洞庭湖生态经济区景观生态风险评价

黄寒江，葛大兵，肖智华

（湖南农业大学生物科学技术学院/洞庭湖区农村生态系统健康湖南省重点实验室，湖南 长沙 410128）

生态风险是指一个种群、生态系统或整个景观的正常功能受外界胁迫，从而在目前和将来减少该系统内部某些要素或其本身的健康生产力、遗传结构、经济价值和美学价值的可能性[1]。区域生态风险的形成是众多因素相互作用的结果，基本上可以分为自然因素和人为因素，具有影响范围广、作用时间和产生后果的不确定性等特点[2-3]。当前，基于景观格局的生态学研究对区域生态安全的维护和保障极为重要[4]，土地利用/覆被变化（LUCC）也是当前科学研究的热点，LUCC改变了全球生态系统格局与结构，对区域生态风险起着决定性的作用[5]。因此利用LUCC研究区域景观格局，既可以体现区域生态系统的异质性，也能综合反映区域生态环境体系中自然与人为因素相互作用[6]。同时，在缺乏生态监测的历史资料积累时，从土地利用动态变化的角度来对景观格局特征进行研究是揭示区域生态风险的有效方法[7]。

目前，国内外学者主要应用RRM、PESR模型和风险指数法等评价方法在流域和景观尺度上分析生态环境[8-9]。关于生态风险评价的研究大多是河流、流域环境的重金属污染评价，以及化学物质和农药污染的风险评价，还有部分学者对景观的危害、价值和风险进行评估[10-13]，这些研究主要为环境的监管与区域发展规划提供决策支持[14]。已有的研究包括沿海区域[5]、湖区[7]、干旱内陆河流域[9]、农林交错地带[15]等。相对而言，国内在生态风险研究方面起步较晚，主要以区域或流域进行生态风险研究，通过景观格局指数和景观脆弱度指数构建生态风险评价模型，对不同区域的生态风险进行研究[4,16]，在借鉴国外的研究基础上，结合国内地域的特点，从受体评价、危害评价、风险表征以及应对措施等方面对生态风险评价体系进行改进[9]。景观生态风险评价是指从景观要素镶嵌、景观格局演变和景观生态过程入手，通过分析他们对于内在风险源和外部干扰的响应，针对一个特定区域进行的景观组分、结构、功能和过程受人类活动或自然灾害影响的判定或预测方法。它依托景观生态学生态过程与空间格局耦合关联视角，注重风险的时空异质性和尺度的效应，致力于实现风险的空间表征及其可视化，可以为区域综合风险防范提供决策依据，有效指引区域景观格局优化与管理[17]。随着研究的深入，评价方法日趋完善，但尚未形成统一标准体系[18-19]，在大尺度经济开发建设重点区域的生态风险研究较少，通过结合景观格局的变化规律对洞庭湖生态经济区的生态风险进行分析是对当前区域风险研究的补充；同时洞庭湖生态经济区中很大一部分地区属于水陆交错带，而水陆交错带是陆地生态系统与水体生态系统之间重要的生态过渡区域，具有高度的生态脆弱性与生物复杂多样性，在维护区域生态系统健康和稳定性方面起着重要作用[20-21]，因此研究区域景观生态风险的变化规律，对促进区域生态环境保护与管理以及社会的可持续发展有着重要的意义。

洞庭湖生态经济区是我国中部崛起的重要战略组成部分，位于长江中游地带，在经历过“围湖造田”和“退田还湖”后，快速的环境变迁和复杂的湖垸、江湖关系使得该区景观格局发生了较大的变化，生态脆弱性表现得特别突出[22]，伴随而来的各种生态问题也日益增多，洞庭湖生态经济区建设是国家的一项重大战略，保障其生态系统健康也是一项重要任务。因此，本文选取1985年、2005年和2015年三个时期成像质量较好的遥感影像数据，借助ArcGIS空间分析方法，对洞庭湖生态经济区的景观生态风险进行分析，揭示该区域生态风险时空变化规律和驱动因素，为洞庭湖生态经济区科学管理提供理论支持。

