沈海岑，薛聯(lián)青

(河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京 210098)

0 引 言

土地利用變化引起的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)已成為全球變化研究的核心內(nèi)容[1,2]，土地利用集約化帶來(lái)的生態(tài)影響具有地域性和累積性特征，可以直接反映在生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成上[3]。隨著生態(tài)環(huán)境研究的深入，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估已成為生態(tài)環(huán)境管理的重要工具[4]，景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)在區(qū)域尺度上的重要分支[5]。耦合景觀空間格局和生態(tài)過(guò)程，衡量景觀格局演變對(duì)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能的影響，評(píng)價(jià)景觀格局與生態(tài)系統(tǒng)相互作用的潛在風(fēng)險(xiǎn)，可以為區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)防范、景觀格局優(yōu)化、生態(tài)功能維系提供有效決策依據(jù)[6]。我國(guó)西北干旱區(qū)內(nèi)陸河流域人口稀少，以荒漠生態(tài)系統(tǒng)為主，綠洲被荒漠包圍，生態(tài)系統(tǒng)較為單一，國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者對(duì)于西北干旱區(qū)進(jìn)行景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，魏曉旭[7]等揭示了石羊河流域的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空變化；張?jiān)耓8]等預(yù)測(cè)艾比湖區(qū)的土地利用變化并對(duì)湖區(qū)進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，得出人類(lèi)活動(dòng)干擾是影響當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)脆弱的主要因素；梁二敏[9]等對(duì)新疆瑪納斯河流域進(jìn)行基于土地利用變化的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，得出研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)呈降低趨勢(shì)；王若凡[10]等基于景觀生態(tài)學(xué)原理,擴(kuò)展與修正了風(fēng)險(xiǎn)概念模型, 對(duì)黑河流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。這些研究為新疆塔里木河流域下游區(qū)生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)的研究提供了新的思路，對(duì)下游區(qū)生態(tài)環(huán)境的修復(fù)和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有指導(dǎo)意義。

然而，在前人關(guān)于塔里木河下游區(qū)的研究[11-13]中，更多關(guān)注的是生態(tài)輸水后生態(tài)環(huán)境變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和植被恢復(fù)狀況分析，缺乏基于土地利用的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)評(píng)價(jià)和空間屬性的綜合分析。作為生境極其脆弱的干旱內(nèi)陸河，塔里木河下游段曾斷流超過(guò)30 a，流域水系統(tǒng)的完整性被打破，尾閭湖泊干涸，水生態(tài)系統(tǒng)受損嚴(yán)重[14]，自2001年起，塔里木河流域依托國(guó)家政策實(shí)施全流域綜合治理，經(jīng)過(guò)近20 a的綜合治理，下游區(qū)土地利用類(lèi)型產(chǎn)生較明顯變化，流域土地利用的變化及生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)程度值得深入研究。為此本文選取2001、2010、2019年3期Landsat7 ETM遙感影像，以塔里木河下游區(qū)為研究對(duì)象，分析塔河綜合治理工程實(shí)施的20 a來(lái)土地利用/覆被變化，構(gòu)建景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，開(kāi)展塔河下游區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空變化研究。

1 研究區(qū)概況

以塔里木河下游段為研究區(qū)，即恰拉水庫(kù)至若羌縣臺(tái)特瑪湖河段，位于庫(kù)魯克沙漠和塔克拉瑪干沙漠之間的沖積平原(圖1)，總面積1.28 萬(wàn)km2。研究區(qū)屬極端干旱氣候，降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，年降水量?jī)H17.4～42.0 mm，而面潛在蒸發(fā)量在2 500～3 000 mm之間[15]。塔里木河為純耗散型內(nèi)陸河，下游地區(qū)水資源主要依靠源流補(bǔ)給。歷史上下游河道長(zhǎng)期斷流，至2019年底，向塔里木河下游生態(tài)輸水達(dá)到20次，累計(jì)輸水量超過(guò)81 億m3。塔里木河下游在歷經(jīng)斷流和生態(tài)輸水后，兩岸景觀及生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生顯著變化[16]。

