1980—2015年安徽省景觀格局與生境質量時空演化特征分析

王暢暢，王 萌，汪 左，王 蕊，鞠 森

（1.安徽師范大學 地理與旅游學院，安徽 蕪湖 241002；2.資源環境與地理信息工程安徽省工程技術研究中心，安徽 蕪湖 241002）

引言

生物多樣性與生態系統的生產功能密切相關，是農業可持續發展的保障[1］。生境質量是指物種生存的環境為其進行生存、繁衍等生命活動提供適宜條件的能力[2-3］，在一定程度上可以表征區域內生物多樣性水平。土地利用是人類主要活動之一，通過景觀格局變化可以直接反映出土地利用變化[4］，是影響生境質量變化的重要因素[5］。隨著城市擴張、人口數量快速增長與經濟持續高速發展，建設用地量遠達不到人類需求水平，人類活動對建設用地的需求不斷增大[6］，城市化導致生物多樣性下降、生境質量退化等諸多狀況[7］，城市對周邊自然生態景觀面積的侵占會降低景觀類型的連通性，加劇土地的破碎程度，進而影響周邊區域生境質量[8］，不同優劣等級的生境質量直接影響區域生態系統服務能力[9］，在此情況下探究安徽省景觀格局變化及生境質量具有重要意義。

國內外根據研究需求不同已經開發了多種生境質量模型，常用的模型有IDRISI生物多樣性模塊[10］、生境適宜性模型HIS、C-Plan 和ConsNet[11-13］、InVEST 模型[14］等。近年來，許多學者利用這些模型對市級單位[15］、流域[14］等進行多尺度、多因素研究。趙夢雨[5］等在土地利用和景觀格局變化特征分析基礎上，采用In-VEST模型監測咸陽市生境質量的變化情況。吳健生[16］等將GIS技術與InVEST模型結合，評估長江三角洲地區在不同情境下的生境質量，并得出結論：在研究時間段內，景觀結構異質性和破碎度的變化導致京津冀地區生境質量地區差異明顯。鄧楚雄[17］等結合GIS技術與InVEST模型，分析近年來洞庭湖區土地利用和景觀破碎度變化對生境質量的影響。黃木易[9］等以皖西大別山區舒城縣為例，利用InVEST模型和地形位等方法進行生境質量時空演變與景觀格局互動及梯度效應分析，并得到“生境質量及生境退化分布指數具有顯著的地形位梯度效應”結論。

以往的研究大多是針對特殊區域或有典型特征的區域，對于省級單位的研究較少，而安徽省作為長三角地區的重要一員，為貫徹落實長三角生態綠色一體化高質量發展戰略，積極研究安徽省城市化背景下土地資源綜合利用與景觀格局和生境質量之間的關系具有重要意義。因此本文基于安徽省1980、1990、1995、2000、2005、2010、2015 年七期土地利用數據，利用ArcGIS、Fragstats、InVEST 模型等軟件[18-19］，分別從整體景觀級別、類型景觀級別、生境質量等級、生境退化度等方面對安徽省景觀格局與生境質量進行分析與評估，為安徽省未來的生態規劃提供理論支持。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

安徽省地理位置處于中國華東地區，位于長江、淮河中下游，是長三角重要組成部分，其位置介于東經114°54′～119°37′，北緯29°41′～34°38′之間，重要地理分界線秦嶺-淮河一線橫貫全省。地跨淮河、長江、新安江三大水系，地勢由平原、丘陵、山地構成，東部平原，西部丘陵山區。安徽省氣候分布差異明顯，處于東亞季風區、亞熱帶與暖溫帶過渡區。季風明顯，四季分明，降水周期變化大，其良好的地理位置與適宜的氣候條件為安徽省提供農業發展基礎，使其成為我國重要的無公害、綠色農產品生產基地。

1.2 數據及預處理

1980、1990、1995、2000、2005、2010、2015 年七期安徽省土地利用類型柵格圖數據來源于國家地球系統科學數據中心-黃河中下游分中心（http://henu.geodata.cn）[20］，其空間分辨率為100m。根據研究目的及需要，將安徽省七期土地利用數據依照《土地利用現狀分類》GB/T21010—2017 和《中華人民共和國土地管理法》“三大類”的對照表將二級分類重新整合成一級分類，得到耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地六大類土地利用類型，其分布情況如圖2所示。

