以1997、2001、2005、2009和2013年遥感影像为基础数据,对快速城市化地区——北京市顺义区进行景观分类,构建基于景观干扰度和景观脆弱度的生态风险指数,利用GS+和ArcGIS软件进行空间自相关和地统计学分析,研究景观生态风险的时空变化特征.结果表明:研究区内的生态风险指数存在一定的空间正相关关系,随着粒度的增大,呈现下降的趋势;在一定的粒度范围内(<12 km),空间自相关性具有明显的尺度依赖特征.1997—2013年,空间异质性中的随机变异均小于空间自相关变异,由空间自相关部分引起的空间异质性占据主导地位.研究期间,研究区生态风险水平一直以中等生态风险程度为主,较高生态风险和较低生态风险区域面积增加,而中等生态风险区域面积逐渐减少.低生态风险区主要位于顺义区机场区域及东南部的林地;高生态风险区主要位于水域景观区域,如潮白河两岸.
Based on the remote sensing data in 1997, 2001, 2005, 2009 and 2013, this article classified the landscape types of Shunyi, and the ecological risk index was built based on landscape disturbance index and landscape fragility. The spatial autocorrelation and geostatistical analysis by GS+ and ArcGIS was used to study temporal and spatial changes of ecological risk. The results showed that ecorisk degree in the study region had positive spatial correlation which decreased with the increasing grain size. Within a certain grain range (<12 km), the spatial autocorrelation had an obvious dependence on scale. The random variation of spatial heterogeneity was less than spatial autocorrelation variation from 1997 to 2013, which meant the autocorrelation had a dominant role in spatial heterogeneity. The ecological risk of Shunyi was mainly at moderate level during the study period. The area of the district with higher and lower ecological risk increased, while that of moderate ecological risk decreased. The area with low ecological risk was mainly located in the airport region and forest of southeast Shunyi, while that with high ecological risk was mainly concentrated in the water landscape, such as the banks of Chaobai River.
全 文 :基于景观结构的北京市顺义区生态风险时空特征
卿凤婷 彭 羽∗
(中央民族大学生命与环境科学学院, 北京 100081)
摘 要 以 1997、2001、2005、2009和 2013年遥感影像为基础数据,对快速城市化地区———北
京市顺义区进行景观分类,构建基于景观干扰度和景观脆弱度的生态风险指数,利用 GS+和
ArcGIS软件进行空间自相关和地统计学分析,研究景观生态风险的时空变化特征.结果表明:
研究区内的生态风险指数存在一定的空间正相关关系,随着粒度的增大,呈现下降的趋势;在
一定的粒度范围内(<12 km),空间自相关性具有明显的尺度依赖特征.1997—2013 年,空间
异质性中的随机变异均小于空间自相关变异,由空间自相关部分引起的空间异质性占据主导
地位.研究期间,研究区生态风险水平一直以中等生态风险程度为主,较高生态风险和较低生
态风险区域面积增加,而中等生态风险区域面积逐渐减少.低生态风险区主要位于顺义区机
场区域及东南部的林地;高生态风险区主要位于水域景观区域,如潮白河两岸.
关键词 生态风险; 景观格局; 时空变化; 地统计学特征; 空间自相关
Temporal and spatial characteristics of ecological risk in Shunyi, Beijing, China based on
landscape structure. QING Feng⁃ting, PENG Yu∗ (College of Life & Environmental Science, Min⁃
zu University of China, Beijing 100081, China) .
Abstract: Based on the remote sensing data in 1997, 2001, 2005, 2009 and 2013, this article
classified the landscape types of Shunyi, and the ecological risk index was built based on landscape
disturbance index and landscape fragility. The spatial auto⁃correlation and geostatistical analysis by
GS+ and ArcGIS was used to study temporal and spatial changes of ecological risk. The results
showed that eco⁃risk degree in the study region had positive spatial correlation which decreased with
the increasing grain size. Within a certain grain range (<12 km), the spatial auto⁃correlation had
an obvious dependence on scale. The random variation of spatial heterogeneity was less than spatial
auto⁃correlation variation from 1997 to 2013, which meant the auto⁃correlation had a dominant role
in spatial heterogeneity. The ecological risk of Shunyi was mainly at moderate level during the study
period. The area of the district with higher and lower ecological risk increased, while that of mode⁃
rate ecological risk decreased. The area with low ecological risk was mainly located in the airport re⁃
gion and forest of southeast Shunyi, while that with high ecological risk was mainly concentrated in
the water landscape, such as the banks of Chaobai River.
Key words: ecological risk; landscape pattern; temporal and spatial change; geostatistical feature;
spatial auto⁃correlation.
本文由国家民委科研项目(12ZYZ001)和高等学校学科创新引智计划
项目(B08044)资助 This work was supported by the Scientific Research
Projects by the State Ethnic Affairs Commission (12ZYZ001) and the Pro⁃
gramme of Introducing Talents of Discipline to Universities (B08044).
2015⁃08⁃10 Received, 2016⁃02⁃04 Accepted.
∗通讯作者 Corresponding author. E⁃mail: yuupeng@ 163.com
随着人类社会和经济的飞速发展,城市化水平
不断提高.在人类活动占主体优势的城市生态系统
中,不同的土地利用方式和开发强度所产生的影响
将直观地反映在景观空间结构和组成上,从而影响
区域生态安全.因此,如何定量表达区域生态风险水
平成为研究者关注的问题.
