近40年來洞庭湖流域土地利用及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空演變分析

楊 伶,鄧 敏,王金龍,*,闕華斐

1 中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院,長沙 410083

2 中南林業(yè)科技大學(xué)數(shù)字洞庭湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長沙 410004

3 湖南體育職業(yè)學(xué)院, 長沙 410019

20世紀(jì)90年代以來,隨著人口、資源和環(huán)境問題的日益突出,土地利用/土地覆被變化(LUCC)成為全球環(huán)境變化研究的前沿和熱點(diǎn)領(lǐng)域[1]。土地利用變化是人類活動(dòng)與自然環(huán)境相互作用最直接的表現(xiàn)形式[2],可以顯著改變生態(tài)系統(tǒng)格局,進(jìn)而影響過程和功能[3],從而對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響[4]。

生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)是指外界脅迫下一個(gè)種群、生態(tài)系統(tǒng)或整個(gè)景觀在內(nèi)部要素、健康、生產(chǎn)力、遺傳結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)價(jià)值和美學(xué)價(jià)值等方面所遭受損失的可能性[5]。自從這一概念產(chǎn)生以來,生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)在生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)和生態(tài)環(huán)境管理中發(fā)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(lǐng)意義的結(jié)構(gòu)框架[6],但基于土地利用變化的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究還有待進(jìn)一步完善[7]。與土地利用密切相關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)和格局變化與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)具有高度的關(guān)聯(lián)性[8],以土地利用變化為出發(fā)點(diǎn)的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),能較好地表征土地利用變化對(duì)生態(tài)過程和功能的影響[6]。目前該方面研究仍處于初步發(fā)展階段,主要以單一風(fēng)險(xiǎn)源或單一受體為主[7],研究尺度涵蓋重點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)控制區(qū)[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(nèi)的流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)為主[7],但對(duì)于跨省際的流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的研究較少。由于評(píng)價(jià)和管理主體并不在同一個(gè)省級(jí)行政轄區(qū)內(nèi),探究跨省際的流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空格局的演變特征,缺少較為系統(tǒng)的生態(tài)統(tǒng)計(jì)和監(jiān)測數(shù)據(jù)[14],而基于土地利用覆被數(shù)據(jù)得到的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)能直觀表達(dá)土地利用變化對(duì)生態(tài)環(huán)境的威脅程度和影響范圍,為跨省際流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供了便捷且高效的途徑[15],可為流域土地利用規(guī)劃和生態(tài)環(huán)境政策制定提供依據(jù)。

洞庭湖流域流經(jīng)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū),以“魚米之鄉(xiāng)”著稱。該流域森林資源較為豐富,生態(tài)環(huán)境較為良好,然而長期的生態(tài)系統(tǒng)開發(fā)利用和巨大的人口壓力導(dǎo)致洪澇災(zāi)害頻發(fā)[16]、水土流失、濕地退化、湖泊萎縮和水質(zhì)惡化等生態(tài)環(huán)境問題非常突出,也是中國典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)。因此,本研究對(duì)洞庭湖流域土地利用與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)展開研究,探究近40年來該流域土地利用變化的動(dòng)態(tài)特征和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空格局的演變特征,為完善流域土地利用優(yōu)化配置、生態(tài)安全和高質(zhì)量發(fā)展等提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)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(dá)26.3×104km2,占長江流域的14.6%[17]。整個(gè)流域由洞庭湖區(qū)、湘江、資水、沅水和澧水等子流域組成,流經(jīng)貴州、廣西、重慶、湖北、江西和廣東的部分地區(qū)及湖南省全境,其中湖南省境內(nèi)面積達(dá)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(huán)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(shì)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(fēng)濕潤氣候,雨熱同季且充沛。境內(nèi)交通較為便利,經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá),在城市化進(jìn)程中,人地關(guān)系日趨緊張,土地利用結(jié)構(gòu)和方式發(fā)生較大變化,生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)也隨之發(fā)生較為深刻地改變。

