2010—2020年巢湖流域生態系統類型的時空變化特征及驅動力分析

2022-04-19 12:02:42袁步先吳楠程鵬

安徽農業科學 2022年7期

袁步先吳楠程鵬

摘要基于巢湖流域生態系統類型分布的持續觀測數據，從年變化率、動態度和轉移矩陣3個方面分析2010—2020年巢湖流域生態系統類型的時空變化特征，并剖析變化的驅動因素。結果表明，2010—2020年巢湖流域生態系統類型面積變化最為明顯的趨勢是農田面積的持續大幅縮減和城鎮用地的急劇大幅擴張。生態系統動態度（LC值）較大的是其他建設用地和城鎮用地，全巢湖流域LC值為05%。10年間巢湖流域開發建設對農業和生態空間的大量擠占主要發生在城市周邊。此外，流域內農田與濕地的相互轉化也較明顯。城市化以及工業和礦山開發是巢湖流域近10年最為主要的生態系統類型變化的驅動因素。

關鍵詞巢湖流域;生態系統類型;動態度;轉移矩陣;時空變化特征;驅動力

中圖分類號 X171.4? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2022）07-0059-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.07.015

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Analysis on Spatial Temporal Variation Characteristics and Driving Forces of Ecosystem Types in Chaohu Lake Basin from 2010 to 2020

YUAN Bu-xian， WU Nan， CHENG Peng

（Anhui Provincial Academy of Eco-Environmental Science Research ， Hefei， Anhui 230071）

Abstract Based on the continuous observation data of the distribution of ecosystem types in Chaohu Lake Basin， this paper analyzed the temporal and spatial variation characteristics of ecosystem types in Chaohu Lake Basin from 2010 to 2020 from three aspects （annual change rate， dynamic change index and transfer matrix）， and analyzed the driving factors of change. The results showed that from 2010 to 2020， the most obvious trend of ecosystem type area change in Chaohu Lake Basin was the continuous sharp reduction of farmland area and the sharp expansion of urban land. The ecosystem dynamic change index （LC value） was large， which was other construction land and urban land， and the LC value of the whole Chaohu Lake Basin was 0.5%.In the past 10 years， the development and construction of Chaohu Lake Basin had occupied a large amount of agricultural and ecological space， mainly around the city. In addition， the mutual transformation of farmland and wetland in the basin was also obvious. Urbanization and industry and mine development were the most important driving factors for the change of ecosystem types in Chaohu Lake Basin in recent 10 years.

Key words Chaohu Lake Basin;Ecosystem types;Dynamic degree;Transition matrix;Temporal and spatial variation characteristics;Driving force

巢湖位于安徽省中部和長江下游左岸，是全國五大淡水湖之一[1]。巢湖流域是典型的湖泊型流域，具有山水林田湖等全要素，水陸生態系統交織，是統籌各自然生態要素和人類活動影響、進行生態保護修復研究的理想流域。近10年來，巢湖流域工業化、城鎮化和農業現代化的快速增長對其復合生態系統的空間結構和格局產生了深遠影響。雖然全力推進的巢湖流域生態保護修復工作取得了一定成效，但流域整體的生態脅迫壓力仍然較重。對照合肥市建設長三角世界級城市群副中心的要求，“十四五”期間合肥的開發規模與強度將進一步加大，處理好合肥市乃至巢湖流域“四化”（新型工業化、信息化、城鎮化、農業現代化）快速發展與生態安全格局構建之間的矛盾，是實現巢湖流域可持續發展的必然要求。

研究區域（流域）尺度生態系統類型演變的原因、內部機制、基本過程、預測未來變化方向和后果，既是認識自然生態系統和經濟社會系統對其耦合作用關系的重要渠道，也是掌握區域（流域）生態狀況、制定生態保護修復策略與生態文明建設政策與措施的基礎和依據[2-3]。該研究定量定位地分析了巢湖流域2010—2020年生態系統狀況及格局的時空變化特征，剖析導致格局演變的驅動力因素及其影響作用，有助于量化評價巢湖流域經濟社會活動對生態系統的擾動程度以及生態保護修復政策實施的實際效果，發現前期存在的問題并提出后期應對策略，為巢湖流域高水平保護和高質量發展提供科學依據和決策支持。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

