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      長江經濟帶生態(tài)系統(tǒng)宏觀結構變化特征分析

      2018-06-25 10:30:06鄒長新林乃峰徐德琳
      關鍵詞:經濟帶農田草地

      吳 丹, 鄒長新, 林乃峰, 徐德琳

      (環(huán)境保護部南京環(huán)境科學研究所, 江蘇 南京 210042)

      當前,隨著全球變化研究的深入,人們越來越認識到,人類活動作為主導因素所導致的土地利用與土地覆蓋變化(LUCC)在全球環(huán)境變化過程中占據(jù)著十分重要的地位。多時空尺度LUCC過程及其引起的生態(tài)、氣候效應等研究受到了國內外研究人員和專家學者的廣泛關注[1-3]。遙感技術的發(fā)展從根本上改變了人們研究LUCC和人類活動影響的能力,使得大尺度、長時間序列的LUCC研究成為可能。自20世紀90年代以來,遙感與GIS技術在我國LUCC研究中得到了廣泛應用,研究方向主要集中在LUCC現(xiàn)狀及變化、模型模擬、驅動力分析和環(huán)境效應等方面[4-7]。就長江經濟帶而言,研究方向主要集中在土地利用時空格局、區(qū)域空間結構演化以及城鎮(zhèn)化時空格局及其驅動力等方面[8-10]。

      長江經濟帶覆蓋全國11個省(市),面積占國土面積的21%,人口和生產總值均超過全國的40%,是我國經濟重心之所在,也是連接絲綢之路經濟帶和21世紀海上絲綢之路的重要紐帶[11-12]。該區(qū)是我國乃至全球生物多樣性的熱點地區(qū)之一,野生動植物資源極其豐富,生物多樣性表現(xiàn)顯著,是我國眾多珍稀瀕危野生動植物的重要棲息繁衍場所。由于人口密度大、開發(fā)強度高等原因,長江經濟帶面臨著森林質量不高、林地生產力低下、森林面積減小、濕地面積萎縮、生態(tài)系統(tǒng)退化和生物多樣性減少等嚴峻問題,已成為經濟社會可持續(xù)發(fā)展的重大制約瓶頸,長江經濟帶的森林和自然生態(tài)保護亟待加強[13-15]。推動長江經濟帶發(fā)展,是黨中央、國務院主動適應把握引領經濟發(fā)展新常態(tài)、科學謀劃中國經濟新棋局作出的既利當前又惠長遠的重大決策部署。2016年年初,習近平總書記主持召開座談會,強調“共抓大保護、不搞大開發(fā)”,明確了長江經濟帶發(fā)展的目標導向。開展長江經濟帶長時間序列高精度LUCC遙感監(jiān)測,揭示LUCC變化規(guī)律與機制,對研究生態(tài)系統(tǒng)空間格局與宏觀結構特征具有重要意義。筆者從生態(tài)系統(tǒng)轉類途徑和幅度與生態(tài)系統(tǒng)類型變化動態(tài)度2個方面分析長江經濟帶近15 a來生態(tài)系統(tǒng)宏觀結構的時空變化特征,從而獲得對該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)宏觀結構現(xiàn)狀及其變化過程全面客觀的認識。

      1 數(shù)據(jù)與方法

      1.1 研究區(qū)概況

      長江經濟帶(21°08′45″~34°56′47″ N,97°31′50″~121°53′23″ E)覆蓋上海、江蘇、浙江、安徽、江西、湖北、湖南、重慶、四川、云南和貴州11個省(市),面積約為205萬km2。該區(qū)域地處熱帶、亞熱帶向暖溫帶過渡地帶,生態(tài)系統(tǒng)類型完備且獨特,野生動植物資源極其豐富。該區(qū)地域遼闊,地形復雜,河流、湖泊和沼澤等濕地資源密集分布,長江及其主要支流是三峽水庫、丹江口水庫、洞庭湖、鄱陽湖、洪湖、巢湖、太湖、滇池、洱海和草海等眾多湖泊水庫濕地的重要源頭和水源涵養(yǎng)區(qū)。境內自然地理單元包括云貴高原、秦巴山地、四川盆地、川江干流區(qū)、長江中下游干流區(qū)、洞庭湖水系、鄱陽湖水系、大別山區(qū)、江南丘陵和黃淮平原等。