生态风险是生态系统及其组分所承受的风险,
指一个种群、生态系统或整个景观的正常功能受到
外界胁迫,从而在目前和将来减少该系统内部某些
要素或其本身的健康、生产力、遗传结构、经济价值
和美学价值的可能性[1-2] .对区域进行生态风险分析
可以综合评价各种潜在风险对生态系统结构和功
能产生的不利影响,常用的分析方法为综合指数
应 用 生 态 学 报 2016年 5月 第 27卷 第 5期 http: / / www.cjae.net
Chinese Journal of Applied Ecology, May 2016, 27(5): 1585-1593 DOI: 10.13287 / j.1001-9332.201605.013
法[3-4]和模型模拟法[5-6] .景观具有高度的空间异质
性,能准确反映生态系统的变化,而景观本身也是人
类活动的对象[7],因此,越来越多学者将景观尺度
作为研究人类活动与生态环境的适宜尺度[8-9] .景观
生态风险评价以景观为基础,能确定一种或多种干
扰源对景观要素空间结构和功能产生不利影响的可
能性与危害程度,是区域生态风险评价的重要内
容[10-12] .
当前,国内外学者在区域生态风险领域开展了
一些研究,如黎启燃等[13]、赵岩洁等[14]、刘世梁
等[15]基于景观格局指数构建了生态风险的评价模
型,分别对长乐市、三峡库区、红河流域进行生态风
险评价;孙洪波等[16]、凌虹等[17]利用生态风险模型
完成了长江三角洲南京区及江苏的生态风险分析.
已有研究多集中于一些大尺度的流域及省域、城市
群等,对于处在快速城市化过程中的城市区县研究
较少.且以往研究大多只选取单个年份进行生态风
险评价或选取两个年份进行生态风险变化对比,缺
乏对研究区生态风险时序动态的过程分析.
在过去的几年里,北京市顺义区经济飞速发展,
城镇化步伐不断加快,不可避免地影响到景观完整
性、连通性等特性.在“十二五”规划中,顺义区提出
“完善绿色生态网络,加强生态景观建设”,注重生
态与经济协调发展.本研究选取综合指数法构建生
态风险指数,综合景观破碎度、景观分离度、景观优
势度多个指标将生态风险程度定量化,并运用景观
生态学和空间统计学分析方法,选取 1997—2013 年
间的 5个时间点,分析处于快速城镇化阶段的北京
市顺义区的生态风险变化趋势,揭示区域生态风险
时空变化特征.
1 研究地区与研究方法
1 1 研究区概况
北京市顺义区 (40° 00′—40° 23′ N,116° 29′—
116°59′ E)是北京市重点发展的新城之一,位于北
京市东北郊,城区距市中心 30 km,东邻平谷,北连
怀柔、密云,西接昌平、朝阳区,南界通州区、河北三
河市.区境东西长 45 km,南北宽 30 km,总面积 1020
km2 .地处燕山南麓,华北平原北端,属潮白河冲积扇
下段,平原面积占 95.7%.地势北高南低,北部山地
最高点海拔 637 m,平原海拔 25~45 m,平均海拔 35
m.境内水资源相对丰富,土层深厚,具有较为优越
的农业生产条件.顺义也是首都重点发展的新城和
首都国际航空中心的核心区,是服务全国、面向世界
的临空产业中心和现代制造业基地,是首都对外交
往的门户和外向型经济发展的窗口,将被建设成为
北京东北部面向区域、具有核心辐射带动作用的现
代化综合新城.
1 2 数据来源与处理
采用 1997、2001、2005、2009、2013 年 5 期分辨
率为 30 m 的 Landsat TM 影像作为基础数据源(时
相为植被生长旺盛的 7—9月),结合顺义区行政区
划矢量图、GPS野外调查控制点等辅助数据,在 ER⁃
DAS遥感软件支持下,对影像进行几何校正、图像
配准等综合处理,并对遥感影像进行解译.参照全国
土地利用分类方法,将研究区景观类型分为耕地、林
地、草地、水域、城乡建设用地 5种类型.利用 ArcGIS
10.0,得到 1997、2001、2005、2009、2013 年的景观分
类图(图 1),经检验解译精度达 90%以上.基于上述
5 种景观类型建立生态风险指数,得到研究区生态
风险空间分布情况,并对其动态变化进行研究.
1 3 景观生态风险指数构建
1 3 1景观损失度 以景观格局指标为依据,通过
不同指数的叠加来反映不同景观类型所代表的生态
系统在受到自然和人为干扰时其自然属性损失的程
度,用景观损失指数(R i)来表示,它是景观干扰度
指数(Ui)和脆弱度指数(Qi)的综合[18
-21] .Ui可以通
过景观破碎度(C i)、景观优势度(Di)、景观分离度
图 1 研究区景观分类
Fig.1 Landscape classification of the study area.
Ⅰ: 草地 Grassland; Ⅱ: 城乡建设用地 Construction land; Ⅲ: 耕地
Cropland; Ⅳ: 水域 Waterland; Ⅴ: 林地 Wood land.