圖1 研究區(qū)概況圖

1.2 數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn),該數(shù)據(jù)是利用20世紀(jì)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(shù)據(jù)源,參照劉紀(jì)遠(yuǎn)等[19]學(xué)者的中國土地利用覆被遙感分類系統(tǒng),通過人機(jī)交互解譯方法得到[20]。為了保證各時(shí)期土地覆被數(shù)據(jù)解譯質(zhì)量和一致性,數(shù)據(jù)集進(jìn)行統(tǒng)一的質(zhì)量控制和核對(duì)檢查[21],土地覆被一級(jí)類型綜合精度達(dá)到94.3%以上,二級(jí)類型分類綜合精度達(dá)91.2%以上[22]。本研究按照前人研究和研究區(qū)需要,將土地利用劃分成耕地、林地、草地、水域、建設(shè)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(zhuǎn)移矩陣

參照王根緒等[23]和劉紀(jì)遠(yuǎn)等[24]學(xué)者的研究,本文采用轉(zhuǎn)移矩陣法構(gòu)建土地利用轉(zhuǎn)移矩陣來定量描述土地覆被類型的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移變化,從而揭示洞庭湖流域土地覆被類型的轉(zhuǎn)移途徑與幅度。

(2)土地利用動(dòng)態(tài)度

參照劉紀(jì)遠(yuǎn)等[20]學(xué)者的研究,本文計(jì)算土地利用動(dòng)態(tài)度(DCDj)來度量研究區(qū)監(jiān)測期內(nèi)土地覆被類型的變動(dòng)程度。第j類土地利用動(dòng)態(tài)度(DCDj)的計(jì)算公式為：

(1)

式中,Sα為網(wǎng)格單元面積,Sj-l為每一網(wǎng)格單元內(nèi)某時(shí)段第j類土地覆被類型與其他類型(l)相互轉(zhuǎn)化的面積,DCDj為第j地類的土地利用動(dòng)態(tài)度。在考慮數(shù)據(jù)源本身的分辨率、計(jì)算精度和地圖可視化等因素的基礎(chǔ)上,本文采用等間距采樣法將研究區(qū)劃分為900m×900m的網(wǎng)格單元,通過統(tǒng)計(jì)網(wǎng)格單元內(nèi)建設(shè)用地、林地、耕地和水域等的變化來反映土地覆被類型變動(dòng)程度的空間分布。

2.2 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

2.2.1生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)單元的劃分

為了更好地表達(dá)流域內(nèi)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分布規(guī)律和差異性,本文采用網(wǎng)格作為生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)單元[25]。參照景觀生態(tài)學(xué)中關(guān)于景觀取樣大小的方法[26],即網(wǎng)格劃分大小應(yīng)當(dāng)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(shù)據(jù)源本身的分辨率及計(jì)算強(qiáng)度和精度等問題,基于等間距采樣法將研究區(qū)劃分為1.8km×1.8km的網(wǎng)格,共計(jì)82475個(gè)評(píng)價(jià)單元。

2.2.2生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建

生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)取決于區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)所受外部干擾的強(qiáng)弱和內(nèi)部抵抗能力的大小,一般來說,生態(tài)系統(tǒng)所承受的外部干擾程度越強(qiáng),其自身抵抗能力越小,區(qū)域系統(tǒng)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)越大[27]。長期的資源開發(fā)利用和巨大的人口壓力對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)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(tài)問題持續(xù)加劇[28]。因此,本文從生態(tài)系統(tǒng)的景觀格局與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)之間的聯(lián)系出發(fā),利用各類景觀的面積比構(gòu)建了由景觀干擾度指數(shù)和景觀脆弱度指數(shù)構(gòu)成的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型[25,29- 30],具體計(jì)算方法如下：

(1)景觀干擾度指數(shù)

