基于土地利用变化的玛纳斯河流域景观生态风险评价

摘要：随着人类活动范围日益扩张和强度增加,景观生态风险评价已经成为预测和衡量生态环境质量和动态演化的重要手段。本文以玛纳斯河流域（简称玛河流域）为研究区,选取2000、2005、2010和2015年4期Landsat TM/ETM遥感影像,运用ENVI软件对研究区土地利用类型进行解译,定量分析流域近15年来土地利用动态变化特征,基于景观格局指数,采用地统计学方法,探究玛河流域景观生态风险程度及时空分异特征。结果表明：（1）2000—2015年,玛河流域景观格局发生了较大变化,耕地景观面积增加最多（2638.31 km^2）,主要由草地和未利用地转入;未利用地景观面积减少最多（2559.99 km^2）,主要转化成了草地、耕地和林地;（2）将流域景观生态风险划分为5个等级,研究期内流域低、中风险区面积增加而较高、高风险区面积减少,整体景观生态风险指数减小,所以研究区生态环境在整体上呈现好转;（3）2000—2005年、2010—2015年玛河流域在景观风险分布格局上发生较小变化,但2005—2010年流域景观风险分布格局发生较大变化,主要是中、较高和高风险区向流域南北方向分散并转移,低风险区向流域北部转移。     

天津于桥水库流域典型景观类型时空演变分析

流域典型景观类型变化影响着流域生态水文过程,从而也关乎流域水环境安全。本研究以天津于桥水库流域为例,基于5期不同的卫星影像,利用轨迹分析及景观格局指数等方法,研究流域土地利用变化轨迹模型以及研究时间段内典型景观类型的空间分布格局及近30年的演变过程。结果表明:1984—2013年于桥水库流域景观格局变化显著,城镇、园地和草地增加明显,林地、耕地减少显著,林地面积减幅达50%;30年来流域土地利用变化面积占整个流域面积的63.11%,其中,人为因素引起的变化轨迹占所有变化轨迹的96.65%,变化类型主要包括耕地-城镇、林地-耕地/园地、林地-草地等的转化,变化轨迹主要分布于北部丘陵与北部平原等地区;典型景观类型的变化趋势与整个流域变化趋势基本一致,各景观类型破碎化程度总体呈上升趋势,连通性降低,景观多样性缓慢上升,景观格局异质性变高。     

卧龙地区流域土地覆盖变化及其对大熊猫潜在生境的影响

土地覆盖变化作为土地利用驱动的显著结果,是人类活动对环境影响的最显著的表现。为了将土地覆盖变化结果用于探讨大熊猫潜在生境与人为活动导致的环境变化之间的关系,利用1：25万数字高程模型和1：10万土地覆盖分类数据（1990年,2000年两期）,采用流域时空对比和景观格局分析的手段,对卧龙地区两流域土地覆盖变化及大熊猫潜在生境的景观格局变化进行了对比研究,结果表明：①10a间,寿溪流域土地覆盖年变化率（0．33％）低于渔子溪流域（1．02％）,且两流域土地覆盖类型的变化趋势有所不同。主要表现为：在寿溪流域,主要土地覆盖类型的斑块均表现出破碎化的趋势,且森林和灌丛的斑块破碎化趋势更显著;而在渔子溪流域,仅是与人类活动相关的草地、农田斑块破碎化加剧,而森林和灌丛的平均斑块大小反而增加了。②两流域大熊猫潜在生境的景观格局变化趋势有所不同。在渔子溪流域,大熊猫潜在生境的景观多样性指数、均匀度指数、破碎度和森林景观形状指数均高于寿溪流域。而与渔子溪全流域相比,该地区大熊猫潜在生境的森林平均斑块大小较小,并且近十年,在渔子溪流域,大熊猫潜在生境景观的森林面积比重及斑块大小的减少,森林景观形状指数的增加等变化趋势与全流域的相反,间接反映出渔子溪流域的大熊猫潜在生境所受的人类活动的压力更大。③两流域分级集水区的大熊猫潜在生境比重分布与居民点密度分布存在空间上的分异。利用缓冲区分析表明,在渔子溪流域,大熊猫潜在生境与居民点范围的重叠更为严重,约57．7％的人类活动范围处于与大熊猫潜在生境重叠的区域。据此推断,大熊猫潜在生境在流域中的分布与人类活动空间上的交错关系是导致近十年渔子溪流域大熊猫生境受到严重干扰的重要原因。     