圖1 研究區(qū)地理位置及其高程Fig.1 Location and DEM of the study area

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

本文以2001年、2010年和2019年三期成像于7-9月的Landsat7 ETM衛(wèi)星圖為數(shù)據(jù)源(分辨率為30 m),來(lái)源于美國(guó)地質(zhì)勘測(cè)局網(wǎng)站 (http:∥glovis.usgs.gov)，云量小于8%，運(yùn)用ENVI 5.1軟件對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、幾何校正等預(yù)處理，再通過(guò)圖像鑲嵌和裁剪，得到塔里木河下游區(qū)3期的Landsat遙感影像。利用極大似然法進(jìn)行非監(jiān)督分類(lèi)，結(jié)合目視解譯，基于中國(guó)科學(xué)院開(kāi)發(fā)的土地利用與覆被分類(lèi)系統(tǒng)，并結(jié)合研究區(qū)土地利用特點(diǎn)，將研究區(qū)景觀類(lèi)型分為耕地、林地、草地、水域濕地、建設(shè)用地和未利用地(圖2)。結(jié)合Google Earth高分辨率影像和野外調(diào)查點(diǎn)，運(yùn)用Confusion Matrix工具對(duì)解譯結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，總體分類(lèi)精度達(dá)88%以上，符合精度要求。將三期解譯好的土地利用分類(lèi)圖導(dǎo)入Fragstats 4.2軟件，提取研究區(qū)各土地利用類(lèi)型的面積、斑塊數(shù)等重要信息。

2.2 研究方法

2.2.1 景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

為了實(shí)現(xiàn)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的空間化，本文利用ArcGIS 10.1軟件的系統(tǒng)采樣功能，將研究區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格化處理，劃分為大小相同的若干生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)，作為評(píng)價(jià)單元?？紤]到景觀斑塊評(píng)價(jià)面積和計(jì)算強(qiáng)度，將研究區(qū)劃分為1 419個(gè)3 km×3 km的采樣網(wǎng)格。利用景觀干擾度指數(shù)和景觀脆弱度指數(shù)構(gòu)建景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，計(jì)算每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，作為風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)中心點(diǎn)的值。

圖2 2001-2019年塔里木河下游區(qū)土地利用類(lèi)型變化圖Fig.2 Change of land use landscape type in the lower reaches of Traim River from 2001 to 2019

景觀干擾度指數(shù)(Di)反映一定區(qū)域內(nèi)景觀受外界干擾后的損失程度[17]。本文選用景觀破碎度指數(shù)(Ci)、和景觀優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(Doi)以一定權(quán)重疊加計(jì)算出景觀干擾度指數(shù)(表1)。

表1 景觀指數(shù)計(jì)算方法及意義Tab.1 Calculation method and significance of landscape index

景觀脆弱度指數(shù)(Fi)反映景觀類(lèi)型抵抗外界干擾的能力和對(duì)外界變化的敏感程度[19]。借鑒張?jiān)碌萚20]、潘競(jìng)虎等[21]、FAN J等[22]對(duì)于干旱內(nèi)陸河流域的相關(guān)研究，脆弱度由高到低依次賦值為：未利用地為6，水域濕地為5，耕地為4，草地為3，林地為2，建設(shè)用地為1，歸一化處理后得到各景觀類(lèi)型的脆弱度指數(shù)。

景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(ERI)可以定量描述樣區(qū)內(nèi)的綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)損失的大小，建立景觀結(jié)構(gòu)和區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)之間的關(guān)系[23]。其計(jì)算公式為：

(1)

式中:n是景觀類(lèi)型的數(shù)量；Aki為第k個(gè)樣區(qū)中景觀i的面積；Ai是第k個(gè)樣區(qū)的總面積。

2.2.2 空間自相關(guān)分析

本文運(yùn)用GeoDa 1.4.1軟件進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間自相關(guān)分析?？臻g自相關(guān)分析是用來(lái)檢驗(yàn)?zāi)承┛臻g變量在特定位置的屬性值是否與鄰近位置的屬性值顯著相關(guān)的算法[24]，常用的指標(biāo)有Moran’sI指數(shù)(全局空間自相關(guān))和LISA指數(shù)(局部空間自相關(guān))[25]。Moran散點(diǎn)圖表達(dá)了各土地利用類(lèi)型空間分布的聚集和異常特征，LISA分布圖可進(jìn)一步確定局部空間聚集或異常的具體位置[26,27]。全局Moran’sI值和局部Moran’sIi值的計(jì)算公式分別為：

(2)

(3)

在一定顯著水平上，Moran’sI負(fù)值表明存在空間負(fù)相關(guān)，空間單元屬性值趨于離散；正值表明存在空間正相關(guān)，空間單元屬性值趨于聚集；零值表明不存在空間自相關(guān)。

