2010—2020年巢湖流域生态系统类型的时空变化特征及驱动力分析

袁步先 吴楠 程鹏

摘要 基于巢湖流域生态系统类型分布的持续观测数据，从年变化率、动态度和转移矩阵3个方面分析2010—2020年巢湖流域生态系统类型的时空变化特征，并剖析变化的驱动因素。结果表明，2010—2020年巢湖流域生态系统类型面积变化最为明显的趋势是农田面积的持续大幅缩减和城镇用地的急剧大幅扩张。生态系统动态度（LC值）较大的是其他建设用地和城镇用地，全巢湖流域LC值为05%。10年间巢湖流域开发建设对农业和生态空间的大量挤占主要发生在城市周边。此外，流域内农田与湿地的相互转化也较明显。城市化以及工业和矿山开发是巢湖流域近10年最为主要的生态系统类型变化的驱动因素。

关键词 巢湖流域;生态系统类型;动态度;转移矩阵;时空变化特征;驱动力

中图分类号 X171.4  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2022）07-0059-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.07.015

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Analysis on Spatial Temporal Variation Characteristics and Driving Forces of Ecosystem Types in Chaohu Lake Basin from 2010 to 2020

YUAN Bu-xian， WU Nan， CHENG Peng

（Anhui Provincial Academy of Eco-Environmental Science Research ， Hefei， Anhui 230071）

Abstract Based on the continuous observation data of the distribution of ecosystem types in Chaohu Lake Basin， this paper analyzed the temporal and spatial variation characteristics of ecosystem types in Chaohu Lake Basin from 2010 to 2020 from three aspects （annual change rate， dynamic change index and transfer matrix）， and analyzed the driving factors of change. The results showed that from 2010 to 2020， the most obvious trend of ecosystem type area change in Chaohu Lake Basin was the continuous sharp reduction of farmland area and the sharp expansion of urban land. The ecosystem dynamic change index （LC value） was large， which was other construction land and urban land， and the LC value of the whole Chaohu Lake Basin was 0.5%.In the past 10 years， the development and construction of Chaohu Lake Basin had occupied a large amount of agricultural and ecological space， mainly around the city. In addition， the mutual transformation of farmland and wetland in the basin was also obvious. Urbanization and industry and mine development were the most important driving factors for the change of ecosystem types in Chaohu Lake Basin in recent 10 years.

Key words Chaohu Lake Basin;Ecosystem types;Dynamic degree;Transition matrix;Temporal and spatial variation characteristics;Driving force

巢湖位于安徽省中部和長江下游左岸，是全国五大淡水湖之一[1]。巢湖流域是典型的湖泊型流域，具有山水林田湖等全要素，水陆生态系统交织，是统筹各自然生态要素和人类活动影响、进行生态保护修复研究的理想流域。近10年来，巢湖流域工业化、城镇化和农业现代化的快速增长对其复合生态系统的空间结构和格局产生了深远影响。虽然全力推进的巢湖流域生态保护修复工作取得了一定成效，但流域整体的生态胁迫压力仍然较重。对照合肥市建设长三角世界级城市群副中心的要求，“十四五”期间合肥的开发规模与强度将进一步加大，处理好合肥市乃至巢湖流域“四化”（新型工业化、信息化、城镇化、农业现代化）快速发展与生态安全格局构建之间的矛盾，是实现巢湖流域可持续发展的必然要求。

研究区域（流域）尺度生态系统类型演变的原因、内部机制、基本过程、预测未来变化方向和后果，既是认识自然生态系统和经济社会系统对其耦合作用关系的重要渠道，也是掌握区域（流域）生态状况、制定生态保护修复策略与生态文明建设政策与措施的基础和依据[2-3]。该研究定量定位地分析了巢湖流域2010—2020年生态系统状况及格局的时空变化特征，剖析导致格局演变的驱动力因素及其影响作用，有助于量化评价巢湖流域经济社会活动对生态系统的扰动程度以及生态保护修复政策实施的实际效果，发现前期存在的问题并提出后期应对策略，为巢湖流域高水平保护和高质量发展提供科学依据和决策支持。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