洞庭湖流域中上游地区景观格局变化及其驱动力

基于GIS、RS技术,对1980—2000年洞庭湖流域中上游地区景观格局的时空变化特征进行了研究,并分析了该区景观演变的驱动因素.结果表明：1980—2000年,研究区不同景观类型间的面积变化差异较大,其中,面积变化显著的景观类型从大到小依次为有林地、山地水田和疏林地;景观面积的变化主要发生在山地区和丘陵区,且由东往西呈减少趋势,即湘水流域的景观面积变化最大,然后依次为资水流域、沅水流域和澧水流域.1980—1995年,各类景观的斑块形状大多呈现简单和规则化趋势,1995年后其复杂程度逐步增加.农村人口对自然生态系统的压力、流域发展对自然资源的依赖程度、为维持自然生态系统功能进行的投入以及农业产业政策调整是研究区景观格局变化的最主要驱动力.     

1980—2015年南四湖流域景观格局及其脆弱性

流域景观格局及脆弱性变化对流域生态环境具有重要影响.为保障南四湖流域生态环境安全,本研究以流域1980—2015年7期土地利用数据为基础,通过计算景观格局指数分析南四湖流域景观格局变化,利用景观适应度(LAI)和景观敏感度指数(LSI)构建景观格局脆弱度(LVI),并分析其空间分布与变化.结果表明: 1980—2015年,南四湖流域耕地面积比例下降4.6%,建设用地增加39.7%,其他土地利用类型呈波动变化,林地、草地、未利用地面积减少,水域面积增加.耕地一直是南四湖流域的优势景观类型.耕地和水域破碎度增加,其他地类破碎度降低.流域景观整体破碎度有所缓和,景观类型之间形成了较好的连接性,景观格局的不规则性和复杂性下降并朝着均匀化和多样化方向发展.各时期流域景观脆弱度大体上表现出东部高于西部、北部高于南部的趋势,其空间分布与流域地形,以及景观类型的分布、土地利用变化有关.研究期间,流域LVI整体下降,东部景观脆弱度严重地区的景观格局开始趋于分散,逐渐被低一级脆弱区所取代,西北部地区脆弱度的回升最明显,南部及西南部一直是低脆弱区.     

1976-2013年三江平原景观生态风险变化及驱动力

受自然过程和人类活动的影响,三江平原景观生态风险格局发生了明显变化。采用GIS和RS技术构建景观风险指数,结合网格分析法和地理探测器分析1976-2013年三江平原景观生态风险变化及驱动力。结果表明,从时间上看,1976-2013年三江平原农田、草地和湿地的景观损失度逐渐降低,林地和居民用地景观损失度不断升高,生态风险呈逐渐降低趋势;从空间上看,1976年以高风险区为主,2013年则以低风险区为主,1976-2013年低风险、较低风险和中风险区不断向三江平原西部和西南部扩张,高风险和较高风险区逐渐向北部的黑龙江和乌苏里江沿岸及保护区退缩,生态风险整体向西南方向运移,风险质心向西南转移37.8 km;三江平原景观生态风险格局变化受海拔、地貌、居民点、保护区距离和人为干扰度影响明显,其中人为干扰度、居民点以及保护区距离对景观生态风险解释力最为显著,1995年人为干扰度（71.2%）、居民点距离（64.6%）和保护区距离（43.7%）的因子解释力明显高于地貌类型（11.2%）和流域类型（8.9%）,2013年地貌类型（23.5%）解释力大于保护区距离（23.3%）。该研究为湿地保护和恢复提供科学参考。     

