杭州市土地利用变化及生态风险评价

田 鹏, 史小丽, 李加林,3, 王丽佳, 刘瑞清

(1.宁波大学 地理与空间信息技术系, 浙江 宁波 315211;2.宁波大学 学报编辑部, 浙江 宁波 315211； 3.宁波大学 东海研究院, 浙江 宁波 315211)

生态风险评价是当区域生态系统在受到外界干扰时，对区域生态环境负面效应的可能性进行评估[1-2]。在人类活动占主导地位的区域里，土地利用变化表现为人类对自然环境生态系统的影响，其结果具有区域性和累积性，可以直接作用在生态系统的结构和组成上[3-4]。因此在缺乏生态监测资料时，从土地利用变化来研究区域生态风险具有一定的理论和实践意义[5]。当前，基于土地利用的生态风险评价模式主要有两种：一是从风险源、生境和生态受体等着手，建立区域生态风险评价模型[6]。如刘晓等[7]引入相对风险模型、周启刚等[8]基于正态云模型对三峡库区重庆开县消落区、三峡库区进行生态风险评价。二是从景观生态学角度出发，构建生态风险指数进行生态风险评价[9]。如刘勇、赵岩洁、刘永超[10-12]等从景观格局的角度出发构建生态风险指数，探索土地利用变化对区域生态风险的影响。杭州市作为浙江省最大的城市，经济发达，人口密集，人类活动对土地资源的大力开发与生态环境之间产生了激烈的矛盾。本文通过分析杭州市土地利用变化并对其引起的生态风险进行评价，旨在了解社会经济发展对生态环境的影响，为保护当地的生态安全、合理开发土地资源、制定科学有效的规划提供理论依据[13]。

1 研究区概况

杭州市位于我国东南沿海，浙江省北部，地处东经118°21′—120°30′和北纬29°11′—30°33′之间。地形以丘陵、平原为主，土壤以红壤和水稻土为主，西部为丘陵区，地势起伏较大，东部为平原，地形平坦。河网密布，水资源充足。亚热带季风气候区，雨热充沛。生物种类繁多，物种多样性丰富。杭州市下辖8个市辖区、2个县，3个县级市，市辖区有上城区、下城区、江干区、拱墅区、西湖区、滨江区、萧山区、余杭区，2个县为淳安县、桐庐县，3个县级市为临安市、建德市、富阳市。杭州开发历史悠久，是浙江省重要的经济、政治、文化、交通、教育、金融中心，城市化水平高，人类活动对土地开发利用程度强。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

以浙江省1995, 2005, 2015年3个时期的LandsatTM/OLI遥感影像为基础，在地理空间数据云获取，空间分辨率均为30 m，每个时期包括轨道号为118—39，119—39，119—40，120—39和120—40共5景影像，利用ENVI 5.0遥感软件对各期影像校正、配准、图像拼接等操作，并结合杭州市各地级市的行政边界图对影像进行裁剪，获得研究区范围。最后对遥感影像进行土地利用类型的目视解译和人机交互解译，经检验精度均在0.87以上，符合要求，得到研究区各时期的土地利用数据[14]。根据全国土地资源分类系统和研究区内的实际情况，把研究区分为耕地、林地、草地、建设用地、水域、未利用地6种土地利用类型[15]。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用动态分析 借助转移矩阵来反映杭州市1995—2015年土地利用的转化数量、速率和方向[16]。土地利用动态度包括单一和综合土地利用动态度，分别表示土地利用类型的数量变化情况和整体情况，计算公式参考文献[17]。

2.2.2 生态风险指数 不同景观，维护生态系统的性能各异，自身应对外界干扰的能力差异较大，从景观格局的角度构建生态风险评价模型[18-19]。引入景观干扰度指数、脆弱度指数来建立损失度指数(Ri)，来反映在外界影响下各景观类型所受到的风险程度[20-21]。计算公式为：

Ri=Ei·Fi

(1)

式中：Ri——景观损失度指数；Ei——景观干扰度指数；Fi——景观脆弱度指数。

景观干扰度指数(Ei)表示各种景观受到外界干扰影响的程度，计算公式为：

Ei=aCi=bNi+cDi

(2)

式中：Ei——景观干扰度指数；Ci——景观破碎度指数；Ni——景观分离度指数；Di——景观优势度指数；a，b，c——其对应的权重。

景观脆弱度指数反映的是在人类活动影响下不同景观的承受能力，根据前人的研究经验，将6种景观类型按抵抗外界影响能力分级，由低到高分别是未利用地、水域、耕地、草地、林地、建设用地，并通过归一化计算出景观脆弱度指数[22-24]。对研究区进行全面网格采样，为充分体现生态风险的空间分布，基于前人研究经验[12-13]，渔网宜采用研究区平均斑块面积的2～5倍，结合研究区实际文章采用了6 km×6 km的网格，得到了539个风险小区(图1)，计算每一个样本的生态风险指数，并以此作为该样本中心的生态风险值。计算公式为：

