长江沿岸芜湖区段景观生态风险时空演变分析

贾艳艳，唐晓岚，b，刘振威，刘德保，杨 阳

（1.南京林业大学 a.风景园林学院；b.中国特色生态文明建设与林业发展研究院，江苏 南京 210037；2.山东农业大学 信息科学与工程学院，山东 泰安 271018）

景观生态风险是自然或人为因素影响下景观格局与生态过程相互作用可能产生的不利后果，主要以景观生态学为依托，侧重景观格局与生态过程的耦合关联，更加注重风险的时空异质性和尺度效应，致力于实现多源风险的综合表征及其空间可视化[1]。风险受体上，以特定区域和城市一种或多种景观为风险综合体[2]，反映景观格局及其演变对生态过程、生态健康的影响[3]。景观生态风险评价的方法主要包括景观指数法[4-5]和风险“源—汇”法[6-7]。目前景观生态风险评价的研究主要集中于河湖流域[8-9]、行政区[10-11]、城市地域[12-13]等方面，也有学者对自然保护区[14]、古村古镇[15]、水利枢纽区[16]等进行景观生态风险评价研究。关于长江流域生态风险方面也有一些研究，孙洪波、杨桂山等[17]从风险源强度、受体暴露度和风险效应三方面构建土地利用生态风险评价指标体系，分析了沿江地区南京的土地利用生态风险空间分异及影响因素；王锡贞等[18]采用相对风险模型(RRM)、风险源强度和生态效应强度指标构建生态风险评价系统，分析了江苏沿江地区的生态风险值和空间分布规律；刘凤等[19]基于景观格局指数构建生态风险评价模型，研究了长江中游城市群的生态风险时空分布特征等。然而，针对长江沿岸区域尤其是跨江地区景观生态风险评价的研究相对较少。

芜湖区段是长江中下游段的典型跨江区域，长江自城西南向东北横穿而过使其拥有独特的区位优势、景观优势、资源优势，境内有长江岸线194 km，长江不仅是润泽芜湖两岸的生命线，更是支撑其经济发展的大动脉。但随着城镇化进程的加快，长江沿岸土地利用类型景观的格局发生了深刻变化，生态系统的结构和功能受到影响。立足于这一典型区域，本文以芜湖区段（对应2011年行政区划调整后的芜湖市辖区范围）为研究对象，综合运用景观生态学原理、地统计学原理和GIS 空间分析法，基于芜湖区段景观类型，构建其1995、2005 和2016年的景观生态风险指数，分析研究区生态风险的时空演变特征，以揭示芜湖区段的风险状况和城市建设发展对长江生态廊道的影响，旨在为未来芜湖景观生态规划、生态风险预警、长江沿岸生态修复与保护提供一定参考。

1 研究区概况

芜湖区段位于安徽省东南部，长江下游，地处30°38′～31°31′N、117°28′～118°43′E，南 倚皖南山系，北望江淮平原（图1）。属亚热带湿润季风气候，年平均气温15～16℃，年降水量1 200 mm，年无霜期219～240 d。地势南高北低，地貌类型多样，平原、丘陵、低山皆备，以平原为主；市域内河道纵横，湖泊众多，沟塘密布，有各级河道50 余条，大小湖泊20 多个，水资源极为丰富。研究区辖芜湖、繁昌、南陵、无为四县和鸠江、三山、镜湖、弋江四区（2011年撤销地级巢湖市后无为县和沈巷镇划归芜湖管辖），面积6 026 km2，市区面积1 491 km2。2016年，研究区年末总人口达387.58 万人，地区生产总值2 699.44 亿元；是安徽省的经济、文化、交通、政治次中心，是皖江城市带承接产业转移示范区核心城市、国务院批准的沿江重点开放城市和南京都市圈成员城市等，有“长江巨埠，皖之中坚”之称。

图1 研究区位置及生态风险小区划分Fig.1 Location of the research area and division of the ecological risk area

2 研究方法

2.1 数据来源与处理

基础数据是覆盖研究区的1995、2005年的Landsat5 TM 和2016年的Landsat8 OLI 遥感影像，共9 景，地面分辨率均为30 m，无云雾遮挡，时相为植被生长旺季5—9月，数据来自于地理空间数据云（http://www.gscloud.cn/）。人口、社会、经济等数据来自芜湖政府官网、芜湖市统计局和《芜湖统计年鉴(2017)》。

