恩施土家族苗族自治州土地利用景觀格局變化及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)
---以2000—2020年為例

楊容常勝李雪

(1.湖北民族大學(xué)生物資源保護(hù)與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 恩施 445000；2.湖北民族大學(xué)林學(xué)園藝學(xué)院，湖北 恩施 445000；3.利川市自然資源和規(guī)劃局，湖北 利川 445400)

當(dāng)前，隨著全球氣候和環(huán)境的劇烈變化，生態(tài)環(huán)境面臨著嚴(yán)重的威脅，景觀破碎化，生物多樣性降低[1]、生態(tài)空間流動(dòng)受阻[2]等問題，給區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。人類的劇烈活動(dòng)導(dǎo)致土地利用發(fā)生變化，土地利用的變化是導(dǎo)致氣候變化、水、土壤和空氣污染、生物多樣性和物種棲息地喪失等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的主要因素，從而在生物和非生物水平上影響了整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)[1]。景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是指在人與自然綜合影響下，景觀格局與景觀生態(tài)相互作用下所產(chǎn)生的損失可能性[3-5]，景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)能較好地反映出景觀格局對(duì)生態(tài)過程和功能的影響[6]，通過對(duì)各景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)時(shí)空分異變化及其地類構(gòu)成等方面的分析與辨析[7，8]，可解釋和預(yù)測(cè)生態(tài)環(huán)境健康程度以及潛在風(fēng)險(xiǎn)壓力的時(shí)空分布及變化特征[4]。本研究基于恩施土家族苗族自治州2000—2020年3期土地利用數(shù)據(jù)，分析各年度土地利用景觀破碎度指數(shù)、景觀分離度指數(shù)、景觀優(yōu)勢(shì)度指數(shù)等，最終構(gòu)建恩施州土地利用景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，揭示生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空變化規(guī)律，以期為該區(qū)域的生態(tài)管理、生態(tài)環(huán)境保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展提供較為科學(xué)的理論依據(jù)和支撐。

1 研究區(qū)概況

恩施土家族苗族自治州，位于湖北省西南部，地處武陵山區(qū)腹地，云貴高原東延武陵山余脈與大巴山之間，E108°23′12″～110°38′08″，N29°07′10″～31°24′13″，是我國(guó)亞熱帶森林系統(tǒng)的核心區(qū)域，是長(zhǎng)江流域重要的水源涵養(yǎng)和生態(tài)屏障。國(guó)土面積2.4萬(wàn)km2，戶籍人口400.25萬(wàn)人，地處武漢和重慶2大“火爐”之間，是最適宜人類居住的地區(qū)之一。轄恩施、利川兩市和建始、巴東、宣恩、來(lái)鳳、咸豐、鶴峰6縣，東連荊楚，南接瀟湘，西臨渝黔，北靠神農(nóng)架。恩施州屬亞熱帶季風(fēng)性山地濕潤(rùn)氣候，冬少嚴(yán)寒，夏無(wú)酷暑，雨量充沛，四季分明。境內(nèi)年均氣溫16.2℃，年平均降水量1600mm。恩施土家族苗族自治州地形以山地為主，地貌以碳酸鹽巖組成的高原型山地為主體，兼有碳酸鹽巖組成的低山峽谷與溶蝕盆地，平均海拔高度1000m，海拔800～1200m的地區(qū)占總面積的43.6%。森林資源豐富，全州林地面積占國(guó)土總面積的77%，因其有明顯的自然地理特征和極為重要的戰(zhàn)略定位，確定該區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)狀況對(duì)于保障該區(qū)域人與自然和諧相處和可持續(xù)發(fā)展具有顯著的現(xiàn)實(shí)意義。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本研究使用2000年、2010年、2020年3期高分辨率土地利用遙感數(shù)據(jù)(分辨率30m)、恩施土家族苗族自治州行政區(qū)劃數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來(lái)源于資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)注冊(cè)與出版系統(tǒng)(https：//www.resdc.cn/DOI/)，數(shù)據(jù)精度較高，能夠滿足研究需要。參照中國(guó)科學(xué)院土地利用分類體系，運(yùn)用ArcGIS 10.8中的重分類工具將研究區(qū)土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地6個(gè)一級(jí)地類。2000年、2010年、2020年3個(gè)時(shí)期土地利用分類結(jié)果，見圖1。

圖1 2000—2020年恩施土家族苗族自治州土地利用圖

2.2 研究方法

2.2.1 景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣

景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣是表征不同景觀類型在時(shí)間和空間上的變化的方向和結(jié)構(gòu)特征，描述研究區(qū)不同時(shí)期不同景觀類型間的流失與轉(zhuǎn)移[9，10]，計(jì)算方法：

(1)

