长江中游城市群土地利用生态风险分析——以长株潭城市群为例

刘凤，曾永年*，赵丹阳，张猛

(1.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南长沙410083；2.中南大学空间信息技术与可持续发展研究中心，湖南长沙410083）

长江中游城市群土地利用生态风险分析
——以长株潭城市群为例

刘凤1，2，曾永年1，2*，赵丹阳1，2，张猛1，2

(1.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南长沙410083；2.中南大学空间信息技术与可持续发展研究中心，湖南长沙410083）

为揭示城市群发展对区域生态风险的影响，以位于长江经济带的长株潭城市群为研究区，利用1993-2013年Landsat遥感数据，定量获取土地利用变化特征，并基于移动窗口的景观生态风险指数，获得区域空间连续的生态风险指数等级分布图，分析长株潭城市群土地利用动态变化及生态风险时空变化特征。结果表明，近20年来，研究区土地利用变化较为显著，建设用地呈持续增加的趋势，耕地、林地面积在波动中减少且变化明显；近20年，生态风险等级面积变化显著，低风险区波动减少，中等风险区先减少后增加，较高风险区、高风险区均波动性增加。本研究为长株潭城市群土地资源可持续利用、生态风险的有效防范，以及对城市建设用地开发边界和生态红线的确定提供了参考，也为区域生态风险定量评价提供了有效的技术方法。

Landsat影像；土地利用变化；生态风险；长株潭城市群；长江经济带

引言

城市化过程在促进经济发展的同时，也对生态系统的结构和功能产生不同程度的影响，引发了诸如人口过度密集、水资源短缺、耕地大量流失、土地不合理利用等区域生态安全问题[1，2]，土地利用作为人类与自然交互作用的中心环节，其景观格局变化对区域生态安全问题具有重要的影响。因此，定量分析由于城市化过程导致的土地利用空间格局变化所引发的生态安全问题显得尤为重要。城市群是当前我国城市化发展的主题和热点，准确及时的把握城市群土地利用变化生态风险时空动态可有效揭示城市群发展过程中生态风险的时空动态状况，从而有助于城市群的科学规划与土地资源的可持续利用[3-6]。

随着1998年美国环保署《生态风险评价指南》的颁布，生态风险评价得到逐步深入的研究与应用[7-11]，并形成日渐成熟的生态风险评价体系。伴随GIS空间分析与处理能力的增强，基于GIS的生态风险评价体系、区域生态风险评价方法得到逐步应用，Paul（1998）使用GIS技术评价了城市化对加拿大Brunette River流域水域的生态效应[12]。此外，许多学者基于相对风险评价模型开展了区域环境风险定量评价，Walker等（2001）利用相对风险评价模型评价了澳大利亚Tasmanian农业用地和建设用地扩张所产生的潜在生态风险[13]；Hayes（2004）使用相对风险评价模型评价了美国Cherry Point流域土地利用对脆弱生境的累计风险效应[14]。目前，国内较多研究基于景观生态学原理结合土地利用/覆被变化（LUCC），构建评价指标与模型，并采用空间插值方法获得区域生态风险空间分布[15-20]，王娟等（2008）将景观生态学分析方法运用到生态风险评价中，以景观格局指数为评价指标，揭示了澜沧江流域生态风险时空变化特征[15]；赵岩洁等（2013）研究了土地利用变化的小流域生态风险变化[16]；张学斌等（2014）从景观生态学角度揭示综合性生态影响的程度和分布范围[17]。然而，目前区域生态风险评价主要针对流域、小城镇及生态脆弱区，对快速发展的城市群土地利用变化导致的生态风险研究，尚显不足[4，20-22]。另一方面，目前生态风险评价方法，采用空间格网计算与空间插值的方法获取生态风险空间分布，其计算过程繁琐，且降低了评价结果的空间分辨率，不能精细化地反应生态风险空间分布与区域差异。因此，基于景观生态学原理，利用GIS空间分析方法，精细的分析城市群土地利用变化的生态风险具有重要意义。

