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标题

2010—2015年江苏省环太湖及沿海地区土地利用变化和生态风险分析

范文

张小强王云燕黄娟

摘要?以江蘇省环太湖和沿海地区为研究对象，运用遥感影像资料及地理信息技术，将研究区域土地利用类型划分为耕地、林地、草地、湿地、人工表面及其他用地6种土地利用类型，并对各类用地空间分布及比例进行现状分析。基于土地利用类型及景观类型指数探讨太湖一级保护区2010—2015年土地利用动态变化规律，并在此基础上构建区域生态风险指数，对江苏盐城市沿海生态风险时空分布及演变情况进行分析。结果表明，环太湖地区人工表面面积最大，沿海地区则以耕地为主，太湖一级保护区以湿地为主，2010—2015年各地类转化复杂，景观格局趋于复杂化、分散化。区域生态风险评价表明沿海地区生态风险程度自内陆向沿海呈梯度状增大趋势。区域生态风险及土地利用方式转变与人类的生产、生活有着密不可分的关系，因此，应优化土地利用转化模式，加强较高生态风险区域生态保护，以实现土地资源的可持续性发展及区域生态风险的有效管理。

关键词?太湖;沿海地区;土地利用;生态风险评价;景观格局

中图分类号?X?826文献标识码?A文章编号?0517-6611（2020）17-0097-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.17.025

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Land Use Change and Ecological Risk Analysis around Taihu Lake and Coastal Areas in Jiangsu Province from 2010 to 2015

ZHANG Xiao?qiang1，2， WANG Yun?yan3，HUANG Juan1，2

（1. Jiangsu Provincial Key Laboratory of Environmental Engineering， Jiangsu Provincial Academy of Environmental Science， Nanjing， Jiangsu 210036;2. Jiangsu Environmental Protection Group Co.， Ltd.， Nanjing，Jiangsu210036;3. College of Environment， Hohai University， Nanjing，Jiangsu 210036）

Abstract?This article focused on the area around Taihu Lake and coastal areas in Jiangsu Province， and used remote sensing image data and geographic information technology to divide the land use types in the study area into six land use types： cultivated land， forest land， grassland， wetland， artificial surface and other land use types. The current status of the spatial distribution and proportion of various land uses was analyzed. Based on the land use type and landscape type index， the dynamic changes of land use in Taihu first?grade protected areas from 2010 to 2015 were discussed. Based on this， a regional ecological risk index was constructed to analyze the spatial and temporal distribution and evolution of coastal ecological risks in Yancheng， Jiangsu. The results showed that the area around Taihu Lake had the largest artificial surface area， the coastal areas were dominated by cultivated land， and the Taihu first?grade protected areas were dominated by wetlands. The transformation between various land types was complex and the landscape pattern tended to become more complex and decentralized between 2010 and 2015. The regional ecological risk assessment showed that the ecological risk of coastal areas increased gradually from inland to coastal areas. Regional ecological risks and changes in land use were closely related to human production and life. Therefore， it should optimize land use conversion mode， strengthen ecological protection area of high ecological risk， in order to achieve sustainable development and effective management of ecological risks of regional land use of resources.

Key words?Taihu Lake;Coastal area;Land use;Ecological risk assessment;Landscape pattern

土地是人类从事一切经济活动和生存发展的基础，其结构和功能的稳定为人类社会的可持续性发展提供先决条件[1-2]。1995年，国际地圈-生物圈计划（IGBP）与全球环境变化中的人文因素计划（HDP）联合确定土地利用/覆被变化（land use and land cover change，LUCC）为科学研究计划的核心项目，使LUCC研究成为全球变化研究的前沿和热点[3-4]。LUCC是区域人类活动的指示器，作为人类开发利用自然地理环境最直观的表现形式之一，其与人类活动及全球环境变化紧密相连，一定程度上反映人与自然相互作用的过程[5-6]。近年来，随着人类对地表空间占用范围及自然生态系统干扰程度的扩大，原始自然环境和景观格局发生一系列变化。为更好地寻求人与自然和谐发展、合理有效规避生态风险，探究土地利用时空演变及区域生态风险评价已成为当前区域环境管理、生态修复工作的热点研究领域之一[7-8]。