式中，Sij代表研究時(shí)段內(nèi)第i類景觀類型轉(zhuǎn)換成第j類景觀類型的面積；n代表轉(zhuǎn)移前后的景觀類型數(shù)目；i和j分別代表轉(zhuǎn)移前后的景觀類型。

利用ArcGIS 10.8添加雙精度字段，根據(jù)像元大小和數(shù)據(jù)條總數(shù)，計(jì)算出2000—2020年不同景觀類型面積，見表1，并利用ArcGIS 10.8中疊加分析功能構(gòu)建2000—2010年、2010—2020年景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣，見表2、表3，對(duì)恩施土家族苗族自治州2000—2020年景觀類型變化進(jìn)行定量分析。

表1 景觀類型結(jié)構(gòu)表

表2 2000—2010年恩施土家族苗族自治州景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣

表3 2010—2020年恩施土家族苗族自治州景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣

2.2.2 劃分評(píng)價(jià)網(wǎng)格

參考國(guó)家格網(wǎng)GIS的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)《地理格網(wǎng)》(GB 12409-2009)和前人研究，格網(wǎng)宜采用平均斑塊面積的2～5倍[11]。根據(jù)研究區(qū)范圍及景觀斑塊大小在ArcGIS 10.8軟件中運(yùn)用數(shù)據(jù)管理中的創(chuàng)建漁網(wǎng)功能將研究區(qū)域劃分為5km×5km的網(wǎng)格單元，并對(duì)漁網(wǎng)進(jìn)行裁剪，最終將研究區(qū)劃分為1109個(gè)評(píng)價(jià)網(wǎng)格，見圖2。

圖2 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)網(wǎng)格示意圖

2.2.3 景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

運(yùn)用Fragstats 4.2軟件分析恩施州2000年、2010年、2020年3個(gè)年度景觀類型斑塊數(shù)量ni及斑塊面積Ai，并利用景觀生態(tài)安全指數(shù)計(jì)算公式得出每一評(píng)價(jià)網(wǎng)格樣地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，作為樣地中心點(diǎn)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值[9]。

參考前人研究成果，選取景觀破碎度、景觀分離度指數(shù)、景觀優(yōu)勢(shì)度指數(shù)、景觀干擾度指數(shù)、景觀脆弱度指數(shù)、景觀損失度指數(shù)計(jì)算景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)[3，4，9]，計(jì)算方法：

(2)

式中，ERI為研究區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，ERI值越高，景觀風(fēng)險(xiǎn)程度越高；Ai是第i類景觀面積；A是景觀總面積；LLi是第n類景觀的損失度指數(shù)；n為景觀類型數(shù)量。由于本研究在計(jì)算過程中對(duì)景觀干擾度指數(shù)、景觀脆弱度指數(shù)等進(jìn)行了歸一化，計(jì)算結(jié)果較小，因此本次在計(jì)算過程中將生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果乘以100作為最終的ERI值。

LLi=Si×Fi

(3)

式中，Si景觀干擾度指數(shù)；Fi為景觀脆弱度指數(shù)；由于Si和Fi量綱不同，需要對(duì)結(jié)果進(jìn)行歸一化。

景觀干擾度Si，分別由景觀破碎度、景觀分離度、景觀優(yōu)勢(shì)度賦予權(quán)重后得出，計(jì)算公式；

Si=aCi+bNi+cDi

(4)

式中，Ci、Ni、Di分別為景觀破碎度指數(shù)、景觀分離度指數(shù)、景觀優(yōu)勢(shì)度指數(shù)；a、b、c分別為個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，且a+b+c=1，由于研究區(qū)域位于武陵山區(qū)，景觀破碎度對(duì)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)影響較大，參考前人研究成果[3，4，9]，將權(quán)重分別賦予a=0.5，b=0.3，c=0.2，最后將結(jié)果進(jìn)行歸一化。

(5)

(6)

(7)

式中，ni為景觀類型i的斑塊數(shù)；N為斑塊總數(shù)；mi為景觀類型i的樣方數(shù)；M為樣方總數(shù)。

Fi為景觀脆弱度指數(shù)，根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況，結(jié)合前人研究成果[3，9，12]，對(duì)各類景觀類型分別進(jìn)行賦值，耕地4、林地2、草地3、水域6、建設(shè)用地1、未利用地5，賦值后對(duì)結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，得到最終的景觀脆弱度指數(shù)，景觀指數(shù)計(jì)算結(jié)果。

3 結(jié)果與分析

3.1 景觀類型結(jié)構(gòu)特征及變化分析

從2000年、2010年、2020年3個(gè)年份景觀類型結(jié)構(gòu)來(lái)看，恩施土家族苗族自治州景觀類型以林地、耕地、草地為主，3種地類面積占比99%以上，其中林地占比最高，3個(gè)時(shí)期林地占比都在77%以上，為研究區(qū)的優(yōu)勢(shì)地類；3個(gè)年度耕地占比在13%左右，草地占比9%左右，水域、建設(shè)用地、未利用地占比較低。

