2000—2020年重庆市土地利用变化及景观生态风险评价.pdf

湖北农业科学2023 年收稿日期：2022-05-30基金项目：国家社科基金一般项目（21BJY170）作者简介：孙贵艳（1984-），女，山东临沂人，研究员，博士，主要从事区域经济研究，（电话）19112055968（电子信箱）。第 62 卷第 7 期2023 年 7 月湖北农业科学Hubei Agricultural SciencesVol.62 No.7Jul.，2023孙贵艳，代云川.20002020年重庆市土地利用变化及景观生态风险评价 J.湖北农业科学，2023，62（7）：38-43，62土地作为人类所需的重要资源，其利用方式与程度不仅影响经济社会可持续发展，更会对生态环境造成区域性和累积性的影响，并体现在生态系统的结构和功能上1。有研究表明，土地利用/覆被变化与各类现实或潜在的生态风险密切相关，在一定程度上决定区域生态风险大小2，3。生态风险评价是用来描述评估自然环境变化、人类活动等对区域生态系统结构与功能产生不利影响的可能性及其大小程度4，5，是山、水、林、田、湖、草生命共同体安全研究的基础。近年来，从土地利用变化及景观格局特征角度构建生态风险指数，定量识别和评估区域生态状况及空间分异，成为当前研究的热点6-8。20002020年重庆市土地利用变化及景观生态风险评价孙贵艳，代云川（重庆社会科学院生态与环境资源研究所/生态安全与绿色发展研究中心，重庆400020）摘要：基于重庆市2000、2010、2020年的土地利用数据，分析其土地利用动态变化特征，并利用景观脆弱度指数和景观格局指数建立生态风险评价模型，对生态风险时空变化特征进行评价。结果表明，20002020年，重庆市主要土地利用类型为耕地、林地；人造地表、林地、水体面积不断增加，耕地、草地、灌木地、湿地面积不断减少，其中，人造地表面积明显增加，且主要来自耕地；重庆市各时期景观生态风险在空间上呈正向集聚效应，高-高集聚区呈减少趋势；重庆市以中生态风险区、较低生态风险区为主，整体生态风险逐渐减弱。需针对不同生态风险区，采取差异化的土地利用措施。关键词：土地利用；景观格局；景观生态风险评价；重庆市中图分类号：F301文献标识码：A文章编号：0439-8114（2023）07-0038-06DOI:10.14088/ki.issn0439-8114.2023.07.007开放科学（资源服务）标识码（OSID）：Land use change and landscape ecological risk assessment in Chongqing from 2000 to 2020SUN Gui-yan，DAI Yun-chuan（Institute of Ecology and Environmental Resources/Research Center for Ecological Security and Green Development，Chongqing Academy of SocialSciences，Chongqing 400020，China）Abstract：Based on the land use data of Chongqing in 2000，2010，and 2020，the dynamic changes in land use characteristics were，and analyzed an ecological risk assessment model was established using the landscape vulnerability index and landscape pattern indexto evaluate the spatiotemporal changes in ecological risk.The results indicated that from 2000 to 2020，the main types of land use inChongqing were arable land and forest land；the area of artificial surface，forest land，and water bodies continued to increase，whilethe area of arable land，grassland，shrubland，and wetland continued to decrease.Among them，the area of artificial surface