基于土地利用時空變化的生態(tài)風(fēng)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(shù)據(jù)，借助Arcgis和GS+軟件對相應(yīng)數(shù)據(jù)進行分析處理，并利用空間自相關(guān)進一步確定生態(tài)風(fēng)險指數(shù)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(zhuǎn)換為建設(shè)用地;生態(tài)風(fēng)險等級主要以中等和較低等級為主;1990～2015年morans I指數(shù)不斷增加，且逐漸趨向于1，表明生態(tài)風(fēng)險指數(shù)空間相關(guān)程度明顯，且有逐步增強的趨勢。

關(guān)鍵詞：皖江城市帶;土地利用變化;生態(tài)風(fēng)險;空間自相關(guān)

隨著社會經(jīng)濟高速發(fā)展的需求以及人口數(shù)量不斷增長的現(xiàn)實，對自然資源過度的消耗產(chǎn)生了一系列生態(tài)環(huán)境問題，已經(jīng)嚴(yán)重威脅了自身的安全與發(fā)展。因此，如何改變當(dāng)下困境成為人們關(guān)注的焦點，生態(tài)風(fēng)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(guān)注。生態(tài)風(fēng)險評價是生態(tài)系統(tǒng)及其組成部分在受到外界壓力的情況下，對其可能發(fā)生或正在發(fā)生的不利生態(tài)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(tài)風(fēng)險之間相關(guān)性的研究越來越多，土地利用變化已經(jīng)作為一種人為干擾源出現(xiàn)在生態(tài)系統(tǒng)中，而生態(tài)風(fēng)險評價作為當(dāng)今風(fēng)險管理的一種重要科學(xué)手段，也為土地利用生態(tài)效應(yīng)的定量化評估帶來了新思路。

當(dāng)前，針對土地利用生態(tài)風(fēng)險評價，在研究方法上主要有半變異函數(shù)分析以及克里格差值、空間自相關(guān)、轉(zhuǎn)移矩陣方法等。在研究模式上主要有兩種，一是基于傳統(tǒng)的風(fēng)險源匯;二是直接從景觀生態(tài)學(xué)的角度評價生態(tài)風(fēng)險。在研究尺度上主要集中在流域與城鎮(zhèn)上，如高永年以及曾勇分別對太湖流域以及呼和浩特市區(qū)生態(tài)風(fēng)險進行了評價;而對于更大尺度上的經(jīng)濟帶研究甚少。皖江城市帶是作為泛長三角地區(qū)的重要組成部分，在中西部產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移承接上具有重大戰(zhàn)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(zhèn)化背景下土地利用格局的時空變化特征以及對生態(tài)風(fēng)險評價的影響。

一、研究區(qū)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(qū)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(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移為主線的區(qū)域戰(zhàn)略規(guī)劃，它于2010年8月被國務(wù)院正式納入國家發(fā)展戰(zhàn)略中，在中西部崛起戰(zhàn)略地位舉足輕重。

二、研究數(shù)據(jù)與研究方法

（一）研究數(shù)據(jù)

該研究所涉及的數(shù)據(jù)有兩類：土地利用數(shù)據(jù)與社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)。土地利用數(shù)據(jù)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(xué)院資源環(huán)境科學(xué)中心對研究區(qū)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(jié)合生態(tài)風(fēng)險評價研究的現(xiàn)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(shè)用地、未利用地共計6類。

2. 區(qū)域生態(tài)風(fēng)險分析

首先根據(jù)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(jié)合的方法，參照相關(guān)研究劃定生態(tài)風(fēng)險評價單元，通過Arcgis中“漁網(wǎng)工具”設(shè)定不同尺度得評價單元，最終選取選取10km×10km的網(wǎng)格評價樣地，共計889個。通過生態(tài)風(fēng)險公式計算出每個評價樣地的生態(tài)風(fēng)險指數(shù)，并劃分風(fēng)險等級，并將其作為評價單元中心點的風(fēng)險水平。對于評價地塊邊緣不足10km×10km的網(wǎng)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(tài)風(fēng)險如式（1）所示：

ERI=（1）

其中，ERI表示評價單元的生態(tài)風(fēng)險指數(shù);Ai表示評價單元內(nèi)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(tài)風(fēng)險的參數(shù);A表示第i個評價單元的總面積。本研究權(quán)重的確定參考胡金龍的研究，耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地的權(quán)重分別為0.1916、0.0427、0.0726、0.1425、0.3934、0.1572。