长江中游城市群承东启西、连南接北，是长江经济带三大跨区域城市群支撑之一，也是实施促进中部地区崛起战略、全方位深化改革开放和推进新型城镇化的重点区域，在我国区域发展格局中占有重要地位[23-25]。随着长江中游城市群发展规划及中部地区崛起战略的实施，新型城市化建设与发展的要求对协调城市化快速发展与生态环境的关系，以及土地资源的合理利用提出了更高的要求，因此，城市群土地利用变化及其生态环境的研究具有重要意义。然而，针对长江中游城市群生态风险评价的研究鲜见[4，25]。为此，本研究以长江中游城市群的重要组成部分长株潭城市群为研究区，利用1993-2013年LandsatTM/OLI遥感数据获取土地利用时空格局变化信息，基于移动窗口景观格局指数构建与GIS空间分析方法，定量获取长株潭城市群近20年间土地利用变化及生态风险时空分布与动态变化，以期为其土地资源的合理开发利用、优化土地利用格局、提高生态风险的防范能力提供决策依据。

1 研究区及数据

1.1 研究区概况

长株潭城市群是长江中游城市群的重要组成部分，位于湖南省中东部，地处湘江下游，区位优势显著，是联系中国西部与沿海、北部与南部的重要枢纽，是中部六省城市中全国城市群建设的先行者。长株潭城市群总面积9.68万km2，人口4047万，分别占全省45.8%和61%，2013年实现总GDP 19645.39亿元，占全省80.2%。本研究选取长株潭城市区域及周边为研究区，面积约5710.23km2，该区域属长株潭城市群的核心区，是湖南省经济发展的核心增长极（图1）。

1.2 数据及处理

选用1993、1996、2001、2006、2010及2013年6个时相的Landsat TM/OLI遥感影像数据为基础数据源，数据源于中国科学院计算机网络信息中心国际科学数据服务平台（http://datamirror.csdb.cn）；收集1：2000矢量地形图、1：50000土地利用现状图，用于遥感影像几何校正、分类结果精度检验。对遥感数据进行了几何校正、大气校正、镶嵌与裁剪等预处理，采用基于多特征数据组合的支持向量机分类方法进行土地利用/覆盖遥感分类，参考国家土地利用分类系统，结合研究区土地资源特征和不同景观类型差异，将土地利用类型划分为建设用地、水域、耕地、林地以及裸地5种，获得6个时相数据的土地利用/覆盖分类图，详细的分类方法与过程见文献[23]，分类图Kappa系数均在0.80以上，分类精度符合区域生态风险研究的需求。

2 研究方法

2.1 生态风险指数构建

依据景观生态学理论及前人研究成果[16-21，26]，以基本判别指标为基准，构建了以景观干扰度、景观脆弱度和土地利用类型面积比为基础的生态风险指数，分析城市群土地利用生态风险。

2.1.1 景观干扰度指数

从景观结构—功能—过程出发，以景观格局分析相关理论为基础，选取景观破碎度、景观分离度、景观优势度，构建景观干扰度指数，依据各指数在计算中的重要性，对不同指数赋以不同的权重，通过各指数的叠加反映不同景观类型所代表的生态系统受到干扰的程度。

式中，Ei是景观干扰度指数，Ci是景观破碎度，Si是景观分离度，DOi是景观优势度；a、b、c为相应景观指数的权重，根据各景观指数对生态风险的影响程度，并考虑研究区土地利用特点的基础上，分别赋值为0.5，0.3，0.2[26]，各指数的计算方法参考文献[26]。

2.1.2 景观脆弱度指数

根据各土地利用类型的特点，并结合长株潭城市群土地利用状况，按照建设用地最稳定，裸地最脆弱，水域较脆弱的情况，经过一系列的归一化处理，确定各土地利用类型脆弱度指数（表1）。

2.1.3 生态风险指数

利用景观干扰度指数和景观脆弱度指数以及不同土地利用类型面积比，计算生态风险指数，衡量生态风险的高低。生态风险指数ERI的计算公式[26]：

式中，ERI为生态风险指数；n为土地利用类型数量；Ei为土地利用类型i的景观干扰度；Fi表示景观类型i的景观脆弱度；Ski是景观类型i的面积，Sk表示景观总面积；使用Fragstats软件移动窗口法计算获得各景观参数及其相关系数，Wi为各土地利用类型生态风险主观权重，依据AHP原理和方法确定不同土地利用类型的主观权重值[22]，首先利用YAAHP软件，建立层次结构模型，依据影响生态风险指数的各参数构造判断矩阵，将各因素俩俩比较、判断，并对总排序一致性进行检验，一致性比率为0.0185＜0.1，检验结果有较满意的一致性，然后确定各土地利用类型权重（表1）。

