彭 俊， 凌 敏， 龚传康， 张 兵， 俞珊妮， 张宽豪

(1.滁州学院 地理信息与旅游学院， 安徽 滁州 239000； 2.上海市城市建设工程学校(上海市园林学校)， 上海 200232；3.安徽美图信息科技有限公司， 安徽 合肥 230088)

随着我国城镇化、工业化的快速推进，林地、草地等生态景观受到挤压[1]，水土流失、土地荒漠化、生态退化以及生物多样性降低等生态环境问题频频出现，生态环境风险系数明显增加[2]。生态风险是指生态系统受到一切对生态系统构成威胁要素的可能性，表明在一定区域内，具有不确定性的事故或灾害对生态系统及其组分可能产生的作用，这些作用可能会导致生态系统结构和功能的损伤，从而危及生态系统的安全和健康[3]。生态风险评价是研究一种或多种干扰对生态系统及其组分可能产生的不利影响的过程，对长时间和大区域尺度上的风险可能造成的效应进行辨识，对区域生态系统生态风险进行综合评估，最终为生态环境监测以及生态风险管理提供决策和支持[4]。国外学者对于生态风险评价的研究主要以区域生态风险评价为主[5]，其评价范围包括自然灾害区域[6]、城市化区域[7]以及流域等[8]，其评价方法包括因果分析法、相对生态风险评价模型、等级动态框架以及生态等级风险评价法等[9-10]。国内学者对于生态风险研究起步较晚，通过借鉴国外生态风险评价研究，从生态风险源、受体评价、暴露评价、危险评价以及风险表征等方面对生态风险评价进行了完善和补充[11-13]。

流域具有完整的生态系统，包含绝大部分的生态环境要素[14]。随着我国人口和城市的不断扩张和蔓延，以流域为主的生态系统受到越来越大的外界胁迫。景观格局特征变化明显，同时该区域也是生态压力和风险最大的区域之一[15]。20世纪90年代以来，国内学者多结合景观生态学，采用生态风险指数法、生态风险评价模型对全国部分流域进行分析，并取得较好的效果。李谢辉[16]通过分析渭河下游河流沿线区域生态风险特征，发现高生态风险区域主要位于黄河水域区；巩杰[17]对甘肃白龙江流域2010年的景观格局与生态风险评价进行测度，发现区域生态风险空间分布差异明显；张学斌[18]通过评估干旱内陆河石羊河流域生态风险特征，发现高生态风险区具有明显的扩张趋势。总结发现，当下流域生态风险评价过程中缺乏对多生态风险状态进行分析，对生态风险的时空演化特征研究不足。

巢湖是长江流域重要的生态淡水湖之一，也是生态和环境变化敏感的区域之一。受合肥市等区域城市快速扩张的影响，巢湖流域近年来出现了较为严重的生态风险危机，已发展为长江流域中下游流域生态退化的典型。本文以巢湖流域为例，对2000～2020年的Landsat影像进行解译，在统计巢湖流域景观格局结构和景观指数变化的基础上，构建生态风险评价模型，对巢湖流域生态风险结构进行分析，可为健全流域生态风险应急保护机制，加强流域生态系统的科学管理提供决策依据和理论支撑。

1 研究区域概况

巢湖流域位于长江中下游北岸，主体处于安徽省中部，主要包括合肥、巢湖、六安及安庆共4市15个县区(如图1所示)。流域水系发源于大别山区，自西向东经巢湖、裕溪河流入长江，以巢湖为中心，呈放射状注入，流域总面积13 486 km2，约占安徽省总面积的9.3%。流域内属于典型的亚热带湿润性季风气候，多年平均气温为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%。巢湖是中国排名第五的淡水湖，是安徽第一大湖。巢湖水系的核心水域，是中国重要的湿地资源，也是合肥市重要的饮用水源地，具有工业用水、农业灌溉、防洪、渔业、旅游等多种功能。