巢湖流域面積13 486 km2，流域跨合肥市、蕪湖市、馬鞍山市、六安市和安慶市5市17個縣（市、區）。流域地勢總體是西高東低、中間低洼，湖區形似鳥巢。流域西南部大別山余脈，南部和東部為沿巢及沿江圩區，西部和北部是江淮丘陵。巢湖流域屬北熱帶濕潤季風氣候區，四季分明、氣候溫和，年均氣溫15.8 ℃，年降雨量1 120.3 mm。巢湖閘上流域面積9 153 km2，入湖的主要河流有南淝河、派河、杭埠河（豐樂河）、白石天河、兆河、柘皋河等，呈放射狀匯入巢湖。巢湖閘下流域面積4 333 km2，主要河流有裕溪河、西河、清溪河、牛屯河等直接入江河道。流域內天然湖泊有巢湖、黃陂湖和已圍墾的白湖等（圖1）。流域年均地表水資源總量53.6億m3，杭埠河、南淝河、白石天河3條河流入湖徑流量占75%以上，其中杭埠河注入巢湖的水量最大[4]。

2019年巢湖流域戶籍人口1 085.17萬，人口密度801人/km2，流域內人口分布不均，其中合肥人口密度最高，達到1 026人/km2，安慶最低，為287人/km2。2019年巢湖流域實現地區生產總值10 561.6億元，以占全省9.6%的土地面積聚集了全省15.2%的人口，創造了全省28.5%的經濟總量，是省內綜合實力最強、經濟最活躍、開放程度最高的區域[5]。

2020年巢湖全湖及東、西半湖水質均為Ⅳ類，呈輕度富營養狀態，主要污染指標為總磷。21條環湖河流中，4條河流水質狀況為優，11條為良好，5條為輕度污染，1條為中度污染?！笆濉逼陂g，巢湖湖體水質有所好轉，水質類別保持穩定，主要污染指標總磷和總氮濃度分別下降25%和15%。環湖河流總體水質明顯好轉，由中度污染好轉為良好，Ⅰ～Ⅲ類水質斷面比例上升7.4百分點，劣Ⅴ類斷面實現清零，下降31.6百分點[6]。

1.2 數據來源

選擇2010、2015和2020年3個時段，對巢湖流域的生態系統類型時空變化特征及驅動力進行分析。巢湖流域生態系統類型數據源于中國科學院資源環境科學數據中心（http：//www.resdc.cn）的中國土地覆被現狀遙感監測數據庫，該數據以美國陸地衛星Landsat遙感影像數據作為主信息源，通過人工目視解譯獲取，空間分辨率為30 m，地理坐標系為GCS_Krasovsky_1940，投影坐標系采用Albers 正軸等面積割圓錐投影。生態系統類型包括農田、森林、草地、濕地、城鎮和其他6個一級生態系統類型以及25個二級類型，其中巢湖流域涉及6個一級類型，18個二級類型，詳見表1。

1.3 研究方法

1.3.1 生態系統動態度。

采用動態度分析安徽省生態系統變化特征，分為單一生態系統動態度和綜合生態系統動態度。單一生態系統動態度計算公式如下[7-9]：

K=U b-U aU a×1T×100%（1）

式中，U a、U b分別為研究初期和研究末期某一種生態系統類型的數量;T為研究時段長度，當T的時段設定為年時，K值就是該研究區某種生態系統類型年變化率。

綜合生態系統動態度計算公式如下[10-13]：

LC= ni=1ΔLU i-j2 ni=1LU i×1T×100%（2）

式中，LU i為監測起始時間第i類生態系統類型面積;ΔLU i-j為研究時段第i類生態系統類型轉化為其他類生態系統類型面積的絕對值;T為研究時段長度，當T的時段設定為年時，LC的值就是該研究區域生態系統年變化率。

50卷7期袁步先等 2010—2020年巢湖流域生態系統類型的時空變化特征及驅動力分析

1.3.2 轉移矩陣模型。

為了便于疊加分析生態系統格局變化，在ArcGIS 10.3軟件中，將巢湖流域2個時期（2010—2015、2015—2020年）的生態系統格局柵格數據進行Combine運算，進而算出2個時段生態系統格局的轉移矩陣。為了進一步研究生態系統格局的動態變化強度，在此基礎上，采用轉移概率矩陣模型[14]：

P ij=S ij nj=1S ij（3）

式中，S ij為i類生態系統轉變為j類生態系統的面積，P ij為i類生態系統轉變為j類生態系統的轉移概率，n為生態系統類型分類數量。

1.3.3 驅動因素提取。

依據生態系統類型之間的相互轉化關系以及巢湖流域生態系統類型分布特點，并結合相關研究內容[15-16]，提取出城鎮化、農業開發和農村建設、工業和礦山開發、生態環境修復與改善、水資源利用共5類驅動因素（表2），計算5個驅動因素的貢獻率。

