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蕪湖市土地利用時(shí)空演變與生態(tài)敏感性分析

2023-08-26 19:52:49晉歡
安徽農(nóng)業(yè)科學(xué) 2023年15期

摘要 基于2000—2020年蕪湖市土地利用數(shù)據(jù),利用ArcGIS 10.7等軟件分析蕪湖市20年間土地利用變化,選取高程、坡度、坡向等8個(gè)單因子結(jié)合AHP層次分析法確定各單因子的權(quán)重并對(duì)研究區(qū)域生態(tài)敏感性進(jìn)行加權(quán)疊加分析。結(jié)果表明,2000—2010年蕪湖市土地利用情況發(fā)生較大變化,林地與耕地是減少較多的用地類型,大多轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地;林地轉(zhuǎn)化為耕地、耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地面積較多。景觀格局指數(shù)表明人為干擾程度逐漸強(qiáng)烈,斑塊數(shù)量逐漸減少,生物多樣性降低,斑塊之間分離度增加,形狀指數(shù)降低。綜合生態(tài)敏感性分區(qū)以中敏感為主,占整個(gè)研究區(qū)面積的53.82%。

關(guān)鍵詞 土地利用;時(shí)空演變;生態(tài)敏感性;生態(tài)安全;蕪湖市

中圖分類號(hào) X 171.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 0517-6611(2023)15-0078-04

doi:10.3969/j.issn.0517-6611.2023.15.018

Analysis of Spatial-temporal Evolution and Ecological Sensitivity of Land Use in Wuhu City

JIN Huan

(Anhui Agricultural University, Hefei, Anhui 230000)

Abstract Based on the land use data of Wuhu City from 2000 to 2020, ArcGIS 10.7 and other software were used to analyze the land use change of Wuhu City in 20 years.Selecting 8 single factors such as elevation, slope and aspect, and combine them with the Analytic Hierarchy Process (AHP) to determine the weights of each single factor, and perform weighted overlay analysis on the ecological sensitivity of the study area.The results showed that the land use in Wuhu City had changed greatly from 2000 to 2010. Forest land and cultivated land were the types of land that had been reduced more, and most of them had been converted into construction land.The conversion of forest land into arable land and arable land into construction land were relatively large.The landscape pattern index indicated that the degree of human interference gradually intensified, the number of patches gradually decreased, biodiversity decreased, the degree of separation between patches increased, and the shape index decreased.The comprehensive ecological sensitivity zoning was mainly medium sensitive, accounting for 53.82% of the entire research area.

Key words Land use;Spatial-temporal evolution;Ecological sensitivity;Ecological security;Wuhu City

長(zhǎng)江流域土地資源隨著城市化快速發(fā)展,在重重?cái)D壓中面臨著面積縮減、生物多樣性降低、景觀破碎度增加等問(wèn)題[1-2]。2020年《長(zhǎng)江保護(hù)法》出臺(tái)后流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)引起廣泛關(guān)注并成為周邊城市近年來(lái)發(fā)展的核心,流域生態(tài)問(wèn)題的修復(fù)與治理不僅需要單個(gè)片區(qū)的努力,也需要將整個(gè)流域體系看作一個(gè)整體,相互促進(jìn)協(xié)同合作[3]。

目前許多學(xué)者利用GIS技術(shù)、ENVI軟件等通過(guò)遙感影像的數(shù)據(jù)處理與空間分析對(duì)流域進(jìn)行研究。湯佳等[4]基于FLUS模型對(duì)汨羅江流域土地利用變化情況進(jìn)行分析,提出基于水安全的流域土地利用優(yōu)化策略,推動(dòng)流域尺度的可持續(xù)發(fā)展研究。尹劍等[5]利用MCE-CA-Markov模型分析和預(yù)測(cè)了皖江流域土地利用變化與景觀格局。高俊剛等[6]以金沙江下游地區(qū)為例,通過(guò)等級(jí)層次分析法確定各指標(biāo)組合權(quán)重,結(jié)合GIS技術(shù)進(jìn)行生態(tài)功能分區(qū);凌煥然等[7]運(yùn)用專家打分法和成對(duì)比較法確定因子權(quán)重,對(duì)馬鞍山江心洲進(jìn)行生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)。該研究在2000、2010、2020年蕪湖市土地利用基礎(chǔ)信息上利用GIS技術(shù)、景觀指數(shù)分析技術(shù)(Fragstats)、遙感影像處理技術(shù)(ENVI)等對(duì)20年間蕪湖市土地利用、景觀格局、生態(tài)敏感性進(jìn)行系統(tǒng)分析,研究蕪湖市土地利用景觀格局變化方式及影響,生態(tài)敏感因子及敏感區(qū)域劃分,提出相應(yīng)的土地利用調(diào)整對(duì)策,以期為各項(xiàng)規(guī)劃提供現(xiàn)實(shí)借鑒意義。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

