北方农牧交错带景观生态风险评价及格局优化研究

　　摘要：以北方农牧交错带景观生态风险为出发点，基于土地利用、土壤类型、DEM数据、道路、居民点等数据，运用ArcGIS空间分析技术，采用空间主成分分析法、加权叠加分析，得到北方农牧交错带景观生态风险空间分布图，并应用最小累积阻力模型构建生态廊道以优化生态网络结构.结果表明：北方农牧交错带低、较低、中、较高、高风险区的占比分别为0.07%，16.54%，64.32%，19.05%，0.02%;低、较低景观生态风险区主要位于农牧交错带东北段大部分区域、西北段局部区域;较高、高生态风险区主要位于农牧交错带的华北段和西北段部分.研究选取29个生态源地，构建51条生态廊道，识别出34个生态节点，形成“点线面”多层次生态网络优化格局.在今后的建设中，应强化生态源地的保护、加强生态廊道和生态节点的建设，以形成稳定的、物种丰富的生态系统.

　　关键词：景观生态风险;空间主成分分析;加权叠加分析;最小累积阻力模型;北方农牧交错带

　　景观生态风险指在自然或人为因素影响下，景观格局与生态过程相互作用可能产生的不利后果[1].伴随人类活动和自然灾害对生态系统影响的加强，景观生态风险引起政府、学界、社会的广泛关注，并已有大量研究报道.例如，马胜等[2-4]通过构建景观生态风险指数，分别对陕西省米脂县高渠乡、陕西榆林市、贵州夹岩水利枢纽区52个乡镇进行了景观生态风险研究;傅微等[5-7]分别以黄土高原、三江平原、升金湖湿地等为研究对象，对区域景观生态风险进行时空变化探讨;奚世军等[8-9]分别对乌江流域、太湖流域开展流域景观生态风险评估;刘焱序等[10-11]对城市景观格局及生态风险进行分析;姜坤等[12]对福州鼓岭避暑旅游区景观格局及生态风险进行分析.

　　目前关于景观生态风险评价指标的选取、评价模型的构建及景观生态风险的时空演变等研究已取得一定成果，但景观生态风险应对策略、景观生态格局优化等研究尚显不足.北方农牧交错带处于森林生态系统与草原生态系统、农业区与牧业区的复合过渡带[13]，地理条件特殊、生态环境复杂、生态系统类型多样，该区域海拔高差大、地域广阔、经度跨度大，分为东北段、华北段、西北段3个部分[14].

　　由于长期采取粗放的经济开发模式，忽视了生态环境问题，从而使得人地矛盾突出、生态损毁严重、生态监测与监管能力不足，致使北方农牧交错带地区面临严峻的生态风险，生态环境遭受到严重破坏，如生态功能衰退、草地退化、土地沙漠化等.景观生态风险评价和景观格局优化是有效应对景观生态风险的主要途径，加强对北方农牧交错带地区自然地理环境禀赋条件、生态风险评价和格局优化研究，有利于为北方农牧交错带地区生态环境的可持续发展提供科学依据和理论支撑.

　　1数据来源与研究方法

　　1.1数据来源

　　文中所涉及的数据主要包括基础地理数据、遥感影像数据、土壤类型数据及DEM数据.1:1000000的基础地理数据来源于全国地理信息资源目录服务系统;遥感影像数据来源于USGS，通过对2018年Landsat7ETM影像进行校正拼接处理后，运用ENVI5.1软件进行监督分类处理得到2018年土地利用数据(分辨率为30m)，得到的土地利用数据主要用于土地利用分析、香农均匀度指数和蔓延度指数的计算;土壤类型数据(分辨率为1000m)来源于资源环境数据云平台，运用ArcGIS软件进行重采样处理(分辨率统一为30m);数字高程数据(分辨率为30m)来源于地理空间数据云，主要用于高程指标、坡度的提取与相关计算.

