1、景观变化的生态风险评价与预测 以河南省洛阳市为例丁鸿浩，贺宏斌，孙然好（中国科学院 生态环境研究中心 城市与区域生态国家重点实验室，北京；福建农林大学 风景园林与艺术学院，福州；云南大学 国际河流与生态安全研究院，昆明）摘要：基于 年、年、年遥感数据，对洛阳市景观格局和景观生态风险的时空分布与动态特征进行评价、分析与预测。结果表明：（）年洛阳市以林地耕地为优势景观，建设用地、林地和耕地的转移幅度较大；整体景观格局特征变化稳定，其中南部和北部的耕地与建设用地破碎度和复杂程度升高，中部林地的聚集度和优势度升高。（）洛阳市景观生态风险水平整体较高，风险等级分布较为稳定，年风险变化呈先增后减趋势，当前
2、恶化区主要分布在南部的水源、水库以及自然保护地周边，预测 年风险恶化区将主要分布在黄河流域以及洛河、伊河流域两侧的耕地地区。（）研究区景观生态风险空间分布存在显著正自相关性且聚集性不断减弱；自然条件为 年风险空间分异的主要驱动因素，其中海拔、气温、坡度因子解释力较高。（）南部林地为风险滞后区，风险降低缓慢；中部耕地为稳定高风险区；北部建成区和黄河下游区域为风险频变区。关 键 词：景观格局；景观生态风险评价；景观生态风险预测；风险管理；河南省洛阳市中图分类号：；文献标志码：文章编号：-（）-：-收稿日期：；修回日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）作者简介：丁鸿浩（），男，河南洛阳市人，硕士研
3、究生，主要从事景观生态安全研究，（）。通信作者：孙然好（），男，山东沂水县人，研究员，博士生导师，博士，主要从事景观地理学研究（）。引言生态系统的安全健康对人类社会的可持续发展极为重要，伴随近年来我国城镇化不断发展，生态环境压力不断增加致使生态风险显著提高。为落实国家生态文明建设以及有效地适应、规避、管理生态风险带来的干扰与损失，在市域尺度开展生态风险评价预测研究极为重要。景观生态风险评价是基于景观生态学角度，对生态过程与景观空间格局交互作用下产生的不利后果进行评价研究，可为区域景观格局优化与生态风险防范提供有效指引与决策依据。当前景观生态风险研究在评价单元上更加注重空间尺度与粒度对评价结果的
4、影响，常以网格尺度作为评价单元以减小对地表空间关联性的割裂，同时还关注不同空间粒度对风险评价结果的差异以及最优评价分析尺度的实证研究。评价方法上，评价范式趋向统一，利用景观中风险发生概率与造成损失的乘积对地区景观生态风险状况进行表征，常采用景观干扰度与景观脆弱度对损失与概率进行定量描述。在评价指标赋权与赋值上，对景观脆弱度的赋值标准逐渐趋同，但在景观干扰度的指标赋权上则多基于主观经验，容易忽略指标间的相关性。结果分析上，研究多以空间统计分析 与关联耦合分析 为主，缺少对未来风险的预测以及对风险动态变化特征的分析，同时，驱动因素筛选的全面性仍有待完善。基于此，本研究根据区域实际完善驱动因子的筛选
5、，并结合（客观权重赋权法）与（层次分析法）主客观两种赋权方法优化景观干扰度计算，同时，补充完善风险预测和风险空间分异成因探索的分析。洛阳市生态基底优良且城市化发展迅速，本研究对该市景观类型、景观格局以及景观生态风险进行评价预测，并对市域内风险区的时空分布特征和驱动因素进行分析，同时，依据风险动态特征对研究区进行风险管理区划，以期为洛阳市的生态文明建设与决策提供科学依据和指导。研究区域与数据来源 研究区概况洛阳市（图）位于河南省西部、黄河中下游地区，属温带大陆性季风气候，四季分明、降水集中，整体地势呈西高东低，众多山脉河流交融其中，包含伊河、洛河、瀍河、涧河、黄河 条河流，以及黄河、长江、淮河三
