長(zhǎng)蕩湖流域生態(tài)資產(chǎn)動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測(cè)研究

張沛霖，李 丹，湯旭光

(1.江蘇省太湖地區(qū)水利工程管理處，江蘇 蘇州 215128；2.江蘇省水文水資源勘測(cè)局常州分局，江蘇 常州 213001；3.中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，南京 210008)

生態(tài)資源是人類社會(huì)生存發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，生態(tài)資源需求也會(huì)隨之增加。發(fā)展過程中帶來的生態(tài)破壞與環(huán)境污染必將導(dǎo)致生態(tài)資源對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)支撐能力逐步下降，致使生態(tài)資源成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素，而造成這一現(xiàn)象的主要原因是未將生態(tài)資源轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂忻鞔_價(jià)值的生態(tài)資產(chǎn)[1]。將生態(tài)資產(chǎn)價(jià)值化體現(xiàn)的是實(shí)現(xiàn)生態(tài)資產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的重要方式[2]。因此，對(duì)生態(tài)資產(chǎn)價(jià)值進(jìn)行定量評(píng)估，及時(shí)、準(zhǔn)確、客觀地掌握區(qū)域生態(tài)資產(chǎn)質(zhì)量狀況及其動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，不僅可以對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量從經(jīng)濟(jì)學(xué)的角度進(jìn)行衡量，而且能夠讓全社會(huì)高度重視環(huán)境建設(shè)[3]，對(duì)保障區(qū)域生態(tài)安全，實(shí)現(xiàn)人與自然雙和諧的生態(tài)文明建設(shè)目標(biāo)，以及實(shí)現(xiàn)美麗中國(guó)的夢(mèng)想具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)概況

據(jù)2016 年5 月11 日國(guó)務(wù)院正式批準(zhǔn)的《長(zhǎng)江三角洲城市群發(fā)展規(guī)劃》，長(zhǎng)三角城市群由以上海為核心、聯(lián)系緊密的多個(gè)城市組成，規(guī)劃范圍包括上海市，江蘇省的南京、無錫、常州、蘇州、南通、鹽城、揚(yáng)州、鎮(zhèn)江、泰州，浙江省的杭州、寧波、嘉興、湖州、紹興、金華、舟山、臺(tái)州，安徽省的合肥、蕪湖、馬鞍山、銅陵、安慶、滁州、池州、宣城等26市，國(guó)土面積21.17 萬km2。作為中國(guó)經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)、城鎮(zhèn)集聚程度最高的城市化地區(qū)，此次通過的《長(zhǎng)江三角洲城市群發(fā)展規(guī)劃》對(duì)長(zhǎng)三角城市群確立了更高的定位。長(zhǎng)蕩湖作為太湖流域第三大淡水湖泊，是一個(gè)集飲用水源、農(nóng)業(yè)灌溉、洪澇調(diào)節(jié)和漁業(yè)生產(chǎn)等多功能于一體的淺水草型湖泊，被省和常州市列為重點(diǎn)保護(hù)水源地，但是又面臨工業(yè)化和城市化快速發(fā)展的壓力，將導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)環(huán)境承載力與經(jīng)濟(jì)開發(fā)過大的矛盾沖突加劇，誘發(fā)一系列令人擔(dān)憂的生態(tài)環(huán)境問題，因此有必要系統(tǒng)梳理長(zhǎng)期以來長(zhǎng)蕩湖流域生態(tài)資產(chǎn)動(dòng)態(tài)變遷特征。

2 數(shù)據(jù)來源及方法

本研究旨在利用遙感技術(shù)，在對(duì)生態(tài)系統(tǒng)類型、質(zhì)量狀況參數(shù)測(cè)量的基礎(chǔ)上，建立生態(tài)資產(chǎn)遙感定量計(jì)算模型，結(jié)合前人的研究成果，對(duì)長(zhǎng)蕩湖流域生態(tài)資產(chǎn)分四期進(jìn)行定量計(jì)算并動(dòng)態(tài)評(píng)估，以期得到能夠準(zhǔn)確反映該區(qū)域生態(tài)資產(chǎn)時(shí)空分布狀況，為進(jìn)一步推動(dòng)生態(tài)資產(chǎn)遙感定量化研究提供參考。

2.1 生態(tài)資產(chǎn)遙感估算模型

生態(tài)資產(chǎn)是區(qū)域內(nèi)所有生態(tài)系統(tǒng)所能提供的服務(wù)及其資源價(jià)值的總和，隨著區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量及分布的變化而變化[4]，可表示為：

(1)

(2)

Rij=f(A1,A2,…,An)

(3)

式中：Vc為第c類生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)資產(chǎn)價(jià)值；c為生態(tài)系統(tǒng)類型；i為第c類生態(tài)系統(tǒng)的第i種生態(tài)服務(wù)功能；Vci為第c類生態(tài)系統(tǒng)的第i種生態(tài)服務(wù)功能類型的單位面積價(jià)值；j為一定區(qū)域內(nèi)第c類生態(tài)系統(tǒng)在空間上分布的象元數(shù)；Sij為各個(gè)象元面積的大??；Rij表示每個(gè)象元的生態(tài)調(diào)整系數(shù)，它是由生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量狀況決定；A1，A2，…，An是表征生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量狀況的參數(shù)，不同質(zhì)量狀況同一生態(tài)系統(tǒng)Vci是不同的，其差別由Rij來調(diào)整。