图1 研究区示意图

2 研究材料与方法

2.1 研究材料

2000～2020年巢湖流域遥感影像来自地理空间数据云(http://www.gscloud.cn)中的Landsat系列影像数据。通过选取云量小于5%(5～8月份)的数据，经过ENVI5.3中的拉伸、辐射定标、大气校正以及镶嵌等一系列步骤，通过分类流程化工具中最大似然法对影像进行监督分类。利用Google earth高分辨率影像与分类结果进行对比和修正，并对总体精度进行验证，均高于90%，如图2所示。

图2 2000～2020年巢湖流域景观格局空间分布

通过GIS10.2中的空间分析功能得到巢湖流域各景观用地面积和景观转移特征，利用FRAGSTATS4.2对景观格局指数进行计算。构建3 km × 3 km网格，通过评价各网格内的生态风险指数，并对其进行插值，利用自然断点法将其分为极高生态风险地区、高生态风险地区、中生态风险地区、低生态风险地区和极低生态风险地区。

2.2 研究方法

2.2.1 景观用地转移矩阵

土地利用转移矩阵方法来分析各景观要素的内在流动情况，更加深入地揭示巢湖流域景观格局的转移特征和趋势。其表达形式为：

式中：Sij表示初期第i种景观类型转变为末期第j种景观类型的面积；i和j分别为初期与末期的景观类型；n为景观类型数目。转移矩阵中，行表示初期第i种景观类型，列表示末期第j种景观类型。

2.2.2 景观格局指数选取

景观格局指数是通过数学模型定量化的，表达景观格局的空间信息和空间配置特征，主要分为斑块尺度、类型尺度和景观尺度3个层面。为了更加有效地揭示巢湖流域景观特征演变，本文选用3种类型尺度和6种景观尺度，其中类型尺度包括斑块数量(NP)、边缘密度(ED)和最大斑块指数(LPI)；景观尺度包括斑块密度(PD)、形状指数(LSI)、聚焦度(CONTAG)和聚集度指数(AI)(反映景观的破碎程度和连通性)、香农多样性指数(SHDI)和香农均匀度指数(SHEI)(反映景观结构的多样化与分布均匀程度)。

2.2.3 生态风险模型构建

通过空间可视化建立巢湖流域渔网矩阵，以3 km × 3 km渔网进行生态风险区分割，共分为1 401个生态风险区。通过计算每个生态风险区的综合生态风险指数和及生态风险水平，通过Kriging插值法进行插值，以自然断点法将其分为极高风险、高风险、中风险、低风险和极低风险区5个等级。区域生态系统受外部干扰的强弱以及内部抵抗力的大小，是生态风险大小的决定性因素，不同景观特征在物种保护生物多样性维护以及生态系统稳定等方面有着明显的差别。本文选取景观干扰度、脆弱度和损失度构建综合生态评价模型，分析巢湖流域景观生态风险大小和时空演变，计算方法参考文献[19]。

3 结果与分析

3.1 景观变化特征

3.1.1 景观结构变化特征

2000～2020年巢湖流域景观结构面积和比例如表1所示。耕地面积占比最大，超过研究区域面积的50%；其次为林地，约占研究区域面积的26%；未利用地占比最小，低于研究区域面积的1%。从时间上看，巢湖流域景观结构总体表现为“一增、一减、四稳定”，建设用地由2000年的175 173 hm2增长至2020年的261 085 hm2，耕地面积由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、林地和未利用地呈现较为稳定的变化状态。从空间分布上看，巢湖流域北部、合肥市中心城区建设用地面积增长最快，林地、草地主要分布于巢湖流域西南地区，水域以巢湖为主，主要分布于巢湖流域南部，均呈现出稳定的状态。因此，2000～2020年巢湖流域建设用地扩张是导致耕地面积下降的主因，保护耕地安全格局，守住耕地红线，是保持研究区景观格局稳定的重要手段。

