基于景觀格局的武漢市江夏區土地利用生態風險評價

侯 蕊, 李紅波, 高艷麗

(華中農業大學 公共管理學院, 武漢 430070)

生態風險評價是用來描述和評估人為活動、環境污染和自然災害對生態系統結構與功能產生不利影響的可能性及其大小的過程[1-5]，是山水林田湖草生命共同體安全研究的基礎。基于景觀格局的土地利用生態風險評價則是以土地利用/覆被變化為誘因，直接從景觀的空間格局角度來定量識別和評估生命共同體的生態本底安全風險，成為當前景觀生態風險評價領域的研究熱點。

土地作為人類生存與發展不可或缺的重要資源，其利用方式與程度不僅對社會經濟的發展起著至關重要的作用，更直接作用于土壤、大氣、水文等自然地理要素，從而對區域生態環境產生影響[6]。在人類活動占主導地位的區域內，由不同的土地利用方式和強度對生態環境產生的影響具有區域性和累積性的特點，并能夠在生態系統的結構和組成上得以體現[7-8]。許多已有研究表明:土地利用/覆被變化(LUCC)與生態風險密切相關，并對區域生態風險起著決定性作用[9-10]。景觀最主要的特征就是其空間異質性且景觀是人類活動的基本單元，因此景觀尺度可作為研究人類—環境耦合系統的重要尺度應用于生態風險評價[11-12]，目前已在國內外進行了大量研究。Paukert等[13]從土地利用變化和景觀結構角度構建了景觀尺度上的生態風險指數。Ayre等[14]基于貝葉斯網絡模型，對美國俄勒岡州森林景觀進行生態風險評價。劉世梁等[15]建立基于景觀格局和生態學過程的綜合景觀生態風險指數，對云南省紅河流域景觀生態風險進行分析。呂樂婷等[16]構建景觀生態風險指數，對細河流域生態風險的時空分布特征進行評價。石玉瓊等[17]將景觀格局和植被生產力結合對榆林市景觀生態風險進行評價。李青圃等[18]從“自然—人類社會—景觀格局”3個維度對景觀生態風險評價的基礎上進行流域景觀格局的優化。從已有研究來看，在評價對象上既有流域[18-19]、行政區[20-21]、沿海區域等[22-23]人類活動影響較大的區域，也有農牧交錯帶[24]、水土流失地區[25]、自然保護區等[26]生態脆弱區域。在評價方法上大多基于風險源匯和景觀格局兩種方法，隨著研究的不斷深入，還有學者基于生態系統服務進行景觀生態風險評價[27]。當前，關于生態風險評價研究主要側重于描述生態風險的時空分布特征方面，而將土地利用與生態風險變化相結合，對不同土地利用類型下的生態風險演變規律及生態風險對土地利用變化的響應彈性方面缺乏深入探究。

在我國大力推進生態文明建設的背景之下，面向生命共同體系統治理的土地利用生態風險評價顯得尤為重要。江夏區作為武漢市的近郊區，區域內山水林田湖草各自然要素同樣構成一個生命共同體，由于近來年受快速城鎮化發展影響，景觀生態功能受到一定程度的破壞，區域面臨生態風險升高的趨勢。本文以武漢市江夏區為研究區域，以空間格網為評價單元構造基于景觀格局的土地利用生態風險指數，對土地利用變化引起的生態風險時空特征進行分析與評價，并進一步探究不同土地利用類型下的生態風險演變規律及其響應彈性機制。研究結果可為區域山水林田湖草系統治理及提高生態風險預警能力提供參考依據。

1 研究區概況

江夏區作為武漢市的南大門，屬于武漢“1+8”城市圈南部樞紐，位于長江中游南岸，總面積2 018 km2，將近占武漢市總面積的四分之一，地理位置114°01′—114°35′E，29°58′—30°32′N。地形以平原為主，屬中亞熱帶過渡性濕潤季風氣候。全區水面面積約500 km2，境內共有大小湖泊23個，湖泊面積大約占武漢市所有湖泊總面積的50%。

