在不足，今后應認真總結經驗，并在此基礎上拓展新的研究領域.

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　　作者：杜華明

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