1980—2015年安徽省景观格局与生境质量时空演化特征分析

王畅畅，王 萌，汪 左，王 蕊，鞠 森

（1.安徽师范大学 地理与旅游学院，安徽 芜湖 241002；2.资源环境与地理信息工程安徽省工程技术研究中心，安徽 芜湖 241002）

引言

生物多样性与生态系统的生产功能密切相关，是农业可持续发展的保障[1］。生境质量是指物种生存的环境为其进行生存、繁衍等生命活动提供适宜条件的能力[2-3］，在一定程度上可以表征区域内生物多样性水平。土地利用是人类主要活动之一，通过景观格局变化可以直接反映出土地利用变化[4］，是影响生境质量变化的重要因素[5］。随着城市扩张、人口数量快速增长与经济持续高速发展，建设用地量远达不到人类需求水平，人类活动对建设用地的需求不断增大[6］，城市化导致生物多样性下降、生境质量退化等诸多状况[7］，城市对周边自然生态景观面积的侵占会降低景观类型的连通性，加剧土地的破碎程度，进而影响周边区域生境质量[8］，不同优劣等级的生境质量直接影响区域生态系统服务能力[9］，在此情况下探究安徽省景观格局变化及生境质量具有重要意义。

国内外根据研究需求不同已经开发了多种生境质量模型，常用的模型有IDRISI生物多样性模块[10］、生境适宜性模型HIS、C-Plan 和ConsNet[11-13］、InVEST 模型[14］等。近年来，许多学者利用这些模型对市级单位[15］、流域[14］等进行多尺度、多因素研究。赵梦雨[5］等在土地利用和景观格局变化特征分析基础上，采用In-VEST模型监测咸阳市生境质量的变化情况。吴健生[16］等将GIS技术与InVEST模型结合，评估长江三角洲地区在不同情境下的生境质量，并得出结论：在研究时间段内，景观结构异质性和破碎度的变化导致京津冀地区生境质量地区差异明显。邓楚雄[17］等结合GIS技术与InVEST模型，分析近年来洞庭湖区土地利用和景观破碎度变化对生境质量的影响。黄木易[9］等以皖西大别山区舒城县为例，利用InVEST模型和地形位等方法进行生境质量时空演变与景观格局互动及梯度效应分析，并得到“生境质量及生境退化分布指数具有显著的地形位梯度效应”结论。

以往的研究大多是针对特殊区域或有典型特征的区域，对于省级单位的研究较少，而安徽省作为长三角地区的重要一员，为贯彻落实长三角生态绿色一体化高质量发展战略，积极研究安徽省城市化背景下土地资源综合利用与景观格局和生境质量之间的关系具有重要意义。因此本文基于安徽省1980、1990、1995、2000、2005、2010、2015 年七期土地利用数据，利用ArcGIS、Fragstats、InVEST 模型等软件[18-19］，分别从整体景观级别、类型景观级别、生境质量等级、生境退化度等方面对安徽省景观格局与生境质量进行分析与评估，为安徽省未来的生态规划提供理论支持。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

安徽省地理位置处于中国华东地区，位于长江、淮河中下游，是长三角重要组成部分，其位置介于东经114°54′～119°37′，北纬29°41′～34°38′之间，重要地理分界线秦岭-淮河一线横贯全省。地跨淮河、长江、新安江三大水系，地势由平原、丘陵、山地构成，东部平原，西部丘陵山区。安徽省气候分布差异明显，处于东亚季风区、亚热带与暖温带过渡区。季风明显，四季分明，降水周期变化大，其良好的地理位置与适宜的气候条件为安徽省提供农业发展基础，使其成为我国重要的无公害、绿色农产品生产基地。

1.2 数据及预处理

1980、1990、1995、2000、2005、2010、2015 年七期安徽省土地利用类型栅格图数据来源于国家地球系统科学数据中心-黄河中下游分中心（http://henu.geodata.cn）[20］，其空间分辨率为100m。根据研究目的及需要，将安徽省七期土地利用数据依照《土地利用现状分类》GB/T21010—2017 和《中华人民共和国土地管理法》“三大类”的对照表将二级分类重新整合成一级分类，得到耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地六大类土地利用类型，其分布情况如图2所示。