3 結(jié)果與討論

3.1 土地利用類(lèi)型時(shí)空變化特征分析

由圖2和圖3可知，未利用地面積占流域總面積比例超過(guò)70%，為塔河干流下游區(qū)主要的土地利用類(lèi)型，其面積在2001-2019年減少了12.78%，呈現(xiàn)逐年減少的趨勢(shì)。草地面積在2001-2010年顯著增加了37.6%，在2010-2019年略微減少了7.82%。林地面積在2001-2019年持續(xù)顯著增加，且增長(zhǎng)速率也在增大，面積共增加了154.7%，增加的林地面積主要分布在臺(tái)特瑪湖、大西海子水庫(kù)附近，以及喀爾達(dá)依東側(cè)新增了大片林地。水域濕地面積在2001-2010年大幅增加，在2010-2019年持續(xù)略微增加，主要由于生態(tài)輸水工程和節(jié)水農(nóng)業(yè)的普及，臺(tái)特瑪湖由干涸到湖面面積顯著擴(kuò)大，水域濕地面積共增加了204.9%。同時(shí)，耕地和建設(shè)用地的面積也持續(xù)增加，分別增加了100.27和26.24 km2，增加的耕地和建設(shè)用地主要位于若羌縣，塔河綜合治理的20 a里，下游的人類(lèi)活動(dòng)愈加頻繁，農(nóng)業(yè)區(qū)逐漸趨于城鎮(zhèn)化。

圖3 2001-2019年塔里木河下游區(qū)土地利用類(lèi)型面積變化Fig.3 The change of the area land use of the the lower reaches of Tarim River from 2001 to 2019

3.2 景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空變化特征分析

在ArcGIS軟件中運(yùn)用自然斷點(diǎn)法，將研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分為5個(gè)等級(jí)，分別為：低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(ERI≤0.15)、較低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(0.151)，通過(guò)運(yùn)用普通克里金插值法對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行空間插值，形成塔里木河下游區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間變化圖。

由表2可知，2001-2019年間塔里木河流域下游區(qū)以低和較低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)為主，占研究區(qū)面積72.61%以上，整體生態(tài)情況良好。2001-2010年，塔里木河流域下游區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)趨于增加，主要體現(xiàn)為低和較低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積共減少了10.27%，中、較高、高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積分別增加了43.33%、42.28%、53.57%。2010-2019年，塔里木河流域下游區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)趨于降低，主要體現(xiàn)為高和較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積分別減少了51.16%和51.43%，低和中生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積分別增加了26.16%和10.62%。

表2 塔里木河下游區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積及比例Tab.2 The ecological risk level of the area and the proportion of land utilization in the lower reaches of Tarim River

圖4 2001-2019年塔里木河下游區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分布Fig.4 Spatial distribution patterns of landscape ecological risk in the lower reaches of Traim River from 2001 to 2019

由圖4可知，塔河下游區(qū)的高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在水域濕地處，由于在干旱區(qū)分散的水具有較高的脆弱度和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，恰拉水庫(kù)、大西海子水庫(kù)和臺(tái)特瑪湖處呈現(xiàn)高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，臺(tái)特瑪湖來(lái)水量增大，區(qū)域景觀類(lèi)型多樣，植被豐富，水域斑塊呈現(xiàn)從無(wú)到有的過(guò)程，破碎化程度加大，脆弱性增強(qiáng)，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)高。大西海子水庫(kù)附近由于水利工程的建設(shè)，降低了景觀連通性，人類(lèi)活動(dòng)干擾較多，景觀類(lèi)型豐富，沿水庫(kù)植被覆蓋度高且有耕地分布，造成景觀破碎。低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在以沙地為主的未利用地，研究時(shí)段內(nèi)，大部分未利用地未發(fā)生土地利用轉(zhuǎn)化，不受人類(lèi)干擾，呈現(xiàn)高穩(wěn)定性，斑塊面積大，斑塊數(shù)少，破碎化程度低。較低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)多為生態(tài)脆弱度較低的林地、草地。2001-2010年，恰拉水庫(kù)至大西海子水庫(kù)東側(cè)和若羌縣耕地密布的區(qū)域呈現(xiàn)較高、中生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)， 2010-2019年，研究區(qū)內(nèi)耕地分布區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)降低，由較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)降為中生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

2001-2010年間，即實(shí)施向塔里木河下游生態(tài)輸水工程的前十年里，塔河下游區(qū)土地利用類(lèi)型發(fā)生較大變化，整體生態(tài)恢復(fù)良好，主要反映在水域濕地景觀受益明顯，水面面積增加了逾2倍，尤其尾閭臺(tái)特瑪湖由完全干涸到水面面積良好恢復(fù)，但濕地生態(tài)系統(tǒng)具有較高脆弱度，恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)；林地、草地覆蓋大幅增加，恢復(fù)與改善面積達(dá)到718.44 km2，產(chǎn)生大量新增細(xì)碎斑塊；同時(shí)，隨著人類(lèi)在下游的活動(dòng)日漸頻繁，耕地被大量開(kāi)墾，因此景觀整體呈現(xiàn)破碎化。根據(jù)相關(guān)資料，2000-2009年大西海子水庫(kù)共向塔河下游輸水9.35 億m3，其中2007-2009年暫停向下游生態(tài)輸水，2010-2018年，向塔河下游生態(tài)輸水量達(dá)到63.8 億m3，約為前10 a的7倍，隨著生態(tài)輸水量的累積，2010-2019年間，塔河下游區(qū)的水域濕地、林地、草地面積持續(xù)增加，生態(tài)在進(jìn)一步的恢復(fù)良好的同時(shí)，一些新增的水域、林地、草地、耕地斑塊由細(xì)碎小斑塊聚集成大斑塊，呈現(xiàn)聚集成片的趨勢(shì)，景觀整體的破碎化程度得到緩解，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)降低，尤其高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積大量減少，向中、低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)化，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)一步得到明顯改善。因此，水域濕地的生態(tài)功能恢復(fù)具有滯后性，持續(xù)性大量輸水是使下游脆弱的生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定好轉(zhuǎn)的重要保證[28]。建議持續(xù)對(duì)塔河下游進(jìn)行輸水，增加水域濕地景觀的連通性[29]，使水域面積保持長(zhǎng)期穩(wěn)定，進(jìn)一步開(kāi)展在塔河兩岸退耕還林還草，提高下游生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)恢復(fù)力，保持沙漠綠洲的穩(wěn)定性，使塔里木河下游的生態(tài)系統(tǒng)逐步恢復(fù)。