蕪湖市位于安徽省東南部長(zhǎng)江下游,南倚皖南山系,北望江淮平原,地理位置為117°40′~118°44′E、30°19′~31°34′N,區(qū)域內(nèi)包含鏡湖區(qū)、弋江區(qū)、鳩江區(qū)、三山區(qū)、繁昌區(qū)、南陵縣、無(wú)為市、蕪湖縣五區(qū)兩縣一地級(jí)市,總面積6 026 km2。本區(qū)在地貌上屬長(zhǎng)江中下游地區(qū),以階地和河漫灘構(gòu)成的平原為主,地勢(shì)南高北低,平原丘陵皆備,河湖水網(wǎng)密布。根據(jù)第七次人口普查數(shù)據(jù)顯示,截至2020年11月常住人口為364萬(wàn)。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

1.2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源。

該研究以國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心的2000、2010、2020年空間分辨率為30 m的全球地表覆蓋數(shù)據(jù)(GlobeLand30)為原始數(shù)據(jù);蕪湖市30 m空間分辨率DEM數(shù)據(jù)以及2021年3月Landsat8遙感影像數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái);道路、河流數(shù)據(jù)來(lái)源于全國(guó)地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng);其他區(qū)數(shù)據(jù)及資料參考《安徽省統(tǒng)計(jì)年鑒》等資料。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理。

利用ArcGIS 10.7軟件將土地利用數(shù)據(jù)按掩膜提取,制作土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣,分析整理不同年份蕪湖市土地利用轉(zhuǎn)移情況;將土地利用數(shù)據(jù)導(dǎo)入Fragstats 4.2軟件計(jì)算蕪湖市景觀格局指數(shù),通過(guò)區(qū)域內(nèi)景觀格局指數(shù)變化情況了解各斑塊變化趨勢(shì)。利用ENVI軟件制作歸一化植被指數(shù)圖像,在GIS中將研究區(qū)所需圖像進(jìn)行矢量化處理、編輯屬性表、建立數(shù)據(jù)庫(kù)、重分類等操作,分別制作高程等單因子生態(tài)敏感性分析圖,最后通過(guò)加權(quán)疊加分析獲得蕪湖市生態(tài)敏感性圖像[8]。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣。

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是馬爾科夫模型在土地變化情況上的具體應(yīng)用,它不僅可以定量表現(xiàn)土地利用類型間的轉(zhuǎn)化也可揭示土地利用類型間的轉(zhuǎn)換速率[9]。從面積變化入手反映特定區(qū)域土地利用變化情況,通過(guò)分析土地利用類型變化總量,了解土地利用總體變化趨勢(shì)和結(jié)構(gòu)變化情況,其公式如下:

式中:p為土地利用轉(zhuǎn)移概率矩陣;n為土地類型;i、j代表研究期初和期末的土地類型。

1.3.2 景觀格局指數(shù)。

景觀反映了一定區(qū)域土地及土地上的空間物質(zhì)所構(gòu)成的綜合體,是復(fù)雜自然過(guò)程與人類活動(dòng)的烙印[10]。景觀格局即大小形狀各異的景觀要素在空間上的排列組合,通過(guò)景觀格局變化的研究,可以準(zhǔn)確掌握研究區(qū)土地利用演變規(guī)律。

利用Fragstats軟件在景觀級(jí)別上選取最大斑塊指數(shù)(LPI)、斑塊數(shù)量(NP)、斑塊密度(PD)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)、香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、分離度(SPLIT),分析2000—2020年蕪湖市景觀格局變化情況。

1.3.3 生態(tài)敏感性分析。

該研究采用AHP層次分析法進(jìn)行計(jì)算,該方法是定性與定量相結(jié)合解決多種復(fù)雜問(wèn)題的決策分析方法,根據(jù)問(wèn)題的性質(zhì)和要達(dá)到的總目標(biāo),將問(wèn)題分為不同的組成因素,并按照因素間的相互關(guān)聯(lián)程度及隸屬關(guān)系將因素按不同層次聚集組合,形成一個(gè)多層次分析結(jié)構(gòu)模型[11-14]。