“十三五”以來，江夏區以“生態立區、工業興區、創新強區”為發展戰略，加快建設武漢市南部生態新城，充分發揮江夏作為武漢市生態控制區的重要生態屏障作用。江夏區在近十幾年來城鎮化建設進程明顯加快，土地利用結構發生了巨大改變，并由此產生山水林田湖草景觀格局趨于破碎化和異質化，從而導致生態系統結構面臨失衡，生態風險增加。因此，以江夏區為研究對象，從景觀生態格局視角下進行土地利用生態風險的評估對于江夏區權衡生態保護與經濟發展的關系，更好地貫徹落實其發展戰略，積極探索未來發展模式具有重要的現實意義。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源與處理

本文利用地理空間數據云平臺(http:∥www.gscloud.cn)下載的2000年、2005年、2010年、2015年4期Landsat TM/OLI遙感影像作為數據源在ENVI 5.2中進行數據預處理，包括輻射定標、大氣校正、圖像融合、圖像裁剪等，并用最大似然法對4期影像進行監督分類，參考土地利用現狀分類標準(GB/T21010—2007)將區域內土地分為耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地6種土地利用類型。然后結合實地調研進行目視修改，并選取一定數量的驗證樣本采用混淆矩陣法進行精度評價，結果顯示Kappa系數均達到80%以上，符合解譯精度要求。最后得到分辨率30 m的土地利用分類結果見附圖5。

2.2 土地利用變化度量指標

土地利用動態度是用來描述某一時間段內區域的土地利用類型的數量面積變化情況的指標[28]，以表現區域土地利用的劇烈程度及不同類型間、不同時段內或不同區域間的差異情況。本文計算了2000—2015年不同時段內武漢江夏區各種土地利用類型的單一土地利用動態度及綜合土地利用動態度，以分析研究區的土地利用變化情況。計算公式分別如下所示:

(1)

式中:K表示在研究時段內某一土地利用類型的動態度；Ua,Ub分別為研究期初、期末某一土地類型的面積;T為研究時段長度,通常以年為單位。

(2)

式中:LC為研究時段內區域的綜合土地利用動態度,表示所有土地利用類型變化的整體情況;LUi為研究起始年時第i類土地利用類型的面積；ΔLUi-j為研究期內第i類土地利用類型轉化為其他類型面積的絕對值;T為研究時段長度。

2.3 土地利用生態風險指數的構建

為了提高土地利用生態風險的評價精度，并將不同位置的生態風險指數值在空間上進行可視化表達，本文利用ArcGIS的漁網分析功能，采用等間距網格采樣法，將每一網格作為風險指數評價的樣本單元，對研究范圍內進行土地利用生態風險評價。借鑒已有研究[21]，漁網大小宜為平均斑塊面積的2～5倍，本文劃分2 km×2 km格網，得到581個生態風險樣本小區，計算每一個小區內的生態風險指數值，并將其作為樣本中心點的生態風險水平，然后利用空間插值得到整個研究區的土地利用生態風險水平。參考前人研究[29-31]，本文引入景觀干擾度、脆弱度和損失度指數，通過指數間的疊加來構建江夏區土地利用生態風險評價體系(表1)。

表1 景觀格局指數計算方法及含義

景觀生態風險指數的計算公式為:

(3)

式中:ERIk為第k個生態風險小區的土地利用生態風險指數;Aki為第k個風險小區內土地利用類型i的面積;Ak為第k個風險小區的面積;Ri為景觀損失度指數;N為土地利用類型的數量。

2.4 空間統計學方法

空間自相關分析是研究某一空間變量在空間上是否存在相關性及相關程度如何，因此土地利用生態風險指數作為一種空間變量，可以對其進行空間自相關分析，以研究生態風險的空間分布特征。本文采用全局Moran′sI和局部Moran′sI兩種指標分別測度土地利用生態風險指數的整體空間分布格局和局部空間差異特征。

由于空間插值的前提是數據具有較高的空間自相關性，因此本文在空間自相關分析的基礎上利用ArcGIS的地統計分析模塊采用指數模型進行半變異函數擬合，然后采用普通克里金插值法得到4期土地利用生態風險指數值的空間分布，基于自然斷點法將土地利用生態風險分成5個等級:Ⅰ低生態風險區(ERI≤0.1)、Ⅱ較低生態風險區(0.10.4)，以進一步研究生態風險等級的時空演變特征。

2.5 響應彈性分析法

彈性表示為因變量的相對變化與自變量相對變化的比值，揭示因變量對自變量變化的敏感程度。本文借鑒微觀經濟學中的彈性理論，引入彈性系數分析江夏區生態風險對土地利用變化的響應彈性特征[20]。計算公式如下:

