基于景觀格局-服務(wù)的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)
——以廣州市為例

劉珍環(huán),張國(guó)杰,付鳳杰

1 中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院, 廣州 510275 2 廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院, 廣州 510060

景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是近年來為支持景觀生態(tài)建設(shè)和管理而發(fā)展起來的有效工具,景觀變化引起的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)愈來愈受到研究者和管理者的重視[1]。城市是景觀變化的熱點(diǎn)地區(qū),高強(qiáng)度的人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能造成極大干擾[2],因此,完善景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法可為景觀管理和綜合風(fēng)險(xiǎn)防范提供定量依據(jù)[3]。景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究關(guān)注對(duì)特定區(qū)域景觀組分、結(jié)構(gòu)、功能和過程所受人類活動(dòng)或自然災(zāi)害的影響進(jìn)行判定或預(yù)測(cè),特別關(guān)注城市化、土地利用和氣候變化下的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[4- 5]?；诰坝^格局與生態(tài)過程的互饋?zhàn)饔靡暯窃u(píng)價(jià)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),可以揭示景觀對(duì)風(fēng)險(xiǎn)來源的空間影響和應(yīng)對(duì)措施[6- 7]。

生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究受地理學(xué)研究生態(tài)化和生態(tài)學(xué)研究宏觀化的影響,從生態(tài)系統(tǒng)尺度迅速擴(kuò)展到景觀尺度,評(píng)價(jià)對(duì)象由單一類型生態(tài)系統(tǒng)擴(kuò)展到多種生態(tài)系統(tǒng)的空間鑲嵌體[8]。作為生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的重要分支,景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法尚待進(jìn)一步改進(jìn)[9],特別是評(píng)價(jià)尺度變化導(dǎo)致生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)在景觀尺度上比生態(tài)系統(tǒng)尺度更難確定脅迫因子,而又比區(qū)域尺度更強(qiáng)調(diào)空間異質(zhì)性,因此更關(guān)注景觀的綜合風(fēng)險(xiǎn)[10-11]。景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)常用風(fēng)險(xiǎn)源匯法和景觀指數(shù)法,兩種方法都遵循概率乘以損失的風(fēng)險(xiǎn)表征范式；景觀風(fēng)險(xiǎn)源匯法關(guān)注區(qū)域內(nèi)具有明確脅迫因子的特定生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[12],但多因子景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)疊加的復(fù)雜函數(shù)關(guān)系并不清晰,難以區(qū)分不同因子間風(fēng)險(xiǎn)的相互影響；景觀指數(shù)法關(guān)注景觀鑲嵌體相對(duì)于最優(yōu)格局的偏離程度的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)效應(yīng)[13-15]。景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)強(qiáng)調(diào)景觀格局對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的定量影響,通常將格局納入評(píng)價(jià)要素,而將損失看作社會(huì)經(jīng)濟(jì)過程的結(jié)果,忽略了景觀格局與生態(tài)過程和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)之間的邏輯關(guān)系[16],評(píng)價(jià)實(shí)際操作過程中社會(huì)經(jīng)濟(jì)脆弱度往往只能通過專家打分等主觀方式開展,難以評(píng)估其不確定性。為避免景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)單純運(yùn)用景觀格局指數(shù)計(jì)算和堆砌[17],需要引入新的評(píng)價(jià)體系定量化脆弱度。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是連接景觀格局與過程的有效途徑,也是連接人類福祉和社會(huì)—自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的橋梁,其脆弱性與景觀功能密切相關(guān)[18-20]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)空異質(zhì)性最能體現(xiàn)景觀格局與生態(tài)過程的最終后果,是定量景觀脆弱度的最佳指示指標(biāo),將其納入景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型定量化脆弱度,可以進(jìn)一步對(duì)區(qū)域進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[6]。

城市是復(fù)雜的社會(huì)-自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)[21],其景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的特點(diǎn)是多來源和多受體的復(fù)雜暴露和干擾,自然景觀與人工景觀的相互作用及其帶來的風(fēng)險(xiǎn)在城市高概率地綜合涌現(xiàn),亟待建立景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及預(yù)警體系[22-24]。廣州市是華南地區(qū)的核心城市,在過去幾十年經(jīng)歷了快速城市化過程,已成為我國(guó)典型的大都市地區(qū)之一,該區(qū)域的生態(tài)保護(hù)與城市擴(kuò)張的權(quán)衡是難點(diǎn),洪水、熱浪、水土流失、臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)和居民健康造成較大風(fēng)險(xiǎn),亟需探尋以景觀為基礎(chǔ)的應(yīng)對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的適應(yīng)方案。研究該城市的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)及其變化特征,可為城市景觀生態(tài)建設(shè)及國(guó)土空間規(guī)劃提供參考依據(jù)。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)源