確定各單因子權(quán)重后在ArcGIS中進(jìn)行加權(quán)疊加分析,其公式如下:

式中:S為生態(tài)敏感性指數(shù);i為各評(píng)價(jià)因子編號(hào);n為評(píng)價(jià)因子總數(shù);ωi表示第i個(gè)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重;Ai為第i個(gè)評(píng)價(jià)因子的敏感性評(píng)價(jià)值。

利用AHP層次分析法進(jìn)行權(quán)重計(jì)算時(shí),需要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)分析,即計(jì)算一致性指標(biāo)CR值(CR=CI/RI)。通常情況下CR值越小,則說(shuō)明判斷矩陣一致性越好,CR值小于0.1,則判斷矩陣滿足一致性檢驗(yàn);如果CR值大于0.1,則說(shuō)明不具有一致性。

此次針對(duì)8階判斷矩陣計(jì)算得到CI值為0.109,針對(duì)RI值查表為1.410,因此計(jì)算得到CR值為0.077<0.1,意味著此次研究判斷矩陣滿足一致性檢驗(yàn),計(jì)算所得權(quán)重具有一致性。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用變化及轉(zhuǎn)移矩陣分析

2000—2020年蕪湖市土地利用類型變化差異較大,面積從大到小依次是耕地>林地>建設(shè)用地>水體>草地。總體結(jié)構(gòu)以耕地為主,近20年來(lái)占據(jù)比例近70.00%。2000—2010年耕地面積逐漸減少,減少了2.25%;林地、草地面積均略有增加,變化幅度不大,屬于正常土地變動(dòng);水體增加了0.81%,變化幅度較小,可能與水體季節(jié)性變化相關(guān);建設(shè)用地面積增加46.21 km2,增長(zhǎng)0.77%;可見(jiàn)這10年蕪湖市土地利用變化幅度不大,除耕地急劇減少外,其他用地類型變化幅度在1%左右。2010—2020年,除建設(shè)用地大幅度增加,快速增長(zhǎng)了3.25%外,其他用地類型面積也在快速下降,其中林地下降速率最大,下降了1.75%。從圖1可以看出,蕪湖市2000—2010年發(fā)展速率較為平緩,快速發(fā)展及建設(shè)時(shí)間集中在2010—2020年,總體來(lái)說(shuō)林地與耕地是減少較多的用地類型,大多轉(zhuǎn)化為了建設(shè)用地。在快速經(jīng)濟(jì)發(fā)展階段生態(tài)安全與生態(tài)修復(fù)應(yīng)成為后期發(fā)展重點(diǎn)[15]。

通過(guò)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析(表1)可知,近20年來(lái)轉(zhuǎn)移面積最大的是耕地,凈增長(zhǎng)最大的為建設(shè)用地,草地轉(zhuǎn)化幅度小幾乎保持不變;耕地轉(zhuǎn)化幅度最大,其中轉(zhuǎn)化給建設(shè)用地面積最多,轉(zhuǎn)化了360.96 km2;建設(shè)用地轉(zhuǎn)化為其他用地類型面積較小,轉(zhuǎn)化為耕地面積144.07 km2,總體來(lái)說(shuō)耕地與建設(shè)用地相互轉(zhuǎn)換,在20年間有216.89 km2耕地被建設(shè)用地替代;林地轉(zhuǎn)化為耕地最多,轉(zhuǎn)化面積達(dá)153.48 km2,說(shuō)明大量林地被砍伐用于耕種,在未來(lái)土地政策調(diào)整中退耕還林政策急需施行;水體由于季節(jié)性干涸與泛濫維持在較為平衡水平;草地變化幅度不大,轉(zhuǎn)換為林地較多,轉(zhuǎn)換了8.13 km2。總體來(lái)說(shuō),蕪湖市土地利用轉(zhuǎn)變幅度不大,主要集中在耕地大量流失轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地;林地被耕地替代,其中林地、耕地面積大幅減少,在未來(lái)土地轉(zhuǎn)變政策中需要對(duì)用地面積進(jìn)行調(diào)整。