2 研究方法

2.1 景觀格局指數

景觀格局指數是反映景觀結構組成、空間分布特征的量化指標。一般來說，景觀格局變化特性有三個方面，即景觀分異性、景觀異質性、景觀連通性[21］。景觀分異性是指土地斑塊在時間層面上的面積和形狀變化特征，相關指標有面積離散指數（PSCOV）、面積加權形狀指數（AWMSI）等。景觀異質性是指在一個景觀系統中景觀要素類型、組合及屬性在空間或時間上的變異性。景觀組分和要素在景觀中無法均勻分布，且不可能達到同質性要求，即景觀變異性和復雜性，它決定著景觀大部分生態功能，并與多樣性有關，相關指標有分離度指數（SPLIT）、香農多樣性（SHDI）等。景觀連通性是指同類或不同類景觀空間結構單元之間的結構或功能間聯系程度，相關指標有散布并列指數（IJI）、斑塊蔓延度指數（CONTAG）等。

基于安徽省七期土地利用數據，利用Fragstats4.2軟件，分別從整體景觀級別、類型景觀級別兩大方面、景觀分異性、異質性、連通性三個層次計算安徽省1980—2015年時間序列景觀格局指數，展現安徽省空間格局的時空變化規律，具體指數如表1所示。

2.2 生境質量評估指數

InVEST 模型的數據基礎是確定各脅迫因子類型和各土地類型對脅迫因子的敏感程度即生境適宜性。不同土地利用類型對脅迫因子的敏感程度用范圍0～1的值表示，0代表生存條件差，無法使生物生存，1代表該區域生存條件有利于生物生存繁衍[21］。每種生境類型對脅迫因子的響應都有所差異，不同距離衰減函數也對結果產生一定影響。對生境質量的計算包括生境退化指數計算和生境質量指數計算，其中生境退化指數計算公式如下[18］：

式中：Dxj為生境退化度指數；R為脅迫因子個數，參照表3、表4；wr為不同威脅對各生境類型的相對影響，最大影響表示為1；Yr為脅迫因子的總柵格數；ry為脅迫因子的柵格值；βx為減輕威脅影響的等級，0表示威脅影響最小，1表示威脅影響最大；Sjr為棲息地類型對景觀格局上不同威脅源的相對敏感性，取值范圍0～1，越接近1越敏感；irxy為柵格y的值對柵格x中棲息地的影響；dxy為網格單元x與y的線性距離；drmax為威脅源r在研究空間內可產生影響的最大距離。

生境質量指數計算公式如下[18］：

式中:Qx為生境質量指數，取值范圍0～1；Hj表示生境類型j的棲息地適宜性，取值范圍0～1；k為半飽和常數，取最大生境退化指數Dxj的一半；z為歸一化常量，一般情況下設為2.5。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化分析

土地利用變化反映出自然和人為因素對生態系統的影響程度。根據安徽省1980—2015年七期土地利用數據得到土地類型面積（圖3）、土地利用轉移（圖4），其中未利用地面積幾乎為0，故不在圖3中展示。結合圖2，安徽省土地利用總體結構以耕地為主，南北方地類分布存在差異，耕地、林地為安徽省優勢地類，大面積集中分布，面積總比例約80%以上，林地、水域在南方處于優勢地類，北方耕地多與建設用地相間分布。在研究時間段內耕地面積流失5191.4km2，其中有79.6%的耕地流失面積轉化為建設用地；水域流失面積的71.3%轉化為耕地；林地、草地受人類活動影響較大，其中林地流失面積占未利用地增加面積的46.9%。