生态风险评价（ecological risk assessment）是研究生态系统及其组分在受到外界一种或多种压力的情况下，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[9-10]。最初起源于20世纪80年代，局限于人体健康风险评价领域[11]。随着生态风险评价理论和方法的迅速发展，评价尺度由种群、生态系统向景观和区域水平不断扩大，区域生态风险评价[12-14]则是在区域尺度上描述和评价环境污染、人为胁迫或自然灾害等一种或多种风险因子对不同区域内的生态系统结构与功能等产生不利作用的可能性和潜在危害程度，引入空间异质性理论，体现不同土地利用方式和强度对生態影响的区域性和积累性特征。景观生态评价作为区域生态风险评价的重要分支领域，旨在研究人类因素与景观格局和景观生态的相互作用。近年来，基于土地利用动态变化的区域生态风险评价已成为研究焦点[15-22]。巩杰等[15]基于土地利用变化的生境脆弱度和景观生态损失度，对甘肃白龙江流域的景观生态风险及其时空分异进行评价;王涛等[16]利用 GIS 空间分析技术和 Fragstats 软件构建景观生态风险指数，对洱海流域生态风险时空变化及演变机制进行评价;高永年等[20]基于太湖流域土地利用变化，构建景观生态风险评价指数，探究景观生态风险与土地利用变化的效应。除流域外，城市水平及沿海地区的生态风险评估也得到不断发展，肖琳等[23]对天津市，谭三清等[24]对长沙市，曾勇[25]对呼和浩特市区进行土地利用及时空分布特征评价;高宾等[26]、吴莉等[27]、田颖等[28]基于景观格局分别对锦州湾沿海经济开发区、山东沿海地区、江苏沿海地区进行土地利用生态风险评价。但区域生态风险问题往往由多个因素交互作用引起，产生的影响后果往往难以预测，需要针对不同地区的区域特征进行评价和分析。

江苏省太湖流域及沿海地区近30多年来在经济建设领域取得了显著的成绩，在长三角乃至全国范围内起到了举足轻重的作用。但同时也付出了巨大的生态环境代价，优质耕地大幅流失、河湖湿地萎缩、生物多样性降低、海洋自然岸线减少，物种资源严重衰退、生态服务功能不断下降、土壤污染逐步显现，经济社会快速发展与资源环境承载能力不足的矛盾突出，未来中长期生态风险日逾凸显。因此，笔者以江苏省环太湖及沿海地区为研究对象，探究土地利用现状及变化特征，构建生态风险评价指数，对沿海地区盐城市进行区域生态风险评价，以期为江苏省环太湖和沿海地区的土地利用资源可持续利用及生态安全提供科学依据。

1?研究区概况

太湖流域是长江下游以太湖为中心的一个支流水系，包括江苏省苏南地区，浙江省的嘉兴、湖州两市及杭州市的一部分，上海市的大部分。该研究中环太湖流域仅为常州市、无锡市、苏州市3市行政区域范围。流域面积约3.69×104 km2，其中山区丘陵占16%，河湖水面占16%，平原占68%，流域内中间为平原、洼地，西部为天目山、茅山及山麓丘陵，北、东、南三边受长江口及杭州湾泥沙淤积的影响，形成沿江及沿海高地，整个地形呈“碟状”，太湖及主要湖泊湖底高程为1.0 m。流域位于中纬度地区，属湿润的北亚热带气候，具有明显的季风特征，年平均气温15～17 ℃，自北向南递增，自然植被主要分布于丘陵山地，从北向南植被组成与类型渐趋复杂。

江苏省海岸带位于长江淮河下游、黄东海之滨，海岸线全长889 km，北起苏鲁交界绣针河口，南至长江口南岸苏沪交界处，海域面积3.75×104 km2，属于粉沙淤泥质海岸。江苏沿海处于胶辽隆起与苏北-南黄海凹陷带的过渡地带，以盱眙-响水-开山岛一线为界。海岸地貌分为海岸平原、潮间带、0～20 m近海海底平原。江苏省沿海地区包括连云港、盐城市、南通市3个市的市区及下属灌云、东台、海门等（县）市，位于北亚热带和暖温带过渡带，土地和滩涂资源丰富（图1）。