2 研究方法

2.1 景观格局指数

景观格局指数是反映景观结构组成、空间分布特征的量化指标。一般来说，景观格局变化特性有三个方面，即景观分异性、景观异质性、景观连通性[21］。景观分异性是指土地斑块在时间层面上的面积和形状变化特征，相关指标有面积离散指数（PSCOV）、面积加权形状指数（AWMSI）等。景观异质性是指在一个景观系统中景观要素类型、组合及属性在空间或时间上的变异性。景观组分和要素在景观中无法均匀分布，且不可能达到同质性要求，即景观变异性和复杂性，它决定着景观大部分生态功能，并与多样性有关，相关指标有分离度指数（SPLIT）、香农多样性（SHDI）等。景观连通性是指同类或不同类景观空间结构单元之间的结构或功能间联系程度，相关指标有散布并列指数（IJI）、斑块蔓延度指数（CONTAG）等。

基于安徽省七期土地利用数据，利用Fragstats4.2软件，分别从整体景观级别、类型景观级别两大方面、景观分异性、异质性、连通性三个层次计算安徽省1980—2015年时间序列景观格局指数，展现安徽省空间格局的时空变化规律，具体指数如表1所示。

2.2 生境质量评估指数

InVEST 模型的数据基础是确定各胁迫因子类型和各土地类型对胁迫因子的敏感程度即生境适宜性。不同土地利用类型对胁迫因子的敏感程度用范围0～1的值表示，0代表生存条件差，无法使生物生存，1代表该区域生存条件有利于生物生存繁衍[21］。每种生境类型对胁迫因子的响应都有所差异，不同距离衰减函数也对结果产生一定影响。对生境质量的计算包括生境退化指数计算和生境质量指数计算，其中生境退化指数计算公式如下[18］：

式中：Dxj为生境退化度指数；R为胁迫因子个数，参照表3、表4；wr为不同威胁对各生境类型的相对影响，最大影响表示为1；Yr为胁迫因子的总栅格数；ry为胁迫因子的栅格值；βx为减轻威胁影响的等级，0表示威胁影响最小，1表示威胁影响最大；Sjr为栖息地类型对景观格局上不同威胁源的相对敏感性，取值范围0～1，越接近1越敏感；irxy为栅格y的值对栅格x中栖息地的影响；dxy为网格单元x与y的线性距离；drmax为威胁源r在研究空间内可产生影响的最大距离。

生境质量指数计算公式如下[18］：

式中:Qx为生境质量指数，取值范围0～1；Hj表示生境类型j的栖息地适宜性，取值范围0～1；k为半饱和常数，取最大生境退化指数Dxj的一半；z为归一化常量，一般情况下设为2.5。

3 结果与分析

3.1 土地利用变化分析

土地利用变化反映出自然和人为因素对生态系统的影响程度。根据安徽省1980—2015年七期土地利用数据得到土地类型面积（图3）、土地利用转移（图4），其中未利用地面积几乎为0，故不在图3中展示。结合图2，安徽省土地利用总体结构以耕地为主，南北方地类分布存在差异，耕地、林地为安徽省优势地类，大面积集中分布，面积总比例约80%以上，林地、水域在南方处于优势地类，北方耕地多与建设用地相间分布。在研究时间段内耕地面积流失5191.4km2，其中有79.6%的耕地流失面积转化为建设用地；水域流失面积的71.3%转化为耕地；林地、草地受人类活动影响较大，其中林地流失面积占未利用地增加面积的46.9%。