景觀干擾度主要反映人類活動(dòng)對(duì)不同景觀類型生態(tài)系統(tǒng)的影響程度,主要由破碎度指數(shù)(Fj)、分離度指數(shù)(Sj)和優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(Dj)加權(quán)疊加來度量[7]。其表達(dá)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(gè)數(shù),N為景觀斑塊總數(shù),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(xiàn)的樣方數(shù),M為研究區(qū)總樣方數(shù),W1、W2和W3分別為景觀破碎度、分離度和優(yōu)勢(shì)度的權(quán)重。參照熊鷹等[31]學(xué)者的研究,破碎度最為重要,其次為分離度和優(yōu)勢(shì)度,據(jù)此將三種景觀指數(shù)的權(quán)重分別賦為0.5、0.3和0.2。參照常小燕等[32]學(xué)者的研究,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的破碎度、分離度和優(yōu)勢(shì)度來計(jì)算景觀干擾度。

(2)景觀脆弱度指數(shù)

脆弱度表征景觀生態(tài)系統(tǒng)對(duì)外界擾動(dòng)的敏感性[33],其值越高,生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)越不穩(wěn)定。借鑒鞏杰等[29]學(xué)者的相關(guān)研究,并結(jié)合鄱陽湖流域[34- 35]和長株潭地區(qū)[36]的研究成果,本文將各景觀類型脆弱度分為6級(jí),具體內(nèi)容為：未利用地>水域>耕地>草地>林地>建設(shè)用地,按功效系數(shù)法對(duì)脆弱度進(jìn)行歸一化處理,得到各景觀類型脆弱度指數(shù)。

(3)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

本文選取景觀干擾度指數(shù)(Ij)和景觀脆弱度指數(shù)(Vj)來衡量景觀損失度,并進(jìn)一步依據(jù)生態(tài)損失度指數(shù)(Lj)來構(gòu)建生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(ERIi)[29- 30],其具體表達(dá)式為：

Lj=Ij×Vj

(2)

(3)

式中,ERIi為第i個(gè)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù),Aij為第i個(gè)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)中第j類景觀的面積,Ai為第i個(gè)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)的面積,Lj為第j類景觀的損失度指數(shù),Ij為第j類景觀的干擾度指數(shù),Vj為第j類景觀的脆弱度指數(shù)。m為景觀類型的數(shù)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(shè)用地景觀和未利用地景觀。

2.2.3生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的劃分

張丹紅等[37]學(xué)者采用等差分級(jí)法、自然斷點(diǎn)法、幾何間隔法、累計(jì)比例法和分位數(shù)法對(duì)我國典型縣區(qū)土壤保持服務(wù)強(qiáng)度進(jìn)行等級(jí)劃分,并對(duì)不同分級(jí)方法下的分級(jí)質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比分析,研究結(jié)果表明自然斷點(diǎn)法具有較高的分級(jí)精度,也能兼顧各級(jí)服務(wù)強(qiáng)度極差的均衡性,綜合制圖效果較好。在綜合考慮生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)精度和極差均衡等因素的基礎(chǔ)上,本研究采用自然斷點(diǎn)法對(duì)洞庭湖流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行劃分。

3 結(jié)果與分析

3.1 洞庭湖流域土地利用時(shí)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(dá)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(shè)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(dòng)來看,洞庭湖流域不同土地覆被類型具有顯著的異質(zhì)性,且2000—2018年土地利用變動(dòng)程度超過1980—2000年(表1)。對(duì)比不同時(shí)期土地覆被類型面積,可以發(fā)現(xiàn)：耕地持續(xù)萎縮,耕地占比由1980年的29.42%下降至2018年的27.93%；林地呈穩(wěn)定增長趨勢(shì),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(xù)小幅擴(kuò)大,水域占比由1980年的2.73%增加至2018年的3.04%；建設(shè)用地持續(xù)擴(kuò)張,擴(kuò)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(shè)用地面積擴(kuò)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(shí)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(zhuǎn)為水域和建設(shè)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(zhuǎn)林地、林地轉(zhuǎn)耕地和林地轉(zhuǎn)草地,分別占土地利用變化的12.33%、12.06%和9.38%,水域擴(kuò)大和建設(shè)用地?cái)U(kuò)張現(xiàn)象也較為明顯(表2)。參照土地利用變化的動(dòng)態(tài)度模型和地圖可視化方法,本研究進(jìn)一步探究洞庭湖流域土地利用主要類型轉(zhuǎn)換的空間分布特征(圖2)。從900m×900m網(wǎng)格單元內(nèi)的主要土地利用類型變化空間格局(圖2)來看,1980—2000年建設(shè)用地?cái)U(kuò)張區(qū)域隨城鎮(zhèn)化發(fā)展呈零星分布,湘江流域建設(shè)用地?cái)U(kuò)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(zhèn)化建設(shè)和毀林開荒造成的林地?fù)p失主要發(fā)生在湘江流域長株潭地區(qū)和郴州的資興市,及沅水流域上游貴州省境內(nèi)的凱里市、福泉市、黃平縣和錦屏縣等地區(qū),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(fā)生在沅水流域貴州省境內(nèi)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(huán)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(qū)。水域變化以轉(zhuǎn)入為主,水域擴(kuò)大主要發(fā)生在河網(wǎng)密集的洞庭湖區(qū)、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(qū),而水域收縮在洞庭湖區(qū)呈零星分布。