(4)

式中:ERC表示T時段內生態風險對土地利用變化的響應彈性系數;ERIb和ERIa分別為研究期末和期初土地利用生態風險指數;LC為T時段內綜合土地利用動態度。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化情況分析

3.1.1 土地利用結構變化 在土地利用分類圖基礎上匯總得到各土地利用類型面積(表2)。整體上，江夏區土地利用類型以耕地和水域為主，二者占總面積的80%以上。2000—2010年江夏區地類按面積大小依次為耕地、水域、林地、建設用地、未利用地、草地，2010—2015年建設用地面積超過了林地面積。研究期內耕地不斷減少，面積比例從63.03%減至57.04%，建設用地變化與之相反，面積比例從3.41%增至9.36%。草地和林地面積也在減少，但是變化幅度較小，水域和未利用地二者波動變化，處于相對穩定狀態。

表2 江夏區2000-2015年土地利用變化

3.1.2 土地利用速度變化 根據公式(1—2)，計算得到江夏區每個時間段內的單一土地利用動態度與綜合土地利用動態度(表3)。可以看出3個時間段內建設用地的土地利用動態度均為最大，分別為9.39，2.65，13.00，且在2010—2015年擴張速度最快;耕地、林地、草地的動態度均為負數，表明三者面積始終減少，且耕地和林地在2010—2015年減少最快。3個時段內江夏區綜合土地利用動態度分別為0.45，0.14，0.74，表明在2010—2015年這個時段內研究區整體土地利用類型間變化最為活躍。

表3 土地利用動態度變化

3.1.3 土地利用方向變化 將相鄰兩期土地利用類型矢量圖層在ArcGIS中進行疊加，并利用Excel的數據透視表功能計算得到2000—2015年江夏區土地利用轉移矩陣(表4)。所有土地利用類型都產生了不同程度的轉化，耕地是土地利用主要轉出類型，轉出為建設用地10 699.67 hm2，占轉出比重的87.83%;轉出為水域1 347.79 hm2，占轉出比重的11.06%。建設用地是土地利用的主要轉入類型，其面積增加的來源類型多樣，其中有88.49%來源于耕地，是建設用地最主要的轉入來源。而草地、林地、水域和未利用地的所有轉移類型中，轉出為建設用地分別占其轉出比重的56.01%，79.17%，77.87%，61.14%。2000—2015年土地利用類型轉移特點表明隨著江夏區的城市化進程不斷加快，耕地、林地、草地、水域等生態用地均存在轉出為建設用地的現象，使生態環境遭到破壞而生態風險加大，人類生存環境將面臨潛在威脅。

表4 2000-2015年土地利用類型轉移矩陣 hm2

將不同研究時段內地類轉換面積較大的前6種進行提取并空間可視化。從分時段來看，耕地轉出為建設用地一直是面積最大、分布最廣的轉移類型。2000—2005年，耕地轉出建設用地集中分布在江夏區的北部城區，由原來的中心區向東部及東北方向擴展;耕地轉出為水域散落分布在江夏區的西部、東部及南部。2005—2010年耕地轉出建設用地仍向東部和東北部靠近洪山區的范圍擴展，但與上一個時間段相比，建設用地擴展的范圍與面積顯著減小。2010—2015年耕地轉出建設用地面積顯著增大，而且擴展方向開始向江夏區的中南部、西部、東北部進一步延伸。從整個時間段來看，建設用地的轉入來源類型多樣且轉移面積較大，北部建設用地增長規模較南部明顯，廟山、藏龍島、紙坊、金口為擴張較快區域。

3.2 江夏區土地利用生態風險時空變化分析

3.2.1 景觀格局指數變化分析 基于Fragstats和Excel軟件，根據表1中所列公式分別計算2000年、2005年、2010年、2015年各土地利用類型的景觀格局指數，并進一步分析其變化規律(表5)。可以看出15 a來，各景觀類型斑塊數目均表現為不同程度的增加，直接影響景觀破碎度指數、分離度指數。建設用地由于面積的增長速度明顯快于斑塊數目增長速度，導致其破碎度指數、分離度指數不斷減小，表明建設用地各斑塊趨向于集中連片式發展，集聚程度增強、內部穩定性增大。耕地作為區域的優勢景觀類型其優勢度指數最大，其他地類優勢度指數變化不顯著。從各地類所受干擾程度來看，林地、草地、未利用地的干擾度指數較大且隨時間遞增，建設用地的干擾度指數隨時間逐漸減小。從損失度指數來看，未利用地的損失程度最大，且表現為不斷增大的趨勢，主要原因是未利用地的破碎度和分離度指數不斷增大導致干擾度相應變大，另外，未利用地的脆弱度指數最高也是其損失度大的原因，建設用地由于近年來的規模化集聚擴張、抗干擾能力的提高，景觀損失度減小。

