基于土地利用變化的江漢平原景觀生態風險時空分異特征分析

陳 斌, 徐尚昭, 周陽陽, 王宏志, 楊頂田

(1.核工業二九○研究所, 廣東省環境保護核輻射追蹤研究重點實驗室, 廣東 韶關 512029;2.廣東省放射性生態環境保護工程技術研究中心, 廣東 韶關 512029; 3.華中師范大學 城市與環境科學學院,武漢 430079; 4.中國科學院 南海海洋研究所, 廣東省海洋遙感重點實驗室, 廣州 510301)

生態安全是評估區域生態系統安全性及穩定性的重要指標之一[1]。生態系統不僅受自然環境驅動因素的影響，也會受到來自人類社會經濟活動的雙重影響[2]。如何開展城市及其周邊地區生態環境風險綜合評價，已成為城市景觀生態學研究領域中的重要課題之一。

當前，學者基于土地利用/覆被變化開展區域景觀生態風險研究并不少見。如，侯蕊等[3]基于武漢市4期土地利用遙感監測數據，對江夏區土地利用生態風險進行了評價；鞏杰等[4]利用空間自相關分析方法，對白龍江流域1990—2010年土地利用變化及其生態風險進行了探討；劉月亮等[5]借助GIS空間分析方法，分析了廣州市1995—2015年景觀生態安全水平，并進一步揭示其時空演變規律；杜軍等[6]對黃土丘陵區土地利用變化及景觀生態風險進行了評價；李青圃等[7]采用空間主成分分析法，從“自然—人類社會—景觀格局”3個維度，對寧江流域景觀生態風險進行綜合評價。黃木易等[8]基于1995年、2005年、2013年3期Landsat遙感影像，采用地統計分析方法對巢湖流域景觀格局特征進行了分析，同時對生態風險進行了網格化定量評估。從研究方法上來看，現有研究多以空間自相關模型及GIS地統計分析方法為主[9-11]。從研究尺度上來看，現有研究多以小范圍和較短時間序列的城市及流域景觀生態風險評價研究為主，且研究時間也多集中在2010年前后[12-14]。從研究的評價單元上來看，多以南方丘陵[15]、農牧交錯帶[16-17]、海島[18-19]及湖泊河流[20-22]周邊為主，而基于多時相土地利用遙感監測數據，對湖北省江平原地區開展較大空間尺度、長時間序列和系統性景觀生態風險研究尚較缺乏。

基于上述分析，本研究選取江漢平原2000—2015年(2000年、2005年、2010年、2015年)4期土地利用遙感監測數據，借助ArcGIS 10.2和Fragstats 4.2等軟件，使用全局自相關模型和地統計空間分析方法，揭示研究區近15 a間景觀生態風險時空演變特征，以期能為湖北省自然生態環境保護和綜合評價提供科學依據和理論參考。

1 研究區概況

江漢平原(29°26′—31°37′N，111°14′—114°36′E)位于湖北省中南部，東臨武漢市、西接宜昌、南連洞庭湖平原、北通荊門，是長江中下游平原的重要組成部分。主要包括當陽市、枝江市、松滋市、荊州市、江陵縣、公安縣、石首市、潛江市、監利縣、天門市、仙桃市、洪湖市、云夢縣、應城市和漢川市。地勢整體呈現“西北高，東南低”的分布態勢，主要農作物類型以種植水稻、棉花和油菜為主。該區域氣候溫暖濕潤、地形平坦、土壤肥沃，轄區內景觀類型復雜多樣，土地利用類型以耕地、水域和建設用地為主。轄區內河流湖泊密布，分布天然大小湖泊300多個，如：洪湖、長湖及大沙湖等。江漢平原屬于典型的亞熱帶季風氣候，光熱充足、降水充沛，年均氣溫在14～18℃，年均降水量1100～1 300 mm，無霜期較長，在240～260 d。同時，江漢平原也是全國重要的糧食基地和湖北省重要的農產品生產區。近年來，由于人類活動影響，使得區域內部景觀生態結構發生重大調整，如何通過土地利用/覆被變化開展城市景觀生態風險評價研究，已成為景觀生態學和地理學交叉領域的研究熱點內容之一。

