劉鳳，曾永年*，趙丹陽(yáng)，張猛

(1.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410083；2.中南大學(xué)空間信息技術(shù)與可持續(xù)發(fā)展研究中心，湖南長(zhǎng)沙410083）

長(zhǎng)江中游城市群土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析
——以長(zhǎng)株潭城市群為例

劉鳳1，2，曾永年1，2*，趙丹陽(yáng)1，2，張猛1，2

(1.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410083；2.中南大學(xué)空間信息技術(shù)與可持續(xù)發(fā)展研究中心，湖南長(zhǎng)沙410083）

為揭示城市群發(fā)展對(duì)區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的影響，以位于長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶的長(zhǎng)株潭城市群為研究區(qū)，利用1993-2013年Landsat遙感數(shù)據(jù)，定量獲取土地利用變化特征，并基于移動(dòng)窗口的景觀(guān)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，獲得區(qū)域空間連續(xù)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)等級(jí)分布圖，分析長(zhǎng)株潭城市群土地利用動(dòng)態(tài)變化及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空變化特征。結(jié)果表明，近20年來(lái)，研究區(qū)土地利用變化較為顯著，建設(shè)用地呈持續(xù)增加的趨勢(shì)，耕地、林地面積在波動(dòng)中減少且變化明顯；近20年，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積變化顯著，低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)波動(dòng)減少，中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)先減少后增加，較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)均波動(dòng)性增加。本研究為長(zhǎng)株潭城市群土地資源可持續(xù)利用、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的有效防范，以及對(duì)城市建設(shè)用地開(kāi)發(fā)邊界和生態(tài)紅線(xiàn)的確定提供了參考，也為區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)價(jià)提供了有效的技術(shù)方法。

Landsat影像；土地利用變化；生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；長(zhǎng)株潭城市群；長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶

引言

城市化過(guò)程在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，也對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生不同程度的影響，引發(fā)了諸如人口過(guò)度密集、水資源短缺、耕地大量流失、土地不合理利用等區(qū)域生態(tài)安全問(wèn)題[1，2]，土地利用作為人類(lèi)與自然交互作用的中心環(huán)節(jié)，其景觀(guān)格局變化對(duì)區(qū)域生態(tài)安全問(wèn)題具有重要的影響。因此，定量分析由于城市化過(guò)程導(dǎo)致的土地利用空間格局變化所引發(fā)的生態(tài)安全問(wèn)題顯得尤為重要。城市群是當(dāng)前我國(guó)城市化發(fā)展的主題和熱點(diǎn)，準(zhǔn)確及時(shí)的把握城市群土地利用變化生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空動(dòng)態(tài)可有效揭示城市群發(fā)展過(guò)程中生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)空動(dòng)態(tài)狀況，從而有助于城市群的科學(xué)規(guī)劃與土地資源的可持續(xù)利用[3-6]。

隨著1998年美國(guó)環(huán)保署《生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指南》的頒布，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)得到逐步深入的研究與應(yīng)用[7-11]，并形成日漸成熟的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系。伴隨GIS空間分析與處理能力的增強(qiáng)，基于GIS的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系、區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法得到逐步應(yīng)用，Paul（1998）使用GIS技術(shù)評(píng)價(jià)了城市化對(duì)加拿大Brunette River流域水域的生態(tài)效應(yīng)[12]。此外，許多學(xué)者基于相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型開(kāi)展了區(qū)域環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)價(jià)，Walker等（2001）利用相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型評(píng)價(jià)了澳大利亞Tasmanian農(nóng)業(yè)用地和建設(shè)用地?cái)U(kuò)張所產(chǎn)生的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[13]；Hayes（2004）使用相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型評(píng)價(jià)了美國(guó)Cherry Point流域土地利用對(duì)脆弱生境的累計(jì)風(fēng)險(xiǎn)效應(yīng)[14]。目前，國(guó)內(nèi)較多研究基于景觀(guān)生態(tài)學(xué)原理結(jié)合土地利用/覆被變化（LUCC），構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)與模型，并采用空間插值方法獲得區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分布[15-20]，王娟等（2008）將景觀(guān)生態(tài)學(xué)分析方法運(yùn)用到生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中，以景觀(guān)格局指數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，揭示了瀾滄江流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空變化特征[15]；趙巖潔等（2013）研究了土地利用變化的小流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化[16]；張學(xué)斌等（2014）從景觀(guān)生態(tài)學(xué)角度揭示綜合性生態(tài)影響的程度和分布范圍[17]。然而，目前區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)主要針對(duì)流域、小城鎮(zhèn)及生態(tài)脆弱區(qū)，對(duì)快速發(fā)展的城市群土地利用變化導(dǎo)致的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)研究，尚顯不足[4，20-22]。另一方面，目前生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，采用空間格網(wǎng)計(jì)算與空間插值的方法獲取生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分布，其計(jì)算過(guò)程繁瑣，且降低了評(píng)價(jià)結(jié)果的空間分辨率，不能精細(xì)化地反應(yīng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分布與區(qū)域差異。因此，基于景觀(guān)生態(tài)學(xué)原理，利用GIS空間分析方法，精細(xì)的分析城市群土地利用變化的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。

