彭 俊， 凌 敏， 龔傳康， 張 兵， 俞珊妮， 張寬豪

(1.滁州學院 地理信息與旅游學院， 安徽 滁州 239000； 2.上海市城市建設(shè)工程學校(上海市園林學校)， 上海 200232；3.安徽美圖信息科技有限公司， 安徽 合肥 230088)

隨著我國城鎮(zhèn)化、工業(yè)化的快速推進，林地、草地等生態(tài)景觀受到擠壓[1]，水土流失、土地荒漠化、生態(tài)退化以及生物多樣性降低等生態(tài)環(huán)境問題頻頻出現(xiàn)，生態(tài)環(huán)境風險系數(shù)明顯增加[2]。生態(tài)風險是指生態(tài)系統(tǒng)受到一切對生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成威脅要素的可能性，表明在一定區(qū)域內(nèi)，具有不確定性的事故或災(zāi)害對生態(tài)系統(tǒng)及其組分可能產(chǎn)生的作用，這些作用可能會導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的損傷，從而危及生態(tài)系統(tǒng)的安全和健康[3]。生態(tài)風險評價是研究一種或多種干擾對生態(tài)系統(tǒng)及其組分可能產(chǎn)生的不利影響的過程，對長時間和大區(qū)域尺度上的風險可能造成的效應(yīng)進行辨識，對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)風險進行綜合評估，最終為生態(tài)環(huán)境監(jiān)測以及生態(tài)風險管理提供決策和支持[4]。國外學者對于生態(tài)風險評價的研究主要以區(qū)域生態(tài)風險評價為主[5]，其評價范圍包括自然災(zāi)害區(qū)域[6]、城市化區(qū)域[7]以及流域等[8]，其評價方法包括因果分析法、相對生態(tài)風險評價模型、等級動態(tài)框架以及生態(tài)等級風險評價法等[9-10]。國內(nèi)學者對于生態(tài)風險研究起步較晚，通過借鑒國外生態(tài)風險評價研究，從生態(tài)風險源、受體評價、暴露評價、危險評價以及風險表征等方面對生態(tài)風險評價進行了完善和補充[11-13]。

流域具有完整的生態(tài)系統(tǒng)，包含絕大部分的生態(tài)環(huán)境要素[14]。隨著我國人口和城市的不斷擴張和蔓延，以流域為主的生態(tài)系統(tǒng)受到越來越大的外界脅迫。景觀格局特征變化明顯，同時該區(qū)域也是生態(tài)壓力和風險最大的區(qū)域之一[15]。20世紀90年代以來，國內(nèi)學者多結(jié)合景觀生態(tài)學，采用生態(tài)風險指數(shù)法、生態(tài)風險評價模型對全國部分流域進行分析，并取得較好的效果。李謝輝[16]通過分析渭河下游河流沿線區(qū)域生態(tài)風險特征，發(fā)現(xiàn)高生態(tài)風險區(qū)域主要位于黃河水域區(qū)；鞏杰[17]對甘肅白龍江流域2010年的景觀格局與生態(tài)風險評價進行測度，發(fā)現(xiàn)區(qū)域生態(tài)風險空間分布差異明顯；張學斌[18]通過評估干旱內(nèi)陸河石羊河流域生態(tài)風險特征，發(fā)現(xiàn)高生態(tài)風險區(qū)具有明顯的擴張趨勢?？偨Y(jié)發(fā)現(xiàn)，當下流域生態(tài)風險評價過程中缺乏對多生態(tài)風險狀態(tài)進行分析，對生態(tài)風險的時空演化特征研究不足。

巢湖是長江流域重要的生態(tài)淡水湖之一，也是生態(tài)和環(huán)境變化敏感的區(qū)域之一。受合肥市等區(qū)域城市快速擴張的影響，巢湖流域近年來出現(xiàn)了較為嚴重的生態(tài)風險危機，已發(fā)展為長江流域中下游流域生態(tài)退化的典型。本文以巢湖流域為例，對2000～2020年的Landsat影像進行解譯，在統(tǒng)計巢湖流域景觀格局結(jié)構(gòu)和景觀指數(shù)變化的基礎(chǔ)上，構(gòu)建生態(tài)風險評價模型，對巢湖流域生態(tài)風險結(jié)構(gòu)進行分析，可為健全流域生態(tài)風險應(yīng)急保護機制，加強流域生態(tài)系統(tǒng)的科學管理提供決策依據(jù)和理論支撐。

