生态风险评价是用来描述和评估人为活动、环境污染和自然灾害对生态系统结构与功能产生不利影响的可能性及其大小的过程^[1-5],是山水林田湖草生命共同体安全研究的基础。基于景观格局的土地利用生态风险评价则是以土地利用/覆被变化为诱因,直接从景观的空间格局角度来定量识别和评估生命共同体的生态本底安全风险,成为当前景观生态风险评价领域的研究热点。

土地作为人类生存与发展不可或缺的重要资源,其利用方式与程度不仅对社会经济的发展起着至关重要的作用,更直接作用于土壤、大气、水文等自然地理要素,从而对区域生态环境产生影响^[6]。在人类活动占主导地位的区域内,由不同的土地利用方式和强度对生态环境产生的影响具有区域性和累积性的特点,并能够在生态系统的结构和组成上得以体现^[7-8]。许多已有研究表明:土地利用/覆被变化(LUCC)与生态风险密切相关,并对区域生态风险起着决定性作用^[9-10]。景观最主要的特征就是其空间异质性且景观是人类活动的基本单元,因此景观尺度可作为研究人类—环境耦合系统的重要尺度应用于生态风险评价^[11-12],目前已在国内外进行了大量研究。Paukert等^[13]从土地利用变化和景观结构角度构建了景观尺度上的生态风险指数。Ayre等^[14]基于贝叶斯网络模型,对美国俄勒冈州森林景观进行生态风险评价。刘世梁等^[15]建立基于景观格局和生态学过程的综合景观生态风险指数,对云南省红河流域景观生态风险进行分析。吕乐婷等^[16]构建景观生态风险指数,对细河流域生态风险的时空分布特征进行评价。石玉琼等^[17]将景观格局和植被生产力结合对榆林市景观生态风险进行评价。李青圃等^[18]从“自然—人类社会—景观格局”3个维度对景观生态风险评价的基础上进行流域景观格局的优化。从已有研究来看,在评价对象上既有流域^[18-19]、行政区^[20-21]、沿海区域等^[22-23]人类活动影响较大的区域,也有农牧交错带^[24]、水土流失地区^[25]、自然保护区等^[26]生态脆弱区域。在评价方法上大多基于风险源汇和景观格局两种方法,随着研究的不断深入,还有学者基于生态系统服务进行景观生态风险评价^[27]。当前,关于生态风险评价研究主要侧重于描述生态风险的时空分布特征方面,而将土地利用与生态风险变化相结合,对不同土地利用类型下的生态风险演变规律及生态风险对土地利用变化的响应弹性方面缺乏深入探究。

在我国大力推进生态文明建设的背景之下,面向生命共同体系统治理的土地利用生态风险评价显得尤为重要。江夏区作为武汉市的近郊区,区域内山水林田湖草各自然要素同样构成一个生命共同体,由于近来年受快速城镇化发展影响,景观生态功能受到一定程度的破坏,区域面临生态风险升高的趋势。本文以武汉市江夏区为研究区域,以空间格网为评价单元构造基于景观格局的土地利用生态风险指数,对土地利用变化引起的生态风险时空特征进行分析与评价,并进一步探究不同土地利用类型下的生态风险演变规律及其响应弹性机制。研究结果可为区域山水林田湖草系统治理及提高生态风险预警能力提供参考依据。

江夏区作为武汉市的南大门,属于武汉“1+8”城市圈南部枢纽,位于长江中游南岸,总面积2 018 km²,将近占武汉市总面积的四分之一,地理位置114°01'—114°35'E,29°58'—30°32'N。地形以平原为主,属中亚热带过渡性湿润季风气候。全区水面面积约500 km²,境内共有大小湖泊23个,湖泊面积大约占武汉市所有湖泊总面积的50%。

“十三五”以来,江夏区以“生态立区、工业兴区、创新强区”为发展战略,加快建设武汉市南部生态新城,充分发挥江夏作为武汉市生态控制区的重要生态屏障作用。江夏区在近十几年来城镇化建设进程明显加快,土地利用结构发生了巨大改变,并由此产生山水林田湖草景观格局趋于破碎化和异质化,从而导致生态系统结构面临失衡,生态风险增加。因此,以江夏区为研究对象,从景观生态格局视角下进行土地利用生态风险的评估对于江夏区权衡生态保护与经济发展的关系,更好地贯彻落实其发展战略,积极探索未来发展模式具有重要的现实意义。

(1)研究期内,江夏区6种土地利用类型的面积均发生了不同程度的变化,对应着城镇、农业、生态空间的变化。在2010—2015年期间,各地类间转移变化最活跃。耕地面积与建设用地面积的变化趋势相反,耕地面积持续减少,而建设用地面积持续扩张,15 a来共有8.41%的耕地转出为建设用地,且集中分布在研究的北部。耕地作为优势景观类型,对维持区域山水林田湖草景观生态格局发挥着重要作用。

(2)4个时期江夏区全局自相关Moran's I值分别为0.486 4,0.493 7,0.485 3,0.509 8,土地利用生态风险在空间上正相关性增强,具有明显的集聚效应。土地利用生态风险局部自相关格局的高—高集聚区与低—低集聚区随时间推移其空间分布特征发生变化,表明土地利用生态风险在空间上整体分异显著,局部空间差异也在扩大。

(3)研究区整体土地利用生态风险处于较低等级。2000—2015年,较低、中、较高、高生态风险区面积分别增加了32.6%,12.22%,3.37%,1.6%,低生态风险区面积减少了49.8%,且高生态风险区在空间上呈团状集聚分布,并表现为逐渐向外层推移扩大的趋势,表明这些区域生态环境恶化较快,风险不断提高,需要对这些区域重点加强监管力度,防止其进一步退化,以维持区域环境的稳定。区域土地利用生态风险整体呈增高趋势。

(4)从不同土地利用类型下的生态风险演变规律来看,耕地、建设用地、水域分布地区整体上受生态风险胁迫程度较轻,而草地、林地更容易遭受生态风险影响,未利用地所在区域的生态风险最高。从生态风险对土地利用变化的响应弹性系数不断减小可以得出地类变化对生态风险的影响程度在不断减小,生态风险的影响因子更趋于多元化。

本文从我国生态文明建设宏观背景与“山水林田湖草生命共同体”的理念出发,基于景观格局指数构建指标体系对江夏区土地利用生态风险进行评价,并进一步探究土地利用类型与生态风险间的内在联系,为江夏区未来一定时期内的生命共同体系统治理提供理论依据。通过研究发现江夏区作为武汉市的近郊区与城乡融合发展区,近年来城市化建设不断推进使得大量耕地、林地、草地等生态用地转出建设用地,原有完整景观格局呈现破碎化,生态系统稳定性降低,受人为干扰后易损程度大,生态风险持续增大。按照可持续发展与生态文明建设的总要求,对新增建设占用农用地行为必须谨慎对待,严格控制城镇空间的无序扩张,确定城镇开发边界,以提高建设用地利用效率为重点,发挥建设用地的集聚规模效应。加快落实“三区三线”划定工作,将由耕地资源单要素保护向山水林田湖草全要素保护转变。本研究仅从景观格局角度进行生态风险评价,缺乏对区域地形地貌、气候环境、社会经济因素等方面的综合考虑,得到的结果不具有绝对性与代表性,但利用景观格局指数研究土地利用生态安全格局仍具有可行性。下一步的研究重点应探讨影响生态风险变化的不同驱动力与多尺度下的生态风险评价,并针对性地提出合理有效的生态管理建议,为指导区域“三区三线”划定工作,统筹山水林田湖草系统治理提供依据。