杭州市土地利用變化及生態(tài)風險評價

田 鵬, 史小麗, 李加林,3, 王麗佳, 劉瑞清

(1.寧波大學 地理與空間信息技術系, 浙江 寧波 315211;2.寧波大學 學報編輯部, 浙江 寧波 315211； 3.寧波大學 東海研究院, 浙江 寧波 315211)

生態(tài)風險評價是當區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)在受到外界干擾時，對區(qū)域生態(tài)環(huán)境負面效應的可能性進行評估[1-2]。在人類活動占主導地位的區(qū)域里，土地利用變化表現(xiàn)為人類對自然環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)的影響，其結果具有區(qū)域性和累積性，可以直接作用在生態(tài)系統(tǒng)的結構和組成上[3-4]。因此在缺乏生態(tài)監(jiān)測資料時，從土地利用變化來研究區(qū)域生態(tài)風險具有一定的理論和實踐意義[5]。當前，基于土地利用的生態(tài)風險評價模式主要有兩種：一是從風險源、生境和生態(tài)受體等著手，建立區(qū)域生態(tài)風險評價模型[6]。如劉曉等[7]引入相對風險模型、周啟剛等[8]基于正態(tài)云模型對三峽庫區(qū)重慶開縣消落區(qū)、三峽庫區(qū)進行生態(tài)風險評價。二是從景觀生態(tài)學角度出發(fā)，構建生態(tài)風險指數(shù)進行生態(tài)風險評價[9]。如劉勇、趙巖潔、劉永超[10-12]等從景觀格局的角度出發(fā)構建生態(tài)風險指數(shù)，探索土地利用變化對區(qū)域生態(tài)風險的影響。杭州市作為浙江省最大的城市，經(jīng)濟發(fā)達，人口密集，人類活動對土地資源的大力開發(fā)與生態(tài)環(huán)境之間產(chǎn)生了激烈的矛盾。本文通過分析杭州市土地利用變化并對其引起的生態(tài)風險進行評價，旨在了解社會經(jīng)濟發(fā)展對生態(tài)環(huán)境的影響，為保護當?shù)氐纳鷳B(tài)安全、合理開發(fā)土地資源、制定科學有效的規(guī)劃提供理論依據(jù)[13]。

1 研究區(qū)概況

杭州市位于我國東南沿海，浙江省北部，地處東經(jīng)118°21′—120°30′和北緯29°11′—30°33′之間。地形以丘陵、平原為主，土壤以紅壤和水稻土為主，西部為丘陵區(qū)，地勢起伏較大，東部為平原，地形平坦。河網(wǎng)密布，水資源充足。亞熱帶季風氣候區(qū)，雨熱充沛。生物種類繁多，物種多樣性豐富。杭州市下轄8個市轄區(qū)、2個縣，3個縣級市，市轄區(qū)有上城區(qū)、下城區(qū)、江干區(qū)、拱墅區(qū)、西湖區(qū)、濱江區(qū)、蕭山區(qū)、余杭區(qū)，2個縣為淳安縣、桐廬縣，3個縣級市為臨安市、建德市、富陽市。杭州開發(fā)歷史悠久，是浙江省重要的經(jīng)濟、政治、文化、交通、教育、金融中心，城市化水平高，人類活動對土地開發(fā)利用程度強。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

以浙江省1995, 2005, 2015年3個時期的LandsatTM/OLI遙感影像為基礎，在地理空間數(shù)據(jù)云獲取，空間分辨率均為30 m，每個時期包括軌道號為118—39，119—39，119—40，120—39和120—40共5景影像，利用ENVI 5.0遙感軟件對各期影像校正、配準、圖像拼接等操作，并結合杭州市各地級市的行政邊界圖對影像進行裁剪，獲得研究區(qū)范圍。最后對遙感影像進行土地利用類型的目視解譯和人機交互解譯，經(jīng)檢驗精度均在0.87以上，符合要求，得到研究區(qū)各時期的土地利用數(shù)據(jù)[14]。根據(jù)全國土地資源分類系統(tǒng)和研究區(qū)內(nèi)的實際情況，把研究區(qū)分為耕地、林地、草地、建設用地、水域、未利用地6種土地利用類型[15]。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用動態(tài)分析 借助轉移矩陣來反映杭州市1995—2015年土地利用的轉化數(shù)量、速率和方向[16]。土地利用動態(tài)度包括單一和綜合土地利用動態(tài)度，分別表示土地利用類型的數(shù)量變化情況和整體情況，計算公式參考文獻[17]。