1.4 數據統計分析

在ArcGIS 10.3中進行數據配準、切割、合并、疊加、分類和分區統計等;其他相關數據的統計及計算等均在Excel中完成。

2 結果與分析

2.1 流域生態系統格局變化特征

2.1.1 分布面積變化。

2010—2020年巢湖流域的生態系統類型一直以農田為主，其次為森林和建設用地，3類合計占流域土地總面積的85%以上，是巢湖流域景觀基質的主要構成。農田在整個流域的平原、圩區廣泛分布，其中散布有農村居民點和旱地。城鎮和其他建設用地集中分布在合肥城區以及流域內的各個縣（市）城區，其中合肥城區體量巨大且10年間蔓延擴張明顯，其他各縣（市）城區規模也都有不同程度的增加。森林主要集中分布在流域西南部的大別山余脈、杭埠河和豐樂河上游，在廬江縣南部山區和巢湖市銀屏山、浮槎山脈也有森林分布（圖2）。

10年間巢湖流域生態系統類型面積變化最為明顯的趨勢是農田面積的持續大幅縮減和城鎮用地的急劇大幅擴張;濕地面積小幅增加的同時，林地和草地面積小幅減少。其中，濕地大類下的水庫坑塘和草地大類下的低覆蓋度草地面積出現了波動，前5年較大幅度增加、后5年小幅減少，建設用地大類下的農村居民點前5年小幅減少、后5年小幅增加，其余土地覆被類型面積變化趨勢前后5年基本一致。從面積年變化率上看（表3），2010—2015年，面積變化較大的是建設用地大類下的其他建設用地和城鎮用地，年變化率（K值）分別為22.5%和9.2%;農田大類下的水田雖然年變化率（K值）僅為-0.4%，但由于其面積基數大（占全流域總面積的50%以上），水田面積的凈減少仍然很大。2015—2020年，延續前5年的趨勢，建設用地大類下的其他建設用地和城鎮用地仍保持大幅增加態勢，年變化率（K值）分別為24.4%和12.1%;水田年變化率（K值）幅度減至-0.8%，持續大量減少。裸土地、低覆蓋度草地、中覆蓋度草地的年變化率（K值）幅度雖然很大，但由于其面積基數小，對整個流域的生態系統格局影響很小。

從表4可以看出，2010—2020年各生態系統類型面積轉出轉入絕對量較大的主要是農田大類下的水田（以轉出為主）以及建設用地大類下的城鎮用地（以轉入為主）、農村居民點（轉出轉入較平衡）和其他建設用地（以轉入為主）。10年間綜合生態系統動態度（LC值）較大的是其他建設用地和城鎮用地，分別達到22.8%和6.8%。全巢湖流域LC值為05%。

2.1.2 生態系統類型之間的相互轉化。

通過構建2010—2020年巢湖流域生態系統類型的面積轉移矩陣（表5）及轉移概率矩陣，多數二級生態系統類型都在90%以上的面積被保留，相對穩定，其中疏林地、中覆蓋度草地、低覆蓋度草地、湖泊、裸巖石質地100%的面積被保留，沒有轉出。農村居民點和其他建設用地有較大比例的面積轉出（主要轉為城鎮用地），保留率較低，分別為89.60%和57.12%。

從表5可以看出，2010—2020年的變化趨勢主要有：①農田有531.61 km2，森林有6.32 km2，草地有10.18 km2，濕地有7.17 km2的土地面積轉變成建設用地，農田來源的轉變主要發生在合肥城區和各個縣（市）周邊，草地來源的轉變主要發生在巢湖市周邊，森林和濕地來源的轉變相對零散。這種轉變反映了人類開發建設對農業和生態空間的擠占，更為顯著的城鎮化過程則發生在城市周邊。②農田與濕地的相互轉化，這是退田還湖（主要是大房郢水庫的建設）和圍湖造田（主要發生在黃陂湖周邊）相互的博弈。③農田向森林和草地的轉化，這反映出森林增長和生態保護修復工程的成效。④建設用地有部分轉為農田或草地，這是村莊用地集約規劃、農田復墾的結果。⑤水田5.47 km2轉為旱地，主要是部分地區推行“水改旱”的結果;農村居民點91.28 km2轉為城鎮用地，表明顯著的城鎮化過程;8.80 km2轉為其他建設用地，表明開發區、基礎設施以及礦區建設對農村的征用;其他建設用地有10.38 km2轉為城鎮用地，有4.10 km2轉為農村居民點，表明部分廠礦的“退二進三”過程。

