2010—2015年江蘇省環太湖及沿海地區土地利用變化和生態風險分析

張小強 王云燕 黃娟

摘要?以江蘇省環太湖和沿海地區為研究對象，運用遙感影像資料及地理信息技術，將研究區域土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、濕地、人工表面及其他用地6種土地利用類型，并對各類用地空間分布及比例進行現狀分析。基于土地利用類型及景觀類型指數探討太湖一級保護區2010—2015年土地利用動態變化規律，并在此基礎上構建區域生態風險指數，對江蘇鹽城市沿海生態風險時空分布及演變情況進行分析。結果表明，環太湖地區人工表面面積最大，沿海地區則以耕地為主，太湖一級保護區以濕地為主，2010—2015年各地類轉化復雜，景觀格局趨于復雜化、分散化。區域生態風險評價表明沿海地區生態風險程度自內陸向沿海呈梯度狀增大趨勢。區域生態風險及土地利用方式轉變與人類的生產、生活有著密不可分的關系，因此，應優化土地利用轉化模式，加強較高生態風險區域生態保護，以實現土地資源的可持續性發展及區域生態風險的有效管理。

關鍵詞?太湖;沿海地區;土地利用;生態風險評價;景觀格局

中圖分類號?X?826文獻標識碼?A文章編號?0517-6611（2020）17-0097-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.17.025

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Land Use Change and Ecological Risk Analysis around Taihu Lake and Coastal Areas in Jiangsu Province from 2010 to 2015

ZHANG Xiao?qiang1，2， WANG Yun?yan3，HUANG Juan1，2

（1. Jiangsu Provincial Key Laboratory of Environmental Engineering， Jiangsu Provincial Academy of Environmental Science， Nanjing， Jiangsu 210036;2. Jiangsu Environmental Protection Group Co.， Ltd.， Nanjing，Jiangsu210036;3. College of Environment， Hohai University， Nanjing，Jiangsu 210036）

Abstract?This article focused on the area around Taihu Lake and coastal areas in Jiangsu Province， and used remote sensing image data and geographic information technology to divide the land use types in the study area into six land use types： cultivated land， forest land， grassland， wetland， artificial surface and other land use types. The current status of the spatial distribution and proportion of various land uses was analyzed. Based on the land use type and landscape type index， the dynamic changes of land use in Taihu first?grade protected areas from 2010 to 2015 were discussed. Based on this， a regional ecological risk index was constructed to analyze the spatial and temporal distribution and evolution of coastal ecological risks in Yancheng， Jiangsu. The results showed that the area around Taihu Lake had the largest artificial surface area， the coastal areas were dominated by cultivated land， and the Taihu first?grade protected areas were dominated by wetlands. The transformation between various land types was complex and the landscape pattern tended to become more complex and decentralized between 2010 and 2015. The regional ecological risk assessment showed that the ecological risk of coastal areas increased gradually from inland to coastal areas. Regional ecological risks and changes in land use were closely related to human production and life. Therefore， it should optimize land use conversion mode， strengthen ecological protection area of high ecological risk， in order to achieve sustainable development and effective management of ecological risks of regional land use of resources.

Key words?Taihu Lake;Coastal area;Land use;Ecological risk assessment;Landscape pattern

土地是人類從事一切經濟活動和生存發展的基礎，其結構和功能的穩定為人類社會的可持續性發展提供先決條件[1-2]。1995年，國際地圈-生物圈計劃（IGBP）與全球環境變化中的人文因素計劃（HDP）聯合確定土地利用/覆被變化（land use and land cover change，LUCC）為科學研究計劃的核心項目，使LUCC研究成為全球變化研究的前沿和熱點[3-4]。LUCC是區域人類活動的指示器，作為人類開發利用自然地理環境最直觀的表現形式之一，其與人類活動及全球環境變化緊密相連，一定程度上反映人與自然相互作用的過程[5-6]。近年來，隨著人類對地表空間占用范圍及自然生態系統干擾程度的擴大，原始自然環境和景觀格局發生一系列變化。為更好地尋求人與自然和諧發展、合理有效規避生態風險，探究土地利用時空演變及區域生態風險評價已成為當前區域環境管理、生態修復工作的熱點研究領域之一[7-8]。