3.2 景观格局时空变化分析

3.2.1 整体景观级别时空变化 安徽省时间尺度上整体景观级别指数结果及变化见图5。在1980—2015 年间，研究区内各指标变化呈现不同趋势，揭示其变化规律：斑块数量（NP）、香农多样性指数（SHDI）、香农均度指数（SHEI）、分离度指数（SPLIT）、形状指数（LSI）值增大，增幅为1.7%、6.1%、6.1%、11.8%、7.0%，表明安徽省斑块类型逐渐增多，斑块形状复杂度增大，优势地类的优势度逐渐下降，不同斑块类型在景观空间中向均匀分布趋势发展；斑块蔓延度指数（CONTAG）、最大斑块指数（LPI）、聚集度（AI）值减小，减幅为4.6%、5.6%、0.7%，表明人类活动对优势地类的影响逐渐增强，耕地类型被不断侵占，导致生态系统稳定性下降，景观分散度、破碎度增强，优势地类间连通性下降；斑块密度（PD）、散布与并列指数（IJI）值先增后减再增，表明各地类之间存在转化但转化幅度较小、格局基本稳定；COHESION值的稳定表明安徽省各景观要素内部仍保持较高聚合水平。

3.2.2 类型景观级别时空变化 为了更为直观展示安徽省景观格局变化，根据安徽省土地利用一级分类，选取6个类型景观指标进行计算，指数变化结果见图6。

（1）建设用地类型景观变化。LSI值呈下降趋势，减幅约5.7%，COHESION、AI、IJI呈上升趋势，表明建设用地土地类型景观形状复杂度降低、内部聚合度提高，建设用地不断侵占其周围地类，大斑块逐渐增加。PLAND、PD值的稳定说明建设用地整体格局未发生较大波动。

（2）耕地类型景观变化。LSI值逐渐增大，增长幅度为9.1%，LPI小幅度下降，表明耕地斑块整体形状向不规则、复杂化方向发展，人类活动对耕地生态系统内部已经产生影响。COHESION、AI数值波动较小，说明耕地同类型斑块之间连接度、聚集程度及空间分布较为稳定，形成了聚集型分布格局。

（3）林地类型景观变化。IJI值呈上升趋势，LSI值上下波动，其他值基本不变，表明林地整体空间分布稳定，林地与其他地类混合程度加深。在研究时间段内林地类型出现不同程度地类转移情况，但其斑块整体形状趋于规则。

（4）水域类型景观变化。LSI、IJI值呈上升趋势，增长幅度约为9.5%、11.6%，其余值波动较小，表明斑块形状不规则程度加深，相同景观类型斑块间联系程度降低，但其整体空间分布无太大变化。

（5）草地类型景观变化。IJI小幅度上升，增长幅度约为4.9%；LSI呈现小幅度波动，其余值稳定。表明其整体格局无变化，部分斑块形状出现波动，林地、水域、草地类型分布混合程度不断加深。

（6）未利用地类型景观变化。AI、PD先减小后增大，LSI小幅度上升，IJI波动幅度较大，表明斑块形状复杂度增大、存在与其他地类混合现象，但因其整体面积总量较小，变化结果对整体影响较小。

3.3 生境质量时空变化评价

3.3.1 生境质量胁迫因子权重与敏感度确定 耕地为安徽省优势地类，农业生产用地和建设用地的景观格局空间变化对区域生境质量评估产生较大影响，每种生境类型对景观格局上不同胁迫因子的敏感性存在差异，因此选择耕地、城镇用地、农村居民点和其他建设用地作为胁迫因子，胁迫因子的权重表征其对生境类型的干扰程度，衰减类型表示胁迫因子对生境类型干扰的表现方式。通过参照InVEST 模型使用手册和吴健生等[16］、刘智方等[22］、戴云哲等[23］和吴楠等[24］的研究得到胁迫因子类型及所占权重表（表2）和各生境类型对胁迫因子的敏感度表（表3）。

表2 胁迫因子类型及权重表Table 2 Stress factor types and weighting tables

表3 各生境类型对胁迫因子的敏感度表Table 3 Table of the sensitivity of each habitat type to stress factors

3.3.2 生境质量等级时空变化 运行InVEST模型生境质量模块，得到生境质量等级图（图7）和安徽省生境退化程度图（图8、9、10），为直观反映生境质量变化状况，按照相等间隔断点法将生境质量分为五类，即差（0～0.2）、较差（0.2～0.4）、中（0.4～0.6）、良（0.6～0.8）、优（0.8～1），并统计不同年份生境质量等级面积占比，得到表4。

