鐵嶺市清河區(qū)土地生態(tài)空間風(fēng)險評價

馬雪晴，梁 琛，尚國琲

(河北地質(zhì)大學(xué)土地科學(xué)與空間規(guī)劃學(xué)院，河北石家莊 050031)

任何生物維持自身生存與繁衍都需要一定的環(huán)境條件，一般把處于宏觀穩(wěn)定狀態(tài)的某物種所需要或占據(jù)的環(huán)境總和稱為生態(tài)空間。生態(tài)用地是指受人類影響較小，具有調(diào)節(jié)大氣、涵養(yǎng)水源、保持水土、保護(hù)生物多樣性等功能的用地類型。隨著逐漸上升的經(jīng)濟(jì)狀況，人地矛盾的問題日益嚴(yán)重。在所有的土地類型中，生態(tài)用地影響著人類生活生產(chǎn)的環(huán)境，同時也影響著人類的身體健康。

目前，隨著國家城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加快，以犧牲自然生態(tài)資源為代價的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式導(dǎo)致區(qū)域空間格局失衡、生態(tài)功能退化，從而嚴(yán)重影響了國土空間的高質(zhì)量發(fā)展。因此，基于新一輪的國土空間規(guī)劃改革，以生態(tài)空間管控作為重點(diǎn)的管理手段已成為國土空間管理必不可少的新選擇。

近年來，許多學(xué)者對生態(tài)空間的格局變化及影響因素進(jìn)行了研究。Chi等建立了河口區(qū)景觀生態(tài)敏感性評價模型，根據(jù)景觀格局整合評價因素，分別對不同空間尺度進(jìn)行效應(yīng)驗證，結(jié)果表明，200 m尺度平衡了精度、空間異質(zhì)性以及數(shù)據(jù)量的所有要求，是該模型最佳的空間尺度。陳利頂?shù)忍岢隽艘环N位置加權(quán)景觀對比指數(shù)，滿足了對降雨及土壤均質(zhì)景觀的研究，同時還可用于表征對特定監(jiān)測點(diǎn)的相關(guān)貢獻(xiàn)。王甫園等對珠三角城市群生態(tài)空間游憩利用擴(kuò)展的格局及影響因素進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)珠三角城市群的生態(tài)空間游憩利用數(shù)量呈現(xiàn)“由少數(shù)向內(nèi)、外同時擴(kuò)展”以及“由外向內(nèi)部分填充”的特征，且生態(tài)空間游憩利用主要受人口增長、城鎮(zhèn)化發(fā)展、休閑旅游需求變化、區(qū)域生態(tài)空間治理政策和城市群規(guī)劃理念的綜合影響。趙亞琛等利用景觀生態(tài)優(yōu)化的視角對臺兒莊古鎮(zhèn)的水環(huán)境生態(tài)空間適宜性發(fā)展進(jìn)行了研究。綜上所述，研究生態(tài)空間格局變化有利于國土空間的高質(zhì)量發(fā)展，并且對人類活動及環(huán)境健康也起到一定的指導(dǎo)作用。筆者基于2013—2017年清河區(qū)的生態(tài)空間土地利用現(xiàn)狀，運(yùn)用景觀格局分析法，通過ArcGIS及Fragstats進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，找出清河區(qū)生態(tài)用地景觀格局變化的規(guī)律，求得生態(tài)風(fēng)險指數(shù)，從而對清河區(qū)的生態(tài)空間進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險評價，為清河區(qū)生態(tài)空間的開發(fā)利用優(yōu)化提供參考數(shù)據(jù)。

1 資料與方法

清河區(qū)位于遼寧省鐵嶺市東北部，屬于市轄區(qū)。區(qū)行政區(qū)域地理坐標(biāo)為124°03′44″～124°26′09″E、42°27′14″～42°37′57″N。地域面積為480.374 1 km，其中生態(tài)用地面積為288.574 0 km，占全區(qū)面積的60%。清河區(qū)地勢東南高、西北低(圖1)，屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，一年四季分明，年均氣溫為7.5 ℃，年均降水量為690 mm。