在ENVI5.3 中对3 期影像分别进行波段组合、配准、镶嵌、图像增强、几何裁剪等预处理，然后通过最大似然法进行监督分类。参照《土地利用现状分类》[20]标准并以中国科学院资源环境科学数据中心（http://www.resdc.cn/）提供的2015年中国土地利用类型空间分布图为分类参照样本，根据研究区景观资源用地现状和研究目的，将研究区景观分为耕地、林地、湿地、建设用地和裸地5 种类型。借助Google Earth，通过人机交互目视解译的方法进行监督分类，最终得到研究区三个时期景观类型分类图（图2）。利用混淆矩阵方法评价分类结果精度，三期影像分类结果的总体精度均在85%以上，满足判别误差精度要求。选取耕地、林地、湿地、建设用地和裸地5 种景观类型所代表的生态系统作为风险受体，建立生态风险指数，利用ArcGIS 软件和地统计学中的空间分析方法，得到研究区生态风险指数空间分布图，进而评价风险等级。

图2 1995、2005 和2016年芜湖区段景观类型空间分布Fig.2 Spatial distribution of the landscape types of Wuhu section in 1995,2005 and 2016

2.2 研究方法

2.2.1 风险小区划分

利用ArcGIS 10.2 对研究范围进行网格化处理，进而采集生态风险评价单元，即划分风险小区。根据每一个风险小区大小按照研究区景观斑块平均面积的2～5 倍划分[21]和采样工作量，采用5 km×5 km 的正方形网格对芜湖区段进行空间网格化采样，采样方式为等间距系统采样法，共采集304 个风险小区（图1）。计算每一个风险小区内各景观类型的综合生态风险指数，以此作为风险小区中心点的生态风险水平和生态风险评价空间插值分析的样本。

2.2.2 景观生态风险模型构建

景观生态风险的大小取决于研究区景观生态系统所受外部干扰强度和内部抵抗能力的大小[22]。景观格局反映了人类对自然生态系统的影响方式和程度，是揭示区域生态系统状况及空间变异的有效手段[23]。而景观格局指数高度浓缩了景观格局信息，是反映景观格局结构组成与空间配置某些方面特征的简单定量指标[24]。基于生态系统的景观格局与生态风险的联系，借鉴已有研究成果，利用景观破碎度指数、景观分离度指数、景观优势度指数、景观干扰度指数、景观脆弱度指数和景观损失度指数构建生态风险指数评价模型。其计算公式[8-9]为：

式中，ERIk为第k个风险小区的景观生态风险指数，Ri为i类景观的景观损失度指数，Aki为第K个风险小区内景观类型i的面积，Ak为第k个风险小区的面积；m为风险小区内景观类型数目；i为耕地、林地、建设用地、湿地和裸地5 种景观类型，构建生态风险指数的各景观指数计算公式及其生态意义，详见表1。

表1 景观格局指数计算方法Table 1 Calculation methods of landscape pattern indices

2.2.3 景观生态风险空间分析方法

基于景观格局指数计算的景观格局生态风险指数是一种空间变量，其空间异质性可利用地统计学中的空间分析方法，其计算公式参见文献[9,26]。基于计算出的风险小区生态风险指数样本数据，对半变异函数进行球面模型拟合（通过不同模型比较，球面模型拟合结果比较理想），采用普通克里金法（Ordinary Kriging）对生态风险指数进行空间插值，并绘制生态风险等级空间分布图。

3 结果与分析

3.1 景观格局指数时序变化

利用Fragstats4.2 软件和Excel 的统计功能，按照表1所示的景观指数计算方法，得到芜湖区段1995、2005 和2016年的各景观类型的景观格局指数（表2）。