2?数据来源与研究方法

2.1?数据来源及处理

在多源遥感影像数据（LANDSAT 8，SPOT 6&7，ASTER）分析的基础上，结合江苏省30 m DEM地形数据、野外实地调查及江苏省行政区划资料，应用光谱、空间、时间等多维信息获取的方法，利用ERDAS软件对遥感影像数据进行几何校正、辐射定标、大气校正、影像融合、影像镶嵌、影像裁剪、影像重采样、区域裁剪等数据预处理，利用最大似然法进行监督分类，其Kappa系数为0.76。在地理信息系统（geographical information system，GIS）及遥感（remote sensing，RS）技术的支持下，基于研究区域土地资源利用状况，结合区域景观特征和光谱特征，建立遥感解译标志，对不同时期的遥感影像进行解译分析，得到江苏省环太湖流域及沿海地区土地覆被图，并对遥感影像分类结果进行精度检验，该研究的Kappa系数在0.86以上，符合江苏省土地分类精度要求。

2.2?研究方法

（1）景观损失度指数。

景观指数是景观生态学中最常用的定量研究方法，通过单个指数或若干个指数组合，其数值变化表征的生态意义不仅可以描述景观格局及变化，也可将格局与过程联系起来。不同景观类型对维护区域原有生态功能的能力不同，促进景观格局演变的能力不同，对外界干扰的抵抗力也不同。选取景观干扰度指数和景观脆弱度指数来构建景观损失指数，用以反映外界干扰下各景观类型代表的生态系统受到的风险威胁程度，其计算公式：

Ri=Si×Fi（1）

式中，Ri为第i类景观的景观损失度指数，Si为景观干扰度指数，Fi为景观脆弱度指数。

景观干扰度指数由景观破碎度指数、景观分离度指数和景观优势度加权叠加，表达式：

Si=aCi+bNi+cDi（2）

其中，Ci=niAi，Ni=A2AiniA，

Di=Oi+Pi+2Qi4

式中，Ci为景观破碎度指数;Ni为景观分离度指数;Di为景观优势度;a、b、c为Ci、Ni、Di 3种指数对应的权重，权重之和为1;ni为景观i对应的斑块数，Ai为景观i对应的面积，A为景观的总面积，Qi为斑块i出现的样方数与总样方数之比，Pi为斑块i的数目与斑块总数之比，Qi为斑块i的面积与总面积之比[29]。结合前人已有研究成果[15，30]，认为破碎度指数最重要，其次为分离度指数和优势度指数，以上3种指数分别赋权重 0.6、0.3、0.1。

景观脆弱度指景观类型对外部干扰能力抵抗力的大小，遭受外界风险时偏离稳定状态的难易程度。结合研究区域的景观特点及已有研究成果，认为未利用地最为脆弱，建设用地最为稳定。各类景观类型的脆弱度表现为未利用地>水域>耕地>草地>林地>建設用地，依据景观类型脆弱性由高到低依次赋值，未利用地= 6、水域=5、耕地=4、草地=3、林地=2、建设用地=1，并进行归一化处理后，得到各景观类型自身的脆弱度指数Fi。

（2）风险小区划分。

为了将生态风险评价指数空间化显示，运用ArcGIS对研究区域范围进行网格化以划定采集生态风险评价单元的样本。综合考虑研究区域的评价范围及斑块大小，将研究区域划分为5 km×5 km的正方形网格，共计460个评价单元样区，对研究区域进行等间距采样，利用每种景观类型的景观损失度指数和每种景观类型在样区的面积比重，分别计算各评价单元样区的生态风险，作为样区中心点的生态风险值。

（3）景观生态风险指数。

景观生态风险指数用以描述研究区域生态损失相对大小，该研究中景观生态风险指数根据每种景观类型的景观损失指数和每种景观类型在样区的面积比重，计算各风险小区的生态风险，计算公式：

ERIi=ni=1AkiAkRi（3）

式中，ERIi为第i个风险小区的景观生态风险指数;Ri为第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，为景观类型。

（4）地统计分析。

地统计学是用于统计一系列检测、模拟、估计变量在空间上的相关关系和格局的方法。半方差分析方法作为地统计学的一部分，运用统计学方法来进行空间特征分析，为了更加直观地反映研究区域内生态风险等级的空间分布特征，利用ArcGIS中的空间分析及地统计功能，将460个风险小区的风险指数赋给样区中心点，采用半方差函数理论拟合分析，对样本点的风险值进行空间插值，得到研究区的生态风险空间分布图。半方差计算公式：

