第25卷 第7期自 然 资 源 学 报V ol 25N o 7 2010年7月J OURNAL OF NATURAL RESOURCES Ju.l,2010

太湖流域水生态功能区土地利用变化的

景观生态风险效应

高永年,高俊峰,许 妍

(中国科学院南京地理与湖泊研究所,南京210008)

摘要:以太湖流域及其一级水生态功能区为研究对象,以L andsat遥感影像解译获得的2005年

和2008年土地利用分类图等为基础数据,基于土地利用类型比例变化

、转移矩阵



、G IS叠加分

析
、土地利用综合转换速率
、景观生态风险指数和土地利用变化的景观生态风险效应系数等分

析方法,综合分析了太湖流域及其不同一级水生态功能区的土地利用与景观格局及其变化特

征,在计算相关中间参数的基础上,从景观尺度计算得到了太湖流域及其不同一级水生态功能

区景观生态风险值,并在此基础上对太湖流域及其不同一级水生态功能区景观生态风险差异特

征进行了比较分析,进而分析了各区景观生态风险与土地利用变化之间的效应关系,从而为流

域不同水生态功能区差异化水生态保护决策提供依据
。

关 键 词:土地利用变化;生态风险;景观生态风险效应系数;水生态功能区;太湖流域

中图分类号:X171;X826 文献标志码:A 文章编号:1000-3037(2010)07-1088-09

景观生态风险评价是区域生态风险评价的重要内容,已逐渐发展为国内外研究的热点领域,肖杨和毛显强对山西省平遥县[1]

、贡璐等对博斯腾湖区域[2]
、陈鹏和潘晓玲对阜康三工河流域[3]
、李景刚等对北京市[4]
、W u等对东山岛[5]的景观生态风险进行了评价,张学林等对区域农业景观生态风险评价的框架和方法进行了探讨[6],谢花林从景观结构和空间统计学的角度对区域生态风险进行了分析[7],Kapustka等运用景观生态方法对生态风险进行评价并用以指导风险管理与决策支持[8],王娟等分析了云南澜沧江流域不同研究时段内不同空间范围的土地利用和景观生态风险变化情况[9]

。从研究区域上来看,尚缺乏太湖流域景观生态风险的分析;从研究内容上来看,尚缺乏土地利用与景观生态风险的关系分析。

太湖流域地处长江三角洲,北抵长江,东临东海,南滨钱塘江,西以天目山
、茅山为界,总面积3 69 104km2[10],近几十年来太湖流域社会经济发展迅速,人类活动强烈,土地利用变化活跃,水污染问题日益严峻
。基于水生态分区的水生态管理模式逐渐发展成为国际研究热点,并被相关政府部门应用到日常的水资源管理中来,逐渐成为国际水资源管理的常用基本单元[11 12]
。国内对于水生态功能分区的研究起步较晚,研究较少[13 15],目前国家水体污染控制与治理重大专项设立了相关项目正在进行积极探索
。针对太湖流域水环境、水生态问题日益突出的现状,根据太湖流域特征,对太湖流域水生态功能一级区进行了划分,共

收稿日期:2010-01-19;修订日期:2010-05-04。

基金项目:国家水体污染控制与治理科技重大专项(2008Z X07101-014,2008ZX07526-007)。

第一作者简介:高永年(1977-),男,安徽郎溪人,助研,博士,主要从事流域发展的水文水生态效应、流域生态水文遥感和G I S区域建模等方面的研究

。E m a i:l [email protected] i g l as.ac.cn

*通信作者简介:高俊峰(1967-),男,研究员,博士
。E m ai:l gaoj [email protected] n i g l as.ac.cn

致谢:感谢中国科学院地理科学与资源研究所刘高焕研究员


、刘庆生副研究员和谢传节副研究员提供太湖流域2005年和2008年土地利用分类数据
。

7期高永年等:太湖流域水生态功能区土地利用变化的景观生态风险效应1089

划分为2个一级水生态功能区即西部丘陵水生态功能区和东部平原水生态功能区[16]
。由于自然本底条件和人类活动干扰程度的差异,不同的水生态功能区土地利用结构和变化过程是不一样的,土地利用变化必然导致景观生态风险的变化,进而影响到水生态结构、过程和功能,因此,研究不同水生态功能区的土地利用变化过程及其景观生态风险效应就显得尤为重要,进而为后续差异化水生态保护和恢复政策的制定提供依据,从而最终实现水生态系统健康
。