式中：ERIi——第i个样本的生态风险指数;Aki——第k个样本区内景观类型i的面积;Ak——第k个样本的面积[24]。

图1 生态风险小区的划分

2.2.3 空间统计分析 空间自相关分析变量在空间上的相互关系和依赖程度，包括全局自相关和局部自相关，主要是通过Morans’I指数和LISA检验来分析空间的生态风险指的自相关和集聚程度，计算公式参考文献[25-26]。地统计分析主要功能是半方差分析法优化和空间结构分析[27]，计算出各风险小区的生态风险值，赋给采样区中心点，采用半方差分析法进行克里金插值，生成生态风险图，公式参考文献[28]。为了更好地对各期生态风险进行分类和分析，基于自然断点法，统一间隔为0.001，分为5个生态风险等级，低生态风险区(ERI<0.003 5)，较低生态风险区(0.003 5≤ERI<0.004 5)，中生态风险区(0.004 5≤ERI<0.005 5)，较高生态风险区(0.005 5≤ERI<0.006 5)，高生态风险区(ERI≥0.006 5)。

2.2.4 响应弹性分析 弹性反映因变量对自变量相应变化的灵敏程度，引入弹性系数分析生态风险对土地利用的响应特征[29]，能清楚客观地表示生态风险对土地利用变化的反应程度。以杭州市下辖的区、市、县为变量，在土地利用和生态风险值之间，建立生态风险对于土地利用的响应弹性系数。计算公式为：

(3)

式中:ERC——T时间段内生态风险对土地利用的响应弹性系数； ERIa，ERIb——初始和末期的生态风险指数；S——T时间段内综合土地利用动态度，详细参考文献[30]。

3 结果与分析

3.1 土地利用变化

3.1.1 总量变化 分析杭州市1995—2015年土地利用总量变化(图2)，总体上，1995—2015年，建设用地剧增，增加了65 299.15 hm2，增长率为126.73%。耕地面积锐减，减少了53 612.19 hm2，林地面积变化最小。分时间段上，1995—2005年，未利用地变化最大，变化率为103.17%，增长了315.68 hm2。其次是建设用地，面积增加了26 011.5 hm2，增长率为50.48%；耕地、草地面积下降，而林地、水域增加；2005—2015年，建设用地继续增长，增加了39 287.65 hm2，增长率为50.67%，耕地持续下降。建设用地和草地面积增长，其他土地类型面积下降。

图2 1995-2015年杭州市土地利用面积变化

3.1.2 土地利用结构变化 通过ArcGIS10.3里的叠加分析整理得到杭州市1995—2015年土地利用转移矩阵(表1—2)，来表示各土地类型间相互转换的数量与方向。主要变化为：1995—2005年，发生转换以耕地转换为建设用地为主，转换面积为24 692.09 hm2，占耕地总量的75.86%。其次为草地转换为林地，转换了21 180.65 hm2，为草地转移总量的97.96%。其他用地类型转换面积较少。2005—2015年，发生转移类型也主要是耕地转换为建设用地，转换面积为33 191.82 hm2，比1995—2005年增加了8 499.73 hm2。其次是水域向耕地、林地向建设用地转换，转换面积为8 308.00，4 947.26 hm2。其他类型发生转换不明显。

表1 杭州市1995-2005年土地利用转移矩阵 hm2

表2 杭州市2005-2015年土地利用转移矩阵 hm2

3.1.3 土地利用动态度变化 1995—2015年杭州市土地利用程度差异较大(表3)。整体上，1995—2015年，综合土地利用动态度较大，为0.69%。期间1995—2005年土地利用强度最大，综合土地利用动态度为0.39%，2005—2015年相对下降，综合土地利用动态度为0.31%。

从单一土地利用动态度来看，两个时间段内，建设用地处于持续增长状态，增长速度减弱而耕地则持续下降，主要是工业化和城市化对耕地的占用。未利用地变化速率最大，草地先下降后上升，林地、水域则相反。以上数据也表明土地利用的强度先增强后减缓的过程。