1 研究方法

1.1 研究区域概况

洞庭湖生态经济区处于长江中游地带，介于27°98′～30°23′ N，110°20′～114°14′ E 之间，主要地形有广大的冲积平原、湖泊水网地区以及周边的山地丘陵，地形复杂，其中还包括了大面积的湿地地区，对维护地区生态系统健康起着重要的作用。洞庭湖是我国的第二大淡水湖泊，湖区被称为“鱼米之乡”，是全国重要的商品粮基地、水产和养殖基地。洞庭湖生态经济区跨越湖南和湖北两省，包括湖南省岳阳、常德、益阳、长沙市望城区和湖北省荆州市等四市一区，常住总人口2 200万，属于亚热带季风性气候，年均气温16.4～17.0 ℃，无霜期260～280 d，年均降水量1 200～1 550 mm，2014年4月国务院正式批复了洞庭湖生态经济区规划，本文研究为湖南部分地区。

1.2 数据来源与处理

数据主要来源于湖南省地质环境监测总站和中国科学院地理科学与资源研究所提供的Landsat TM影像，根据影像质量和研究区域景观格局变化的情况，本文选取了1985年、2005年和2015年三期影像为基础数据，通过ENVI5.1将研究区域分为耕地、林地、水域、建设用地、草地和未利用地6种地类[23]。

1.3 基于景观格局的生态风险指数构建

生态风险的大小取决于区域生态系统外部干扰的强度和内部抵抗力的大小，不同的景观类型对生物物种多样性、生态系统平衡和功能以及景观结构的自然演替具有不同的影响，因此，不同景观类型对外界干扰的抵抗力也有所不同[24]。本文基于区域的景观格局变化，选取不同景观指数，借助景观分析软件Fragstats，得到三期研究区域的景观格局指数。

1.3.1 景观干扰度指数 景观干扰度指数（Ei）是用来反映不同景观所代表的生态系统受到干扰程度，根据实际情况通过对破碎度、分离度和优势度赋予不同的权重然后进行叠加，来反映区域生态系统所遭受的干扰程度[25]。公式为：

式中：Ei为干扰度，Ci为破碎度指数，Ni为景观分离度指数，Di为景观优势度指数，a，b，c为各对应指标的权重，a+b+c= 1，根据相关研究[26]，结合洞庭湖生态经济区的实际情况对a、b和c三个指标的赋值权重为0.5、0.3和0.2。

景观破碎度指数（Ci）是反映整个景观或某一景观类型在给定时间和给定性质上的破碎化程度[27]。公式为：

式中：ni为景观类型i的斑块数，Ai为景观类型i的总面积。

景观分离度指数（Ni）是指某一景观类型中不同元素或斑块个体分布的分离程度[28]。公式为：

式中：A为景观总面积。

景观优势度指数（Di）是用来衡量斑块在景观中重要地位的一种指标[24]。公式为：

式中：Qi为斑块i出现的样方数占总样方数之比，Mi为斑块i的数目占斑块总数之比，Li为斑块i的面积占样方的总面积之比。

1.3.2 景观脆弱度指数 景观脆弱度指数（Fi）表示景观类型所代表的生态系统在受到外界干扰时内部结构的易损性，一般情况下，景观类型在抵御外部干扰能力越弱的情况下，则脆弱度越大，其生态系统也越脆弱[9,29]。通过专家咨询法并归一化分别对各景观类型赋权重，表示其脆弱程度，其中：林地为0.10，草地为0.14，耕地为0.19，建设用地为0.05，水域为0.24，未利用地为0.28。

1.3.3 景观损失度指数 景观损失度指数（Ri）是指景观受到外部干扰时其内部各类型景观受到的自然性损失的差异，通过景观干扰度指数和景观脆弱度指数综合反映[9,27]。公式为：

1.4 生态风险分析方法

1.4.1 采样方法 通过综合考虑研究区域范围和采样工作量，本文将研究区域划分为15 km×15 km的景观小区，共划分243个小区（图1），通过构建风险指数，得出每个景观小区中心点的风险值。

图1 研究区域生态风险小区的划分Fig. 1 Zoning of ecological risk areas

1.4.2 景观生态风险分析 根据洞庭湖生态经济区的景观特点，选用景观干扰度指数和脆弱度指数，构建用于描述研究区域的景观生态风险指数（ERI）。其计算公式[11,26]为：