　　1.2研究方法

　　1.2.1景观生态风险指标体系的构建

　　景观生态风险受多源因素的综合影响，在充分认识北方农牧交错带地理特征、生态环境、社会经济、人文条件等的基础上，结合区域实际情况，遵循生态灾害所固有的复杂性和不确定性等风险相关原理，依据科学性、可靠性、可操作性、系统性和简明性等原则，同时参考前人研究成果，选取坡度、海拔、土壤类型、距河流距离、距居民点距离、距城镇用地距离、距道路距离、土地利用类型、香农均匀度指数、蔓延度指数等10个指标，从“自然环境人类社会景观格局”3个维度构建景观生态风险评价指标体系[15-16].运用ArcGIS10.5软件的重分类功能，对10个指标进行分级，不同景观生态风险划分成5个等级，1～5级分别表示低、较低、中等、较高、高风险区.

　　自然环境维度主要考虑坡度、高程、土壤类型、距水体距离4个因子对景观生态风险的综合影响.坡度大易导致水土流失，从而发生滑坡、泥石流等地质灾害，因此坡度越大景观生态风险越高，根据《水土保持综合治理规划通则》，把坡度划分为5个等级，即1级(<5°)、2级(5°～15°)、3级(15°～25°)、4级(25°～35°)、5级(>35°)[17].降水、气温、光照、湿度、植被类型等随海拔高度的不同而发生变化，根据区域特征及高程，结合文献[18-19]，将海拔分为5个等级.不同类型土壤的含沙量、土壤通气性、保水性能等亦不一致，按照不同类型土壤抵抗外界压力能力的强弱，把不同土壤类型划分成5个等级[20].水域生态系统在涵养水源、保持水土、维护物种多样性方面起着非常重要的作用，距水域越近的区域生态风险越小[21].

　　人类社会维度选取距居民地距离、距城镇用地距离、距道路距离3个指标.距居民地、城镇用地、道路越近的区域，受到人类活动的影响越大.参考文献[22]，并结合区域自然地理环境特征，将距居民地距离、距城镇用地距离、距道路距离划分成5个等级，分别对应低、较低、中等、较高、高风险.景观格局维度选取土地利用类型、香农均匀度指数和蔓延度指数3个指标.

　　不同地类的生态稳定性不同，抗外界干扰能力不一样，其生态恢复能力、水土保持能力亦不同，不同利用类型土地对景观生态风险的敏感性亦不同，参考生态环境评价国家标准并结合区域土地利用类型，将土地划分为林地、草地、水域和湿地、耕地、建设用地5种类型，分别对应低、较低、中等、较高、高风险[23].香农均匀度指数、蔓延度指数分别表示景观丰富度和景观组分空间配置，指数越高生态系统越稳定[15].

　　1.2.2空间主成分分析(spatialprincipalcomponentanalysis，SPCA)

　　SPCA方法可将主成分因子分析结果在对应的每一个栅格上展现出来，空间可视化效果良好[24].运用ArcGIS软件下空间分析中的PrincipalComponents工具，对研究区域10个指标进行空间主成分分析，确定各指标对区域景观生态风险的贡献度，并根据分析结果计算指标权重[25].具体分析流程：打开PrincipalComponents工具，在输入栅格波段中添加10个景观生态风险评价因子所对应的栅格数据，进行SPCA并得到分析结果，根据分析结果中的成分矩阵及方差解释表计算出指标权重[26]。

　　2结果与分析

　　2.1北方农牧交错带景观生态风险评价

　　2.1.1区域“自然环境人类社会

　　景观格局”3个维度景观生态风险评价运用ArcGIS10.5对北方农牧交错带10个景观生态风险指标进行等级划分，坡度因子和高程因子生态风险的空间分布较一致，内蒙古东北部与吉林、黑龙江、辽宁西部交界区域风险最低，山西北部、河北北部与内蒙古中部交绥区域风险较低，青海、甘肃、宁夏、河北北部地区属于高及较高风险区.从土壤因子的生态风险看，农牧交错带河北省北部地区、辽宁省西部地区及交错带东部局部地区生态风险较低;北方农牧交错带西北段大部分区域、交错带东北段部分区域属于高及较高风险区域.从距河流距离看，农牧交错带西北部地区的风险较高，而东南部区域风险较低.