6851 应 用 生 态 学 报 27卷
(F i)叠加构建(表 1),由于 C i、Di、F i的量纲不同,需
进行归一化处理.针对顺义区的实际情况,结合专家
咨询法,并借鉴前人的研究成果[22-23],将研究区景
观类型脆弱性分成 5级,其中水域最为脆弱,其次是
耕地,城乡建设用地较稳定.分别对 5 种景观类型赋
以脆弱度指数:水域= 5、耕地= 4、草地= 3、林地= 2、
城乡建设用地= 1,然后进行归一化处理,得到相应
的脆弱度指数(Qi).
1 3 2生态风险指数 利用景观损失度构建景观生
态风险指数,用于描述每个样地内综合生态损失
表 1 景观生态风险指数组成
Table 1 Component of landscape ecological risk indices
指数
Index
计算方法和含义
Computational method and meanings
景观破碎度
Ci
Ci = Ni / Ai .式中:Ni为景观类型 i的斑块数;Ai为
景观类型 i的总面积,其值用来表述整个景观或
某一景观类型在给定时间和给定性质上的破碎
化程度
景观优势度
Di
Di =(Mi+Li) / 4+Pi / 2.式中:相对密度 Li =斑块 i
的数目 /斑块的总数目;盖度 Pi =斑块 i 的面积 /
总面积;频度 Mi =斑块 i 出现的样方数 /总样方
数
景观分离度
Fi
Fi = Si / 2Pi,Si = Ni / A,Pi = Ai / A.Fi为某一景观
类型中不同元素或斑块个体分布的分离程度,分
离程度越大,表明景观在地域分布上越分散,景
观分布越复杂,破碎化程度也越高
景观干扰度
Ui
Ui =aCi+bFi+cDi .式中:a、b、c 分别为破碎度、分
离度和优势度的权重,其值可反映不同景观所代
表的生态系统受到干扰(主要是人类活动)的程
度.a+b+c= 1,根据研究区情况,并结合前人研究
成果[24-25] ,采用专家咨询法确定.本文中破碎度
指数最重要,其次为分离度指数和优势度指数,
分别赋予 0.5、0.3、0.2的权值
景观脆弱度
Qi
查找文献和咨询专家获得各种景观类型的脆弱
度指数.Qi表示景观类型所代表的生态系统在受
到外界干扰时的易损性
景观损失度
指数
Ri
Ri =Ui×Qi . Ri反映不同景观类型所代表的生态
系统在受到自然和人为干扰时其自然属性损失
的程度
图 2 生态风险区的划分
Fig.2 Division of the ecological risk area.
Ⅰ: 风险小区中心点 Centre of risk area; Ⅱ: 顺义区边界 Boundary of
Shunyi District; Ⅲ: 采样网格 Sampling grid.
的相对大小,便于定量化评价生态系统在不利和不
确定性因素影响下可能产生的结果.景观生态风险
指数(ERI)的计算公式为:
ERI =∑
N
i = 1
Aki
Ak
R i
式中:ERI为景观生态风险指数;N为景观类型的数
量;R i为景观类型 i的损失度指数;Aki为第 k 个风险
小区 i类景观组分的面积;Ak为第 k 个风险小区的
总面积.
1 4 采样方法
景观生态学研究认为,景观样本的面积为斑块
平均面积的 2 ~ 5 倍[26]时能综合反映采样点周围景
观的格局信息.在综合考虑顺义区研究范围、空间异
质性、斑块大小及采样工作量的基础上,采用 2 km×
2 km的正方形样地对景观综合指数进行空间化,采
样方式为等间距系统采样法,共有样区 248 个.计算
每个风险小区各类景观的生态风险指数,以此作为
该风险小区的生态风险水平(图 2).
1 5 空间统计学分析方法
1 5 1空间自相关分析 空间自相关指某一变量对
空间潜在的依赖性,空间自相关分析的目的在于确
定该变量是否在空间上相关、相关程度如何[27] .度
量空间自相关性的指标有很多,分为全局指标和局
部指标两种,全局指标如 Moran I、Geary C 和 Geary
G[28-29], 局 部 指 标 如 局 部 空 间 自 相 关 指 标
(LISA) [30] .本文选取 Moran I和 LISA来分析研究区
的空间自相关性.这两种指标是空间自相关分析常
用的指标,Moran I反映空间邻近区域单元属性值的
相关程度,当 Moran I>0时,表现出正的空间自相关
性,值越大,空间自相关性越明显,Moran I<0 时,表
现出负的空间自相关性,值越小,空间差异性越大,
当 Moran I= 0时,空间呈随机性.LISA能够反映观测
值的高值和低值的局部空间聚集情况,通过识别高⁃
高聚集和低⁃低聚集的区域来反映局部空间的异常
特征.
1 5 2地统计学分析 利用地统计学的变异函数方
法,通过半方差函数进行理论变异函数的拟合,得到
顺义区生态风险时空变化规律.半方差分析公式
如下:
r(h) = 1
2N(h)∑
N(h)
i = 1
[Z(xi) - Z(xi + h)] 2
[ i = 1,2,…,N(h)]
式中:r(h)为变异函数;h 为步长,即配对抽样的空
间分隔距离;Z(xi)和 Z(xi+h)分别是在空间位置 xi
78515期 卿凤婷等: 基于景观结构的北京市顺义区生态风险时空特征
和 xi+h处的生态风险观测值[ i = 1,2,…,N(h)];
N(h)为分隔距离为 h 时的样本点总对数.
