芜湖市土地利用时空演变与生态敏感性分析

摘要 基于2000—2020年芜湖市土地利用数据，利用ArcGIS 10.7等软件分析芜湖市20年间土地利用变化，选取高程、坡度、坡向等8个单因子结合AHP层次分析法确定各单因子的权重并对研究区域生态敏感性进行加权叠加分析。结果表明，2000—2010年芜湖市土地利用情况发生较大变化，林地与耕地是减少较多的用地类型，大多转化为建设用地；林地转化为耕地、耕地转化为建设用地面积较多。景观格局指数表明人为干扰程度逐渐强烈，斑块数量逐渐减少，生物多样性降低，斑块之间分离度增加，形状指数降低。综合生态敏感性分区以中敏感为主，占整个研究区面积的53.82％。

关键词 土地利用；时空演变；生态敏感性；生态安全；芜湖市

中图分类号 X 171.1文献标识码 A文章编号 0517-6611（2023）15-0078-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.15.018

Analysis of Spatial-temporal Evolution and Ecological Sensitivity of Land Use in Wuhu City

JIN Huan

（Anhui Agricultural University， Hefei， Anhui 230000）

Abstract Based on the land use data of Wuhu City from 2000 to 2020， ArcGIS 10.7 and other software were used to analyze the land use change of Wuhu City in 20 years.Selecting 8 single factors such as elevation， slope and aspect， and combine them with the Analytic Hierarchy Process （AHP） to determine the weights of each single factor， and perform weighted overlay analysis on the ecological sensitivity of the study area.The results showed that the land use in Wuhu City had changed greatly from 2000 to 2010. Forest land and cultivated land were the types of land that had been reduced more， and most of them had been converted into construction land.The conversion of forest land into arable land and arable land into construction land were relatively large.The landscape pattern index indicated that the degree of human interference gradually intensified， the number of patches gradually decreased， biodiversity decreased， the degree of separation between patches increased， and the shape index decreased.The comprehensive ecological sensitivity zoning was mainly medium sensitive， accounting for 53.82% of the entire research area.

Key words Land use;Spatial-temporal evolution;Ecological sensitivity;Ecological security;Wuhu City

長江流域土地资源随着城市化快速发展，在重重挤压中面临着面积缩减、生物多样性降低、景观破碎度增加等问题［1-2］。2020年《长江保护法》出台后流域生态环境保护与修复引起广泛关注并成为周边城市近年来发展的核心，流域生态问题的修复与治理不仅需要单个片区的努力，也需要将整个流域体系看作一个整体，相互促进协同合作［3］。

目前许多学者利用GIS技术、ENVI软件等通过遥感影像的数据处理与空间分析对流域进行研究。汤佳等［4］基于FLUS模型对汨罗江流域土地利用变化情况进行分析，提出基于水安全的流域土地利用优化策略，推动流域尺度的可持续发展研究。尹剑等［5］利用MCE-CA-Markov模型分析和预测了皖江流域土地利用变化与景观格局。高俊刚等［6］以金沙江下游地区为例，通过等级层次分析法确定各指标组合权重，结合GIS技术进行生态功能分区；凌焕然等［7］运用专家打分法和成对比较法确定因子权重，对马鞍山江心洲进行生态敏感性评价。该研究在2000、2010、2020年芜湖市土地利用基础信息上利用GIS技术、景观指数分析技术（Fragstats）、遥感影像处理技术（ENVI）等对20年间芜湖市土地利用、景观格局、生态敏感性进行系统分析，研究芜湖市土地利用景观格局变化方式及影响，生态敏感因子及敏感区域划分，提出相应的土地利用调整对策，以期为各项规划提供现实借鉴意义。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

芜湖市位于安徽省东南部长江下游，南倚皖南山系，北望江淮平原，地理位置为117°40′～118°44′E、30°19′～31°34′N，区域内包含镜湖区、弋江区、鸠江区、三山区、繁昌区、南陵县、无为市、芜湖县五区两县一地级市，总面积6 026 km2。本区在地貌上属长江中下游地区，以阶地和河漫滩构成的平原为主，地势南高北低，平原丘陵皆备，河湖水网密布。根据第七次人口普查数据显示，截至2020年11月常住人口为364万。