長(zhǎng)江中游城市群承東啟西、連南接北，是長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶三大跨區(qū)域城市群支撐之一，也是實(shí)施促進(jìn)中部地區(qū)崛起戰(zhàn)略、全方位深化改革開(kāi)放和推進(jìn)新型城鎮(zhèn)化的重點(diǎn)區(qū)域，在我國(guó)區(qū)域發(fā)展格局中占有重要地位[23-25]。隨著長(zhǎng)江中游城市群發(fā)展規(guī)劃及中部地區(qū)崛起戰(zhàn)略的實(shí)施，新型城市化建設(shè)與發(fā)展的要求對(duì)協(xié)調(diào)城市化快速發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的關(guān)系，以及土地資源的合理利用提出了更高的要求，因此，城市群土地利用變化及其生態(tài)環(huán)境的研究具有重要意義。然而，針對(duì)長(zhǎng)江中游城市群生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的研究鮮見(jiàn)[4，25]。為此，本研究以長(zhǎng)江中游城市群的重要組成部分長(zhǎng)株潭城市群為研究區(qū)，利用1993-2013年LandsatTM/OLI遙感數(shù)據(jù)獲取土地利用時(shí)空格局變化信息，基于移動(dòng)窗口景觀(guān)格局指數(shù)構(gòu)建與GIS空間分析方法，定量獲取長(zhǎng)株潭城市群近20年間土地利用變化及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空分布與動(dòng)態(tài)變化，以期為其土地資源的合理開(kāi)發(fā)利用、優(yōu)化土地利用格局、提高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的防范能力提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

長(zhǎng)株潭城市群是長(zhǎng)江中游城市群的重要組成部分，位于湖南省中東部，地處湘江下游，區(qū)位優(yōu)勢(shì)顯著，是聯(lián)系中國(guó)西部與沿海、北部與南部的重要樞紐，是中部六省城市中全國(guó)城市群建設(shè)的先行者。長(zhǎng)株潭城市群總面積9.68萬(wàn)km2，人口4047萬(wàn)，分別占全省45.8%和61%，2013年實(shí)現(xiàn)總GDP 19645.39億元，占全省80.2%。本研究選取長(zhǎng)株潭城市區(qū)域及周邊為研究區(qū)，面積約5710.23km2，該區(qū)域?qū)匍L(zhǎng)株潭城市群的核心區(qū)，是湖南省經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心增長(zhǎng)極（圖1）。

1.2 數(shù)據(jù)及處理

選用1993、1996、2001、2006、2010及2013年6個(gè)時(shí)相的Landsat TM/OLI遙感影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)（http://datamirror.csdb.cn）；收集1：2000矢量地形圖、1：50000土地利用現(xiàn)狀圖，用于遙感影像幾何校正、分類(lèi)結(jié)果精度檢驗(yàn)。對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行了幾何校正、大氣校正、鑲嵌與裁剪等預(yù)處理，采用基于多特征數(shù)據(jù)組合的支持向量機(jī)分類(lèi)方法進(jìn)行土地利用/覆蓋遙感分類(lèi)，參考國(guó)家土地利用分類(lèi)系統(tǒng)，結(jié)合研究區(qū)土地資源特征和不同景觀(guān)類(lèi)型差異，將土地利用類(lèi)型劃分為建設(shè)用地、水域、耕地、林地以及裸地5種，獲得6個(gè)時(shí)相數(shù)據(jù)的土地利用/覆蓋分類(lèi)圖，詳細(xì)的分類(lèi)方法與過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)[23]，分類(lèi)圖Kappa系數(shù)均在0.80以上，分類(lèi)精度符合區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)研究的需求。

