典型區(qū)生態(tài)系統(tǒng)格局長時(shí)間序列監(jiān)測與評(píng)價(jià)

馬廣文，孫 聰，王業(yè)耀，李寶林，劉海江，董貴華，何立環(huán)*

（1.中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012；2.中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101）

山區(qū)地形陡峻、沉積物豐富，降雨強(qiáng)度高、雪水融化快，易暴發(fā)山洪和泥石流等災(zāi)害[1]。一個(gè)區(qū)域降水后是否發(fā)生山洪和泥石流，與其生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成關(guān)系密切。對(duì)某一區(qū)域長時(shí)間序列生態(tài)格局監(jiān)測與評(píng)價(jià)研究意義重大。在多期遙感影像支持下，胡云鋒等[2]建立了1975—2009年長時(shí)間序列生態(tài)系統(tǒng)宏觀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫，研究了干旱-半干旱草原典型區(qū)錫林郭勒盟的生態(tài)系統(tǒng)空間分布格局、動(dòng)態(tài)變化及驅(qū)動(dòng)機(jī)制。RAI等[3]基于遙感影像的監(jiān)督分類方法，分析了尼泊爾甘達(dá)基流域內(nèi)的兩個(gè)大城市——博卡拉和巴拉普爾1990—2018年的城市用地變化。Mansour等[4]利用GIS（geographic in?formation system，地理信息系統(tǒng)）和CA-Markov模型技術(shù)監(jiān)測阿曼的山區(qū)城市土地利用和土地覆蓋變化。何改麗等[5]以1985—2015年的4期遙感影像為數(shù)據(jù)源，分析美國佛羅里達(dá)州坦帕灣流域土地開發(fā)利用強(qiáng)度的空間格局。劉楨等[6]利用RS（re?mote sensing，遙感）和GIS技術(shù)，定量分析2005—2010年湖南省永州市錫礦區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)空間格局變化特征；在區(qū)域生態(tài)格局監(jiān)測與評(píng)價(jià)方面，文春波等[7]以2015年遙感分類數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，分析河南省生態(tài)系統(tǒng)類型與空間分布；董小俊[8]以遙感解譯數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用FRAGSTATS 3.3分析贛江流域景觀結(jié)構(gòu)。在利用多源遙感影像開展生態(tài)格局研究方面，利用NDVI（normalized difference veg?etation index，歸一化差異植被指數(shù)）數(shù)據(jù)集開展長時(shí)間序列、大空間尺度陸地生態(tài)系統(tǒng)植被健康和生長態(tài)勢研究，或者是在一些局部地區(qū)開展一些短時(shí)間序列的土地分布格局及其變化研究[9-10]。眾多學(xué)者利用科學(xué)合理的理論和模型對(duì)土地資源進(jìn)行分析，用于提高生態(tài)安全系數(shù)、優(yōu)化土地利用格局和提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值[11-13]。

我國山地面積約占陸地面積的2/3，山洪和泥石流災(zāi)害的廣泛發(fā)育嚴(yán)重地威脅廣大山區(qū)人民生命財(cái)產(chǎn)和重大工程安全，2 058個(gè)縣（區(qū)、市）不同程度地受山洪和泥石流影響，分布區(qū)面積達(dá)4.87×106km2，受威脅人口約5.7億人[14]。本文綜合分析多種因子，在全國范圍內(nèi)確定易發(fā)生洪水和泥石流災(zāi)害的四個(gè)典型區(qū)域：岷江上游流域、白龍江上游、贛江上游和閩江上游流域，建立了典型區(qū)域生態(tài)格局監(jiān)測與評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和計(jì)算模型，基于四個(gè)典型區(qū)域1985—2013年長時(shí)間序列遙感影像，對(duì)典型區(qū)生態(tài)格局進(jìn)行監(jiān)測與評(píng)價(jià)，為區(qū)域生態(tài)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及山洪和泥石流災(zāi)害預(yù)防奠定基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)域概況