1.2 数据来源与处理

1.2.1 数据来源。

该研究以国家基础地理信息中心的2000、2010、2020年空间分辨率为30 m的全球地表覆盖数据（GlobeLand30）为原始数据；芜湖市30 m空间分辨率DEM数据以及2021年3月Landsat8遥感影像数据来源于地理空间数据云平台；道路、河流数据来源于全国地理信息资源目录服务系统；其他区数据及资料参考《安徽省统计年鉴》等资料。

1.2.2 数据处理。

利用ArcGIS 10.7软件将土地利用数据按掩膜提取，制作土地利用变化转移矩阵，分析整理不同年份芜湖市土地利用转移情况；将土地利用数据导入Fragstats 4.2软件计算芜湖市景观格局指数，通过区域内景观格局指数变化情况了解各斑块变化趋势。利用ENVI软件制作归一化植被指数图像，在GIS中将研究区所需图像进行矢量化处理、编辑属性表、建立数据库、重分类等操作，分别制作高程等单因子生态敏感性分析图，最后通过加权叠加分析获得芜湖市生态敏感性图像［8］。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用转移矩阵。

土地利用转移矩阵是马尔科夫模型在土地变化情况上的具体应用，它不仅可以定量表现土地利用类型间的转化也可揭示土地利用类型间的转换速率［9］。从面积变化入手反映特定区域土地利用变化情况，通过分析土地利用类型变化总量，了解土地利用总体变化趋势和结构变化情况，其公式如下：

式中：p为土地利用转移概率矩阵；n为土地类型；i、j代表研究期初和期末的土地类型。

1.3.2 景观格局指数。

景观反映了一定区域土地及土地上的空间物质所构成的综合体，是复杂自然过程与人类活动的烙印［10］。景觀格局即大小形状各异的景观要素在空间上的排列组合，通过景观格局变化的研究，可以准确掌握研究区土地利用演变规律。

利用Fragstats软件在景观级别上选取最大斑块指数（LPI）、斑块数量（NP）、斑块密度（PD）、香农多样性指数（SHDI）、香农均匀度指数（SHEI）、蔓延度指数（CONTAG）、景观形状指数（LSI）、分离度（SPLIT），分析2000—2020年芜湖市景观格局变化情况。

1.3.3 生态敏感性分析。

该研究采用ＡＨＰ层次分析法进行计算，该方法是定性与定量相结合解决多种复杂问题的决策分析方法，根据问题的性质和要达到的总目标，将问题分为不同的组成因素，并按照因素间的相互关联程度及隶属关系将因素按不同层次聚集组合，形成一个多层次分析结构模型［11-14］。

确定各单因子权重后在ArcGIS中进行加权叠加分析，其公式如下：

式中：S为生态敏感性指数；i为各评价因子编号；n为评价因子总数；ωi表示第i个评价因子的权重；Ai为第i个评价因子的敏感性评价值。

利用AHP层次分析法进行权重计算时，需要进行一致性检验分析，即计算一致性指标CR值（CR=CI/RI）。通常情况下CR值越小，则说明判断矩阵一致性越好，CR值小于0.1，则判断矩阵满足一致性检验；如果CR值大于0.1，则说明不具有一致性。

此次针对8阶判断矩阵计算得到CI值为0.109，针对RI值查表为1.410，因此计算得到CR值为0.077<0.1，意味着此次研究判断矩阵满足一致性检验，计算所得权重具有一致性。