1 研究區(qū)域概況

巢湖流域位于長江中下游北岸，主體處于安徽省中部，主要包括合肥、巢湖、六安及安慶共4市15個縣區(qū)(如圖1所示)。流域水系發(fā)源于大別山區(qū)，自西向東經(jīng)巢湖、裕溪河流入長江，以巢湖為中心，呈放射狀注入，流域總面積13 486 km2，約占安徽省總面積的9.3%。流域內(nèi)屬于典型的亞熱帶濕潤性季風氣候，多年平均氣溫為16 ℃，多年平均降水量1 215 mm，其中汛期降水量占年降水量的51%。巢湖是中國排名第五的淡水湖，是安徽第一大湖。巢湖水系的核心水域，是中國重要的濕地資源，也是合肥市重要的飲用水源地，具有工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)灌溉、防洪、漁業(yè)、旅游等多種功能。

圖1 研究區(qū)示意圖

2 研究材料與方法

2.1 研究材料

2000～2020年巢湖流域遙感影像來自地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)中的Landsat系列影像數(shù)據(jù)。通過選取云量小于5%(5～8月份)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過ENVI5.3中的拉伸、輻射定標、大氣校正以及鑲嵌等一系列步驟，通過分類流程化工具中最大似然法對影像進行監(jiān)督分類。利用Google earth高分辨率影像與分類結(jié)果進行對比和修正，并對總體精度進行驗證，均高于90%，如圖2所示。

圖2 2000～2020年巢湖流域景觀格局空間分布

通過GIS10.2中的空間分析功能得到巢湖流域各景觀用地面積和景觀轉(zhuǎn)移特征，利用FRAGSTATS4.2對景觀格局指數(shù)進行計算。構(gòu)建3 km × 3 km網(wǎng)格，通過評價各網(wǎng)格內(nèi)的生態(tài)風險指數(shù)，并對其進行插值，利用自然斷點法將其分為極高生態(tài)風險地區(qū)、高生態(tài)風險地區(qū)、中生態(tài)風險地區(qū)、低生態(tài)風險地區(qū)和極低生態(tài)風險地區(qū)。

2.2 研究方法

2.2.1 景觀用地轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣方法來分析各景觀要素的內(nèi)在流動情況，更加深入地揭示巢湖流域景觀格局的轉(zhuǎn)移特征和趨勢。其表達形式為：

式中：Sij表示初期第i種景觀類型轉(zhuǎn)變?yōu)槟┢诘趈種景觀類型的面積；i和j分別為初期與末期的景觀類型；n為景觀類型數(shù)目。轉(zhuǎn)移矩陣中，行表示初期第i種景觀類型，列表示末期第j種景觀類型。

2.2.2 景觀格局指數(shù)選取

景觀格局指數(shù)是通過數(shù)學模型定量化的，表達景觀格局的空間信息和空間配置特征，主要分為斑塊尺度、類型尺度和景觀尺度3個層面。為了更加有效地揭示巢湖流域景觀特征演變，本文選用3種類型尺度和6種景觀尺度，其中類型尺度包括斑塊數(shù)量(NP)、邊緣密度(ED)和最大斑塊指數(shù)(LPI)；景觀尺度包括斑塊密度(PD)、形狀指數(shù)(LSI)、聚焦度(CONTAG)和聚集度指數(shù)(AI)(反映景觀的破碎程度和連通性)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)和香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)(反映景觀結(jié)構(gòu)的多樣化與分布均勻程度)。

2.2.3 生態(tài)風險模型構(gòu)建

通過空間可視化建立巢湖流域漁網(wǎng)矩陣，以3 km × 3 km漁網(wǎng)進行生態(tài)風險區(qū)分割，共分為1 401個生態(tài)風險區(qū)。通過計算每個生態(tài)風險區(qū)的綜合生態(tài)風險指數(shù)和及生態(tài)風險水平，通過Kriging插值法進行插值，以自然斷點法將其分為極高風險、高風險、中風險、低風險和極低風險區(qū)5個等級。區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)受外部干擾的強弱以及內(nèi)部抵抗力的大小，是生態(tài)風險大小的決定性因素，不同景觀特征在物種保護生物多樣性維護以及生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定等方面有著明顯的差別。本文選取景觀干擾度、脆弱度和損失度構(gòu)建綜合生態(tài)評價模型，分析巢湖流域景觀生態(tài)風險大小和時空演變，計算方法參考文獻[19]。