2 數據源和研究方法

2.1 數據來源和預處理

本研究選取數據有：湖北省2000年、2005年、2010年、2015年4期土地利用遙感監測數據，該數據是以Landsat TM/ETM/OLI衛星數據為基礎數據源，通過人機交互解譯而得到(目視解譯結合支持向量機等分類方法)，其中耕地和城鄉、工礦、居民用地平均分類精度達到85%以上，其他土地利用類型平均分類精度均在75%以上[23]。該數據類型為Shapefile矢量格式，包含6個一級地類(耕地、林地、草地、水域、居民地和未利用土地)和25個二級類型，上述數據來源于中國科學院資源環境數據中心(http:∥www.resdc.cn/)。為便于后續研究，利用ArcGIS轉換工具，將數據轉為空間分辨率為30 m的柵格數據，然后根據研究區行政區邊界裁剪得到研究區范圍內不同時期土地利用遙感監測數據。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用動態變化 土地利用變化常用變化量和變化率來表示，土地利用變化量是用來表征不同時間段內，多個或者單一土地類型面積的變化數量，土地利用變化率是用來表示不同用地類型變化的程度[23]，土地利用轉移矩陣是用來表示各用地類型之間的轉移方向和轉化量[24]。

2.2.2 生態風險小區劃分 為便于后續研究分析，根據研究區實際范圍大小，參照已有研究[4]，借助ArcGIS漁網分析統計工具，將研究區劃分為5 km×5 km的正方形網格，得到1 413個生態風險小區，然后通過計算各個網格的生態風險指數作為生態風險小區中心點的生態風險指數，最終通過插值計算得到整個研究區生態風險格局分布結果。

2.2.3 景觀生態風險指數構建 景觀格局變化是人類活動對土地利用最直接的表現形式之一，由于不同景觀對外界影響的抗干擾能力有所差異，從景觀結構、組分、脆弱度指數等因子角度出發構建研究區生態景觀風險模型[4]，計算公式如下：

(1)

式中:ERIe為第e個樣本單元內的景觀生態風險指數;Are為第r個樣本單元內景觀類型e的面積;Ar為第r個樣本單元的面積;Ri為景觀損失度指數。

(1) 景觀結構指數：景觀結構指數是用來表征不同類型景觀生態系統受外界干擾的程度[25]，公式如下：

Si=aCi+bNi+cDi

(2)

式中:Ci為景觀破碎度指數;Ni為景觀分離度指數;Di為景觀優勢度指數;a,b,c為對應的權重,a+b+c=1,參照已有研究[26]并結合研究區實際情況,對a,b,c分別賦值0.5,0.3,0.2。

(2) 景觀脆弱度指數：景觀脆弱度指數是用來表示景觀受到外界因素影響而維持自身理化性質穩定性的重要量化指標，也稱之為景觀外界抗干擾能力[25]，計算公式如下：

1.選擇優良苗種，加州鱸魚苗的質量會直接關系到自身的抗病能力，選擇健康優質的種苗，可以提高育苗成活率和提高魚仔活力和健康指數，從而為后期的成魚養殖提供可靠的保障，使加州鱸養殖效益提高。

(3)

式中:e為景觀類型；m為景觀類型的數量；Ai表示各類景觀的面積占比；Pi表示各景觀的脆弱度分數值，參照已有研究成果[4]，并結合研究區實際情況，將研究區5種土地利用類型劃分為5個等級：水域5，耕地4，草地3，林地2，建設用地1，通過歸一化得出景觀脆弱度指數，歸一化后分數值大小依次為0.33，0.27，0.20，0.13，0.07。

(3) 景觀損失度指數：景觀損失度指數是用來表示景觀受到外界自然或者人為因素影響時，自身損失程度量化指標[27]，計算公式如下：

(4)

式中:Si表示第i類景觀的景觀結構指數;Fi表示第i類景觀的景觀脆弱度指數。

2.2.4 空間分析方法 本研究采用熱點分析和空間自相關方法，對江漢平原景觀生態風險的聚集度和空間相關性進行分析。以5 km×5 km網格單元為最小研究區域，計算得到各網格單元景觀生態風險指數，然后采用克里金插值方法對網格單元質心景觀生態風險指數進行空間插值，得到4個時期景觀生態風險指數空間分布圖。同時借助重心轉移模型來表征研究區不同景觀生態風險等級的重心在時空尺度上的轉移變化特征。