巢湖流域面积13 486 km2，流域跨合肥市、芜湖市、马鞍山市、六安市和安庆市5市17个县（市、区）。流域地势总体是西高东低、中间低洼，湖区形似鸟巢。流域西南部大别山余脉，南部和东部为沿巢及沿江圩区，西部和北部是江淮丘陵。巢湖流域属北热带湿润季风气候区，四季分明、气候温和，年均气温15.8 ℃，年降雨量1 120.3 mm。巢湖闸上流域面积9 153 km2，入湖的主要河流有南淝河、派河、杭埠河（丰乐河）、白石天河、兆河、柘皋河等，呈放射状汇入巢湖。巢湖闸下流域面积4 333 km2，主要河流有裕溪河、西河、清溪河、牛屯河等直接入江河道。流域内天然湖泊有巢湖、黄陂湖和已围垦的白湖等（图1）。流域年均地表水资源总量53.6亿m3，杭埠河、南淝河、白石天河3条河流入湖径流量占75%以上，其中杭埠河注入巢湖的水量最大[4]。

2019年巢湖流域户籍人口1 085.17万，人口密度801人/km2，流域内人口分布不均，其中合肥人口密度最高，达到1 026人/km2，安庆最低，为287人/km2。2019年巢湖流域实现地区生产总值10 561.6亿元，以占全省9.6%的土地面积聚集了全省15.2%的人口，创造了全省28.5%的经济总量，是省内综合实力最强、经济最活跃、开放程度最高的区域[5]。

2020年巢湖全湖及东、西半湖水质均为Ⅳ类，呈轻度富营养状态，主要污染指标为总磷。21条环湖河流中，4条河流水质状况为优，11条为良好，5条为轻度污染，1条为中度污染。“十三五”期间，巢湖湖体水质有所好转，水质类别保持稳定，主要污染指标总磷和总氮浓度分别下降25%和15%。环湖河流总体水质明显好转，由中度污染好转为良好，Ⅰ～Ⅲ类水质断面比例上升7.4百分点，劣Ⅴ类断面实现清零，下降31.6百分点[6]。

1.2 数据来源

选择2010、2015和2020年3个时段，对巢湖流域的生态系统类型时空变化特征及驱动力进行分析。巢湖流域生态系统类型数据源于中国科学院资源环境科学数据中心（http：//www.resdc.cn）的中国土地覆被现状遥感监测数据库，该数据以美国陆地卫星Landsat遥感影像数据作为主信息源，通过人工目视解译获取，空间分辨率为30 m，地理坐标系为GCS_Krasovsky_1940，投影坐标系采用Albers 正轴等面积割圆锥投影。生态系统类型包括农田、森林、草地、湿地、城镇和其他6个一级生态系统类型以及25个二级类型，其中巢湖流域涉及6个一级类型，18个二级类型，详见表1。

1.3 研究方法

1.3.1 生态系统动态度。

采用动态度分析安徽省生态系统变化特征，分为单一生态系统动态度和综合生态系统动态度。单一生态系统动态度计算公式如下[7-9]：

K=U b-U aU a×1T×100%（1）

式中，U a、U b分別为研究初期和研究末期某一种生态系统类型的数量;T为研究时段长度，当T的时段设定为年时，K值就是该研究区某种生态系统类型年变化率。

综合生态系统动态度计算公式如下[10-13]：

LC= ni=1ΔLU i-j2 ni=1LU i×1T×100%（2）

式中，LU i为监测起始时间第i类生态系统类型面积;ΔLU i-j为研究时段第i类生态系统类型转化为其他类生态系统类型面积的绝对值;T为研究时段长度，当T的时段设定为年时，LC的值就是该研究区域生态系统年变化率。

50卷7期 袁步先等 2010—2020年巢湖流域生态系统类型的时空变化特征及驱动力分析

1.3.2 转移矩阵模型。

为了便于叠加分析生态系统格局变化，在ArcGIS 10.3软件中，将巢湖流域2个时期（2010—2015、2015—2020年）的生态系统格局栅格数据进行Combine运算，进而算出2个时段生态系统格局的转移矩阵。为了进一步研究生态系统格局的动态变化强度，在此基础上，采用转移概率矩阵模型[14]：