2.2.2 生態(tài)風險指數(shù) 不同景觀，維護生態(tài)系統(tǒng)的性能各異，自身應對外界干擾的能力差異較大，從景觀格局的角度構建生態(tài)風險評價模型[18-19]。引入景觀干擾度指數(shù)、脆弱度指數(shù)來建立損失度指數(shù)(Ri)，來反映在外界影響下各景觀類型所受到的風險程度[20-21]。計算公式為：

Ri=Ei·Fi

(1)

式中：Ri——景觀損失度指數(shù)；Ei——景觀干擾度指數(shù)；Fi——景觀脆弱度指數(shù)。

景觀干擾度指數(shù)(Ei)表示各種景觀受到外界干擾影響的程度，計算公式為：

Ei=aCi=bNi+cDi

(2)

式中：Ei——景觀干擾度指數(shù)；Ci——景觀破碎度指數(shù)；Ni——景觀分離度指數(shù)；Di——景觀優(yōu)勢度指數(shù)；a，b，c——其對應的權重。

景觀脆弱度指數(shù)反映的是在人類活動影響下不同景觀的承受能力，根據(jù)前人的研究經(jīng)驗，將6種景觀類型按抵抗外界影響能力分級，由低到高分別是未利用地、水域、耕地、草地、林地、建設用地，并通過歸一化計算出景觀脆弱度指數(shù)[22-24]。對研究區(qū)進行全面網(wǎng)格采樣，為充分體現(xiàn)生態(tài)風險的空間分布，基于前人研究經(jīng)驗[12-13]，漁網(wǎng)宜采用研究區(qū)平均斑塊面積的2～5倍，結合研究區(qū)實際文章采用了6 km×6 km的網(wǎng)格，得到了539個風險小區(qū)(圖1)，計算每一個樣本的生態(tài)風險指數(shù)，并以此作為該樣本中心的生態(tài)風險值。計算公式為：

式中：ERIi——第i個樣本的生態(tài)風險指數(shù);Aki——第k個樣本區(qū)內(nèi)景觀類型i的面積;Ak——第k個樣本的面積[24]。

圖1 生態(tài)風險小區(qū)的劃分

2.2.3 空間統(tǒng)計分析 空間自相關分析變量在空間上的相互關系和依賴程度，包括全局自相關和局部自相關，主要是通過Morans’I指數(shù)和LISA檢驗來分析空間的生態(tài)風險指的自相關和集聚程度，計算公式參考文獻[25-26]。地統(tǒng)計分析主要功能是半方差分析法優(yōu)化和空間結構分析[27]，計算出各風險小區(qū)的生態(tài)風險值，賦給采樣區(qū)中心點，采用半方差分析法進行克里金插值，生成生態(tài)風險圖，公式參考文獻[28]。為了更好地對各期生態(tài)風險進行分類和分析，基于自然斷點法，統(tǒng)一間隔為0.001，分為5個生態(tài)風險等級，低生態(tài)風險區(qū)(ERI<0.003 5)，較低生態(tài)風險區(qū)(0.003 5≤ERI<0.004 5)，中生態(tài)風險區(qū)(0.004 5≤ERI<0.005 5)，較高生態(tài)風險區(qū)(0.005 5≤ERI<0.006 5)，高生態(tài)風險區(qū)(ERI≥0.006 5)。