清河區(qū)轄區(qū)內(nèi)的清河水庫為遼寧省第三大水庫，最大庫容9.71億m，正常蓄水5億m，具有防洪、灌溉、工業(yè)用水等功能。作為鐵嶺市的生態(tài)重點(diǎn)保護(hù)區(qū)，清河區(qū)對周邊城市維持生態(tài)安全起到了不可或缺作用。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，人類活動對清河區(qū)生態(tài)用地的影響程度逐漸增強(qiáng)，所以進(jìn)行生態(tài)用地的風(fēng)險分析就變得格外重要。

圖1 鐵嶺市清河區(qū)高程分布Fig.1 Elevation distribution of Qinghe District in Tieling City

該研究所使用的數(shù)據(jù)均來源于鐵嶺市清河區(qū)統(tǒng)計資料及《鐵嶺市統(tǒng)計年鑒》。參照《土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)》以及自然資源部全國第三次土地調(diào)查的用地類型分類，將土地生態(tài)利用空間劃分為一級類和二級類2個分類層次體系。并根據(jù)鐵嶺市清河區(qū)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)及土地空間利用數(shù)據(jù)，利用ArcGIS進(jìn)行拓?fù)浞治觯纬蓴?shù)據(jù)庫，通過Fragstats對其進(jìn)行處理分析，得到鐵嶺市清河區(qū)生態(tài)用地利用變化情況。

該研究基于生態(tài)風(fēng)險評價、景觀生態(tài)學(xué)理論和清河區(qū)的生態(tài)空間利用特征，整體上運(yùn)用景觀格局分析法。根據(jù)2013—2017年清河區(qū)景觀格局的變化情況，參考相關(guān)文獻(xiàn)，建立景觀生態(tài)的風(fēng)險模型，并依據(jù)此模型對清河區(qū)的生態(tài)空間風(fēng)險狀況進(jìn)行具體分析。

景觀格局分析方法是用來研究景觀結(jié)構(gòu)組成特征和空間配置關(guān)系的研究方法，該研究主要通過斑塊密度指數(shù)(PD)、破碎度指數(shù)(C)、Shannon多樣性指數(shù)(SHDI)、景觀干擾度(LDI)、景觀損失度(LDD)和生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(ERI)6個指標(biāo)對清河區(qū)土地生態(tài)空間利用現(xiàn)狀進(jìn)行風(fēng)險分析。

(1)斑塊密度指數(shù)。斑塊密度即在單位面積上的斑塊數(shù)量，是景觀格局分析的基本指數(shù)。斑塊密度指數(shù)有利于不同大小景觀間的比較，也可以直接反映土地利用景觀斑塊空間分布的均勻程度。計算公式如下：

(1)

式中，為生態(tài)類型，PD是生態(tài)類型的斑塊密度指數(shù)，為生態(tài)類型的斑塊數(shù)，是生態(tài)空間的總面積。

(2)破碎度指數(shù)。破碎度指數(shù)反映了景觀空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，并且直接體現(xiàn)了人類活動的干擾程度。破碎度即土地利用斑塊的破碎程度，其值越大，表示斑塊越破碎。其計算公式如下：

(2)

式中，為生態(tài)景觀的破碎度指數(shù)，為生態(tài)類型的斑塊數(shù)，為生態(tài)類型的總面積。

(3)Shannon多樣性指數(shù)。Shannon多樣性指數(shù)表示土地利用類型的數(shù)量及各種類型所占的比例。它能夠反映景觀的異質(zhì)性、復(fù)雜度和豐富度，尤其敏感于景觀中各斑塊類型非均衡分布的狀況，所以在群落生態(tài)學(xué)中被廣泛應(yīng)用于多樣性的檢測。另外，在對比分析不同景觀或者同一景觀的不同時期的景觀多樣性變化時，Shannon多樣性指數(shù)也是一個敏感指標(biāo)，該指數(shù)越大，土地利用類型就越豐富，破碎度就越大。其計算公式如下：