3 結果與分析

3.1 土地利用面積變化

3.1.1 土地利用面積變化 土地利用變化可以直觀反映出人類社會經濟活動對地表作用的強度。2000—2015年江漢平原土地利用變化呈現出較大差異(圖1)，其中耕地、林地整體呈現增加趨勢，建設用地、水域和草地整體呈現減少趨勢。2000—2015年江漢平原耕地面積減少最為明顯，從2000年的21 413.75 km2減少到2015年20 346.03 km2，其次為林地，從2000年的2 193.82 km2減少到2015年2 166.82 km2，分別減少了1 067.72 km2，27 km2；建設用地面積增加最為顯著，從2000年的2 712.05 km2增加到2015年3 332.13 km2；水域次之，近15 a間增加了474.16 km2；草地面積總體變化較小，15 a間增加了0.32 km2(表1)。

圖1 2000-2015年江漢平原土地利用空間分布

表1 2000-2015年江漢平原土地利用變化統計 km2

3.1.2 土地利用轉移分析 借助ArcGIS空間疊加分析工具計算得到江漢平原近15 a間土地利用轉移變化。研究發現：江漢平原土地利用主要以耕地、水域和建設用地為主，林地、草地次之。土地轉移類型主要以耕地向建設用地轉移為主。研究顯示：2000—2005年，耕地轉為水域面積為445.12 km2，耕地轉為林地面積84.91 km2；林地轉為水域7.29 km2，林地轉為建設用地面積5.97 km2，草地轉為耕地20.56 km2，草地轉為建設用地30.51 km2。建設用地轉為耕地8.62 km2，建設用地轉為水域面積9.95 km2。2005—2010年，耕地轉為水域618.25 km2，耕地轉為林地80.93 km2；林地轉為水域9.29 km2，林地轉為建設用地21.89 km2，草地轉為耕地4.64 km2，草地轉為建設用地3.31 km2。建設用地轉為耕地58.37 km2，建設用地轉為水域51.07 km2。2010—2015年，耕地轉為水域面積319.76 km2，耕地轉為林地63.68 km2；林地轉為水域18.58 km2，林地轉為建設用地41.13 km2，草地轉為耕地616.30 km2，草地轉為建設用地81.59 km2。建設用地轉為耕地373.49 km2，建設用地轉為林地18.57 km2，建設用地轉為水域65.68 km2。

3.1.3 土地利用變化的空間分異特征 為進一步揭示江漢平原2000—2015年土地利用變化的時空分異特征，采用ArcGIS空間統計工具計算各土地利用類型的Moran′sI指數(表2)。研究區耕地、林地和建設用地Moran′sI指數變化幅度較大，且耕地和建設用地的Moran′sI指數均為正值，表明空間正相關性增強；草地和水域Moran′sI指數變化較小，且水域Moran′sI指數由2005年和2010年的負值轉變為正值，表明其空間正相關性增強，分布呈現聚集狀態。建設用地Moran′sI指數逐漸增加，表明建設用地集聚度呈現增加趨勢，這可能與湖北省自2004年后提出加快“武漢城市圈”建設等政策有關。

表2 2000-2015年江漢平原不同土地利用類型 Moran′ s I系數

3.2 景觀生態風險評價

本研究采用ArcGIS空間分析工具中的克里金插值方法對江漢平原近2000—2015年4個年份的生態風險指數進行擬合，然后根據研究區實際，將插值得到的柵格數據按照生態風險指數大小劃分成5個等級：低生態風險區(ERI<0.11)、較低生態風險區(0.11≤ERI<0.13)、中生態風險區(0.13≤ERI<0.15)、較高生態風險區(0.15≤ERI<0.17)和高生態風險區(ERI≥0.17)(圖3)。