生態風險評價（ecological risk assessment）是研究生態系統及其組分在受到外界一種或多種壓力的情況下，對其可能發生或正在發生的不利生態影響的過程進行評估的一種方法[9-10]。最初起源于20世紀80年代，局限于人體健康風險評價領域[11]。隨著生態風險評價理論和方法的迅速發展，評價尺度由種群、生態系統向景觀和區域水平不斷擴大，區域生態風險評價[12-14]則是在區域尺度上描述和評價環境污染、人為脅迫或自然災害等一種或多種風險因子對不同區域內的生態系統結構與功能等產生不利作用的可能性和潛在危害程度，引入空間異質性理論，體現不同土地利用方式和強度對生態影響的區域性和積累性特征。景觀生態評價作為區域生態風險評價的重要分支領域，旨在研究人類因素與景觀格局和景觀生態的相互作用。近年來，基于土地利用動態變化的區域生態風險評價已成為研究焦點[15-22]。鞏杰等[15]基于土地利用變化的生境脆弱度和景觀生態損失度，對甘肅白龍江流域的景觀生態風險及其時空分異進行評價;王濤等[16]利用 GIS 空間分析技術和 Fragstats 軟件構建景觀生態風險指數，對洱海流域生態風險時空變化及演變機制進行評價;高永年等[20]基于太湖流域土地利用變化，構建景觀生態風險評價指數，探究景觀生態風險與土地利用變化的效應。除流域外，城市水平及沿海地區的生態風險評估也得到不斷發展，肖琳等[23]對天津市，譚三清等[24]對長沙市，曾勇[25]對呼和浩特市區進行土地利用及時空分布特征評價;高賓等[26]、吳莉等[27]、田穎等[28]基于景觀格局分別對錦州灣沿海經濟開發區、山東沿海地區、江蘇沿海地區進行土地利用生態風險評價。但區域生態風險問題往往由多個因素交互作用引起，產生的影響后果往往難以預測，需要針對不同地區的區域特征進行評價和分析。

江蘇省太湖流域及沿海地區近30多年來在經濟建設領域取得了顯著的成績，在長三角乃至全國范圍內起到了舉足輕重的作用。但同時也付出了巨大的生態環境代價，優質耕地大幅流失、河湖濕地萎縮、生物多樣性降低、海洋自然岸線減少，物種資源嚴重衰退、生態服務功能不斷下降、土壤污染逐步顯現，經濟社會快速發展與資源環境承載能力不足的矛盾突出，未來中長期生態風險日逾凸顯。因此，筆者以江蘇省環太湖及沿海地區為研究對象，探究土地利用現狀及變化特征，構建生態風險評價指數，對沿海地區鹽城市進行區域生態風險評價，以期為江蘇省環太湖和沿海地區的土地利用資源可持續利用及生態安全提供科學依據。

1?研究區概況

太湖流域是長江下游以太湖為中心的一個支流水系，包括江蘇省蘇南地區，浙江省的嘉興、湖州兩市及杭州市的一部分，上海市的大部分。該研究中環太湖流域僅為常州市、無錫市、蘇州市3市行政區域范圍。流域面積約3.69×104 km2，其中山區丘陵占16%，河湖水面占16%，平原占68%，流域內中間為平原、洼地，西部為天目山、茅山及山麓丘陵，北、東、南三邊受長江口及杭州灣泥沙淤積的影響，形成沿江及沿海高地，整個地形呈“碟狀”，太湖及主要湖泊湖底高程為1.0 m。流域位于中緯度地區，屬濕潤的北亞熱帶氣候，具有明顯的季風特征，年平均氣溫15～17 ℃，自北向南遞增，自然植被主要分布于丘陵山地，從北向南植被組成與類型漸趨復雜。

江蘇省海岸帶位于長江淮河下游、黃東海之濱，海岸線全長889 km，北起蘇魯交界繡針河口，南至長江口南岸蘇滬交界處，海域面積3.75×104 km2，屬于粉沙淤泥質海岸。江蘇沿海處于膠遼隆起與蘇北-南黃海凹陷帶的過渡地帶，以盱眙-響水-開山島一線為界。海岸地貌分為海岸平原、潮間帶、0～20 m近海海底平原。江蘇省沿海地區包括連云港、鹽城市、南通市3個市的市區及下屬灌云、東臺、海門等（縣）市，位于北亞熱帶和暖溫帶過渡帶，土地和灘涂資源豐富（圖1）。