式中：ERIi为第i个风险小区的生态风险指数，Aki为第k个风险小区第i类景观的面积，Ak为第k个风险小区的面积，Ri为第i类景观的景观损失度指数。1.4.3 空间分析法 本文采用地统计学中变异函数的方法，通过半方差函数对区域生态风险程度进行空间分析[30-31]。具体计算公式为：

式中：γ(h)为变异函数，h为步长，即样本的间隔距离；i=1，2，…，N(h)，N(h)为间隔距离为h时的样点对数；Z(xi)和Z(xi+h)分别为景观生态风险指数在空间位置xi和xi+h上的观测值。

2 结果与分析

2.1 洞庭湖生态经济区土地利用变化特征

通过ArcGIS得出1985—2005年和2005—2015年两期土地利用转移矩阵，近30年来，洞庭湖生态经济区增加的土地类型有建设用地和水域，分别增加了21.63万hm2和13.17万hm2，减少的土地类型有耕地、林地、未利用地和草地、分别减少了17.28万hm2、13.56万 hm2、2.54万hm2和1.42万hm2。

从时间层面来看，1985—2005年各土地利用类型变化量相对较小，其中增加的土地利用类型有水域和建设用地，分别增加了4.16万hm2和1.68万hm2；减少量相对较多的土地利用类型有未利用地和耕地，分别减少了3.15万hm2和2.12万hm2；林地和草地相对较稳定，分别减少0.48万hm2和874 hm2。而2005—2015年期间，各土地利用类型变化量相对较大，建设用地、水域和未利用地分别增加了19.95万hm2、9.01万hm2和0.61万hm2，耕地、林地和草地则分别减少了15.16万hm2、13.08万hm2和1.33万hm2（表1）。在研究期间，洞庭湖生态经济区的景观格局受城市化的快速发展以及“退田还湖”政策影响较大，尤其是在2005—2015年期间，建设用地和水域面积有较大幅度的增加；而建设用地和水域面积的扩张也相应的侵占了耕地和林地，这也是导致耕地和林地面积大量减少的原因。

从转入与转出的土地利用类型来看，近30年来，水域和建设用地面积持续增加，水域的主要补给来源为耕地、未利用地、部分林地以及少量的草地与建设用地，其中，耕地共计转出11.45万hm2至水域，未利用地共计转出6.79万hm2至水域；建设用地的主要补给来源为林地、耕地以及部分草地、水域和未利用地，其中，林地共计转出6万hm2至建设用地，耕地共计转出16.62万hm2至建设用地。其中耕地为主的农用地大量转化为水域和建设用地为主的非农业用地，在这样的情况下也可能会导致人地矛盾的紧张。

表1 1985—2015年土地利用转移矩阵（×104 hm2）Table 1 Land use Transfer matrix from 1985 to 2015 (×104 hm2)

2.2 景观指数变化分析

利用景观格局指数计算软件Fragstats4.2和excel软件，参照所列出的公式，计算出研究区域1985年、2005年和2015年6类景观的景观格局指数（表2），从结果可以看出：随着建设用地和水域面积的增加，其优势度也不断上升；林地、草地、水域和未利用地的破碎度上升，从而导致损失度也随之上升。研究期间，草地和水域的损失度变化最大且呈上升趋势，其原因是在研究区域内是以南方山地丘陵和洞庭湖平原为主的土地类型，草地分布较少且比较分散，在人类活动日益加强的影响下，草地面积在减少的同时其破碎度也随之升高，而在研究区域内，草地的脆弱度也相对较高，从而导致草地的损失度呈上升趋势；而水域在“退田还湖”政策的影响下，其面积逐渐扩大，但受地形和政策落实力度不统一的影响，导致其破碎度上升，同时水域的脆弱度也比较高，因此导致其损失度呈增高趋势。

2.3 景观生态风险时空分析

通过半变异函数模型拟合，发现三期生态风险指数的半变异函数均用球状模型拟合效果更理想（表3），结果表明，块金值与基台值比例均在20%以下，说明其变量的相关性比较显著。