      1.2 數(shù)據(jù)基礎

      所采用的2000、2010和2015年生態(tài)系統(tǒng)宏觀結構數(shù)據(jù)由中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心提供。該數(shù)據(jù)以劉紀遠等[16-17]提出的基于遙感監(jiān)測的中國土地利用/土地覆被分類體系為基礎,以各期Landsat TM/ETM遙感影像為主要數(shù)據(jù)源,通過人機交互的解譯方式生成1∶10萬比例尺土地利用/土地覆蓋數(shù)據(jù);結合對各類生態(tài)系統(tǒng)類型的辨識和研究,經過分類處理形成多期生態(tài)系統(tǒng)類型空間分布數(shù)據(jù)集,共計6個一級類型(森林、草地、農田、水體與濕地、聚落、荒漠及其他)和25個二級類型(表1)。經驗證,土地利用一級類型綜合評價精度達94.3%以上,二級類型分類綜合精度達91.2%以上。

      表1陸地生態(tài)系統(tǒng)分類系統(tǒng)

      Table1Classificationsystemofterrestrialecosystems

      一級類型二級類型 森林有林地、灌木林、疏林地、其他林地 草地高覆蓋度草地、中覆蓋度草地、低覆蓋度草地 農田水田、旱地 水體與濕地河渠、湖泊、水庫坑塘、永久性冰川雪地、灘涂、灘地、沼澤地 聚落城鎮(zhèn)用地、農村居民點、其他建設用地 荒漠及其他沙地、戈壁、鹽堿地、其他、裸土地、裸巖石質地

      1.3 研究方法

      1.3.1生態(tài)系統(tǒng)轉類面積

      生態(tài)系統(tǒng)的變化除了不同生態(tài)系統(tǒng)類型面積的增減之外,還表現(xiàn)為不同生態(tài)系統(tǒng)類型之間的相互轉換。轉類面積作為反映生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀及其變化規(guī)律的最基本和最重要的指標之一,可以通過生態(tài)系統(tǒng)類型轉移矩陣進行表達。轉移矩陣中對角線一般表示生態(tài)系統(tǒng)類型內部之間的面積變化,而行表示轉出的生態(tài)系統(tǒng)類型面積,列表示轉入的生態(tài)系統(tǒng)類型面積,行列相結合則對應由行表示的生態(tài)系統(tǒng)類型轉換為由列表示的轉入生態(tài)系統(tǒng)類型的凈面積。通過生態(tài)系統(tǒng)類型轉移矩陣,不僅可以揭示生態(tài)系統(tǒng)類型面積的變化,而且可以追蹤發(fā)生變化的生態(tài)系統(tǒng)類型的軌跡。

      1.3.2生態(tài)系統(tǒng)類型變化動態(tài)度

      生態(tài)系統(tǒng)類型變化速度的區(qū)域差異可以通過生態(tài)系統(tǒng)類型動態(tài)度模型進行度量,它既可以表征單一生態(tài)系統(tǒng)類型的時序變化,也可對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)類型的總體狀況及其區(qū)域分異進行分析。

      單一生態(tài)系統(tǒng)類型變化動態(tài)度(變化速率)模型用于刻畫某研究區(qū)一定時間范圍內某一生態(tài)系統(tǒng)類型的數(shù)量變化情況[18],表達式為

      (1)

      式(1)中,K為研究時段內某一生態(tài)系統(tǒng)類型變化動態(tài)度,%;Ua、Ub分別為研究期初和研究期末該生態(tài)系統(tǒng)類型面積,km2;T為研究時段長,當T時段設定為年時,K值就是研究區(qū)該生態(tài)系統(tǒng)類型年變化動態(tài)度,%·a-1。

      綜合生態(tài)系統(tǒng)類型變化動態(tài)度反映研究區(qū)各生態(tài)系統(tǒng)類型的整體變化速率情況,模型表達式為

      (2)

      式(2)中,Si為監(jiān)測開始時間第i類生態(tài)系統(tǒng)類型面積,km2;ΔSi為由監(jiān)測開始至監(jiān)測結束時段內第i類生態(tài)系統(tǒng)類型轉變?yōu)槠渌鷳B(tài)系統(tǒng)類型面積的總和,km2;t為時間段;S為與t時段對應的研究區(qū)綜合生態(tài)系統(tǒng)類型變化動態(tài)度,如t用年表示,則S即為生態(tài)系統(tǒng)類型的年變化動態(tài)度,%·a-1。

      2 結果與分析

      2.1 生態(tài)系統(tǒng)宏觀結構現(xiàn)狀

      長江經濟帶2015年生態(tài)系統(tǒng)類型面積從大到小依次為森林、農田、草地、聚落、水體與濕地、荒漠及其他。森林生態(tài)系統(tǒng)面積為93.67萬km2,占該區(qū)總面積的45.96%,主要分布在浙江、湖南、江西、云南和貴州等地;草地生態(tài)系統(tǒng)面積為33.79萬km2,占比為16.58%,主要分布在四川西北部地區(qū);農田生態(tài)系統(tǒng)面積為61.77萬km2,占比為30.31%,主要分布在四川盆地和江淮平原;水體與濕地生態(tài)系統(tǒng)面積為6.24萬km2,占比為3.06%,主要分布在江蘇、安徽和湖北等地;聚落生態(tài)系統(tǒng)面積為6.70萬km2,占比為3.29%,主要分布在長三角城市群、長江中游城鎮(zhèn)群和成渝城鎮(zhèn)群;荒漠及其他生態(tài)系統(tǒng)面積為1.64萬km2,占比為0.80%,主要分布在四川局部地區(qū)。

