祁连山人类活动强度（HAI）变化下景观格局与景观生态风险（LER）的时空异质性及空间非平稳关系

《Ecology and Evolution》：Spatiotemporal Heterogeneity of Landscape Patterns and Ecological Risk Under Changing Human Activity in the Qilian Mountains

　　

人类活动与环境变化能够改变景观格局和生态过程，并对生态风险产生重要影响。以祁连山为案例，研究人员利用2000—2020年多时相土地利用数据，量化了人类活动强度（HAI）、景观格局和景观生态风险（LER）。采用空间自相关和地理加权回归（GWR）检验HAI与景观格局之间的空间关联。HAI总体较低，但呈现显著空间异质性，自西向东、由高海拔向低海拔增加。景观格局总体相对稳定，尽管局部破碎化增加，且聚合度与连通性存在空间异质性。较高的HAI通常与更高的破碎化以及更低的聚合度和连通性相关，而GWR揭示这些关系具有显著空间非平稳性。低和中等偏低LER水平占主导，中等和中等偏高风险斑块集中在中西部和高海拔区域，风险自东南向西北增加。部分高海拔区域HAI与LER的空间关系表明，生态风险并不总是对应人类活动的空间分布，这突显了祁连山生态风险的空间复杂性。

Shengji Jiang等围绕祁连山人类活动、景观格局与景观生态风险（Landscape Ecological Risk，LER）的时空关系开展研究。景观格局是自然过程与人类活动长期相互作用的结果，其组成与空间配置影响能量流动、物质循环和生态过程稳定性。全球变化和人类活动，包括城市扩张、资源开发、农业利用和基础设施建设，持续重塑景观结构。已有研究虽关注人类干扰引发的生态问题，但人类活动常作为辅助变量被定性分析，缺乏基于空间数据的定量刻画；景观格局分析也常集中于单一或有限指标，难以系统反映破碎化、连通性和多样性等多维影响。山地生态系统环境严酷、生态脆弱，人类干扰影响可能被放大。因此，研究人员选择祁连山这一西北干旱区重要生态屏障和水源涵养区，利用2000—2020年多时相土地利用数据，量化HAI、景观格局和LER，并采用空间自相关和地理加权回归（Geographically Weighted Regression，GWR）分析HAI与景观格局的空间关联及空间变异关系，评估LER时空分布。研究结论表明，HAI总体较低但空间异质性显著，东高西低、低海拔高；景观格局总体稳定但局部破碎化增加；较高HAI与较高破碎化、较低聚合度和连通性相关；HAI与景观格局关系具有空间非平稳性；LER以低和中等低风险为主，中高风险集中于中西部和高海拔区域，风险自东南向西北增加；HAI与LER空间分布并不总一致。该研究为高海拔山地生态风险识别、空间差异化生态管理和适应性可持续发展提供了科学依据。

关键技术方法概述：土地利用数据为2000—2020年中国多期土地利用遥感监测数据集（中国科学院资源环境科学数据中心，30 m），经ArcGIS重分类为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地。HAI以建设用地为参考，按建设用地当量转换系数计算。景观格局在景观水平和类型水平选取斑块密度（PD，单位面积斑块数）、聚合指数（AI）、香农多样性指数（SHDI）、香农均匀度指数（SHEI）、蔓延度指数（CONTAG）、斑块凝聚度指数（COHESION）和景观形状指数（LSI）等。采用双变量局部Moran's I和GeoDa分析空间关联；采用GWR估计局地系数。景观生态风险指数（LERI）由扰动指数与脆弱性指数构建，脆弱性按未利用地、水域、耕地、草地、林地、建设用地分为6级并归一化；敏感度由破碎度、分离度、优势度加权，自然断点法将LER分为5级。