图1 长株潭城市群位置示意图

表1 各土地利用类型景观脆弱度指数

2.2 生态风险指数空间化方法

2.2.1 移动窗口分析法

移动窗口分析法以固定窗口为单元计算相关景观指数，分析景观格局的动态变化。由于不同窗口计算的景观指数所表述的景观丰富度及其对结果准确度的影响存在很大差异，故窗口的大小应既保证区域梯度特征，又不使景观指数出现较大波动，真实反映景观格局空间变化[24]。基于以上原因及研究区实际情况，本研究利用景观生态学指数分析软件Fragstats中的移动窗口法，分别采用300m，500m，800m，1km，3km窗口大小进行计算，并比较不同窗口计算效果，最终以500m窗口为计算单元，计算获得各景观指数的连续栅格数据。利用ArcGIS空间分析工具，进行空间叠加运算，获得长株潭城市群生态风险指数分布图。

2.2.2 生态风险等级划分

采用Jenks自然断点分类法划分生态风险等级[16-18]，并结合研究区实际情况，处理分区等级节点，将研究区生态风险指数由低到高划分为四个等级：低风险区、中等风险区、较高风险区、高风险区（表2）。

表2 生态风险等级划分

3 结果与分析

3.1 土地利用变化及特征

1993-2013年长株潭城市群土地利用变化显著（图2、表3），近20年来，建设用地面积增加1042.115km2，增加趋势稳定，年际增加率达0.896；其他各类用地面积呈不同程度的减少趋势，年变化程度由低到高依次为水域（-0.0975）＜裸地（-0.1314）＜耕地（-0.2927）＜林地（-0.3748），其中，耕地、林地是土地利用面积减少最严重的类型。随着城市人口的增加，以及城镇化规模的扩展，人工景观类型增加，自然景观相应减少、破碎化，自然景观受人类活动的干扰越来越严重。

21世纪以来，随着长株潭经济一体化战略的实施，建设用地占用耕地、林地现象突出。尤其是2007年长株潭城市群全国两型社会建设综合配套改革试验区获批以来，城市化进程进一步加快，城镇建设用地呈现迅速扩展的态势。

1993-2013年，长株潭土地利用空间格局也发生较大变化（图3）。其中，1993-1996年，长沙市老城区周边、株洲市城区周边地区建设用地扩张，建设用地增加导致林地面积减少；1996-2001年，长株潭城市群基础设施建设的全面推进使长沙市市区建设用地呈高速扩张态势，湘江以西建设用地向西扩张明显，长沙市老城区逐步向南蔓延。湘潭市区湘江以西的部分耕地、林地和裸地转换为建设用地，湘江以东部分裸地转成建设用地。株洲市湘江以西建设用地扩张明显；2006-2010年，随着长株潭城市群“全国资源节约型和环境友好型社会”综合配套改革试验区的建设，城市群建设步伐加快，其中，长沙市主城区建设用地已基本趋于稳定，并逐步向长沙县、望城县扩张，部分建设用地占用周边的耕地、林地，长沙市老城区向北扩张明显。湘潭市、株洲市新增建设用地向其市域周边大范围扩张；2010-2013年，长沙市主城区范围进一步扩展，湘潭、株洲市周边建设用地也有不同程度的扩张。

图2 1993-2013年土地利用类型变化趋势

表3 长株潭城市群1993-2013年土地利用转移矩阵（km2）

图3 长株潭城市群土地利用类型

3.2 生态风险时空变化及特征

3.2.1 生态风险空间分异特征

1993-2013年长株潭城市群生态风险指数总体不高，局部地区有增长或蔓延趋势，不同等级风险区以长株潭三市中心向外围扩展分布，且生态风险水平总体逐年增加（图4，表4）。低生态风险区和中等生态风险区主要分布在耕地、林地以及建设用地连片分布的区域；较高、高风险区分布面积不断增加，且二者的增长趋势与建设用地的扩展范围近似一致，其中较高风险区分布在建设用地离散分布、受人类活动影响高的区域，部分耕地和林地分布区由于受建设用地扩张及人类活动影响，生态风险指数高；高风险区集中分布于新增建设用地、受人类活动干扰比较严重的地区，生态风险指数空间分布与土地利用类型变化呈现较高的相关性（图3、4）。其中，2006-2013年，高风险区面积增加尤为显著，这是由于2006年是“十一五”规划的开端之年，长株潭经济一体化在总体规划的引领下进入了全面推进阶段，而2007年长株潭获批为“两型社会”建设改革试验区，应新型城市化建设与发展的要求，长株潭经历了快速城市化过程，建设用地大范围增加，耕地、林地面积持续减少，受土地利用变化、景观破碎度、景观分离度及人类活动的影响，部分区域生态风险指数显著提高。

