恩施土家族苗族自治州土地利用景观格局变化及生态风险评价---以2000—2020年为例

杨容常胜李雪

(1.湖北民族大学生物资源保护与利用重点实验室，湖北 恩施 445000；2.湖北民族大学林学园艺学院，湖北 恩施 445000；3.利川市自然资源和规划局，湖北 利川 445400)

当前，随着全球气候和环境的剧烈变化，生态环境面临着严重的威胁，景观破碎化，生物多样性降低[1]、生态空间流动受阻[2]等问题，给区域的生态系统可持续发展带来了严重的挑战。人类的剧烈活动导致土地利用发生变化，土地利用的变化是导致气候变化、水、土壤和空气污染、生物多样性和物种栖息地丧失等生态风险的主要因素，从而在生物和非生物水平上影响了整个生态系统[1]。景观生态风险评价是指在人与自然综合影响下，景观格局与景观生态相互作用下所产生的损失可能性[3-5]，景观生态风险评价能较好地反映出景观格局对生态过程和功能的影响[6]，通过对各景观生态风险等级时空分异变化及其地类构成等方面的分析与辨析[7，8]，可解释和预测生态环境健康程度以及潜在风险压力的时空分布及变化特征[4]。本研究基于恩施土家族苗族自治州2000—2020年3期土地利用数据，分析各年度土地利用景观破碎度指数、景观分离度指数、景观优势度指数等，最终构建恩施州土地利用景观生态风险指数，揭示生态风险时空变化规律，以期为该区域的生态管理、生态环境保护与可持续发展提供较为科学的理论依据和支撑。

1 研究区概况

恩施土家族苗族自治州，位于湖北省西南部，地处武陵山区腹地，云贵高原东延武陵山余脉与大巴山之间，E108°23′12″～110°38′08″，N29°07′10″～31°24′13″，是我国亚热带森林系统的核心区域，是长江流域重要的水源涵养和生态屏障。国土面积2.4万km2，户籍人口400.25万人，地处武汉和重庆2大“火炉”之间，是最适宜人类居住的地区之一。辖恩施、利川两市和建始、巴东、宣恩、来凤、咸丰、鹤峰6县，东连荆楚，南接潇湘，西临渝黔，北靠神农架。恩施州属亚热带季风性山地湿润气候，冬少严寒，夏无酷暑，雨量充沛，四季分明。境内年均气温16.2℃，年平均降水量1600mm。恩施土家族苗族自治州地形以山地为主，地貌以碳酸盐岩组成的高原型山地为主体，兼有碳酸盐岩组成的低山峡谷与溶蚀盆地，平均海拔高度1000m，海拔800～1200m的地区占总面积的43.6%。森林资源丰富，全州林地面积占国土总面积的77%，因其有明显的自然地理特征和极为重要的战略定位，确定该区域生态风险状况对于保障该区域人与自然和谐相处和可持续发展具有显著的现实意义。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源与处理

本研究使用2000年、2010年、2020年3期高分辨率土地利用遥感数据(分辨率30m)、恩施土家族苗族自治州行政区划数据，数据来源于资源环境科学数据注册与出版系统(https：//www.resdc.cn/DOI/)，数据精度较高，能够满足研究需要。参照中国科学院土地利用分类体系，运用ArcGIS 10.8中的重分类工具将研究区土地利用类型划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地6个一级地类。2000年、2010年、2020年3个时期土地利用分类结果，见图1。

图1 2000—2020年恩施土家族苗族自治州土地利用图

2.2 研究方法

2.2.1 景观类型转移矩阵

景观类型转移矩阵是表征不同景观类型在时间和空间上的变化的方向和结构特征，描述研究区不同时期不同景观类型间的流失与转移[9，10]，计算方法：

(1)

式中，Sij代表研究时段内第i类景观类型转换成第j类景观类型的面积；n代表转移前后的景观类型数目；i和j分别代表转移前后的景观类型。

利用ArcGIS 10.8添加双精度字段，根据像元大小和数据条总数，计算出2000—2020年不同景观类型面积，见表1，并利用ArcGIS 10.8中叠加分析功能构建2000—2010年、2010—2020年景观类型转移矩阵，见表2、表3，对恩施土家族苗族自治州2000—2020年景观类型变化进行定量分析。

表1 景观类型结构表

表2 2000—2010年恩施土家族苗族自治州景观类型转移矩阵

表3 2010—2020年恩施土家族苗族自治州景观类型转移矩阵

2.2.2 划分评价网格

参考国家格网GIS的相关标准《地理格网》(GB 12409-2009)和前人研究，格网宜采用平均斑块面积的2～5倍[11]。根据研究区范围及景观斑块大小在ArcGIS 10.8软件中运用数据管理中的创建渔网功能将研究区域划分为5km×5km的网格单元，并对渔网进行裁剪，最终将研究区划分为1109个评价网格，见图2。