2 结果与分析

2.1 土地利用变化及转移矩阵分析

2000—2020年芜湖市土地利用类型变化差异较大，面积从大到小依次是耕地＞林地＞建设用地＞水体＞草地。总体结构以耕地为主，近20年来占据比例近70.00%。2000—2010年耕地面积逐渐减少，减少了2.25%；林地、草地面积均略有增加，变化幅度不大，属于正常土地变动；水体增加了0.81%，变化幅度较小，可能与水体季节性变化相关；建设用地面积增加46.21 km2，增长0.77%；可见这10年芜湖市土地利用变化幅度不大，除耕地急剧减少外，其他用地类型变化幅度在1%左右。2010—2020年，除建设用地大幅度增加，快速增长了3.25%外，其他用地类型面积也在快速下降，其中林地下降速率最大，下降了1.75%。从图1可以看出，芜湖市2000—2010年发展速率较为平缓，快速发展及建设时间集中在2010—2020年，总体来说林地与耕地是减少较多的用地类型，大多转化为了建设用地。在快速经济发展阶段生态安全与生态修复应成为后期发展重点［15］。

通过土地利用转移矩阵分析（表1）可知，近20年来转移面积最大的是耕地，净增长最大的为建设用地，草地转化幅度小几乎保持不变；耕地转化幅度最大，其中转化给建设用地面积最多，转化了360.96 km2；建设用地转化为其他用地类型面积较小，转化为耕地面积144.07 km2，总体来说耕地与建设用地相互转换，在20年间有216.89 km2耕地被建设用地替代；林地转化为耕地最多，转化面积达153.48 km2，说明大量林地被砍伐用于耕种，在未来土地政策调整中退耕还林政策急需施行；水体由于季节性干涸与泛滥维持在较为平衡水平；草地变化幅度不大，转换为林地较多，转换了8.13 km2。总体来说，芜湖市土地利用转变幅度不大，主要集中在耕地大量流失转化为建设用地；林地被耕地替代，其中林地、耕地面积大幅减少，在未来土地转变政策中需要对用地面积进行调整。

2.2 景观格局指数分析

由表2可知，斑块数量（NP）从2000年的20 068个下降至2020年的14 699个，减少了5 369个，斑块密度（PD）逐渐降低，说明芜湖市近20年间斑块逐渐变大，各斑块密度降低，形成大而分散的土地利用形式。景观形状指数（LSI）越大，说明形状越规则，2010—2020年LSI剧减，说明研究区斑块形状越来越不规则。最大斑块指数（LPI）从35.754 2%下降至29.783 0%，说明该区域内最大斑块所占整个斑块百分比下降，内部优势种所占百分比下降。蔓延度指数（CONTAG）下降2.47%，说明斑块内部景观连通性降低，斑块间逐渐分离破碎化程度增加。香农多样性指数（SHDI）与香农均匀度指数（SHEI）小幅增加，说明斑块类型分布逐渐均匀。由此可知，在近年来的发展与规划建设中芜湖市用地斑块由零散的小斑块逐渐聚合成较大斑块，斑块间的连通性降低，破碎度增加，斑块形状变得多样，最大优势斑块优势度降低，斑块间多样性降低，土地利用逐渐向着单一化方向发展。