2.2 景觀格局指數(shù)分析

由表2可知,斑塊數(shù)量(NP)從2000年的20 068個(gè)下降至2020年的14 699個(gè),減少了5 369個(gè),斑塊密度(PD)逐漸降低,說(shuō)明蕪湖市近20年間斑塊逐漸變大,各斑塊密度降低,形成大而分散的土地利用形式。景觀形狀指數(shù)(LSI)越大,說(shuō)明形狀越規(guī)則,2010—2020年LSI劇減,說(shuō)明研究區(qū)斑塊形狀越來(lái)越不規(guī)則。最大斑塊指數(shù)(LPI)從35.754 2%下降至29.783 0%,說(shuō)明該區(qū)域內(nèi)最大斑塊所占整個(gè)斑塊百分比下降,內(nèi)部?jī)?yōu)勢(shì)種所占百分比下降。蔓延度指數(shù)(CONTAG)下降2.47%,說(shuō)明斑塊內(nèi)部景觀連通性降低,斑塊間逐漸分離破碎化程度增加。香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)與香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)小幅增加,說(shuō)明斑塊類型分布逐漸均勻。由此可知,在近年來(lái)的發(fā)展與規(guī)劃建設(shè)中蕪湖市用地斑塊由零散的小斑塊逐漸聚合成較大斑塊,斑塊間的連通性降低,破碎度增加,斑塊形狀變得多樣,最大優(yōu)勢(shì)斑塊優(yōu)勢(shì)度降低,斑塊間多樣性降低,土地利用逐漸向著單一化方向發(fā)展。

2.3 生態(tài)敏感性分析

2.3.1 單因子生態(tài)敏感性分析。在ArcGIS 10.7中利用自然斷點(diǎn)法將每個(gè)單因子劃分為5類,分別為不敏感、低敏感、中敏感、高敏感、極高敏感。由圖2可知:蕪湖市總體為平原丘陵地貌,從高程因子來(lái)看,主要以不敏感區(qū)域?yàn)橹鳎娣e為4 641.74 km2,占總面積的77.03%,除不敏感區(qū)域外其余區(qū)域所占比例不到總面積的30.00%,主要分布在南部、西部、西北部;從坡度因子來(lái)看,由于蕪湖市大多區(qū)域地勢(shì)平坦,坡度在3°~8°的低敏感區(qū)占比最多,占總面積的27.21%,對(duì)于這樣的低敏感區(qū)域可結(jié)合植物種植與小地形設(shè)計(jì)巧妙利用;從坡向因子來(lái)看,坡向影響日照時(shí)數(shù)與太陽(yáng)輻射,對(duì)植物生長(zhǎng)以及建筑物等影響較大,通常情況下,坡向有8個(gè)方位,結(jié)合輻射收入及坡向?qū)ㄖ锏牟晒庥绊懗潭龋瑢?個(gè)方位分成5組[16],第1組為極高敏感區(qū),約占總面積的14.83%;第2組為高敏感區(qū),約占總面積的24.25%;第3組為中敏感區(qū),約占總面積的12.55%;第4組為低敏感區(qū),約占總面積的36.65%,第5組為不敏感區(qū)域,約占總面積的11.72%。植被覆蓋度是描述生態(tài)系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)之一,也是區(qū)域生態(tài)環(huán)境發(fā)生變化的重要指示[17],本區(qū)植被覆蓋以不敏感為主,面積1 915.01 km2,占總面積的31.78%,高敏感、極高敏感面積分別是339.83、326.32 km2,分別占區(qū)域面積的5.64%、5.42%,主要植被覆蓋分布在城市邊緣山地丘陵處。從水體因子角度來(lái)看,蕪湖市位于長(zhǎng)江中下游流域,水資源豐富,極高敏感與高敏感區(qū)域約占總面積的50.00%,該區(qū)域內(nèi)應(yīng)嚴(yán)禁各種污染活動(dòng),中敏感區(qū)約占總面積的16.20%。從道路角度來(lái)看,道路對(duì)周圍生態(tài)環(huán)境的干擾隨著距離的增大而減小,不敏感、低敏感、中敏感約占總面積的54.75%,高敏感區(qū)域占20.69%,極高敏感占24.56%;高敏感與極高敏感的道路區(qū)域主要集中在長(zhǎng)江流域周圍主要城市建設(shè)區(qū)范圍內(nèi)。從土地利用類型來(lái)看,現(xiàn)狀用地主要分為建設(shè)用地、耕地、水體、林地、草地5種類型,其中建設(shè)用地人為干擾程度最大,生態(tài)敏感性最低,約占總面積的10.27%,該區(qū)域需要限制相關(guān)開(kāi)發(fā)建設(shè)并以生態(tài)修復(fù)為主。從生物豐度角度來(lái)看,它反映被評(píng)價(jià)區(qū)域環(huán)境質(zhì)量狀況[18],參考不同地域空間的土地利用類型計(jì)算生物豐度并對(duì)其分級(jí),其中生物豐度面積最大區(qū)域主要集中在低敏感區(qū)域,面積2 549.00 km2,占總面積的42.30%;高敏感與極高敏感區(qū)域分別占總面積的15.12%、11.09%。