3 結(jié)果與分析

3.1 景觀變化特征

3.1.1 景觀結(jié)構(gòu)變化特征

2000～2020年巢湖流域景觀結(jié)構(gòu)面積和比例如表1所示。耕地面積占比最大，超過研究區(qū)域面積的50%；其次為林地，約占研究區(qū)域面積的26%；未利用地占比最小，低于研究區(qū)域面積的1%。從時間上看，巢湖流域景觀結(jié)構(gòu)總體表現(xiàn)為“一增、一減、四穩(wěn)定”，建設(shè)用地由2000年的175 173 hm2增長至2020年的261 085 hm2，耕地面積由2000年的1 238 748 hm2下降至2020年的1 151 985 hm2，巢湖流域草地、水域、林地和未利用地呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的變化狀態(tài)。從空間分布上看，巢湖流域北部、合肥市中心城區(qū)建設(shè)用地面積增長最快，林地、草地主要分布于巢湖流域西南地區(qū)，水域以巢湖為主，主要分布于巢湖流域南部，均呈現(xiàn)出穩(wěn)定的狀態(tài)。因此，2000～2020年巢湖流域建設(shè)用地擴張是導(dǎo)致耕地面積下降的主因，保護耕地安全格局，守住耕地紅線，是保持研究區(qū)景觀格局穩(wěn)定的重要手段。

表1 巢湖流域景觀格局情況及占比

3.1.2 景觀類型轉(zhuǎn)移特征

通過土地利用轉(zhuǎn)移矩陣得到巢湖流域2000～2010年和2010～2020年景觀格局的流向特征(如表2和表3所示)。由表2可以看出，巢湖流域最主要的景觀流向是耕地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移，共轉(zhuǎn)移62 359.75 hm2，耕地向林地轉(zhuǎn)移以及林地向耕地轉(zhuǎn)移均表現(xiàn)出較強的相互轉(zhuǎn)移態(tài)勢，主要發(fā)生在研究區(qū)北部和西北部，相互轉(zhuǎn)移面積在11 250 hm2左右。林地和草地的相互轉(zhuǎn)移態(tài)勢也較為強烈，相互轉(zhuǎn)移面積在3 728 hm2左右。2000～2010年耕地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移為主要的景觀轉(zhuǎn)移趨勢，這是由于城市化進程和工業(yè)化快速發(fā)展，城市建成區(qū)快速擴張導(dǎo)致的。

表2 2000～2010年巢湖流域景觀格局面積轉(zhuǎn)移矩陣 單位：hm2

由表3可以看出，2010～2020年巢湖流域景觀用地轉(zhuǎn)移與2000～2010年的具有類似性，主要表現(xiàn)為耕地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移，共轉(zhuǎn)移55 448.65 hm2。耕地和林地、林地和草地之間依然保持著較高的相互轉(zhuǎn)移趨勢，轉(zhuǎn)移面積在3 700～3 900 hm2之間。2010～2020年建設(shè)用地向耕地轉(zhuǎn)移約6 421.58 hm2，高于2000～2010年建設(shè)用地向耕地的轉(zhuǎn)移量。林地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移面積比建設(shè)用地向林地轉(zhuǎn)變面積多出1 844.09 hm2，表明隨著建設(shè)用地的擴張，林地也遭受到一定的破壞。