表5 不同土地利用類型的景觀格局指數計算結果

3.2.2 土地利用生態風險空間自相關特征 根據公式3計算得到各風險小區的土地利用生態風險值，導入GeoDa軟件得到Moran′sI散點圖和LISA集聚圖(圖1，圖2)。從全局空間自相關Moran′sI值看，四期Moran′sI值分別為0.486 4，0.493 7，0.485 3，0.509 8，值均為正數且呈上升趨勢，表明土地利用生態風險有較強的空間正相關性，存在集聚效應。從局部空間自相關的LISA集聚圖看，土地利用生態風險高值集聚區主要位于建成區中心附近林地、草地所在區域和東部梁子湖附近未利用地，建成區附近的林地、草地受外界干擾度大，尤其是建設用地的轉入影響，破壞了原有景觀的穩定性，使景觀損失度增加;低值集聚區分布較廣，主要分布在西部、中東部，此區域以水域和耕地為主，受外界干擾程度小，低值集聚區在2010—2015年向東部牛山湖附近轉移，集聚程度增強。總體來看，江夏區土地利用生態風險強度整體分異顯著，局部空間差異也在擴大。

圖2 江夏區土地利用生態風險指數LISA集聚圖

圖1 江夏區土地利用生態風險指數Moran′s I散點圖

3.2.3 土地利用生態風險時空分布格局 將各風險小區中心點風險指數值進行克里金插值，得到江夏區土地利用生態風險等級時空分布圖(圖3)。四期生態風險均值分別為0.117 4，0.157 0，0.163 6，0.190 8，區域土地利用生態風險整體呈上升趨勢。2000年，低生態風險區面積將近占研究區總面積的一半，2005年之后，較低生態風險區所占比重最大，低生態風險區面積占比從2000年的49.81%下降到2015年的0.01%，而其余4類等級生態風險區面積均較2000年不斷上升。

圖3 2000-2015年江夏區土地利用各生態風險等級分布

從空間分布上來看，低生態風險區和較低生態風險區分布廣泛，高生態風險區呈團狀集聚分布在江夏中心城區青龍山林場附近與東部、東北、西南部分區域，與局部空間自相關的“高—高”集聚區在位置上大致重合。此區域林地、草地、未利用地分布較廣，并且為追求經濟發展，大量林地、草地開發成建設用地，破壞了原有景觀的自身穩定性，景觀受外界干擾易損程度大，生態風險升高。從整個研究時段來看，低生態風險區轉為較低生態風險區是最主要的轉換形式，還存在著高生態風險區隨時間逐漸向外層推移擴大的趨勢，表明此處風險升高較快，需要重點加強監管力度，防止其生態進一步退化，以維持區域環境的穩定。

3.2.4 不同土地利用類型下的生態風險演變規律 分別將每一期的土地利用類型圖與生態風險等級圖進行疊加，統計匯總出每種土地利用類型下各生態風險等級所占的面積比例(圖4)。2000年有92.8%的耕地分布在低生態風險區和較低生態風險區，2015年下降到73.33%。林地、草地景觀類型主要分布的較高和高生態風險區占比不斷加大。水域景觀主要分布在較低生態風險區，主要是因為其干擾度和損失度較小，所受生態風險較低。建設用地主要分布在較低生態風險區和中生態風險區，且隨時間變化較高生態風險區和高生態風險區占比有減小趨勢。原因是隨著城市化發展，建設用地從無序零散狀態向有序規模演變，系統內部穩定性提高，受人類干擾后損失度降低，導致生態風險的降低。未利用地2000年有46.8%的面積分布在高生態風險區，到2015年其比重達到65.5%，主要原因是未利用地干擾度、脆弱度和損失度指數均較高，且隨時間呈遞增態勢，表明未利用地的生態風險系數不斷提高，需要加強保護監管力度。