2.3.2 綜合因子生態(tài)敏感性分析。

在經(jīng)過(guò)單因子生態(tài)敏感性分析、AHP層次分析法確定權(quán)重等步驟后,運(yùn)用ArcGIS 10.7軟件空間分析模塊的加權(quán)疊加分析技術(shù)[19],得出蕪湖市綜合因子生態(tài)敏感性圖像(圖3)。經(jīng)計(jì)算,極高與高敏感區(qū)面積約為1 022 km2,約占總面積的16.96%,主要集中在區(qū)域內(nèi)的林地與水系環(huán)繞區(qū)域,該區(qū)域內(nèi)資源豐富且生物多樣性較高,環(huán)境敏感脆弱,很容易受到人為活動(dòng)的干擾和破壞,因此需要對(duì)該區(qū)域高度保護(hù),同時(shí)以維持生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性、提高生態(tài)環(huán)境的多樣性為主要目的,嚴(yán)禁人為的開(kāi)發(fā)建設(shè)以及其他有污染的活動(dòng)。中敏感區(qū)域分散分布在整個(gè)區(qū)域內(nèi),約占總面積的53.82%,該區(qū)域生態(tài)環(huán)境相對(duì)比較脆弱,較易受到人為活動(dòng)的干擾,區(qū)域內(nèi)僅限于進(jìn)行低強(qiáng)度的開(kāi)發(fā)建設(shè),且必須做好相應(yīng)的生態(tài)保護(hù)措施,避免各類人為活動(dòng)對(duì)其帶來(lái)破壞。低敏感區(qū)與不敏感區(qū)是適宜建設(shè)的區(qū)域,面積約為1 761 km2,約占總面積的29.22%,是未來(lái)城市建設(shè)發(fā)展的主要區(qū)域。

3 結(jié)論與討論

(1)2000—2010年蕪湖市土地利用情況發(fā)生較大變化。林地與耕地是減少較多的用地類型,大多轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地。從土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可知林地轉(zhuǎn)化為耕地、耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地面積較多,說(shuō)明人類活動(dòng)大量干預(yù)了自然用地類型,由自然轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯び玫氐内厔?shì)在加大[20]。

(2)由景觀格局分析可知,蕪湖市用地斑塊由零散的小斑塊逐漸聚合成較大斑塊,斑塊間的連通性降低,破碎度增加,斑塊形狀變得多樣,最大優(yōu)勢(shì)斑塊優(yōu)勢(shì)度降低,斑塊間多樣性降低,人為干擾打破了原有自然用地模式,土地利用逐漸向著單一化方向發(fā)展。

(3)從綜合因子生態(tài)敏感性來(lái)看,蕪湖市以中敏感區(qū)域?yàn)橹鳎s占總面積的53.82%。說(shuō)明本區(qū)生態(tài)系統(tǒng)抵抗外界干擾能力中等,在開(kāi)發(fā)建設(shè)中要注意特定區(qū)域的保護(hù),劃定建設(shè)與保護(hù)紅線。不敏感與低敏感區(qū)域主要集中在城市西側(cè),城市建設(shè)與開(kāi)發(fā)可向西側(cè)進(jìn)行轉(zhuǎn)移。高敏感與極高敏感區(qū)主要集中在西北、南部的林地區(qū)域,對(duì)該區(qū)域主要以封閉式保護(hù)為主,嚴(yán)格禁止大面積開(kāi)發(fā)建設(shè)[21]。

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作者簡(jiǎn)介 晉歡(1996—),女,安徽蕪湖人,碩士研究生,研究方向:景觀生態(tài)。

收稿日期 2022-08-28

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