2.2.4 響應彈性分析 彈性反映因變量對自變量相應變化的靈敏程度，引入彈性系數(shù)分析生態(tài)風險對土地利用的響應特征[29]，能清楚客觀地表示生態(tài)風險對土地利用變化的反應程度。以杭州市下轄的區(qū)、市、縣為變量，在土地利用和生態(tài)風險值之間，建立生態(tài)風險對于土地利用的響應彈性系數(shù)。計算公式為：

(3)

式中:ERC——T時間段內(nèi)生態(tài)風險對土地利用的響應彈性系數(shù)； ERIa，ERIb——初始和末期的生態(tài)風險指數(shù)；S——T時間段內(nèi)綜合土地利用動態(tài)度，詳細參考文獻[30]。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化

3.1.1 總量變化 分析杭州市1995—2015年土地利用總量變化(圖2)，總體上，1995—2015年，建設用地劇增，增加了65 299.15 hm2，增長率為126.73%。耕地面積銳減，減少了53 612.19 hm2，林地面積變化最小。分時間段上，1995—2005年，未利用地變化最大，變化率為103.17%，增長了315.68 hm2。其次是建設用地，面積增加了26 011.5 hm2，增長率為50.48%；耕地、草地面積下降，而林地、水域增加；2005—2015年，建設用地繼續(xù)增長，增加了39 287.65 hm2，增長率為50.67%，耕地持續(xù)下降。建設用地和草地面積增長，其他土地類型面積下降。

圖2 1995-2015年杭州市土地利用面積變化

3.1.2 土地利用結構變化 通過ArcGIS10.3里的疊加分析整理得到杭州市1995—2015年土地利用轉移矩陣(表1—2)，來表示各土地類型間相互轉換的數(shù)量與方向。主要變化為：1995—2005年，發(fā)生轉換以耕地轉換為建設用地為主，轉換面積為24 692.09 hm2，占耕地總量的75.86%。其次為草地轉換為林地，轉換了21 180.65 hm2，為草地轉移總量的97.96%。其他用地類型轉換面積較少。2005—2015年，發(fā)生轉移類型也主要是耕地轉換為建設用地，轉換面積為33 191.82 hm2，比1995—2005年增加了8 499.73 hm2。其次是水域向耕地、林地向建設用地轉換，轉換面積為8 308.00，4 947.26 hm2。其他類型發(fā)生轉換不明顯。

表1 杭州市1995-2005年土地利用轉移矩陣 hm2

表2 杭州市2005-2015年土地利用轉移矩陣 hm2

3.1.3 土地利用動態(tài)度變化 1995—2015年杭州市土地利用程度差異較大(表3)。整體上，1995—2015年，綜合土地利用動態(tài)度較大，為0.69%。期間1995—2005年土地利用強度最大，綜合土地利用動態(tài)度為0.39%，2005—2015年相對下降，綜合土地利用動態(tài)度為0.31%。

從單一土地利用動態(tài)度來看，兩個時間段內(nèi)，建設用地處于持續(xù)增長狀態(tài)，增長速度減弱而耕地則持續(xù)下降，主要是工業(yè)化和城市化對耕地的占用。未利用地變化速率最大，草地先下降后上升，林地、水域則相反。以上數(shù)據(jù)也表明土地利用的強度先增強后減緩的過程。

表3 杭州市1995-2015年土地利用動態(tài)度變化

3.2 土地利用生態(tài)風險評價

3.2.1 景觀格局指數(shù)時序特征 通過ArcGIS 10.3和Fragstats 4.2，可得到不同時期景觀格局指數(shù)[31-33](圖3)。1995—2015年，杭州市景觀指數(shù)發(fā)生較大變化，未利用地面積增加，且較集中分布，破碎度和分離度下降。城市建設不斷向周圍郊區(qū)擴展，建設用地優(yōu)勢度增加。耕地面積大量減少，其破碎度、分離度上升，受到外界干擾大，干擾度增加。林地是杭州主要的景觀類型，斑塊面積較大，破碎度小，隨著經(jīng)濟活動的影響加深，林地也向建設用地、草地轉移，受到外界的影響逐漸增大。草地面積變化明顯，受干擾程度上升。經(jīng)濟發(fā)展對水域的利用程度增加，水域損失度上升。