2 研究方法

2.1 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)構(gòu)建

依據(jù)景觀(guān)生態(tài)學(xué)理論及前人研究成果[16-21，26]，以基本判別指標(biāo)為基準(zhǔn)，構(gòu)建了以景觀(guān)干擾度、景觀(guān)脆弱度和土地利用類(lèi)型面積比為基礎(chǔ)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，分析城市群土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

2.1.1 景觀(guān)干擾度指數(shù)

從景觀(guān)結(jié)構(gòu)—功能—過(guò)程出發(fā)，以景觀(guān)格局分析相關(guān)理論為基礎(chǔ)，選取景觀(guān)破碎度、景觀(guān)分離度、景觀(guān)優(yōu)勢(shì)度，構(gòu)建景觀(guān)干擾度指數(shù)，依據(jù)各指數(shù)在計(jì)算中的重要性，對(duì)不同指數(shù)賦以不同的權(quán)重，通過(guò)各指數(shù)的疊加反映不同景觀(guān)類(lèi)型所代表的生態(tài)系統(tǒng)受到干擾的程度。

式中，Ei是景觀(guān)干擾度指數(shù)，Ci是景觀(guān)破碎度，Si是景觀(guān)分離度，DOi是景觀(guān)優(yōu)勢(shì)度；a、b、c為相應(yīng)景觀(guān)指數(shù)的權(quán)重，根據(jù)各景觀(guān)指數(shù)對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的影響程度，并考慮研究區(qū)土地利用特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，分別賦值為0.5，0.3，0.2[26]，各指數(shù)的計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[26]。

2.1.2 景觀(guān)脆弱度指數(shù)

根據(jù)各土地利用類(lèi)型的特點(diǎn)，并結(jié)合長(zhǎng)株潭城市群土地利用狀況，按照建設(shè)用地最穩(wěn)定，裸地最脆弱，水域較脆弱的情況，經(jīng)過(guò)一系列的歸一化處理，確定各土地利用類(lèi)型脆弱度指數(shù)（表1）。

2.1.3 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

利用景觀(guān)干擾度指數(shù)和景觀(guān)脆弱度指數(shù)以及不同土地利用類(lèi)型面積比，計(jì)算生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，衡量生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的高低。生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)ERI的計(jì)算公式[26]：

式中，ERI為生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；n為土地利用類(lèi)型數(shù)量；Ei為土地利用類(lèi)型i的景觀(guān)干擾度；Fi表示景觀(guān)類(lèi)型i的景觀(guān)脆弱度；Ski是景觀(guān)類(lèi)型i的面積，Sk表示景觀(guān)總面積；使用Fragstats軟件移動(dòng)窗口法計(jì)算獲得各景觀(guān)參數(shù)及其相關(guān)系數(shù)，Wi為各土地利用類(lèi)型生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)主觀(guān)權(quán)重，依據(jù)AHP原理和方法確定不同土地利用類(lèi)型的主觀(guān)權(quán)重值[22]，首先利用YAAHP軟件，建立層次結(jié)構(gòu)模型，依據(jù)影響生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的各參數(shù)構(gòu)造判斷矩陣，將各因素倆倆比較、判斷，并對(duì)總排序一致性進(jìn)行檢驗(yàn)，一致性比率為0.0185＜0.1，檢驗(yàn)結(jié)果有較滿(mǎn)意的一致性，然后確定各土地利用類(lèi)型權(quán)重（表1）。

圖1 長(zhǎng)株潭城市群位置示意圖

表1 各土地利用類(lèi)型景觀(guān)脆弱度指數(shù)

2.2 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)空間化方法

2.2.1 移動(dòng)窗口分析法

移動(dòng)窗口分析法以固定窗口為單元計(jì)算相關(guān)景觀(guān)指數(shù)，分析景觀(guān)格局的動(dòng)態(tài)變化。由于不同窗口計(jì)算的景觀(guān)指數(shù)所表述的景觀(guān)豐富度及其對(duì)結(jié)果準(zhǔn)確度的影響存在很大差異，故窗口的大小應(yīng)既保證區(qū)域梯度特征，又不使景觀(guān)指數(shù)出現(xiàn)較大波動(dòng)，真實(shí)反映景觀(guān)格局空間變化[24]?；谝陨显蚣把芯繀^(qū)實(shí)際情況，本研究利用景觀(guān)生態(tài)學(xué)指數(shù)分析軟件Fragstats中的移動(dòng)窗口法，分別采用300m，500m，800m，1km，3km窗口大小進(jìn)行計(jì)算，并比較不同窗口計(jì)算效果，最終以500m窗口為計(jì)算單元，計(jì)算獲得各景觀(guān)指數(shù)的連續(xù)柵格數(shù)據(jù)。利用ArcGIS空間分析工具，進(jìn)行空間疊加運(yùn)算，獲得長(zhǎng)株潭城市群生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分布圖。