表3 2010～2020年巢湖流域年景觀格局面積轉(zhuǎn)移矩陣 單位：hm2

利用GIS10.2將景觀類型轉(zhuǎn)移進行空間可視化表達(如圖3所示)，可以看出各時期耕地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移是巢湖流域景觀用地轉(zhuǎn)移的最主要方式(其他景觀用地轉(zhuǎn)移相比于耕地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移不明顯，故在圖中未示意)。2000～2005年耕地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移主要發(fā)生在合肥市中心區(qū)域的廬陽區(qū)、瑤海區(qū)和包河區(qū)等。隨著城鎮(zhèn)化、工業(yè)化的不斷提速，2005～2010年耕地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移從合肥市中心城區(qū)向外輻射到其他區(qū)域，如長豐縣、肥東縣、桐城市和廬江縣等區(qū)域，各縣市中心城區(qū)擴張，呈現(xiàn)出動態(tài)加速的特征。研究區(qū)北部和中部地勢較為平坦，建設(shè)用地擴張較快。2010～2015年景觀用地的空間變化特征與2005～2010年具有相似性，以包河區(qū)耕地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移較為明顯，廬陽區(qū)、瑤海區(qū)和包河區(qū)等核心區(qū)域的用地轉(zhuǎn)化減緩，中心城區(qū)外圍，如蜀山區(qū)、肥西縣轉(zhuǎn)移加速。耕地面積大幅度減少會導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降，只有合理控制城市發(fā)展空間和范圍，保護周邊耕地大幅度減少等生態(tài)環(huán)境惡化趨勢，守住巢湖流域基本農(nóng)田的保護紅線和生態(tài)環(huán)境保護紅線，是實現(xiàn)生態(tài)文明建設(shè)的關(guān)鍵。

圖3 巢湖流域景觀格局轉(zhuǎn)移空間分布

3.2 景觀格局的時空變化

2000～2020年各景觀用地類型的斑塊數(shù)量(NP)、最大斑塊指數(shù)(LPI)和景觀邊緣密度(ED)如表4所示。建設(shè)用地的NP遠遠高于其他用地類型，2020年為13 303個，其次是林地的NP為1 535個，耕地、草地和水域的NP均在1 000個左右，未利用地的NP最少。耕地是研究區(qū)域ED和LPI最大的景觀類型，2020年分別為43.94和21.33。因此，耕地斑塊在巢湖流域優(yōu)勢明顯。從時間變化來看，建設(shè)用地的NP呈現(xiàn)下降趨勢，可能是合肥市中心城區(qū)建設(shè)用地外延式擴張，吞并了較為破碎的建設(shè)用地小景觀斑塊；耕地的LPI呈現(xiàn)下降趨勢，表明隨著耕地面積的減少，耕地的優(yōu)勢程度呈現(xiàn)下降趨勢。

表4 2000～2020年巢湖流域景觀類型尺度變化

2000～2020年巢湖流域景觀尺度指數(shù)變化如表5所示。2000～2020年巢湖流域的PD呈現(xiàn)下降趨勢(下降0.067)，PD下降主要體現(xiàn)在建設(shè)用地景觀斑塊的擴張吞并了較為破碎的建設(shè)用地景觀斑塊以及部分耕地斑塊。CONTAG減少表明部分聚集程度較高的優(yōu)勢型斑塊呈現(xiàn)下降趨勢。LSI呈現(xiàn)先增后降的變化趨勢， 2015年達到最大值96.175 7，表明該時段各景觀斑塊的連接程度較好。AI指數(shù)變化較小，表明在研究時段巢湖流域各景觀間的形狀特征總體變化不大。SHDI和SHEI增加，表明研究區(qū)域的景觀多樣性呈現(xiàn)增加趨勢，景觀均勻性有所提升。

表5 2000～2020年巢湖流域景觀尺度指數(shù)變化

3.3 區(qū)域生態(tài)風險分析

通過構(gòu)建生態(tài)風險指數(shù)模型，計算出各網(wǎng)格單元下2000～2020年巢湖流域生態(tài)風險指數(shù)，采用空間分析法得到巢湖流域各階段不同風險等級下的面積及所占比例(如表6所示)。巢湖流域極低生態(tài)風險區(qū)面積占比最大，達到49.88%～80.04%，其次為低生態(tài)風險區(qū)，占比為13.91%～36.07%，中生態(tài)風險區(qū)占比為2.13%～8.99%，高生態(tài)風險區(qū)占比為1.74%～2.56%，極高生態(tài)風險地區(qū)占比為2.13%～2.50%。整體來看，巢湖流域整體生態(tài)風險處于較低水平。

從時間上看，極低生態(tài)風險區(qū)面積占比下降最快，從2000年的80.04%下降到2020年的49.88%，下降面積約為689 393 hm2，低生態(tài)風險區(qū)面積占比從2000年的13.91%上升至2020年的36.07%，中生態(tài)風險區(qū)面積占比從2000年的2.14%增加至2020年的8.99%，高生態(tài)風險區(qū)面積占比由2000年的1.78%增加至2020年的2.56%，極高生態(tài)風險區(qū)面積占比由2000年的2.13%增加至2020年的2.50%。從空間分布(如圖4所示)上看，極高生態(tài)風險區(qū)、高生態(tài)風險區(qū)和中生態(tài)風險區(qū)主要分布在環(huán)巢湖周邊地區(qū)和桐城縣東南部區(qū)域，研究區(qū)域西南部霍山縣也是中生態(tài)風險區(qū)。