异质景观中非点源污染动态变化比较研究

通过在河北省遵化地区于水库的上游选取景观特征差异明显的4个典型流域,对地表水体采样分析,研究了非点源污染N（水溶性N）含量的季节动态变化特征以及与流域形状、景观空间分布格局的相互关系。结果表明：（1）平水（偏干,下同）年份不同季节地表水中非点源污染N含量高于干旱年份,反映出平水年份地表和地下径流对非点源污染的形成起到了较大作用。（2）干旱年份地表水中非点源污染N含量季节变化比较平稳,且空间变异较小,而平水年份地表水体中非点源污染N含量季节变化较大,表现出两种不同变化形式。（3）流域形状和景观类型的相对重要性与非点源污染N之间没有明显的相关关系,而“源”“汇”景观类型的空间分布格局在非点源污染的形成中起着重要作用。     

基于CA-Markov模型的三川流域景观格局分析及动态预测

以济南南部山区三川流域为研究对象,在ArcGIS和IDRISI平台的支持下,结合景观生态学原理,运用景观指数并引入Kappa系数对三川流域1990-2010年景观格局、动态度进行分析,最后运用CA-Markov模型对流域景观格局进行动态趋势预测.景观格局指数分析表明:三川流域景观类型以耕地、林地、建设用地和草地为主;受人类活动影响,1990-2010年三川流域耕地、林地面积减少,其余各景观面积均呈增加趋势;流域整体景观破碎度增加,斑块复杂度提高,各景观类型的分布渐趋均衡.景观格局变化前10年比后10年明显,人类活动对当地生态环境的影响较显著.Kappa系数表明:景观变化由各景观数量比例变化逐渐转变为各景观数量保持相对稳定下的景观空间位置上的变化.随着2000年后政策的引导,景观整体的变化渐趋稳定,人类活动对生态环境影响有所下降.CA-Markov模型预测结果表明,2010-2020年流域内各景观优势度下降,景观破碎度降低,均衡性持续提高;景观间的转入转出幅度不大,仅占总面积的3.08％,景观类型的转变主要发生在斑块交界处.总的来看,三川流域景观格局变化主要是耕地、林地面积减少,建设用地面积增加,生态环境更趋脆弱.     

泾河流域景观稳定性与类型转换机制

以泾河流域为例研究景观格局的变化.结果表明,泾河流域198～2000年间,景观结构变化不大,以草地景观和耕地景观为主.草地景观和农耕地景观占流域总面积的85%以上,其次为林地景观,约占10%,其他景观类型仅占5%左右,说明流域的宏观景观格局不会在10～20年的时间尺度上发生结构性改变.大流域内景观类型之间可以相互转换,在5年和10年尺度上,主导景观类型的自稳定强度均在89%以上,转换为其他类型的强度在11%以内.不同景观类型组分中,占比例越小的景观类型转换为其他类型或消失的速度越快.同一大类景观类型中的亚景观类型之间相互转换幅度较大.流域内景观特征表现出一定的时空变化规律.从上游到下游,景观特征变化的趋势是优势度、聚集度增加,分维数下降,斑块密度由低到高,再由高到低;在时间尺度上,优势度、聚集度下降,分维数保持稳定,斑块密度增加.自2000年实行草地围封和退耕还林政策以来,泾河流域NDVI低值区由7.4%减至0.8%,NDVI高值区由29.8%减至25.1%,较高值区由18.3%增加到25.7%,最高值区由2.3%增至5.5%,表明该流域景观质量呈现增高趋势.     

黄土高塬沟壑区小流域土地利用变化及其生态效应分析

基于王东沟流域1994和2004年两期土地利用图,通过构建土地利用动态变化模型和区域生态环境指标,定量分析了王东沟流域1994--2004年土地利用时空变化特征,并以生态系统服务功能衡量了土地利用类型和土地利用变化类型的生态效应．结果表明,1994—2004年王东沟流域农地大幅度减少,草地和果园大量增加,林地和非生产地变化不大;变化速度依次为草地〉果园〉非生产地〉农地〉林地;土地利用变化类型多样,农地转出和林地转入是其主要类型;土地利用的空间迁移方向为农地和果园向西北方向迁移（塬区）,林地和草地向东南方向（沟壑区）迁移．1994--2004年土地利用变化带来了良好的生态效益,但不同土地类型和不同土地变化类型的生态效应不同,提高和降低生态系统服务功能的作用并存．农地减少对生态环境产生负面作用,林草和果园的增加改善了生态环境,提高了其生态服务价值;土地利用变化类型中,改善生态环境的主要是转为林地和果园的变化类型,降低生态系统服务功能的主要是林地转出类型和农地转为非生产地类型．     