2.3 生态敏感性分析

2.3.1 单因子生态敏感性分析。在ArcGIS 10.7中利用自然断点法将每个单因子划分为5类，分别为不敏感、低敏感、中敏感、高敏感、极高敏感。由图2可知：芜湖市总体为平原丘陵地貌，从高程因子来看，主要以不敏感区域为主，面积为4 641.74 km2，占总面积的77.03%，除不敏感区域外其余区域所占比例不到总面积的30.00%，主要分布在南部、西部、西北部；从坡度因子来看，由于芜湖市大多区域地势平坦，坡度在3°～8°的低敏感区占比最多，占总面积的27.21%，对于这样的低敏感区域可结合植物种植与小地形设计巧妙利用；从坡向因子来看，坡向影响日照时数与太阳辐射，对植物生长以及建筑物等影响较大，通常情况下，坡向有8个方位，结合辐射收入及坡向对建筑物的采光影响程度，将8个方位分成5组［16］，第1组为极高敏感区，约占总面积的14.83%；第2组为高敏感区，约占总面积的24.25%；第3组为中敏感区，约占总面积的12.55%；第4组为低敏感区，约占总面积的36.65%，第5组为不敏感区域，约占总面积的11.72%。植被覆盖度是描述生态系统的重要数据之一，也是区域生态环境发生变化的重要指示［17］，本區植被覆盖以不敏感为主，面积1 915.01 km2，占总面积的31.78%，高敏感、极高敏感面积分别是339.83、326.32 km2，分别占区域面积的5.64%、5.42%，主要植被覆盖分布在城市边缘山地丘陵处。从水体因子角度来看，芜湖市位于长江中下游流域，水资源丰富，极高敏感与高敏感区域约占总面积的50.00%，该区域内应严禁各种污染活动，中敏感区约占总面积的16.20%。从道路角度来看，道路对周围生态环境的干扰随着距离的增大而减小，不敏感、低敏感、中敏感约占总面积的54.75%，高敏感区域占20.69%，极高敏感占24.56%；高敏感与极高敏感的道路区域主要集中在长江流域周围主要城市建设区范围内。从土地利用类型来看，现状用地主要分为建设用地、耕地、水体、林地、草地5种类型，其中建设用地人为干扰程度最大，生态敏感性最低，约占总面积的10.27%，该区域需要限制相关开发建设并以生态修复为主。从生物丰度角度来看，它反映被评价区域环境质量状况［18］，参考不同地域空间的土地利用类型计算生物丰度并对其分级，其中生物丰度面积最大区域主要集中在低敏感区域，面积2 549.00 km2，占总面积的42.30%；高敏感与极高敏感区域分别占总面积的15.12%、11.09%。

2.3.2 综合因子生态敏感性分析。

在经过单因子生态敏感性分析、AHP层次分析法确定权重等步骤后，运用ArcGIS 10.7软件空间分析模块的加权叠加分析技术［19］，得出芜湖市综合因子生态敏感性图像（图3）。经计算，极高与高敏感区面积约为1 022 km2，约占总面积的16.96%，主要集中在区域内的林地与水系环绕区域，该区域内资源丰富且生物多样性较高，环境敏感脆弱，很容易受到人为活动的干扰和破坏，因此需要对该区域高度保护，同时以维持生态环境的稳定性、提高生态环境的多样性为主要目的，严禁人为的开发建设以及其他有污染的活动。中敏感区域分散分布在整个区域内，约占总面积的53.82%，该区域生态环境相对比较脆弱，较易受到人为活动的干扰，区域内仅限于进行低强度的开发建设，且必须做好相应的生态保护措施，避免各类人为活动对其带来破坏。低敏感区与不敏感区是适宜建设的区域，面积约为1 761 km2，约占总面积的29.22%，是未来城市建设发展的主要区域。

3 结论与讨论

（1）2000—2010年芜湖市土地利用情况发生较大变化。林地与耕地是减少较多的用地类型，大多转化为建设用地。从土地利用转移矩阵可知林地转化为耕地、耕地转化为建设用地面积较多，说明人类活动大量干预了自然用地类型，由自然转变为人工用地的趋势在加大［20］。

（2）由景观格局分析可知，芜湖市用地斑块由零散的小斑块逐渐聚合成较大斑块，斑块间的连通性降低，破碎度增加，斑块形状变得多样，最大优势斑块优势度降低，斑块间多样性降低，人为干扰打破了原有自然用地模式，土地利用逐渐向着单一化方向发展。

（3）从综合因子生态敏感性来看，芜湖市以中敏感区域为主，约占总面积的53.82%。说明本区生态系统抵抗外界干扰能力中等，在开发建设中要注意特定区域的保护，划定建设与保护红线。不敏感与低敏感区域主要集中在城市西侧，城市建设与开发可向西侧进行转移。高敏感与极高敏感区主要集中在西北、南部的林地区域，对该区域主要以封闭式保护为主，严格禁止大面积开发建设［21］。

参考文献

［1］ 文传浩，林彩云.长江经济带生态大保护政策：演变、特征与战略探索［J］.河北经贸大学学报，2021，42（5）：70-77.