had significantly increased，mainly from arable land；the landscape ecological risks in various periods of Chongqing showed a positive agglomeration effect in space，while the high high agglomeration areas showed a decreasing trend；Chongqing was mainly located in areas withmedium and low ecological risks，with overall ecological risks gradually weakening.Differentiated land use measures needed to be taken for different ecological risk areas.Key words：land use；landscape pattern；landscape ecological risk assessment；Chongqing City第 7 期国内外对土地利用带来的生态风险研究主要采用2种评价方法。一是基于相对生态风险评价模型（RRM）9，10进行评价，主要利用各风险单元内部因子的风险贡献程度，再结合风险源、生境和风险受体对区域生态风险进行定量评价11，12。二是基于景观格局指数、土地利用变化进行生态风险研究，主要利用景观脆弱度指数和景观格局指数等作为评价指标，构建生态风险指数进行生态风险评价13-15。目前，基于景观格局进行生态风险评价相对科学可行，区域划分方法主要包括以行政区划、地貌、流域等自然地理边界来划分风险单元的方法和网格法，其中网格法运用较普遍16。顾梦瑶等17、刘希朝等18、康紫薇等19、杜军等20通过划分不同大小的生态风险评价单元，利用景观结构指数、景观脆弱指数及扰动指数等构建生态风险指数，再结合ArcGIS空间分析法，评价景观生态风险空间分异特征。综上可知，生态风险评价方法和体系比较成熟，但生态风险往往受多个因素交互作用的影响，因此，需要针对不同地区的区域特征进行评价和分析。1研究区概况与数据来源1.1研究区概况重庆市是中国中西部地区惟一的直辖市，地处青藏高原与长江中下游平原的过渡地带，东经1051111011、北纬 28103213，面积达8.24万km2，辖38个区县（26区、8县、4自治县）。地貌以丘陵、山地为主，其中山地占 76%；长江、嘉陵江、乌江三江过境，境内有河流 5 300 余条；中亚热带湿润季风性气候。2020年，重庆市平均降水量为1 361.7 mm，平均气温为17.8，空气质量优良天数达 333 d，森林覆盖率达 52.5%，地区生产总值达25 002.79亿元。第七次全国人口普查显示，2020年重庆市人口总数为32 054 159人。1.2数据来源选取2000、2010、2020年3期的重庆市土地利用矢量数据，数据均来源于中国研制的 30 m全球地表覆盖数据 GlobeLand30。其中 GlobeLand30 2000 数据 和 GlobeLand30 2010 数 据 的 总 体 精 度 均 为83.50%，Kappa 系数为 0.78；GlobeLand30 2020 数据的总体精度为 85.72%，Kappa 系数为 0.82。根据GlobeLand30 分类系统，重庆市分为耕地、林地、草地、灌木地、湿地、水体、人造地表、裸地8种类型。2研究方法2.1土地利用动态变化利用2000、2010、2020年的土地利用数据，通过土地利用面积变化、单一土地利用动态度K、综合土地利用动态度 LC等指标分析不同时期土地利用动态变化过程；运用土地利用转移矩阵研究不同时期各土地利用类型间相互转化的数量与方向。单一土地利用动态度K的计算公式如下：K=Ub-UaUa1T100%（1）式中，Ua、Ub分别为研究时段初期、末期的某一类土地利用的数量；T为研究时段。综合土地利用动态度LC的计算公式如下：LC=i=1nLUi-j2i=1nLUi1T100%（2）式中，LUi为研究时段初期第i类土地利用的面积；LUi-j为研究时期内第i类土地利用转为其他类型土地利用的面积。土地利用转移矩阵表达式如下：Sij=|S11S21S12S22S1nS2nSn1Sn2Snn（3）式中，Sij为研究时段内第i类土地利用向第j类土地利用转化的面积；i为前一时期的土地利用类型；j为后一时期的土地利用类型；n为土地利用类型的数量。