基于土地利用的南京都市圈景观生态风险评估

摘 要：南京都市圈是国家批复同意的首个都市圈发展规划区域，评估其生态风险对于区域高质量发展具有一定意义。本研究利用1990年、2000年、2010年、2020年4期土地利用数据分析南京都市圈土地利用变化特征，结合生态风险指数和空间自相关分析方法，分析1990—2020年南京都市圈景观生态风险时空分异特征和空间相关性。结果表明：（1）1990—2020年南京都市圈建设用地增长迅速且规模较大，主要由耕地转化而来。（2）1990—2020年南京都市圈耕地斑块数量最多，分布趋于破碎化；建设用地由集中区域逐渐向外扩展，形成较大的团聚体，内部稳定性逐年增强。（3）南京都市圈生态风险等级主要为较低、中和较高，不同生态风险等级区域的空间分布差异显著；生态风险值在空间上呈正相关性，由长江、河流及湖泊等区域向四周逐渐降低，并在相邻地区表现出集聚效应。研究结果能够为区域生态安全管理及可持续发展提供参考，为长江经济带生态保护和城市健康发展提供技术支持。

关键词：土地利用；生态风险；南京都市圈；景观指数

中图分类号：TP79"" 文献标识码：A"" 文章编号：1673-1794（2024）05-0001-04

作者简介：董元亮，滁州学院土木与建筑工程学院讲师，研究方向：数字景观技术与应用；吴欣悦，滁州学院土木与建筑工程学院学生；通信作者：潘琤琤，滁州学院土木与建筑工程学院讲师，研究方向：数字景观技术与应用（安徽 滁州 239000）。

城市迅速扩张和土地利用模式的持续变迁，导致土地利用/覆被发生巨大变化，促使景观结构与功能的改变，引发了森林退化、水土流失、生物多样性丧失等诸多风险，冲击并影响着区域生态环境和社会经济可持续发展^[1-2]ADDINCNKISM.Ref.{60DA39DB46D84ba3BA375824B74B196E}。景观生态风险评估是对生态过程与景观空间格局交互作用下产生的不利后果进行评价研究^[3]ADDINCNKISM.Ref.{7C1E8F8B47374219B1914B0749D3CFE0}，能够综合反映出自然与人为相互作用下造成的生态环境问题^[4]ADDINCNKISM.Ref.{363E95081DDA4a40A4F044835E198D5C}，可为区域生态风险防范提供有效指导与决策依据^[5]ADDINCNKISM.Ref.{60DA39DB46D84ba3BA375824B74B196E}。

南京都市圈作为长江中下游沿江城市地带的核心区域，在长三角一体化发展、长江经济带发展等重大战略中发挥着重要作用，其城镇化进程与长江流域的生态环境保护息息相关^[6]ADDINCNKISM.Ref.{9DF45C38937648eaA1914055E95FC6C1}。然而，随着南京都市圈内城市经济和交通联系日益紧密，区域生态安全和环境保护问题逐渐凸显^[7]ADDINCNKISM.Ref.{8E3B7C71630F45a9A6251A7C910ABA03}。习近平总书记强调“推动长江经济带发展必须坚持生态优先、绿色发展的战略定位”“要把修复长江生态环境摆在压倒性位置，共抓大保护，不搞大开发”^[8]ADDINCNKISM.Ref.{8E3B7C71630F45a9A6251A7C910ABA03}。此外，2021年《南京都市圈发展规划》成为国家首个批复同意的都市圈发展规划^[9]ADDINCNKISM.Ref.{FFFCC44E02BB47f5AF1D3E47B49229C8}。鉴于此，探究南京都市圈景观格局变化和诊断其生态风险，对保护长江沿线生态环境和区域高质量发展具有重要意义。本研究以南京都市圈为研究对象，基于土地利用变化构建景观生态风险评价模型，旨在为区域生态安全管理及生态可持续发展提供科学依据，为长江经济带生态保护和城市健康发展提供技术保障。