表3 杭州市1995-2015年土地利用动态度变化

3.2 土地利用生态风险评价

3.2.1 景观格局指数时序特征 通过ArcGIS 10.3和Fragstats 4.2，可得到不同时期景观格局指数[31-33](图3)。1995—2015年，杭州市景观指数发生较大变化，未利用地面积增加，且较集中分布，破碎度和分离度下降。城市建设不断向周围郊区扩展，建设用地优势度增加。耕地面积大量减少，其破碎度、分离度上升，受到外界干扰大，干扰度增加。林地是杭州主要的景观类型，斑块面积较大，破碎度小，随着经济活动的影响加深，林地也向建设用地、草地转移，受到外界的影响逐渐增大。草地面积变化明显，受干扰程度上升。经济发展对水域的利用程度增加，水域损失度上升。

3.2.2 土地利用生态风险指数空间自相关分析

(1) 全局自相关。在Geoda1.10中计算出杭州市1995—2015年生态风险指数3期全局自相关的 数值，分别为0.248 4，0.243 5，0.235 9。Moran’I值为正数，表明生态风险与土地利用呈显著的正相关特征，生态风险出现集聚区，高等级风险区周围分布着相应高等级的风险区，低等级生态风险区周围风险区等级也较低[34]。全局自相关数值呈下降趋势，表明研究区在1995—2015年土地利用生态风险区集聚趋势减弱。全局自相关反映了研究区土地利用与生态风险的相关性较强。

(2) 局部自相关。 利用 检验得到杭州市1995—2015年生态风险值的局部自相关分布图(图4)，生态风险指数空间分布主要以高—高聚集和低—低集聚类型为主。局部自相关反映了基于土地利用的生态风险空间集聚特征。生态风险高值集聚区主要集中在杭州市的东北部的市辖区，这里经济发达，城市化水平高；西南部高值集聚区区的淳安县中心，水域面积广，经济活动对其利用强度大，引起生态风险增加。生态风险低值集聚区主要分布在杭州市的边缘地区，低—低集聚不断向边缘推进，受人类活动影响较小，土地利用强度较低。

图3 1995-2015年杭州市景观格局指数变化

图4 生态风险局部自相关情况

3.2.3 土地利用生态风险时空变化 通过克里金插值得到杭州市1995—2015年生态风险空间分布图，整理得到其3个时期生态风险等级区的面积、空间分布及各生态风险等级区之间的转换数量和方向等信息。生态风险时序变化表明(图5)，1995—2015年，中生态风险区逐渐上升且保持主导地位，各时段分别占全风险面积的30.05%，34.90%，36.67%。低、较低生态风险等级区面积不断下降，分别下降了95 467.9，267 996.59 hm2。较高生态风险等级区范围持续扩大，上升了190 153.99 hm2，增长率为94.21%。高生态风险等级区面积不断上升，增加了61 629.05 hm2。各生态风险区面积的排序为中、较高、较低、高、低生态风险区。

生态风险空间变化表明(图6)，1995—2015年杭州市生态风险空间分异较明显。高生态风险等级区以东北部的市辖区、杭州湾为中心向四周扩散，西南部以淳安县中心向周围扩散。东北部生态风险等级高，主要是这里位于杭州湾附近，经济发达，城市密集，港口对外贸易频繁，交通便利，土地利用强度大。西南部的高生态风险区主要是建设用地面积增加和水域利用程度上升等人类活动对土地利用强度增加导致。1995年富阳区西北部有一集聚的高生态风险区，其土地利用类型为草地，草地面积广，土地利用强度加深导致风险值较高，而后草地向林地、耕地转移，生态风险值下降。较高生态风险区以高生态风险区为中心，逐渐向外围扩散，东北部和西南部的较高生态风险区在2015年相连接。中生态风险区一直占主导地位，且面积呈上升趋势。较低、低生态风险区面积逐渐减少，分布逐渐边缘化，呈圈层状向外分布，人类活动对其影响程度递减。

注：1为低生态风险区； 2为较低生态风险区； 3为中生态风险区； 4为较高生态风险区； 5为高生态风险区。

图5杭州市生态风险等级区面积

图6 杭州市生态风险空间分布

3.2.4 土地利用生态风险转移分析 对1995—2015年转移矩阵进行分析发现(表4—5)，1995—2015年，生态风险等级区发生转换较复杂。

1995—2005年发生转移面积较大，共492 531.44 hm2，转移方向主要为低—较低、较低—中、中—较高、较高—高，其转移面积为49 543.24，168 638.12，138 871.05，56 247.26 hm2，区域生态风险等级增加。

2005—2015年，转换数量下降，共发生转移了420 543.78 hm2，转移方向主要为低—较低、较低—中、中—较高、较高—高，其各生态风险等级区的转移面积为39 508.79，182 087.11，152 865.74，44 820.99 hm2。

1995—2005年转移面积比2005—2015年转移面积增加了71 987.66 hm2，低—较低、较高—高转移方向的面积下降，较低—中、中—较高转移方向的面积上升，表明生态风险的转换差异明显。

