2000－2010年遼河流域生態(tài)系統(tǒng)功能變化評估

鄭嬌琦，王華斌，劉偉玲，張林波

（1.北京國測星繪信息技術(shù)有限公司，北京101300；2.國家測繪地理信息局衛(wèi)星測繪應(yīng)用中心，北京101300；3.中國環(huán)境科學(xué)研究院 國家環(huán)境保護(hù)區(qū)域生態(tài)過程與功能評估重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100012）

生態(tài)系統(tǒng)功能是指生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)系統(tǒng)過程形成及維持的人類賴以生存的自然環(huán)境條件和效用［1］。隨著能量和物質(zhì)等的不斷交流，生態(tài)系統(tǒng)亦產(chǎn)生不斷的變化［2］。其動態(tài)變化過程可以用來衡量其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，為區(qū)域的生態(tài)環(huán)境治理、規(guī)劃發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。植被是生態(tài)系統(tǒng)的主要組分，植被覆蓋度是衡量地表植被生長狀況的重要指標(biāo)［3］；水源涵養(yǎng)能力和土壤侵蝕強(qiáng)度是反映研究區(qū)水資源狀況和水土流失情況的重要指標(biāo)［4－5］；生物多樣能夠體現(xiàn)生物資源的豐富性。因此本文以RS和GIS技術(shù)為基礎(chǔ)，利用TM影像、植被NDVI以及氣象等數(shù)據(jù)，計(jì)算2000—2010年遼河流域土地利用、景觀格局、植被覆蓋、水源涵養(yǎng)、土壤侵蝕以及生物多樣性等指標(biāo)的變化，分析近10a來遼河流域生態(tài)系統(tǒng)基本狀況，以期為遼河流域的生態(tài)環(huán)境治理、發(fā)展規(guī)劃開發(fā)提供參考。

1 研究區(qū)概況

遼河流域位于我國東北地區(qū)的西南部，是全國重要的七大流域之一，東部地區(qū)最大的河流。源于河北省，流經(jīng)河北省、內(nèi)蒙古自治區(qū)、吉林省、遼寧省，注入渤海。本研究區(qū)域?yàn)檫|河流域遼寧省段，地處我國東北地區(qū)南部，呈菱形分布在遼寧省的中部，面積為6.6萬km2，主要包括遼河、渾河、太子河、大遼河四條一級河流。遼河流域地處北溫帶半濕潤半干旱區(qū)，屬大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，春季干燥多風(fēng)沙，夏季高溫多雨，秋季歷時(shí)短，冬季寒冷干燥。多年平均氣溫4～9℃，多年平均降水量時(shí)空分布不均勻，降水時(shí)間多集中在7—8月份，空間分布上整體呈現(xiàn)由東部向西部遞減趨勢，東部山丘區(qū)800～950mm，西部僅為300～500mm。研究區(qū)內(nèi)土壤主要包括棕壤、草甸土、水稻土、潮土、風(fēng)沙土等。流域內(nèi)自然植被類型多樣，具有溫帶草原、暖溫帶落葉闊葉林以及帶性灌叢等植被類型［6］。

2 研究數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

土地利用數(shù)據(jù)以2000年和2010年2期Landsat TM影像作為數(shù)據(jù)源，解譯生成土地利用數(shù)據(jù)，一級生態(tài)分類系統(tǒng)為林地、灌叢、草地、濕地、耕地、城鎮(zhèn)、荒漠7種類型；NDVI數(shù)據(jù)來源于2000年到2010年MODIS數(shù)據(jù)中的植被指數(shù)（MOD13A3）的數(shù)據(jù)，空間分辨率為1km×1km，時(shí)間分辨率為30d；1∶100萬的土壤圖，來源于全國第二次土壤普查；降雨數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)，包括遼河流域范圍內(nèi)10個氣象站點(diǎn)的2000年和2010年的月降雨量和年降雨量。