　　从距居民地距离的生态风险看，北方农牧交错带东北段的黑吉辽西部、华北段、西北段大部分区域生态风险较高，内蒙古东北局部区域、陕西南部局部区域生态风险较低.距城镇用地距离和距道路距离的生态风险在空间上分布较为一致，风险度与城镇的建设及路网密切相关，距城镇及道路越近风险越高.总体上看，除内蒙古东北部局部区域生态风险较低外，华北段和西北段相对较高.

　　受土地利用类型的影响，内蒙古大部分区域属于草地，东部局部为林地，其风险较低;交错带西部的青海部分、甘肃大部分区域、宁夏大部分区域、陕西中部和北部区域、山西北部局部地区等属于较低风险区;甘肃中部地区、宁夏南部、陕西大部分地区、辽宁西北部、内蒙古东部局部区域等属于较高风险区.从香农均匀度指数看，农牧交错带东北段和华北段大部分区域属于低、较低风险区，高、较高风险区主要集中在交错带西北段大部分区域.从蔓延度指数看，交错带大部分区域均属于高、较高生态风险区，而低、较低风险区所占比例相对较小.

　　2.1.2区域景观生态风险综合评价

　　运用ArcGIS空间分析的WeightedOverlay工具，结合指标权重，将10个景观生态风险栅格图层进行加权叠加分析，得到研究区域综合景观格局生态风险评价结果，运用自然断点分级法，根据景观格局生态风险综合指数的大小将其划分为低、较低、中等、较高、高风险区5个等级.分析发现，低风险区占统计面积的0.07%，零星分布在农牧交错带东北段局部地区;较低生态风险区占统计面积的16.54%，主要集中分布于农牧交错带东北段大部分区域、西北段东部局部区域;中等生态风险区分布面积最广，占区域总面积的64.32%;较高生态风险区占统计面积的19.05%，主要分布于农牧交错带的华北段和西北段部分区域;农牧交错带的西北段南部局部区域为高生态风险区，占总面积的0.02%.

　　总体上看，农牧交错带东北段综合景观生态风险偏低，这与该区域海拔低、坡度小、河网密集、居民点较少、香农均匀度指数较高密切相关.华北段和西北段大部分地区综合景观生态风险较高，海拔高、坡度大、居民点多、城镇多、道路密集、香农均匀度指数对高风险的贡献较大.

　　低、较低、中等生态风险区占北方农牧交错带面积的80.93%，较高、高生态风险区占19.07%，说明目前北方农牧交错带的生态环境整体状况良好.从景观生态风险的空间分布上看，东北段景观生态风险较低，华北段、西北段景观生态风险偏高.其中，低、较低生态风险区主要分布在东北段，该区域海拔低、坡度小、湿地林地面积大，生态系统稳定性较强，建议该区域要合理保护湿地、水域，发挥生态环境的调节作用.

　　中等生态风险区位于北方农牧交错带中部地区，呈带状分布，该区域海拔较高、坡度不是很大，但该区域路网密集、城镇分布众多，人类对生态系统的干预较大，建议合理进行土地资源的开发利用，建立人工生态绿道.较高、高生态风险区主要位于西北段大部分区域和华北段局部地区，该区域海拔高、坡度大、路网密集、居民点多、香农均匀度指数较低、建设用地及耕地所占比例较大，生态较破碎，且受到的人为干扰较大，建议该区域应加强生态环境建设，以保护为主，设置人类活动的限制区，促进生态环境的改善.