表4 安徽省不同年份生境质量等级面积占比Table 4 Habitat quality grade area in Anhui Province in different years

整体来看，安徽省生境质量南北地区差异明显，北方明显低于南方，生境质量指数值在0.36～0.46之间，波动幅度小，上升明显，但整体趋于平缓。各地级市生境质量差异明显，皖北城市如阜阳、亳州、淮北等生境质量指数值介于0～0.2之间，其生境质量水平较低，皖南地区生境质量水平较高，其中生境质量水平最高的城市为黄山市，最低为亳州市。由于生境质量与生境适宜度联系密切，且林地、草地生境适宜度指数均高于水田和旱地，可以发现安徽省生境质量分布整体表现与土地利用格局相似，具体表现为林、草区生境质量较高，农田和裸地生境质量较低，进而造成了安徽省南北方生境质量差异。

从时间角度来看，结合表4、图7，1980—1990年间生境质量各等级占比基本保持不变，“差”等级生境质量栅格占比接近50%，安徽省生境质量情况亟需改善。1990—1995年，“较差”等级生境质量面积占比提高了18.3%，“差”级别占比下降了10.1%。1995—2000年，安徽省生境质量等级发生较大空间格局改变：“良”“中”级别面积占比明显增大，“较差”级别生境面积占比降低了19.4%。2005—2015年，安徽省生境质量空间格局无明显变化，整体生境质量情况逐步改善。

从空间角度分析，安徽省整体生境质量北方低于南方，结合土地数据可知安徽省南方多为山地、林地，植被覆盖度高，生境质量较高，北方多为耕地，易受人类活动影响，易被其他地类侵占造成耕地流失。1980—2015年，安徽省北部城市如阜阳市、亳州市、淮北市、宿州市大部分区域始终处于“差”等级生境质量，蚌埠市生境质量情况有所改善，中部地区城市如合肥市、淮南市等城市生境质量向“中”等级发展，安徽省南部地区城市大部分区域生境质量仍为“优”等级。造成上述生境质量变化的原因可能是：一方面，2002年安徽省启动退耕还林工程使得林地与其他地类混合程度加深，安徽省中部地区生境质量有所改善；另一方面，随着城市的扩张发展导致各市区大规模兴建楼房、工厂等工程，城区周边生境质量较低区域逐渐扩张，影响其周边生境质量较高的区域，如合肥市城区及长江沿岸地区。

3.3.3 生境退化度时空变化 生境退化度的变化反映出生境质量的变化程度。生境退化度指数处于0～1之间，值越大生境质量退化程度越严重。从整体看，安徽省各城市生境质量水平与生境质量退化度的变化情况呈负相关，生境质量水平越高的区域，生境退化度相对较低。结合图11，生境退化度在0～0.06之间，从数值上反映出安徽省南北方生境质量的明显差异，表明安徽省北部地区生态系统抵抗力较低、生态系统易受到破坏，进而造成生境质量水平的下降。

图1 安徽省土地类型分布Fig.1 Distribution of land types in Anhui Province

图2 安徽省1980—2015年土地利用类型分布图Fig.2 Distribution map of land use types in Anhui Province from 1980 to 2015

图3 安徽省1980—2015年土地类型面积Fig.3 Land type area in Anhui Province from 1980 to 2015

图4 安徽省1980—2015年土地转移Fig.4 Land transfer in Anhui Province from 1980 to 2015

图5 安徽省1980—2015年整体景观格局指数变化Fig.5 Overall landscape pattern index changes in Anhui Province from 1980 to 2015

图6 安徽省1980—2015年类型景观格局指数变化Fig.6 Changes in the pattern index of type landscape in Anhui Province from 1980 to 2015

图7 安徽省1980—2015年生境质量等级Fig.7 Habitat quality grade in Anhui Province from 1980 to 2015