1 研究方法

1.1 研究区域概况

南京都市圈地处长江下游北纬30°38′～33°26′，东经117°9′～119°59′，典型的亚热带季风气候区，年平均降水量达到1127mm，年平均温度为15.4°C。主要地形为平原和丘陵，呈西南高、东北低之势，区域内生态资源丰富^[7]ADDINCNKISM.Ref.{FFFCC44E02BB47f5AF1D3E47B49229C8}。南京都市圈以江苏省南京市为中心，由安徽省芜湖市、马鞍山市、滁州市、宣城市，江苏镇江市、扬州市、淮安市等市组成，总面积约9.1万平方公里。作为长三角城市群的核心部分，南京都市圈连接了东部和中部两个主要板块，并与长江和淮河两大流域相连。此外，也是我国最早开始建设的跨省都市圈，占据了至关重要的战略位置^[9]ADDINCNKISM.Ref.{FFFCC44E02BB47f5AF1D3E47B49229C8}。

图1 研究区域

1.2 数据来源与处理

本研究中南京都市圈1990年、2000年、2010年、2020年4期土地利用栅格数据（空间分辨率30m）来源于中国科学院资源环境科学与数据中心（http：//www.resdc.cn/），精度达90%以上，符合研究要求^[10]。参照国家标准《土地利用现状分类》（GB/T21010-2017）^[11]，将南京都市圈土地利用/覆被类型进行重分类处理，形成耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用土地等6种类型（图2）。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用变化

土地利用转移矩阵能够用来观察研究区在特定时间范围内不同土地利用类型之间的转换关系，揭示了研究区在不同时间段内各种土地利用类型的走向、起源和空间分布模式^[12]ADDINCNKISM.Ref.{FFFCC44E02BB47f5AF1D3E47B49229C8}。具体公式如下：

Sij=S11…S1nSn1…Snn（1）

其中：Sij为研究期间第i类土地向第j类土地转换的面积（km²）；i为转移前土地利用类型，j为转移后土地利用类型，n为土地利用类型的数量。

1.3.2 景观生态风险评估

（1）生态风险单元划分

依据以往研究中景观采样面积应达到景观斑块平均面积的2～5倍的原则^[13-14]，利用Argis10.6中渔网分割工具将研究区域划分为5000m×5000m的正方形网格，得到2829个评价单元，计算每个评价单元中心点的生态风险值，并作为克里金（Kring）插值分析的最小单元进行生态风险制图。

（2）景观生态风险评估模型构建

为建立起景观格局与生态风险之间的关系，通过景观干扰度指数和景观脆弱度指数来构建景观生态风险评估模型。具体指数意义与计算如下：

1.景观干扰度指数（Ei）

Ei反映不同景观生态系统受到外界干扰的程度，一般由景观破碎度指数（Ci）、景观分离度指数（Ni）、景观分维指数（Fi）计算得出。根据相关的研究^[15-16]，并结合本研究区的实际情况得出其公式如下：

Ei=0.5Ci+0.3Ni+0.2Fi（2）

Ci指景观的空间分裂破碎程度，可以反映自然或人为干扰对景观的影响，其值越大，表明景观的稳定性越差，受到干扰的程度越大。

Ci=niAi（3）

Ni表示某一景观类型中不同斑块个体分布情况。分离程度越大，表明斑块分布越分散。

Ni=A2Ai niA（4）

Fi用来测定斑块形状对内部斑块生态过程影响的指标，其值越大，表明斑块形状越复杂。

Fi=2ln （Pi/4）lnAi（5）

2.景观脆弱度指数（Vi）

借鉴他人研究成果^[17-18]并结合研究区特点，采用专家打分法将景观类型的脆弱性分为6级：未利用地=6，水域=5，耕地=4，草地=3，林地=2，建设用地=1，经归一化后，得到各景观类型的脆弱度指数Vi的权重。

3.景观生态风险指数（ERIi）^[19]

由生态风险单元中景观类型所占面积比与景观干扰度指数（Ei）、景观脆弱度指数（Vi）组成景观生态风险指数（ERIi），该值越大表示生态风险程度越高，反之，生态风险程度越低。

ERIi=∑ni=1AkiAk×Ei×Vi（6）

其中，ni为景观类型i的斑块数；Ai为景观类型i的总面积，A为景观总面积；Pi为景观类型i的周长；Aki表示第k个风险单元中景观类型i的面积，Ak是第k个风险单元总面积。

