近40年來洞庭湖流域土地利用及生態風險時空演變分析

楊 伶,鄧 敏,王金龍,*,闕華斐

1 中南大學地球科學與信息物理學院,長沙 410083

2 中南林業科技大學數字洞庭湖南省重點實驗室,長沙 410004

3 湖南體育職業學院, 長沙 410019

20世紀90年代以來,隨著人口、資源和環境問題的日益突出,土地利用/土地覆被變化(LUCC)成為全球環境變化研究的前沿和熱點領域[1]。土地利用變化是人類活動與自然環境相互作用最直接的表現形式[2],可以顯著改變生態系統格局,進而影響過程和功能[3],從而對區域生態環境產生深遠影響[4]。

生態風險是指外界脅迫下一個種群、生態系統或整個景觀在內部要素、健康、生產力、遺傳結構、經濟價值和美學價值等方面所遭受損失的可能性[5]。自從這一概念產生以來,生態風險在生態環境質量評價和生態環境管理中發揮著重要作用,在理論和方法上已初步形成了具有國際引領意義的結構框架[6],但基于土地利用變化的生態風險評價研究還有待進一步完善[7]。與土地利用密切相關的生態系統組成結構和格局變化與生態風險具有高度的關聯性[8],以土地利用變化為出發點的景觀生態風險評價,能較好地表征土地利用變化對生態過程和功能的影響[6]。目前該方面研究仍處于初步發展階段,主要以單一風險源或單一受體為主[7],研究尺度涵蓋重點風險控制區[9]、縣域[10]、城市地域[11]、省域[12]和流域[13]等,其中流域尺度的研究以省域內的流域生態風險評價為主[7],但對于跨省際的流域生態風險的研究較少。由于評價和管理主體并不在同一個省級行政轄區內,探究跨省際的流域生態風險時空格局的演變特征,缺少較為系統的生態統計和監測數據[14],而基于土地利用覆被數據得到的景觀生態風險指數能直觀表達土地利用變化對生態環境的威脅程度和影響范圍,為跨省際流域生態風險評價提供了便捷且高效的途徑[15],可為流域土地利用規劃和生態環境政策制定提供依據。

洞庭湖流域流經湖南、湖北、江西、廣東、廣西、貴州和重慶等省域,是我國重要的農業生產區,以“魚米之鄉”著稱。該流域森林資源較為豐富,生態環境較為良好,然而長期的生態系統開發利用和巨大的人口壓力導致洪澇災害頻發[16]、水土流失、濕地退化、湖泊萎縮和水質惡化等生態環境問題非常突出,也是中國典型的生態環境脆弱區。因此,本研究對洞庭湖流域土地利用與生態風險展開研究,探究近40年來該流域土地利用變化的動態特征和生態風險時空格局的演變特征,為完善流域土地利用優化配置、生態安全和高質量發展等提供參考。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

洞庭湖流域地處我國長江中游以南,南嶺山脈以北,介于107°16′E—114°15′E和24°38′N—30°24′N之間,總面積達26.3×104km2,占長江流域的14.6%[17]。整個流域由洞庭湖區、湘江、資水、沅水和澧水等子流域組成,流經貴州、廣西、重慶、湖北、江西和廣東的部分地區及湖南省全境,其中湖南省境內面積達21.18×104km2,占流域總面積的80.61%(圖1)。洞庭湖流域東南西三面環山,東為幕阜-羅霄山脈,南為南嶺山脈,西為武陵-雪峰山脈,中部為丘陵型盆地,北部為洞庭湖平原,地勢由南逐漸向中部及東北部傾斜,呈向北敞口的馬蹄形[18]。典型的大陸亞熱帶季風濕潤氣候,雨熱同季且充沛。境內交通較為便利,經濟較為發達,在城市化進程中,人地關系日趨緊張,土地利用結構和方式發生較大變化,生態風險也隨之發生較為深刻地改變。