总体上，20年间，耕地、林地连片分布的地区生态风险等级较低，沿建设用地扩张方向，由于建设用地扩张导致景观破碎度和景观分离度较高，且这些区域受人类活动的影响，生态风险指数高；长株潭三市主城区景观格局稳定，景观破碎度、景观分离度低，生态风险指数相对较低。

3.2.2 生态风险时序演化特征

1993-2013年，长株潭城市群生态风险呈现逐年增大趋势，其中较高、高风险区面积显著增加，土地利用变化的生态效应显著（图4，表4）。

1993-1996年，低风险区面积由4796.59km2增加到5018.72km2，中等风险区面积比下降3.83%，较高风险区分布面积增加，高风险区减少，但二者波动幅度均较小。由于建设用地扩张现象不明显，研究区以低、中等风险区为主，较高、高风险区集中于长沙市主城区及湘江周边，随建设用地向长沙县、望城县扩展方向生态风险指数增加，湘潭市附近建设用地扩张，其生态风险指数随之增加。

1996-2001年，低风险区面积比减少近16%，中等风险区、较高风险区面积增加，面积比分别增长13.81%和2.42%，高风险区面积比下降0.31%，此期间低风险区向中等风险区转变，尤其是长沙市周边建设用地扩张范围内，受土地利用类型变化影响景观破碎程度较高，总体生态风险指数升高，城市扩张导致生态安全问题恶化。

2001-2006年，低风险区面积比减少11.17%，中等风险区面积有所增加，由1354.47km2增加到1722.78km2，较高风险区占总面积比重增加3.96%，变化突出；高风险区面积比由1.03%增加到1.78%。1996-2006年，低风险区面积显著减少，中等、较高、高风险区面积均增加，其中，中等风险区、较高风险区面积增加尤显著，面积比分别增长20.26%和6.38%，随建设用地扩展方向，长沙市主城区周边部分较高风险区向高风险区转变，望城县、长沙县部分区域向高风险区转变，湘潭市、株洲市破碎化分布的建设用地区域生态风险指数较高，建设用地大范围扩张导致生态安全问题日益突出，原耕地、林地大面积分布区，受建设用地增加影响，生态风险水平由低级风险区向中等风险区或较高风险区过渡，区域总体生态风险水平升高。

2006-2010年，低风险区面积由3472.39km2增加到3659.12km2，中等风险区由1722.78km2减少到1680.52km2，较高风险区面积比下降2.54%，高风险区面积增加，部分区域由中等风险转变为较高风险区，随着长株潭三市主城区周边建设用地占用耕地、林地，三市周边生态风险指数进一步向较高、高转变，尤其是长沙市周边、长沙县及望城县邻域内生态风险指数均偏高。

2010-2013年，低风险区面积比由64.08%增加到68.27%，中等、较高风险区面积比分别下降4.08%和2.13%，高风险区面积比增长2.01%，变化显著。2006-2013年研究区生态风险面积变化幅度较大，集中表现为中等、较高风险区面积显著减少，低、高风险区显著增加。

低风险区增加可能由于一系列退耕还林等环境保护措施的实施，使得区域内2010-2013年耕地转换为林地现象显著，林地集中分布使得该区域生态风险指数稍低；而中等或较高风险区转变为高风险区，主要由于建设用地扩张新城区使景观破碎化程度较高，生态风险指数呈增加趋势，尤其是望城县、长沙县及湘潭县部分区域由建设用地扩张导致生态风险指数增加明显，城市化步伐加快引起的生态效应显著，而长株潭三市主城区规划建设已渐趋稳定，生态风险指数变化不大。

近20年来，长株潭城市群生态风险等级面积变化显著（图4，5），低风险区呈波动的减少，中等风险区先减少后增加，较高风险区波动的增加，高风险区亦波动性的增加。其中，20世纪九十年代，研究区生态风险等级以低、中等风险区为主，总体生态风险指数偏低；进入21世纪以来，随着城市建设用地扩张，低风险区分布面积逐步减少，中等、较高、高风险区增加，尤其2006年之后，随城市化进程的加速，城镇建设用地的扩展，导致较高、高风险区分布面积显著增加，中等风险区向较高、高风险区转变现象突出。