綜合分析歷史上曾發(fā)生的山洪和泥石流災(zāi)害情況，包括傷亡指數(shù)、風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)、經(jīng)濟(jì)損失指數(shù)和污染程度指數(shù)等[14-15]，選擇岷江上游流域、白龍江上游、贛江上游和閩江上游流域作為典型區(qū)（圖1）。其中，岷江上游流域包括四川省北部6個(gè)縣域，面積25 470.0 km2；白龍江上游流域位于甘肅省南部和四川省北部，包括6個(gè)縣域，面積25 966.9 km2；贛江上游流域位于江西省南部，包括18個(gè)縣域，面積37 733.9 km2；閩江上游流域位于福建省北部，包括13個(gè)縣域，面積26 955.4 km2；典型研究區(qū)總計(jì)43個(gè)縣域，總面積116 126.2 km2，見圖1。典型區(qū)在災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃、小流域植被減洪能力、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、生態(tài)服務(wù)功能等方面，國內(nèi)學(xué)者已有一定的研究[16-19]。

圖1 典型區(qū)域位置分布Fig.1 Location distribution of typical areas

2 數(shù)據(jù)處理與研究方法

2.1 典型區(qū)生態(tài)系統(tǒng)分類體系

參照全國生態(tài)環(huán)境10年變化（2000—2010年）遙感調(diào)查評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)分類體系[20-21]，典型區(qū)生態(tài)系統(tǒng)分類體系為：一級(jí)生態(tài)系統(tǒng)6類：耕地、草地、森林、濕地、人工表面、其他生態(tài)系統(tǒng)；二級(jí)生態(tài)系統(tǒng)為38類，按照一級(jí)分類體系的順序，二級(jí)生態(tài)系統(tǒng)類型分別為：水田、旱地；草甸、草原、草叢、草本綠地；落葉闊葉林、常綠闊葉林、落葉針葉林、常綠針葉林、針闊混交林、落葉闊葉灌木林、常綠闊葉灌木林、常綠針葉灌木林、灌木園地、喬木園地、喬木綠地、灌木綠地；居住地、工業(yè)用地、交通用地、采礦場；森林沼澤、灌叢沼澤、草本沼澤、湖泊、水庫/坑塘、河流、運(yùn)河/水渠；稀疏林、稀疏灌木林、稀疏草地、苔蘚/地衣、裸土、裸巖、鹽堿地、沙漠/沙地、冰川/永久積雪[22]。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)分類信息提取方法

基于建立的典型區(qū)生態(tài)系統(tǒng)分類信息提取質(zhì)量保障體系，利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行人機(jī)交互解譯，結(jié)合地面核查，提取典型區(qū)生態(tài)系統(tǒng)信息[23-25]。以贛江上游、閩江上游、岷江上游和白龍江上游流域1985年、2000年和2013年三期Land?sat TM/ETM中分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)為主，1985年影像部分利用MSS（multi-spectral scanner，多光譜掃描儀）。為確保影像的質(zhì)量，遙感影像數(shù)據(jù)在時(shí)相、單景影像云量、單景影像噪聲以及影像變形情況等方面的選取均符合質(zhì)量控制要求：采用影像的時(shí)相為6—9月，或者是11、12月，個(gè)別影像選用的3月。遙感數(shù)據(jù)的地理投影參考定為大地基準(zhǔn)：2000國家大地坐標(biāo)系；投影方式采用Albers投影；中央經(jīng)線：110°，原點(diǎn)緯度：12°，標(biāo)準(zhǔn)緯線：北緯25°、北緯47°。影像控制點(diǎn)的選取及分布也達(dá)到幾何校正的技術(shù)要求；點(diǎn)位中誤差（影像分辨率）平原和丘陵≤2倍、山地≤3倍。在鑲嵌后的影像中同一地物類型色彩基本統(tǒng)一、無模糊現(xiàn)象，邊界清晰、無明顯錯(cuò)位。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)格局評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與計(jì)算方法

構(gòu)建典型區(qū)生態(tài)系統(tǒng)格局評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和計(jì)算模型，見表1。應(yīng)用ArcGIS和FRAGSTATS軟件（景觀結(jié)構(gòu)分析軟件）分析[8，26]；生態(tài)系統(tǒng)景觀破碎化分級(jí)趨勢（landscape fragmentation，Lf）用平均斑塊面積或者類平均斑塊面積變化率反映，見表2。以1985年、2000年、2013年為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，基于遙感影像解譯獲取的典型區(qū)生態(tài)系統(tǒng)分類數(shù)據(jù)，分析評(píng)價(jià)岷江上游流域、白龍江上游流域、贛江上游流域和閩江上游流域2013年生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和1985—2013年生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化特征。