基于理想参照系-关键指标的赤水河流域生态系统质量变化趋势分析

赤水河流域是长江上游重要的生态安全屏障,针对赤水河流域经济开发与生态环境保护的突出矛盾,基于MODIS数据产品提取赤水河流域2000—2018年归一化植被指数（NDVI）、叶面积指数（LAI）、表层水分含量指数（SWCI）和陆地表面温度（LST）生态系统质量关键指标,利用ENVI主成分分析构建遥感生态指数（RSEI）,计算赤水河流域2000—2018年生态系统质量,进行Sen+Mann-Kendall趋势分析,并与贵州习水自然保护区林地最优状态下RSEI值进行比较,进而量化区域生态系统质量恢复潜力,为赤水河流域生态恢复、绿水青山就是金山银山重要理论实现提供科学参考。结果表明：RSEI能够很好地反映赤水河流域生态系统质量时空分布特征,且绿度和湿度对赤水河流域生态系统质量起关键作用。赤水河流域RSEI平均值为0.613,高值区域主要分布在下游湿润常绿阔叶林区,中游河谷中山阔叶林林、常绿针叶林区,上游镇雄县、威信县和叙永县交界处的高山常绿针叶林、落叶阔叶林区。赤水河流域近20年生态系统质量以整体以改善为主,但局部仍出现退化现象,其中生态系统质量显著改善面积占总面积的6.12%,轻微改善面积占59.51%,轻微退化面积占23.17%,显著退化面积占1.49%。赤水河流域林地RSEI值与理想参照系RESI值差距在10%以上面积占林地总面积的49.82%,主要分布在大方县、桐梓县、播州区及怀仁市、习水县部分地区。     

农业景观动态对林地地表节肢动物多样性的影响

以黄河下游典型农区封丘县为研究区,在林地景观中进行地表节肢动物的观测。用物种丰富度和香农多样性指数代表物种多样性,选择代表景观背景的5个竞争模型:生境特性(H1,2012)、基质特性(H2,2012)、生境变化(H3,1984—2012)、基质变化(H4,1984—2012)和土壤-环境条件(H5,2012)从4个空间尺度上(100,250,350和500 m)进行分析,通过运用基于赤池信息量准则(Akaike information criterion,AIC)的多模型推理(Multi-model Inference,MMI)方法,在R软件里用广义线性模型(Generalized Linear Models,GLM)探究了研究区近30年(1984—2012年)景观背景变化对林地地表节肢动物多样性的影响。研究表明,不同景观背景模型对地表节肢动物多样性的影响具有尺度依赖性。在100 m的尺度下,生境特性(H1)最能够解释香农多样性和物种丰富度,但是随着尺度的增加,生境特性变化(H3)在较大(250、350 m和500 m)的尺度对物种丰富度和香农多样性影响最大,而基质特性和土壤-环境条件(H2和H5)的作用不显著。景观背景对地表节肢动物多样性的解释量达到40%。在研究区域,生境特性是表征香农多样性指数和物种丰富度的指标。     

汶川县生态系统服务对景观格局及其变化的响应

景观格局及其变化是影响生态系统服务供应与维持的主要原因之一,也是生态系统服务管理与景观空间配置优化的基础。基于30 m分辨率土地利用数据,统计汶川县2000—2015年多种景观格局指数和碳固定、水源涵养、土壤保持3种生态系统服务的变化,划分等级探究生态系统服务对景观格局及其变化的响应。研究结果表明:1)汶川县整体景观趋于破碎化、斑块形状复杂化,斑块异质性增加,且主要是在林地、草地和耕地之间转换;2)对于生态系统服务,碳固定在全域内有所减少,而大部分区域水源涵养和土壤保持呈增长趋势;3)不同生态系统服务对景观格局的响应存在差异,不仅表现在指标上,也体现在程度上,如碳固定对斑块形状指数(Landscape Shape Index,LSI)响应较为明显,而对蔓延度指数(Contagion Index,CONTAG)敏感性较差;4)并非所有景观格局变化均会引起生态系统服务变化,尺度也会对结果造成影响。本研究通过生态系统服务对景观格局的响应分析,可为区域景观管理的相关评估提供借鉴。     