3. 地統(tǒng)計法

基于上述計算出的各個評價單元的生態(tài)風(fēng)險指數(shù)以及生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的空間特性，采用半方差的分析方法對評價單元的生態(tài)風(fēng)險指數(shù)進行插值，最終得到整個研究區(qū)域生態(tài)風(fēng)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(tǒng)在xi+h和xi處的風(fēng)險值;n（h）表示評價單元間距為h樣本對數(shù)總和：h為評價單元間距。運用Arcgis中空間模型對半方差函數(shù)進行擬合，再此基礎(chǔ)上對皖江城市帶風(fēng)險值進行插值。

4. 空間自相關(guān)

空間自相關(guān)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(xué)第一定律。本研究利用morans I指數(shù)來測度所有生態(tài)單元的生態(tài)風(fēng)險值在整體上的自相關(guān)，此外，采用空間關(guān)聯(lián)局域指標(biāo)（LISA）檢測觀測值的高值或低值的局部空間集聚。

三、結(jié)果分析

（一）土地利用變化分析

土地轉(zhuǎn)移矩陣可以描述一定階段各土地利用類型相互轉(zhuǎn)換的方向和數(shù)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(shè)用地，共增加1430.68km2。在土地利用轉(zhuǎn)移方面，耕地主要轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，轉(zhuǎn)移面積為1335.05km2，轉(zhuǎn)移率為3.32%;其次是水域和林地，分別轉(zhuǎn)移了196.32km2和59.5km2，主要原因是耕地被開發(fā)進行養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展和“退耕還林”政策的施行。建設(shè)用地主要轉(zhuǎn)化為耕地，轉(zhuǎn)移面積為100.56km2，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移不明顯，具體情況如表1所示?？傮w上看，主要表現(xiàn)為建設(shè)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(jīng)濟發(fā)展的現(xiàn)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(xù)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(shè)用地與水域面積持續(xù)上升，建設(shè)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(zhuǎn)移來看，1990～2015年轉(zhuǎn)出面積最多為耕地，主要轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地、水域和林地;耕地是建設(shè)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(zhuǎn)換為耕地。

從生態(tài)風(fēng)險指數(shù)和等級分布上看，1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年歷年生態(tài)風(fēng)險指數(shù)區(qū)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(tài)風(fēng)險指數(shù)最大值由0.30增加到0.35，增幅為16.67%;生態(tài)風(fēng)險等級主要呈現(xiàn)出在合肥市和蕪湖市兩個“主副”中心迅速擴散，在低等級風(fēng)險區(qū)域基本不變的形態(tài)，這也與歷年生態(tài)風(fēng)險指數(shù)最小值為0.04不變的現(xiàn)實保持一致。

從生態(tài)風(fēng)險等級變化來看，1990～2015年，生態(tài)單元風(fēng)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(qū)域整體生態(tài)風(fēng)險水平在增加。從生態(tài)風(fēng)險等級面積轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出來看，較低生態(tài)風(fēng)險區(qū)與中生態(tài)風(fēng)險區(qū)是五個風(fēng)險區(qū)內(nèi)最活躍的兩個風(fēng)險區(qū);高生態(tài)風(fēng)險區(qū)的轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出面積都相對較小，是五個風(fēng)險區(qū)內(nèi)變化最小的風(fēng)險區(qū);高生態(tài)風(fēng)險區(qū)面積的轉(zhuǎn)入只來源中生態(tài)風(fēng)險區(qū)和較高生態(tài)風(fēng)險區(qū)，且其轉(zhuǎn)出面積全部為較高生態(tài)風(fēng)險區(qū)。

從生態(tài)風(fēng)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(tài)風(fēng)險指數(shù)空間相關(guān)程度明顯，且有逐步增強的趨勢。從局部自相關(guān)分析來看，1990～2015年皖江城市帶生態(tài)風(fēng)險指數(shù)主要呈現(xiàn)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(qū)域以及蕪湖市、滁州市、馬鞍山市小部分區(qū)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(qū)地帶，整體上保持穩(wěn)定態(tài)勢。

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（作者單位：安徽師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院）