3.2 景觀格局時空變化分析

3.2.1 整體景觀級別時空變化 安徽省時間尺度上整體景觀級別指數結果及變化見圖5。在1980—2015 年間，研究區內各指標變化呈現不同趨勢，揭示其變化規律：斑塊數量（NP）、香農多樣性指數（SHDI）、香農均度指數（SHEI）、分離度指數（SPLIT）、形狀指數（LSI）值增大，增幅為1.7%、6.1%、6.1%、11.8%、7.0%，表明安徽省斑塊類型逐漸增多，斑塊形狀復雜度增大，優勢地類的優勢度逐漸下降，不同斑塊類型在景觀空間中向均勻分布趨勢發展；斑塊蔓延度指數（CONTAG）、最大斑塊指數（LPI）、聚集度（AI）值減小，減幅為4.6%、5.6%、0.7%，表明人類活動對優勢地類的影響逐漸增強，耕地類型被不斷侵占，導致生態系統穩定性下降，景觀分散度、破碎度增強，優勢地類間連通性下降；斑塊密度（PD）、散布與并列指數（IJI）值先增后減再增，表明各地類之間存在轉化但轉化幅度較小、格局基本穩定；COHESION值的穩定表明安徽省各景觀要素內部仍保持較高聚合水平。

3.2.2 類型景觀級別時空變化 為了更為直觀展示安徽省景觀格局變化，根據安徽省土地利用一級分類，選取6個類型景觀指標進行計算，指數變化結果見圖6。

（1）建設用地類型景觀變化。LSI值呈下降趨勢，減幅約5.7%，COHESION、AI、IJI呈上升趨勢，表明建設用地土地類型景觀形狀復雜度降低、內部聚合度提高，建設用地不斷侵占其周圍地類，大斑塊逐漸增加。PLAND、PD值的穩定說明建設用地整體格局未發生較大波動。

（2）耕地類型景觀變化。LSI值逐漸增大，增長幅度為9.1%，LPI小幅度下降，表明耕地斑塊整體形狀向不規則、復雜化方向發展，人類活動對耕地生態系統內部已經產生影響。COHESION、AI數值波動較小，說明耕地同類型斑塊之間連接度、聚集程度及空間分布較為穩定，形成了聚集型分布格局。

（3）林地類型景觀變化。IJI值呈上升趨勢，LSI值上下波動，其他值基本不變，表明林地整體空間分布穩定，林地與其他地類混合程度加深。在研究時間段內林地類型出現不同程度地類轉移情況，但其斑塊整體形狀趨于規則。

（4）水域類型景觀變化。LSI、IJI值呈上升趨勢，增長幅度約為9.5%、11.6%，其余值波動較小，表明斑塊形狀不規則程度加深，相同景觀類型斑塊間聯系程度降低，但其整體空間分布無太大變化。

（5）草地類型景觀變化。IJI小幅度上升，增長幅度約為4.9%；LSI呈現小幅度波動，其余值穩定。表明其整體格局無變化，部分斑塊形狀出現波動，林地、水域、草地類型分布混合程度不斷加深。

（6）未利用地類型景觀變化。AI、PD先減小后增大，LSI小幅度上升，IJI波動幅度較大，表明斑塊形狀復雜度增大、存在與其他地類混合現象，但因其整體面積總量較小，變化結果對整體影響較小。

3.3 生境質量時空變化評價

3.3.1 生境質量脅迫因子權重與敏感度確定 耕地為安徽省優勢地類，農業生產用地和建設用地的景觀格局空間變化對區域生境質量評估產生較大影響，每種生境類型對景觀格局上不同脅迫因子的敏感性存在差異，因此選擇耕地、城鎮用地、農村居民點和其他建設用地作為脅迫因子，脅迫因子的權重表征其對生境類型的干擾程度，衰減類型表示脅迫因子對生境類型干擾的表現方式。通過參照InVEST 模型使用手冊和吳健生等[16］、劉智方等[22］、戴云哲等[23］和吳楠等[24］的研究得到脅迫因子類型及所占權重表（表2）和各生境類型對脅迫因子的敏感度表（表3）。

表2 脅迫因子類型及權重表Table 2 Stress factor types and weighting tables

表3 各生境類型對脅迫因子的敏感度表Table 3 Table of the sensitivity of each habitat type to stress factors

