蕪湖市土地利用時空演變與生態(tài)敏感性分析

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個單因子結合AHP層次分析法確定各單因子的權重并對研究區(qū)域生態(tài)敏感性進行加權疊加分析。結果表明，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，大多轉化為建設用地；林地轉化為耕地、耕地轉化為建設用地面積較多。景觀格局指數(shù)表明人為干擾程度逐漸強烈，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，占整個研究區(qū)面積的53.82％。

關鍵詞 土地利用；時空演變；生態(tài)敏感性；生態(tài)安全；蕪湖市

中圖分類號 X 171.1文獻標識碼 A文章編號 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

長江流域土地資源隨著城市化快速發(fā)展，在重重擠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題［1-2］。2020年《長江保護法》出臺后流域生態(tài)環(huán)境保護與修復引起廣泛關注并成為周邊城市近年來發(fā)展的核心，流域生態(tài)問題的修復與治理不僅需要單個片區(qū)的努力，也需要將整個流域體系看作一個整體，相互促進協(xié)同合作［3］。

目前許多學者利用GIS技術、ENVI軟件等通過遙感影像的數(shù)據(jù)處理與空間分析對流域進行研究。湯佳等［4］基于FLUS模型對汨羅江流域土地利用變化情況進行分析，提出基于水安全的流域土地利用優(yōu)化策略，推動流域尺度的可持續(xù)發(fā)展研究。尹劍等［5］利用MCE-CA-Markov模型分析和預測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，通過等級層次分析法確定各指標組合權重，結合GIS技術進行生態(tài)功能分區(qū)；凌煥然等［7］運用專家打分法和成對比較法確定因子權重，對馬鞍山江心洲進行生態(tài)敏感性評價。該研究在2000、2010、2020年蕪湖市土地利用基礎信息上利用GIS技術、景觀指數(shù)分析技術（Fragstats）、遙感影像處理技術（ENVI）等對20年間蕪湖市土地利用、景觀格局、生態(tài)敏感性進行系統(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，提出相應的土地利用調(diào)整對策，以期為各項規(guī)劃提供現(xiàn)實借鑒意義。

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、無為市、蕪湖縣五區(qū)兩縣一地級市，總面積6 026 km2。本區(qū)在地貌上屬長江中下游地區(qū)，以階地和河漫灘構成的平原為主，地勢南高北低，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。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

1.2.1 數(shù)據(jù)來源。

該研究以國家基礎地理信息中心的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)來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺；道路、河流數(shù)據(jù)來源于全國地理信息資源目錄服務系統(tǒng)；其他區(qū)數(shù)據(jù)及資料參考《安徽省統(tǒng)計年鑒》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移矩陣，分析整理不同年份蕪湖市土地利用轉移情況；將土地利用數(shù)據(jù)導入Fragstats 4.2軟件計算蕪湖市景觀格局指數(shù)，通過區(qū)域內(nèi)景觀格局指數(shù)變化情況了解各斑塊變化趨勢。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)所需圖像進行矢量化處理、編輯屬性表、建立數(shù)據(jù)庫、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，最后通過加權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 土地利用轉移矩陣。

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

式中：p為土地利用轉移概率矩陣；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)所構成的綜合體，是復雜自然過程與人類活動的烙?。?0］。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，通過景觀格局變化的研究，可以準確掌握研究區(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層次分析法進行計算，該方法是定性與定量相結合解決多種復雜問題的決策分析方法，根據(jù)問題的性質(zhì)和要達到的總目標，將問題分為不同的組成因素，并按照因素間的相互關聯(lián)程度及隸屬關系將因素按不同層次聚集組合，形成一個多層次分析結構模型［11-14］。

確定各單因子權重后在ArcGIS中進行加權疊加分析，其公式如下：

式中：S為生態(tài)敏感性指數(shù)；i為各評價因子編號；n為評價因子總數(shù)；ωi表示第i個評價因子的權重；Ai為第i個評價因子的敏感性評價值。

利用AHP層次分析法進行權重計算時，需要進行一致性檢驗分析，即計算一致性指標CR值（CR=CI/RI）。通常情況下CR值越小，則說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；如果CR值大于0.1，則說明不具有一致性。

此次針對8階判斷矩陣計算得到CI值為0.109，針對RI值查表為1.410，因此計算得到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，計算所得權重具有一致性。

2 結果與分析

2.1 土地利用變化及轉移矩陣分析

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＞建設用地＞水體＞草地?？傮w結構以耕地為主，近20年來占據(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；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；建設用地面積增加46.21 km2，增長0.77%；可見這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，除建設用地大幅度增加，快速增長了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)展及建設時間集中在2010—2020年，總體來說林地與耕地是減少較多的用地類型，大多轉化為了建設用地。在快速經(jīng)濟發(fā)展階段生態(tài)安全與生態(tài)修復應成為后期發(fā)展重點［15］。