2.2.2 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

采用Jenks自然斷點(diǎn)分類(lèi)法劃分生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)[16-18]，并結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，處理分區(qū)等級(jí)節(jié)點(diǎn)，將研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)由低到高劃分為四個(gè)等級(jí)：低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)（表2）。

表2 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化及特征

1993-2013年長(zhǎng)株潭城市群土地利用變化顯著（圖2、表3），近20年來(lái)，建設(shè)用地面積增加1042.115km2，增加趨勢(shì)穩(wěn)定，年際增加率達(dá)0.896；其他各類(lèi)用地面積呈不同程度的減少趨勢(shì)，年變化程度由低到高依次為水域（-0.0975）＜裸地（-0.1314）＜耕地（-0.2927）＜林地（-0.3748），其中，耕地、林地是土地利用面積減少最嚴(yán)重的類(lèi)型。隨著城市人口的增加，以及城鎮(zhèn)化規(guī)模的擴(kuò)展，人工景觀(guān)類(lèi)型增加，自然景觀(guān)相應(yīng)減少、破碎化，自然景觀(guān)受人類(lèi)活動(dòng)的干擾越來(lái)越嚴(yán)重。

21世紀(jì)以來(lái)，隨著長(zhǎng)株潭經(jīng)濟(jì)一體化戰(zhàn)略的實(shí)施，建設(shè)用地占用耕地、林地現(xiàn)象突出。尤其是2007年長(zhǎng)株潭城市群全國(guó)兩型社會(huì)建設(shè)綜合配套改革試驗(yàn)區(qū)獲批以來(lái)，城市化進(jìn)程進(jìn)一步加快，城鎮(zhèn)建設(shè)用地呈現(xiàn)迅速擴(kuò)展的態(tài)勢(shì)。

1993-2013年，長(zhǎng)株潭土地利用空間格局也發(fā)生較大變化（圖3）。其中，1993-1996年，長(zhǎng)沙市老城區(qū)周邊、株洲市城區(qū)周邊地區(qū)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張，建設(shè)用地增加導(dǎo)致林地面積減少；1996-2001年，長(zhǎng)株潭城市群基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的全面推進(jìn)使長(zhǎng)沙市市區(qū)建設(shè)用地呈高速擴(kuò)張態(tài)勢(shì)，湘江以西建設(shè)用地向西擴(kuò)張明顯，長(zhǎng)沙市老城區(qū)逐步向南蔓延。湘潭市區(qū)湘江以西的部分耕地、林地和裸地轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地，湘江以東部分裸地轉(zhuǎn)成建設(shè)用地。株洲市湘江以西建設(shè)用地?cái)U(kuò)張明顯；2006-2010年，隨著長(zhǎng)株潭城市群“全國(guó)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)”綜合配套改革試驗(yàn)區(qū)的建設(shè)，城市群建設(shè)步伐加快，其中，長(zhǎng)沙市主城區(qū)建設(shè)用地已基本趨于穩(wěn)定，并逐步向長(zhǎng)沙縣、望城縣擴(kuò)張，部分建設(shè)用地占用周邊的耕地、林地，長(zhǎng)沙市老城區(qū)向北擴(kuò)張明顯。湘潭市、株洲市新增建設(shè)用地向其市域周邊大范圍擴(kuò)張；2010-2013年，長(zhǎng)沙市主城區(qū)范圍進(jìn)一步擴(kuò)展，湘潭、株洲市周邊建設(shè)用地也有不同程度的擴(kuò)張。

圖2 1993-2013年土地利用類(lèi)型變化趨勢(shì)

表3 長(zhǎng)株潭城市群1993-2013年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣（km2）