3.2.2 土地利用生態(tài)風險指數(shù)空間自相關分析

(1) 全局自相關。在Geoda1.10中計算出杭州市1995—2015年生態(tài)風險指數(shù)3期全局自相關的 數(shù)值，分別為0.248 4，0.243 5，0.235 9。Moran’I值為正數(shù)，表明生態(tài)風險與土地利用呈顯著的正相關特征，生態(tài)風險出現(xiàn)集聚區(qū)，高等級風險區(qū)周圍分布著相應高等級的風險區(qū)，低等級生態(tài)風險區(qū)周圍風險區(qū)等級也較低[34]。全局自相關數(shù)值呈下降趨勢，表明研究區(qū)在1995—2015年土地利用生態(tài)風險區(qū)集聚趨勢減弱。全局自相關反映了研究區(qū)土地利用與生態(tài)風險的相關性較強。

(2) 局部自相關。 利用 檢驗得到杭州市1995—2015年生態(tài)風險值的局部自相關分布圖(圖4)，生態(tài)風險指數(shù)空間分布主要以高—高聚集和低—低集聚類型為主。局部自相關反映了基于土地利用的生態(tài)風險空間集聚特征。生態(tài)風險高值集聚區(qū)主要集中在杭州市的東北部的市轄區(qū)，這里經(jīng)濟發(fā)達，城市化水平高；西南部高值集聚區(qū)區(qū)的淳安縣中心，水域面積廣，經(jīng)濟活動對其利用強度大，引起生態(tài)風險增加。生態(tài)風險低值集聚區(qū)主要分布在杭州市的邊緣地區(qū)，低—低集聚不斷向邊緣推進，受人類活動影響較小，土地利用強度較低。

圖3 1995-2015年杭州市景觀格局指數(shù)變化

圖4 生態(tài)風險局部自相關情況

3.2.3 土地利用生態(tài)風險時空變化 通過克里金插值得到杭州市1995—2015年生態(tài)風險空間分布圖，整理得到其3個時期生態(tài)風險等級區(qū)的面積、空間分布及各生態(tài)風險等級區(qū)之間的轉換數(shù)量和方向等信息。生態(tài)風險時序變化表明(圖5)，1995—2015年，中生態(tài)風險區(qū)逐漸上升且保持主導地位，各時段分別占全風險面積的30.05%，34.90%，36.67%。低、較低生態(tài)風險等級區(qū)面積不斷下降，分別下降了95 467.9，267 996.59 hm2。較高生態(tài)風險等級區(qū)范圍持續(xù)擴大，上升了190 153.99 hm2，增長率為94.21%。高生態(tài)風險等級區(qū)面積不斷上升，增加了61 629.05 hm2。各生態(tài)風險區(qū)面積的排序為中、較高、較低、高、低生態(tài)風險區(qū)。

生態(tài)風險空間變化表明(圖6)，1995—2015年杭州市生態(tài)風險空間分異較明顯。高生態(tài)風險等級區(qū)以東北部的市轄區(qū)、杭州灣為中心向四周擴散，西南部以淳安縣中心向周圍擴散。東北部生態(tài)風險等級高，主要是這里位于杭州灣附近，經(jīng)濟發(fā)達，城市密集，港口對外貿(mào)易頻繁，交通便利，土地利用強度大。西南部的高生態(tài)風險區(qū)主要是建設用地面積增加和水域利用程度上升等人類活動對土地利用強度增加導致。1995年富陽區(qū)西北部有一集聚的高生態(tài)風險區(qū)，其土地利用類型為草地，草地面積廣，土地利用強度加深導致風險值較高，而后草地向林地、耕地轉移，生態(tài)風險值下降。較高生態(tài)風險區(qū)以高生態(tài)風險區(qū)為中心，逐漸向外圍擴散，東北部和西南部的較高生態(tài)風險區(qū)在2015年相連接。中生態(tài)風險區(qū)一直占主導地位，且面積呈上升趨勢。較低、低生態(tài)風險區(qū)面積逐漸減少，分布逐漸邊緣化，呈圈層狀向外分布，人類活動對其影響程度遞減。