2?數據來源與研究方法

2.1?數據來源及處理

在多源遙感影像數據（LANDSAT 8，SPOT 6&7，ASTER）分析的基礎上，結合江蘇省30 m DEM地形數據、野外實地調查及江蘇省行政區劃資料，應用光譜、空間、時間等多維信息獲取的方法，利用ERDAS軟件對遙感影像數據進行幾何校正、輻射定標、大氣校正、影像融合、影像鑲嵌、影像裁剪、影像重采樣、區域裁剪等數據預處理，利用最大似然法進行監督分類，其Kappa系數為0.76。在地理信息系統（geographical information system，GIS）及遙感（remote sensing，RS）技術的支持下，基于研究區域土地資源利用狀況，結合區域景觀特征和光譜特征，建立遙感解譯標志，對不同時期的遙感影像進行解譯分析，得到江蘇省環太湖流域及沿海地區土地覆被圖，并對遙感影像分類結果進行精度檢驗，該研究的Kappa系數在0.86以上，符合江蘇省土地分類精度要求。

2.2?研究方法

（1）景觀損失度指數。

景觀指數是景觀生態學中最常用的定量研究方法，通過單個指數或若干個指數組合，其數值變化表征的生態意義不僅可以描述景觀格局及變化，也可將格局與過程聯系起來。不同景觀類型對維護區域原有生態功能的能力不同，促進景觀格局演變的能力不同，對外界干擾的抵抗力也不同。選取景觀干擾度指數和景觀脆弱度指數來構建景觀損失指數，用以反映外界干擾下各景觀類型代表的生態系統受到的風險威脅程度，其計算公式：

Ri=Si×Fi（1）

式中，Ri為第i類景觀的景觀損失度指數，Si為景觀干擾度指數，Fi為景觀脆弱度指數。

景觀干擾度指數由景觀破碎度指數、景觀分離度指數和景觀優勢度加權疊加，表達式：

Si=aCi+bNi+cDi（2）

其中，Ci=niAi，Ni=A2AiniA，

Di=Oi+Pi+2Qi4

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;a、b、c為Ci、Ni、Di 3種指數對應的權重，權重之和為1;ni為景觀i對應的斑塊數，Ai為景觀i對應的面積，A為景觀的總面積，Qi為斑塊i出現的樣方數與總樣方數之比，Pi為斑塊i的數目與斑塊總數之比，Qi為斑塊i的面積與總面積之比[29]。結合前人已有研究成果[15，30]，認為破碎度指數最重要，其次為分離度指數和優勢度指數，以上3種指數分別賦權重 0.6、0.3、0.1。

景觀脆弱度指景觀類型對外部干擾能力抵抗力的大小，遭受外界風險時偏離穩定狀態的難易程度。結合研究區域的景觀特點及已有研究成果，認為未利用地最為脆弱，建設用地最為穩定。各類景觀類型的脆弱度表現為未利用地>水域>耕地>草地>林地>建設用地，依據景觀類型脆弱性由高到低依次賦值，未利用地= 6、水域=5、耕地=4、草地=3、林地=2、建設用地=1，并進行歸一化處理后，得到各景觀類型自身的脆弱度指數Fi。

（2）風險小區劃分。

為了將生態風險評價指數空間化顯示，運用ArcGIS對研究區域范圍進行網格化以劃定采集生態風險評價單元的樣本。綜合考慮研究區域的評價范圍及斑塊大小，將研究區域劃分為5 km×5 km的正方形網格，共計460個評價單元樣區，對研究區域進行等間距采樣，利用每種景觀類型的景觀損失度指數和每種景觀類型在樣區的面積比重，分別計算各評價單元樣區的生態風險，作為樣區中心點的生態風險值。

（3）景觀生態風險指數。

景觀生態風險指數用以描述研究區域生態損失相對大小，該研究中景觀生態風險指數根據每種景觀類型的景觀損失指數和每種景觀類型在樣區的面積比重，計算各風險小區的生態風險，計算公式：

ERIi=ni=1AkiAkRi（3）

式中，ERIi為第i個風險小區的景觀生態風險指數;Ri為第i類景觀的景觀損失度指數;Aki為第k個風險小區內景觀類型i 的面積;Ak為第k個風險小區的面積，為景觀類型。

（4）地統計分析。

地統計學是用于統計一系列檢測、模擬、估計變量在空間上的相關關系和格局的方法。半方差分析方法作為地統計學的一部分，運用統計學方法來進行空間特征分析，為了更加直觀地反映研究區域內生態風險等級的空間分布特征，利用ArcGIS中的空間分析及地統計功能，將460個風險小區的風險指數賦給樣區中心點，采用半方差函數理論擬合分析，對樣本點的風險值進行空間插值，得到研究區的生態風險空間分布圖。半方差計算公式：