2.2 流域生態系統類型變化驅動力

根據提取的5類驅動因素，計算2010—2020年巢湖流域在各驅動力作用下生態系統面積變化和各驅動因素貢獻率（表6）。10年間，城市化驅動導致生態系統類型變化的貢獻率占絕對優勢，達到68.97%，主要來源是農田、農村居民點和其他建設用地，來源為生態空間（森林、草地和濕地）的面積相對較小;其次是工業和礦山開發驅動，體現在開發區、基礎設施建設和礦區開發上，貢獻率達到23.99%，主要來源是農田和農村居民點，生態空間也有一定面積的轉化;農業開發和農村建設以及生態環境修復與改善的驅動相對貢獻率較小，分別僅為2.70%和2.60%，其中農業開發和農村建設驅動來源城鎮空間和生態空間面積相當，生態環境修復與改善驅動多數還是濕地生態系統的修復，來源主要仍為農業空間，城鎮空間相對較少;水資源利用的驅動主要體現在引江濟淮工程、環巢湖濕地工程和流域內一些水庫坑塘建設工程上，但面積相對流域范圍較小，驅動貢獻最小，僅占1.74%，主要來源也是農田。

3 結論與討論

3.1 結論

（1）2010—2020年巢湖流域的生態系統類型一直以農田、森林和建設用地為主導。10年間巢湖流域生態系統類型面積變化最為明顯的趨勢是農田面積的持續大幅縮減和城鎮用地的急劇大幅擴張。2010—2015年，其他建設用地和城鎮用地面積變化較大，年變化率（K值）分別為22.5%和92%;2015—2020年，延續前5年的趨勢，其他建設用地和城鎮用地仍保持大幅增加態勢，年變化率（K值）分別提高至24.4%和12.1%。10年間綜合生態系統動態度（LC值）較大的也是其他建設用地和城鎮用地，分別達到22.8%和6.8%，全巢湖流域LC值為0.5%。

（2）2010—2020年農田有531.61 km2、森林有6.32 km2、草地有10.18 km2、濕地有7.17 km2的土地面積轉變成建設用地，反映了人類開發建設對農業和生態空間的大量擠占，主要發生在城市周邊。10年間流域內農田與濕地的相互轉化較明顯，反映了退田還湖和圍湖造田的過程。此外，流域內生態修復和農田復墾過程也有體現。

（3）2010—2020年城市化驅動導致生態系統類型變化的貢獻率占絕對優勢，達到68.97%，主要來源是農田、農村居民點和其他建設用地;其次是工業和礦山開發的驅動，體現在開發區、基礎設施建設和礦區開發上，貢獻率達到23.99%，主要來源是農田和農村居民點，生態空間也有一定面積的轉化。

3.2 討論

該研究基于巢湖流域生態系統類型分布的持續觀測數據，定量定位地分析了2010—2020年生態系統分布面積變化以及類型之間相互轉化的態勢和規律，根據提取的5個驅動因子，識別出城市化以及工業和礦山開發是巢湖流域近10年最為主要的生態系統類型變化的驅動因素，為巢湖流域的生態保護修復與可持續發展提供最新的數據支撐。下一步將根據各類入湖河流流域的典型特征，結合實測數據，開展小流域生態系統（或土地覆被）類型變化的生態環境效應研究。

參考文獻

[1] 安徽省巢湖管理局.巢湖概況[EB/OL].（2021-01-18）[2022-01-07].http：//chglj.hefei.gov.cn/chwh/18009115.html.

[2] 馬赫，石龍宇，付曉.瀘沽湖生態系統格局變化及其驅動力[J].生態學報，2019，39（10）：3507-3516.

[3] 歐陽志云.我國生態系統面臨的問題與對策[J].中國國情國力，2017（3）：6-10.

[4] 安徽省水利水電勘測設計研究院，合肥市規劃設計研究院，安徽省環境科學研究院.巢湖綜合治理綠色發展總體規劃[R].合肥，2018.9.

[5] 合肥市人民政府.巢湖流域山水林田湖草沙一體化保護和修復工程項目實施方案[R].2021.

[6] 安徽省生態環境廳.2020年安徽省生態環境狀況公報[R].2021.

[7] 李忠鋒，王一謀，馮毓蓀，等.基于 RS 與 GIS 的榆林地區土地利用變化分析[J].水土保持學報，2003，17（2）：97-99，140.

[8] 王思遠，張增祥，周全斌，等.近 10 年中國土地利用格局及其演變[J].地理學報，2002，57（5）：523-530.

[9] 劉紀遠，張增祥，莊大方，等.20 世紀 90 年代中國土地利用變化時空特征及其成因分析[J].地理研究，2003，22（1）：1-12.

[10] 王思遠，劉紀遠，張增祥，等.中國土地利用時空特征分析[J].地理學報，2001，56（6）：631-639.

[11] 張永民，趙士洞.科爾沁沙地及其周圍地區土地利用的時空動態變化研究[J].應用生態學報，2004，15（3）：429-435.