1.3.3 空间自相关分析

空间自相关分析可以通过描述一个特征的属性值是否与空间相邻的特征相关来判断一个特征是否具有空间聚集关系^[20]。本研究采用Moran’s I指数（I）和LISA指数（Ii）分析南京都市圈生态风险的空间相关性。Moran’s I指数是一种应用非常广泛的全局空间自相关统计量，取值范围为[-1，1]，可以衡量整个研究区域属性值的聚集特征，反应相邻或相近单元属性值的相似程度^[21]，计算公式如下：

I=n∑i∑jWijxi－xxy－x∑i∑jwij∑ixj－x2（7）

LISA指数（Ii）表示局部空间自相关，主要揭示局部单元属性值空间分布的异质性，包括研究区域内所有空间单元属性值。其计算公式如下：

Ii=xi－xn－1－x2∑ⁿj=1x2ij∑ni=1∑nj=1Wijxj－x（8）

其中，Xi和Xj为区域相邻单元中变量的属性值，Wij为空间权重矩阵，x为平均属性值。

2 结果与分析

2.1 南京都市圈土地利用结构变化

南京都市圈土地利用结构呈现耕地、林地、水域、建设用地、草地及其他土地利用类型镶嵌交错的分布格局。根据不同时期土地覆被类型（表1、图2），可以看出，耕地为主要土地利用类型，占南京都市圈面积的55%以上；其次为林地，占总面积的16%以上，主要分布在滁州市西侧琅琊山一带、东南侧滁州市与南京市接壤处和宣城市东南侧的宁国市、广德市等地区；建设用地约占南京都市圈总面积的11%，其中南京市建设用地分布较为集中；其他土地利用面积占比较少。具体来看，耕地作为南京都市圈重要的土地利用类型，1990—2020年的其动态度为-0.33%/a，其面积占比由61.84%（1990年）下降至55.63%（2020年），面积减少了5647.23 km2；1990—2020年林地面积在14902.2km2上下波动，面积占比维持在16%左右；1990—2020年水域的动态度为0.28%/a，面积呈现稳步增长的变化趋势，1990年水域面积为8565.48km2，2000年增加至9279.27km2，2020年增加至9273.06km2；1990—2020年建设用地呈持续增加趋势，其动态度为2.46%/a，面积占比从8.03%（1990年）增加至13.96%（2020年），面积增加了5398.83km2，主要表现为由南京市秦淮区、淮安市清江浦区、芜湖市鸠江区向外围逐渐扩张；30年间未利用土地平均为49.91km2以上，面积占比在0.05%左右，主要分布在城市边缘处或城市与城市之间的交界地带。值得注意的是，1990—2000年未利用土地占总面积的百分比变化不大；耕地是南京都市圈最主要的土地利用类型，分布格局表现为较强的空间异质性。总之，南京都市圈土地利用整体上呈现为结构稳定、变化平缓的特征，30年间耕地、林地和草地都显示出减少的态势，特别是耕地减少更为明显，而水域、建设用地和未利用土地则呈现出增加的趋势，其中建设用地的增加幅度尤为显著，变化也相当活跃。

2.2 南京都市圈土地利用变化的时空特征

表2可知，耕地转出6285.35km²，转入600.70km²，面积减少5864.65km²，是转出面积最多的用地，也是总面积变化最大用地；建设用地转出188.70km²，转入5588.72km²，面积由1990年的7397.12km²变为12797.14km²，增加了5400.02km²，是转入面积最大且总面积变化率最大的用地类型；此外，林地转出580.26km²，转入172.98km²，面积减少407.28km²；草地转出327.08km²，转入193.42km²，面积减少133.66km²；水域转出229.59km²，转入982.82km²，增加753.23km²。图3显示，研究期间最主要的转换特征是耕地向建设用地的转移，其次是水域；林地主要向建设用地和耕地转移；草地和水域主要向耕地转移；水域面积的转入变化受耕地的影响最大；未利用地面积几乎未变。

利用Fragstats4.2软件分别对1990年、2000年、2010年和2020年南京都市圈不同土地利用类型景观格局指数进行计算，得到各个时期不同土地利用类型的景观格局指数。由表3得知，除建设用地外，其他用地斑块数量均逐渐增加，耕地、林地和草地的破碎度、分离度、分维数、干扰度和损失度均有所增加，说明由于土地利用类型的互相转化，这些用地类型的离散度在逐渐增加。水域斑块数量虽然增加了，但其各景观格局指数均有所降低，说明水域斑块的离散度降低了。