由表2可知，耕地和林地的面积呈减少趋势，但始终是研究区的主要景观类型；建设用地的面积持续增加，1995—2016年增加了55 877.76 hm2，其中后10 a 增加速度较前10 a 更迅猛，因为前 10 a 芜湖以发展市区为主，县域经济发展比较滞后；伴随快速城镇化建设，2005—2016年间芜湖市区和各县域经济均快速发展，以2011年之后江北新区的发展尤为突出，2011—2016年间建设的鸠江经济开发区北区、大龙湾新型城镇化示范区和高新产业集聚区等均位于江北新区，实现了跨江发展[27]，人类开发利用活动对景观格局的干扰强度不断增加。1995—2005年间湿地面积减少了5 897.43 hm2，2005—2016年有所增加，但2016年的湿地较1995年减少了4 040.10 hm2，这是由于人们围湖造田发展种植业，耕地侵占湿地的情况严重；同时，随着城镇化和工业化进程的加快，建设用地对湿地侵占也严重，虽然国家高度重视长江流域的湿地生态系统，提出“退田还湖、还湿”的政策，加强长江沿岸湿地资源的保护，但芜湖区段湿地面积整体呈减少趋势。矿产资源的大量开采致使山体植被损毁严重，截至2015年底，芜湖市境内矿山损毁植被面积达1 017.40 hm2[28]，以无为县石涧镇和繁昌县的新港、荻港、孙村等地的山体植被破坏尤为严重，完整的山体变的支离破碎，原有的葱郁山林植被变成了裸地，致使研究期内裸地面积持续增加。

研究期内，耕地的斑块数持续增加（因为随着农村居民点、城镇用地、工矿企业等用地的增多，耕地被利用分割，斑块数不断增加），耕地的破碎度指数Ci和分离度指数Ni呈升高趋势，优势度指数Di不断减小，损失度指数Ri不断增加，由1995年的0.012 7 增加到2016年的0.013 9；林地的斑块数持续减少（因为一些分散的林地被不断破坏，只剩下山地丘陵上大片的林地），Ci和Di呈减少趋势，Ni和Ri先增加后减少；建设用地的斑块数先减少后急剧增加（因为1995—2005年建设用地主要在市区集聚发展，而2005—2016年芜湖区段县域经济也迅速发展，建设用地在整个区域呈蔓延式向外扩张、侵占其他景观用地，斑块数迅速增加，呈集中连片分布的趋势），Ci和Ni不断减小，优势度指数Di 不断增大，由1995年的0.328 5 增加到2016年的0.426 5，Ri不断减少，由0.038 4 减少到0.017 6；湿地斑块数先增加后减少，Ci、Ni、Di和Ri先增加后减少；裸地的斑块数持续增加，Ci先增加后减少，Ni和Ri不断减少。

表2 芜湖区段各用地类型的景观格局指数Table 2 Landscape pattern indices of each land type in Wuhu section

3.2 景观生态风险时空分异

参考前人研究[8-9,13]，结合研究区实际情况和各生态风险小区ERI 所处的范围，借助ArcGIS 的自然断点法将生态风险划分为5 个等级：0.013＜低生态风险≤0.016，0.016＜较低生态风险≤0.019，0.019＜中生态风险≤0.023，0.023＜较高生态风险≤0.030，高生态风险＞0.030。并对研究区304个风险小区所占生态风险等级的面积和面积动态变化进行统计（图3和表3）。

图3 1995、2005 和2016年各级生态风险面积占比Fig.3 Proportion of different ecological risk areas in 1995,2005 and 2016

表3 不同等级景观生态风险动态变化Table 3 The dynamic changes of landscape ecological risk in different levels