表2 1980—2018年洞庭湖流域土地利用轉(zhuǎn)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(zhuǎn)為林地和林地轉(zhuǎn)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(zhuǎn)為林地,及耕地和林地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地,分別占土地利用變化的11.83%、11.31%和8.77%。從900m×900m網(wǎng)格單元內(nèi)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(shè)用地在洞庭湖流域范圍內(nèi)顯著擴(kuò)張,以環(huán)長株潭城市群為核心,隨重要交通干線擴(kuò)展呈現(xiàn)帶狀分布,形成縱橫交錯(cuò)的擴(kuò)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(qū)域分布在湘江流域湖南省境內(nèi)的桂東縣,及沅水流域重慶市境內(nèi)酉陽苗族自治縣等地區(qū),而林地減少主要發(fā)生在流域各大中型城市的對(duì)外擴(kuò)張過程中,其中最為集中的區(qū)域?yàn)殚L株潭地區(qū)。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(qū),而新增耕地集中分布在洞庭湖區(qū)的華容縣和南縣等地區(qū)。水域變化呈小幅擴(kuò)張趨勢(shì),水域擴(kuò)大發(fā)生在流域各大河流集中分布的區(qū)域,主要集中在河網(wǎng)密集的洞庭湖區(qū),受人地關(guān)系緊張格局的影響,水域萎縮區(qū)域也主要集中分布在洞庭湖區(qū)。

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(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空格局演變

根據(jù)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型,得出各生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù),參照ArcGIS的自然斷點(diǎn)分類方法將研究區(qū)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)劃分為低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(ESI<0.04)、較低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(0.04≤ESI<0.08)、中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(0.08≤ESI<0.10)、較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(0.10≤ESI<0.13)和高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(ESI≥0.13),采用地圖可視化方法得到洞庭湖流域不同時(shí)期的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分布(圖3),并進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)得到各等級(jí)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的面積及占比(表3)。從生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)類型構(gòu)成來看(表3),較低和中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)是研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的主導(dǎo)類型,兩類生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積占比達(dá)60%以上。因此,洞庭湖流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)總體處于中等偏低水平,生態(tài)環(huán)境較為良好,但存在明顯的時(shí)空分異性。