圖1 研究區概況圖

1.2 數據來源及處理

本研究中1980年、1990年、2000年、2010年和2018年土地利用類型30m分辨率柵格數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn),該數據是利用20世紀70年代末期Landsat-MSS遙感影像、80年代末期、90年代末期和2010年各期Landsat-TM/ETM遙感影像,及2018年Landsat 8遙感影像為主要數據源,參照劉紀遠等[19]學者的中國土地利用覆被遙感分類系統,通過人機交互解譯方法得到[20]。為了保證各時期土地覆被數據解譯質量和一致性,數據集進行統一的質量控制和核對檢查[21],土地覆被一級類型綜合精度達到94.3%以上,二級類型分類綜合精度達91.2%以上[22]。本研究按照前人研究和研究區需要,將土地利用劃分成耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地6種地類。

2 研究方法

2.1 土地利用變化度量及分析方法

(1)土地利用轉移矩陣

參照王根緒等[23]和劉紀遠等[24]學者的研究,本文采用轉移矩陣法構建土地利用轉移矩陣來定量描述土地覆被類型的動態轉移變化,從而揭示洞庭湖流域土地覆被類型的轉移途徑與幅度。

(2)土地利用動態度

參照劉紀遠等[20]學者的研究,本文計算土地利用動態度(DCDj)來度量研究區監測期內土地覆被類型的變動程度。第j類土地利用動態度(DCDj)的計算公式為：

(1)

式中,Sα為網格單元面積,Sj-l為每一網格單元內某時段第j類土地覆被類型與其他類型(l)相互轉化的面積,DCDj為第j地類的土地利用動態度。在考慮數據源本身的分辨率、計算精度和地圖可視化等因素的基礎上,本文采用等間距采樣法將研究區劃分為900m×900m的網格單元,通過統計網格單元內建設用地、林地、耕地和水域等的變化來反映土地覆被類型變動程度的空間分布。

2.2 生態風險評價方法

2.2.1生態風險評價單元的劃分

為了更好地表達流域內生態風險空間分布規律和差異性,本文采用網格作為生態風險評價單元[25]。參照景觀生態學中關于景觀取樣大小的方法[26],即網格劃分大小應當為斑塊平均面積的2—5倍,洞庭湖流域景觀斑塊平均面積約為1.45km2,考慮數據源本身的分辨率及計算強度和精度等問題,基于等間距采樣法將研究區劃分為1.8km×1.8km的網格,共計82475個評價單元。

2.2.2生態風險評價模型的構建

生態風險取決于區域生態系統所受外部干擾的強弱和內部抵抗能力的大小,一般來說,生態系統所承受的外部干擾程度越強,其自身抵抗能力越小,區域系統的生態風險越大[27]。長期的資源開發利用和巨大的人口壓力對生態系統的組成、結構和功能產生深刻的影響,改變了景觀格局和過程,由此引起水土流失和生物多樣性減少等生態問題持續加劇[28]。因此,本文從生態系統的景觀格局與生態風險之間的聯系出發,利用各類景觀的面積比構建了由景觀干擾度指數和景觀脆弱度指數構成的生態風險評價模型[25,29- 30],具體計算方法如下：

(1)景觀干擾度指數

景觀干擾度主要反映人類活動對不同景觀類型生態系統的影響程度,主要由破碎度指數(Fj)、分離度指數(Sj)和優勢度指數(Dj)加權疊加來度量[7]。其表達式為：

Ij=W1×Fj+W2×Sj+W2×Dj

(4)

Fj=Nj/Aj

(5)

(6)

(7)

式中,Nj為景觀類型j的斑塊個數,N為景觀斑塊總數,Aj為第j類景觀的面積,A為景觀總面積,Mj為第j類景觀斑塊出現的樣方數,M為研究區總樣方數,W1、W2和W3分別為景觀破碎度、分離度和優勢度的權重。參照熊鷹等[31]學者的研究,破碎度最為重要,其次為分離度和優勢度,據此將三種景觀指數的權重分別賦為0.5、0.3和0.2。參照常小燕等[32]學者的研究,根據標準化后的破碎度、分離度和優勢度來計算景觀干擾度。

(2)景觀脆弱度指數

脆弱度表征景觀生態系統對外界擾動的敏感性[33],其值越高,生態系統結構越不穩定。借鑒鞏杰等[29]學者的相關研究,并結合鄱陽湖流域[34- 35]和長株潭地區[36]的研究成果,本文將各景觀類型脆弱度分為6級,具體內容為：未利用地>水域>耕地>草地>林地>建設用地,按功效系數法對脆弱度進行歸一化處理,得到各景觀類型脆弱度指數。