表6 2000～2020年巢湖流域各級生態(tài)風險區(qū)面積及占比

圖4 2000～2020年巢湖流域生態(tài)風險區(qū)空間分布

由以上分析可知，雖然巢湖流域整體生態(tài)風險處于較低水平，但隨著城鎮(zhèn)化和工業(yè)化發(fā)展進程，極高生態(tài)風險區(qū)、高生態(tài)風險區(qū)和中生態(tài)風險區(qū)的面積均呈現(xiàn)顯著增加的趨勢，尤其是以巢湖為主的周邊區(qū)域，高生態(tài)風險區(qū)和極高生態(tài)風險區(qū)擴張明顯，在發(fā)展環(huán)巢湖經(jīng)濟區(qū)時要格外關(guān)注。

4 結(jié) 語

通過2000～2020年巢湖流域Landsat影像解譯后的信息，分析巢湖流域景觀結(jié)構(gòu)和景觀格局指數(shù)的時空變化特征，構(gòu)建生態(tài)風險評價模型，對巢湖流域生態(tài)風險的時空分布和變化進行研究，主要結(jié)論如下：

(1)巢湖流域耕地面積所占比重最大，超過研究區(qū)面積的50%，其次為林地，占研究區(qū)總面積的26.4%～26.3%，草地、水域、建設(shè)用地以及未利用地占地面積均小于10%。巢湖流域景觀結(jié)構(gòu)總體呈現(xiàn)“一增、一減、四穩(wěn)定”的變化特征，其中巢湖流域北部，合肥市中心城區(qū)建設(shè)用地面積增長最快，耕地面積減少最快，2000～2020年共減少86 762.7 hm2，以建設(shè)用地擴張導(dǎo)致的耕地減少為主因。

(2)巢湖流域最主要的景觀流向特征表現(xiàn)為耕地景觀向建設(shè)用地景觀轉(zhuǎn)變，主要發(fā)生在廬陽區(qū)、瑤海區(qū)和包河區(qū)等合肥市中心區(qū)域。耕地和林地相互轉(zhuǎn)化特征明顯，多發(fā)生于西部山地區(qū)域。隨著時間推移，耕地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移從合肥市中心城區(qū)向外輻射到其他區(qū)域，如長豐縣、肥東縣、桐城市及廬江縣等區(qū)域，各縣市中心城區(qū)擴張，也呈現(xiàn)動態(tài)加速的特征。

(3)2000～2020年巢湖流域建設(shè)用地NP遠遠高于其他用地類型，其次為林地，耕地、草地和水域地斑塊數(shù)量差距較小，未利用地的斑塊數(shù)量最少。耕地是研究區(qū)域ED和LPI最大類型，2020年分別為43.94和21.33，表現(xiàn)出較為明顯的優(yōu)勢。建設(shè)用地斑塊數(shù)量呈現(xiàn)下降趨勢，耕地面積的減少，導(dǎo)致耕地的優(yōu)勢程度呈現(xiàn)下降趨勢。2000～2020年巢湖流域PD、CONTAG均呈現(xiàn)出下降趨勢，LSI呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢，SHDI與SHEI呈現(xiàn)增加趨勢，表明巢湖流域的景觀多樣性和均勻性特征增加。

(4)巢湖流域極低生態(tài)風險區(qū)占比最大，其次為低生態(tài)風險區(qū)，在2000年占比分別為80.04%和13.91%，中風險區(qū)、高生態(tài)風險區(qū)和極高生態(tài)風險區(qū)占比均小于10%。極高生態(tài)風險區(qū)和高生態(tài)風險區(qū)主要分布于巢湖環(huán)周邊地區(qū)及桐城縣的東南部區(qū)域，中生態(tài)風險區(qū)分布大致與極高生態(tài)風險區(qū)和高生態(tài)風險區(qū)相似，多了西南部霍山縣區(qū)域。雖然巢湖流域整體生態(tài)風險處于較低水平，但以巢湖及周邊區(qū)域為主的高生態(tài)風險區(qū)和極高生態(tài)風險區(qū)呈現(xiàn)明顯擴張的趨勢。