圖3 長(zhǎng)株潭城市群土地利用類(lèi)型

3.2 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空變化及特征

3.2.1 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分異特征

1993-2013年長(zhǎng)株潭城市群生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)總體不高，局部地區(qū)有增長(zhǎng)或蔓延趨勢(shì)，不同等級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)以長(zhǎng)株潭三市中心向外圍擴(kuò)展分布，且生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平總體逐年增加（圖4，表4）。低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在耕地、林地以及建設(shè)用地連片分布的區(qū)域；較高、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分布面積不斷增加，且二者的增長(zhǎng)趨勢(shì)與建設(shè)用地的擴(kuò)展范圍近似一致，其中較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分布在建設(shè)用地離散分布、受人類(lèi)活動(dòng)影響高的區(qū)域，部分耕地和林地分布區(qū)由于受建設(shè)用地?cái)U(kuò)張及人類(lèi)活動(dòng)影響，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)高；高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)集中分布于新增建設(shè)用地、受人類(lèi)活動(dòng)干擾比較嚴(yán)重的地區(qū)，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)空間分布與土地利用類(lèi)型變化呈現(xiàn)較高的相關(guān)性（圖3、4）。其中，2006-2013年，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積增加尤為顯著，這是由于2006年是“十一五”規(guī)劃的開(kāi)端之年，長(zhǎng)株潭經(jīng)濟(jì)一體化在總體規(guī)劃的引領(lǐng)下進(jìn)入了全面推進(jìn)階段，而2007年長(zhǎng)株潭獲批為“兩型社會(huì)”建設(shè)改革試驗(yàn)區(qū)，應(yīng)新型城市化建設(shè)與發(fā)展的要求，長(zhǎng)株潭經(jīng)歷了快速城市化過(guò)程，建設(shè)用地大范圍增加，耕地、林地面積持續(xù)減少，受土地利用變化、景觀(guān)破碎度、景觀(guān)分離度及人類(lèi)活動(dòng)的影響，部分區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)顯著提高。

總體上，20年間，耕地、林地連片分布的地區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較低，沿建設(shè)用地?cái)U(kuò)張方向，由于建設(shè)用地?cái)U(kuò)張導(dǎo)致景觀(guān)破碎度和景觀(guān)分離度較高，且這些區(qū)域受人類(lèi)活動(dòng)的影響，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)高；長(zhǎng)株潭三市主城區(qū)景觀(guān)格局穩(wěn)定，景觀(guān)破碎度、景觀(guān)分離度低，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)相對(duì)較低。

3.2.2 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)序演化特征

1993-2013年，長(zhǎng)株潭城市群生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)呈現(xiàn)逐年增大趨勢(shì)，其中較高、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積顯著增加，土地利用變化的生態(tài)效應(yīng)顯著（圖4，表4）。

1993-1996年，低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積由4796.59km2增加到5018.72km2，中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積比下降3.83%，較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分布面積增加，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)減少，但二者波動(dòng)幅度均較小。由于建設(shè)用地?cái)U(kuò)張現(xiàn)象不明顯，研究區(qū)以低、中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)為主，較高、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)集中于長(zhǎng)沙市主城區(qū)及湘江周邊，隨建設(shè)用地向長(zhǎng)沙縣、望城縣擴(kuò)展方向生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)增加，湘潭市附近建設(shè)用地?cái)U(kuò)張，其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)隨之增加。

1996-2001年，低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積比減少近16%，中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積增加，面積比分別增長(zhǎng)13.81%和2.42%，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積比下降0.31%，此期間低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)向中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)轉(zhuǎn)變，尤其是長(zhǎng)沙市周邊建設(shè)用地?cái)U(kuò)張范圍內(nèi)，受土地利用類(lèi)型變化影響景觀(guān)破碎程度較高，總體生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)升高，城市擴(kuò)張導(dǎo)致生態(tài)安全問(wèn)題惡化。

2001-2006年，低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積比減少11.17%，中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積有所增加，由1354.47km2增加到1722.78km2，較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)占總面積比重增加3.96%，變化突出；高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積比由1.03%增加到1.78%。1996-2006年，低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積顯著減少，中等、較高、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積均增加，其中，中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積增加尤顯著，面積比分別增長(zhǎng)20.26%和6.38%，隨建設(shè)用地?cái)U(kuò)展方向，長(zhǎng)沙市主城區(qū)周邊部分較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)向高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)轉(zhuǎn)變，望城縣、長(zhǎng)沙縣部分區(qū)域向高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)轉(zhuǎn)變，湘潭市、株洲市破碎化分布的建設(shè)用地區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)較高，建設(shè)用地大范圍擴(kuò)張導(dǎo)致生態(tài)安全問(wèn)題日益突出，原耕地、林地大面積分布區(qū)，受建設(shè)用地增加影響，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平由低級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)向中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)或較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)過(guò)渡，區(qū)域總體生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平升高。

