基于土地利用時空變化的生態風險評價研究

張成龍　魯成樹　曹海濤

摘要：文章以皖江城市帶為研究對象，基于1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年六期遙感解譯數據，借助Arcgis和GS+軟件對相應數據進行分析處理，并利用空間自相關進一步確定生態風險指數在空間上的依賴性。研究表明：1990～2015年土地利用類型減少最多的為耕地，且主要轉換為建設用地;生態風險等級主要以中等和較低等級為主;1990～2015年morans I指數不斷增加，且逐漸趨向于1，表明生態風險指數空間相關程度明顯，且有逐步增強的趨勢。

關鍵詞：皖江城市帶;土地利用變化;生態風險;空間自相關

隨著社會經濟高速發展的需求以及人口數量不斷增長的現實，對自然資源過度的消耗產生了一系列生態環境問題，已經嚴重威脅了自身的安全與發展。因此，如何改變當下困境成為人們關注的焦點，生態風險評價作為改變這一困境的重要評價方法，也越來越受到人們的關注。生態風險評價是生態系統及其組成部分在受到外界壓力的情況下，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。近年來，土地利用變化與生態風險之間相關性的研究越來越多，土地利用變化已經作為一種人為干擾源出現在生態系統中，而生態風險評價作為當今風險管理的一種重要科學手段，也為土地利用生態效應的定量化評估帶來了新思路。

當前，針對土地利用生態風險評價，在研究方法上主要有半變異函數分析以及克里格差值、空間自相關、轉移矩陣方法等。在研究模式上主要有兩種，一是基于傳統的風險源匯;二是直接從景觀生態學的角度評價生態風險。在研究尺度上主要集中在流域與城鎮上，如高永年以及曾勇分別對太湖流域以及呼和浩特市區生態風險進行了評價;而對于更大尺度上的經濟帶研究甚少。皖江城市帶是作為泛長三角地區的重要組成部分，在中西部產業轉移承接上具有重大戰略意義，對皖江城市帶土地利用變化的深入研究有利于揭示高速城鎮化背景下土地利用格局的時空變化特征以及對生態風險評價的影響。

一、研究區域概況

皖江城市帶總面積約76000km2，包含合肥市、蕪湖市、安慶市、滁州市、馬鞍山市、銅陵市、池州市、宣城市8個地級市以及六安市的金安區以及舒城縣，人口約為3058萬人。皖江城市帶是安徽省僅有的以產業轉移為主線的區域戰略規劃，它于2010年8月被國務院正式納入國家發展戰略中，在中西部崛起戰略地位舉足輕重。

二、研究數據與研究方法

（一）研究數據

該研究所涉及的數據有兩類：土地利用數據與社會經濟數據。土地利用數據包括1990年、1995年、2000年、2005年、2010年及2015年，共計6期，來源于中國科學院資源環境科學中心對研究區域1990～2015年遙感影像的解譯，柵格大小為1km×1km。

（二）研究方法

1. 土地用途類型劃分

本研究參照胡金龍的研究成果，并結合生態風險評價研究的現實需要，將皖江城市帶土地利用類型劃分為：耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地共計6類。

2. 區域生態風險分析

首先根據皖江城市帶的面積，形狀、地理位置等影響因素，采取面狀評價與點狀評價相結合的方法，參照相關研究劃定生態風險評價單元，通過Arcgis中“漁網工具”設定不同尺度得評價單元，最終選取選取10km×10km的網格評價樣地，共計889個。通過生態風險公式計算出每個評價樣地的生態風險指數，并劃分風險等級，并將其作為評價單元中心點的風險水平。對于評價地塊邊緣不足10km×10km的網格評價樣地，則按照實際情況計算各地類所占的百分比。生態風險如式（1）所示：

ERI=（1）

其中，ERI表示評價單元的生態風險指數;Ai表示評價單元內第i類土地利用非類型所占的面積;Wi表示第i類土地利用類型所反映的生態風險的參數;A表示第i個評價單元的總面積。本研究權重的確定參考胡金龍的研究，耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地的權重分別為0.1916、0.0427、0.0726、0.1425、0.3934、0.1572。