P ij=S ij nj=1S ij（3）

式中，S ij为i类生态系统转变为j类生态系统的面积，P ij为i类生态系统转变为j类生态系统的转移概率，n为生态系统类型分类数量。

1.3.3 驱动因素提取。

依据生态系统类型之间的相互转化关系以及巢湖流域生态系统类型分布特点，并结合相关研究内容[15-16]，提取出城镇化、农业开发和农村建设、工业和矿山开发、生态环境修复与改善、水资源利用共5类驱动因素（表2），计算5个驱动因素的贡献率。

1.4 数据统计分析

在ArcGIS 10.3中进行数据配准、切割、合并、叠加、分类和分区统计等;其他相关数据的统计及计算等均在Excel中完成。

2 结果与分析

2.1 流域生态系统格局变化特征

2.1.1 分布面积变化。

2010—2020年巢湖流域的生态系统类型一直以农田为主，其次为森林和建设用地，3类合计占流域土地总面积的85%以上，是巢湖流域景观基质的主要构成。农田在整个流域的平原、圩区广泛分布，其中散布有农村居民点和旱地。城镇和其他建设用地集中分布在合肥城区以及流域内的各个县（市）城区，其中合肥城区体量巨大且10年间蔓延扩张明显，其他各县（市）城区规模也都有不同程度的增加。森林主要集中分布在流域西南部的大别山余脉、杭埠河和丰乐河上游，在庐江县南部山区和巢湖市银屏山、浮槎山脉也有森林分布（图2）。

10年间巢湖流域生态系统类型面积变化最为明显的趋势是农田面积的持续大幅缩减和城镇用地的急剧大幅扩张;湿地面积小幅增加的同时，林地和草地面积小幅减少。其中，湿地大类下的水库坑塘和草地大类下的低覆盖度草地面积出现了波动，前5年较大幅度增加、后5年小幅减少，建设用地大类下的农村居民点前5年小幅减少、后5年小幅增加，其余土地覆被类型面积变化趋势前后5年基本一致。从面积年变化率上看（表3），2010—2015年，面积变化较大的是建设用地大类下的其他建设用地和城镇用地，年变化率（K值）分别为22.5%和9.2%;农田大类下的水田虽然年变化率（K值）仅为-0.4%，但由于其面积基数大（占全流域总面积的50%以上），水田面积的净减少仍然很大。2015—2020年，延续前5年的趋势，建设用地大类下的其他建设用地和城镇用地仍保持大幅增加态势，年变化率（K值）分别为24.4%和12.1%;水田年变化率（K值）幅度减至-0.8%，持续大量减少。裸土地、低覆盖度草地、中覆盖度草地的年变化率（K值）幅度虽然很大，但由于其面积基数小，对整个流域的生态系统格局影响很小。

从表4可以看出，2010—2020年各生态系统类型面积转出转入绝对量较大的主要是农田大类下的水田（以转出为主）以及建设用地大类下的城镇用地（以转入为主）、农村居民点（转出转入较平衡）和其他建设用地（以转入为主）。10年间综合生态系统动态度（LC值）较大的是其他建设用地和城镇用地，分别达到22.8%和6.8%。全巢湖流域LC值为05%。

2.1.2 生态系统类型之间的相互转化。

通过构建2010—2020年巢湖流域生态系统类型的面积转移矩阵（表5）及转移概率矩阵，多数二级生态系统类型都在90%以上的面积被保留，相对稳定，其中疏林地、中覆盖度草地、低覆盖度草地、湖泊、裸岩石质地100%的面积被保留，没有转出。农村居民点和其他建设用地有较大比例的面积转出（主要转为城镇用地），保留率较低，分别为89.60%和57.12%。