(3)生態風險指數

本文選取景觀干擾度指數(Ij)和景觀脆弱度指數(Vj)來衡量景觀損失度,并進一步依據生態損失度指數(Lj)來構建生態風險指數(ERIi)[29- 30],其具體表達式為：

Lj=Ij×Vj

(2)

(3)

式中,ERIi為第i個生態風險小區的生態風險指數,Aij為第i個風險小區中第j類景觀的面積,Ai為第i個風險小區的面積,Lj為第j類景觀的損失度指數,Ij為第j類景觀的干擾度指數,Vj為第j類景觀的脆弱度指數。m為景觀類型的數量,本文將土地利用類型視為景觀類型,即耕地景觀、林地景觀、草地景觀、水域景觀、建設用地景觀和未利用地景觀。

2.2.3生態風險等級的劃分

張丹紅等[37]學者采用等差分級法、自然斷點法、幾何間隔法、累計比例法和分位數法對我國典型縣區土壤保持服務強度進行等級劃分,并對不同分級方法下的分級質量進行對比分析,研究結果表明自然斷點法具有較高的分級精度,也能兼顧各級服務強度極差的均衡性,綜合制圖效果較好。在綜合考慮生態風險分級精度和極差均衡等因素的基礎上,本研究采用自然斷點法對洞庭湖流域生態風險等級進行劃分。

3 結果與分析

3.1 洞庭湖流域土地利用時空格局演變

3.1.1近40年洞庭湖流域土地覆被狀況

從1980—2018年洞庭湖流域土地覆被狀況來看,林地和耕地是洞庭湖流域的主要土地利用類型,占流域總面積的88%以上,林地占比維持在61%左右(表1)。2018年,洞庭湖流域林地面積約16.05×104km2,占比達60.97%；耕地面積約7.35×104km2,占比約為27.93%；草地面積約1.36×104km2,占比約為5.17%；水域面積約0.80×104km2,占流域面積的3.04%；建設用地面積約0.66×104km2,占比約為2.50%；未利用地面積約0.10×104km2,僅占流域面積的0.39%。從年際變動來看,洞庭湖流域不同土地覆被類型具有顯著的異質性,且2000—2018年土地利用變動程度超過1980—2000年(表1)。對比不同時期土地覆被類型面積,可以發現：耕地持續萎縮,耕地占比由1980年的29.42%下降至2018年的27.93%；林地呈穩定增長趨勢,林地占比維持在60%—61%之間；草地小幅收縮,1980—2000年草地占比維持在5.9%左右,2010—2018年草地占比下降至5.2%左右；水域持續小幅擴大,水域占比由1980年的2.73%增加至2018年的3.04%；建設用地持續擴張,擴張幅度超過其他土地利用類型的變化,與1980年相比,2018年建設用地面積擴張至2.34倍。

表1 洞庭湖流域土地覆被類型面積及比率

3.1.2近40年洞庭湖流域土地利用變化時空格局分析

1980—2000年間,洞庭湖流域土地利用變化總面積約為2.2×103km2,占全流域的0.84%(表2)。洞庭湖流域以耕地轉為水域和建設用地為主,分別為438km2和357km2,約占土地利用變化總面積的19.86%和16.18%；其次為耕地轉林地、林地轉耕地和林地轉草地,分別占土地利用變化的12.33%、12.06%和9.38%,水域擴大和建設用地擴張現象也較為明顯(表2)。參照土地利用變化的動態度模型和地圖可視化方法,本研究進一步探究洞庭湖流域土地利用主要類型轉換的空間分布特征(圖2)。從900m×900m網格單元內的主要土地利用類型變化空間格局(圖2)來看,1980—2000年建設用地擴張區域隨城鎮化發展呈零星分布,湘江流域建設用地擴張迅速,約占全流域的49.28%,且沿湘江和京廣線初步呈線狀分布。林地變化總體以減少為主,由城鎮化建設和毀林開荒造成的林地損失主要發生在湘江流域長株潭地區和郴州的資興市,及沅水流域上游貴州省境內的凱里市、福泉市、黃平縣和錦屏縣等地區,而新增林地在洞庭湖流域范圍呈零星分布。耕地變化以減少為主,主要發生在沅水流域貴州省境內的錦屏縣、天柱縣、福泉市和松桃苗族自治縣,而新增耕地主要分布在環洞庭湖平原的益陽市、常德市和岳陽市,湘江流域的資興市,及資水流域的安化縣和新化縣等地區。水域變化以轉入為主,水域擴大主要發生在河網密集的洞庭湖區、湘江流域的資興市、資水流域的安化縣和新化縣、及沅水流域的永順縣等地區,而水域收縮在洞庭湖區呈零星分布。