由图3和表3分析可知，1995年研究区主要处于低、较低和中生态风险区，其面积分别占研究区总面积的23.16%、39.80%和23.70%。低和较低生态风险区主要分布在无为县大部（无为县生态环境自然本底较好）、繁昌县中东部、芜湖县中部和南陵县大部，其中低生态风险区集中在长江北岸无为县西北部、西南部和长江南岸繁昌县东南部、南陵县中南部和芜湖县南部区域（图4），因为这些地区以低山丘陵和岗地为主，分别是长江南北两岸林地的主要集中分布处，人口密度小，人类活动干扰相对较小，生态风险程度较低。中生态风险区的分布在长江干流附近，与长江呈平行态势，其中北岸的中生态风险等级区域呈与长江走势相似的弯曲带状分布形式，而南岸的中生态风险等级区域沿长江向南外扩范围较大，面积显著大于北岸，主要包括三山区大部、芜湖县大部、南陵县北部和繁昌县中部区域；因为南岸相较北岸分布的区县较多，人类开发利用活动的干扰强度较大，同时南岸分布着大量景观分离度、景观脆弱度和景观敏感性程度较高的湿地，生态风险相对较高。较高生态风险面积相对较少，为77 819.06 hm2，占比为12.92%，主要分布于芜湖市区，具体为长江北岸沿长江外扩约5 km、长江南岸沿长江外扩约10 km 的区域。高生态风险的面积则极少，占比仅为0.42%，主要分布于长江南岸芜湖中心城区的镜湖区；因为该区域社会经济发达，人口密度大，建设用地广布，而1995年建设用地的破碎度和分离度较大，显著高于耕地、林地和湿地，因此处于高等级生态风险区。此外，较高和高生态风险区还分布于长江干流北岸（无为县）5 km、南岸（繁昌县）10 km 左右范围的区域，因为该两区域自然地质环境脆弱[29]，灾害频发，无为县临江区域常发生洪涝灾害；繁昌县境内有多处地质灾害点，主要分布在临江区域的新港镇、荻港镇和孙村镇（易发生崩塌、山体滑坡等地质灾害），也是矿山开采较严重、规模较大的区域[30]；由于生态环境比较脆弱，该两区域在1995—2016年始终处于较高和高生态风险区。

图4 1995、2005 和2016年芜湖区段景观生态风险空间分布Fig.4 Spatial distribution of landscape ecological risk of Wuhu section in 1995,2005 and 2016

与1995年相比，2005年研究区主要处于较低、中和较高生态风险等级，1995—2005年低生态风险以8.32%的速度减少了116 026.58 hm2（表3），长江北岸的低生态风险区只剩西北部部分区域，长江南岸只有南陵县中部区域。而中生态风险以4.74%的速度有所增加，占比为34.93%，呈向外围扩散态势，且南岸的分布范围显著大于北岸；中生态风险在南陵县西南部和无为县西南部大量增加（图4），因为1995—2005年该区域林地锐减，林地的分离度显著增加，建设用地和耕地增加，景观破碎度增加，导致生态风险等级升高。较高生态风险覆盖芜湖段整个长江干流，面积增加了37 021.81 hm2，占比达19.07%。高生态风险的动态度为49.67%，增幅较大，面积增加12 464.12 hm2，占比增加至2.49%，主要分布于长江干流无为县处和三山区北部小洲乡区域，因为无为县临江区域为洪涝灾害高发区[31]，生态环境脆弱，而小洲乡区域圩区较多，景观敏感性较高；2005年的三山区是芜湖中心城区的边缘区，由于处于城镇扩张和开发区建设初期，缺乏科学的发展规划，耕地、湿地等被无序化分割、占用，景观分离度和破碎度较大，生态风险等级较高。较低生态风险的面积变化不显著，减少了1 047.29 hm2，但其空间位置变动显著，较低风险区占据大部分原来低生态风险区域，以无为县西北部和南陵县地区表现最为突出。

2016年，研究区生态风险等级的最大变化是低、较高和高生态风险面积均减少，研究区主要处于较低和中生态风险等级（图3）。其中，较低生态风险显著增加，由2005年的238 608.52 hm2增加为298 201.11 hm2，占比达49.52%，中生态风险增加不显著，占比为35.11%；2005—2016年间，低生态风险减少了6 362.67 hm2，占比仅为2.83%；较高和高生态风险分别以3.60%和5.39%的速度减少了45 438.25 hm2和8 875.70 hm2（表3），主要原因在于2005—2016年随着社会经济的快速发展，芜湖区域内的建设用地在空间上表现为不断集聚成片，破碎度指数和分离度指数显著降低；此外，政府加大对生态环境的改造，2014—2016年芜湖市在城市规划区范围内开展大型生态绿地建设（参见《芜湖市人民政府办公室关于开展城市生态绿地建设的通知》芜政办秘[2014]169 号），截止2016年芜湖建成区的绿化覆盖率达40.58%，人均公园绿地面积为13.42 m2[32]，满足国家生态园林城市标准（建成区绿化覆盖率≥40%，人均公园绿地面积≥12 m2/人），芜湖城市生态建设较好，建成区较高和高生态风险区明显减少。但较高和高生态风险区在分布上不再局限于长江干流区域，新增加的较高和高风险区分布于无为县西北部（图4），因为2005—2016年间无为县西北部石涧镇的矿产资源开采严重，矿产开采场、化工厂和破损的林地使该区域景观破碎度增大，并且矿山植被、景观、土地、水均衡遭受破坏，生态环境恶化，生态风险显著升高。