从表5可以看出，2010—2020年的变化趋势主要有：①农田有531.61 km2，森林有6.32 km2，草地有10.18 km2，湿地有7.17 km2的土地面积转变成建设用地，农田来源的转变主要发生在合肥城区和各个县（市）周边，草地来源的转变主要发生在巢湖市周边，森林和湿地来源的转变相对零散。这种转变反映了人类开发建设对农业和生态空间的挤占，更为显著的城镇化过程则发生在城市周边。②农田与湿地的相互转化，这是退田还湖（主要是大房郢水库的建设）和围湖造田（主要发生在黄陂湖周边）相互的博弈。③农田向森林和草地的转化，这反映出森林增长和生态保护修复工程的成效。④建设用地有部分转为农田或草地，这是村庄用地集约规划、农田复垦的结果。⑤水田5.47 km2转为旱地，主要是部分地区推行“水改旱”的结果;农村居民点91.28 km2转为城镇用地，表明显著的城镇化过程;8.80 km2轉为其他建设用地，表明开发区、基础设施以及矿区建设对农村的征用;其他建设用地有10.38 km2转为城镇用地，有4.10 km2转为农村居民点，表明部分厂矿的“退二进三”过程。

2.2 流域生态系统类型变化驱动力

根据提取的5类驱动因素，计算2010—2020年巢湖流域在各驱动力作用下生态系统面积变化和各驱动因素贡献率（表6）。10年间，城市化驱动导致生态系统类型变化的贡献率占绝对优势，达到68.97%，主要来源是农田、农村居民点和其他建设用地，来源为生态空间（森林、草地和湿地）的面积相对较小;其次是工业和矿山开发驱动，体现在开发区、基础设施建设和矿区开发上，贡献率达到23.99%，主要来源是农田和农村居民点，生态空间也有一定面积的转化;农业开发和农村建设以及生态环境修复与改善的驱动相对贡献率较小，分别仅为2.70%和2.60%，其中农业开发和农村建设驱动来源城镇空间和生态空间面积相当，生态环境修复与改善驱动多数还是湿地生态系统的修复，来源主要仍为农业空间，城镇空间相对较少;水资源利用的驱动主要体现在引江济淮工程、环巢湖湿地工程和流域内一些水库坑塘建设工程上，但面积相对流域范围较小，驱动贡献最小，仅占1.74%，主要来源也是农田。

3 结论与讨论

3.1 结论

（1）2010—2020年巢湖流域的生态系统类型一直以农田、森林和建设用地为主导。10年间巢湖流域生态系统类型面积变化最为明显的趋势是农田面积的持续大幅缩减和城镇用地的急剧大幅扩张。2010—2015年，其他建设用地和城镇用地面积变化较大，年变化率（K值）分别为22.5%和92%;2015—2020年，延续前5年的趋势，其他建设用地和城镇用地仍保持大幅增加态势，年变化率（K值）分别提高至24.4%和12.1%。10年间综合生态系统动态度（LC值）较大的也是其他建设用地和城镇用地，分别达到22.8%和6.8%，全巢湖流域LC值为0.5%。

（2）2010—2020年农田有531.61 km2、森林有6.32 km2、草地有10.18 km2、湿地有7.17 km2的土地面积转变成建设用地，反映了人类开发建设对农业和生态空间的大量挤占，主要发生在城市周边。10年间流域内农田与湿地的相互转化较明显，反映了退田还湖和围湖造田的过程。此外，流域内生态修复和农田复垦过程也有体现。

（3）2010—2020年城市化驱动导致生态系统类型变化的贡献率占绝对优势，达到68.97%，主要来源是农田、农村居民点和其他建设用地;其次是工业和矿山开发的驱动，体现在开发区、基础设施建设和矿区开发上，贡献率达到23.99%，主要来源是农田和农村居民点，生态空间也有一定面积的转化。

3.2 讨论

该研究基于巢湖流域生态系统类型分布的持续观测数据，定量定位地分析了2010—2020年生态系统分布面积变化以及类型之间相互转化的态势和规律，根据提取的5个驱动因子，识别出城市化以及工业和矿山开发是巢湖流域近10年最为主要的生态系统类型变化的驱动因素，为巢湖流域的生态保护修复与可持续发展提供最新的数据支撑。下一步将根据各类入湖河流流域的典型特征，结合实测数据，开展小流域生态系统（或土地覆被）类型变化的生态环境效应研究。

参考文献

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