表1 巢湖流域景观格局情况及占比

3.1.2 景观类型转移特征

通过土地利用转移矩阵得到巢湖流域2000～2010年和2010～2020年景观格局的流向特征(如表2和表3所示)。由表2可以看出，巢湖流域最主要的景观流向是耕地向建设用地转移，共转移62 359.75 hm2，耕地向林地转移以及林地向耕地转移均表现出较强的相互转移态势，主要发生在研究区北部和西北部，相互转移面积在11 250 hm2左右。林地和草地的相互转移态势也较为强烈，相互转移面积在3 728 hm2左右。2000～2010年耕地向建设用地转移为主要的景观转移趋势，这是由于城市化进程和工业化快速发展，城市建成区快速扩张导致的。

表2 2000～2010年巢湖流域景观格局面积转移矩阵 单位：hm2

由表3可以看出，2010～2020年巢湖流域景观用地转移与2000～2010年的具有类似性，主要表现为耕地向建设用地转移，共转移55 448.65 hm2。耕地和林地、林地和草地之间依然保持着较高的相互转移趋势，转移面积在3 700～3 900 hm2之间。2010～2020年建设用地向耕地转移约6 421.58 hm2，高于2000～2010年建设用地向耕地的转移量。林地向建设用地转移面积比建设用地向林地转变面积多出1 844.09 hm2，表明随着建设用地的扩张，林地也遭受到一定的破坏。

表3 2010～2020年巢湖流域年景观格局面积转移矩阵 单位：hm2

利用GIS10.2将景观类型转移进行空间可视化表达(如图3所示)，可以看出各时期耕地向建设用地转移是巢湖流域景观用地转移的最主要方式(其他景观用地转移相比于耕地向建设用地转移不明显，故在图中未示意)。2000～2005年耕地向建设用地转移主要发生在合肥市中心区域的庐阳区、瑶海区和包河区等。随着城镇化、工业化的不断提速，2005～2010年耕地向建设用地转移从合肥市中心城区向外辐射到其他区域，如长丰县、肥东县、桐城市和庐江县等区域，各县市中心城区扩张，呈现出动态加速的特征。研究区北部和中部地势较为平坦，建设用地扩张较快。2010～2015年景观用地的空间变化特征与2005～2010年具有相似性，以包河区耕地向建设用地转移较为明显，庐阳区、瑶海区和包河区等核心区域的用地转化减缓，中心城区外围，如蜀山区、肥西县转移加速。耕地面积大幅度减少会导致区域生态环境质量下降，只有合理控制城市发展空间和范围，保护周边耕地大幅度减少等生态环境恶化趋势，守住巢湖流域基本农田的保护红线和生态环境保护红线，是实现生态文明建设的关键。

图3 巢湖流域景观格局转移空间分布

3.2 景观格局的时空变化

2000～2020年各景观用地类型的斑块数量(NP)、最大斑块指数(LPI)和景观边缘密度(ED)如表4所示。建设用地的NP远远高于其他用地类型，2020年为13 303个，其次是林地的NP为1 535个，耕地、草地和水域的NP均在1 000个左右，未利用地的NP最少。耕地是研究区域ED和LPI最大的景观类型，2020年分别为43.94和21.33。因此，耕地斑块在巢湖流域优势明显。从时间变化来看，建设用地的NP呈现下降趋势，可能是合肥市中心城区建设用地外延式扩张，吞并了较为破碎的建设用地小景观斑块；耕地的LPI呈现下降趋势，表明随着耕地面积的减少，耕地的优势程度呈现下降趋势。

表4 2000～2020年巢湖流域景观类型尺度变化

2000～2020年巢湖流域景观尺度指数变化如表5所示。2000～2020年巢湖流域的PD呈现下降趋势(下降0.067)，PD下降主要体现在建设用地景观斑块的扩张吞并了较为破碎的建设用地景观斑块以及部分耕地斑块。CONTAG减少表明部分聚集程度较高的优势型斑块呈现下降趋势。LSI呈现先增后降的变化趋势， 2015年达到最大值96.175 7，表明该时段各景观斑块的连接程度较好。AI指数变化较小，表明在研究时段巢湖流域各景观间的形状特征总体变化不大。SHDI和SHEI增加，表明研究区域的景观多样性呈现增加趋势，景观均匀性有所提升。