1 数据与方法

1 1 数据

研究数据主要包括土地利用数据和水生态功能分区图,其中土地利用数据主要为2005年和2008年土地利用现状图,其来源于中国科学院地理科学与资源研究所资源环境科学数据中心对研究区2005年和2008年两个年份的Landsat T M/ETM+遥感影像解译结果,根据太湖流域水生态功能分区图在G I S中分别提取获得不同水生态功能区在2个时期的土地利用图


。

1 2 研究方法

(1)土地利用变化分析方法

土地利用变化的实质是区域内不同用地类型间的相互转换,本文主要从结构变化、数量变化和格局变化3个方面来进行分析,其中,采用类型比例分析结构变化,采用转移矩阵分析数量变化,采用G I S叠加分析法分析格局变化
。

(2)景观生态风险指数计算方法

景观生态风险指数主要根据景观干扰度指数和景观脆弱度指数进行计算,其公式为[7]:

ERI= n i=1A i A E i F i(1)

式中:ER I为景观生态风险指数,n为景观类型的数量,E i为景观类型i的干扰度指数,F

i

为景观类型i的脆弱度指数,A表示某单元土地总面积,A i为景观类型i的总面积
。

景观干扰度指数采用下式计算[7,17]:

E i=aC i+bS i+c DO i(2)其中:

C i=n i

A i

(3)

S i=D i

P i

=0 5n i

A

0 5

A

A i

(4)

DO i=1

2

(DP i+DC i)(5)

式中:系数a
、b和c分别为各指标即景观破碎度C i
、景观分离度S i和景观优势度DO i的权重,且a+b+c=1,三者在不同程度上反映出干扰对景观所代表的生态环境的影响,根据分析权衡,认为破碎度指数最为重要,其次为分离度和优势度,对a、b和c三个指标分别赋以

0 5
、0 3和0 2的权值;n

i 为景观类型i的斑块数;D

i

为景观类型i的距离指数;P

i

为景观类

型i的面积指数;DP i为第i类景观要素的相对密度;DC i为第i类景观要素的相对盖度。由

1090

自 然 资 源 学 报25卷于C i
、S i和DO i量纲不同,在计算E i前需要进行归一化处理
。

景观脆弱度指数 不同的景观类型在维护生物多样性、保护物种
、完善整体结构和功能
、促进景观结构自然演替等方面的作用是有差别的
。研究区6种景观类型所代表的生态系统,以未利用地最为脆弱,其次是水域,而建设用地最稳定,参考相关研究成果分别对6种景观类型赋以脆弱度指数:未利用地=6
、水域=5、耕地=4
、草地=3

、林地=2、建设用地= 1,然后进行归一化处理,得到各自的脆弱度指数[7]

。

(3)土地利用变化的景观生态风险效应分析方法

参考土地利用变化的生态环境响应分析方法[18],采用土地利用变化的景观生态风险效应系数表示土地利用变化的景观生态风险效应,其计算公式为:

ERV=u

v

100%(6)其中,

u=ERI j+1-ERI j

r ERI j

(7)

v=1

r

m

i=1

A(j+1)

i-A

(j)

i

A(j)i

2

A(j)i

A

(8)

式中:ERV表示土地利用变化的景观生态风险效应系数,u表示年均景观生态风险变化速率,v表示土地利用类型综合转换速率,r为期间年度间隔,i为土地类型,m为土地利用类型数,j为时相,A i(j)表示j时期第i类用地面积

。ERV指数代表景观生态风险相对变化对土地利用类型综合转换速度的响应程度,若指数为正,说明景观生态风险在增加,土地利用类型的综合转换不利于区域景观生态风险的改善,且指数值越大,景观生态风险对土地利用变化速度的响应特征越明显,反之亦然
。

2 结果分析

2 1 土地利用变化

2005 2008年太湖流域建设用地和草地分别增加了24 21%和5 66%,而耕地
、林地、水域和未利用地分别减少了6 68%、1 44%
、5 82%和17 58%,6种地类中建设用地面积净增最多,耕地面积净减最多,水域面积净减也较大;东部水生态功能区变化最快的是建设用地,增加了24 36%,净增13 57 104km2,其次是草地和未利用地,增加幅度分别为18 30%和11 88%,减少最快的是耕地,减少了6 99%,净减10 51 104km2,林地和水域也分别减少了6 45%和5 95%;西部水生态功能区变化最快的是未利用地,3a间减少了31 11%,增加最快的是建设用地,净增2 38 104k m2,增加幅度为23 40%,除草地增加2 81%外,耕地、林地和水域分别减少了3 70%