2.3 景观生态风险时空变化

利用景观生态风险指数计算了1990—2020年间各生态风险单元的风险值，发现这4个时期的景观生态风险值均在0.005～0.16的值域之内。通过克里金插值法对生态风险指数进行空间插值，并采用等间距分级为5个等级：低生态风险区（ERI≤0.035）、中低生态风险区（0.035lt;ERI≤0.065）、中生态风险区（0.065lt;ERI≤0.095）、中高生态风险区（0.095lt;ERI≤0.125）、高生态风险区（ERI＞0.125），从而得到南京都市圈的生态风险等级分布图（图4）。

如表4所示，1990—2000年南京都市圈中低风险区面积占比最高，均在45％以上，2010—2020年则变为中风险区最高，均在40％以上。1990—2020年间，低风险区占比均在10％以下，中低风险区在35％～55％，均呈逐渐减少趋势；中风险区占比在30％～45％，中高风险区占比在5％～15％，高风险区占比在5％以下，均呈逐渐增加趋势。

从空间分布特征来看（图4），低风险区和中低风险区主要分布在天长市、全椒县、无为市和宁国市，是由于这些区域景观类型主要为农田水网和山林地，景观破碎化程度较低。中高、高风险区主要集中在大型水域周边城市化建设程度高的城镇，该区域景观破碎化程度高。如沿长江流域的芜湖市镜湖区、鸠江区和弋江区，马鞍山市的花山区、南山区，南京市鼓楼区、建邺区、秦淮区、浦口区、栖霞区和江宁区，镇江市润州区、京口区和丹徒区，扬州市邗江区、广陵区和江都区；高邮湖流域的扬州市高邮市、淮安市金湖县；洪泽湖流域的淮安市盱眙县、洪泽区，淮安市的淮安区、清江浦区、淮阴区。

2.4 生态风险空间相关性分析

利用GeoDa软件对南京都市圈景观生态风险进行全局自相关分析，得到全局Moran’s I图（图5），可以看出南京都市圈四期景观生态风险全局Moran’s I值分别为0.484、0.481、0.518、0.522，均大于0，且散点主要集中在回归线附近。这表明在各个年份，研究区的景观生态风险值之间存在空间上的正相关关系，也就是说，生态风险值在相邻地区具有很高的空间相似性，并表现出集聚效应。

采用LISA对南京都市圈景观生态风险进行空间局部自相关分析，得到LISA聚集图，由图6显示，高-高聚集和低-低聚集是南京都市圈景观生态风险主要聚集结构。“高-高”值主要分布于长江、河流及湖泊等区域，以及各市区城市化建设程度较高的地区，同时这些景观生态风险区高的相邻地区也面临着较大的生态威胁。“低-低”值主要聚集在天长市、全椒县、芜湖市以及皖南山区，其相邻地区的生态风险与这些区域一样均较低。从景观类型空间分布来看，“低-低”聚集区主要位于农田水网和山区林地处，这与低生态风险的主要景观类型区域一致；而“高-高”聚集区则主要由滨水区域的城市和城市化建设程度较高的城市中心组成，这与高景观生态风险区和较高景观生态风险区的主要景观类型区域一致。在“高-高”结构的聚集区内，耕地、林地、水域和建设用地的分布相对分散，且人类活动较为活跃，使得景观内部稳定性较差。

3 结论与讨论

通过对南京都市圈四期土地利用数据计算分析，完成该区域生态风险评估，同时对各评价单元生态风险值进行空间相关性分析：

（1）耕地、林地和建设用地是南京都市圈内最主要的土地利用类型：其中建设用地呈大幅度增长趋势，尤其以2000年至2010年间增加面积最多，这与2001年江苏省提出的以南京为中心的都市圈建设有关；耕地持续减少，主要转为建设用地；林地和草地总体处于减少状态，但减少面积不多；水域面积在1990年至2010年间逐渐增多，尤其以2000年至2010年间增加最快，主要由耕地转入，原因在于经济高质量发展，人们对食品的质量和要求越来越高，南京都市圈内各城市借此契机，大力发展水产养殖^[23]；2010年至2020年水域面积基本保持稳定。总体来看，近30年来，南京都市圈的景观类型分布变得更加复杂，耕地、林地和草地逐步破碎化，其破碎度、分离度、分维度、干扰度和损失度均逐渐增大，土地利用结构不稳定。