圖2 江漢平原生態風險冷熱點空間分布

圖3 江漢平原土地利用生態風險空間分布

2000—2015年江漢平原中風險區面積占比最高，均在45%以上，其中2010年面積最大，達到了18 953.49 km2；其次為較低風險區和低高風險區，較低風險區在2000年面積達到最大值，為12 053.01 km2，然后呈現逐漸減小趨勢；低風險區和高風險區面積占比均在10%以下。

2000—2015年江漢平原低風險區主要集中在江漢平原西部的當陽市、松滋市和猇亭區，由于以上區域土地利用類型主要以林地和草地為主，生態環境承受外界影響能力較強。較低風險區主要集中分布在江漢平原中部地區，上述區域土地利用類型以耕地為主，故生態風險指數較低。中風險區幾乎覆蓋整個區域，面積占比最高，表明江漢平原整體受外界因素影響而保持自身本底環境的能力適中。較高風險區主要集中分布在江漢平原西南部的洪湖市、監利縣和蔡甸區，這些區域水域面積占比較高，故景觀脆弱度指數較高，導致景觀生態風險高于其他縣區。洪湖市受洪湖水域面積較大整體影響，故高風險區集中分布于此。由此可見，地方政府部門應該嚴格管控土地開發利用強度，提高土地資源集約利用效率，最大限度提升中高風險區的生態環境承載力，使得高風險區逐步向低風險區轉化，以維持區域生態系統平衡。

為進一步探討不同等級生態風險之間的時空轉化特征，本研究借助ArcGIS分析工具得到研究區不同生態風險等級的轉移矩陣。由表3可以看出，2000—2015年江漢平原各風險等級的面積除向自身轉化外，低風險區主要向較低風險和中風險區轉化，轉化面積分別為368.08 km2，85.78 km2。較低風險區主要向中風險和低風險區域轉化，其中向中風險區轉移面積達到了8 862.56 km2。中風險區主要向較高風險區和高風險區轉化，轉化面積分別達到了4 685.29 km2，734.34 km2。較高風險區主要向高風險區和中風險區轉移，轉移面積分別為1 092.69 km2，152.71 km2。高風險區域未向其他風險等級轉移。由此可見，近15 a間江漢平原生態環境受到人類活動影響較為顯著，生態環境脆弱性逐步增加，因此地方政府應該因地制宜制定相應政策法規，嚴禁毀林開荒、毀林造房，合理開發未利用土地，加強林地、草地保護力度，逐步提高生態環境質量。

表3 2000-2015年江漢平原景觀生態風險轉移矩陣 km2

由表4可知，2000—2015年江漢平原生態風險時空差異變化明顯。低生態風險區面積呈現逐漸減小態勢，從2000年的2 015.63 km2，較少到2015年的1 960.87 km2。較低風險區面積也呈現逐步減小態勢，從2000年的12 053.01 km2，較少到2015年的3 557.92 km2，其中2000—2015年減少幅度最大，達到了2 805.33 km2。中風險區面積呈現先增加后減少的態勢，但整體呈現增加態勢，其中2005—2010年增加幅度最大，達到了2 061.26 km2。較高風險區面積呈現逐步增加態勢，從2000年的1 621.39 km2，增加到2015年的5 136.11 km2。高生態風險區面積也是呈現逐步增加態勢，從2000年的326.10 km2，增加到2015年的2 156.78 km2。由此可以得出，江漢平原生態環境脆弱性增強，生態環境對外界的抗干擾能力呈現下降趨勢。

表4 2000-2015年江漢平原不同生態風險等級面積及占比

3.2.3 生態風險重心轉移 為更加直觀反映出江漢平原近15 a間生態風險區重心的變化轉移情況，本研究借助ArcGIS空間分析工具得到不同生態風險等級重心轉移時空變化特征(圖4)。研究表明，2000—2005年，低生態風險區重心整體轉移不明顯，主要集中分布在江漢平原西北部當陽市。較低生態風險區重心轉移空間跨度最大，向西轉移了79.8 km，其中2005—2010年轉移速度明顯加快，向西轉移了64.3 km。中風險區主要向東北方向轉移，其中2005—2010年轉移速度最快，向東北方向轉移了5.43 km。較高風險區和高風險區重心主要集中分布在江漢平原東南部洪湖市，且均有向東北方向轉移趨勢，其中較高風險區重心轉移速度明顯快于高風險區。