半方差是度量空间依赖性和空间异质性的一个
综合指标,具有 3 个重要参数:块金值(nugget)、基
台值(sill)和变程(range).当间隔距离 h = 0 时,即为
块金值; 当 h增大到相对稳定的常数(A0)时,该常
数称为基台值(C0+C),A0为变程,C 为结构方差;块
金值表示由随机因素引起的空间异质性,较大的块
金值预示着较小尺度的某些过程不可忽略;结构方
差 C 表示空间自相关部分引起的空间异质性;基台
值(C0+C)表示最大变异程度,基台值越大,表示总
的空间差异性程度越高;结构方差与基台值的比例
[C / (C0+C)]是对变量在空间上的可预测性的一种
重要度量,而块金值占基台值的比例[C0 / (C0+C)]
则可用来表示系统变量的空间相关程度.
2 结果与分析
2 1 生态风险指数的全局空间自相关分析
由图 3 可以看出, 1997、 2001、 2005、 2009 和
2013年的生态风险度及 1997—2013 年生态风险度
变化的 Moran I 在各粒度水平下均>0,表明顺义区
生态风险值之间存在一定的空间正相关关系,随着
粒度的增大,Moran I 基本呈下降趋势.当粒度较小
时(<12 km), Moran I 值的变化呈现出明显的尺度
特征,生态风险值分布表现出很强的空间依赖性,随
着粒度的增大,这种尺度效应逐渐减弱,相邻生态风
险值的差异急剧增大,相似性减小.整体而言,2009
年生态风险值的Moran I最大,其次是 2005年,其他
年份及 1997—2013年生态风险变化的 Moran I在各
粒度水平下相对较小,表现出较弱的正相关性.
2 2 生态风险指数的局部空间自相关分析
由图4可以看出,1997—2013年,LISA的高值
图 3 Moran I对粒度变化的响应
Fig.3 Response of Moran I to grain change.
图 4 研究区 1997—2013年生态风险指数局部自相关性
Fig.4 Local spatial auto⁃correlation of eco⁃risk from 1997 to
2013 in the study area.
Ⅰ: 无显著 Not significant; Ⅱ: 高⁃高 High⁃high; Ⅲ: 高⁃低 High⁃low;
Ⅳ: 低⁃高 Low⁃high; Ⅴ: 低⁃低 Low⁃low.
聚集区主要位于潮白河的北部和北石槽镇,说明该
区域生态风险值高、生态环境脆弱,且相邻地区生态
风险值也较高,主要是因为该区域存在一定面积的
水域景观,自身景观脆弱度很高,顺义城镇扩张过程
使原本就比较脆弱的水域景观破碎化程度加剧,导
致高生态风险度聚集.而低值聚集区主要位于城镇
中心、首都国际机场区域,说明该区域生态风险值
低,且相邻地区生态风险值也较低.研究期间,聚集
区范围逐渐扩大,该区域是城乡建设用地聚集的地
段,随着城镇化的过程,逐渐连接成一片较完整的城
镇景观,景观连通性增强,破碎化程度减小,而城市
建设用地自身的景观脆弱度很小,对外界干扰的敏
感性较低,因此该区域整体生态风险度较低,另有小
片低值聚集区位于顺义东南部的林地,该地区是顺
义区鲜有的一片较完整的林地,生态风险指数较低.
整体而言,研究区 1997—2013年间大部分区域生态
风险变化不显著,变化较显著的是研究区东南部高
值聚集区的增加和西南部低值聚集区的扩大,这些
区域的生态风险值变化较大,同时相邻地区生态风
险值也在变化.
2 3 顺义区生态风险指数的时空变化
2 3 1区域生态风险度的时序变化 为了对比研究
区生态风险程度的空间差异,使不同来源数据能够
进行比较分析,采用等间距法[31],将生态风险指数
8851 应 用 生 态 学 报 27卷
归一化处理后的值划分为:高生态风险区 ( ERI
≥0 8)、较高生态风险区(0.6≤ERI<0.8)、中生态风
险区(0 4≤ERI<0.6)、较低生态风险区(0.2≤ERI
<0 4)、低生态风险区(ERI<0.2),并对每一个风险
小区的生态风险指数进行分级统计(图 5).1997 年,
顺义区低生态风险和较低生态风险分别占全区面积
的 3.2%和 19.4%,到 2005年分别达到最大值(8.5%
和 28.2%),随后逐渐减小;研究期间,较高生态风险
区和高生态风险区面积比例有所增加.研究期间,中
生态风险区、较高生态风险区和高生态风险区的面
积占据全区的大部分面积,说明研究区大部分区域
生态风险指数较高,即处于不安全状态.1997—2005
年,研究区生态环境质量有所提高,生态风险指数较
低的地区有所增加,而 2005—2013 年,研究区生态
环境质量呈下降趋势,生态风险指数较高的地区逐
渐增加.