2.2 研究法方法

2.2.1 土壤侵蝕 采用通用土壤流失方程（USLE）計(jì)算土壤侵蝕。該方程于20世紀(jì)60年代提出，是目前土壤侵蝕量估算中應(yīng)用較為廣泛的方法。USLE結(jié)構(gòu)簡單，所需參數(shù)易于獲取，結(jié)果可靠，在美國乃至世界范圍內(nèi)得到了迅速的推廣和應(yīng)用［7］。USLE模型只考慮與土壤侵蝕相關(guān)的各個因子，它通過獲取這些因子的相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行深入地統(tǒng)計(jì)分析，擬合多元回歸方程，然后建立各影響因子與土壤侵蝕相互關(guān)系的模型［8］。USLE模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：A——年均土壤侵蝕量［t／（km2·a）］；Ri——第i月降雨侵蝕力因子［MJ·mm／（hm2·h·a）］；K——土壤可蝕性因子［t／hm2·h／（MJ·mm·hm2）］；LS——地形因子，無量綱，其中L——坡長因子，S——坡度因子；C——植被覆蓋因子，無量綱；P——水土保持措施因子，無量綱。

采用Wischmeier經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算降雨侵蝕力R。Wischmeier等［9］經(jīng)驗(yàn)公式，它以月平均、年平均降雨量為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，計(jì)算公式為：

式中：P——年降雨總量（mm），Pi——每年1—12月第i月的降雨量（mm）。根據(jù)2000年和2010年的降雨數(shù)據(jù)，逐月率定降雨侵蝕力因子。

采用 Willams等［10］在EPIC（Erosion Productivity Impact Calculator）模型中土壤可蝕性因子K值計(jì)算方法，計(jì)算公式為：

式中：Sd——砂粒含量（%）；Si——粉粒含量（%）；Ci——黏粒含量（%）；C——有機(jī)質(zhì)含量（%）。

地形因子LS，是指在其他條件相同的情況下，特定坡面（特定坡度和坡長）的土壤流失量與標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)土壤流失量之比值。其值為坡長因子L與坡度因子S的乘積，計(jì)算公式為：

利用馬超飛［11］等采用線性像元分解法建立的C與植被覆蓋度Fc之間的關(guān)系式，分別計(jì)算植被覆蓋因子，計(jì)算公式為：

式中：C——植被覆蓋因子；FC——植被覆蓋度。計(jì)算得到2000年和2010年30m×30m的C因子?xùn)鸥駡D層。

2.2.2 水源涵養(yǎng)計(jì)算 水源涵養(yǎng)量通過降水量、蒸發(fā)量及土壤涵養(yǎng)水源能力等關(guān)系推算，其中蒸散發(fā)量還可以采用等價(jià)的徑流量系數(shù)表達(dá)。此方法既能反映區(qū)域?qū)嶋H水源涵養(yǎng)量的平均狀況，其動態(tài)分析又能反映水源涵養(yǎng)能力的變化。

式中：Wi——研究區(qū)域的年水源涵養(yǎng)量（m3）；Ai——土地利用類型面積（hm2）；Fi——植被覆蓋度；Ki——發(fā)育度指數(shù)；Pi——年降雨量；?——徑流系數(shù)。

2.2.3 生物多樣性保護(hù) 采用InVEST模型中的生境質(zhì)量指數(shù)來進(jìn)行評價(jià)，計(jì)算公式如下：

式中：Qxj——土地利用與土地覆蓋j中柵格x的生境質(zhì)量；Hj——土地利用與土地覆蓋j的生境適合性；Dxj——土地利用與土地覆蓋或生境類型j柵格x的生境脅迫水平；K——半飽和常數(shù)［12］。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化

利用遼河流域2000年和2010年2期遙感影像，結(jié)合實(shí)地考察，解譯出土地利用數(shù)據(jù)，分析得出遼河流域土地利用變化情況，見表1和表2。選擇研究區(qū)的野外實(shí)測GPS點(diǎn)和隨機(jī)取樣點(diǎn)對分類精度進(jìn)行評價(jià)，兩期影像整體分類精度大于87%，kappa系數(shù)大于0.86，達(dá)到了研究所需的標(biāo)準(zhǔn)。

