基于土地利用时空变化的生态风险评价研究

张成龙　鲁成树　曹海涛

摘要：文章以皖江城市带为研究对象，基于1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年六期遥感解译数据，借助Arcgis和GS+软件对相应数据进行分析处理，并利用空间自相关进一步确定生态風险指数在空间上的依赖性。研究表明：1990～2015年土地利用类型减少最多的为耕地，且主要转换为建设用地;生态风险等级主要以中等和较低等级为主;1990～2015年morans I指数不断增加，且逐渐趋向于1，表明生态风险指数空间相关程度明显，且有逐步增强的趋势。

关键词：皖江城市带;土地利用变化;生态风险;空间自相关

随着社会经济高速发展的需求以及人口数量不断增长的现实，对自然资源过度的消耗产生了一系列生态环境问题，已经严重威胁了自身的安全与发展。因此，如何改变当下困境成为人们关注的焦点，生态风险评价作为改变这一困境的重要评价方法，也越来越受到人们的关注。生态风险评价是生态系统及其组成部分在受到外界压力的情况下，对其可能发生或正在发生的不利生态影响的过程进行评估的一种方法。近年来，土地利用变化与生态风险之间相关性的研究越来越多，土地利用变化已经作为一种人为干扰源出现在生态系统中，而生态风险评价作为当今风险管理的一种重要科学手段，也为土地利用生态效应的定量化评估带来了新思路。

当前，针对土地利用生态风险评价，在研究方法上主要有半变异函数分析以及克里格差值、空间自相关、转移矩阵方法等。在研究模式上主要有两种，一是基于传统的风险源汇;二是直接从景观生态学的角度评价生态风险。在研究尺度上主要集中在流域与城镇上，如高永年以及曾勇分别对太湖流域以及呼和浩特市区生态风险进行了评价;而对于更大尺度上的经济带研究甚少。皖江城市带是作为泛长三角地区的重要组成部分，在中西部产业转移承接上具有重大战略意义，对皖江城市带土地利用变化的深入研究有利于揭示高速城镇化背景下土地利用格局的时空变化特征以及对生态风险评价的影响。

一、研究区域概况

皖江城市带总面积约76000km2，包含合肥市、芜湖市、安庆市、滁州市、马鞍山市、铜陵市、池州市、宣城市8个地级市以及六安市的金安区以及舒城县，人口约为3058万人。皖江城市带是安徽省仅有的以产业转移为主线的区域战略规划，它于2010年8月被国务院正式纳入国家发展战略中，在中西部崛起战略地位举足轻重。

二、研究数据与研究方法

（一）研究数据

该研究所涉及的数据有两类：土地利用数据与社会经济数据。土地利用数据包括1990年、1995年、2000年、2005年、2010年及2015年，共计6期，来源于中国科学院资源环境科学中心对研究区域1990～2015年遥感影像的解译，栅格大小为1km×1km。

（二）研究方法

1. 土地用途类型划分

本研究参照胡金龙的研究成果，并结合生态风险评价研究的现实需要，将皖江城市带土地利用类型划分为：耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地共计6类。

2. 区域生态风险分析

首先根据皖江城市带的面积，形状、地理位置等影响因素，采取面状评价与点状评价相结合的方法，参照相关研究划定生态风险评价单元，通过Arcgis中“渔网工具”设定不同尺度得评价单元，最终选取选取10km×10km的网格评价样地，共计889个。通过生态风险公式计算出每个评价样地的生态风险指数，并划分风险等级，并将其作为评价单元中心点的风险水平。对于评价地块边缘不足10km×10km的网格评价样地，则按照实际情况计算各地类所占的百分比。生态风险如式（1）所示：

ERI=（1）

其中，ERI表示评价单元的生态风险指数;Ai表示评价单元内第i类土地利用非类型所占的面积;Wi表示第i类土地利用类型所反映的生态风险的参数;A表示第i个评价单元的总面积。本研究权重的确定参考胡金龙的研究，耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地的权重分别为0.1916、0.0427、0.0726、0.1425、0.3934、0.1572。

3. 地统计法

基于上述计算出的各个评价单元的生态风险指数以及生态风险指数的空间特性，采用半方差的分析方法对评价单元的生态风险指数进行插值，最终得到整个研究区域生态风险分布图，如式（2）所示。

y（h）=[Z（xi+h）-Z（xi）]2（2）

其中，r（h）表示办方差：Z（xi+h）与Z（xi）分别表述系统在xi+h和xi处的风险值;n（h）表示评价单元间距为h样本对数总和：h为评价单元间距。运用Arcgis中空间模型对半方差函数进行拟合，再此基础上对皖江城市带风险值进行插值。

4. 空间自相关

空间自相关分析主要是为了确定变量在空间上的依赖性，其主要思想源自地理学第一定律。本研究利用morans I指数来测度所有生态单元的生态风险值在整体上的自相关，此外，采用空间关联局域指标（LISA）检测观测值的高值或低值的局部空间集聚。