2006-2010年，低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積由3472.39km2增加到3659.12km2，中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)由1722.78km2減少到1680.52km2，較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積比下降2.54%，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積增加，部分區(qū)域由中等風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)檩^高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，隨著長(zhǎng)株潭三市主城區(qū)周邊建設(shè)用地占用耕地、林地，三市周邊生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)進(jìn)一步向較高、高轉(zhuǎn)變，尤其是長(zhǎng)沙市周邊、長(zhǎng)沙縣及望城縣鄰域內(nèi)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均偏高。

2010-2013年，低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積比由64.08%增加到68.27%，中等、較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積比分別下降4.08%和2.13%，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積比增長(zhǎng)2.01%，變化顯著。2006-2013年研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)面積變化幅度較大，集中表現(xiàn)為中等、較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積顯著減少，低、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)顯著增加。

低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)增加可能由于一系列退耕還林等環(huán)境保護(hù)措施的實(shí)施，使得區(qū)域內(nèi)2010-2013年耕地轉(zhuǎn)換為林地現(xiàn)象顯著，林地集中分布使得該區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)稍低；而中等或較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)楦唢L(fēng)險(xiǎn)區(qū)，主要由于建設(shè)用地?cái)U(kuò)張新城區(qū)使景觀(guān)破碎化程度較高，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)呈增加趨勢(shì)，尤其是望城縣、長(zhǎng)沙縣及湘潭縣部分區(qū)域由建設(shè)用地?cái)U(kuò)張導(dǎo)致生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)增加明顯，城市化步伐加快引起的生態(tài)效應(yīng)顯著，而長(zhǎng)株潭三市主城區(qū)規(guī)劃建設(shè)已漸趨穩(wěn)定，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)變化不大。

近20年來(lái)，長(zhǎng)株潭城市群生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積變化顯著（圖4，5），低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)呈波動(dòng)的減少，中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)先減少后增加，較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)波動(dòng)的增加，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)亦波動(dòng)性的增加。其中，20世紀(jì)九十年代，研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)以低、中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)為主，總體生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)偏低；進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張，低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分布面積逐步減少，中等、較高、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)增加，尤其2006年之后，隨城市化進(jìn)程的加速，城鎮(zhèn)建設(shè)用地的擴(kuò)展，導(dǎo)致較高、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分布面積顯著增加，中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)向較高、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)轉(zhuǎn)變現(xiàn)象突出。

表4 長(zhǎng)株潭城市群土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積及面積比

圖4 長(zhǎng)株潭城市群土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)空間分布圖

4 結(jié)論與討論

4.1 近20年來(lái)，研究區(qū)土地利用變化較為顯著。其中，建設(shè)用地呈持續(xù)增加的趨勢(shì)，面積比增加18.25%，耕地、林地面積在波動(dòng)中減少且變化明顯。上世紀(jì)90年代，建設(shè)用地?cái)U(kuò)展不明顯，土地利用類(lèi)型以耕地、林地為主。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著長(zhǎng)株潭經(jīng)濟(jì)一體化的戰(zhàn)略的實(shí)施，建設(shè)用地占用耕地、林地現(xiàn)象突出。尤其是2007年長(zhǎng)株潭城市群全國(guó)兩型社會(huì)建設(shè)以來(lái)，城市化進(jìn)程進(jìn)一步加快，城鎮(zhèn)建設(shè)用地呈現(xiàn)迅速擴(kuò)展的態(tài)勢(shì)。

4.2 研究期間，長(zhǎng)株潭城市群生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積變化顯著，低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)呈波動(dòng)的減少，中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)先減少后增加，較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)均波動(dòng)性的增加。其中，20世紀(jì)九十年代，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)以低、中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)為主，總體生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)較低；進(jìn)入21世紀(jì)，隨著城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張，低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分布面積逐步減少，中等、較高、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)逐步增加，尤其2006年之后，城鎮(zhèn)建設(shè)用地的擴(kuò)展，導(dǎo)致較高、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分布面積顯著增加。