研究采用的數(shù)據(jù)包括中分辨率遙感影像數(shù)據(jù)、數(shù)字地形數(shù)據(jù)、土壤粗砂含量、粉砂含量、有機(jī)碳含量數(shù)據(jù)、廣東省氣溫和降水產(chǎn)品等數(shù)據(jù)集,主要數(shù)據(jù)來源見表1。采用中分辨率遙感數(shù)據(jù),經(jīng)大氣校正、幾何校正、圖像增強(qiáng)等預(yù)處理,采用最大似然監(jiān)督分類和目視修正相結(jié)合的方法,將廣州市分為農(nóng)地、林地、城建、水體、草地和濕地六類景觀類型。1990—2015年各期的整體精度介于85.33%—93.51%,Kappa系數(shù)介于0.81—0.93。

表1 數(shù)據(jù)源及說明

1.2 景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型

研究改進(jìn)基于景觀指數(shù)評(píng)價(jià)方法的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)模型,以景觀格局指數(shù)表征景觀干擾度,引入生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相關(guān)指標(biāo)定量化景觀脆弱度,相關(guān)評(píng)價(jià)模型如下：

(1)

式中,LERk表示風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)單元k的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),Rk,i為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)單元k中景觀類型i的景觀干擾度；Vk為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)單元k的景觀脆弱度；i為景觀類型；N為景觀類型數(shù)；Ak,i表示風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)單元k中景觀類型i的面積；Ak表示景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)單元k的總面積。

景觀干擾度指數(shù)(Rk,i)反映了景觀格局變化造成的潛在生態(tài)損失和風(fēng)險(xiǎn),研究運(yùn)用風(fēng)險(xiǎn)制圖方法,將風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)定為1 km×1 km格網(wǎng),其計(jì)算公式如下：

Hk,i=aCk,i+bNk,i+cDk,i

(2)

(3)

式中,Hk,i為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)單元k中景觀類型i的景觀干擾度,Ck,i、Nk,i和Dk,i分別是風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)單元k中景觀類型i的景觀破碎度、景觀分離度和景觀優(yōu)勢(shì)度,在Fragstats 4.2軟件中運(yùn)用移動(dòng)窗完成,a、b和c是各個(gè)景觀格局指數(shù)的權(quán)重,公式內(nèi)容及意義詳見參考文獻(xiàn)[25-26]。參考他人研究[27-29],結(jié)合城市景觀變化的特點(diǎn),分別賦以景觀破碎度指數(shù)、景觀分離度指數(shù)和景觀優(yōu)勢(shì)度指數(shù)的權(quán)重為0.6、0.3和0.1。

景觀脆弱度指數(shù)(Vk,i)在以往研究中采用生境脆弱性[30]或?qū)＜掖蚍址╗31]確定,景觀脆弱度越高,則景觀功能越弱,景觀對(duì)于各種干擾就越敏感,抵抗干擾的能力也越弱。采用基于凈初級(jí)生產(chǎn)力(Net Primary Production, NPP)的植被碳固定、土壤保持、水源涵養(yǎng)與提供和棲息地提供等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)價(jià)景觀脆弱度[32],計(jì)算公式如下：

VZk=VCk+VSk+VWk+VHk

(4)

(5)

VCk=NPP×(1-VCnpp)

(6)

VSk=NPP×(1-VCnpp)×(1-K)×(1-Fslo)

(7)

VWk=NPP×(1-VCnpp)×Fsic×Fpre×(1-Fslo)

(8)

VHk=NPP×(1-VCnpp)×Fpre×Ftem×D

(9)