（2）南京都市圈生态风险空间分布呈现明显的差异性，总体趋势是从北向南逐步降低。高风险区从以南京为核心逐步向周围城市扩散，并主要集中在长江流域及洪泽湖、高邮湖周边城市。30年间研究区平均生态风险值由0.0621增加到0.0701，生态风险等级总体呈增高趋势，其中2000—2010年间增长速度最快。从生态风险值上看，1990—2000年区域均值为低风险和较低风险，而2010—2020年间，均值则均为中高风险阶段。可以看出，2001年南京都市圈建设首次提出后，经济快速发展对区域生态造成了一定的威胁。2010年之后采取的一系列生态政策（如《长江经济带生态环境保护规划》《江苏省生态保护与建设规划》《生态强省建设实施纲要》等）明显降低了研究区景观生态风险增长速度，但由于生态政策干预的滞后性，较高等级生态风险区依然在增加。

（3）长江流域、洪泽湖以及高邮湖流域都是水域和耕地资源丰富的区域，这些区域对人类活动的抵抗能力相对较弱，因此它们对景观生态风险值的贡献相对较高。由于人类活动影响，这些区域面积逐年缩减，且空间分布更加破碎化，成为研究区生态风险值总体增长的主导因素。南部地区农田和山林地景观分布密集，且连通性较好，极大地减少了南部地区生态风险。

（4）在对研究区的景观生态风险进行深入分析后，提出以下几点建议：（1）保护中低生态风险区，该区域主要位于农田水网和山区林地，应严格限制其开发的强度，严守生态红线，加强山林、水网保护与生态修复，防范生态风险转化。（2）加强高生态风险区生态修复。该区域多数位于大型水域周边的城镇，须高度重视城市建设对生态风险的潜在影响，科学划定岸线功能区，制定滨水带生态保护与生态修复政策；合理规划城镇空间，加强城镇绿化，提高生态空间面积和连通性。（3）控制中生态风险区向高生态风险区转化。中生态风险区大多位于城镇周边，须严格执行国土空间规划，加强土地管理，严守城镇开发边界线，优化耕地结构，实施集约型建设政策。

［参 考 文 献］

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Landscape" Ecological Risk Assessment of Nanjing Metropolitan Areabased on Land Use

Dong Yuanliang， Wu Xinyue， Pan Chengcheng

Abstract： The Nanjing Metropolitan Area is the first urban development planning area approved by the state. It is of great significance to evaluate its ecological risk for regional good-quality development. In this study， land use data from 1990， 2000， 2010 and 2020 were used to analyze the characteristics of land use change in Nanjing Metropolitan area. Combined with ecological risk index and spatial autocorrelation analysis methods， the spatiotemporal differentiation characteristics and spatial correlation of landscape ecological risk in Nanjing Metropolitan area from 1990 to 2020 were analyzed. The results show that： （1） From 1990 to 2020， the construction land in Nanjing Metropolitan Area will grow rapidly and on a large scale， mainly derived from cultivated land. （2） From 1990 to 2020， the number of cultivated land patches in Nanjing Metropolitan Area was the highest， and their distribution tended to be fragmented; The construction land gradually expands from concentrated areas to larger aggregates， and the internal stability is increasing year by year. （3） The ecological risk levels of Nanjing Metropolitan Area are mainly low， medium and high， with significant spatial distribution differences among regions with different ecological risk levels. The ecological risk value was positively correlated in space， and gradually decreasing from the Yangtze River， rivers and lakes to the surrounding areas， and showed a clustering effect in adjacent areas.The research results can provide scientific basis for regional ecological safety management and sustainable development， and provide technical support for Ecological protection and Healthy urban development of the Yangtze River Economic Belt.

Key words：land use; ecological risk; Nanjing metropolitan area; landscape indices

责任编辑：陈星宇