由表1可得，遼河流域以耕地為主，2010年面積為34 931.6km2所占比例52.8%。森林其次，面積為19 449.3km2約占29.4%。10a間主要增加土地利用類型為城鎮(zhèn)，增加面積為1 134.5km2；主要減少的土地利用為耕地，減少面積為1 160.6km2；其他土地利用類型中草地、荒漠、灌叢有所增加，森林、濕地略有下降。由表2可知，從2000—2010年遼河流域土地利用主要轉(zhuǎn)化類型是耕地向城鎮(zhèn)的轉(zhuǎn)變，面積為1 038.9km2，占城鎮(zhèn)增加面積的91.57%；其次是耕地轉(zhuǎn)化為濕地以及濕地轉(zhuǎn)化為城鎮(zhèn)，面積分別為100.4km2，91.1km2。表明10a來遼河流域城鎮(zhèn)在不斷擴(kuò)張，但是并沒有破壞生態(tài)用地。

表1 2000－2010年遼河流域土地利用變化

表2 2000－2010年遼河流域土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 km2

3.2 景觀格局變化

利用Fragstat4.1軟件計(jì)算遼河流域全區(qū)域以及各生態(tài)類型的景觀格局指數(shù)變化情況，如表3所示。結(jié)果表明：2000—2010年，遼河流域總區(qū)域斑塊總數(shù)略有增加，平均斑塊面積和聚集度指數(shù)有所減少，景觀格局整體趨于破碎。其中，2個時(shí)期斑塊數(shù)最多的土地利用類型為城鎮(zhèn)，且10a來斑塊數(shù)有少量增加，平均斑塊面積增加，邊界密度和聚集度指數(shù)略變大，顯示城鎮(zhèn)類型的聚合度也有少許增加，景觀斑塊趨于集中或連片，表明城鎮(zhèn)有發(fā)展的趨勢。耕地的斑塊數(shù)有所增加，平均斑塊面積減少，邊界密度略有增加，聚集度指數(shù)有少量下降，顯示人類活動干擾日益增強(qiáng)，耕地有分散的發(fā)展趨勢。濕地類型的斑塊數(shù)10a來有所增加的，而平均斑塊面積減小，邊界密度和聚集度變化并不顯著，表明10a來濕地盡管有斑塊數(shù)量上的增加，但整體格局依然延續(xù)，沒有發(fā)生太大變化。其他土地利用類型10a間景觀格局狀況基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 植被覆蓋度變化

植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，是聯(lián)結(jié)土壤、大氣和水分等要素的自然紐帶，在全球變化中充當(dāng)指示器的作用［13］。歸一化植被指數(shù)（Normal Difference Vegetation Index，NDVI）與植被覆蓋度、葉面積指數(shù)呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系，而且對植被的生長勢和生長量非常敏感，可以很好的反映地表植被的繁密程度［14］。是當(dāng)前研究植被覆蓋時(shí)空變化的最常用遙感數(shù)據(jù)。采用最大化合成法（Maximum Value Composite，MVC）將月最大化NDVI數(shù)據(jù)合稱為年最大化NDVI序列，得出遼河流域2000—2010年NDVI年際變化趨勢圖（圖1）。由圖1可得，10a間，研究區(qū)內(nèi)NDVI呈波動上升趨勢（R2＝0.4234，p＜0.05）。運(yùn)用差值法比較遼河流域2000年和2010年的植被覆蓋，如附圖8所示。結(jié)果表明：2000—2010年，植被NDVI上升的區(qū)域占總面積的80.23%，上升超過20%的區(qū)域也占總面積的15.25%，下降超過20%的區(qū)域不足2%?？傮w上，研究區(qū)內(nèi)植被覆蓋度顯著提高。

表3 2000－2010年遼河流域景觀格局變化

圖1 2000－2010遼河流域NDVI變化

3.4 土壤侵蝕變化

遼河流域2000年和2010年土壤侵蝕類型以微度和輕度侵蝕為主，平均土壤侵蝕模數(shù)分別為45.23 t／（km2·a），143.83t／（km2·a），低于水利部頒發(fā)的容許土壤流失量200t／（km2·a）［15］；2000年和2010年微度侵蝕和輕度侵蝕的侵蝕范圍面積之和都在99%以上，總體上水土保持良好（表4）。2000—2010年，研究區(qū)共有9 040.57km2面積發(fā)生不同程度的侵蝕類型變化，占研究區(qū)總面積的13.81%；其中有94.38%是低侵蝕界別向高侵蝕級別轉(zhuǎn)移，而且劇烈侵蝕等級增加幅度較大。表明遼河流域土壤侵蝕有加劇的趨勢。將計(jì)算結(jié)果與國家環(huán)保部衛(wèi)星中心計(jì)算的全國土壤侵蝕結(jié)果進(jìn)行比對，兩個結(jié)果的空間分布與年際變化趨勢一致。