表4 杭州市1995-2005年生态风险等级转移矩阵 hm2

表5 杭州市2005-2015年生态风险等级转移矩阵 hm2

对1995—2015年各等级转换进行分析发现(表6)，1995—2005年由低转换为高生态风险区的面积共426 058.04 hm2，由高转换为低的生态风险区面积共66 473.4 hm2，低—高转移是高—低转移面积的6.41倍，生态风险转移趋向于低—高的转换方向。2005—2015年由低转换为高生态风险区的面积共419 330.73 hm2，由高转换为低的生态风险区面积共1 213.05 hm2，低—高转移是高—低转移面积的345.68倍。这反映了生态风险区转移方向以低到高等级生态风险区为主，城市化加快，经济快速发展，人类活动对土地利用程度提高。1995—2015年由低到高转移方向有低—较低、低—中、低—较高、较低—中、较低—较高、较低—高、中—较高、中—高、较高—高9种，生态风险等级由高到低转移方向有较低—低、中—较低、较高—低、较高—较低、较高—中、高—较低、高—中、高—较高8种。其年均转换速率主要呈下降趋势，转移面积以低—高转移方向为主，这也表明低等级生态风险区向高等级生态风险区转换，生态风险高等级区的面积在逐渐上升。

表6 杭州市1995-2015年生态风险等级转换

3.3 生态风险对土地利用的响应弹性分析

由表7可知，1995—2015年杭州市生态风险对土地利用的响应弹性呈现较大的时空差异。1995—2015年，所有单元的生态风险对土地利用变化的响应弹性为正响应，建德市、市辖区、淳安县响应弹性系数最大，即生态风险对土地利用响应较明显。分开看，1995—2005年，富阳市生态风险对土地利用变化呈负响应，其他单元的生态风险对土地利用变化为正响应。其中以建德市、市辖区、淳安县的响应弹性最大，反映出该区域的生态系统抗外界干扰能力弱，土地利用变化对生态风险影响程度大。富阳县呈负响应，该生态系统较稳定，受土地利用影响较小。2005—2015年，所有单元的生态风险对土地利用为正响应。横向比较两期数据，各区域生态风险对土地利用变化的响应弹性系数差异较大，市辖区、建德市、淳安县系数下降，其中市辖区和建德市下降幅度较大，分别减少了10.32，10.3，淳安县变化较小，反映了影响区域生态风险对土地利用变化的反应程度下降，其它风险源和风险因子趋于多样化。临安市、富阳市、桐庐县响应系数上升，分别增加了14.04，27.7和7.96，表明区域生态风险对土地利用变化反应剧烈，土地利用变化对生态风险影响较大。

表7 1995-2015年生态风险对土地利用变化的响应弹性系数

4 结 论

(1) 杭州市土地利用结构发生较大变化。建设用地面积变化最大，增长了65 299.15 hm2，增长率为126.73%。耕地面积锐减，减少了53 612.19 hm2，林地面积变化最小。1995—2005年，发生转移主要是耕地转换为建设用地，其次是草地转换为林地，其他用地类型转换面积较少。2005—2015年，发生转移类型主要是耕地转换为建设用地，其次是水域向耕地、林地向建设用地转换，其他类型转换不明显。土地利用速率也呈变缓趋势。

(2) 杭州市土地利用生态风险时空分异较明显。生态风险与土地利用呈较显著的空间正相关特征；生态风险分布以高—高聚集和低—低集聚类型为主。时间序列上，1995—2015年均以中生态风险区为主，生态风险等级呈上升趋势。空间分布上，高生态风险区以市区、杭州湾为中心向四周扩散，西南部以淳安县中心向周围扩散。较高生态风险区以高生态风险区为中心并向四周扩张。中生态风险区一直保持主导地位，低、较低生态风险区一直处于下降趋势，分布逐渐外缘化，呈圈层状向外分布。

(3) 杭州市土地利用生态风险等级转移较显著。1995—2005年各等级区转换数量和转换概率都大于2005—2015年。1995—2005年生态风险低—高转移是高—低转移面积的6.41倍，生态风险转移趋向于高—低的转移方向。2005—2015年生态风险低—高转移是高—低转移面积的345.68倍。年均转换速率主要呈下降趋势，转移面积以低—高转移方向为主，这也表明低等级生态风险区向高等级生态风险区转换，生态风险高等级区的面积在逐渐上升。

(4) 杭州市生态风险对土地利用响应系数时空分异较大。市辖区、建德市、淳安县响应系数下降，反映了区域生态风险对土地利用变化的反应程度下降，其他风险源和风险因子趋于多样化。其他单元的响应系数明显上升，表明土地利用对区域生态风险反应显著。