4.3 本文使用移動(dòng)窗口法，選取適宜窗口大小，在不降低空間分辨率的情況下，獲得區(qū)域空間連續(xù)分布的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，可以直觀(guān)的分析由于城市群發(fā)展引起的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間布局的變化，結(jié)果表明，基于移動(dòng)窗口法的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間精細(xì)化評(píng)價(jià)方法是區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)價(jià)的有效方法。

基于城市群發(fā)展引起土地利用類(lèi)型變化的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，對(duì)城市群的發(fā)展過(guò)程中對(duì)生態(tài)系統(tǒng)及其組分產(chǎn)生的不利影響與因素進(jìn)行分析，可以為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的保護(hù)提供一定的決策依據(jù)和參考因素[27-29]，依據(jù)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)結(jié)果，有關(guān)部門(mén)可以提出相應(yīng)的治理和防治措施，重視對(duì)較高、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的保護(hù)、治理措施。在城市群發(fā)展規(guī)劃和土地利用類(lèi)型規(guī)劃布局中，應(yīng)注重合理的功能分區(qū)，保留并加強(qiáng)建設(shè)生態(tài)服務(wù)價(jià)值較高的景觀(guān)類(lèi)型，降低城市群土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

圖51993 -2013年生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)面積百分比

[1]Wu J,Jenerette GD,Buyantuyev A,et al.2011.Quantifying spatiotemporal patterns of urbanization:The case of the two fastest growing metropolitanregionsintheUnitedStates.Ecological Complexity,8:1-8.

[2]楊晶，金晶，吳泗宗.珠三角地區(qū)城市化與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的動(dòng)態(tài)耦合分析—以珠海市為例[J].地域研究與開(kāi)發(fā)，2013（05）：105-108，118.

[3]戴荔珠，鄭艷婷，薛鳳旋.中國(guó)內(nèi)陸城市群的發(fā)展特征及其動(dòng)力機(jī)制研究[J].城市發(fā)展研究，2014，10（21）：4-11.

[4]彭佳捷，周?chē)?guó)華，唐承麗，賀艷華.基于生態(tài)安全的快速城市化地區(qū)空間沖突測(cè)度—以長(zhǎng)株潭城市群為例[J].自然資源學(xué)報(bào)，2012（09）：1507-1519.

[5]劉建朝，高素英.基于城市聯(lián)系強(qiáng)度與城市流的京津冀城市群空間聯(lián)系研究[J].地域研究與開(kāi)發(fā)，2013（02）：57-61.

[6]戈嘉璐，謝清雅.大連市土地利用景觀(guān)格局及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)分析[J].國(guó)土與自然資源研究，2016，03（03）：53-55.

[7]Fu ZY,Xu XG.2001.Regional ecological risk assessment[J]. Advance in Earth Science,16:267-271.

[8]Faggiano L,et al.Patterning ecological risk of pesticide contamination at the river basic scale[J].Science of the Total Environment,2010(408):2319-2326.

[9]U.S.Environmental Protection Agency.Guidelines for ecological risk assessment[M].Washington D C:OfficeofWater,1998.

[10]Cormier S M,Smith M,North S,et al.Assessing ecological risk in watersheds:A case study of problem formulation in the Big Darby Creek Watershed,Ohio,USA[J].Environmental Toxicology and Chemistry,2000,19(4):1082-1096.

[11]Cook R B,Suter G W II,Sain E R.Ecological risk assessment inalargeriverreservoir:Introductionandback-ground[J]. Environmental Toxicology Chemistry,1999,18(4):581-588.

[12]PaulA.Zandbergen.Urbanwatershedecologicalrisk assessment using GIS:a case study of the Brunette River watershed in British Columbia,Canada[J].Journal of Hazardous Materials, 1998(61):163-173.

[13]Walker R,Landis W G,Brown P.Developing a regional ecological risk assessment:a case study of a Tasmanian Agricultural Catchment[J].Human and Ecological Risk Assessment,2001(7): 431-442.

[14]Emily Hart Hayes and Wayne G.Landis.Regional Ecological Risk Assessment of a Near Shore Marine Environment:Cheery Point, WA,Human and Ecological Risk Assessment,2004(10):299-325.

[15]王娟，崔保山，劉杰，等.云南瀾滄江流域土地利用及其變化對(duì)景觀(guān)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的影響[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28（2）：269-277.

[16]趙巖潔，李陽(yáng)兵，邵景安.基于土地利用變化的三峽庫(kù)區(qū)小流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)—以草堂溪為例[J].自然資源學(xué)報(bào)，2013，28（6）：944-956.