表2 1980—2018年洞庭湖流域土地利用轉移矩陣/km2

2000—2018年間,洞庭湖流域土地利用變化總面積約為1.83×104km2,占全流域的6.96%(表3)。洞庭湖流域土地利用變化以耕地轉為林地和林地轉為耕地為主,分別為4580km2和3324km2,約占土地利用變化總面積的25.08%和18.20%；其次為草地轉為林地,及耕地和林地轉為建設用地,分別占土地利用變化的11.83%、11.31%和8.77%。從900m×900m網格單元內的主要土地利用類型變化空間分布格局(圖2)來看,2000—2018年建設用地在洞庭湖流域范圍內顯著擴張,以環長株潭城市群為核心,隨重要交通干線擴展呈現帶狀分布,形成縱橫交錯的擴張格局。林地變化總體以林地增加為主,新增林地在全流域范圍呈片狀分布,最為集中區域分布在湘江流域湖南省境內的桂東縣,及沅水流域重慶市境內酉陽苗族自治縣等地區,而林地減少主要發生在流域各大中型城市的對外擴張過程中,其中最為集中的區域為長株潭地區。耕地變化以減少為主,受退耕還林政策的影響,耕地萎縮在全流域范圍呈片狀分布,主要分布在湘江流域的桂東縣和長株潭地區,而新增耕地集中分布在洞庭湖區的華容縣和南縣等地區。水域變化呈小幅擴張趨勢,水域擴大發生在流域各大河流集中分布的區域,主要集中在河網密集的洞庭湖區,受人地關系緊張格局的影響,水域萎縮區域也主要集中分布在洞庭湖區。

圖2 1980—2018年洞庭湖流域主要土地利用類型變化空間分布圖

3.2 洞庭湖流域生態風險時空格局演變

根據景觀生態風險評價模型,得出各生態風險小區的景觀生態風險指數,參照ArcGIS的自然斷點分類方法將研究區的生態風險劃分為低生態風險區(ESI<0.04)、較低生態風險區(0.04≤ESI<0.08)、中等生態風險區(0.08≤ESI<0.10)、較高生態風險區(0.10≤ESI<0.13)和高生態風險區(ESI≥0.13),采用地圖可視化方法得到洞庭湖流域不同時期的景觀生態風險空間分布(圖3),并進一步統計得到各等級生態風險的面積及占比(表3)。從生態風險類型構成來看(表3),較低和中等生態風險區是研究區生態風險的主導類型,兩類生態風險區面積占比達60%以上。因此,洞庭湖流域生態風險總體處于中等偏低水平,生態環境較為良好,但存在明顯的時空分異性。

圖3 1980—2018年洞庭湖流域生態風險空間分布

表3 洞庭湖流域生態風險的面積及占比

3.2.1洞庭湖流域生態風險空間格局分析

從5期生態風險空間分布(圖3)來看,流域內風險等級呈現多核地域分布,高風險區分布相對集中,由洞庭湖湖盆的沼澤和水域范圍向環洞庭湖平原擴張；較高風險區主要分布在長株潭地區,湘中南丘陵地帶,及沅水流域的吉首市和凱里市等城市的市轄區；中等風險區分布較為集中,主要分布在較高風險區的外圍地區,以沅水流域和澧水流域分布較廣；較低和低風險區在1980年占據了洞庭湖流域除洞庭湖湖面之外的絕大部分地區,而1990年及以后分散分布于沅水流域、澧水流域、資水流域和湘江流域,以三面環山地帶更為集中。