3.3.2 生境質量等級時空變化 運行InVEST模型生境質量模塊，得到生境質量等級圖（圖7）和安徽省生境退化程度圖（圖8、9、10），為直觀反映生境質量變化狀況，按照相等間隔斷點法將生境質量分為五類，即差（0～0.2）、較差（0.2～0.4）、中（0.4～0.6）、良（0.6～0.8）、優（0.8～1），并統計不同年份生境質量等級面積占比，得到表4。

表4 安徽省不同年份生境質量等級面積占比Table 4 Habitat quality grade area in Anhui Province in different years

整體來看，安徽省生境質量南北地區差異明顯，北方明顯低于南方，生境質量指數值在0.36～0.46之間，波動幅度小，上升明顯，但整體趨于平緩。各地級市生境質量差異明顯，皖北城市如阜陽、亳州、淮北等生境質量指數值介于0～0.2之間，其生境質量水平較低，皖南地區生境質量水平較高，其中生境質量水平最高的城市為黃山市，最低為亳州市。由于生境質量與生境適宜度聯系密切，且林地、草地生境適宜度指數均高于水田和旱地，可以發現安徽省生境質量分布整體表現與土地利用格局相似，具體表現為林、草區生境質量較高，農田和裸地生境質量較低，進而造成了安徽省南北方生境質量差異。

從時間角度來看，結合表4、圖7，1980—1990年間生境質量各等級占比基本保持不變，“差”等級生境質量柵格占比接近50%，安徽省生境質量情況亟需改善。1990—1995年，“較差”等級生境質量面積占比提高了18.3%，“差”級別占比下降了10.1%。1995—2000年，安徽省生境質量等級發生較大空間格局改變：“良”“中”級別面積占比明顯增大，“較差”級別生境面積占比降低了19.4%。2005—2015年，安徽省生境質量空間格局無明顯變化，整體生境質量情況逐步改善。

從空間角度分析，安徽省整體生境質量北方低于南方，結合土地數據可知安徽省南方多為山地、林地，植被覆蓋度高，生境質量較高，北方多為耕地，易受人類活動影響，易被其他地類侵占造成耕地流失。1980—2015年，安徽省北部城市如阜陽市、亳州市、淮北市、宿州市大部分區域始終處于“差”等級生境質量，蚌埠市生境質量情況有所改善，中部地區城市如合肥市、淮南市等城市生境質量向“中”等級發展，安徽省南部地區城市大部分區域生境質量仍為“優”等級。造成上述生境質量變化的原因可能是：一方面，2002年安徽省啟動退耕還林工程使得林地與其他地類混合程度加深，安徽省中部地區生境質量有所改善；另一方面，隨著城市的擴張發展導致各市區大規模興建樓房、工廠等工程，城區周邊生境質量較低區域逐漸擴張，影響其周邊生境質量較高的區域，如合肥市城區及長江沿岸地區。

3.3.3 生境退化度時空變化 生境退化度的變化反映出生境質量的變化程度。生境退化度指數處于0～1之間，值越大生境質量退化程度越嚴重。從整體看，安徽省各城市生境質量水平與生境質量退化度的變化情況呈負相關，生境質量水平越高的區域，生境退化度相對較低。結合圖11，生境退化度在0～0.06之間，從數值上反映出安徽省南北方生境質量的明顯差異，表明安徽省北部地區生態系統抵抗力較低、生態系統易受到破壞，進而造成生境質量水平的下降。

圖1 安徽省土地類型分布Fig.1 Distribution of land types in Anhui Province

圖2 安徽省1980—2015年土地利用類型分布圖Fig.2 Distribution map of land use types in Anhui Province from 1980 to 2015

圖3 安徽省1980—2015年土地類型面積Fig.3 Land type area in Anhui Province from 1980 to 2015

圖4 安徽省1980—2015年土地轉移Fig.4 Land transfer in Anhui Province from 1980 to 2015

圖5 安徽省1980—2015年整體景觀格局指數變化Fig.5 Overall landscape pattern index changes in Anhui Province from 1980 to 2015

圖6 安徽省1980—2015年類型景觀格局指數變化Fig.6 Changes in the pattern index of type landscape in Anhui Province from 1980 to 2015

圖7 安徽省1980—2015年生境質量等級Fig.7 Habitat quality grade in Anhui Province from 1980 to 2015