表5 2000～2020年巢湖流域景观尺度指数变化

3.3 区域生态风险分析

通过构建生态风险指数模型，计算出各网格单元下2000～2020年巢湖流域生态风险指数，采用空间分析法得到巢湖流域各阶段不同风险等级下的面积及所占比例(如表6所示)。巢湖流域极低生态风险区面积占比最大，达到49.88%～80.04%，其次为低生态风险区，占比为13.91%～36.07%，中生态风险区占比为2.13%～8.99%，高生态风险区占比为1.74%～2.56%，极高生态风险地区占比为2.13%～2.50%。整体来看，巢湖流域整体生态风险处于较低水平。

从时间上看，极低生态风险区面积占比下降最快，从2000年的80.04%下降到2020年的49.88%，下降面积约为689 393 hm2，低生态风险区面积占比从2000年的13.91%上升至2020年的36.07%，中生态风险区面积占比从2000年的2.14%增加至2020年的8.99%，高生态风险区面积占比由2000年的1.78%增加至2020年的2.56%，极高生态风险区面积占比由2000年的2.13%增加至2020年的2.50%。从空间分布(如图4所示)上看，极高生态风险区、高生态风险区和中生态风险区主要分布在环巢湖周边地区和桐城县东南部区域，研究区域西南部霍山县也是中生态风险区。

表6 2000～2020年巢湖流域各级生态风险区面积及占比

图4 2000～2020年巢湖流域生态风险区空间分布

由以上分析可知，虽然巢湖流域整体生态风险处于较低水平，但随着城镇化和工业化发展进程，极高生态风险区、高生态风险区和中生态风险区的面积均呈现显著增加的趋势，尤其是以巢湖为主的周边区域，高生态风险区和极高生态风险区扩张明显，在发展环巢湖经济区时要格外关注。

4 结 语

通过2000～2020年巢湖流域Landsat影像解译后的信息，分析巢湖流域景观结构和景观格局指数的时空变化特征，构建生态风险评价模型，对巢湖流域生态风险的时空分布和变化进行研究，主要结论如下：

(1)巢湖流域耕地面积所占比重最大，超过研究区面积的50%，其次为林地，占研究区总面积的26.4%～26.3%，草地、水域、建设用地以及未利用地占地面积均小于10%。巢湖流域景观结构总体呈现“一增、一减、四稳定”的变化特征，其中巢湖流域北部，合肥市中心城区建设用地面积增长最快，耕地面积减少最快，2000～2020年共减少86 762.7 hm2，以建设用地扩张导致的耕地减少为主因。

(2)巢湖流域最主要的景观流向特征表现为耕地景观向建设用地景观转变，主要发生在庐阳区、瑶海区和包河区等合肥市中心区域。耕地和林地相互转化特征明显，多发生于西部山地区域。随着时间推移，耕地向建设用地转移从合肥市中心城区向外辐射到其他区域，如长丰县、肥东县、桐城市及庐江县等区域，各县市中心城区扩张，也呈现动态加速的特征。

(3)2000～2020年巢湖流域建设用地NP远远高于其他用地类型，其次为林地，耕地、草地和水域地斑块数量差距较小，未利用地的斑块数量最少。耕地是研究区域ED和LPI最大类型，2020年分别为43.94和21.33，表现出较为明显的优势。建设用地斑块数量呈现下降趋势，耕地面积的减少，导致耕地的优势程度呈现下降趋势。2000～2020年巢湖流域PD、CONTAG均呈现出下降趋势，LSI呈现先增加后下降的趋势，SHDI与SHEI呈现增加趋势，表明巢湖流域的景观多样性和均匀性特征增加。

(4)巢湖流域极低生态风险区占比最大，其次为低生态风险区，在2000年占比分别为80.04%和13.91%，中风险区、高生态风险区和极高生态风险区占比均小于10%。极高生态风险区和高生态风险区主要分布于巢湖环周边地区及桐城县的东南部区域，中生态风险区分布大致与极高生态风险区和高生态风险区相似，多了西南部霍山县区域。虽然巢湖流域整体生态风险处于较低水平，但以巢湖及周边区域为主的高生态风险区和极高生态风险区呈现明显扩张的趋势。