洞庭湖流域地形以山地和丘陵為主,東南西三面環山,北部為洞庭湖平原。從洞庭湖流域土地覆被空間分布來看,林草用地主要分布在東南西三面環山的山地地帶,平原區林地分布較少；耕地主要分布在中部的丘陵型盆地和北部洞庭湖平原,并隨著高程增加呈逐漸減少趨勢；水域和未利用地主要分布在低洼地帶,建設用地以平原區和丘陵地區分布最多。結合洞庭湖流域生態風險的空間分布(圖3),我們可以發現較高和高風險區主要分布在北部的洞庭湖湖盆和盆地,中部的丘陵型盆地地帶,及城市建設用地,其原因在于長株潭地區是該流域經濟空間格局的重要增長極,及環洞庭湖平湖農業區和湘中南丘陵節水農業帶土地利用集約程度較高；而低和較低風險區主要分布在東南西三面環山的山地地帶,主要是由于這些區域屬于重點生態功能區,山地較多,森林覆蓋廣,城鎮化進程相對緩慢,人類活動對土地利用程度較低。

3.2.2洞庭湖流域生態風險時間演變分析

從流域不同時期生態風險變化來看,1980—2018年流域生態風險呈現“增長-緩和-加劇”的時間演變特征。1980—1990年間研究區生態風險大幅增長,生態環境急劇惡化,主要表現為低和較低風險區面積大幅下降,其面積比重分別由27.35%和70.33%下降至1.48%和32.74%,而中等、較高和高生態風險區面積則呈現不同程度的增長,面積占比分別約增加28.19%、22.65%和12.62%(表3)。這一時期分別有6.88×104km2、10.12×104km2、0.13×104km2和0.08×104km2的低、較低、中等和較高風險區等級上升了,其中以低和較低風險轉換為中等、較高和高風險為主(表4)。1990—2010年間流域生態風險趨向于緩和,區域環境得到一定改善,主要表現為高風險區面積呈下降趨勢,其面積占比由1990年的13.68%下降至2010年的12.13%,低和較低生態風險區面積略有增加,共增加1500km2(表3)。在這20年間,風險等級下降面積約為709.59km2/a,而風險等級上升面積約為385.05km2/a；生態風險轉移以“高→較高、較高→中等、中等?較低”等類型為主,其轉換比率均在20%左右(表4)。2010—2018年間區域生態風險呈加劇趨勢,生態環境形式依然嚴峻,低和較低生態風險區略有下降,而中等和高風險區都呈一定上升趨勢(表3)。這一時期生態風險等級上升面積約為0.90×104km2,而風險等級下降面積約為0.35×104km2；生態風險呈現“較低→中等、中等→較高和較高→高”階梯式上升特征和“較高→中等和中等→較低”階梯式下降趨勢(表4)。由此可見,1980—1990年間是洞庭湖流域生態風險急劇變化的時期,而1990年以來洞庭湖流域土地利用變化的生態風險格局變化不大,總體呈逐漸緩和再加劇的趨勢。

表4 洞庭湖流域1980—2018年生態風險轉移矩陣

1998年以來開展的洞庭湖流域生態保護和建設工程重點實施了退田還湖、退耕還林還濕等項目。其中,退田還湖使得洞庭湖調蓄面積持續擴大,防洪排澇效益明顯提高；退耕還林有效緩解因湘、資、沅、澧四水上游地區陡坡毀林開荒導致的水土流失,恢復森林植被的生態功能[38]。自1998年洞庭湖區開展二期治理以來,截至2018年共平退堤垸333處、搬遷55.8萬人,洞庭湖調蓄面積比1978年擴大了779km2[39],從而使得近40年來洞庭湖流域水域呈擴大趨勢。2000—2010年是洞庭湖流域退耕還林工程實施的關鍵時期,截止2009年湖南省退耕還林工程造林總面積12206.8km2,與啟動退耕還林試點時期(2000年)相比,林業用地增加8660km2, 森林覆蓋率增加3.42%, 森林蓄積量增加23.65%；水土流失減少明顯,年均進入洞庭湖的泥沙量由退耕前的1.67×108t, 減少到2009年的0.383×108t, 減少77%,其中來自湘資沅澧“四水”的泥沙量減少40.7%[40]。結合洞庭湖流域土地利用變化與生態風險演變規律,可以發現2000—2010年土地利用變化最為突出的特征是耕地與林地之間的轉換,其中因退耕還林導致的耕地轉林地面積占該流域土地覆被變化的22.52%,林地面積增加,區域生態環境得到一定改善,這也使得1990—2010年間流域生態風險趨向于緩和。