圖4 江漢平原2000-2015年生態風險重心轉移

綜合來看，近15 a間低風險區、較高風險區和高風險區重心總體轉移變化較小，在空間上均呈現整體向東北方向轉移的趨勢。較低風險區重心空間轉移距離最大，且轉移速度明顯高于其他4類等級生態風險重心，中風險區轉移速度和空間幅度僅次于較低風險區重心。這主要是由于林草地主要分布在江漢平原西北部，所以低生態風險區重心整體變化不明顯，而洪湖市水域面積較大，故高生態風險區重心主要集中分布于此。

4 討論與結論

4.1 討 論

江漢平原是湖北省糧食生產的主產區，隨著國家城鎮化進程的快速推進，城市內部人口集聚度穩步上升、城市建成區不斷向周邊擴張，一定程度上使得城市生態系統服務功能和生態系統承載力水平均受到不同程度影響。同時伴隨著國家生態文明思想和新發展理念的提出，以及“綠水青山就是金山銀山”的系統治理理念的貫徹，土地利用變化對生態系統影響力逐漸增強。

本研究基于湖北省江漢平原2000—2015年4期土地利用遙感基礎調查數據及湖北省縣級行政區劃數據，借助全局自相關模型和地統計空間分析方法，基于景觀特征要素對區域進行生態風險等級劃分，揭示了研究區近15 a來土地利用水平和景觀生態風險的時空演變特征，有利于地方主管部門根據區域生態風險等級差異，及時出臺相關保護政策，便于在發展經濟的同時保護自然生態環境，更有利于江漢平原在長江中游城市群區域經濟發展中形成增長極，從而更好帶動周邊地區經濟發展。

本研究的局限性在于僅僅利用土地利用遙感監測數據構建景觀生態風險模型，開展對研究區景觀生態風險評價，而當前區域生態風險等級劃分受到的影響因素日益復雜，如何利用多源自然和社會經濟數據開展綜合性、交叉性研究，這一部分工作將是今后區域景觀生態風險研究的重要方向。

4.2 結 論

(1) 2000—2015年，江漢平原土地利用類型主要以耕地、水域和建設用地為主，林地、草地次之。其中建設用地、耕地、林地面積整體呈現增加趨勢，水域和草地呈現減少趨勢。耕地面積減少最為明顯，其次為林地，分別減少1 067.7 km2，27 km2，占比分別為4.99%，1.23%；建設用地面積增加最為顯著，水域次之，分別為620.08 km2，474.16 km2，占比分別為22.86%，10.44%；草地增加最少，僅為0.32 km2。

(2) 2000—2015年，江漢平原景觀生態風險時空演變顯著，冷點、次冷點數量增加，次熱點和熱點均呈現先增加后減少的態勢。生態風險聚集的高值區主要分布在江漢平原東南部的洪湖市，低風險區主要分布在江漢平原西部的當陽市、松滋市，較高風險區主要集中分布在江漢平原西南部的洪湖市、監利縣和蔡甸區。

(3) 2000—2015年，江漢平原生態風險時空差異變化明顯。低生態風險區、較低風險區面積均呈現逐步減小態勢，較低風險區面積從2000年的12 053.01 km2，較少到2015年的3 557.92 km2，其中2000—2015年減少幅度最大，達到了2 805.33 km2。中風險區面積呈現先增加后減少的態勢，較高風險區面積呈現逐步增加態勢。高生態風險區面積呈現逐步增加態勢，從2000年的326.10 km2，增加到2015年的2 156.78 km2。由此可見，江漢平原生態環境脆弱性增強，對外界影響因子抗干擾能力下降。

(4) 2000—2005年，江漢平原不同風險等級重心轉移差異較大。低生態風險區重心轉移不明顯，主要集中分布在江漢平原西北部當陽市；較低生態風險重心轉移空間跨度最大，向西轉移了79.8 km；中風險區主要向東北方向轉移，較高風險區和高風險區重心主要集中分布在江漢平原東南部洪湖市，且均呈現向東北方向轉移的趨勢，其中較高風險區重心轉移速度明顯快于高風險區。