γ（h）=12n（h）n（h）i=1[Z（xi+h）-Z（xi）]2（4）

式中，γ（h）是半方差;h是樣本距;Z（xi）、Z（xi+h）是位于xi、xi+h處的風險值;n（h）是間距為h的樣本對總數。半方差有 3 個基本參數：塊金值（nugget）、基臺值（sill）、變程（range）。當h=0 時，γ（h）為塊金值C0;當h增大A0（變程），直到γ（h）為一個穩定不變的常數，這個常數就是基臺值（C0+C），C是結構方差;塊金值C0表示由隨機因素引起的變異，結構方差C表示空間自相關造成的變異;基臺值[C（0+C）]表示研究區總的變異程度，值越大總的空間差異性越大;塊金值與基臺值的比值[C0/ （C0+C）]表示系統中變量的空間相關程度，若小于25%，說明相關性強;若大于75%，說明相關性很弱。

運用GIS空間分析模型對半方差函數進行擬合，并在此基礎上采用Kriging法對鹽城沿海縣市風險值進行空間插值，并對風險值進行分級統計，共分為5級，即低風險區（ERI≤0.25）、較低風險區（0.250.55）。

（5）空間自相關分析。

空間自相關分析的目的是確定變量在空間上的依賴關系，以及這種關系是否對變量在空間上的分布格局有重要影響，有全局空間自相關和局部空間自相關之分。利用全局自相關系數Morans I指數測度研究區域生態風險值在整體上的自相關，反映整體空間關聯和差異狀態。并用空間關聯局域指標（LISA）進行局部空間自相關分析，檢測局部地區是否存在統計顯著的生態風險高高集聚“熱點區”和低低集聚“冷點區”。

Morans I指數公式：

I=nni=1nj=1wij（xi-）（xj-）/ni=1nj=1wijni=1（xi-）2（5）

LISA公式：

LISA=（xi-）jwij（xj-）/i（xj-）2/n（6）

式中 ，I為生態風險的雙變量全局自相關系數，xi、xj為變量x在相鄰配對柵格細胞的值，是平均值，wij是相鄰權重，n是空間單元總輸。I取值在[-1，1]，大于0表示正相關，小于0表示負相關，等于0表示不相關。

3?結果與分析

3.1?研究區域土地利用現狀

通過對多源遙感影像數據進行幾何校正和圖像掩膜，在影像光譜特征、紋理特征的基礎上，建立遙感影像解譯標志，進行圖像處理。將江蘇省環太湖及沿海地區土地利用劃分為人工表面、林地、濕地、草地、耕地、其他6類用地類型，并對各類土地利用類型的空間分布及比例進行分析。

（1）環太湖地區土地利用現狀。

環太湖地區包括常州、無錫、蘇州3市行政區域，面積為1.75×104 km2，2015年土地利用類型以人工表面、濕地、耕地、林地為主，總比例為996%。其中人工表面6 272 km2，占江蘇太湖流域面積358%;其次為濕地、耕地和林地，分別為32.3%、25.5%、61%。（圖2、3）。

2015年太湖一級保護區（沿湖岸5 km區域）總面積為3 793.81 km2，主要為林地、耕地、濕地和人工表面。其中林地面積399.26 km2，占10.51%;耕地面積367.23 km2，占968%;人工表面面積513.87 km2，占13.54%;濕地面積2 511.31 km2，占66.19%，其中太湖湖泊面積2 427.8 km2，占濕地面積的96.67%;其他用地面積2.14 km2，占0.06%（圖4）。

（2）沿海地區土地利用現狀。

江蘇省沿海地區面積為3.22×104 km2，2015年土地利用類型以耕地、人工表面、濕地為主，總比例為98.6%。其中耕地2.18×104 km2，占沿海地區面積67.5%;其次為人工表面和濕地，分別為20%、11%（圖5、6）。

以江蘇海岸線向陸延伸10 km作為近岸地區海岸帶范圍，北起繡針河口蘇魯交界海陸分界點，南至啟東市連興港口，全長889 km，區域內面積5 452 km2。江蘇省近岸地區2015年土地利用類型以耕地、濕地、人工表面為主，總比例為96.7%。其中耕地面積2 272 km2，占海岸帶地區面積417%;其次為濕地和人工表面，分別為35.2%、19.8%，有少部分林地，主要位于連云港云臺山地區（圖7、8）。