式中,VZk為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)單元k的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)值,VCk為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)單元k的植被碳固定量；VSk為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)單元k的土壤保持能力；VWk為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)單元k的水源涵養(yǎng)與提供量；VHk為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)單元k的棲息地提供量；NPP：植被凈初級(jí)生產(chǎn)力；VCnpp：NPP年內(nèi)穩(wěn)定性因子；K：土壤侵蝕因子；Fslo：坡度因子；Fsic：土壤入滲能力因子；Fpre：年均降水量因子；Ftem：年均氣溫因子；D：地表粗糙度因子。NPP計(jì)算采用光能利用率模型(CASA模型),其中NDVI數(shù)據(jù)采用兩種數(shù)據(jù)產(chǎn)品,2005,2010和2015年采用500 m分辨率的MODIS-NDVI數(shù)據(jù)；1990,1995和2000年采用Landsat TM計(jì)算的NDVI值并重采樣至500 m分辨率。將景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值歸一化并制圖,按照自然斷點(diǎn)法[26,33]將風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分為極低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)四級(jí)。

2 結(jié)果分析

2.1 景觀干擾度分布及變化

廣州市景觀格局干擾度空間分布顯示(圖1),廣州市景觀干擾度高值區(qū)主要分布在中部、南部和西部,低值區(qū)則集中于北部和東北部,表明廣州市景觀格局所受干擾強(qiáng)度南部大于北部、西部大于東部。從時(shí)序上看,2000年是景觀干擾度變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn),1990—2000年,景觀干擾度逐漸增強(qiáng),中干擾度和高干擾度占比之和由28.16%上升至48.39%,南部干擾度上升最明顯,西部和東南部干擾度也有一定的上升趨勢(shì)；2000—2015年,景觀干擾度表現(xiàn)出下降的趨勢(shì),到2015年,中干擾度和高干擾度比例之和降為31.13%,北部和南部干擾均有降低。1990—2015年,低和極低干擾度比例之和由71.84%變?yōu)?8.87%,等級(jí)占比相差不大,但空間分布趨于破碎化。25年間,景觀干擾度經(jīng)歷了先增加后減小的過程,這與城市擴(kuò)張由粗放轉(zhuǎn)為精細(xì),注重城市內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整有關(guān)。

2.2 景觀脆弱度分布及變化

由圖2可以看出,1990—2015年,廣州市景觀功能脆弱度逐漸上升,中脆弱度和高脆弱度占比之和均維持在60%以上,高脆弱度比例增加明顯?？臻g分布整體表現(xiàn)為南部高于北部,西部高于東部,高脆弱度地區(qū)集中在南部,中脆弱度地區(qū)廣泛分布于北部和東北部,低脆弱度和極低脆弱度地區(qū)聚集在廣州市北部區(qū)域的行政邊界交界帶附近,以山地丘陵為主。近25年,景觀脆弱度一直維持在較高水平,表明城市發(fā)展顯著降低了中心城區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力,也削弱了建成區(qū)周邊景觀的抗干擾能力。

2.3 景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分布特征

圖3展示的是1990—2015年廣州市景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分布,景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)表現(xiàn)為南部高于北部、西部高于東部。總體上廣州市以低風(fēng)險(xiǎn)和極低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)為主,中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)有所增加,25年間,中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)增長(zhǎng)幅度為5.78%,高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)變化幅度超過50%,說明景觀變化主要造成高風(fēng)險(xiǎn)的提升。2000年是廣州市景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的轉(zhuǎn)折點(diǎn),前10年風(fēng)險(xiǎn)趨于增大,后15年風(fēng)險(xiǎn)趨向降低。低風(fēng)險(xiǎn)和極低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)占比最大為1990年的76.52%,最小為2000年的55.16%。極低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)景觀以大斑塊林地為主,主要分布在與天河、白云和黃埔交界的白云山區(qū)以及增城和從化；低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)景觀以農(nóng)業(yè)用地和林地為主,少量草地和灘涂濕地。中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的整體變化趨勢(shì)表現(xiàn)為2000年最高,占25.24%,覆蓋范圍主要是城市建成區(qū)及城郊建設(shè)用地區(qū)、農(nóng)業(yè)景觀分布區(qū)。高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)在2000年比較突出,占比19.61%,主要分布在南沙萬頃沙、番禺與南沙交界帶、番禺與海珠交界帶、白云區(qū)和花都區(qū)的城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶,是城市蔓延的主軸,少量分布在荔灣和天河等地的城市開發(fā)建設(shè)區(qū),如荔灣的廣鋼新城、天河區(qū)東部,還有少量分布在濕地灘涂景觀中。

圖1 1990—2015年廣州市景觀干擾度空間分布圖Fig.1 Spatial distribution of landscape disturbance in Guangzhou during 1990—2015