2.2评价单元划分为了提高景观生态风险的评价精度，参考国家格网 GIS 的相关标准（GB/T 124092009 地理格网 等）和已有研究3，20，结合重庆市的实际情况和工作量，划分1 km1 km 的正方形格网，得到980个生态风险样本小区。再取每个格网的中心点为采样点，保留研究区在格网中面积占比超过20%的采样点，最终得到 892个有效采样点。以格网划分为基础计算每个小区内的生态风险指数，并将其作为样区中心点的生态风险值，再利用半变异函数对小区样点的风险值进行拟合，从而得到整个研究区的生态风险水平。2.3景观生态风险指数构建景观指数法一般是利用多个指数组合来描述景观格局及变化。根据各评价单元内土地利用类型占比、景观干扰度指数、景观脆弱度指数来计算景观生态风险指数，计算公式如下：ERIk=i=1nAkiAkRi（4）Ri=UiVi（5）孙贵艳等：20002020年重庆市土地利用变化及景观生态风险评价39湖北农业科学2023 年式中，ERIk表示第k个小区的区域景观生态风险指数；n表示景观类型的总个数；Aki表示第k个小区中景观类型i的面积；Ak表示第k个小区的总面积；Ri表示第i类景观的景观损失度指数；Ui表示第i类景观的景观干扰度指数；Vi表示第i类景观的景观脆弱度指数。景观干扰度指数Ui是由景观破碎度指数、景观分离度指数、景观分维数分别赋予相应权重后综合计算得出15，18，公式如下：Ui=aCi+bSi+cFi（6）式中，Ci、Si、Fi分别为第i个评价单元的景观破碎度指数、景观分离度指数、景观分维数；Ci、Si、Fi由于量纲不同，需进行归一化处理。a、b、c分别为景观破碎度指数、景观分离度指数、景观分维数的权重，借鉴已有研究17-20，分别赋值为0.5、0.3、0.2。景观脆弱度指数Vi表示各类景观受外界干扰的敏感程度，鉴于研究区域的景观特点与已有研究成果21，22，认为裸地最脆弱，人造地表最稳定。依据景观类型脆弱性由高到低依次赋值，裸地、水体、湿地、耕地、草地、灌木地、林地、人造地表赋值分别为8、7、6、5、4、3、2、1，并对其进行归一化处理。其中考虑到 2000、2010年景观无裸地，在对它们进行归一化处理的时候，仅考虑水体、湿地、耕地、草地、灌木地、林地、人造地表（表1）。表1景观脆弱度赋值类型耕地林地草地灌木地湿地水体人造地表裸地赋值524367182000、2010年归一化0.178 5710.071 4290.142 8570.107 1430.214 2860.250 0000.035 7140.000 0002020年归一化0.138 8890.055 5560.111 1110.083 3330.166 6670.194 4440.027 7780.222 2222.4空间统计学方法空间自相关分析可用来研究某一空间变量在空间上是否存在相关性及相关程度。本研究以景观生态风险指数作为一种空间变量，利用全局Moran s I指数测度研究区域整体的空间关联和差异状态。运用空间关联局域指标（LISA）分析统计景观生态风险高-高聚集、低-低聚集情况在局部地区的分布情况。3结果与分析3.1土地利用类型变化特征分析3.1.1土地利用结构和速率变化重庆市主要的土地利用类型为耕地、林地，共占总面积的88%以上。由表2可知，2000年和2010年重庆市土地利用类型面积从大到小依次为耕地、林地、草地、水体、人造地表、灌木地、湿地、裸地，2020年人造地表面积超过水体面积，其他次序不变。20002020 年，重庆市人造地表、林地、水体、裸地面积不断增加，其中，人造地表面积增加的最多，增加了 2 066.32 km2，其次是林地，增加了1 022.18 km2；耕地、草地、灌木地、湿地面积不断减少，其中，耕地、草地面积减少的较多，分别达 1 974.88、1 429.32 km2。在 20002010 年、20102020年、20002020年人造地表土地利用动态度最大，分别为 3.89%/a、23.10%/a、17.99%/a。同时，3 个时段重庆市综合土地利用动态度分别为0.16%/a、0.26%/a、0.21%/a，表明 20102020年重庆市整体土地利用类型变化活跃。3.1.2土地利用方向变化20002020 年重庆市土地利用转移矩阵如表 3、表 4 所示。20002010年，草地是重庆市土地利用的主要转出类型，草地、耕地、林地的转化比较剧烈，转出面积分别为2 710.18、2 362.11、2 155.78 km2。