3.2?土地利用動態變化情況

利用2010年與2015年遙感影像解譯獲取的土地利用變化數據，對太湖流域一級保護區5年來土地利用變化情況進行統計分析（表1）。2010—2015年，太湖流域一級保護區土地利用類型以濕地、人工表面和

林地為主，其中濕地景觀面積百分比最大，占總面積的65%

以上，是太湖流域一級保護區的優勢類型。從2010—2015

年土地利用變化情況來看，耕地和人工表面增加幅度較大，分別增加了95.05和52.89 km2。林地和濕地面積減少，分別減少了119.49和30.56 km2。其他用地類型裸土增加了2.11 km2。濕地雖然5年來面積有下降趨勢，但仍是區域景觀基質類型。

按照土地利用轉移矩陣的計算公式，利用Markov模型對一級保護區土地利用變化過程進行空間統計分析，得到2010—2015年土地利用類型轉移矩陣（表2）。結果表明，2010—2015年，太湖一級保護區各類用地變化明顯，林地是主要的轉出類型，耕地是主要的轉入類型。林地轉出的主要去向為耕地、人工表面和濕地，轉換百分比分別為20.65%、18.16%和6.88%。耕地轉入主要依靠林地和人工表面轉換而來，轉換比例分別為29.17%和21.45%。濕地減少，人工表面是濕地的主要轉出方向，轉移率為2.47%。人工表面面積增加主要由林地、濕地和耕地轉換而來。轉入比例分別為18.33%、12.21%和9.32%。其他用地類型主要指裸地是面積變化相對較小的土地利用類型，5年間，裸地面積增加了2.11 km2，主要由林地和濕地轉入。同時亦有小部分臨近太湖入湖河道周邊的裸地因閑置長草而重新轉變為濕地。

通過對2010—2015年景觀格局變化指數的計算（表3），可以看出太湖流域一級保護區景觀水平趨于破碎化，區域景觀格局更加復雜化和分散化。太湖流域一級保護區總斑塊數從2010年的5 357個增加為2015年6 401個，景觀斑塊數量的增加說明大的斑塊逐漸被分離成小的斑塊。斑塊數的增加主要是由于耕地及人工表面斑塊數增加所致。最大斑塊指數下降，表明區域景觀格局正被小塊的優勢景觀所取代，呈現出景觀的復雜化和多樣化。2010—2015年香農多樣性指數下降，而香農均勻度指數呈增加趨勢，表明景觀優勢組分對景觀整體控制作用減弱，景觀異質性程度逐漸提高，在人類活動影響下，土地利用朝著多樣化和均勻化方向發展。分維數的降低及分離度指數的增加，進一步意味著各景觀類型的分布更加分散。

3.3?沿海地區生態風險評價

在氣候變暖、海平面上升的大背景下，作為介于海洋和陸地生態系統過渡帶的江蘇省海岸帶生態系統脆弱性凸顯，景觀破碎化明顯，災害頻發，生態服務價值明顯降低。鹽城市作為江蘇省面積最大的沿海城市，擁有江蘇省最長海岸線、最大沿海灘涂和海岸濕地，擁有丹頂鶴和大豐麋鹿兩大世界珍稀生物保護區，在生物多樣性維持和生態環境保護方面具有重要作用。因此選取鹽城海岸帶作為土地利用變化研究對象，具有典型性和代表性。運用 GIS 和遙感技術，在兩期土地利用數據分析的基礎上，利用景觀指數構建生態風險評價模型，探討研究區生態風險時空變化特征及景觀生態驅動力，以期為江蘇沿海城市化過程中區域土地可持續利用及生態環境的協調發展提供科學依據和數據支持。

（1）土地利用生態風險分析。

由表4可知，耕地是研究區最主要的景觀，面積達 78%以上，分布廣，為區域基質，其他景觀分布于其周圍或鑲嵌其中。其次是建設用地，建設用地面積不斷增大，但其斑塊個數逐漸下降，這是由于其主要侵占周邊的耕地以及農村居住用地，因此整體集聚，破碎度降低，分離度變小。水域面積增大的同時，其斑塊個數增大為 50.17%，導致其優勢度呈遞增趨勢，分離度和破碎度不斷減小。與建設用地和草地不同的是，耕地、草地面積不斷減小，但兩者的斑塊個數變化不大，兩者的分離度均不斷增大。林地面積呈先增后減的趨勢，但其破碎度和分離度一直上升。

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