南昌市城镇空间扩展与景观生态风险的耦合关系

为探究城镇用地空间扩展对景观生态风险的影响,以南昌市为例,运用遥感、GIS及数理统计的方法,借助城镇扩展强度指数研究了南昌市2000—2017年城镇空间扩展的时空变化特征,构建了景观生态风险指数,以3 km×3 km的单元网格进行系统采样,探究城镇扩展下南昌市景观格局的动态变化和景观生态风险,最后基于地理加权回归(GWR)模型,定量分析2000—2017年南昌市城镇空间扩展与景观生态风险之间的耦合关系。结果表明:(1)2000—2017年,南昌市城镇用地增加了247.56 km~2,年均扩展速率达17.75 km~2,其中2000—2005年扩展最快,呈现出剧烈扩展的态势,扩展强度达到0.55。城镇扩展主要沿正北和西北方向扩展,分布在青山湖区、南昌县、新建区等,总体上呈快速扩展趋势;(2)南昌市景观格局以耕地为主,建设用地快速扩张,耕地、林地、草地面积持续减少,土地利用的景观格局指数反映此期间人类活动的干扰程度加剧,景观斑块数量增加,整体破碎度提高。借助地统计分析方法,计算得到南昌市景观生态风险由2000年的0.1354上升至2017年的0.1420,景观生态风险呈逐渐升高的趋势;(3)2000—2017年,城镇用地面积与景观生态风险、城镇空间扩展强度指数和景观生态险变化值之间,都呈现负相关影响,后者相关性在减弱。回归系数的空间分布上,由中部向外逐渐升高,低值位于城镇扩展较快的南昌市区,城镇的快速扩展使城镇用面积大幅增加,景观破碎度、损失度降低,景观生态风险随之降低;高值出现在进贤县、安义县等经济发展缓慢的地区,城镇用地扩展幅度小,扩展边界斑块破碎度大,分离度上升,景观生态风险增加。研究结果为促进城市建设与生态环境保护的相互协调,正确评价人类活动对城市生态系统的影响,以及南昌市的可持续发展和科学管理提供借鉴。     

基于土地利用变化的黄土丘陵区生境质量时空演变特征——以榆中县为例

生境质量是生态系统服务水平的重要表征,是区域生态安全保障和人类福祉提升的关键环节,评估土地利用变化引起的生境质量时空演变可为区域生态保护和土地管理提供科学依据。以典型黄土丘陵区县域——榆中县为例,基于Arc GIS平台和InVEST模型探讨了该县1995、2005和2015年生境质量空间格局及其演变特征。结论如下:(1)研究区土地类型和景观格局变化明显,主要土地利用变化是耕地转向建设用地和林地,以及草地和耕地之间的相互转变,这些变化导致景观异质性增强和破碎度上升。(2)生境质量空间格局一直表现为"南部高、中部居中、北部低"的态势。生境质量上升区域主要在北部,原因是"退耕还林"及"生态北山"工程的实施使得林地面积增加,下降区域主要在中部,主要是由建设用地扩张占用耕地造成的。(3)生境质量热点以及"H-H"型聚集区主要位于南部山区,而冷点和"L-L"聚集区主要位于北部黄土丘陵区,2015年生境质量空间集聚程度较1995年有所增强,"H-H"聚集区增加0.68%,"L-L"聚集区增加0.67%。对该类型区域生境质量优化提出了相应的政策建议。     