2 3 2区域生态风险度的空间分异 利用地统计学
方法进行生态风险的空间分异研究.区域生态风险
的空间异质性主要由随机部分和自相关部分组成,
块金值表示随机部分的空间异质性,基台值表示自
相关部分的空间异质性.按照生态风险指数的计算
公式,分别计算出研究期间 248 个风险小区的生态
风险指数,并对其变异函数进行理论模型的最优拟
合.研究选取地统计软件 GS+进行样本变异函数理
论模型的拟合.结果表明,1997 和 2009 年用球状模
型的拟合效果最佳,2001、2005、2013 年使用指数模
型更为适宜(图 6).5个时期的分异特征主要表现在
以下几方面:1)1997、2001、2005、2009 和 2013 年的
块金值(C0)分别为 0.0007、0.0022、0.0136、0.0126
和 0.0036(表2) ,表明块金作用较小,在2 km研究
图 5 1997—2013年研究区各级生态风险面积比例
Fig.5 Area proportion of eco⁃risk grades from 1997 to 2013 in
the study area.
Ⅰ: 高生态风险 Highest ecological risk; Ⅱ: 较高生态风险 Higher
ecological rist; Ⅲ: 中生态风险 Middle ecological risk; Ⅳ: 较低生态
风险 Lower ecological risk; Ⅴ: 低风险 Low ecological risk.
幅度下的变异特征不显著,该研究幅度能较好地反
映生态风险度的空间异质性特征. 2) 1997、2001、
2005、2009和 2013年 5个时期基台值(C0 +C)分别
为 0. 0184、0. 0227、0. 0319、0. 0362 和 0. 0193,说明
1997—2009年生态风险度空间变异随时间的推移
而不断加剧,到 2013 年有所降低,其中,2009 年
基台值相对突出,表明这个时段影响生态风险度
的某些因子的空间变异性明显增强.3) 1997、2001、
2005、2009和2013年5个时期C0 / (C0 +C)值分别为
图 6 生态风险指数变异函数曲线
Fig.6 Variance function curves of eco⁃risk index.
98515期 卿凤婷等: 基于景观结构的北京市顺义区生态风险时空特征
表 2 变异函数理论模型的相关参数
Table 2 Parameters of theoretical model of variogram
年份
Year
模型
Model
块金值
Nugget
基台值
Sill
块金值 /基台值
Nugget / sill
(%)
变程
Range
(m)
决定系数
R2
残差
RSS
(×10-6)
1997 球状模型 Spherical model 0.0007 0.0184 3.6 4010 0.730 4.816
2001 指数模型 Exponential model 0.0022 0.0227 9.7 2060 0.807 8.094
2005 指数模型 Exponential model 0.0136 0.0319 42.5 11510 0.965 4.923
2009 球状模型 Spherical model 0.0126 0.0362 34.7 23760 0.989 4.491
2013 指数模型 Exponential model 0.0036 0.0193 18.8 7020 0.789 7.215
3.6%、9.7%、42.5%、34.7%和 18.8%,5 个时期空间
异质性中的随机变异均小于空间自相关变异,说明
由空间自相关部分引起的空间异质性占据主导地
位.在 1997、2001 和 2013 年,C0 / ( C0 + C)值较低
(<25%),说明在选取的 2 km 的采样间距内,空间
异质性特征主要取决于系统自身的空间自相关过
程,小尺度上的随机变异较小,具有很强的空间相关
性;2005和 2009年,该比值较高(25% ~75%),具有
中等的空间相关性[32-33],此时随机因素对总空间变
异程度的贡献相对较大,存在一些小尺度的非结构
因素影响区域生态环境质量.C0 / (C0+C)值从 1997
年的 3.6%逐渐升高至 2005 年的最大值(42.5%),
而后随着时间变化呈下降趋势,说明 2 km以下小尺
度的随机变异在 1997 年最小,逐渐增大又慢慢减
小.1997—2005年,研究区生态风险指数的空间分异
受非结构性因素影响逐渐加大,但是结构性因素仍
然是主导因素;2005—2013 年,随机变异呈不断下
降趋势,表明随着社会经济的不断发展,人类活动对
环境影响的不断加深,生态风险指数在小尺度上的
随机变异逐渐被较大尺度上的空间结构性变异所
取代.
基于景观干扰度和景观脆弱度构建的景观生态
风险指数是一种反映景观空间格局的变量,其空间
结构变化具有一定的随机性和结构性[34] .利用 GS+
的最佳拟合参数和 ArcGIS 的地统计分析工具进行
克里金插值得到 1997—2013 年顺义区生态风险指
数的空间分布图(图 7),与单纯的风险小区的生态
风险值相比,其更能实现在综合生态风险的空间分
析中研究景观的空间规律性和等级结构,并对研究
区生态风险的时空分异特征进行直观描述[35-36] .由
图 7可以看出,顺义区景观生态风险的空间差异性
显著, 总体呈现中间高、四周低的分布格局.生态风
险值较高的区域主要集中在顺义区中部的潮白河流
域、西北部的北石槽镇及首都国际机场东部;中等生
态风险区分布最广,占据了顺义区面积的一半以上,
且潮白河以东的分布面积明显大于河西;生态风险
较低的区域主要分布在顺义区东北部的唐指山森
林、顺义中心城区、赵全营镇及首都国际机场,并零
星散布在中、高生态风险区的周围.生态风险的特征
分布与景观类型具有密切关联.就景观类型而言,完
整性好且易受人为干扰的自然景观生态风险等级最
高,如水域景观;农田和草地抗人为干扰能力相对较
高,生态风险处于中等水平;林地自身稳定性好,不
易受到人为活动的干扰,生态风险等级低;建设用地
本身的景观脆弱性低,其生态风险等级也较低,在城
市化过程中建设用地的扩增取代了周围区域其他的
景观类型,加大了建设用地斑块的面积,降低了自身
生态风险,加大了其他景观破碎化程度,使得城镇周
边的其他景观生态风险等级较高.