研究结果：
3.1 祁连山景观格局时空特征：基于土地利用空间分布与变化分析，研究区以未利用地和草地为主导，高海拔山区未利用地和天然草地连片、均质且连续性强；中低海拔河谷和山前区土地利用组成更异质，耕地、草地、水体和建设用地交错。建设用地和耕地主要沿河谷、城镇和交通走廊集中。2000—2020年总体景观格局相对稳定，未利用地面积逐渐下降，主要转化为草地或耕地；草地前期稳定、后期增加；建设用地占比最小但扩张明显，尤其2010—2020年，沿城镇和交通走廊集中，部分离散斑块趋于连通或线性延伸。
3.2 景观格局指数变化：通过时间序列指数分析，PD先增后减，说明早期破碎化增加、后期减弱；AI逐渐增加，同类型斑块聚合略增；CONTAG下降，整体蔓延度降低、不同斑块类型配置更分散；SHDI和SHEI均上升，景观组成更多样、分布更均匀。总体上，景观格局较稳定，但破碎化、聚合和组成多样性发生变化。
3.3 景观格局指数时空分布：通过空间分布分析，PD高值主要位于祁连山东北边缘和河西走廊，2000年分布较广且连续，2020年范围收缩，低值区向中高海拔扩展。CONTAG和COHESION空间格局较一致，高值集中在中西部和南部高海拔区域，2000—2020年持续扩展。SHDI和SHEI呈东高西低，高值稳定分布于河谷平原和山前过渡带并略有增加。AI总体上升，高值由分散趋于集中。
3.4 景观格局对HAI的响应：
3.4.1 HAI时空分布：通过HAI空间分布分析，HAI呈显著空间异质性，总体东、北高，西、南低。高值主要集中在东南和东部边缘，尤其沿河西走廊、城镇和交通走廊形成连续或半连续高强度簇；中西部和高海拔区HAI较低且连片。时间上，2000—2020年HAI总体稳定并略升，增加区主要位于城市、灌溉农业区和部分交通走廊，部分高海拔草地和林地略降或稳定。
3.4.2 景观格局指数与HAI的空间关联：通过双变量Moran's I和LISA分析，全局上HAI与AI、COHESION显著负相关，Moran's I分别为?0.0863和?0.1019（p=0.001），即高HAI区倾向于较低斑块聚合和连通性；HAI与PD、SHDI、SHEI显著正相关，Moran's I分别为0.1083、0.1198和0.0508（p=0.001），即高HAI区倾向于较高斑块密度、景观多样性和均匀度。局部上，东部和东北边缘以“高HAI-高PD”“高HAI-高SHDI”“高HAI-高SHEI”“高HAI-低AI/COHESION”为主；中西部和高海拔区以“低HAI-低PD”“低HAI-低SHDI”“低HAI-低SHEI”“低HAI-低CONTAG”“低HAI-高AI/COHESION”为主。
3.4.3 HAI与景观格局指数的空间变异关系：通过GWR分析，HAI与6个景观格局指数的关系存在显著空间异质性，局地系数大小和方向变化明显。HAI与AI、COHESION关系相似，负系数广泛分布于西部，中部零星出现，东部接近零或局部为正。HAI与PD、SHDI、SHEI关系配置相似且不同于AI/COHESION，正系数广泛分布于西部且许多超过1.0，负系数主要集中在中部，东部接近零并呈弱正负混合。AI/COHESION与PD/SHDI/SHEI的系数格局总体相反。HAI与CONTAG关系更复杂，正负系数交错，强正主要出现在西部部分区域，负系数不连续出现在中部和北部。
3.5 LER时空分布：通过LER空间分布和趋势分析，2000—2020年LER自东南向西北增加。低和中等低风险区广泛分布于东部和东南部；中等和中等高风险区更多出现在西部和西北部；高风险区占比较小且多为局部斑块。总体空间分布较稳定。趋势分析表明，大部分区域LER无显著变化；增加区主要在西北和部分中部，呈分散斑块或小簇；下降区在东部和东北部较连续。不同风险等级面积变化不同：低风险区总体稳定、略降；中等低风险区先降后显著升再降趋稳；中等风险区前期稳定、中期显著升后降趋稳；中等高风险区先升、中期达峰后降；高风险区变化较小。波动主要发生在中等低、中等和中等高等级。