表4 2000－2010遼河流域土壤侵蝕強(qiáng)度變化

3.5 水源涵養(yǎng)變化

由表5可得，2000年遼河流域生態(tài)系統(tǒng)總水源涵養(yǎng)量以及單位面積水源涵養(yǎng)量分別為9.529×109t和1.4397×105t，2010 年 分 別 為 1.1344×1010t和1.7136×105t；較2000年相比，2010年遼河流域總水源涵養(yǎng)量和單位面積水源涵養(yǎng)量分別增加1.815×109t和2.742×104t。表明2000—2010年，遼河流域水源涵養(yǎng)能力有所增加。

3.6 生物多樣性保護(hù)

基于土地利用圖、與土地利用相關(guān)的生境可持續(xù)性和生境受威脅密度，用InVEST生物多樣性模型模擬了遼河流域2000年和2010年生境質(zhì)量空間分布?；贜atural Breaks法將遼河流域生境質(zhì)量等級空間分布劃分為3等級［13］。由表6可得，遼河流域生境質(zhì)量主要處在低等級，2010年面積比例為68.97%，其次是高等級，中等級所占比例最小。10a來，低等級生境質(zhì)量面積減少，中、高等級生境質(zhì)量面積都在增加，表明遼河流域生境質(zhì)量整體有提高趨勢。

表5 2000－2010年遼河流域水源涵養(yǎng)能力變化

表6 2000年、2010年遼河流域生物多樣性保護(hù)變化

4 結(jié) 論

（1）遼河流域土地利用類型以耕地為主，10a間主要增加土地利用類型為城鎮(zhèn)，面積主要減少的土地利用為耕地；土地利用主要轉(zhuǎn)化類型是耕地向城鎮(zhèn)的轉(zhuǎn)變，面積為1038.9km2，其次是耕地轉(zhuǎn)化為濕地以及濕地轉(zhuǎn)化為城鎮(zhèn)，面積分別為100.4，91.1km2。

（2）景觀格局方面，流域內(nèi)斑塊總數(shù)略有增加，平均斑塊面積和聚集度指數(shù)有所減少，景觀格局整體趨于破碎。其中，城鎮(zhèn)景觀斑塊趨于集中或連片，城鎮(zhèn)有發(fā)展的趨勢；耕地受人類活動干擾日益增強(qiáng)，有分散的發(fā)展趨勢。其他土地利用類型10a間基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。表明10a來遼河流域城鎮(zhèn)在不斷擴(kuò)張，但是并沒有破壞生態(tài)用地。

（3）2000—2010年，研究區(qū)年際NDVI呈現(xiàn)波動上升趨勢，空間上NDVI上升的區(qū)域占總面積的80.23%，上升超過20%的區(qū)域也占總面積的15.25%，下降超過20%的區(qū)域不足2%。表明遼河流域植被覆蓋度顯著提高。

（4）近10a間，遼河流域總水源涵養(yǎng)量增加1.815×109t；生境質(zhì)量由低等級向高等級轉(zhuǎn)變，生物多樣性保護(hù)能力提高；雖然土壤侵蝕強(qiáng)度有所增強(qiáng)，但這一定程度上受2010年降水量大幅增加影響。

本研究采用了較為成熟的模型方法對遼河流域十年來生態(tài)系統(tǒng)功能變化進(jìn)行了評估。由于數(shù)據(jù)資料和技術(shù)方法的限制，本研究對遼河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能變化評估也只是粗略的、不完整的評估。但即使一個這樣評估，也能夠反映近十年來遼河流域生態(tài)服務(wù)狀況的變化趨勢，給政策管理者和決策者提供流域生態(tài)文明建設(shè)的科學(xué)依據(jù)，對于流域的保護(hù)和有效的管理起到了重要的作用。

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