6、大流域。此外，该市地处重要交通节点，经济发达且工业基础坚实，市内包含众多水源涵养区与自然保护区，是黄河流域生态保护工作的重点对象。数据来源与预处理基于 软件，参照土地利用现状分类标准和研究区实际，采用最大似然法将其分为草地、耕地、林地、水体（湿地）、未利用地、建设用地 类，并设定 个随机点，结合高清历史影像进行目视解译，通过构建混淆矩阵计算得到年、年、年期分类结 第 卷 第 期 年 月地域研究与开发 图 洛阳市行政区划 果的整体精度分别为，系数分别为，。数据处理上对年均气温、降水、土壤属性、夜间灯光数据进行裁剪；将、人口密度数据以及气温降水数据依照行政区和站点进行插值；依据生态保护红线规划图提
7、取研究区内生态红线区域；基于欧式距离对各地理属性数据进行计算；通过 数据分析后得到坡度；通过移动窗口法获取景观格局指数栅格数据，最后，采用自然间断点法对 个驱动因子数据进行离散处理。具体数据来源见表。研究方法 景观类型与格局分析采用土地利用动态度、土地利用扩展指数以及土地转移矩阵对研究区土地时空演化进行分析。景观格局分析上，在减少指标间信息冗余度的前提下，选取最大斑块指数（，）、多样性指数（，）、景观形状指数（，）和集聚度指数（，），依托软件通过移动窗口法与指数测算对 年洛阳市景观格局进行分析，经窗口调试对比选择窗口大小为 。模型依照 年洛阳市土地利用数据，基于 模型对 年各地类数量进行预测，
8、并结合 模型对 年各景观空间分布进行模拟。（）驱动因素。基于地理属性、自然环境、社会经济和景观格局 个方面，选取高程、坡度、气温、降水、距公路、距铁路、距水系、距居民点、距自然保护区距离、人口、各地类空间自相关栅格数据共 种土地利用驱动因子。（）限制区域。参照城市发展基准情景，无限制地类转换区域。（）转换成本系数与邻域因子权重。结合 年洛阳市土地利用转移矩阵设定各景观间转换成本系数，依照 年研究区各地类土地动态度与相关文献设定耕地、林地、草地、水体、建设用地、未利用地邻域权重分别为，。风险指标评价体系评价单元划分上，选取景观平均斑块面积的 倍，通过 ，种粒度对比，最终选择粒度大小为 格网共 个
9、评价单元，以便在保证精度的前提下更好地刻画结果的空间同质性与异质性。采用景观干扰度与景观脆弱度的乘积对各类景观的景观生态风险程度进行表征，进而得到各评价单元的景观生态风险大小，。评价结果分级标准参照相关研究 选择自然间断点法将评价结果分为低生态风险、较低生态风险、中生态风险、较高生态风险和高生态风险 类。空间分析方法空间自相关用于分析某一变量的空间分布特征及其关联度，常用指标 和 指数反映全局自相关与局部自相关的分析结果。取值在，负值表示负相关，正值表示正相关，表示不相关。指数可分为，（为高值、为低值）种类型，用于表示不同空间聚类分布特征。表 数据类型与来源 数据名称数据来源数据用途遥感影像数
10、据（分辨率）：（年）、（年）、（年）美国地质调查局（：）解译 数据高清影像数据谷歌地球历史影像 精度检验 年和 年、各产业生产总值、人口统计数据 年、年洛阳统计年鉴水系、公路、铁路、居民点、居民地地名、自然地名全国地理信息资源目录服务系统（年）（：？）数据（）美国国家航空航天局数据（：）年土壤有机碳含量、土壤有机质数据、土壤酸碱度数据国家地球系统科学数据中心（：）年和 年的年均气温、降水数据中国气象数据网（：）年夜间灯光数据国家青藏高原科学数据中心（：）驱动因子 年洛阳市生态保护红线划分结果图 年洛阳市生态保护红线分类管控图 年洛阳市土地利用总体规划河南省环境厅（：）中人民共和国自然资源部（：
11、）参考数据地域研究与开发第 卷华 地理探测器是探测空间分异性以及揭示其背后驱动因子的一种统计学方法，其核心思想是通过空间分层异质性来探测、分析、解释要素间的相互关系。选取因子探测模块对 年洛阳市景观生态风险的驱动因素展开分析，经离散化粒度测试将离散粒度设定为。风险管理区域划定通过时间、空间、数量结构 个方面分析风险的动态变化特征，基于年均风险变化率（，）、地理空间单元风险变异系数（，）以及风险评价结果（，），参考相关文献与专家意见设定总评价单元数的 作为阈值，对排序后的年均（降序）、（升序）、年均（降序）的前 个单元进行提取，并将其设定为稳定高风险区、风险滞后区和风险频变区 类风险管理区域，计