[17]張學(xué)斌，石培基，羅君，等.基于景觀(guān)格局的干旱內(nèi)陸河流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析—以石羊河流域?yàn)槔齕J].自然資源學(xué)報(bào)，2014，29（3）：410-419.

[18]徐蘭，羅維，周寶同.基于土地利用變化的農(nóng)牧交錯(cuò)帶典型流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)—以洋河為例[J].自然資源學(xué)報(bào)，2015，30（4）：580-590.

[19]胡和兵，劉紅玉，郝敬鋒，等.流域景觀(guān)結(jié)構(gòu)的城市化影響與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2011，31（12）：3432-3440.

[20]葉長(zhǎng)盛，馮艷芬.基于土地利用變化的珠江三角洲生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29（19）：224-232.

[21]高賓，李小玉，李志剛.基于景觀(guān)格局的錦州灣沿海經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2011，31（12）：3441-3450.

[22]肖琳，田光進(jìn).天津市土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].生態(tài)學(xué)雜志，2014，33（2）：469-476.

[23]馬正龍.長(zhǎng)株潭城市群土地利用/覆蓋變化遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2011.

[24]曾永年，何麗麗，靳文憑，等.長(zhǎng)株潭城市群核心區(qū)城鎮(zhèn)景觀(guān)空間擴(kuò)張過(guò)程定量分析[J].地理科學(xué)，2012，32（5）：544-549.

[25]傅麗華，謝炳庚，張曄，鄧楚雄，左婕.長(zhǎng)株潭城市群核心區(qū)土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2011（02）：96-101.

[26]謝花林.基于景觀(guān)結(jié)構(gòu)和空間統(tǒng)計(jì)學(xué)的區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2008，28（10）：5020-5026.

[27]Whittaker RH.Vegetation of the Siskiyou Mountains,Oregon and Califomia[J].Ecological Monographs，1960(30):279-338.

[28]李謝輝，王磊，李景宜.基于GIS的渭河下游河流沿線(xiàn)區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2009，29（10）：5523-5534.

[29]高永年，高俊峰，許妍.太湖流域水生態(tài)功能區(qū)土地利用變化的景觀(guān)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)效應(yīng)[J].自然資源學(xué)報(bào)，2010，25（7）：1088-1096.

Land Useand Ecological Risk Analysis in the Middle Reaches of the Yangtze River——A Case Study of Changsha-Zhuzhou-Xiangtan Urban Agglomeration

LIU Feng1,2et al
(1.School of Geosciences and Info-physics,Central South University,Changsha 410083,China; 2.Center for Geomatics and Regional Sustainable Development Research,Central South University,Changsha 410083,China)

To reveal the impact of urban development on regional ecological risk,Changsha-Zhuzhou-Xiangtan urban agglomeration in the Yangtze River economic zone is chosen as our study area. Based on Landsat data wequantitative access to land-use change, using moving window landscape ecological risk indices calculation methods,wegotcontinuousregionalspatialdistributionof ecological risk level,then we analyzed the dynamic change of land use types,the temporal and spatial variation characteristics of ecological risks in the study area during 1993 and 2013.The results indicate that,In the last 20 years,land use types change significantly in this area,construction land increases continuously, cultivated land and forest land fluctuate widely and then reduced significantly;In recent 20 years,the area of ecological risk levels changed dramatically,low risk areas had a fluctuated reduce, moderate risk areas increased after the first decrease,higher risk areas and high risk areas increased volatility.This study may be helpful to the sustainable land use of Changsha-Zhuzhou-Xiangtan urban agglomeration,and effective prevention of ecological risk,as well as a constructive reference to the determination of urban construction land developing boundary and the ecological red line, meantime it also provides an effective method for the quantitative assessment of regional ecological risk.

Landsat data;Land use change;Ecological risk; Changsha-Zhuzhou-Xiangtan Urban Agglomeration; Yangtze River Economic Belt

X826

A

劉鳳（1990-），女，內(nèi)蒙人，碩士研究生，主要從事遙感與GIS應(yīng)用研究。

曾永年（1959-），男，青海西寧人，教授，博士生導(dǎo)師，從事遙感與地理信息系統(tǒng)及其環(huán)境變化研究。

（2016-09-18收稿M編輯）

1003-7853（2016）05-0016-07

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41171326，40771198，41201386）