表1 典型區(qū)生態(tài)系統(tǒng)格局評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法Table 1 Evaluation indexes and methods for ecosystem pattern of typical areas

表2 典型區(qū)生態(tài)系統(tǒng)景觀破碎化趨勢評(píng)估分級(jí)Table 2 Assessment classification of landscape fragmentation trend in ecosystem of the typical areas

3 結(jié)果與討論

3.1 典型區(qū)生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成

2013年森林、草地、濕地、耕地、人工表面、其他類型生態(tài)系統(tǒng)面積占比，岷江上游流域分別為61.2%、23.7%、11.2%、3.0%、0.4%和0.5%，白龍江上游流域分別為61.5%、21.6%、0.3%、10.1%、0.5%和6.0%，贛江上游流域分別為77.7%、0.5%、1.3%、14.9%、3.4%和2.2%，閩江上游流域分別為84.2%、0.8%、1.2%、9.4%、2.0%和2.4%，四個(gè)流域均以森林生態(tài)系統(tǒng)類型為主。岷江上游流域和白龍江上游流域生態(tài)系統(tǒng)類型呈現(xiàn)出明顯的垂直地帶性分布特點(diǎn)，居住用地主要分布在海拔較低的河流谷地，耕地則主要分布在河谷平原區(qū)。岷江上游流域稀疏草地、裸土和冰川/永久積雪等主要分布在海拔3 500 m以上地區(qū)，耕地則主要分布在成都平原的都江堰地區(qū)。白龍江上游流域稀疏草地或裸巖等主要分布在海拔4 100 m以上地區(qū)，耕地則主要分布在武都區(qū)和宕昌縣河谷地帶。贛江上游流域位于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，植被類型以常綠闊葉林、針闊混交林、常綠闊葉灌木林和常綠針葉林為主，主要位于海拔較高的山區(qū)；在河谷平原與河流階地上主要為耕地和居民地，尤其在章水和貢水兩大支流交匯的平原地區(qū)集中分布。閩江上游流域位于亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候區(qū)，常綠闊葉林和常綠針葉林的分布最廣，常綠針葉林主要有杉木林和馬尾松等，絕大部分為人造林，邵武市、沙縣是福建省杉木中心產(chǎn)區(qū)（圖2）。

圖2 2013年典型區(qū)生態(tài)系統(tǒng)分布Fig.2 Ecosystems distribution of typical areas in 2013

3.2 典型區(qū)生態(tài)系統(tǒng)格局

1985—2013年，岷江上游流域自然生態(tài)系統(tǒng)面積變化幅度相對(duì)較小，30年間森林與草地兩種生態(tài)類型變化幅度小于2%，人工生態(tài)系統(tǒng)面積變化幅度相對(duì)較大，30年間耕地面積減少21.5%，人工表面增加6倍；岷江上游流域斑塊數(shù)增加了5.2%，平均斑塊面積減少了5.0%，邊界密度由35.8 m/ha增加到36.9 m/ha；聚集度指數(shù)也由64.6%減少到64.1%（圖3），四個(gè)指標(biāo)都表明岷江上游流域景觀格局破碎化趨勢明顯，景觀類型分布更為分散；岷江上游流域濕地類斑塊面積增加了11.9%，人工表面類斑塊面積增加了72.0%，耕地類斑塊面積減少了22.7%，其他類型類斑塊面積減少了17.0%，森林類斑塊面積減少了1.3%，草地類斑塊面積減少了2.6%（圖4），濕地和人工表面景觀格局破碎度減小，耕地和其他生態(tài)系統(tǒng)類型景觀格局破碎度增加，森林與草地破碎度總體保持穩(wěn)定。

圖3 1985—2013年典型區(qū)一級(jí)生態(tài)系統(tǒng)景觀格局特征Fig.3 Landscape pattern characteristics at level one ecosystem of typical areas from 1985 to 2013

圖4 1985—2013年典型區(qū)一級(jí)生態(tài)系統(tǒng)類斑塊平均面積變化Fig.4 Average area change of mean patch size of type at level one ecosystem from 1985 to 2013