3.3 景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間自相關(guān)分析

塔里木河流域下游區(qū)2001、2010、2019年生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)全局自相關(guān)分析的Moran’sI指數(shù)分別為0.752 6、0.744 6、0.743 7，全局Moran’sI均在0.5以上，說(shuō)明景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的空間分布呈現(xiàn)顯著正相關(guān)性。由圖5可知，較多散點(diǎn)在第一、三象限聚集，說(shuō)明大多數(shù)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)在空間上呈現(xiàn)高-高和低-低相關(guān)性，即高、低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分別呈現(xiàn)高聚集度，具有明顯的空間趨同現(xiàn)象。

圖5 2001-2019年塔里木河下游區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值Moran’s I散點(diǎn)圖Fig.5 Moran’s I scatter plot of landscape ecological risk in the lower reaches of Tarim River from 2001 to 2019

由局部自相關(guān)分析LISA圖(圖6)可知，3個(gè)時(shí)期高-高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)聚集區(qū)基本分布于水域濕地及其周?chē)母?、草地、林地，且隨著臺(tái)特瑪湖水面的大面積恢復(fù)而增多，低-低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在未利用地和草地。高-低和低-高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積較小，在高-高、低-低風(fēng)險(xiǎn)聚集區(qū)邊緣零散分布，說(shuō)明研究區(qū)內(nèi)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的出現(xiàn)局部急劇變化的可能性較低。

圖6 2001-2019年塔里木河下游區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值LISA指數(shù)空間分布圖Fig.6 Cluster map of LISA of landscape ecological risk in the lower reaches of Tarim River from 2001 to 2019

4 結(jié) 論

(1)在2001-2019年間塔里木河下游區(qū)土地利用類(lèi)型時(shí)空變化明顯，實(shí)施塔河綜合治理的20 a里，在生態(tài)輸水工程、胡楊林重點(diǎn)保護(hù)區(qū)應(yīng)急補(bǔ)水和普及節(jié)水農(nóng)業(yè)的背景下：未利用地作為主要的土地利用類(lèi)型，面積逐年減少；草地、林地面積顯著增加，增加的林地面積主要分布在臺(tái)特瑪湖、大西海子水庫(kù)以及喀爾達(dá)依東側(cè)；水域濕地面積大幅增加，主要體現(xiàn)在臺(tái)特瑪湖由干涸到湖面面積顯著擴(kuò)大；耕地和建設(shè)用地的面積也持續(xù)增加。

(2)在2001-2019年間塔里木河下游區(qū)以低和較低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)為主，占總面積72.61%以上，整體生態(tài)情況良好。高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)主要分布于恰拉水庫(kù)、大西海子水庫(kù)和臺(tái)特瑪湖處，較低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)多為生態(tài)脆弱度較低的林地、草地，低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在以沙地為主的未利用地，2010-2019年耕地分布區(qū)由較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)橹猩鷳B(tài)風(fēng)險(xiǎn)。整體生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)先略有增加后逐漸降低，高、較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)面積顯著減少了42.4%，塔里木河下游區(qū)生態(tài)系統(tǒng)正在逐步恢復(fù)，這與近10 a新疆向塔河下游生態(tài)輸水量大量增加密不可分。

(3)在2001-2019年間塔里木河下游區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的空間分布呈現(xiàn)顯著正相關(guān)性。大多數(shù)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)在空間上呈現(xiàn)高-高和低-低相關(guān)性，具有明顯的空間趨同現(xiàn)象。高-低和低-高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積較小，在高-高、低-低風(fēng)險(xiǎn)聚集區(qū)邊緣零散分布，研究區(qū)內(nèi)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的出現(xiàn)局部急劇變化的可能性較低。