、0 93%
、4 05%,其中耕地净减面积最大,净减1 83 104km2
。

空间分布上(图1),东部区土地利用变化较西部区剧烈,且在东部水生态功能区中,城市周边变化较剧烈,其中上海市周边土地利用变化最为剧烈,其次为苏锡常地区,而在南部的嘉兴市则变化相对平缓,东部区土地转出的地类以耕地为最多,其次为建设用地,再次为水域和林地,草地和未利用地转换面积相对较小;土地转入的地类则以建设用地为最多,其次为耕地,再次为水域和林地,草地和未利地用转换面积最小

。西部水生态功能区中,参加变化的土地面积小,空间分布范围小,零散分布,土地转出的地类以耕地为最多,其次为林

7期高永年等:太湖流域水生态功能区土地利用变化的景观生态风险效应1091地,再次为建设用地和水域,草地和未利用地转换面积相对较小;土地转入的地类则以建设用地为最多,其次为耕地,再次为草地和水域,草地和未利用地转换面积最小

。

例中数字表示地类(1、2
、3
、4
、5、6分别表示耕地、林地
、草地、水域、城乡工矿居民点用地和未利用地),第一个数字表示2005年地类即类,第二个数字表示2008年地类即转换后地类,如 6,1 表示由地类6转换为地类1即未利用地转换为耕地。

图1 2005 2008年太湖及其一级水生态功能区土地利用变化空间分布

Fi g 1 S pati al d istri buti on of land use changes i n Tai hu LakeW at ershed and its l evel I aquatic

eco f unctional regions fro m2005t o2008

2 2 景观生态风险变化

根据式(1)计算了太湖流域及其2个一级水生态功能区的2005年和2008年景观生态风险指数(图2)。2005年太湖流域

、东部水生态功能区和西部水生态功能区的景观生态风险指数分别为0 0436
、0 0469和0 0392,2008年太湖流域、东部水生态功能区和西部水生态功能区的景观生态风险指数分别为0 0443

、0 0457和0 0417,2个年份均表现出东部水生态功能区的景观生态风险大于西部水生态功能区
。

2008年相比2005年,太湖流域景观生态风险指数增加了1 47%,西部水生态功能区景观生态风险增加了6 49%(图2),说明太湖流域和西部水生态功能区的景观生态风险在增加,而西部水生态功能区的景观生态风险增加较大,然而东部水生态功能区的景观生态风险减少了2 57%(图2),说明东部水生态功能区的景观生态风险在减少,太湖流域景观生态风险的增加主要是由于西部区景观生态风险的增加导致的

。

2 3 土地利用变化的景观生态风险效应

(1)土地利用变化的景观生态风险效应系数根据土地利用类型综合转换速率系数计

算公式,计算得太湖流域及各水生态功能区土地利用类型综合转换速率(图3)。太湖流域土地利用类型综合转换速率为0 0382,转换较快;东部区土地利用类型综合转换速率为

0 0426,西部区为0 0257,东部区明显快于西部区,且东部区为西部区的1 66倍。

1092

自 然 资 源 学 报25卷

由ERV指数计算结果(表1)可以发现,太湖全流域和西部区为正,说明随着土地利用的变化,其景观生态风险呈增加态势;特别是西部区,其风险增加概率为全流域的6 57倍。而东部区景观生态风险值为负,说明随着土地利用的快速变化,其景观生态风险在减小。东部区和西部区景观生态风险的逆向变化表明,土地利用类型综合转换速率与景观生态风险并不呈正相关变化,即随着土地利用类型综合转换速率的增加,其景观生态风险有可能会降低

。从2005年到2008年的3年间,东部区ERV值为-20 12,而西部区为84 24,西部区为东部区的-4 19倍,西部区景观生态风险对土地利用变化响应的速度明显高于东部区。

表1 太湖流域及其一级水生态功能区ER V值

Tab le1 ERV val ues i n T ai hu Lake W aters h ed and its level I aquati c eco f unctional regions

指标东部区西部区全流域

ER V-20 1284 2412 81

(2)土地利用变化对景观生态风险的驱动 根据景观生态风险指数的计算公式可以看出,景观生态风险指数的大小与土地利用变化的剧烈程度不是呈线性关系的,所以有可能导致土地利用变化剧烈地区其景观生态风险指数有可能减小,景观生态风险指数的大小受景观破碎度
、景观类型转化方向等多种因素的综合影响,如果某区域变化剧烈,变化后其各景观类型如果呈规模效应,则景观生态风险指数有可能减小,而如果某区域变化虽然不剧烈,