受退耕还林（草）工程、天然林保护工程、公益林建设和自然保护区建设等实施的影响，林地是重庆市土地利用的主要转表220002020年重庆市土地利用变化土地利用类型耕地林地草地灌木地人造地表湿地水体裸地面积/km22000年40 404.3833 458.226 408.12537.80574.2256.98936.0902010年40 475.0734 443.435 078.48549.81797.8639.15992.0102020年38 429.5034 480.404 978.80536.992 640.5414.361 294.810.4120002010年占比%49.0540.607.780.660.700.071.140变化量km270.69985.21-1 329.6412.01223.64-17.8355.920土地利用动态度/%/a0.020.29-2.070.223.89-3.130.6020102020年占比%49.1341.816.170.670.970.051.200变化量km2-2 045.5736.97-99.68-12.821 842.68-24.79302.800.41土地利用动态度/%/a-0.510.01-0.20-0.2323.10-6.333.0520002020年占比%46.6541.866.040.653.210.021.570变化量km2-1 974.881 022.18-1 429.32-0.812 066.32-42.62358.720.41土地利用动态度/%/a-0.240.15-1.12-0.0117.99-3.741.9240第 7 期入类型，其增加面积主要来源于草地、耕地，转入面积分别为1 682.25、1 262.22 km2。20102020年，随着退耕还林（草）工程的继续实施以及重庆市行政区划变革后道路、水利、房屋等设施的建设，耕地成为重庆市土地利用的主要转出类型，转为人造地表、林地，转出面积分别为1 655.22、1 620.02 km2。林地依然是重庆市土地利用的主要转入类型，其次是耕地、人造地表，3 种土地利用类型转入面积分别为2 645.62、1 967.30、1 875.33 km2。3.2重庆市景观生态风险时空变化分析3.2.1景观格局指数变化分析据计算，20002020年，重庆市的景观生态风险指数ERI由0.079下降至0.064，说明重庆市的景观生态风险整体呈下降的趋势。由表5可知，20002020年，林地、草地、灌木地、湿地、水体的斑块数均有不同幅度的减少，耕地、人造地表、裸地的斑块数有不同幅度的增加，其中，人造地表的斑块数变化最明显，由 2000 年的2 966 个上升至 2020 年的 8 958 个。各景观类型的破碎度、分离度的变化趋势相同，耕地、草地、湿地的景观破碎度、景观分离度均有所增加，林地、灌木地、人造地表、水体的景观破碎度、景观分离度均有所降低；重庆市各土地利用类型的分维数变化不明显，其中，耕地、人造地表的分维数略有上升，形状变的复表320002010年土地利用类型转移矩阵（单位：km2）年份2000新增土地利用类型耕地林地草地灌木地人造地表湿地水体2010年耕地1 289.47800.3778.24111.628.47144.632 432.80林地1 262.221 682.25151.797.551.5235.663 140.99草地596.29639.9976.689.348.1050.141 380.54灌木地87.37141.2086.590.700.663.39319.91人造地表277.495.8168.690.660.826.30359.77湿地2.912.079.070.9612.8927.90水体135.8377.2463.210.535.9626.16308.93减少2 362.112 155.782 710.18307.90136.1345.73253.017 970.84表420102020年土地利用类型转移矩阵（单位：km2）年份2010新增土地利用类型耕地林地草地灌木地人造地表湿地水体2020年耕地1 379.55476.0343.8320.321.2246.351 967.30林地1 620.02900.59100.272.801.5020.442 645.62草地486.07914.2658.455.190.9817.301 482.25灌木地42.00107.6551.260.100.020.41201.44人造地表1 655.22131.4272.175.681.799.051 875.33湿地1.280.250.330.092.584.53水体207.8775.5281.556.034.1523.81398.93裸地0.410.41减少4 