從2000—2020年土地利用變化情況來(lái)看，由表1可知，2000—2020年，土地利用變化明顯，耕地、草地面積呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì)，但2020年面積較2000年仍有減少，其中2020年耕地面積較2000年減少27.2763km2，面積比例從13.17%減少至13.06%；林地面積從2000—2020年逐年減少，2020年林地面積較2000年減少56.7945km2，面積比例從77.26%減少至77.03%；建設(shè)用地面積變化較大且持續(xù)增加，2020年建設(shè)用地面積較2000年增加82.7721km2，面積比例從0.13%增加到0.47%，面積占比較2000年增加269.59%，水域面積呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，但相比2000年，仍然增加24.2298km2，增加比例86.28%。

從景觀類型的分布來(lái)看，耕地在恩施土家族苗族自治州8縣市均有分布，其中利川市中部地勢(shì)較平緩區(qū)域，咸豐、來(lái)鳳、宣恩3縣接壤且地勢(shì)較平緩區(qū)域耕地分布較多，鶴峰縣有小區(qū)域的集中連片分布；林地在各縣市的景觀類型中均占比最大，其中利川與咸豐接壤區(qū)域、巴東縣南部及各自然保護(hù)地林地分布較多；草地主要分布在恩施市西北部、利川市齊岳山脈及中東部、巴東縣中部區(qū)域；水域主要為于巴東縣長(zhǎng)江及其支流、其他各縣市水庫(kù)等，占比較??；建設(shè)用地集中分布于各縣市城鎮(zhèn)區(qū)域及重要道路兩側(cè)。

3.2 2000—2020年恩施土家族苗族自治州景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣

通過對(duì)景觀類型進(jìn)行相交分析，建立2000—2020年景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣，分析恩施州2000—2020年景觀類型轉(zhuǎn)移情況，見表2、表3。

從景觀類型轉(zhuǎn)出情況來(lái)看，2000—2010年景觀類型總體轉(zhuǎn)出3.33%，未轉(zhuǎn)出96.67%，草地、耕地、建設(shè)用地、林地、水域、未利用地轉(zhuǎn)出面積分別為131.1783km2、298.8296km2、3.3174km2、364.5114km2、2.7245km2、0.0990km2，轉(zhuǎn)出比例分別為5.85%、9.43%、10.81%、1.96%、9.72%、52.13%；2010—2020年景觀類型總體轉(zhuǎn)出5.77%，未轉(zhuǎn)出94.23%，草地、耕地、建設(shè)用地、林地、水域、未利用地轉(zhuǎn)出面積分別為176.8862km2、466.4209km2、30.6980km2、627.6409km2、84.9959km2、0.1785km2，轉(zhuǎn)出比例分別為8.06%、15.04%、37.59%、3.38%、65.68%、54.95%。

從景觀類型轉(zhuǎn)入情況來(lái)看，2000—2010年，草地、耕地、建設(shè)用地、林地、水域、未利用地分別轉(zhuǎn)入面積82.6994km2、232.4149km2、54.2897km2、326.7489km2、104.2733km2、0.2340km2，轉(zhuǎn)入比例分別為3.77%、7.49%、66.47%、1.76%、80.46%；2010—2020年，草地、耕地、建設(shè)用地、林地、水域、未利用地分別轉(zhuǎn)入面積201.8386km2、505.6170km2、62.4849km2、609.0535km2、7.7091km2，0.1173km2，轉(zhuǎn)入比例分別為9.10%、16.10%、55.07%、3.29%、14.79%、44.50%。

2000—2020年景觀轉(zhuǎn)移整體來(lái)看，草地、耕地、林地是主要的轉(zhuǎn)出景觀類型，2000—2020年轉(zhuǎn)出面積分別為23.5264km2、27.2186km2、56.3499km2，轉(zhuǎn)出比例分別為1.05%、0.86%、0.30%，2個(gè)時(shí)間段內(nèi)，草地、耕地、林地轉(zhuǎn)出面積呈上升趨勢(shì)，建設(shè)用地、水域、未利用地是主要的轉(zhuǎn)入景觀類型，2000—2020年入面積分別為82.7592km2、24.2620km2、0.0738km2，轉(zhuǎn)入比例分別為269.55%、86.52%、38.86%；草地主要轉(zhuǎn)出為耕地和林地，耕地主要轉(zhuǎn)出為草地、建設(shè)用地、林地，林地主要轉(zhuǎn)出為草地、耕地、建設(shè)用地、水域。