(3)

式中，SHDI表示生態(tài)用地的Shannon多樣性指數(shù)，表示生態(tài)景觀斑塊類型，表示生態(tài)景觀斑塊類型所占全部清河區(qū)斑塊數(shù)量的比例。

(4)景觀干擾度。景觀干擾度是指由一個區(qū)域內(nèi)各種景觀所構(gòu)成的生態(tài)系統(tǒng)受到外部因素(尤其是人類活動)的干擾程度，該區(qū)域的景觀干擾度越大，生態(tài)風(fēng)險就越大，其計算公式如下：

LDI=+ED+

(4)

式中，LDI為地類的景觀干擾度，為破碎度指數(shù)；ED表示地類的邊緣密度，表示地類的斑塊聚合度。、、分別為、ED、的權(quán)重，且++=1，該研究運(yùn)用熵權(quán)法，確定了、、3個指標(biāo)的權(quán)重分別為057、039、004。

(5)景觀損失度。景觀損失度即研究區(qū)內(nèi)的一種景觀結(jié)構(gòu)被人類活動與自然外部環(huán)境干擾之后，其自身結(jié)構(gòu)所受到損傷程度的大小。它綜合直觀地反映了各種因素對環(huán)境的影響。與地類的景觀干擾度和景觀脆弱度有直接聯(lián)系。其公式如下：

LDD=LDV×LDI

(5)

式中，LDD為地類的景觀損失度；LDV為地類的景觀脆弱度，該研究所使用的景觀脆弱度由專家咨詢法并歸一化獲得；LDI為地類的景觀干擾度。

(6)生態(tài)風(fēng)險指數(shù)。生態(tài)風(fēng)險指數(shù)表示生態(tài)格局由于人類活動和外部自然環(huán)境干擾所造成的景觀生態(tài)環(huán)境風(fēng)險的易變情況。其公式如下：

(6)

式中，ERI為生態(tài)風(fēng)險指數(shù)，為清河區(qū)的總面積，為地類的斑塊面積，LDD為景觀損失度。

2 結(jié)果與分析

清河區(qū)生態(tài)空間現(xiàn)狀分析。從2017年鐵嶺市清河區(qū)土地生態(tài)空間利用的數(shù)量結(jié)構(gòu)(表1)可以看出，2017年清河區(qū)生態(tài)空間的總面積為288.574 3 km，占清河區(qū)總體面積的60.07%。其中林地為生態(tài)空間的主要土地類型，占清河區(qū)全部生態(tài)用地的80.60%。作為清河區(qū)三生空間的最重要組成部分，清河區(qū)生態(tài)空間的變化影響著清河區(qū)的生產(chǎn)生活，并且清河區(qū)生態(tài)空間各土地利用類型特征的變化也間接地反映清河區(qū)生態(tài)空間的總體變化情況。

表1 2017年鐵嶺市清河區(qū)土地生態(tài)空間利用數(shù)量結(jié)構(gòu)Table 1 Quantitative structure of land ecological space use in Qinghe District of Tieling City in 2017

由圖2和表1可知，清河區(qū)的主體為生態(tài)用地，且主要集中分布在中部和東部地區(qū)，其中林地和水域及水利設(shè)施用地為清河區(qū)生態(tài)空間利用的主要組成部分，分別占生態(tài)空間的80.60%和17.37%。從圖2可以看出，清河區(qū)東北部及東南部生態(tài)空間面積比例較大，主要為林地。從空間形態(tài)上看，清河區(qū)東部生態(tài)空間的斑塊較多，其中東北部較為完整，東南部相比之下較為破碎，形狀多呈“羽片”狀。

圖2 2017年鐵嶺市清河區(qū)土地利用現(xiàn)狀Fig.2 Land use status of Qinghe District in Tieling City in 2017