图2 生态风险评价网格示意图

2.2.3 景观生态风险评价模型构建

运用Fragstats 4.2软件分析恩施州2000年、2010年、2020年3个年度景观类型斑块数量ni及斑块面积Ai，并利用景观生态安全指数计算公式得出每一评价网格样地生态风险指数，作为样地中心点的生态风险值[9]。

参考前人研究成果，选取景观破碎度、景观分离度指数、景观优势度指数、景观干扰度指数、景观脆弱度指数、景观损失度指数计算景观生态风险指数[3，4，9]，计算方法：

(2)

式中，ERI为研究区景观生态风险指数，ERI值越高，景观风险程度越高；Ai是第i类景观面积；A是景观总面积；LLi是第n类景观的损失度指数；n为景观类型数量。由于本研究在计算过程中对景观干扰度指数、景观脆弱度指数等进行了归一化，计算结果较小，因此本次在计算过程中将生态风险计算结果乘以100作为最终的ERI值。

LLi=Si×Fi

(3)

式中，Si景观干扰度指数；Fi为景观脆弱度指数；由于Si和Fi量纲不同，需要对结果进行归一化。

景观干扰度Si，分别由景观破碎度、景观分离度、景观优势度赋予权重后得出，计算公式；

Si=aCi+bNi+cDi

(4)

式中，Ci、Ni、Di分别为景观破碎度指数、景观分离度指数、景观优势度指数；a、b、c分别为个指标的权重，且a+b+c=1，由于研究区域位于武陵山区，景观破碎度对景观生态风险影响较大，参考前人研究成果[3，4，9]，将权重分别赋予a=0.5，b=0.3，c=0.2，最后将结果进行归一化。

(5)

(6)

(7)

式中，ni为景观类型i的斑块数；N为斑块总数；mi为景观类型i的样方数；M为样方总数。

Fi为景观脆弱度指数，根据研究区实际情况，结合前人研究成果[3，9，12]，对各类景观类型分别进行赋值，耕地4、林地2、草地3、水域6、建设用地1、未利用地5，赋值后对结果进行归一化处理，得到最终的景观脆弱度指数，景观指数计算结果。

3 结果与分析

3.1 景观类型结构特征及变化分析

从2000年、2010年、2020年3个年份景观类型结构来看，恩施土家族苗族自治州景观类型以林地、耕地、草地为主，3种地类面积占比99%以上，其中林地占比最高，3个时期林地占比都在77%以上，为研究区的优势地类；3个年度耕地占比在13%左右，草地占比9%左右，水域、建设用地、未利用地占比较低。

从2000—2020年土地利用变化情况来看，由表1可知，2000—2020年，土地利用变化明显，耕地、草地面积呈现先减少后增加的趋势，但2020年面积较2000年仍有减少，其中2020年耕地面积较2000年减少27.2763km2，面积比例从13.17%减少至13.06%；林地面积从2000—2020年逐年减少，2020年林地面积较2000年减少56.7945km2，面积比例从77.26%减少至77.03%；建设用地面积变化较大且持续增加，2020年建设用地面积较2000年增加82.7721km2，面积比例从0.13%增加到0.47%，面积占比较2000年增加269.59%，水域面积呈现先增加后减少的趋势，但相比2000年，仍然增加24.2298km2，增加比例86.28%。

从景观类型的分布来看，耕地在恩施土家族苗族自治州8县市均有分布，其中利川市中部地势较平缓区域，咸丰、来凤、宣恩3县接壤且地势较平缓区域耕地分布较多，鹤峰县有小区域的集中连片分布；林地在各县市的景观类型中均占比最大，其中利川与咸丰接壤区域、巴东县南部及各自然保护地林地分布较多；草地主要分布在恩施市西北部、利川市齐岳山脉及中东部、巴东县中部区域；水域主要为于巴东县长江及其支流、其他各县市水库等，占比较小；建设用地集中分布于各县市城镇区域及重要道路两侧。

3.2 2000—2020年恩施土家族苗族自治州景观类型转移矩阵

通过对景观类型进行相交分析，建立2000—2020年景观类型转移矩阵，分析恩施州2000—2020年景观类型转移情况，见表2、表3。

从景观类型转出情况来看，2000—2010年景观类型总体转出3.33%，未转出96.67%，草地、耕地、建设用地、林地、水域、未利用地转出面积分别为131.1783km2、298.8296km2、3.3174km2、364.5114km2、2.7245km2、0.0990km2，转出比例分别为5.85%、9.43%、10.81%、1.96%、9.72%、52.13%；2010—2020年景观类型总体转出5.77%，未转出94.23%，草地、耕地、建设用地、林地、水域、未利用地转出面积分别为176.8862km2、466.4209km2、30.6980km2、627.6409km2、84.9959km2、0.1785km2，转出比例分别为8.06%、15.04%、37.59%、3.38%、65.68%、54.95%。