［2］ 邹琴英，师学义，张臻.汾河上游土壤侵蚀时空变化及景观格局的影响［J］.水土保持研究，2021，28（4）：15-21.

［3］ 周晓玉，蔡俊，张文文.基于GIS的国家级生态县的生态敏感性评价：以安徽省霍山县为例［J］.云南农业大学学报（社会科学），2021，15（4）：148-155.

［4］ 汤佳，胡希军，韦宝婧，等.基于FLUS模型的流域土地利用变化预测及水文响应评估［J］.长江科学院院报，2022，39（4）：63-69.

［5］ 尹剑，张斌，邱远宏.皖江流域土地利用与景观格局时空演变研究［J］.人民珠江，2021，42（6）：14-21.

［6］ 高俊刚，吴雪，张镱锂，等.基于等级层次分析法的金沙江下游地区生态功能分区［J］.生态学报，2016，36（1）：134-147.

［7］ 凌焕然，陆淼菁，王伟，等.基于3S技术的马鞍山市江心洲生态环境敏感性研究［J］.复旦学报（自然科学版），2013，52（2）：230-237，136.

［8］ 李健，张文春.近30年大庆市土地利用变化特征分析［J］.吉林建筑大学学报，2021，38（3）：21-27.

［9］ PORTELA A P，VIEIRA C，CARVALHO-SANTOS C，et al.Regional planning of river protection and restoration to promote ecosystem services and nature conservation［J］.Landscape and urban planning，2021，211：1-13.

［10］ 刘星雨，种培芳.基于GIS分析的西北地区土地利用与景观格局演变研究：以甘肃省兰州市为例［J］.园林，2021，38（4）：89-97.

［11］ 杨辰丛海.基于景观格局的高等院校新老校区土地利用对比：以福建师范大学为例［J］.城市住宅，2021，28（5）：109-112.

［12］ 王宪，冯辉，周延，等.贾鲁河景观变化与径流耦合关系研究［J］.河南科学，2021，39（5）：802-813.

［13］ 孙晓敏，余孟杰，吴涛，等.近20年乐清湾景观格局演变及其对人为干扰强度的响应［J］.浙江师范大学学报（自然科学版），2021，44（3）：319-328.

［14］ 李辉，王福海，李斌，等.大型江心岛景观格局和地表特征参量时空变化及响应：以广阳岛为例［J］.水土保持研究，2021，28（3）：308-315.

［15］ 杜亚运，戴文远，武国胜，等.山区县域土地利用格局变化对生态服务价值的影响：以福建省沙县为例［J］.福建师范大学学报（自然科学版），2021，37（3）：86-95.

［16］ 韩贵锋，叶林，孙忠伟.山地城市坡向对地表温度的影响：以重庆市主城区为例［J］.生态学报，2014，34（14）：4017-4024.

［17］ 黃秋双.天津市海岸生态敏感性分析［J］.国土与自然资源研究，2021（3）：25-30.

［18］ 郭栋桦，陈晓旋.基于GIS分析的野三坡风景区生态敏感性分析［J］.居业，2021（3）：6-7.

［19］ 彭特，刘健行，邓传远.基于GIS和层次分析法的福州国家森林公园生态敏感性评价［J］.台湾农业探索，2021（1）：84-90.

［20］ 田善淮.泉州市德化县土地利用景观格局分析［J］.新农业，2021（12）：85-87.

［21］ 刘思源，唐晓岚，孙彦斐，等.基于生态敏感性评价及景观格局分析的国家公园风景资源保育研究：以湖北神农架国家公园为例［J］.地域研究与开发，2021，40（1）：161-167.

作者简介 晋欢（1996—），女，安徽芜湖人，硕士研究生，研究方向：景观生态。

收稿日期 2022-08-28