清河區(qū)生態(tài)空間變化分析。根據(jù)清河區(qū)統(tǒng)計年鑒，得到清河區(qū)2013—2017年的生態(tài)空間面積變化，如表2所示。近5年來清河區(qū)的生態(tài)用地面積除其他用地外，均呈緩慢下降趨勢，2013年清河區(qū)的生態(tài)用地面積為288.592 3 km，2017年面積為288.574 3 km。其中，林地面積和水域及水利設(shè)施用地的面積逐年減少，草地面積在2013—2016年逐年減少，但逐漸趨于平穩(wěn)。主要原因是清河區(qū)近年來對水庫周邊用地進(jìn)行開發(fā)利用形成旅游區(qū)，造成了生態(tài)用地向生產(chǎn)生活用地轉(zhuǎn)變的情況。而在其他用地中，沙地面積保持穩(wěn)定，裸地和設(shè)施農(nóng)用地面積逐年緩慢上升。造成這種情況的原因是在土地類型轉(zhuǎn)換的過程中沒有將待轉(zhuǎn)換的土地完全利用起來，造成了裸地的產(chǎn)生。

表2 2013—2017年清河區(qū)生態(tài)用地利用類別及面積Table 2 Type and area of ecological land use in Qinghe District from 2013 to 2017 km2

清河區(qū)是鐵嶺市重要的生態(tài)屏障及水源地之一，也是鐵嶺市重要的生態(tài)屏障。因此對清河區(qū)生態(tài)空間用地的景觀格局進(jìn)行研究，不僅能反映出清河區(qū)生態(tài)空間用地的景觀格局與人類活動之間的關(guān)系，還對預(yù)知其生態(tài)風(fēng)險起到?jīng)Q定性作用。該研究從斑塊數(shù)量(NP)、邊界密度指數(shù)(ED)、斑塊密度指數(shù)(PD)、斑塊聚合度(AI)4個角度論述了清河區(qū)生態(tài)空間景觀格局變化。在同等面積下，各景觀斑塊數(shù)量越多，邊界密度指數(shù)越大，說明該景觀類型的分布更為破碎。同時，斑塊密度指數(shù)越大，斑塊聚合度越大，說明該類型的景觀在全區(qū)內(nèi)的聚合度越高。根據(jù)清河區(qū)2013—2017年土地利用變化的柵格數(shù)據(jù)，運(yùn)用Fragstats軟件進(jìn)行計算分析，得到5年間清河區(qū)生態(tài)用地景觀格局指數(shù)(表3)。

從斑塊數(shù)量(NP)來看，2013—2017年清河區(qū)生態(tài)用地斑塊數(shù)量呈逐漸上升的趨勢，但結(jié)合表2分析，5年來清河區(qū)的生態(tài)用地總面積變化不大，更多的是不同地類之間的轉(zhuǎn)換。同時，邊界密度指數(shù)(ED)從65.46上漲至66.52，表明其生態(tài)用地斑塊的總周長在不斷上漲，進(jìn)而說明5年間清河區(qū)的生態(tài)用地呈現(xiàn)出破碎化的發(fā)展趨勢。從2013—2017年清河區(qū)生態(tài)用地中各地類斑塊密度指數(shù)(PD)變化(圖3)可以看出，5年間清河區(qū)斑塊密度指數(shù)最大的為林地，其次為水域及水利設(shè)施用地、其他用地；草地的斑塊密度指數(shù)最小。相較于其他地類，林地斑塊更為破碎，且連貫性較低。

表3 2013—2017年清河區(qū)生態(tài)用地空間格局指數(shù)Table 3 Spatial pattern index of ecological land use in Qinghe District from 2013 to 2017

圖3 2013—2017年清河區(qū)生態(tài)用地斑塊密度變化情況Fig.3 Change of ecological land patch density in Qinghe District from 2013 to 2017