根据生态风险指数（ERI）计算公式，得出各风险小区的景观生态风险指数，参考相关研究[26]，采用相对指标法，根据ArcGIS Natural Breaks分类方法将研究区的生态风险划分为5个等级：低风险区（0.04～0.55），较低生态风险区（0.55～1.01），中生态风险区（1.01～1.34），较高生态风险区（1.34～1.78），高生态风险区（1.78～2.44）。在此基础上，借助变异函数的理论模型，利用ArcGIS软件对243个风险小区的生态风险指数进行克里格插值，得到研究区域的生态风险等级图，统计各等级生态风险区面积。

表2 各类景观的景观格局指数Table 2 Landscape pattern indices for various land uses

表3 变异函数理论模型的相关参数Table 3 Parameters for semi-variogram analyses

表4 生态风险等级面积统计Table 4 Statistics of areas of various ecological risk

从计算结果来看，研究区域在1985年的生态风险状况是比较稳定的，主要以较低和中等生态风险为主，共计431.97万hm2（表4），占到地区总面积的92.76%；少部分较高生态风险区域主要集中在沅江市与岳阳县交界的湖区水陆交错地带（图2），这主要是因为20世纪80年代人类对洞庭湖大规模围垦和开发利用[22]，导致该地生态敏感性和脆弱性增加。到2005年，研究区域仍以较低生态风险和中等生态风险为主，共计380.15万hm2，同时较高生态风险区面积增加至64.45万hm2，高生态风险区面积增加至12.27万hm2，其中高生态风险区域主要分布在洞庭湖区以及湖区的水陆交错地带，而较高生态风险区主要分布在洞庭湖以西的平原地带，这里破碎度较高，而且水陆交错带和水域地带也属于生态脆弱地区，在经历“围湖造田”和“退田还湖”后，导致生态风险较高。到2015年，研究区域较高生态风险等级区域范围持续扩大，面积增加至117.45万hm2，占总面积的25.22%；高生态风险等级区域范围增加至28.25万hm2，占总面积的6.07%，其中高生态风险区扩展至西洞庭湖以及湖区水陆交错地带，较高生态风险区也向湖区四周扩散，石门县东南地区和临澧县西部地区也发展为较高生态风险区，主要原因为沿澧水一带大规模的开发建设造成河道沿线的生态风险升高。但同时低生态风险和较低生态风险等级的面积有所回升，分别增加了2.14万hm2和24.41万hm2，其主要原因是随着人们环境意识的增强，以政府为主导相关保护环境的措施起到了相应成效，比如设立自然保护区、封山育林和区域生态风险保护等在一定程度上降低了区域生态风险。

图2 洞庭湖生态经济区生态风险空间分布Fig. 2 Spatial distribution of ecological risk in the Dongting Lake Ecological Economic Zone

在整个2005—2015年期间，研究区域生态脆弱性较高的水域面积进一步增加，同时，随着社会经济的快速发展，人口数量急剧增加（仅岳阳市就增加近30万人），在洞庭湖区水陆交错地带活动频率增高，范围也随之扩大，因此导致生态风险等级升高，生态风险面呈向湖区周围扩散的趋势，但随着人们生态环境保护意识的增强以及在政府相应措施的实施下，部分地区的生态风险得到有效控制。

3 结论

近30年来，随着人类活动的加强和“退田还湖”政策的实施，洞庭湖生态经济区的水域和建设用地面积有较大幅度的增加，其中脆弱度较高的水域面积增加以及其他类型景观破碎度的增加是导致生态风险增高的主要原因之一，因此在洞庭湖生态经济区土地利用开发过程中要合理规划，避免景观过度破碎化。

整个洞庭湖生态经济区的生态风险在近30年呈增高趋势，但在2005—2015年期间，低生态风险和较低生态风险的面积有所回升，说明研究区域内设立自然保护区以及各地区采取的改善生态环境的措施，如设立禁止开发区，生态环境集中整治和土地整理等，是减轻生态风险的有效手段之一，但只是在部分地区起到了一定的成效，要使整个区域的生态风险得到有效控制还需要从多方面入手。因此在洞庭湖生态经济区的开发建设过程中，仍需要继续开展自然保护区的生态保护工作，加强生态环境保护；对土地利用进行合理规划，科学布局工农业生产活动，对工业产业进行升级转型，发展生态农业，从而实现整个洞庭湖生态经济区的可持续发展。

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