关中-天水经济区生态系统服务权衡与协同关系

陆地表层植被作为生态系统主体,具有调节气候、水文调节、净化水质、保持水土等生态系统服务。理解生态系统服务权衡与协同的表现类型、形成机理、尺度依存和区域差异,对于制定区域发展与生态保护"双赢"的政策措施具有重要意义。以关天经济区为主要研究对象,利用相关模型,计算关天经济区生态系统NPP,固碳释氧,水文调节,水土保持,粮食生产等生态系统服务价值,利用ESCI和ESSI两个指数研究其生态系统服务价值时空变化,利用相关系数和空间制图的方法研究它们之间的相互权衡协同关系。结果表明:从时间角度分析,各项生态服务价值都呈现逐渐增加的趋势;从空间角度分析,2000年和2010年存在相似的空间分布格局,从北向南,NPP和固碳释氧的价值逐渐增大,水土保持价值变化量的大小也呈现不断增加的趋势,北部变化量小,南部变化量大,水文调节价值从西向东增大,从北向南增大,粮食生产价值量最小的是西安市市区,粮食生产价值量最大的是西安市的郊区和郊县及咸阳市。2000年到2010年间,调节型生态系统服务与供给型生态系统服务之间存在着此消彼长的权衡关系;各个区县的总生态服务价值指数从北向南、从西向东是不断增大的。     

1975—2018年南四湖流域景观生态风险时空变化及其驱动因素研究

研究区域的景观生态风险变化趋势及其驱动因素,可以更加科学地保护和开发流域生态系统。以南四湖流域1975—2018年9期土地利用数据为基础,借助ArcGIS 10.2和Fragstats 4.2等软件计算景观生态指数,并构建景观生态风险评估模型,通过空间自相关性分析,探究南四湖流域自改革开放40年来生态风险的时空变化,并用地理探测器定量研究驱动因子的贡献量。研究结果表明:流域最大斑块指数不断减小,景观破碎化加剧,且与景观生态风险指数呈正相关;而平均分维数、香浓多样性和香浓均匀度与生态风险指数呈负相关。在空间上,生态风险指数具有较强集聚性,东部草地和林地区域主要是高值区,湖区北部以及西部耕地和建设用地则主要是低值区;总体上,研究区大部分为低风险和较低风险区,且生态风险平均值不断降低;地理探测器分析表明,海拔和人为干扰度因子贡献量在35%以上,对生态风险有显著的解释力。据此,以后应减少人类行为对南四湖流域生态系统的干预,降低流域的景观生态风险,实现经济、社会和生态的可持续发展。     

Spatial and Temporal Variations of Ecosystem Service Values in Relation to Land Use Pattern in the Loess Plateau of China at Town Scale

Understanding the relationship between land use change and ecosystem service values (ESVs) is the key for improving ecosystem health and sustainability. This study estimated the spatial and temporal variations of ESVs at town scale in relation to land use change in the Loess Plateau which is characterized by its environmental vulnerability, then analyzed and discussed the relationship between ESVs and land use pattern. The result showed that ESVs increased with land use change from 1982 to 2008. The total ESVs increased by 16.17% from US$ 6.315 million at 1982 to US$ 7.336 million at 2002 before the start of the Grain to Green project, while increased significantly thereafter by 67.61% to US$ 11.275 million at 2008 along with the project progressed. Areas with high ESVs appeared mainly in the center and the east where largely distributing orchard and forestland, while those with low ESVs occurred mainly in the north and the south where largely distributing cropland. Correlation and regression analysis showed that land use pattern was significantly positively related with ESVs. The proportion of forestland had a positive effect on ESVs, however, that of cropland had a negative effect. Diversification, fragmentation and interspersion of landscape positively affected ESVs, while land use intensity showed a negative effect. It is concluded that continuing the Grain to Green project and encouraging diversified agriculture benefit to improve the ecosystem service.     

面向人类世的自然与社会:景观生态学的挑战与展望——第十届国际景观生态学大会述评

第十届国际景观生态学大会于2019年7月1日至5日在意大利米兰举行,吸引来自世界各地950余名代表参会。其主题是"面向人类世的自然与社会:景观生态学的挑战与展望"。会议内容聚焦气候变化对景观格局的影响、生态系统服务与可持续发展,景观生态学与政策制定等。对我国景观生态学研究的启示主要有:(1)加强气候变化、人类活动与生态系统作用机制分析;(2)深化生态系统服务与可持续发展的动态连接;(3)拓展景观生态学研究成果在生态系统管理与可持续发展中的应用。