3. 地統計法

基于上述計算出的各個評價單元的生態風險指數以及生態風險指數的空間特性，采用半方差的分析方法對評價單元的生態風險指數進行插值，最終得到整個研究區域生態風險分布圖，如式（2）所示。

y（h）=[Z（xi+h）-Z（xi）]2（2）

其中，r（h）表示辦方差：Z（xi+h）與Z（xi）分別表述系統在xi+h和xi處的風險值;n（h）表示評價單元間距為h樣本對數總和：h為評價單元間距。運用Arcgis中空間模型對半方差函數進行擬合，再此基礎上對皖江城市帶風險值進行插值。

4. 空間自相關

空間自相關分析主要是為了確定變量在空間上的依賴性，其主要思想源自地理學第一定律。本研究利用morans I指數來測度所有生態單元的生態風險值在整體上的自相關，此外，采用空間關聯局域指標（LISA）檢測觀測值的高值或低值的局部空間集聚。

三、結果分析

（一）土地利用變化分析

土地轉移矩陣可以描述一定階段各土地利用類型相互轉換的方向和數量。1990～2015年，減少最多的地類為耕地，共減少1359.5km2;增加最多的地類為建設用地，共增加1430.68km2。在土地利用轉移方面，耕地主要轉化為建設用地，轉移面積為1335.05km2，轉移率為3.32%;其次是水域和林地，分別轉移了196.32km2和59.5km2，主要原因是耕地被開發進行養殖業發展和“退耕還林”政策的施行。建設用地主要轉化為耕地，轉移面積為100.56km2，轉移率為2.54%，這與我國實行的“增減掛鉤”政策密不可分。其他各地類相互之間轉移不明顯，具體情況如表1所示。總體上看，主要表現為建設用地、水域的增加，耕地、林地、草地、未利用地的減少，這與我國這些年大力追求經濟發展的現實保持一致。

皖江城市帶土地利用類型以耕地為主，歷年占比在52.79%左右。1990～2015年耕地、林地、草地、未利用地面積持續減少，其中耕地面積減少最多，為1359.50km2，占減少面積的87.2%;其次為林地，減少面積為187.07km2，占減小面積的12%;草地和未利用地減少面積相對較小，共12.45km2，占減少面積的0.8%。建設用地與水域面積持續上升，建設用地增加1430.68km2，占增加面積的91.77%;水域面積增加128.34km2，占增加面積的8.23%。

從土地利用變化時空轉移來看，1990～2015年轉出面積最多為耕地，主要轉換為建設用地、水域和林地;耕地是建設用地增加的主要土地類型來源;未利用地隨著人們利用程度的加深，總體面積在逐漸減少，且主要轉換為耕地。

從生態風險指數和等級分布上看，1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年歷年生態風險指數區間分別[0.04，0.30]、[0.04，0.32]、[0.04，0.33]、[0.04，0.33]、[0.04，0.34]、[0.04，0.35]，生態風險指數最大值由0.30增加到0.35，增幅為16.67%;生態風險等級主要呈現出在合肥市和蕪湖市兩個“主副”中心迅速擴散，在低等級風險區域基本不變的形態，這也與歷年生態風險指數最小值為0.04不變的現實保持一致。

從生態風險等級變化來看，1990～2015年，生態單元風險等級有增有減，且等級增加的面積多于等級減少的面積;等級增加最大幅度為三個等級，等級減少最大幅度為兩個等級，研究區域整體生態風險水平在增加。從生態風險等級面積轉入與轉出來看，較低生態風險區與中生態風險區是五個風險區內最活躍的兩個風險區;高生態風險區的轉入與轉出面積都相對較小，是五個風險區內變化最小的風險區;高生態風險區面積的轉入只來源中生態風險區和較高生態風險區，且其轉出面積全部為較高生態風險區。

從生態風險空間分析來看，歷年morans I值在（0.8，1）之間，且隨著時間的推移morans I值在不斷增長，表明生態風險指數空間相關程度明顯，且有逐步增強的趨勢。從局部自相關分析來看，1990～2015年皖江城市帶生態風險指數主要呈現高—高和低-低聚集分布。高—高聚集主要分布在合肥市大部分區域以及蕪湖市、滁州市、馬鞍山市小部分區域，且有逐漸增多的趨勢;低-低聚集主要分布在安慶市、宣城市以及池州市的山區地帶，整體上保持穩定態勢。

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（作者單位：安徽師范大學地理與旅游學院）