注：1為低生態(tài)風險區(qū)； 2為較低生態(tài)風險區(qū)； 3為中生態(tài)風險區(qū)； 4為較高生態(tài)風險區(qū)； 5為高生態(tài)風險區(qū)。

圖5杭州市生態(tài)風險等級區(qū)面積

圖6 杭州市生態(tài)風險空間分布

3.2.4 土地利用生態(tài)風險轉移分析 對1995—2015年轉移矩陣進行分析發(fā)現(xiàn)(表4—5)，1995—2015年，生態(tài)風險等級區(qū)發(fā)生轉換較復雜。

1995—2005年發(fā)生轉移面積較大，共492 531.44 hm2，轉移方向主要為低—較低、較低—中、中—較高、較高—高，其轉移面積為49 543.24，168 638.12，138 871.05，56 247.26 hm2，區(qū)域生態(tài)風險等級增加。

2005—2015年，轉換數(shù)量下降，共發(fā)生轉移了420 543.78 hm2，轉移方向主要為低—較低、較低—中、中—較高、較高—高，其各生態(tài)風險等級區(qū)的轉移面積為39 508.79，182 087.11，152 865.74，44 820.99 hm2。

1995—2005年轉移面積比2005—2015年轉移面積增加了71 987.66 hm2，低—較低、較高—高轉移方向的面積下降，較低—中、中—較高轉移方向的面積上升，表明生態(tài)風險的轉換差異明顯。

表4 杭州市1995-2005年生態(tài)風險等級轉移矩陣 hm2

表5 杭州市2005-2015年生態(tài)風險等級轉移矩陣 hm2

對1995—2015年各等級轉換進行分析發(fā)現(xiàn)(表6)，1995—2005年由低轉換為高生態(tài)風險區(qū)的面積共426 058.04 hm2，由高轉換為低的生態(tài)風險區(qū)面積共66 473.4 hm2，低—高轉移是高—低轉移面積的6.41倍，生態(tài)風險轉移趨向于低—高的轉換方向。2005—2015年由低轉換為高生態(tài)風險區(qū)的面積共419 330.73 hm2，由高轉換為低的生態(tài)風險區(qū)面積共1 213.05 hm2，低—高轉移是高—低轉移面積的345.68倍。這反映了生態(tài)風險區(qū)轉移方向以低到高等級生態(tài)風險區(qū)為主，城市化加快，經(jīng)濟快速發(fā)展，人類活動對土地利用程度提高。1995—2015年由低到高轉移方向有低—較低、低—中、低—較高、較低—中、較低—較高、較低—高、中—較高、中—高、較高—高9種，生態(tài)風險等級由高到低轉移方向有較低—低、中—較低、較高—低、較高—較低、較高—中、高—較低、高—中、高—較高8種。其年均轉換速率主要呈下降趨勢，轉移面積以低—高轉移方向為主，這也表明低等級生態(tài)風險區(qū)向高等級生態(tài)風險區(qū)轉換，生態(tài)風險高等級區(qū)的面積在逐漸上升。