012.872 608.651 581.93214.2632.6529.3296.138 575.81表5重庆市景观类型的景观格局指数类型耕地林地草地灌木地人造地表湿地水体裸地年份2000201020202000201020202000201020202000201020202000201020202000201020202000201020202020斑块数个66 19065 50368 649118 335106 793104 998197 391166 899161 94626 26126 88626 1712 9661 8778 95887946724215 43310 43512 3951破碎度指数1.638 21.618 41.786 43.536 83.100 53.045 230.803 332.864 032.527 148.830 448.900 548.736 55.165 32.352 53.392 515.426 511.928 516.852 416.486 710.519 09.572 82.439 0分离度指数0.000 90.000 90.001 00.001 50.001 40.001 30.009 90.011 50.011 60.043 20.042 80.043 20.013 60.007 80.005 10.074 70.079 20.155 50.019 00.014 80.012 30.350 0景观分维数1.455 61.453 61.459 91.475 71.470 51.470 61.539 91.537 11.536 11.507 51.507 91.507 01.397 31.359 41.407 11.388 51.369 71.345 21.456 11.432 51.439 31.103 5干扰度指数0.036 90.037 70.034 00.046 10.045 50.039 70.174 80.199 90.170 70.309 40.330 50.255 00.073 60.052 20.042 00.228 00.230 70.175 50.131 20.103 50.072 40.210 9损失度指数0.006 60.006 70.004 70.003 30.003 30.002 20.025 00.028 60.019 00.033 20.035 40.021 30.002 60.001 90.001 20.048 80.049 40.029 20.032 80.025 90.014 10.046 9孙贵艳等：20002020年重庆市土地利用变化及景观生态风险评价41湖北农业科学2023 年杂不规则，林地、草地、灌木地、湿地、水体的形状则日趋简单。20002020年，重庆市的景观格局发生明显变化，除裸地外，其他类型土地利用类型的干扰度指数、损失度指数均呈下降趋势。3.2.2景观生态风险空间自相关分析2000、2010、2020年重庆市的景观生态风险的全局 Moran s I 分别为 0.681 2、0.668 5、0.668 9，均为正值且呈增加趋势，表明重庆市生态风险的自相关性及空间集聚程度逐渐增强。利用局部空间自相关 LISA 指数探索重庆市景观生态风险局部空间相关集聚性，如图 1所示。20002020 年，重庆市景观生态风险以高-高和低-低聚集模式为主，其中，高-高聚集区主要景观类型为耕地、林地，聚集于开州区、涪陵区、南川区、綦江区及渝东南、渝东北部分地区，且呈减少趋势；生态风险的低-低聚集区主要景观类型为林地，聚集于城口县、巫溪县及石柱县-彭水县-丰都县的交界处。3.2.3景观生态风险时空变化分析2000、2010、2020 年 重 庆 市 景 观 生 态 风 险 指 数 均 值 分 别 为0.007 4、0.007 2、0.006 7，景观生态风险整体呈下降趋势。利用ArcGIS中的重分类工具，将重庆市的景观生态风险区划分为 5 类：低生态风险区（ERI0.005 0）、较低生态风险区（0.005 0ERI0.007 0）、中生态风险区（0.007 0ERI0.008 0）、较高生态风险区（0.008 0ERI0.009 5）、高生态风险区（ERI0.009 5）。由表6和图2可知，20002020年，重庆市以中生态风险区、较低生态风险区为主，面积占比为75.53%88.75%，其较低生态风险区面积占比持续增加，较高生态风险区、高生态风险区面积占比不断降低。