典型喀斯特流域景观生态风险的时空演化及其驱动机制

《Land》：Spatiotemporal Evolution and Driving Mechanisms of Landscape Ecological Risks in a Typical Karst Watershed

　　

研究人员以典型喀斯特山地流域——北盘江流域（贵州段）为研究对象，基于1985至2024年五期土地利用/覆被（LULC）数据，运用景观格局指数与空间自相关分析揭示了该流域景观生态风险（LER）的时空演化特征，并采用最优地理探测器（OPGD）识别其驱动因子。结果表明：（1）1985—2024年研究区平均LER指数下降37.07%，最低风险区面积占比由18.76%升至38.83%，中风险与较高风险区占比分别降至14.97%与3.55%，生态安全格局得以优化；（2）最低风险区重心向西北迁移，中、较高风险区向东北收缩；全局Moran’s I介于0.477—0.574，北方高-高聚类区收缩、南方低-低聚类区扩展，形成连续巩固的生态屏障；（3）景观破碎度与高程、降水、归一化植被指数（NDVI）等因子交互均呈双因子增强效应，风险格局由多因子协同驱动为主。该研究为调整流域土地利用结构、消减生态风险及促进高质量可持续发展提供科学依据。

研究背景方面，LULC变化在自然缓慢可逆过程与人类快速不可逆改造共同作用下，已成为重塑地表景观的主导力量，并引发全球生态风险。基于景观格局构建LER评估模型是评价区域生态安全的重要路径。现有研究多聚焦城市、湿地、平原或湿润流域，对地质背景独特、土层浅薄、水文敏感、生态脆弱的典型喀斯特流域缺乏长时序全域认知。北盘江流域（贵州段）地处滇黔高原向黔中高原过渡斜坡，是珠江上游重要生态屏障与石漠化治理重点区，近数十年受石漠化治理、水电开发与城镇扩张叠加影响，景观结构持续调整，亟需厘清其近四十年LER时空演化与驱动机制。

研究人员基于五期CLCD的30 m LULC数据，将流域划分为5667个2 km×2 km风险单元，以景观干扰指数（含破碎度C_i、隔离度N_i、优势度D_i，权重0.5/0.3/0.2）、脆弱度F_i（七类用地专家打分归一化）与损失指数R_i耦合计算生态风险指数（ERI），采用统一阈值（ERI≤0.04最低，0.04< />< />0.12最高）划分风险等级；结合重心迁移模型、GeoDa平台全局/局部空间自相关（Moran’s I与LISA）刻画时空轨迹与集聚特征；并以ERI为因变量，选取DEM（X1）、坡度（X2）、土壤侵蚀强度（X3）、年均降水（X4）、蒸发（X5）、NDVI（X6）、人口密度（X7）、斑块密度（X8）、地下水位埋深（X9）九项因子，利用OPGD自动优选离散方案与类别数，进行单因子与双因子交互探测（q∈[0,1]）。

主要技术方法中，样本队列来源于中国土地覆盖数据集（CLCD）1985、1995、2005、2015、2024年五期30 m LULC产品及同期DEM、NDVI、土壤侵蚀、气象、人口与地下水位多源栅格，统一重采样至30 m；核心方法涵盖FRAGSTATS 4.2景观指数计算、2 km格网ERI赋值、重心模型、GeoDa空间自相关、OPGD最优离散化与交互探测，未涉及实验试剂与分子操作。

研究结果部分，LULC变化分析显示耕地由2379.68 km²增至3264.84 km²、林地总体增加，草地与灌木分别减少1416.54 km²与973.93 km²，水域与建设用地因梯级水电与城镇化显著扩张，表明变化为多维双向转换而非单一退耕响应。LER时空演化定量特征表明，平均ERI由0.0642降至0.0404（降37.07%），呈“快速下降—渐稳—持续优化”阶段；风险等级面积统计得出最低风险区扩至38.83%、中风险降至14.97%、较高风险降至3.55%。重心轨迹显示最低风险重心西北移、中较高风险重心东北收缩。空间自相关中全局Moran’s I先升后降（峰值0.574于2005年），高-高聚类北方收缩、低-低聚类南方扩展，空间异质性减弱。驱动因子分析中OPGD单因子q值以斑块密度（X8）、降水（X4）、NDVI（X6）较强，地下水位（X9）最弱；所有双因子交互均呈增强型，X8与X1/X2/X3/X4/X5/X6/X7交互q达0.585—0.807，证实LER空间分异由景观破碎度与自然-植被-人文因子协同耦合主导，X8因与ERI同源于LULC需谨慎解释为结构表征而非独立因果。

讨论部分指出，LER下降与石漠化治理、退耕还林、水土保持等工程阶段吻合，但耕地净增源于多向转换而非单一政策响应；X8高q值受同源信息影响，应视为景观结构媒介；地下水位弱关联受岩溶滞后非线性与30 m重采样平滑所限，非否定其生态意义；专家权重与统一阈值保障时序可比但绝对比例存参数敏感性；未纳入GDP、夜光、路网、政策强度等社会经济变量使驱动解释为选定框架内统计关联。结论部分翻译如下：

（1）近40年LER持续改善，呈“南聚低险、北缩高险”重组；平均指数降37.07%，最低风险占比18.76%→38.83%，较高风险7.97%→3.55%；最低风险重心西北移、中较高风险东北缩；全局Moran’s I先升后降，空间异质性渐弱。

（2）斑块密度对LER空间分异统计解释最强，其与自然及人文因子双因子增强交互是风险格局主要耦合机制；X8∩X6、X8∩X7交互q值0.642—0.807居首，地下水位解释极弱，证实LER分异与景观结构-植被-人类活动协同紧密关联。

（3）长期风险演化反映LULC调整、自然地理与宏观社会经济政策共同影响；风险下降阶段与退耕还林、石漠化治理、水电开发大体重合，但因OPGD未显式纳入政策变量，此类解读属语境解释而非定量因果。论文发表于《Land》。