三、结果分析

（一）土地利用变化分析

土地转移矩阵可以描述一定阶段各土地利用类型相互转换的方向和数量。1990～2015年，减少最多的地类为耕地，共减少1359.5km2;增加最多的地类为建设用地，共增加1430.68km2。在土地利用转移方面，耕地主要转化为建设用地，转移面积为1335.05km2，转移率为3.32%;其次是水域和林地，分别转移了196.32km2和59.5km2，主要原因是耕地被开发进行养殖业发展和“退耕还林”政策的施行。建设用地主要转化为耕地，转移面积为100.56km2，转移率为2.54%，这与我国实行的“增减挂钩”政策密不可分。其他各地类相互之间转移不明显，具体情况如表1所示。总体上看，主要表现为建设用地、水域的增加，耕地、林地、草地、未利用地的减少，这与我国这些年大力追求经济发展的现实保持一致。

皖江城市带土地利用类型以耕地为主，历年占比在52.79%左右。1990～2015年耕地、林地、草地、未利用地面积持续减少，其中耕地面积减少最多，为1359.50km2，占减少面积的87.2%;其次为林地，减少面积为187.07km2，占减小面积的12%;草地和未利用地减少面积相对较小，共12.45km2，占减少面积的0.8%。建设用地与水域面积持续上升，建设用地增加1430.68km2，占增加面积的91.77%;水域面积增加128.34km2，占增加面积的8.23%。

从土地利用变化时空转移来看，1990～2015年转出面积最多为耕地，主要转换为建设用地、水域和林地;耕地是建设用地增加的主要土地类型来源;未利用地随着人们利用程度的加深，总体面积在逐渐减少，且主要转换为耕地。

从生态风险指数和等级分布上看，1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年历年生态风险指数区间分别[0.04，0.30]、[0.04，0.32]、[0.04，0.33]、[0.04，0.33]、[0.04，0.34]、[0.04，0.35]，生态風险指数最大值由0.30增加到0.35，增幅为16.67%;生态风险等级主要呈现出在合肥市和芜湖市两个“主副”中心迅速扩散，在低等级风险区域基本不变的形态，这也与历年生态风险指数最小值为0.04不变的现实保持一致。

从生态风险等级变化来看，1990～2015年，生态单元风险等级有增有减，且等级增加的面积多于等级减少的面积;等级增加最大幅度为三个等级，等级减少最大幅度为两个等级，研究区域整体生态风险水平在增加。从生态风险等级面积转入与转出来看，较低生态风险区与中生态风险区是五个风险区内最活跃的两个风险区;高生态风险区的转入与转出面积都相对较小，是五个风险区内变化最小的风险区;高生态风险区面积的转入只来源中生态风险区和较高生态风险区，且其转出面积全部为较高生态风险区。

从生态风险空间分析来看，历年morans I值在（0.8，1）之间，且随着时间的推移morans I值在不断增长，表明生态风险指数空间相关程度明显，且有逐步增强的趋势。从局部自相关分析来看，1990～2015年皖江城市带生态风险指数主要呈现高—高和低-低聚集分布。高—高聚集主要分布在合肥市大部分区域以及芜湖市、滁州市、马鞍山市小部分区域，且有逐渐增多的趋势;低-低聚集主要分布在安庆市、宣城市以及池州市的山区地带，整体上保持稳定态势。

参考文献：

[1]傅伯杰，陈利顶，马克明.黄土丘陵区小流域土地利用变化对生态环境的影响——以延安市羊圈沟流域为例[J].地理学报，1999，54（03）：241-246.

[2]李春燕，南灵.陕西省土地生态安全动态评价及障碍因子诊断[J].中国土地科学，2015，29（04）：72-81.

[3]周利军，张雪萍，陈设.扎龙自然保护区土地利用变化与生态风险评价[J].自然灾害学报，2009，18（02）：186-190.

[4]周汝佳，张永战，何华春.基于土地利用变化的盐城海岸带生态风险评价[J]. 地理研究，2016，35（06）：1017-1028.

[5]朱会义，李秀彬.关于区域土地利用变化指数模型方法的讨论[J].地理学报， 2003，58（05）：643-650.

[6]刘晓，苏维词，王铮，等.基于 RRM 模型的三峡库区重庆开县消落区土地利用生态风险评价[J].环境科学学报，2012，32（01）：248-256.

[7]谢花林.基于景观结构和空间统计学的区域生态风险分析[J].生态学报， 2008，28（10）：5021-5026.

[8]王玲.基于土地利用变化的上海市生态风险评价[J].农业科学研究，2018，39（01）：10-16.

[9]高永年，高俊锋，许妍.太湖流域水生态功能区土地利用变化的景观生态风险效应[J].自然资源学报，2010，25（07）：1088-1096.

[10]曾勇.区域生态风险评价以呼和浩特市区为例[J].生态学报，2010，30（03）： 668-673.

[11]胡金龙，周志翔，腾明君，等.基于土地利用变化的典型喀斯特流域生态风险评估[J].应用生态学报，2017，28（06）：2003-2012.

[12]赵洁岩，李阳兵，邵景安.基于土地利用变化的三峡库区小流域生态风险评价[J].自然资源学报，2013，28（06）：944-956.

[13]李哈滨，王政权，王庆成.空间异质性定量研究理论与方法[J].应用生态学报， 1998，9（06）：651-657.

（作者单位：安徽师范大学地理与旅游学院）