圖3 1990—2015年廣州市景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of landscape ecological risk in Guangzhou during 1990—2015

圖4 1990—2015年廣州市景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化圖Fig.4 Spatial distribution of landscape ecological risk changes in Guangzhou during 1990—2015

2.4 景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化特征

運(yùn)用變化分析可以看出(圖4),近25年,廣州市景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)保持低風(fēng)險(xiǎn)(低和極低風(fēng)險(xiǎn))以下的比例為40.74%,基本都分布在北部山區(qū)。高風(fēng)險(xiǎn)(中高風(fēng)險(xiǎn))的比例維持在6.67%,主要分布在南部的番禺和南沙。由低風(fēng)險(xiǎn)向高風(fēng)險(xiǎn)的轉(zhuǎn)變比例為32.28%,分布在城市邊緣帶和城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶,包括花都、白云、從化、增城、天河北部和番禺中心區(qū)。由高風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)榈惋L(fēng)險(xiǎn)的比例為20.31%,主要分布在主城區(qū)荔灣、海珠、越秀和天河南部,這25年間景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的變化反映了景觀城市化的影響。

3 結(jié)論與討論

3.1 主要結(jié)論

本研究基于景觀干擾度與脆弱度的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系,引入生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)改進(jìn)脆弱度的評(píng)價(jià)方法,選取植被碳固定、土壤保持、水源涵養(yǎng)與提供和棲息地提供等4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),通過定量表征脆弱度,構(gòu)建快速城市化地區(qū)的城市景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型。采用1990—2015年廣州市的多源數(shù)據(jù),分析了城市景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)空格局及變化特征,基本結(jié)論如下：

(1)25年間,景觀干擾度經(jīng)歷了先增加后降低的過程,2000年是景觀干擾度變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)；1990—2015年,景觀脆弱度不斷增加,抗干擾能力下降,中脆弱度和高脆弱度占比之和均維持在60%以上。景觀干擾度和景觀脆弱度在空間分布上均表現(xiàn)為南部高于北部,西部高于東部。

(2)1990—2015年廣州市景觀變化明顯,景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空格局呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性,表現(xiàn)為南部高于北部、西部高于東部,以低風(fēng)險(xiǎn)和極低風(fēng)險(xiǎn)為主。2000年是廣州市景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的轉(zhuǎn)折點(diǎn),1990—2000年間景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)趨于增大,2000—2015年間景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)趨向降低。

(3)近25年,廣州市景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)與景觀變化具有較好的空間一致性。低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)比例保持在40.74%左右,基本都分布在北部山區(qū),而高風(fēng)險(xiǎn)的比例維持在6.67%,由低風(fēng)險(xiǎn)向高風(fēng)險(xiǎn)的轉(zhuǎn)變比例為32.28%,由高風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)榈惋L(fēng)險(xiǎn)的比例為20.31%,反映了25年間景觀城市化對(duì)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的影響。

3.2 問題討論

景觀變化引起的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)一直以來重點(diǎn)關(guān)注景觀格局導(dǎo)致的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),對(duì)于景觀功能的易損特質(zhì)未受到足夠的重視。本研究嘗試性將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)引入表征景觀功能的脆弱性,用于評(píng)價(jià)快速城市化過程中的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),改進(jìn)基于景觀指數(shù)的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法。從評(píng)價(jià)結(jié)果看,引入生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)比單純的景觀格局指數(shù)法更容易刻畫城市景觀變化引起的風(fēng)險(xiǎn),也更容易空間化景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),減少了主觀定量過程,提升了生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)制圖及評(píng)價(jià)的可信度。然而,以下兩點(diǎn)仍需要景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究進(jìn)一步關(guān)注：(1)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果缺少驗(yàn)證,降低了景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性。(2)風(fēng)險(xiǎn)的隨機(jī)性和不穩(wěn)定性決定了難以圈定特定的防范區(qū)。例如廣州市主要的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)防范應(yīng)在南部中心六區(qū)和西部的白云和花都區(qū),然而這種景觀變化帶來的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)隨著景觀變化而變化,只能表征當(dāng)下景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),不能夠預(yù)測(cè)和預(yù)警未來的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。為此,需要通過時(shí)序變化來探尋景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的演變規(guī)律,再輔助以情景變化,方可為景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的具體應(yīng)用提供基礎(chǔ)。