γ（h）=12n（h）n（h）i=1[Z（xi+h）-Z（xi）]2（4）

式中，γ（h）是半方差;h是样本距;Z（xi）、Z（xi+h）是位于xi、xi+h处的风险值;n（h）是间距为h的样本对总数。半方差有 3 个基本参数：块金值（nugget）、基台值（sill）、变程（range）。当h=0 时，γ（h）为块金值C0;当h增大A0（变程），直到γ（h）为一个稳定不变的常数，这个常数就是基台值（C0+C），C是结构方差;块金值C0表示由随机因素引起的变异，结构方差C表示空间自相关造成的变异;基台值[C（0+C）]表示研究区总的变异程度，值越大总的空间差异性越大;块金值与基台值的比值[C0/ （C0+C）]表示系统中变量的空间相关程度，若小于25%，说明相关性强;若大于75%，说明相关性很弱。

运用GIS空间分析模型对半方差函数进行拟合，并在此基础上采用Kriging法对盐城沿海县市风险值进行空间插值，并对风险值进行分级统计，共分为5级，即低风险区（ERI≤0.25）、较低风险区（0.250.55）。

（5）空间自相关分析。

空间自相关分析的目的是确定变量在空间上的依赖关系，以及这种关系是否对变量在空间上的分布格局有重要影响，有全局空间自相关和局部空间自相关之分。利用全局自相关系数Morans I指数测度研究区域生态风险值在整体上的自相关，反映整体空间关联和差异状态。并用空间关联局域指标（LISA）进行局部空间自相关分析，检测局部地区是否存在统计显著的生态风险高高集聚“热点区”和低低集聚“冷点区”。

Morans I指数公式：

I=nni=1nj=1wij（xi-）（xj-）/ni=1nj=1wijni=1（xi-）2（5）

LISA公式：

LISA=（xi-）jwij（xj-）/i（xj-）2/n（6）

式中，I为生态风险的双变量全局自相关系数，xi、xj为变量x在相邻配对栅格细胞的值，是平均值，wij是相邻权重，n是空间单元总输。I取值在[-1，1]，大于0表示正相关，小于0表示负相关，等于0表示不相关。

3?结果与分析

3.1?研究区域土地利用现状

通过对多源遥感影像数据进行几何校正和图像掩膜，在影像光谱特征、纹理特征的基础上，建立遥感影像解译标志，进行图像处理。将江苏省环太湖及沿海地区土地利用划分为人工表面、林地、湿地、草地、耕地、其他6类用地类型，并对各类土地利用类型的空间分布及比例进行分析。

（1）环太湖地区土地利用现状。

环太湖地区包括常州、无锡、苏州3市行政区域，面积为1.75×104 km2，2015年土地利用类型以人工表面、湿地、耕地、林地为主，总比例为996%。其中人工表面6 272 km2，占江苏太湖流域面积358%;其次为湿地、耕地和林地，分别为32.3%、25.5%、61%。（图2、3）。

2015年太湖一级保护区（沿湖岸5 km區域）总面积为3 793.81 km2，主要为林地、耕地、湿地和人工表面。其中林地面积399.26 km2，占10.51%;耕地面积367.23 km2，占968%;人工表面面积513.87 km2，占13.54%;湿地面积2 511.31 km2，占66.19%，其中太湖湖泊面积2 427.8 km2，占湿地面积的96.67%;其他用地面积2.14 km2，占0.06%（图4）。

（2）沿海地区土地利用现状。

江苏省沿海地区面积为3.22×104 km2，2015年土地利用类型以耕地、人工表面、湿地为主，总比例为98.6%。其中耕地2.18×104 km2，占沿海地区面积67.5%;其次为人工表面和湿地，分别为20%、11%（图5、6）。

以江苏海岸线向陆延伸10 km作为近岸地区海岸带范围，北起绣针河口苏鲁交界海陆分界点，南至启东市连兴港口，全长889 km，区域内面积5 452 km2。江苏省近岸地区2015年土地利用类型以耕地、湿地、人工表面为主，总比例为96.7%。其中耕地面积2 272 km2，占海岸带地区面积417%;其次为湿地和人工表面，分别为35.2%、19.8%，有少部分林地，主要位于连云港云台山地区（图7、8）。