圖3 1980—2018年洞庭湖流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分布

表3 洞庭湖流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的面積及占比

3.2.1洞庭湖流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間格局分析

從5期生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分布(圖3)來看,流域內(nèi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)呈現(xiàn)多核地域分布,高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分布相對(duì)集中,由洞庭湖湖盆的沼澤和水域范圍向環(huán)洞庭湖平原擴(kuò)張；較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在長株潭地區(qū),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(qū)；中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分布較為集中,主要分布在較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的外圍地區(qū),以沅水流域和澧水流域分布較廣；較低和低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)在1980年占據(jù)了洞庭湖流域除洞庭湖湖面之外的絕大部分地區(qū),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(huán)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(huán)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(huán)山的山地地帶,平原區(qū)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(shì)；水域和未利用地主要分布在低洼地帶,建設(shè)用地以平原區(qū)和丘陵地區(qū)分布最多。結(jié)合洞庭湖流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的空間分布(圖3),我們可以發(fā)現(xiàn)較高和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)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(shè)用地,其原因在于長株潭地區(qū)是該流域經(jīng)濟(jì)空間格局的重要增長極,及環(huán)洞庭湖平湖農(nóng)業(yè)區(qū)和湘中南丘陵節(jié)水農(nóng)業(yè)帶土地利用集約程度較高；而低和較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在東南西三面環(huán)山的山地地帶,主要是由于這些區(qū)域?qū)儆谥攸c(diǎn)生態(tài)功能區(qū),山地較多,森林覆蓋廣,城鎮(zhèn)化進(jìn)程相對(duì)緩慢,人類活動(dòng)對(duì)土地利用程度較低。

3.2.2洞庭湖流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)間演變分析

從流域不同時(shí)期生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化來看,1980—2018年流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)呈現(xiàn)“增長-緩和-加劇”的時(shí)間演變特征。1980—1990年間研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)大幅增長,生態(tài)環(huán)境急劇惡化,主要表現(xiàn)為低和較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)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(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積則呈現(xiàn)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(shí)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(fēng)險(xiǎn)區(qū)等級(jí)上升了,其中以低和較低風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)換為中等、較高和高風(fēng)險(xiǎn)為主(表4)。1990—2010年間流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)趨向于緩和,區(qū)域環(huán)境得到一定改善,主要表現(xiàn)為高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積呈下降趨勢(shì),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(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積略有增加,共增加1500km2(表3)。在這20年間,風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)下降面積約為709.59km2/a,而風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)上升面積約為385.05km2/a；生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)移以“高→較高、較高→中等、中等?較低”等類型為主,其轉(zhuǎn)換比率均在20%左右(表4)。2010—2018年間區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)呈加劇趨勢(shì),生態(tài)環(huán)境形式依然嚴(yán)峻,低和較低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)略有下降,而中等和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)都呈一定上升趨勢(shì)(表3)。這一時(shí)期生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)上升面積約為0.90×104km2,而風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)下降面積約為0.35×104km2；生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)呈現(xiàn)“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(shì)(表4)。由此可見,1980—1990年間是洞庭湖流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)急劇變化的時(shí)期,而1990年以來洞庭湖流域土地利用變化的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)格局變化不大,總體呈逐漸緩和再加劇的趨勢(shì)。

表4 洞庭湖流域1980—2018年生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)移矩陣

1998年以來開展的洞庭湖流域生態(tài)保護(hù)和建設(shè)工程重點(diǎn)實(shí)施了退田還湖、退耕還林還濕等項(xiàng)目。其中,退田還湖使得洞庭湖調(diào)蓄面積持續(xù)擴(kuò)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(qū)陡坡毀林開荒導(dǎo)致的水土流失,恢復(fù)森林植被的生態(tài)功能[38]。自1998年洞庭湖區(qū)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(diào)蓄面積比1978年擴(kuò)大了779km2[39],從而使得近40年來洞庭湖流域水域呈擴(kuò)大趨勢(shì)。2000—2010年是洞庭湖流域退耕還林工程實(shí)施的關(guān)鍵時(shí)期,截止2009年湖南省退耕還林工程造林總面積12206.8km2,與啟動(dòng)退耕還林試點(diǎn)時(shí)期(2000年)相比,林業(yè)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(jìn)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(jié)合洞庭湖流域土地利用變化與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)演變規(guī)律,可以發(fā)現(xiàn)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(zhuǎn)換,其中因退耕還林導(dǎo)致的耕地轉(zhuǎn)林地面積占該流域土地覆被變化的22.52%,林地面積增加,區(qū)域生態(tài)環(huán)境得到一定改善,這也使得1990—2010年間流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)趨向于緩和。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