较低生态风险区面积占比明显增加，在渝西地区、渝东北的城口县、巫溪县、巫山县，以及石柱县丰都县武隆区彭水县黔江区交界处的基础上，进行了大范围的扩展，由2000年的34.04%上升至2020年的56.50%，增加了22.46个百分点；较高生态风险区的面积占比由 2000 年的 21.15%减少至2020年的 5.84%，降低了 15.31个百分点，空间范围也缩小至高风险区周边的涪陵区、南川区、綦江区、巴南区，以及武陵区彭水县交界处、彭水县黔江区交界处、开州区西北部；高生态风险区较集中，其面积占比由 2000年 2.35%降至 2020年的 1.07%，空间分布范围也由涪陵区、巴南区、南川区缩小到涪陵区；低生态风险区面积占比由2000年的0.97%增加至 2020年的 4.34%，空间分布范围也由城口县扩展到巫溪县以及开州区东北部。不显著（713）高-高（92）高-低（0）低-高（0）低-低（87）a.2000年不显著（714）高-高（95）高-低（0）低-高（0）低-低（83）b.2010年不显著（716）高-高（83）高-低（0）低-高（0）低-低（93）c.2020年图1重庆市2000年、2010年、2020年景观生态风险局部空间自相关表6不同等级景观生态风险区的面积占比（单位：%）等级风险区低生态风险区较低生态风险区中生态风险区较高生态风险区高生态风险区2000年0.9734.0441.4921.152.352010年0.8941.8942.4912.821.912020年4.3456.5032.255.841.0742第 7 期低风险区较低风险区中风险区较高风险区高风险区a.2000年低风险区较低风险区中风险区较高风险区高风险区b.2010年低风险区较低风险区中风险区较高风险区高风险区c.2020年图22000年、2010年、2020年重庆市景观生态风险空间分布4小结与讨论基于重庆市2000、2010、2020年3期土地利用数据探索其土地利用变化情况，并利用景观格局指数对重庆市土地利用生态风险进行评价。20002020年，耕地和林地是重庆市的主要土地利用类型，人造地表、林地、水体、裸地面积有所增加，耕地、草地、灌木地、湿地面积有所降低，其中，人造地表面积明显增加、耕地面积明显减少。20002010 年，草地是土地利用的主要转出类型，20102020 年，耕地是土地利用的主要转出类型，耕地转出的主要去向是人造地表、林地。20002020年，耕地、林地、草地、灌木地、人造地表、湿地、水体的干扰度指数、损失度指数均呈下降趋势，景观生态风险整体上有所降低，生态风险程度在空间上表现出正相关性增强，有明显的集聚趋势。景观生态风险以高-高和低-低聚集为主，且高-高集聚区整体上呈减少趋势。20002020年，重庆市景观生态风险指数的均值由 0.007 4 减少至 0.006 7，整体景观生态风险降低；景观生态风险主要以中生态风险、较低生态风险为主，低生态风险区、较低生态风险区的面积占比增加，中生态风险区、较高生态风险区、高生态风险区的面积占比下降，其中，较低生态风险区、较高生态风险区面积占比的变化较明显。基于以上分析，对重庆市土地利用现状和变化趋势、景观生态风险状况有了初步了解，可为优化重庆市土地利用空间布局和土地管理提供决策支持。未来需针对不同风险级别的地区，采取差异化的调控措施，其中，对较高风险区和高风险区制定适宜的国土空间规划，合理调整土地利用结构，充分协调好土地的利用与区域发展之间的关系，构建合理的景观生态格局；对于其他类型的风险区，则需按照生态经济规律更好地统筹土地开发、利用、整治和保护，在加大土地资源生态保护的基础上进行适度土地开发利用，促进人口、资源、经济与环境的协调发展。参考文献：1吕乐婷，张杰，孙才志，等.基于土地利用变化的细河流域景观生态风险评估 J.生态学报，2018，38（16）：5952-5960.2苏英慧，邸晓慧，明弘，等.基于土地景观格局的重庆市永川区生态风险评价 J.水土保持通报，2020，40（3）：195-201，215.3侯蕊，李红波，高艳丽.基于景观格局的武汉市江夏区土地利用生态风险评价 J.水土保持研究，2021，28（1）：323-330，403.4赵越，罗志军，李雅婷，等.赣江上游流域景观生态风险的时空分异从生产-生活-生态空间的视角 J.生态学报，2019，39（13）：4676-4686.5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（6）：1017-1028.6王娟，崔保山，刘杰，等.云南澜沧江流域土地利用及其变化对景观生态风险的影响 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