1995—2016年，芜湖区段各等级生态风险面积变化趋势存在较大差异：低生态风险面积前 10 a 急剧减少，后10 a 缓慢减少；较低生态风险面积前10 a 变化不明显，后10 a 显著增加；中生态风险前10 a 显著增加，后10 a 变化不明显；较高生态风险和高生态风险均先增加后减少（图3）。并且从图4可以看出，20 多年间研究区5 种生态风险等级的分布基本呈以长江为轴，分别向江南和江北呈梯度递减变化，呈“低—较低—中—较高—高—较高—中—较低—低”的分布格局，即研究区整体表现为长江干流区域生态风险值较大，南北两岸距长江越远的区域生态风险值越小，并且江南的景观生态风险整体高于江北。因为长江干流区域是芜湖市区的分布区，尤其集中在长江南岸，并且沿江分布着许多港口码头、工矿企业，是产业区的集中所在地，建设开发力度大，人口密度大，人类活动频繁、干扰强度较大，沿江的耕地和湿地极易遭到破坏，同时长江干流紧邻无为县和繁昌县区域地质灾害频发、生态环境脆弱，因此长江干流附近景观生态风险相对较大；而距长江越远的区域人类活动强度相对较小，尤其是长江南岸的中南部和东南部、长江北岸的西北部和西南部，这些区域地形多为山体和丘陵，林地覆盖率较高，景观生态风险程度相对较小。

3.3 景观生态风险转换分析

利用ArcGIS 的空间叠加功能，将研究区1995、2005 和2016年的生态风险等级分布图进行叠加，得到1995—2005年和2005—2016年2 个时段的生态风险等级转移矩阵（表4、5）。

表4 1995—2005年芜湖区段生态风险等级转移矩阵Table 4 Transition matrixes of ecological risk grades in Wuhu section from 1995 to 2005 hm2

表5 2005—2016年芜湖区段生态风险等级转移矩阵Table 5 Transition matrixes of ecological risk grades in Wuhu section from 2005 to 2016 hm2

由表4可知，1995—2005年，除各等级风险自身转换外，生态风险的转换类型有：低—较低、低—中、低—较高、较低—中、较低—较高、中—较高、较高—高、较低—低、中—较低、较高—中、高—较高11 种类型。其中，低等级向高等级风险转换的面积为277 152.59 hm2，占研究区总面积的46.03%；而高等级转换为低等级风险的面积为6 454.71 hm2，占比为1.07%，说明1995—2005年芜湖区段的生态环境恶化，景观生态风险呈升高趋势。由于1995—2005年芜湖处于城镇化快速发展阶段，人类活动对区域景观干强度大，大面积的耕地、林地、湿地被建设用地侵占，景观破碎度、分离度加大，生态环境遭到破坏，生态风险升高。

由表5可知，2005—2016年，除各等级风险自身转换外，生态风险的转换类型有：低—较低、较低—中、较低—较高、较低—高、中—较高、中—高、较高—高、较低—低、中—较低、较高—较低、较高—中、高—中、高—较高13 种类型。其中，低等级向高等级风险转换的面积为48 490.98 hm2，占研究区总面积的8.05%；而高等级转换为低等级风险的面积为161 142.76 hm2，占比为26.76%，说明2005—2016年间芜湖区段的整体生态风险有所下降。一方面与建设用地呈集聚发展、破碎度和分离度减小相关；一方面与政府加大生态建设和保护生态环境的举措紧密相关，2005年“生态芜湖”建设全面启动；2007年地方政府下发《关于进一步加强环境保护工作的决定》，将芜湖环境保护作为政府工作重点；2014年芜湖市启动城市组团间大型生态绿地建设，一系列政策的驱动使芜湖生态环境大大改善，促使高等级生态风险范围缩小。