研究期间,顺义区生态风险分布变化不大,均质
性有所加强.全区以中等生态风险区为主且范围在
不断加大,在 2009 年达到最大值.生态风险低的区
域变化最剧烈,呈现先增后减的态势,西南部是面积
波动的主体区域,该区域是研究区的主体,涵盖了首
图 7 研究区生态风险的空间分布
Fig.7 Spatial distribution of ecological risk in the study area.
0951 应 用 生 态 学 报 27卷
都国际机场与顺义中心城区两大经济中心,长期处
于相对较低的生态风险状态,且区域面积在不断加
大.潮白河流域与汉石桥湿地是顺义区保存完好的
自然景观,一直处于相对较高的生态风险状态.结合
前人相关研究成果[37]发现,建设用地扩张能降低自
身生态风险等级,增加周边区域的生态风险,而城市
生态系统中脆弱的自然景观易受到人为活动的影
响,在城镇建设过程中需要对其重点保护.
3 讨 论
伴随着区域经济社会的快速发展,城市景观格
局特征越来越复杂,受格局影响的生态过程、功能也
不断发生变化.本研究基于景观干扰度与景观脆弱
度构建了生态风险指数,并利用 GS+和 ArcGIS 软件
对研究区生态风险指数变异函数的理论模型进行最
优拟合和空间插值,分析了县区级城市的景观生态
风险时序变化,揭示了生态风险的空间分布特征,是
对城市景观生态风险研究方法的探索.但是,由于本
文没有开展景观格局时空变异驱动机制的研究,构
建的景观生态风险指数只是对区域生态问题可能发
生的综合性概率的度量,并没有考虑到社会、经济因
素与区域景观生态风险之间的联系,且生态风险值
及其强度具有相对性,因此,未来可以在此基础上进
行深入研究.
顺义区生态风险时空分布规律总结如下:1)顺
义区生态风险空间差异明显,全区大部分处于中生
态风险状态,空间分布呈现中间高、四周低的态势;
2)研究区景观类型结构变化显著,建设用地不断增
加,耕地、林地、草地等景观面积减少;3)研究期间,
全区生态风险呈现先降低再升高的趋势.
城市化过程引起土地利用景观格局的改变,从
而影响生态风险的分布及变化.有大片林地分布的
顺义区东北部生态风险程度一直很低,表明林地是
维护生态稳定性、降低生态风险的重要景观类型结
构.而城市化扩张引起的建设用地增加,不仅侵蚀了
农业和自然景观斑块的面积,而且使残留的斑块破
碎度和分离度加大,生态风险增加,生态环境质量
下降.
顺义区是北京市重点发展的新城之一,为了降
低城市化扩张带来的生态风险,维护区域生态安全,
结合顺义区生态风险分析的结果,提出以下管理对
策:1)合理规划土地利用.耕地是顺义区广泛分布的
景观类型,也是中等生态风险主要分布区域,其生态
系统结构简单,易受到人为干扰的影响,顺义区经济
社会的快速发展使大面积耕地被建设用地取代,高
质量的耕地面积萎缩[38] .此类区域应该合理开展城
市化建设和工农业活动,因地制宜实施土地集中整
理,优化连片耕地面积.2)保护重要功能斑块.汉石
桥湿地是北京唯一现存的内陆型大型芦苇沼泽原生
湿地,因受到人为干扰,面积逐渐萎缩,植被覆盖率
不断减少;潮白河流域处在顺义区新城和河东新城
的中央,因其景观类型的特性及城市化活动的干预,
使得该区域一直处于高生态风险度的状态.建议在
城镇化建设过程中能够重点保护森林公园、湿地、流
域等生境斑块的完整性.3)建立城市绿色缓冲带.快
速城市化是顺义区发展的必然形势,为了减少城市
化扩张引起的生态风险增加,建议在城市周边建设
绿色缓冲带,注重保护生态环境,增加人工的生态
屏障.