通過土地利用轉移矩陣分析（表1）可知，近20年來轉移面積最大的是耕地，凈增長最大的為建設用地，草地轉化幅度小幾乎保持不變；耕地轉化幅度最大，其中轉化給建設用地面積最多，轉化了360.96 km2；建設用地轉化為其他用地類型面積較小，轉化為耕地面積144.07 km2，總體來說耕地與建設用地相互轉換，在20年間有216.89 km2耕地被建設用地替代；林地轉化為耕地最多，轉化面積達153.48 km2，說明大量林地被砍伐用于耕種，在未來土地政策調(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，轉換為林地較多，轉換了8.13 km2?？傮w來說，蕪湖市土地利用轉變幅度不大，主要集中在耕地大量流失轉化為建設用地；林地被耕地替代，其中林地、耕地面積大幅減少，在未來土地轉變政策中需要對用地面積進行調(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個下降至2020年的14 699個，減少了5 369個，斑塊密度（PD）逐漸降低，說明蕪湖市近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，說明形狀越規(guī)則，2010—2020年LSI劇減，說明研究區(qū)斑塊形狀越來越不規(guī)則。最大斑塊指數(shù)（LPI）從35.754 2%下降至29.783 0%，說明該區(qū)域內(nèi)最大斑塊所占整個斑塊百分比下降，內(nèi)部優(yōu)勢種所占百分比下降。蔓延度指數(shù)（CONTAG）下降2.47%，說明斑塊內(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，說明斑塊類型分布逐漸均勻。由此可知，在近年來的發(fā)展與規(guī)劃建設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)勢斑塊優(yōu)勢度降低，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中利用自然斷點法將每個單因子劃分為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，從高程因子來看，主要以不敏感區(qū)域為主，面積為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；從坡度因子來看，由于蕪湖市大多區(qū)域地勢平坦，坡度在3°～8°的低敏感區(qū)占比最多，占總面積的27.21%，對于這樣的低敏感區(qū)域可結合植物種植與小地形設計巧妙利用；從坡向因子來看，坡向影響日照時數(shù)與太陽輻射，對植物生長以及建筑物等影響較大，通常情況下，坡向有8個方位，結合輻射收入及坡向對建筑物的采光影響程度，將8個方位分成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。從水體因子角度來看，蕪湖市位于長江中下游流域，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)應嚴禁各種污染活動，中敏感區(qū)約占總面積的16.20%。從道路角度來看，道路對周圍生態(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)域主要集中在長江流域周圍主要城市建設區(qū)范圍內(nèi)。從土地利用類型來看，現(xiàn)狀用地主要分為建設用地、耕地、水體、林地、草地5種類型，其中建設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)域需要限制相關開發(fā)建設并以生態(tài)修復為主。從生物豐度角度來看，它反映被評價區(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算生物豐度并對其分級，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)過單因子生態(tài)敏感性分析、AHP層次分析法確定權重等步驟后，運用ArcGIS 10.7軟件空間分析模塊的加權疊加分析技術［19］，得出蕪湖市綜合因子生態(tài)敏感性圖像（圖3）。經(jīng)計算，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的干擾和破壞，因此需要對該區(qū)域高度保護，同時以維持生態(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，嚴禁人為的開發(fā)建設以及其他有污染的活動。中敏感區(qū)域分散分布在整個區(qū)域內(nèi)，約占總面積的53.82%，該區(qū)域生態(tài)環(huán)境相對比較脆弱，較易受到人為活動的干擾，區(qū)域內(nèi)僅限于進行低強度的開發(fā)建設，且必須做好相應的生態(tài)保護措施，避免各類人為活動對其帶來破壞。低敏感區(qū)與不敏感區(qū)是適宜建設的區(qū)域，面積約為1 761 km2，約占總面積的29.22%，是未來城市建設發(fā)展的主要區(qū)域。

3 結論與討論

（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，大多轉化為建設用地。從土地利用轉移矩陣可知林地轉化為耕地、耕地轉化為建設用地面積較多，說明人類活動大量干預了自然用地類型，由自然轉變?yōu)槿斯び玫氐内厔菰诩哟螅?0］。

（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)勢斑塊優(yōu)勢度降低，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)敏感性來看，蕪湖市以中敏感區(qū)域為主，約占總面積的53.82%。說明本區(qū)生態(tài)系統(tǒng)抵抗外界干擾能力中等，在開發(fā)建設中要注意特定區(qū)域的保護，劃定建設與保護紅線。不敏感與低敏感區(qū)域主要集中在城市西側，城市建設與開發(fā)可向西側進行轉移。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，對該區(qū)域主要以封閉式保護為主，嚴格禁止大面積開發(fā)建設［21］。

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作者簡介 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