圖4 江夏區2000-2015年不同地類下的生態風險變化

3.2.5 生態風險對土地利用變化的響應彈性分析 由表6可知，生態風險隨著土地利用變化的響應彈性在不同時段內其響應效果也呈現差異變化。3個時期生態風險對土地利用變化均表現為正響應，即土地利用變化造成了生態風險的增加，且3個時段響應彈性系數持續減小，表明研究區內土地生態系統風險水平趨于穩定，土地利用變化不再是作為區域生態風險增加的主要驅動因素，雖然隨著城市化的快速發展，耕地的大規模轉出，造成江夏區內生態風險強度不斷增加，但其對土地利用變化的響應彈性卻表現為不斷減小，土地利用生態風險的影響因子由于更加復雜多變的外在環境而趨于多元化。

表6 2000-2015年江夏區生態風險對土地利用變化的響應彈性

4 討論與結論

(1) 研究期內，江夏區6種土地利用類型的面積均發生了不同程度的變化，對應著城鎮、農業、生態空間的變化。在2010—2015年期間，各地類間轉移變化最活躍。耕地面積與建設用地面積的變化趨勢相反，耕地面積持續減少，而建設用地面積持續擴張，15 a來共有8.41%的耕地轉出為建設用地，且集中分布在研究的北部。耕地作為優勢景觀類型，對維持區域山水林田湖草景觀生態格局發揮著重要作用。

(2) 4個時期江夏區全局自相關Moran′sI值分別為0.486 4，0.493 7，0.485 3，0.509 8，土地利用生態風險在空間上正相關性增強，具有明顯的集聚效應。土地利用生態風險局部自相關格局的高—高集聚區與低—低集聚區隨時間推移其空間分布特征發生變化，表明土地利用生態風險在空間上整體分異顯著，局部空間差異也在擴大。

(3) 研究區整體土地利用生態風險處于較低等級。2000—2015年，較低、中、較高、高生態風險區面積分別增加了32.6%，12.22%，3.37%，1.6%，低生態風險區面積減少了49.8%，且高生態風險區在空間上呈團狀集聚分布，并表現為逐漸向外層推移擴大的趨勢，表明這些區域生態環境惡化較快，風險不斷提高，需要對這些區域重點加強監管力度，防止其進一步退化，以維持區域環境的穩定。區域土地利用生態風險整體呈增高趨勢。

(4) 從不同土地利用類型下的生態風險演變規律來看，耕地、建設用地、水域分布地區整體上受生態風險脅迫程度較輕，而草地、林地更容易遭受生態風險影響，未利用地所在區域的生態風險最高。從生態風險對土地利用變化的響應彈性系數不斷減小可以得出地類變化對生態風險的影響程度在不斷減小，生態風險的影響因子更趨于多元化。

本文從我國生態文明建設宏觀背景與“山水林田湖草生命共同體”的理念出發，基于景觀格局指數構建指標體系對江夏區土地利用生態風險進行評價，并進一步探究土地利用類型與生態風險間的內在聯系，為江夏區未來一定時期內的生命共同體系統治理提供理論依據。通過研究發現江夏區作為武漢市的近郊區與城鄉融合發展區，近年來城市化建設不斷推進使得大量耕地、林地、草地等生態用地轉出建設用地，原有完整景觀格局呈現破碎化，生態系統穩定性降低，受人為干擾后易損程度大，生態風險持續增大。按照可持續發展與生態文明建設的總要求，對新增建設占用農用地行為必須謹慎對待，嚴格控制城鎮空間的無序擴張，確定城鎮開發邊界，以提高建設用地利用效率為重點，發揮建設用地的集聚規模效應。加快落實“三區三線”劃定工作，將由耕地資源單要素保護向山水林田湖草全要素保護轉變。本研究僅從景觀格局角度進行生態風險評價，缺乏對區域地形地貌、氣候環境、社會經濟因素等方面的綜合考慮，得到的結果不具有絕對性與代表性，但利用景觀格局指數研究土地利用生態安全格局仍具有可行性。下一步的研究重點應探討影響生態風險變化的不同驅動力與多尺度下的生態風險評價，并針對性地提出合理有效的生態管理建議，為指導區域“三區三線”劃定工作，統籌山水林田湖草系統治理提供依據。