4 结论与讨论

4.1 结 论

基于景观格局演变分析，应用ArcGIS10.2、ENVI5.3、Fragstats4.2 等软件平台以及生态风险指数模型，对长江沿岸芜湖区段1995、2005 和2016年的景观生态风险进行网格化定量研究，得出以下主要结论：

1）景观指数时序变化方面，1995—2016年耕地和林地始终是芜湖区段的主要景观类型，但面积不断减少；建设用地面积不断增加，增加了55 877.76 hm2，其中后10 a 的增幅是前10 a 的2.98 倍；湿地面积先减少后增加，但2016年较1995年减少了4 040.10 hm2；耕地的破碎度和分离度增大，优势度减小；建设用地的破碎度和分离度减小，优势度增加，人类活动的干扰不断增强。

2）景观生态风险时空分异方面，1995年芜湖区段以低、较低和中生态风险为主，分别占研究区总面积的23.16%、39.80%和23.70%；2005年以较低、中和较高生态风险为主，面积占比分别为39.63%、34.93%和19.07%；2016年以较低和中生态风险为主，面积占比为49.52%和35.11%。空间分布上，20 多年间研究区5 种生态风险等级的分布基本呈以长江为轴，分别向江南和江北呈梯度递减变化，呈“低—较低—中—较高—高—较高—中—较低—低”的分布格局，即高等级生态风险区主要分布在长江干流区域，而南北两岸距长江越远的区域生态风险相对越小，并且江南的景观生态风险整体高于江北。

3）景观生态风险转移方面，各等级生态风险转换类型多样。其中，1995—2005年低等级向高等级风险转换的面积占研究区总面积的46.03%；而高等级转换为低等级风险的占比仅为1.07%。2005—2016年，低等级向高等级风险转换的面积占研究区总面积的8.05%；而高等级转换为低等级风险的占比为26.76%。前10 a 芜湖区段生态环境恶化，景观生态风险呈升高趋势；后10 a 研究区生态环境大大改善，高等级生态风险区明显减少。各等级生态风险的种种变化与城镇化进程中人类活动的强烈干扰和一系列加强生态绿地建设及生态环境保护的政策与举措紧密相关。

4.2 讨 论

景观生态风险评价是研究区域生态环境的有效手段，研究结果可为芜湖区段综合风险防范、景观生态管理和沿江生态环境保护提供一定依据。芜湖区段应加强对矿山地质环境的保护与治理，严格控制矿山企业数量和严格管理矿产资源开采，及时采取科学措施对已开采山体进行生态修复，防止水土流失、崩塌、滑坡等灾害，恢复山体植被，最大限度保护原有自然山体形态，尤其是需要加强对长江北岸无为县严桥镇、石涧镇和长江南岸繁昌县荻港、新港、孙村等地矿产开采管控与生态修复，该研究结果与曹玉红等[29]构建沿江地区生态安全格局的观点一致。芜湖市应依托山体林地景观资源，在林地集中分布区建立森林公园或自然保护区，在现有自然保护区、风景名胜区和森林公园的基础上，形成保护区域，以改善境内生态环境，优化城市生态系统。如繁昌县和南陵县境内分布有人字洞遗址、大工山—凤凰山铜矿遗址、丫山风景区、马仁森林公园等景观资源优势区，应积极保护现有的山体植被，使其形成生态保护体系，提升生态系统服务功能和抗风险能力（梁栋栋[33]）。

同时，芜湖应以国家公园和生态文明建设为契机，依托境内的黄金水道——长江、河湖坑塘等湿地资源，加强以长江为主的水生态廊道和沿江湿地保护，建立以湿地自然保护区、湿地公园、湿地保护小区和饮用水源保护区等为主的湿地保护体系，增强湿地景观的连通性，这不仅有助于改善芜湖生态环境，提高芜湖生态风险抵抗力，还对推进长江经济带可持续发展、保护沿江生态环境和维护长江流域生态安全具有重要意义。本研究目的是定量揭示芜湖区段景观生态风险时空演变特征，受篇幅所限并未深入分析其生态风险变化的驱动机制和管理对策；今后需结合芜湖区段景观生态系统服务功能进一步研究景观生态风险，并探讨不同程度景观生态风险的管控措施。