3.3 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

運(yùn)用ArcGIS 10.8軟件中的利用自然斷點(diǎn)法將計(jì)算出的3個(gè)時(shí)期的ERI值劃分為5個(gè)等級(jí)[4，13]，分別為低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(≤0.0976)、較低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(0.0976～0.1272)、中生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(0.1272～0.1455)、較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(0.1455～0.1688)、高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(≥0.1688)，并統(tǒng)計(jì)研究區(qū)內(nèi)不同時(shí)期各景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的面積及比例，見表4。為了探索恩施州景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)空演變特征，將每個(gè)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)網(wǎng)格的中心點(diǎn)的屬性值[14]，利用ArcGIS10.8中3D Analyst工具中的克里金法插值后得到恩施州景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分布，并按照自然斷點(diǎn)法將研究區(qū)劃分為低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、較低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、中生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，并將結(jié)果可視化，結(jié)果如圖3所示。

表4 恩施土家族苗族自治州各生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)區(qū)域面積及比例

圖3 2000——2020年恩施土家族苗族自治州景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)圖

2000年景觀生態(tài)安全指數(shù)0～0.2177，均值為0.0932；2010年景觀生態(tài)安全指數(shù)0～0.2475，均值為0.1367；2020年景觀生態(tài)安全指數(shù)0～0.2300，均值為0.1111，2000—2020年，恩施州景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)整體上呈現(xiàn)先上升后降低趨勢(shì)，但總體來(lái)看，2020年景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較2000年有所升高。從各年景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)來(lái)看，2000年低、較低景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)所占面積較大，2個(gè)景觀風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積合計(jì)達(dá)90%以上，其中低風(fēng)險(xiǎn)面積占比76.33%，整體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)低；2010年，景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)升高，主要集中在較低、中、較高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，其中，較高風(fēng)險(xiǎn)面積占比最大，達(dá)48.13%；2020年，景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較2010年降低，景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)主要集中在低、較低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，其中，較低風(fēng)險(xiǎn)占比達(dá)74%。從景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分布區(qū)域來(lái)看，低、較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域主要分布于巴東縣中部，利川市東南部，宣恩縣與和鶴峰縣接壤處人口較少、森林覆蓋率較高區(qū)域；高、較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域主要分布于恩施土家族苗族自治州各縣市城區(qū)及延伸區(qū)域和耕地較多且破碎化較嚴(yán)重區(qū)域。

4 結(jié)論與討論

本研究以2000年、2010年、2020年土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用景觀類型轉(zhuǎn)移模型矩陣、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法結(jié)合克里金插值法分析恩施土家族苗族自治州2000—2020年土地利用景觀類型變化情況及景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空演變特征，結(jié)論如下。

2000—2020年，6種景觀類型面積均發(fā)生了變化，林地、耕地、草地面積總體呈減少趨勢(shì)，由于城鎮(zhèn)的擴(kuò)張及農(nóng)村人口流出，建設(shè)用地面積持續(xù)增加，農(nóng)村耕地撂荒及非農(nóng)化嚴(yán)重，耕地面積減少。

2000—2020年，草地、耕地、建設(shè)用地、林地、水域、未利用地均有轉(zhuǎn)出，但建設(shè)用地、水域、未利用地轉(zhuǎn)入大于轉(zhuǎn)出，草地、耕地、林地轉(zhuǎn)出大于轉(zhuǎn)入，2020年較2000年，草地、耕地、林地凈轉(zhuǎn)出23.5264km2、27.2186km2、56.3499km2，轉(zhuǎn)出比例分別為1.05%、0.86%、0.30%。

2000—2020年，恩施土家族苗族自治州景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化較大，呈現(xiàn)先上升后降低趨勢(shì)，但總體來(lái)看，2020年景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較2000年有所升高。3個(gè)年度，景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)結(jié)構(gòu)變化較大，2000年，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)主要為低、較低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)；2010年生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)主要為較低、中、較高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，其中，較高風(fēng)險(xiǎn)面積占比最大，達(dá)48.13%；2020年，景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)主要集中在低、較低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，其中，較低風(fēng)險(xiǎn)占比達(dá)74%。

景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)有明顯的空間分布特征，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)高值區(qū)域主要集中在城鎮(zhèn)、水域及耕地破碎化較嚴(yán)重區(qū)域，低值區(qū)域主要集中在森林覆蓋率較高、人口稀少區(qū)域。

生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是一個(gè)復(fù)雜的過程，受影響的指標(biāo)較多，本研究以土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過構(gòu)建模型和指數(shù)計(jì)算等方法對(duì)恩施土家族苗族自治州土地利用變化和景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了定量和定性評(píng)價(jià)，指標(biāo)體系不盡完善，權(quán)重設(shè)定有主觀因素，未對(duì)如何降低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)做進(jìn)一步的研究，在今后的研究中，需進(jìn)一步完善評(píng)價(jià)方法，探索土地利用景觀格局優(yōu)化措施。