斑塊密度指數(shù)(PD)及斑塊聚合度(AI)呈現(xiàn)出相同的變化趨勢。5年間清河區(qū)的斑塊密度指數(shù)由5.33上升至5.59，而斑塊聚合度始終處于90%左右?？梢姡搴訁^(qū)生態(tài)用地的分布逐漸集中，在全區(qū)內(nèi)空間分布較為密集，整體性較高。從5年間清河區(qū)各地類聚合度的變化情況(圖4)可以看出，林地、水域及水利設(shè)施用地、其他用地的聚合度較高，基本保持在80%以上；而草地的聚合度較差，但也隨時間變化在逐漸上升。

圖4 2013—2017年清河區(qū)各地類聚合度變化情況Fig.4 Changes of clustering degree in Qinghe District from 2013 to 2017

通過上述指標(biāo)分析，基本了解了清河區(qū)2013—2017年的生態(tài)空間景觀格局變化，基于此，該研究對清河區(qū)生態(tài)空間的景觀格局進(jìn)行了風(fēng)險評價，并從破碎度指數(shù)()、Shannon多樣性指數(shù)(SHDI)、景觀干擾度(LDI)、生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(ERI)4個方面整體分析。從5年間清河區(qū)各生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的變化情況(表4)可以看出，整體來看，清河區(qū)生態(tài)空間的生態(tài)風(fēng)險在逐年增高，對人類活動的敏感度也在逐年上漲。破碎度指數(shù)()表示清河區(qū)生態(tài)空間的復(fù)雜度。5年間清河區(qū)生態(tài)用地的破碎度呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢。從5年內(nèi)清河區(qū)各地類破碎度的變化情況(圖5)可以看出，在4個土地利用類型中，斑塊破碎度最大的為草地，最小的為林地，說明5年間草地的斑塊復(fù)雜度較高，分布較為分散，而林地的斑塊較為完整，分布較為集中。但同時，林地的破碎度指數(shù)也呈逐年上漲的趨勢，說明隨著時間的推移，林地的分散程度越來越大。

表4 2013—2017年清河區(qū)生態(tài)風(fēng)險指數(shù)Table 4 Ecological risk index of Qinghe District from 2013 to 2017

圖5 2013—2017年清河區(qū)生態(tài)用地破碎度變化Fig.5 Changes of ecological land fragmentation in Qinghe District from 2013 to 2017

Shannon多樣性指數(shù)(SHDI)同樣表示土地類型的復(fù)雜程度。2013—2017年清河區(qū)生態(tài)用地的Shannon多樣性指數(shù)不斷增長，說明5年間清河區(qū)的生態(tài)空間土地類型數(shù)量在逐漸增加，土地的復(fù)雜度不斷上升，土地生態(tài)用地總體的利用類型逐漸豐富，但隨著土地利用類型的增加，人類活動(包括過度放牧、開墾、樵采以及退耕還林等)對生態(tài)用地的影響逐步加大。同時，景觀干擾度(LDI)在5年間也呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢，說明清河區(qū)生態(tài)空間受干擾的情況逐漸嚴(yán)重，受到風(fēng)險的程度也在逐年上漲，更容易被外界因素影響而造成水土流失等環(huán)境問題。

根據(jù)清河區(qū)的生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(ERI)可以看出，近5年生態(tài)景觀風(fēng)險指數(shù)也在不斷增加，這也代表著清河區(qū)生態(tài)用地受到干擾的風(fēng)險在不斷增大。造成以上結(jié)果的主要原因是因為清河區(qū)的主導(dǎo)土地類型為生態(tài)用地，占清河區(qū)總面積的50%以上，且清河區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度加快，人類對環(huán)境的破壞程度也逐漸加大，所以人類活動因素對其生態(tài)用地的影響逐年上升，生態(tài)風(fēng)險指數(shù)逐年增大。