表4 长株潭城市群土地利用生态风险等级面积及面积比

图4 长株潭城市群土地利用生态风险等级空间分布图

4 结论与讨论

4.1 近20年来，研究区土地利用变化较为显著。其中，建设用地呈持续增加的趋势，面积比增加18.25%，耕地、林地面积在波动中减少且变化明显。上世纪90年代，建设用地扩展不明显，土地利用类型以耕地、林地为主。进入21世纪，随着长株潭经济一体化的战略的实施，建设用地占用耕地、林地现象突出。尤其是2007年长株潭城市群全国两型社会建设以来，城市化进程进一步加快，城镇建设用地呈现迅速扩展的态势。

4.2 研究期间，长株潭城市群生态风险等级面积变化显著，低风险区呈波动的减少，中等风险区先减少后增加，较高风险区、高风险区均波动性的增加。其中，20世纪九十年代，生态风险等级以低、中等风险区为主，总体生态风险指数较低；进入21世纪，随着城市建设用地扩张，低风险区分布面积逐步减少，中等、较高、高风险区逐步增加，尤其2006年之后，城镇建设用地的扩展，导致较高、高风险区分布面积显著增加。

4.3 本文使用移动窗口法，选取适宜窗口大小，在不降低空间分辨率的情况下，获得区域空间连续分布的生态风险指数，可以直观的分析由于城市群发展引起的生态风险空间布局的变化，结果表明，基于移动窗口法的生态风险空间精细化评价方法是区域生态风险定量评价的有效方法。

基于城市群发展引起土地利用类型变化的生态风险评价，对城市群的发展过程中对生态系统及其组分产生的不利影响与因素进行分析，可以为区域可持续发展和生态环境的保护提供一定的决策依据和参考因素[27-29]，依据生态风险的评价结果，有关部门可以提出相应的治理和防治措施，重视对较高、高风险区的保护、治理措施。在城市群发展规划和土地利用类型规划布局中，应注重合理的功能分区，保留并加强建设生态服务价值较高的景观类型，降低城市群土地利用生态风险。

图51993 -2013年生态风险面积百分比

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Land Useand Ecological Risk Analysis in the Middle Reaches of the Yangtze River——A Case Study of Changsha-Zhuzhou-Xiangtan Urban Agglomeration

LIU Feng1,2et al
(1.School of Geosciences and Info-physics,Central South University,Changsha 410083,China; 2.Center for Geomatics and Regional Sustainable Development Research,Central South University,Changsha 410083,China)

To reveal the impact of urban development on regional ecological risk,Changsha-Zhuzhou-Xiangtan urban agglomeration in the Yangtze River economic zone is chosen as our study area. Based on Landsat data wequantitative access to land-use change, using moving window landscape ecological risk indices calculation methods,wegotcontinuousregionalspatialdistributionof ecological risk level,then we analyzed the dynamic change of land use types,the temporal and spatial variation characteristics of ecological risks in the study area during 1993 and 2013.The results indicate that,In the last 20 years,land use types change significantly in this area,construction land increases continuously, cultivated land and forest land fluctuate widely and then reduced significantly;In recent 20 years,the area of ecological risk levels changed dramatically,low risk areas had a fluctuated reduce, moderate risk areas increased after the first decrease,higher risk areas and high risk areas increased volatility.This study may be helpful to the sustainable land use of Changsha-Zhuzhou-Xiangtan urban agglomeration,and effective prevention of ecological risk,as well as a constructive reference to the determination of urban construction land developing boundary and the ecological red line, meantime it also provides an effective method for the quantitative assessment of regional ecological risk.

Landsat data;Land use change;Ecological risk; Changsha-Zhuzhou-Xiangtan Urban Agglomeration; Yangtze River Economic Belt

X826

A

刘凤（1990-），女，内蒙人，硕士研究生，主要从事遥感与GIS应用研究。

曾永年（1959-），男，青海西宁人，教授，博士生导师，从事遥感与地理信息系统及其环境变化研究。

（2016-09-18收稿M编辑）

1003-7853（2016）05-0016-07

国家自然科学基金项目（41171326，40771198，41201386）