      2.2 生態(tài)系統(tǒng)轉類途徑與幅度

      2000—2010年時段內,長江經濟帶生態(tài)系統(tǒng)主要表現(xiàn)為農田和草地生態(tài)系統(tǒng)面積減少,森林、水體與濕地、聚落生態(tài)系統(tǒng)面積增加(表2)。農田轉為森林、草地、水體與濕地、聚落生態(tài)系統(tǒng)的面積分別為1 903、726、1 859和8 660 km2,10 a間農田生態(tài)系統(tǒng)面積凈減少11 498 km2。森林、草地、水體與濕地轉為聚落生態(tài)系統(tǒng)的面積分別為1 006、182和233 km2,10 a間聚落生態(tài)系統(tǒng)面積凈增加9 996 km2。森林生態(tài)系統(tǒng)面積凈增加1 550 km2,草地生態(tài)系統(tǒng)面積凈減少1 882 km2,水體與濕地生態(tài)系統(tǒng)面積凈增加1 749 km2。

      2010—2015年時段內,長江經濟帶生態(tài)系統(tǒng)主要表現(xiàn)為農田、森林和草地生態(tài)系統(tǒng)面積減少,水體與濕地、聚落生態(tài)系統(tǒng)面積增加(表3)。農田轉為森林、草地、水體與濕地、聚落生態(tài)系統(tǒng)的面積分別為447、128、906和7 657 km2,5 a間農田生態(tài)系統(tǒng)面積凈減少8 066 km2。森林、草地、水體與濕地轉為聚落生態(tài)系統(tǒng)的面積分別為2 255、618和280 km2,5 a間聚落生態(tài)系統(tǒng)面積凈增加10 185 km2,高于2000—2010年。森林生態(tài)系統(tǒng)面積凈減少2 781 km2,草地生態(tài)系統(tǒng)面積凈減少350 km2,水體與濕地生態(tài)系統(tǒng)面積凈增加985 km2。

      表22000—2010年長江經濟帶生態(tài)系統(tǒng)轉類途徑和幅度

      Table 2 Direction and extent of ecosystem changes from 2000 to 2010 of the Yangtze River Economic Belt km2

      表32010—2015年長江經濟帶生態(tài)系統(tǒng)轉類途徑和幅度

      Table 3 Direction and extent of ecosystem changes from 2010 to 2015 of the Yangtze River Economic Belt km2

      2.3 生態(tài)系統(tǒng)變化速率的時空特征

      2000—2010年,長江經濟帶綜合生態(tài)系統(tǒng)類型變化動態(tài)度為0.49%·a-1;2010—2015年,綜合生態(tài)系統(tǒng)類型年變化動態(tài)度為0.75%,比2000—2010年增加0.26百分點。從各生態(tài)系統(tǒng)類型變化的動態(tài)度(表4)來看,2000—2010年,聚落生態(tài)系統(tǒng)的變化比其他生態(tài)系統(tǒng)明顯,動態(tài)度為1.94%·a-1;其次為水體與濕地生態(tài)系統(tǒng),動態(tài)度為0.27%·a-1;森林生態(tài)系統(tǒng)變化緩慢,動態(tài)度為0.02%·a-1。2010—2015年,聚落生態(tài)系統(tǒng)的變化亦比其他生態(tài)系統(tǒng)明顯,動態(tài)度為2.99%·a-1;其次為水體與濕地生態(tài)系統(tǒng),動態(tài)度為0.27%·a-1;草地生態(tài)系統(tǒng)變化緩慢,動態(tài)度為-0.02%·a-1。與前10 a相比,后5 a草地、荒漠及其他生態(tài)系統(tǒng)變化趨緩,水體與濕地變化速率持平,農田、森林、聚落生態(tài)系統(tǒng)變化增強,尤其是聚落生態(tài)系統(tǒng)。從聚落生態(tài)系統(tǒng)的3個二級類型(圖1)來看,城鎮(zhèn)用地與農村居民點的變化趨于緩慢,而其他建設用地的變化較為劇烈,這在一定程度上反映了建設用地擴張對生態(tài)環(huán)境的干擾正在逐步增強。