3 結(jié)論與建議

該研究對鐵嶺市清河區(qū)2013—2017年土地遙感影像進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，通過ArcGIS和Fragstats軟件對數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容依據(jù)公式進(jìn)行計算并得出分析需要的數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行清河區(qū)生態(tài)空間的生態(tài)風(fēng)險分析，得出的結(jié)論主要有以下幾點(diǎn)：

(1)清河區(qū)生態(tài)用地逐年變化。受到清河區(qū)退耕還林工程以及清河水庫附近旅游業(yè)開發(fā)的影響，2013—2017年清河區(qū)的生態(tài)空間土地利用變化較明顯，雖然生態(tài)空間的面積逐漸增大，但均為其他用地的增加，林地、水域及水利設(shè)施用地、草地面積逐年減少。主要原因是未能將土地完全利用，產(chǎn)生了一部分的裸地。

(2)清河區(qū)生態(tài)空間景觀格局發(fā)生較大變化。生態(tài)用地的空間在整個清河區(qū)內(nèi)的分布較均勻。5年內(nèi)清河區(qū)生態(tài)空間的土地利用類型復(fù)雜度逐漸提高；雖然斑塊的完整性較高，分散度較小，但完整度有逐年下降的趨勢，容易因為外界因素的影響而受到破壞。

(3)清河區(qū)的生態(tài)景觀破碎度提高。2013—2017年清河區(qū)各類生態(tài)景觀的聚合度緩慢下降，林地和水域及水利設(shè)施用地的空間分布更為集中，草地更加分散。受人類活動的干擾度在逐漸增強(qiáng)，生態(tài)用地的生態(tài)風(fēng)險指數(shù)緩慢上升，更容易遭受到人類活動及外界因素的破壞。

基于研究結(jié)論，對清河區(qū)的生態(tài)空間優(yōu)化提出了以下建議：

(1)加強(qiáng)水域生態(tài)環(huán)境安全保護(hù)，防止水土流失。清河區(qū)是鐵嶺市的重要水源地，且水域及水利設(shè)施用地是清河區(qū)生態(tài)用地的重要組成部分。保護(hù)水域生態(tài)環(huán)境安全是改善生態(tài)環(huán)境的重要基礎(chǔ)，也是清河區(qū)當(dāng)前最重要的任務(wù)之一。同時要加強(qiáng)清河水庫的水土流失動態(tài)監(jiān)測，防止因人類活動造成的水土流失。

(2)加強(qiáng)林地生態(tài)建設(shè)，推進(jìn)城鄉(xiāng)綠化。隨著清河區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，生態(tài)空間受到了不同程度的破壞，而林地作為清河區(qū)生態(tài)用地的主要組成部分，被破壞的范圍也在日益擴(kuò)大，破壞程度也比其他生態(tài)用地嚴(yán)重。為了保護(hù)清河區(qū)的生態(tài)空間，應(yīng)加強(qiáng)林地的生態(tài)建設(shè)，政府應(yīng)理順部門關(guān)系，推進(jìn)聯(lián)合執(zhí)法，加大改進(jìn)力度。僅靠一個部門的林地管理是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因此，部門間的相互配合就尤為重要。同時，應(yīng)建立健全的規(guī)章制度，強(qiáng)化群眾的林地保護(hù)意識和法制觀念，對農(nóng)村的群眾進(jìn)行林地管理方面的宣傳，使其樹立起保護(hù)林地資源的生態(tài)意識。

(3)充分利用生態(tài)空間未利用地，減少裸地產(chǎn)生。通過2013—2017年清河區(qū)土地利用變化可以清楚地看出，雖然清河區(qū)的生態(tài)用地面積在逐年增加，但裸地的面積也在逐年增加。為了防止清河區(qū)的生態(tài)用地進(jìn)一步退化，應(yīng)對清河區(qū)的土地進(jìn)行合理規(guī)劃；清河區(qū)生態(tài)空間占整個清河區(qū)面積的50%以上，對于未利用地及裸地，應(yīng)對其進(jìn)行改造，使其變成林地或建設(shè)用地，能被人類充分利用。