12、算公式如下：（，），。式中：为单元 的风险变化率；为景观生态风险指数；是从到的时间跨度；是单元 中 的变异系数；是单元 中 的标准差；是单元 中 的平均值。结果与分析 景观变化与格局分析 年洛阳市各景观类型数量变化（表）显示，林地与耕地为洛阳市的主要景观类型，占总面积的。整体变化趋势上，耕地、草地面积呈下降趋势，建设用地、未利用地和水体面积呈上升趋势，林地面积呈先增后减的趋势。其中建设用地增加面积最多，耕地面积减少最多。变化程度上，耕地与林地变化程度较为缓和，两期的扩展综合指数与动态度都较低；建设用地总体变化较为剧烈；草地、水体变化程度总体保持平缓，未利用地在年出现明显剧烈变化。景观类表 年洛
13、阳市各土地利用类型变化情况 类型面积 年 年 年 年年均动态度 扩展综合指数 年年均动态度 扩展综合指数耕地 林地 草地 水体 建设用地 未利用地 型转移情况上，年洛阳市建设用地、林地转入面积较大，转出类型主要来源于耕地和草地。其中耕地向建设用地转移面积最多，占总面积的 ，共。由表 可知，研究区整体景观格局指数变化稳定，与 保持平稳，表明洛阳市优势景观类型稳定；与 呈平缓上升趋势，表明景观格局整体破碎度和复杂度有所增加。通过 年各指数差值对比（其中正值代表增加，负值代表减少），发现各指数的动态变化存在显著空间异质性（图），同时，指数变化间呈现反向空间分布特征。主要体现在北部和西南部的耕地与建设
14、用地地区斑块聚集程度下降，破碎程度和形状复杂程度提高；中部和南部的林地与水体地区则呈现相反态势。其原因可能是南部自然保护地与水源涵养地众多，修复保护较好；北部地区城镇化发展与城市边界的无序蔓延导致景观格局复杂度与破碎度增加。表 年、年和 年洛阳市景观格局景观水平指数 ，年份 图 年洛阳市景观格局指数时空变化 生态风险评价分析 年洛阳市整体景观生态风险较高且变化稳定，风险变化整体呈减弱趋势，风险恶化区呈向北蔓延趋势（图）。空间分布上，高风险区主要分布在中部的耕地和流域周边，形状延展趋势与洛河、伊河走向一致，区域内部地类情况复杂，城镇、农田、林地围绕流域两侧交错分布，斑块破碎度与复杂程度较高同时人
15、为干扰频繁。低风险地区集中分布于市区和县城中心地 第 期丁鸿浩，等：景观变化的生态风险评价与预测带，以建设用地为主，区域内部斑块聚集程度较高且类型统一，具备较强的抗干扰能力。动态变化上，针对不同年段景观生态风险分布状况进行差值栅格计算，并将 值分布在，），（，的地区分别定义为改善区、稳定区和恶化区，其中 表示各年段风险变化数据的标准差。由图 可知，年洛阳市风险恶化状况呈先增后减趋势，其中 年风险恶化区主要集中于北部的市区、宜阳县的韩城镇以及栾川县的庙子镇；改善区与稳定区则主要分布在中部的耕地和林地以及北部的市区周边。年，生态风险整体呈减弱趋势，具体表现为南部原先恶化地区生态风险得到有效控制，部
16、分地区风险变化由恶化转向稳定，新增恶化区主要集中于北部的黄河干流流域以及宏农涧河流域周边，地类类型以水体、林地为主。根据风险预测结果，年南部生态风险均得到有效控制，但北部的洛河、伊河、颖河以及黄河流域周边生态风险显著增高，可能是后期土地城镇化扩展使得流域地区景观格局破碎度、分离度上升，进而导致风险损失程度加大。总体上，洛阳市高风险地区比例较大且空间分布稳定，主要集中在中部的耕地和流域周边，风险变化整体呈减弱趋势，恶化区分布呈向北蔓延趋势。图 年洛阳市景观生态风险等级空间分布与时空演变 生态风险驱动与预测通过 软件对洛阳市地区景观生态风险进行空间自相关分析，得到 年、年、年、年 分别为，。数据结果均通过随机化显著性检验（）且均大于，表明区域内生态风险空间分布呈显著正相关。由 图（图）可知，年洛阳市生态风险指数空间分布以、聚集类型为主且集聚范围不断缩小、分散，其中高值聚集区主要分布在洛河、伊河流域；低值聚集区主要分布在中心城区和南部林地以及北部的黄河流域周边；和 聚集区则成包围状零星分布在高值和低值聚集区周边，并受邻接单元风险程度影响而被逐渐同质化导致数量减少。时空变化上，北部低值聚集区范