讨论部分总结：4.1指出，HAI总体低但空间异质，东高西低，与自然地理条件和社会经济发展水平相关。东部和东北边缘靠近河西走廊，人口、农业和城市扩展集中，人类干扰较强；中西部高海拔区地形崎岖、气候严酷并受保护区管理，HAI较低。景观格局总体稳定但局部变化，东部和东北破碎化和异质性较高，中西部高海拔聚合度和连通性较强。LISA显示高HAI与高破碎、高多样性、低聚合和低连通相伴随；GWR进一步说明这些关系空间非平稳，AI/COHESION与PD/SHDI/SHEI关系格局相反，CONTAG局地变化复杂。自然条件限制人类活动扩展，社会经济和政策差异放大空间异质性。4.2指出，LER以低和中等低风险为主，说明祁连山生态屏障总体得到维持。LER存在显著空间异质性，自东南向西北、由低到高海拔增加；东北地形较缓、水热条件较好、植被覆盖较高，稳定性较强；中西部高海拔地形陡、冻融频繁、土壤发育差，抵抗干扰能力较低。时间上LER呈“总体稳定、局部波动”，中低、中、中高风险区波动明显。驱动机制涉及气候变化、冻融过程、地形和局地人类活动，HAI与LER并非简单线性关系；2010年后局部风险下降与生态保护修复措施同期，但研究未直接量化政策效应，不能单独归因。4.3提出，祁连山管理应转向空间差异化和适应性策略：在人类活动较密集区限制景观进一步破碎化，控制建设用地扩张并维护生态斑块和廊道连通；按生态脆弱性和主导功能采取差异化措施，中西部和中高海拔区优先保护自然脆弱高山生态系统，减少额外人为干扰，监测植被、冻土和冻融过程；水源涵养区和河源区加强高山草地、湿地和河岸带保护；历史矿产开发区控制新扰动并恢复退化土地；低风险区维持现状、避免过度干预；同时将气候和土地利用变化情景纳入风险评估与空间规划，开展长期监测以区分自然变化和人为压力。

研究结论翻译：基于2000—2020年土地利用数据，本研究构建了整合HAI指标、多层级景观格局度量和LER评估模型的框架，系统研究祁连山人类活动、景观格局演变和生态风险的时空动态及空间关系。利用空间统计、空间自相关和GWR分析，本研究识别了人类活动与景观格局的空间关联及空间变异关系，并考察其与生态风险的关系，为高海拔山地系统生态风险识别和管理提供了综合证据。主要结论如下：（1）研究期间，祁连山总体HAI保持相对较低，但呈现显著空间异质性，表现为自东向西、由低海拔向高海拔降低的明显趋势。较高HAI主要集中于东部和东南部，尤其是城市中心和邻近河谷；低HAI主要分布在中西部和高海拔区域。时间上，2000—2020年HAI逐渐增加，时间变幅相对有限，空间格局总体稳定。（2）研究期间祁连山总体景观格局保持稳定；但局部景观破碎化增加，连通性和聚合度存在显著空间差异。景观指标与HAI存在显著空间异质关系。较高HAI通常与斑块密度增加、聚合度和连通性降低相关；低人为干扰区通常破碎化较低、聚合度和连通性较高。GWR结果进一步揭示这些关系具有显著空间非平稳性。HAI与AI和COHESION的局地关系总体相似，而与PD、SHDI和SHEI的关系呈现总体相反的空间格局。（3）祁连山LER以低和中等低风险水平为主，表明景观生态风险总体较低，全区风险空间格局相对稳定。然而，高风险斑块簇在中西部和高海拔区域明显，生态风险呈现自东南向西北增加的空间趋势。LER空间分布并不直接对应HAI空间分布，一些中高海拔区域虽人类活动有限却表现出相对较高生态风险。这种空间错配突显了高海拔山地环境生态风险格局的复杂性。总体而言，通过将HAI、景观格局动态和生态风险评估整合于统一分析框架，本研究更全面地理解了高海拔山地地区人类活动、景观结构和生态风险之间的空间关系。