本研究以1980—2018年土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),對(duì)洞庭湖流域土地利用變化和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究。得出以下結(jié)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(shè)用地和未利用地。其中,林地面積占比60%以上,耕地占研究區(qū)面積近1/3。近40年間,2000—2018年土地利用變動(dòng)程度明顯劇烈于1980—2000年,總體變化呈建設(shè)用地不斷擴(kuò)張、林地基本穩(wěn)定、耕地日益萎縮和水域擴(kuò)大趨勢(shì)等特征。

(2)近40年來,洞庭湖流域以較低和中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)為主導(dǎo)類型,兩類占比在60%以上。各時(shí)期生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化呈波動(dòng)起伏狀態(tài),1980—1990年、1990—2010年和2010—2018年生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分別呈現(xiàn)增長、緩和和加劇等特征。空間分布上,高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)以洞庭湖湖盆向環(huán)洞庭湖平原擴(kuò)張,洞庭湖區(qū)、湘江流域和資水流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)明顯高于其他地區(qū),而沅水流域、澧水流域和湘江流域的東南部生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小。

4.2 討論

本文研究結(jié)論與國內(nèi)其他研究學(xué)者在洞庭湖流域的研究結(jié)論基本一致,土地利用變化顯著特征為建設(shè)用地不斷擴(kuò)張[41-43],但也存在一定差異,如賈慧聰?shù)萚44]學(xué)者認(rèn)為耕地持續(xù)增加是1985—2011年間洞庭湖區(qū)土地利用變化的主要特征,熊鷹等[31]學(xué)者認(rèn)為洞庭湖區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)得到改善是在2010—2015年間。導(dǎo)致這一差異的原因主要有兩個(gè)方面：一是其他學(xué)者主要針對(duì)洞庭湖區(qū)進(jìn)行分析,這必將掩蓋土地覆被變化的流域特征；二是研究時(shí)期存在差異,大多數(shù)研究主要從2000年后開始,這必將掩蓋土地利用變化及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)演變的動(dòng)態(tài)特征。

對(duì)比相鄰區(qū)域各生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)地類分布及占比情況可以發(fā)現(xiàn),洞庭湖流域與鄱陽湖流域[34- 35]生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)演變格局具有明顯的一致性,主要體現(xiàn)在：一是以中等和較低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)為主導(dǎo)類型,廣泛分布于人類活動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)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(tài)環(huán)境較為良好的關(guān)鍵所在,但這些區(qū)域一旦受到人類活動(dòng)的干擾,其生態(tài)恢復(fù)或重建較為困難,往往也會(huì)伴隨滑坡、泥石流、水土流失等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生[7]。二是高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布于受人類活動(dòng)影響較大的洞庭湖及其廣大的沖擊平原。這些區(qū)域地處江南“魚米之鄉(xiāng)”,是長江流域乃至全國重要的農(nóng)產(chǎn)品和水產(chǎn)品的主產(chǎn)區(qū),生態(tài)環(huán)境較為脆弱。

本研究基于生態(tài)系統(tǒng)景觀格局與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)之間的關(guān)聯(lián),構(gòu)建由景觀干擾度指數(shù)和景觀脆弱度指數(shù)構(gòu)成的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)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(nèi)學(xué)者廣泛地使用該模型可以認(rèn)為基于土地利用變化的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是合理的、可適用的。但一般而言,生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)應(yīng)更多地關(guān)注于生態(tài)過程,從影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境的多方面進(jìn)行綜合評(píng)判,本研究該不足之處在下一步研究中會(huì)加以改進(jìn)。同時(shí),受研究者知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和主觀因素的限制,對(duì)洞庭湖流域土地利用變化及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)演變的驅(qū)動(dòng)力還有待完善。未來研究應(yīng)從自然因素和人為因素角度關(guān)注區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)所涉及的風(fēng)險(xiǎn)源,明確驅(qū)動(dòng)因素對(duì)土地利用變化及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)演變的作用機(jī)制,進(jìn)而提出可行有效的流域生態(tài)環(huán)境管理和高質(zhì)量發(fā)展建議。