　　2.2北方农牧交错带景观格局优化

　　通过确立生态源地、构建生态廊道、识别生态节点，在景观层面构建“点线面”多层次生态网络，有利于促进物种迁移、生物多样性的保护，促进生态系统的物质循环和能量流动，以维护生态系统稳定、健康地发展，增强生态系统服务价值.

　　3结论

　　从“自然环境人类社会景观格局”3个维度构建了北方农牧交错带景观生态风险评价指标体系，在生态风险评价的基础上，运用粒度反推法优选生态源地并构建区域生态廊道，得到以下结论：1)北方农牧交错带低、较低、中、较高、高风险区的占比分别为0.07%，16.54%，64.32%，19.05%，0.02%，低、较低生态风险区主要分布于农牧交错带东北段大部分区域、西北段东部局部区域，较高、高生态风险区主要位于农牧交错带的华北段和西北段部分;2)运用粒度反推法识别出生态源地29个，其规模差异显著、分布分散，生态源地总面积为119322.97km2，占区域总面积的16.73%，其中林地型生态源地面积达116010.26km2、水源型生态源地面积为3312.71km2;3)北方农牧交错带由29个生态源地、51条生态廊道、34个生态节点形成“点线面”多层次生态网络，生态廊道和生态节点是连接生态源地的通道，对维持生态流起着非常重要的生态作用，应加强该区域生态廊道及生态节点的建设，以维持区域生态景观多样性及生态系统稳定性.

　　4讨论

　　采用空间主成分分析、加权叠加分析、最小累积阻力模型等方法对北方农牧交错带景观生态风险评价及格局优化研究发现，较高、高景观生态风险区主要位于农牧交错带的华北段和西北段部分，研究识别出29个生态源地、构建出51条生态廊道、识别出34个生态节点，形成多层次生态网络.

　　北方农牧交错带属于湿润气候与干旱气候的过渡区域，生境复杂，生态环境脆弱，根据区域地理位置和环境特征，从“自然环境人类社会景观格局”3个维度构建景观生态风险评价指标体系，该指标体系具有很好的适宜性;但由于景观生态系统的内在演化机理问题还缺乏全面、综合、系统深入地分析研究，因此在景观生态风险评价指标体系的构建上还存在不足，今后应认真总结经验，并在此基础上拓展新的研究领域.

　　参考文献：

　　[1]彭建，党威雄，刘焱序，等.景观生态风险评价研究进展与展望[J].地理学报，2015，70(4)：664-677.doi：10.11821/dlxb201504013PENGJian，DANGWeixiong，LIUYanxu，etal.ReviewonLandscapeEcologicalRiskAssessment[J].ActaGeographicaSinica，2015，70(4)：664-677.

　　[2]马胜，梁小英，刘迪，等.生态脆弱区多尺度景观生态风险评价———以陕西省米脂县高渠乡为例[J].生态学杂志，2018，37(10)：3171-3178.doi：10.13292/j.1000-4890.201810.020MASheng，LIANGXiaoying，LIUDi，etal.Multi-scaleLandscapeEcologicalRiskAssessmentinEcologicallyFragileRegions：ACaseStudyinGaoquTowninMizhiCounty，ShaanxiProvince[J].ChineseJournalofEcology，2018，37(10)：3171-3178.

　　[3]石玉琼，王宁练，李团胜，等.榆林市景观生态风险及其时空分异[J].干旱区研究，2019，36(2)：494-504.doi：10.13866/j.azr.2019.02.27SHIYuqiong，WANGNinglian，LITuansheng，etal.LandscapeEcologicalRiskandItsSpatiotemporalVariationinYulin[J].AridZoneResearch，2019，36(2)：494-504.

　　[4]任金铜，莫世江，陈群利，等.贵州夹岩水利枢纽区域景观生态风险评价研究[J].环境科学与技术，2018，41(4)：182-189.doi：10.19672/j.cnki.1003-6504.2018.04.030

　　作者：杜华明