参考文献
[1] Zhang X⁃F (张小飞), Wang R⁃S (王如松), Li Z⁃G
(李正国), et al. Comprehensive assessment of urban
ecological risks: The case of Huaibei City. Acta Ecologi⁃
ca Sinica (生态学报), 2011, 31(20): 6204- 6214
(in Chinese)
[2] Peng Y (彭 羽), Liu X⁃H (刘雪华), Zhang S (张
爽), et al. Ecological risk assessment of the Shunyi
District, Beijing based on an analysis of the integrated
ecological loss. Journal of Tsinghua University (Science
and Technology) (清华大学学报:自然科学版),
2008, 48(3): 366-369 (in Chinese)
[3] Li Y, Cui H. The changes of the main urban land⁃use
and its ecological risk assessment in Guangzhou. Geoin⁃
formatics, 2010, 2: 1-6
[4] Wang W⁃Q (王巍淇), Li T⁃H (李天宏). Temporal
and spatial variation of ecological risk analysis in Yun⁃
nan Province based on land use spatial structure. Acta
Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis (北京大
学学报: 自然科学版), 2014, 50(2): 355-360 ( in
Chinese)
[5] Liu M, Chen L, Gou Y, et al. Assessment of urban eco⁃
logical risk from spatial interaction models for Lijiang
City. International Journal of Sustainable Development &
World Ecology, 2011, 18: 537-542
[6] Thomsen M, Faber JH, Sorensen PB. Soil ecosystem
health and services: Evaluation of ecological indicators
susceptible to chemical stressors. Ecological Indicators,
2012, 16: 67-75
[7] Peng J (彭 建), Wang Y⁃L (王仰麟), Liu S (刘
松), et al. Research on landscape ecology and sustai⁃
nable land use. Acta Scientiarum Naturalium Universita⁃
tis Pekinensis (北京大学学报:自然科学版), 2004,
40(1): 154-160 (in Chinese)
[8] Xu Y (许 妍), Gao J⁃F (高俊峰), Gao J⁃K (郭建
科). The ecological risk assessment of Taihu Lake wa⁃
19515期 卿凤婷等: 基于景观结构的北京市顺义区生态风险时空特征
tershed. Acta Ecologica Sinica (生态学报), 2013, 33
(9): 2896-2906 (in Chinese)
[9] Zhang Z⁃L (张兆苓), Liu S⁃L (刘世梁), Zhao Q⁃H
(赵清贺), et al. Effects of road network on landscape
ecological risk: A case study of Red River watershed.
Chinese Journal of Ecology (生态学杂志), 2010, 29
(11): 2223-2228 (in Chinese)
[10] Chen P (陈 鹏), Pan X⁃L (潘晓玲). Ecological risk
analysis of regional landscape in inland river watershed
of arid area: A case study of Sangong River Basin in Fu⁃
kang. Chinese Journal of Ecology (生态学杂志 ),
2003, 22(4): 116-120 (in Chinese)
[11] Gao Y⁃N (高永年), Gao J⁃F (高俊峰), Xu Y (许
妍). Response of landscape ecological risk to land use
change in level I aquatic eco⁃functional regions in Taihu
Lake Watershed. Journal of Natural Resources (自然资
源学报), 2010, 25(7): 1088-1096 (in Chinese)
[12] Liu S (刘 爽). GIS⁃based Land⁃use Change of Agri⁃
cultural Landscape and Ecological Risk Assessment.
Master Thesis. Tianjin: Nankai University, 2001 ( in
Chinese)
[13] Li Q⁃R (黎启燃), Liu H (刘 辉). Eco⁃risk analysis
of land use based on landscape structure. Journal of
Fuzhou University (Natural Science) (福州大学学报:
自然科学版), 2014, 42(1): 62-69 (in Chinese)
[14] Zhao Y⁃J (赵岩洁), Li Y⁃B (李阳兵), Shao J⁃A (邵
景安). Ecological risk assessment of small watershed of
the Three Gorges Reservoir area based on land use
change: A case study of Caotang River. Journal of Natu⁃
ral Resources (自然资源学报), 2013, 28(6): 944-
956 (in Chinese)
[15] Liu S⁃L (刘世梁), Liu Q (刘 琦), Zhang Z⁃L (张
兆苓), et al. Landscape ecological risk and driving
force analysis in Red River Basin. Acta Ecologica Sinica
(生态学报), 2014, 34(13): 3728 - 3734 ( in Chi⁃
nese)
[16] Sun H⁃B (孙洪波), Yang G⁃S (杨桂山), Su W⁃Z
(苏伟忠), et al. Ecological risk assessment of land use
in the area along Changjiang River: A study of Nanjing,
China. Acta Ecologica Sinica (生态学报), 2010, 30
(20): 5616-5625 (in Chinese)
[17] Ling H (凌 虹), Sun X (孙 翔), Zhu X⁃D (朱晓
东), et al. Establishing a regional ecological risk as⁃
sessment model for Jiangsu coastal areas under rapid
chemical industrialization. Ecology and Environmental
Sciences(生态环境学报), 2010, 19(5): 1138-1142
(in Chinese)
[18] Xie H, Wang P, Huang H. Ecological risk assessment
of land use change in the Poyang Lake Eco⁃economic
Zone, China. International Journal of Environmental Re⁃
search and Public Health, 2013, 10: 328-346
[19] Gao B (高 宾), Li X⁃Y (李小玉), Li Z⁃G (李志
刚), et al. Assessment of ecological risk of coastal eco⁃
nomic developing zone in Jinzhou based on landscape
pattern. Acta Ecologica Sinica (生态学报), 2011, 31
(12): 3441-3450 (in Chinese)
[20] Shi H⁃P (石浩朋), Yu K⁃Q (于开芹), Feng Y⁃J (冯
永军). Ecological risk assessment of rural⁃urban eco⁃
tone based on landscape pattern: A case study in Daiyue
District of Tai’an City, Shandong Province of East Chi⁃
na. Chinese Journal of Applied Ecology (应用生态学
报), 2013, 24(3): 705-712 (in Chinese)
[21] Wei W (魏 伟), Shi P⁃J (石培基), Lei L (雷
莉), et al. Eco⁃risk analysis of oasis region based on
landscape structure and spatial statistics method: A case
study of Wuwei and Minqin oases. Journal of Natural
Resources (自然资源学报), 2014, 29(12): 2023-
2035 (in Chinese)
[22] Li X⁃H (李谢辉), Li J⁃Y (李景宜). Analysis on re⁃
gional landscape ecological risk based on GIS: A case
study along the lower reaches of the Weihe River. Arid
Zone Research (干旱区研究), 2008, 25(6): 899-
903 (in Chinese)
[23] Xie H⁃L (谢花林). Regional eco⁃risk analysis of based
on landscape structure and spatial statistics. Acta Eco⁃
logica Sinica (生态学报), 2008, 28 ( 10): 5020 -
5026 (in Chinese)
[24] Zhang Y (张 莹), Lei G⁃P (雷国平), Lin J (林
佳), et al. Spatiotemporal change and its ecological risk
of landscape pattern in different spatial scales in Zhalong
Nature Reserve. Chinese Journal of Ecology (生态学杂
志), 2012, 31(5): 1250-1256 (in Chinese)
[25] Gong J (巩 杰), Zhao C⁃X (赵彩霞), Xie Y⁃C (谢
余初 ), et al. Ecological risk assessment and its
management of Bailongjiang watershed, southern Gansu
based on landscape pattern. Chinese Journal of Applied
Ecology (应用生态学报), 2014, 25(7): 2041-2048
(in Chinese)
[26] Su H⁃M (苏海民), He A⁃X (何爱霞). Analysis of
land use based on RS and geostatistics in Fuzhou. Jour⁃
nal of Natural Resources (自然资源学报), 2010, 25
(1): 91-99 (in Chinese)
[27] Anselin L. Spatial Econometrics: Methods and Models.
Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 1988
[28] Moran PAP. The interpretation of statistical maps. Jour⁃
nal of the Royal Statistical Society B, 1947, 10: 243-
251
[29] Sokal RR, Oden NL. Spatial autocorrelation in biology.
Biological Journal of the Linnean Society, 1978, 10:
199-228
[30] Anselin L. Local indicators of spatial association: LISA.
Geographical Analysis, 1995, 27: 93-115
[31] Song K (宋 珂), Song X (宋 喧), Han T (韩
涛). Evaluation of ecological risk in developed regions
based on landscape structure: A case study of Kunshan
City. Acta Agriculturae Jiangxi (江西农业学报 ),
2015, 27(1): 104-109 (in Chinese)
[32] Zhang Y⁃M (张玉铭), Mao R⁃Z (毛任钊), Hu C⁃S
(胡春胜), et al. Spatial variability of farmland soil nu⁃
trients at Taihang piedmont. Chinese Journal of Applied
Ecology (应用生态学报), 2004, 15 ( 11): 2049 -
2054 (in Chinese)
[33] Li C (李 灿), Zhang F⁃R (张凤荣), Zhu T⁃F (朱
泰峰), et al. Analysis on spatial⁃temporal heterogenei⁃
2951 应 用 生 态 学 报 27卷
ties of landscape fragmentation in urban fringe area: A
case study in Shunyi District of Beijing. Acta Ecologica
Sinica (生态学报), 2013, 33(17): 5363-5374 ( in
Chinese)
[34] Zang S⁃Y (臧淑英), Liang X (梁 欣), Zhang S⁃C
(张思冲). GIS⁃based analysis of ecological risk on
land⁃use in Daqing City. Journal of Natural Disasters
(自然灾害学报), 2005, 14(4): 141-145 ( in Chi⁃
nese)
[35] Wu J (吴 剑), Chen P (陈 鹏), Wen C⁃X (文超
祥), et al. Ecological risk assessment of land use based
on exploratory spatial data analysis: A case study of
Haitan Island, Fujian Province. Chinese Journal of
Applied Ecology (应用生态学报), 2014, 25 ( 7):
2056-2062 (in Chinese)
[36] Du Y⁃F (杜宇飞), Li X⁃Y (李小玉), Gao B (高
宾), et al. Integrative assessment of ecological risk in
coastal cities of Liaoning Province, Northeast China.
Chinese Journal of Ecology (生态学杂志), 2012, 31
(11): 2877-2883 (in Chinese)
[37] Fang G⁃L (方广玲), Xiang B (香 宝), Wang B⁃L
(王宝良), et al. Ecological risk assessment of human
activity of rapid economic development regions in
southern Jiangsu China: A case study of Dantu District
of Zhenjiang City. Chinese Journal of Applied Ecology
(应用生态学报), 2014, 25(4): 1076-1084 (in Chi⁃
nese)
[38] Zhao T⁃T (赵婷婷), Zhang F⁃R (张凤荣), An P⁃L
(安萍莉), et al. Spatial differentiation in the expansion
of construction land in Shunyi, Beijing. Resource Science
(资源科学), 2008, 30(10): 1517 - 1524 ( in Chi⁃
nese)
作者简介 卿凤婷,女,1990年生,硕士研究生. 主要从事景
观生态学研究. E⁃mail: Fengtingqing1990@ 163.com
责任编辑 杨 弘
卿凤婷, 彭羽. 基于景观结构的北京市顺义区生态风险时空特征. 应用生态学报, 2016, 27(5): 1585-1593
Qing F⁃T, Peng Y. Temporal and spatial characteristics of ecological risk in Shunyi, Beijing, China based on landscape structure.
Chinese Journal of Applied Ecology, 2016, 27(5): 1585-1593 (in Chinese)
39515期 卿凤婷等: 基于景观结构的北京市顺义区生态风险时空特征