4 結論與討論

4.1 結論

本研究以1980—2018年土地利用數據為基礎,對洞庭湖流域土地利用變化和生態風險進行研究。得出以下結論：

(1)1980—2018年期間,洞庭湖流域土地利用類型按其面積大小依次排列為：林地、耕地、草地、水域、建設用地和未利用地。其中,林地面積占比60%以上,耕地占研究區面積近1/3。近40年間,2000—2018年土地利用變動程度明顯劇烈于1980—2000年,總體變化呈建設用地不斷擴張、林地基本穩定、耕地日益萎縮和水域擴大趨勢等特征。

(2)近40年來,洞庭湖流域以較低和中等生態風險區為主導類型,兩類占比在60%以上。各時期生態風險變化呈波動起伏狀態,1980—1990年、1990—2010年和2010—2018年生態風險分別呈現增長、緩和和加劇等特征。空間分布上,高風險區以洞庭湖湖盆向環洞庭湖平原擴張,洞庭湖區、湘江流域和資水流域生態風險等級明顯高于其他地區,而沅水流域、澧水流域和湘江流域的東南部生態風險相對較小。

4.2 討論

本文研究結論與國內其他研究學者在洞庭湖流域的研究結論基本一致,土地利用變化顯著特征為建設用地不斷擴張[41-43],但也存在一定差異,如賈慧聰等[44]學者認為耕地持續增加是1985—2011年間洞庭湖區土地利用變化的主要特征,熊鷹等[31]學者認為洞庭湖區景觀生態風險得到改善是在2010—2015年間。導致這一差異的原因主要有兩個方面：一是其他學者主要針對洞庭湖區進行分析,這必將掩蓋土地覆被變化的流域特征；二是研究時期存在差異,大多數研究主要從2000年后開始,這必將掩蓋土地利用變化及生態風險演變的動態特征。

對比相鄰區域各生態風險等級地類分布及占比情況可以發現,洞庭湖流域與鄱陽湖流域[34- 35]生態風險演變格局具有明顯的一致性,主要體現在：一是以中等和較低生態風險區為主導類型,廣泛分布于人類活動強度相對較低的林地和草地。林草用地在這些流域中廣泛分布是生態環境較為良好的關鍵所在,但這些區域一旦受到人類活動的干擾,其生態恢復或重建較為困難,往往也會伴隨滑坡、泥石流、水土流失等地質災害的發生[7]。二是高生態風險區主要分布于受人類活動影響較大的洞庭湖及其廣大的沖擊平原。這些區域地處江南“魚米之鄉”,是長江流域乃至全國重要的農產品和水產品的主產區,生態環境較為脆弱。

本研究基于生態系統景觀格局與生態風險之間的關聯,構建由景觀干擾度指數和景觀脆弱度指數構成的生態風險評價模型,該方法提供了一種便捷而高效的途徑[15],從鞏杰[29]、呂樂婷[45]等國內學者廣泛地使用該模型可以認為基于土地利用變化的生態風險評價是合理的、可適用的。但一般而言,生態風險評價應更多地關注于生態過程,從影響區域生態環境的多方面進行綜合評判,本研究該不足之處在下一步研究中會加以改進。同時,受研究者知識、經驗和主觀因素的限制,對洞庭湖流域土地利用變化及生態風險演變的驅動力還有待完善。未來研究應從自然因素和人為因素角度關注區域生態風險所涉及的風險源,明確驅動因素對土地利用變化及生態風險演變的作用機制,進而提出可行有效的流域生態環境管理和高質量發展建議。