7期高永年等:太湖流域水生态功能区土地利用变化的景观生态风险效应1093

但地块变得更加零星,则其景观生态风险指数有可能增大。太湖流域及其一级水生态功能区景观生态风险指数的变化主要是由于土地利用景观类型转换造成的。根据前面土地利用景观结构和格局变化的分析可知,2005年至2008年的3年间,由于自然胁迫和人类活动的扰动,太湖流域及其一级水生态功能区土地利用景观结构和格局发生了较大变化,由此导致各景观类型面积及其斑块数的变化,进而导致相应景观类型风险指数的变化。2008年太湖流域景观生态风险指数较2005年增加了0 0006,这主要是由于城镇用地

、有林地、湖泊风险指数的增加导致的,这正是受这几个景观类型面积和斑块数增加驱动的缘故

。东部水生态功能区景观生态风险指数减少0 0012,主要是由于湖泊
、农村居民点
、水田和城镇用地景观类型面积及其斑块数的变化引起的。3年间,东部水生态功能区斑块数共减少了1395,耕地和水域面积分别减少了6 99%和5 95%,城乡工矿居民点用地增加了24 36%;农田斑块数增加了301,风险指数减少了0 0014,湖泊斑块数减少了78,风险指数减少了0 0036,城镇用地和农村居民点斑块数分别减少了284和16894,风险指数分别减少了0 0011和0 0017;风险指数增加比较明显的景观类型为滩涂和其它建设用地,它们的斑块数分别增加了3517和15246,相应其风险指数也分别增加了0 0023和0 0036

。3年间,西部水生态功能区景观生态风险指数增加了0 0025,这主要是湖泊
、有林地
、城镇用地和农村居民点景观类型面积及其斑块数的增加导致的,西部区斑块数增加了1377,耕地和林地面积分别减少了3 70%和0 93%,建设用地面积增加了23 40%;农田斑块数增加了767,风险指数增加了0 0009,有林地斑块数增加了42,风险指数增加了0 0015,城镇用地和农村居民点斑块数分别增加了94和132,风险指数分别增加了0 0003和0 0002,灌木林和疏林地斑块数分别增加了3和12,风险指数分别减少了0 0001和0 0003
。

3 结论

(1)太湖流域不同水生态功能区土地利用变化差异较大,东部区土地利用变化较西部区剧烈。西部水生态功能区变化速度最快的是未利用地,3年间减少了31 11%,增加最快的是建设用地,增加幅度为23 40%;东部水生态功能区变化最快的是建设用地,增加了24 36%,减少最快的是耕地,减少了6 99%。空间分布上,在东部水生态功能区中,城市周边变化较剧烈,其中上海市周边土地利用变化最为剧烈,其次为苏锡常地区,而在南部的嘉兴市则变化相对平缓;西部水生态功能区中,参加变化的土地面积小,空间分布范围小,零散分布

。

(2)2005年和2008年两个年份均表现出东部水生态功能区的景观生态风险大于西部水生态功能区

。2008年相比2005年,西部水生态功能区景观生态风险增加了6 49%,东部水生态功能区的景观生态风险减少了2 57%,两个水生态功能区景观生态风险呈相反方向发展。

(3)东部区土地利用类型综合转换速率明显快于西部区,且东部区为西部区的1 66倍;但在景观风险指数方面,西部区为东部区的-4 19倍,西部区景观生态风险对土地利用变化响应的速度明显高于东部区

。东部水生态功能区景观生态风险指数的减少主要是由于湖泊、农村居民点


、水田和城镇用地景观类型面积及其斑块数的减少导致的
。西部水生态功能区景观生态风险指数的增加主要是湖泊、有林地、城镇用地和农村居民点景观类型面积及其斑块数的增加导致的
。

基于以上分析,认为太湖流域不同水生态功能区在经济发展过程中,应充分认识区域土

1094

自 然 资 源 学 报25卷地利用变化过程及其趋势,对于景观生态风险大的区域应适当控制或调整土地利用变化方向,对于东部水生态功能区应加强对城镇和农村居民点以外的其它建设用地
、滩涂和水库坑塘的利用管理,而对于西部水生态功能区应加强对有林地、水田

、城镇用地和农村居民点用地的利用管理,发展适度规模经营,控制土地利用向破碎化方向和脆弱度高的土地利用方向发展,从而降低景观生态风险,保障太湖流域水生态功能区景观生态安全。