表6 杭州市1995-2015年生態(tài)風險等級轉換

3.3 生態(tài)風險對土地利用的響應彈性分析

由表7可知，1995—2015年杭州市生態(tài)風險對土地利用的響應彈性呈現(xiàn)較大的時空差異。1995—2015年，所有單元的生態(tài)風險對土地利用變化的響應彈性為正響應，建德市、市轄區(qū)、淳安縣響應彈性系數(shù)最大，即生態(tài)風險對土地利用響應較明顯。分開看，1995—2005年，富陽市生態(tài)風險對土地利用變化呈負響應，其他單元的生態(tài)風險對土地利用變化為正響應。其中以建德市、市轄區(qū)、淳安縣的響應彈性最大，反映出該區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)抗外界干擾能力弱，土地利用變化對生態(tài)風險影響程度大。富陽縣呈負響應，該生態(tài)系統(tǒng)較穩(wěn)定，受土地利用影響較小。2005—2015年，所有單元的生態(tài)風險對土地利用為正響應。橫向比較兩期數(shù)據(jù)，各區(qū)域生態(tài)風險對土地利用變化的響應彈性系數(shù)差異較大，市轄區(qū)、建德市、淳安縣系數(shù)下降，其中市轄區(qū)和建德市下降幅度較大，分別減少了10.32，10.3，淳安縣變化較小，反映了影響區(qū)域生態(tài)風險對土地利用變化的反應程度下降，其它風險源和風險因子趨于多樣化。臨安市、富陽市、桐廬縣響應系數(shù)上升，分別增加了14.04，27.7和7.96，表明區(qū)域生態(tài)風險對土地利用變化反應劇烈，土地利用變化對生態(tài)風險影響較大。

表7 1995-2015年生態(tài)風險對土地利用變化的響應彈性系數(shù)

4 結 論

(1) 杭州市土地利用結構發(fā)生較大變化。建設用地面積變化最大，增長了65 299.15 hm2，增長率為126.73%。耕地面積銳減，減少了53 612.19 hm2，林地面積變化最小。1995—2005年，發(fā)生轉移主要是耕地轉換為建設用地，其次是草地轉換為林地，其他用地類型轉換面積較少。2005—2015年，發(fā)生轉移類型主要是耕地轉換為建設用地，其次是水域向耕地、林地向建設用地轉換，其他類型轉換不明顯。土地利用速率也呈變緩趨勢。

(2) 杭州市土地利用生態(tài)風險時空分異較明顯。生態(tài)風險與土地利用呈較顯著的空間正相關特征；生態(tài)風險分布以高—高聚集和低—低集聚類型為主。時間序列上，1995—2015年均以中生態(tài)風險區(qū)為主，生態(tài)風險等級呈上升趨勢。空間分布上，高生態(tài)風險區(qū)以市區(qū)、杭州灣為中心向四周擴散，西南部以淳安縣中心向周圍擴散。較高生態(tài)風險區(qū)以高生態(tài)風險區(qū)為中心并向四周擴張。中生態(tài)風險區(qū)一直保持主導地位，低、較低生態(tài)風險區(qū)一直處于下降趨勢，分布逐漸外緣化，呈圈層狀向外分布。

(3) 杭州市土地利用生態(tài)風險等級轉移較顯著。1995—2005年各等級區(qū)轉換數(shù)量和轉換概率都大于2005—2015年。1995—2005年生態(tài)風險低—高轉移是高—低轉移面積的6.41倍，生態(tài)風險轉移趨向于高—低的轉移方向。2005—2015年生態(tài)風險低—高轉移是高—低轉移面積的345.68倍。年均轉換速率主要呈下降趨勢，轉移面積以低—高轉移方向為主，這也表明低等級生態(tài)風險區(qū)向高等級生態(tài)風險區(qū)轉換，生態(tài)風險高等級區(qū)的面積在逐漸上升。

(4) 杭州市生態(tài)風險對土地利用響應系數(shù)時空分異較大。市轄區(qū)、建德市、淳安縣響應系數(shù)下降，反映了區(qū)域生態(tài)風險對土地利用變化的反應程度下降，其他風險源和風險因子趨于多樣化。其他單元的響應系數(shù)明顯上升，表明土地利用對區(qū)域生態(tài)風險反應顯著。