      表4長江經濟帶各生態(tài)系統(tǒng)類型變化動態(tài)度

      Table4ThedynamicdegreeofecosystemtypechangeintheYangtzeRiverEconomicBelt

      生態(tài)系統(tǒng)類型不同時段動態(tài)度/(%·a-1)2000—2010年2010—2015年 農田-0.16-0.21 森林0.02-0.05 草地-0.05-0.02 水體與濕地0.270.27 聚落1.942.99 荒漠及其他0.050.03

      圖1 聚落生態(tài)系統(tǒng)二級類型動態(tài)度

      從分省(市)生態(tài)系統(tǒng)類型變化的動態(tài)度來看,2個時段內農田生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)度均小于0,除江蘇、上海和浙江外,其余8個省(市)2010—2015年農田生態(tài)系統(tǒng)的變化強度均高于2000—2010年。2000—2010年,重慶和貴州森林生態(tài)系統(tǒng)、水體與濕地生態(tài)系統(tǒng)的變化強度略高于其他省(市),重慶和貴州森林生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)度分別為0.15%·a-1和0.12%·a-1,水體與濕地生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)度分別為1.10%·a-1和1.50%·a-1。2000—2010年聚落生態(tài)系統(tǒng)的變化強度較劇烈,均高于其他生態(tài)系統(tǒng)類型,尤其是重慶、浙江和上海,動態(tài)度分別為7.04%·a-1、6.84%·a-1和4.30%·a-1。2010—2015年,綜合生態(tài)系統(tǒng)類型變化動態(tài)度高于2000—2010年,可見長江經濟帶主要生態(tài)系統(tǒng)的變化正在逐漸增強,尤其是聚落生態(tài)系統(tǒng),除江蘇、上海和浙江聚落生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)度趨于緩慢外,其余省(市)聚落生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)度均高于2000—2010年,尤其是貴州,其年動態(tài)度增加23.79百分點,安徽、湖北、湖南、重慶和四川年動態(tài)度增加量均處于2~3百分點之間,可見這些地區(qū)建設用地擴張進程不斷加快。

      3 討論與結論

      通過生態(tài)系統(tǒng)轉類途徑和幅度與生態(tài)系統(tǒng)類型變化動態(tài)度分析評價了長江經濟帶近15 a來生態(tài)系統(tǒng)宏觀結構的變化特征。在2個時段內,不同類型生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)出不同的變化速率與幅度。

      2000—2010年,長江經濟帶農田、草地生態(tài)系統(tǒng)面積減少,森林、水體與濕地、聚落生態(tài)系統(tǒng)面積增加。2010—2015年,該區(qū)農田、森林和草地生態(tài)系統(tǒng)面積減少,水體與濕地、聚落生態(tài)系統(tǒng)面積增加。退耕還林還草工程的實施與建設用地占用耕地是耕地面積減少的主要原因。2000—2010年,分別有1 903、726和8 660 km2農田轉為森林、草地和聚落,退耕還林還草措施的成效在四川、重慶、云南和貴州4省(市)表現(xiàn)得較為明顯。

      在2個時段內,長江經濟帶聚落生態(tài)系統(tǒng)面積持續(xù)增加,年動態(tài)度增加1.05百分點。從該區(qū)內部分異(東段包括上海、浙江和江蘇,中段包括安徽、江西、湖北、湖南、四川和重慶,西段包括云南和貴州)來看,東段區(qū)域聚落生態(tài)系統(tǒng)變化趨緩,年動態(tài)度分別降低2.92、0.52和3.35百分點;中段和西段地區(qū)聚落生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)度均有所增加。西部大開發(fā)、中部崛起等一系列區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略的實施,吸納了大量資金、人才和技術,促進了經濟社會的快速發(fā)展,使得中西部地區(qū)城鎮(zhèn)擴展速度超過了東部地區(qū)。然而,2010—2015年,長江經濟帶森林、草地生態(tài)系統(tǒng)面積均有所減少,需引起高度重視,避免不合理的土地開發(fā)活動侵占生態(tài)用地,確?!肮沧ゴ蟊Wo、不搞大開發(fā)”,構建區(qū)域生態(tài)安全和經濟社會協(xié)調發(fā)展的空間格局。

      該研究重點分析了長江經濟帶生態(tài)系統(tǒng)宏觀結構變化的數(shù)量特征,而對空間格局變化及其轉類機制涉及較少,后續(xù)研究將側重于空間格局變化分析,以及引起這些變化的驅動因素及其引發(fā)的生態(tài)效應分析,以便更好地評估不同區(qū)域國土空間開發(fā)強度及生態(tài)狀況變化,提升長江經濟帶生態(tài)安全保障能力。

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