根据景观生态风险指数计算公式可以看出,景观生态风险指数的变化受土地利用景观破碎度、土地利用景观类型转化方向等多种因素的影响,土地利用与景观生态风险指数之间是一种非线性的关系,鉴于土地利用变化与景观生态风险之间关系的复杂性,本文在土地利用变化对景观生态风险的驱动方面的分析尚不够深入,有待今后进一步深入研究

。

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GAO Yong nian,GAO Jun feng,XU Yan

(N an ji ng Insti tute of Geography and L i m n ol ogy,CAS,Nan ji ng210008,Ch i na)

Abst ract:In this study,the Ta i h u Lake W atershed and its level I aquati c eco functi o na l reg ions w ere selected as study areas,and the land use classificati o n m aps for2005and2008,wh ich w ere i n ter preted and obta i n ed using Landsat re m o te sensing i m age,w ere used for further analysis. Change detection m et h ods,e.g.transfer m atri x,G I S overlay analysis,co m prehensive coefficient of land use type change ve l o c ity,landscape ecological risk i n dex and landscape eco l o g ica l r isk effect i n dex of the l a nd use change,w ere selected to analyze the spati o te m po ral distribution char acteristics of land use and landscape as w ell as their transfer characteristics fro m2005to2008in t h e Taihu LakeW atershed and its level I aquatic eco functional regions.The va l u es of landscape eco l o g ical risk of the Taihu LakeW atershed and its level I aquatic eco f u ncti o na l reg ionsw ere ca l culated,and a co mparison analysis o f d ifferent characteristics of the landscape eco l o g ica l risk be t w een different level I aquatic eco functi o na l reg i o ns w as carried ou,t and then the e ffect re lation sh i p s bet w een the landscape ecological risks and the land use changes w as further ana l y zed.The resu lts sho w ed t h at the va l u es o f landscape eco l o g ica l risk i n dex in the eastern level I aquatic eco f u nctional reg i o n w as b i g ger than that i n the w estern l e vel I aquati c eco functi o na l reg ion both in 2005and2008.I n2008,co m pared to2005,the value of landscape eco l o g ica l risk i n dex i n the w estern leve l I aquatic eco functional reg ion i n creased by6 49%,ho w ever,the va l u e i n eastern level I aquatic eco f u ncti o na l reg i o n had a opposite change d irecti o n w ith a reduction o f2 57%. The co m prehensive conversi o n rate of land use types i n the eastern reg ion w as si g n ificantly1 66 ti m es faster than that i n the w ester n reg ion.H o w ever,t h e landscape eco risk i n dex in the w estern reg i o n w as-4 19ti m es that i n the eastern reg i o n,and the response rate of landscape eco l o g ical risk to land use change in t h e w ester n reg ion w as sign ificantly h i g her than that in the eastern re

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自 然 资 源 学 报25卷gion.The reducti o n o f landscape eco risk index i n t h e eastern region wasm ai n ly due to the reduc ti o n o f area and patch nu m ber of lake,rural settle m en,t paddy field and urban landscape,and the i n crease of landscape eco risk i n dex i n the w estern reg ion w as m a i n l y due to t h e i n crease of area and patch num ber o f lake,fores,t ur ban land and rura l resi d ential landscape.Based on the above analysi s,it prov ided a basis for the aquatic ecolog ical protection dec i s ion m ak i n g o f different aquatic eco f u ncti o nal reg i o ns in Ta i h u LakeW atershed.And it should be focused on the land use change process and trend i n the course of econo m ic deve l o pm ent in Ta i h u Lake W atershed,and t h e land use change d irecti o n should be properly contro lled and adjusted i n t h e reg ion w it h a high er l a ndscape eco risk index.The m anage m ent of the constr uction land except for the urban and rural settle m ents land,beaches,reservo ir and pond land should be strengthened in the eastern re gion,and the m anage m ent o f the forest land,paddy fi e l d,ur ban land and rural resi d entia l land shou l d be streng thened i n t h e w estern reg ion,and the appropriate sca led land use shou l d be i n tro duced and t h e directi o n o f land use should be kept fro m the h igh fragm entati o n and vu l n erability, so as to reduce the landscape eco l o gy r isk and protect the l a ndscape eco functi o ns i n Ta i h u Lake W atershed.

K ey words:land use c hange;eco log ical risk;landscape eco l o g i c al risk e ffect coeffic i e n;t aquat ic eco functional reg ion;Ta i h u Lake W atershed