1985—2013年，白龍江上游流域自然生態(tài)系統(tǒng)面積變化幅度小于5%，人工生態(tài)系統(tǒng)面積變化幅度相對(duì)較大，30年間耕地面積減少17.28%，人工表面增加58.67%；斑塊數(shù)減少了0.4%，平均斑塊面積增加了0.4%，邊界密度由43.0 m/ha減少到42.3 m/ha，聚集度指數(shù)則由61.5%增加到62.0%（圖3），四個(gè)指標(biāo)都表明白龍江上游流域各景觀類型分布趨向于聚集，分布更為集中。白龍江上游流域濕地類斑塊面積增加了13.7%，人工表面類斑塊面積增加了45.8%，耕地類斑塊面積減少了17.8%，森林類斑塊面積增加了3.0%，草地類斑塊面積增加了4.8%，其他類型類斑塊面積增加了2.3%（圖4），濕地和人工表面景觀格局破碎度減小，耕地景觀格局破碎度增大，森林、草地與其他生態(tài)系統(tǒng)類型景觀格局破碎度總體較為穩(wěn)定。

1985—2013年，贛江上游流域自然生態(tài)系統(tǒng)面積變化幅度小于1%。人工生態(tài)系統(tǒng)面積變化幅度相對(duì)較大，耕地面積減少10.7%，人工表面增加150.8%，2000年后擴(kuò)張的速度是2000年前擴(kuò)張速度的5.2倍。斑塊數(shù)由63 645個(gè)增加到2000年的67 048個(gè)，而后又減少到2013年的51 879個(gè)，30年間整體上減少了18.5%；平均斑塊面積由原來的59.3 ha減少到2000年的56.3 ha，而后又增加到2013年的72.7 ha，整體上增加了22.6%。邊界密度由31.7 m/ha增加到2000年的32.2 m/ha，而后又減少到2013年的30.7 m/ha，整體上呈減少趨勢；聚集度指數(shù)則一直減少，由74.1%減少到72.8%（圖3），四個(gè)指標(biāo)均顯示贛江上游流域景觀格局破碎度減小的趨勢；贛江上游流域森林類斑塊面積增加了26.1%，耕地類斑塊面積增加了11.0%，人工表面類斑塊面積由原來的6.7 ha增加到14.8 ha，增加了120.9%，其他類型類斑塊面積由原來的4.9 ha，增加到8.0 ha，增加了63.3%，濕地類斑塊面積由原來的22.2 ha減少到20.2 ha，減少了9.0%，草地類斑塊面積由原來的12.5 ha增加到13.2 ha，增加了5.6%，基本保持穩(wěn)定（圖4），森林、耕地、人工表面和其他生態(tài)系統(tǒng)類型景觀格局破碎度減小，濕地景觀格局破碎度增大，草地破碎度總體保持穩(wěn)定。

1985—2013年，閩江上游流域草地和稀疏林等自然生態(tài)系統(tǒng)面積持續(xù)減少，減小比例超過35%；居住地、工業(yè)用地、交通用地和采礦場都保持持續(xù)增加，大部分增加的比例超過100%，耕地面積明顯減少，減少比例為4.4%；斑塊數(shù)增加了11.4%，平均斑塊面積減少了10.2%，邊界密度由21.9 m/ha增加到22.6 m/ha，聚集度指數(shù)也由78.3%減少到78.0%（圖3），四個(gè)指標(biāo)都表明閩江上游流域景觀格局破碎化趨勢明顯；閩江上游流域人工表面景觀斑塊面積由原來的10.1 ha增加到15.8 ha，呈增加趨勢，城鎮(zhèn)化迅速，在城鎮(zhèn)化的過程中伴隨著自然生態(tài)系統(tǒng)的開采、占用和破壞，其他各生態(tài)系統(tǒng)的類斑塊面積都呈現(xiàn)減少趨勢；森林類斑塊面積減少了28.1%，草地類斑塊面積減少了19.5%，濕地類斑塊面積減少了5.2%，耕地類斑塊面積減少了24.4%，其他生態(tài)系統(tǒng)斑塊面積減少了5.2%（圖4），森林、草地、濕地、耕地和其他生態(tài)系統(tǒng)破碎化趨勢明顯，只有人工表面景觀格局破碎化程度減弱態(tài)勢，人工表面面積持續(xù)增加，尤以2000—2013年增加更為明顯。