3.2?土地利用动态变化情况

利用2010年与2015年遥感影像解译获取的土地利用变化数据，对太湖流域一级保护区5年来土地利用变化情况进行统计分析（表1）。2010—2015年，太湖流域一级保护区土地利用类型以湿地、人工表面和

林地为主，其中湿地景观面积百分比最大，占总面积的65%

以上，是太湖流域一级保护区的优势类型。从2010—2015

年土地利用变化情况来看，耕地和人工表面增加幅度较大，分别增加了95.05和52.89 km2。林地和湿地面积减少，分别减少了119.49和30.56 km2。其他用地类型裸土增加了2.11 km2。湿地虽然5年来面积有下降趋势，但仍是区域景观基质类型。

按照土地利用转移矩阵的计算公式，利用Markov模型对一级保护区土地利用变化过程进行空间统计分析，得到2010—2015年土地利用类型转移矩阵（表2）。结果表明，2010—2015年，太湖一级保护区各类用地变化明显，林地是主要的转出类型，耕地是主要的转入类型。林地转出的主要去向为耕地、人工表面和湿地，转换百分比分别为20.65%、18.16%和6.88%。耕地转入主要依靠林地和人工表面转换而来，转换比例分别为29.17%和21.45%。湿地减少，人工表面是湿地的主要转出方向，转移率为2.47%。人工表面面积增加主要由林地、湿地和耕地转换而来。转入比例分别为18.33%、12.21%和9.32%。其他用地类型主要指裸地是面积变化相对较小的土地利用类型，5年间，裸地面积增加了2.11 km2，主要由林地和湿地转入。同时亦有小部分临近太湖入湖河道周边的裸地因闲置长草而重新转变为湿地。

通过对2010—2015年景观格局变化指数的计算（表3），可以看出太湖流域一级保护区景观水平趋于破碎化，区域景观格局更加复杂化和分散化。太湖流域一级保护区总斑块数从2010年的5 357个增加为2015年6 401个，景观斑块数量的增加说明大的斑块逐渐被分离成小的斑块。斑块数的增加主要是由于耕地及人工表面斑块数增加所致。最大斑块指数下降，表明区域景观格局正被小块的优势景观所取代，呈现出景观的复杂化和多样化。2010—2015年香农多样性指数下降，而香农均匀度指数呈增加趋势，表明景观优势组分对景观整体控制作用减弱，景观异质性程度逐渐提高，在人类活动影响下，土地利用朝着多样化和均匀化方向发展。分维数的降低及分离度指数的增加，进一步意味着各景观类型的分布更加分散。

3.3?沿海地区生态风险评价

在气候变暖、海平面上升的大背景下，作为介于海洋和陆地生态系统过渡带的江苏省海岸带生态系统脆弱性凸显，景观破碎化明显，灾害频发，生态服务价值明显降低。盐城市作为江苏省面积最大的沿海城市，拥有江苏省最长海岸线、最大沿海滩涂和海岸湿地，拥有丹顶鹤和大丰麋鹿两大世界珍稀生物保护区，在生物多样性维持和生态环境保护方面具有重要作用。因此选取盐城海岸带作为土地利用变化研究对象，具有典型性和代表性。运用 GIS 和遥感技术，在两期土地利用数据分析的基础上，利用景观指数构建生态风险评价模型，探讨研究区生态风险时空变化特征及景观生态驱动力，以期为江苏沿海城市化过程中区域土地可持续利用及生态环境的协调发展提供科学依据和数据支持。

（1）土地利用生态风险分析。

由表4可知，耕地是研究区最主要的景观，面积达 78%以上，分布广，为区域基质，其他景观分布于其周围或镶嵌其中。其次是建设用地，建设用地面积不断增大，但其斑块个数逐渐下降，这是由于其主要侵占周边的耕地以及农村居住用地，因此整体集聚，破碎度降低，分离度变小。水域面积增大的同时，其斑块个数增大为 50.17%，导致其优势度呈递增趋势，分离度和破碎度不断减小。与建设用地和草地不同的是，耕地、草地面积不断减小，但两者的斑块个数变化不大，两者的分离度均不断增大。林地面积呈先增后减的趋势，但其破碎度和分离度一直上升。

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