从景观类型转入情况来看，2000—2010年，草地、耕地、建设用地、林地、水域、未利用地分别转入面积82.6994km2、232.4149km2、54.2897km2、326.7489km2、104.2733km2、0.2340km2，转入比例分别为3.77%、7.49%、66.47%、1.76%、80.46%；2010—2020年，草地、耕地、建设用地、林地、水域、未利用地分别转入面积201.8386km2、505.6170km2、62.4849km2、609.0535km2、7.7091km2，0.1173km2，转入比例分别为9.10%、16.10%、55.07%、3.29%、14.79%、44.50%。

2000—2020年景观转移整体来看，草地、耕地、林地是主要的转出景观类型，2000—2020年转出面积分别为23.5264km2、27.2186km2、56.3499km2，转出比例分别为1.05%、0.86%、0.30%，2个时间段内，草地、耕地、林地转出面积呈上升趋势，建设用地、水域、未利用地是主要的转入景观类型，2000—2020年入面积分别为82.7592km2、24.2620km2、0.0738km2，转入比例分别为269.55%、86.52%、38.86%；草地主要转出为耕地和林地，耕地主要转出为草地、建设用地、林地，林地主要转出为草地、耕地、建设用地、水域。

3.3 生态风险评价

运用ArcGIS 10.8软件中的利用自然断点法将计算出的3个时期的ERI值划分为5个等级[4，13]，分别为低生态风险区(≤0.0976)、较低生态风险区(0.0976～0.1272)、中生态风险区(0.1272～0.1455)、较高生态风险区(0.1455～0.1688)、高生态风险区(≥0.1688)，并统计研究区内不同时期各景观生态风险等级的面积及比例，见表4。为了探索恩施州景观生态风险的时空演变特征，将每个生态风险评价网格的中心点的属性值[14]，利用ArcGIS10.8中3D Analyst工具中的克里金法插值后得到恩施州景观生态风险空间分布，并按照自然断点法将研究区划分为低生态风险区、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，并将结果可视化，结果如图3所示。

表4 恩施土家族苗族自治州各生态风险等级区域面积及比例

图3 2000——2020年恩施土家族苗族自治州景观生态风险等级图

2000年景观生态安全指数0～0.2177，均值为0.0932；2010年景观生态安全指数0～0.2475，均值为0.1367；2020年景观生态安全指数0～0.2300，均值为0.1111，2000—2020年，恩施州景观生态风险整体上呈现先上升后降低趋势，但总体来看，2020年景观生态风险较2000年有所升高。从各年景观生态风险等级来看，2000年低、较低景观生态风险所占面积较大，2个景观风险等级面积合计达90%以上，其中低风险面积占比76.33%，整体风险等级低；2010年，景观生态风险升高，主要集中在较低、中、较高风险等级，其中，较高风险面积占比最大，达48.13%；2020年，景观生态风险较2010年降低，景观生态风险主要集中在低、较低风险等级，其中，较低风险占比达74%。从景观生态风险分布区域来看，低、较低风险区域主要分布于巴东县中部，利川市东南部，宣恩县与和鹤峰县接壤处人口较少、森林覆盖率较高区域；高、较高风险区域主要分布于恩施土家族苗族自治州各县市城区及延伸区域和耕地较多且破碎化较严重区域。

4 结论与讨论

本研究以2000年、2010年、2020年土地利用数据为基础，运用景观类型转移模型矩阵、生态风险指数法结合克里金插值法分析恩施土家族苗族自治州2000—2020年土地利用景观类型变化情况及景观生态风险时空演变特征，结论如下。

2000—2020年，6种景观类型面积均发生了变化，林地、耕地、草地面积总体呈减少趋势，由于城镇的扩张及农村人口流出，建设用地面积持续增加，农村耕地撂荒及非农化严重，耕地面积减少。

2000—2020年，草地、耕地、建设用地、林地、水域、未利用地均有转出，但建设用地、水域、未利用地转入大于转出，草地、耕地、林地转出大于转入，2020年较2000年，草地、耕地、林地净转出23.5264km2、27.2186km2、56.3499km2，转出比例分别为1.05%、0.86%、0.30%。

2000—2020年，恩施土家族苗族自治州景观生态风险变化较大，呈现先上升后降低趋势，但总体来看，2020年景观生态风险较2000年有所升高。3个年度，景观生态风险结构变化较大，2000年，生态风险主要为低、较低风险等级；2010年生态风险等级主要为较低、中、较高风险等级，其中，较高风险面积占比最大，达48.13%；2020年，景观生态风险主要集中在低、较低风险等级，其中，较低风险占比达74%。

景观生态风险有明显的空间分布特征，生态风险高值区域主要集中在城镇、水域及耕地破碎化较严重区域，低值区域主要集中在森林覆盖率较高、人口稀少区域。

生态风险评价是一个复杂的过程，受影响的指标较多，本研究以土地利用数据为基础，通过构建模型和指数计算等方法对恩施土家族苗族自治州土地利用变化和景观生态风险进行了定量和定性评价，指标体系不尽完善，权重设定有主观因素，未对如何降低生态风险做进一步的研究，在今后的研究中，需进一步完善评价方法，探索土地利用景观格局优化措施。