圖8 安徽省1980—2015年地級市生境質量年平均值Fig.8 Annual average value of habitat quality of prefecture-level cities in Anhui Province from 1980 to 2015

圖9 安徽省1980—2015年生境質量平均值Fig.9 Average value of habitat quality in Anhui Province from 1980 to 2015

圖10 安徽省1980—2015年生境退化度Fig.10 Habitat degradation in Anhui Province from 1980 to 2015

圖11 安徽省各城市生境退化度年平均值Fig.11 Annual average value of habitat degradation in cities in Anhui Province

從時間角度來看，安徽省北部地區生境退化度始終高于南部地區，但生境質量退化度逐漸降低，生境質量逐漸改善。南方地區植被覆蓋度相對較高，生態系統恢復力、穩定性強，生境質量退化程度低且基本處于平穩狀態。從空間上看（圖10），并結合安徽省土地利用分布（圖1），安徽省北方多耕地、平原，南方多山地、丘陵，林、草區生境質量較高，農田和裸地生境質量較低，且耕地、建設用地多分布在地勢平坦區域，林地、草地多分布在坡度相對較大區域。地貌區不同，土地類型分布不同，因此安徽省北方受人類活動影響程度大，生境退化程度較高，南方與之相反。1980—2000 年期間安徽省生境退化度高值呈片狀連續分布，主要聚集區為安徽省北部地區如阜陽市、亳州市、宿州市等城市。低值區不斷被分割，多分布于安徽省南部地區，該地區斑塊破碎化程度加深。2000—2015年安徽省整體生境情況逐步改善，但合肥市及周邊地區生境退化度逐年加劇，這也表明生境質量的變化與區域經濟發展投入及程度密切相關，經濟的快速發展、城鎮化的快速擴張會造成區域生境的破壞。

4 結論與討論

本文基于安徽省1980—2015 年時間序列土地利用類型數據，利用ArcGIS、Fragstats、InVEST 模型等軟件，分別從整體景觀級別、類型景觀級別、生境質量等級、生境退化度等方面對安徽省景觀格局與生境質量進行了分析與評估，得出的結論如下：

（1）1980—2015年安徽省土地利用整體空間格局無明顯變化，耕地、林地面積總比例約80%以上。土地利用轉移變化以耕地向建設用地轉移為主，79.6%的耕地流失面積轉化為建設用地，也存在其他地類相互轉化的情況，城市的快速發展使得建設用地逐漸侵占其周圍地類，建設用地面積逐年增加。

（2）1980—2015年安徽省各斑塊類型在整體景觀空間格局中呈均衡化趨勢分布，大部分指標變化幅度不超過10%，人類活動干擾程度的增大導致景觀分散度、破碎化程度增強，優勢地類間連通性下降。耕地斑塊形狀不規則化程度加深；建設用地對周圍的侵占使得斑塊形狀復雜度逐漸降低，小斑塊逐漸向大斑塊演變；林地整體形狀趨于規則，與其他地類混合程度加深，草地內部聚合度逐漸降低，水域與未利用地變化幅度較小。

（3）1980—2015 年安徽省生境質量年平均值在0.36～0.46 之間，生境質量“優”“良”等級所占面積約30%，“中”等級以下情況逐年改善，2010年以后所占面積維持在45%；生境退化度在0～0.06之間，其與生境質量水平變化情況呈負相關；存在明顯地區差異：北方地區生境質量水平始終低于南方，生境退化度始終高于南方。但退耕還林、還湖工程的實施，林草地、水域混合程度加深有效抑制了安徽省北方地區生境質量退化程度。

安徽省耕地流失嚴重，主要來源于城市化過程中建設用地的擴張，對安徽省生境質量變化產生了一定程度的影響。安徽省應結合國家相關政策、國土空間規劃等合理安排土地利用格局空間分布，提高對安徽省北部地區生境質量的重視程度，逐年改善安徽省林地、草地空間分布的合理性。提高生態系統監管效率，在保證城市發展的同時保護生態環境，穩步縮小安徽省南北方生境質量差異。但是本文并未對安徽省景觀格局與生境質量做空間上的定量分析，探究安徽省生境質量變化驅動機制也是今后主要的研究方向。