图8 安徽省1980—2015年地级市生境质量年平均值Fig.8 Annual average value of habitat quality of prefecture-level cities in Anhui Province from 1980 to 2015

图9 安徽省1980—2015年生境质量平均值Fig.9 Average value of habitat quality in Anhui Province from 1980 to 2015

图10 安徽省1980—2015年生境退化度Fig.10 Habitat degradation in Anhui Province from 1980 to 2015

图11 安徽省各城市生境退化度年平均值Fig.11 Annual average value of habitat degradation in cities in Anhui Province

从时间角度来看，安徽省北部地区生境退化度始终高于南部地区，但生境质量退化度逐渐降低，生境质量逐渐改善。南方地区植被覆盖度相对较高，生态系统恢复力、稳定性强，生境质量退化程度低且基本处于平稳状态。从空间上看（图10），并结合安徽省土地利用分布（图1），安徽省北方多耕地、平原，南方多山地、丘陵，林、草区生境质量较高，农田和裸地生境质量较低，且耕地、建设用地多分布在地势平坦区域，林地、草地多分布在坡度相对较大区域。地貌区不同，土地类型分布不同，因此安徽省北方受人类活动影响程度大，生境退化程度较高，南方与之相反。1980—2000 年期间安徽省生境退化度高值呈片状连续分布，主要聚集区为安徽省北部地区如阜阳市、亳州市、宿州市等城市。低值区不断被分割，多分布于安徽省南部地区，该地区斑块破碎化程度加深。2000—2015年安徽省整体生境情况逐步改善，但合肥市及周边地区生境退化度逐年加剧，这也表明生境质量的变化与区域经济发展投入及程度密切相关，经济的快速发展、城镇化的快速扩张会造成区域生境的破坏。

4 结论与讨论

本文基于安徽省1980—2015 年时间序列土地利用类型数据，利用ArcGIS、Fragstats、InVEST 模型等软件，分别从整体景观级别、类型景观级别、生境质量等级、生境退化度等方面对安徽省景观格局与生境质量进行了分析与评估，得出的结论如下：

（1）1980—2015年安徽省土地利用整体空间格局无明显变化，耕地、林地面积总比例约80%以上。土地利用转移变化以耕地向建设用地转移为主，79.6%的耕地流失面积转化为建设用地，也存在其他地类相互转化的情况，城市的快速发展使得建设用地逐渐侵占其周围地类，建设用地面积逐年增加。

（2）1980—2015年安徽省各斑块类型在整体景观空间格局中呈均衡化趋势分布，大部分指标变化幅度不超过10%，人类活动干扰程度的增大导致景观分散度、破碎化程度增强，优势地类间连通性下降。耕地斑块形状不规则化程度加深；建设用地对周围的侵占使得斑块形状复杂度逐渐降低，小斑块逐渐向大斑块演变；林地整体形状趋于规则，与其他地类混合程度加深，草地内部聚合度逐渐降低，水域与未利用地变化幅度较小。

（3）1980—2015 年安徽省生境质量年平均值在0.36～0.46 之间，生境质量“优”“良”等级所占面积约30%，“中”等级以下情况逐年改善，2010年以后所占面积维持在45%；生境退化度在0～0.06之间，其与生境质量水平变化情况呈负相关；存在明显地区差异：北方地区生境质量水平始终低于南方，生境退化度始终高于南方。但退耕还林、还湖工程的实施，林草地、水域混合程度加深有效抑制了安徽省北方地区生境质量退化程度。

安徽省耕地流失严重，主要来源于城市化过程中建设用地的扩张，对安徽省生境质量变化产生了一定程度的影响。安徽省应结合国家相关政策、国土空间规划等合理安排土地利用格局空间分布，提高对安徽省北部地区生境质量的重视程度，逐年改善安徽省林地、草地空间分布的合理性。提高生态系统监管效率，在保证城市发展的同时保护生态环境，稳步缩小安徽省南北方生境质量差异。但是本文并未对安徽省景观格局与生境质量做空间上的定量分析，探究安徽省生境质量变化驱动机制也是今后主要的研究方向。