3.3 討論

典型區(qū)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)區(qū)域特征比較明顯：緯度較高、位置接近的岷江上游和白龍江上游流域以森林和草地兩種生態(tài)系統(tǒng)類型為主，且由于落差大呈現(xiàn)出明顯的垂直地帶性分布特點(diǎn)；緯度較低、位置接近的贛江上游和閩江上游流域是以森林和耕地兩種生態(tài)系統(tǒng)類型為主。1985—2013年典型區(qū)城鎮(zhèn)化進(jìn)程較快，耕地和人工表面受人為活動(dòng)干擾變化相對(duì)明顯，四個(gè)典型區(qū)人工表面景觀格局破碎化程度減小，呈聚集態(tài)勢，其他自然生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、景觀特征未發(fā)生明顯變化。30年間典型區(qū)生態(tài)格局受所處自然條件、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和階段性政策影響明顯，從2000年開始我國實(shí)施退耕還林還草工程，四個(gè)典型區(qū)在白龍江上游體現(xiàn)最明顯；2000—2013年白龍江上游耕地面積減少，林地和草地增加，岷江上游和閩江上游林地和草地未增加，贛江上游耕地、林地和草地均增加，可能在更大區(qū)域上體現(xiàn)出政策影響。

本研究對(duì)典型區(qū)長時(shí)間序列的生態(tài)格局監(jiān)測和評(píng)價(jià)研究，旨在介紹研究方法和項(xiàng)目研究成果，便于讀者利用類似衛(wèi)星遙感資料，借鑒本研究方法，研究典型區(qū)生態(tài)格局的時(shí)空變化特征，加以應(yīng)用，為評(píng)估山洪和泥石流風(fēng)險(xiǎn)、優(yōu)化生態(tài)結(jié)構(gòu)奠定基礎(chǔ)，以利于預(yù)防和減輕典型區(qū)山洪和泥石流災(zāi)害。

4 結(jié)論

基于1985年、2000年、2013年的遙感影像，按照典型區(qū)生態(tài)系統(tǒng)分類體系解譯獲取生態(tài)系統(tǒng)分類數(shù)據(jù)，構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)格局評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和計(jì)算模型，分析評(píng)價(jià)岷江上游流域、白龍江上游流域、贛江上游流域和閩江上游流域2013年生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和1985—2013年生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和景觀特征。

1）2013年岷江上游和白龍江上游流域以森林和草地兩種生態(tài)系統(tǒng)類型為主，分別占到各自區(qū)域總面積的84.9%和83.1%。贛江上游和閩江上游流域是以森林和耕地兩種生態(tài)系統(tǒng)類型為主，分別占到各自區(qū)域總面積的92.6%和93.6%。

2）1985—2013年，典型區(qū)自然生態(tài)系統(tǒng)面積變化幅度，閩江上游流域相對(duì)較大，草地生態(tài)系統(tǒng)減少超過35%，其次為白龍江上游流域森林與草地兩種生態(tài)類型變化幅度小于5%，再次為岷江上游流域森林與草地兩種生態(tài)類型變化幅度小于2%，贛江上游流域變化最小，森林生態(tài)系統(tǒng)變化幅度小于1%。

3）1985—2013年，岷江上游流域區(qū)域整體景觀破碎化趨勢明顯，景觀類型分布更為分散；濕地和人工表面景觀格局破碎度減小，耕地和其他生態(tài)系統(tǒng)類型景觀格局破碎度增加，森林與草地破碎度總體保持穩(wěn)定。白龍江上游流域各景觀類型分布趨向于聚集，分布更為集中；濕地和人工表面景觀格局破碎度減小，耕地景觀格局破碎度增大，森林、草地與其他生態(tài)系統(tǒng)類型景觀格局破碎度總體較為穩(wěn)定。贛江上游流域整體景觀破碎度先增加后減小，1985—2013年破碎化趨勢有所減小；森林、耕地、人工表面和其他生態(tài)系統(tǒng)類型景觀格局破碎度減小，濕地景觀格局破碎度增大，草地破碎度總體保持穩(wěn)定。閩江上游流域整體景觀破碎化趨勢明顯；森林、草地、濕地、耕地和其他生態(tài)系統(tǒng)破碎化趨勢明顯，人工表面景觀格局破碎化程度減小呈聚集態(tài)勢。