本研究選取植被覆蓋度(fj)和植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)作為表征生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量狀況的參數(shù)，對(duì)于任一象元，生態(tài)調(diào)整系數(shù)可表示為：

(4)

式中：NPPmean和fmean為區(qū)域內(nèi)第c類生態(tài)系統(tǒng)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的均值和植被覆蓋度的均值；NPPj和fj為第j象元實(shí)際的凈初級(jí)生產(chǎn)力和植被覆蓋度。

2.2 土地利用/覆被數(shù)據(jù)遙感解譯

基于2000、2005、2010及2015年四期陸地資源衛(wèi)星數(shù)據(jù)，獲取土地利用/覆被數(shù)據(jù)及生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量狀況參數(shù)的定量反演，選取同一時(shí)相以保證不同時(shí)期數(shù)據(jù)間的一致性?；诿嫦?qū)ο蟮能浖僮髌脚_(tái)eCognition獲取各時(shí)期長(zhǎng)蕩湖流域土地覆被數(shù)據(jù)。主要考慮生態(tài)資產(chǎn)評(píng)估目標(biāo)、數(shù)據(jù)可獲取條件和流域土地利用特點(diǎn)，將長(zhǎng)蕩湖流域土地覆蓋劃分為耕地、林地、草地、水體、濕地、建設(shè)用地和裸地等類型。

2.3 植被覆蓋度遙感反演

植被覆蓋度(f)被定義為植被投影面積在單位地表面積上的比例，它與葉面積指數(shù)可以作為衡量地表植被質(zhì)量狀況[5]?？紤]到模型的實(shí)際應(yīng)用，可以認(rèn)為每個(gè)象元的NDVI值由植被覆蓋部分(fv)和裸土部分(1-fv)的NDVI值合成，應(yīng)用線性混合模型進(jìn)行分解。

2.4 生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力定量測(cè)量

植被生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)作為表征植被活動(dòng)的關(guān)鍵變量，在全球變化研究及區(qū)域生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)中起著重要的作用。本研究計(jì)算NPP時(shí)采用改進(jìn)的光能利用率模型[6]。

NPP=FPARPARεmaxf(T1,T2,W)

(5)

式中：T1，T2和W分別為2個(gè)溫度和水分脅迫對(duì)光能利用率的限制作用，隨著環(huán)境有效水分的增加，W逐漸增大；PAR為到達(dá)地表的光合有效輻射，利用氣候?qū)W方法確定；FPAR為植被所吸收的光合有效輻射比例，根據(jù)植被指數(shù)確定。

2.5 主要生態(tài)系統(tǒng)類型價(jià)值核算參數(shù)

優(yōu)化Costanza 價(jià)值體系建立一個(gè)基于專家知識(shí)的價(jià)值體系標(biāo)準(zhǔn)[7]，即林地、草地、農(nóng)田、濕地、河流/湖泊、建設(shè)用地及裸地的單位面積價(jià)值分別為1.262 869、0.524 1、0.354 789、2.459 721、2.036 669、0.154 1和0.049 萬元/(hm2·a)。流域各象元實(shí)際的生態(tài)價(jià)值利用生態(tài)調(diào)整系數(shù)進(jìn)行修正，而后對(duì)長(zhǎng)蕩湖流域各時(shí)期生態(tài)資產(chǎn)進(jìn)行空間核算。

3 結(jié)果與分析

3.1 流域土地利用變化格局

圖1 長(zhǎng)蕩湖流域2000、2005、2010與2015年土地利用/覆被

圖2 長(zhǎng)蕩湖流域各時(shí)期土地利用類型面積統(tǒng)計(jì)

地利用數(shù)據(jù)均表明該區(qū)域的主要土地利用類型依次為耕地、水體、建設(shè)用地、林地，而濕地、草地及裸地的分布及比例則較少(見圖2)。同時(shí)表明，該區(qū)域隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及城市長(zhǎng)蕩湖流域土地利用/覆被遙感解譯結(jié)果如圖1所示。對(duì)各土地利用類型面積及比例分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可知，近15 a四期土化的不斷擴(kuò)張，耕地面積不斷減少，近年來有所減緩，而城市建設(shè)用地則不斷外延。林地分布自2000年起持續(xù)減少，2010年最低，近年來有所增長(zhǎng)。水體面積2000-2010年持續(xù)增加，近年來趨于萎縮。濕地面積呈現(xiàn)出不斷增加趨勢(shì)，由2000年的5.5 km2至近年的8.4 km2。

3.2 流域生態(tài)資產(chǎn)時(shí)空動(dòng)態(tài)

基于各時(shí)期土地利用/覆被分布、生態(tài)調(diào)整系數(shù)及單位面積各生態(tài)系統(tǒng)類型生態(tài)價(jià)值參數(shù)等數(shù)據(jù)，對(duì)長(zhǎng)蕩湖流域生態(tài)資產(chǎn)進(jìn)行空間核算，如圖3所示。長(zhǎng)蕩湖流域生態(tài)資產(chǎn)總量呈先增長(zhǎng)后下降趨勢(shì)，由2000年的14.65億元增加到2005年的14.97 億元，至2010年達(dá)到最大，約為16.52億元；近年來，生態(tài)資產(chǎn)有所減少，2015年為16.13億元。相對(duì)2000年而言，2015年總量整體增加了1.48億元，占2000年生態(tài)資產(chǎn)問題的10.1%(見表1)。

圖3 長(zhǎng)蕩湖流域各時(shí)期生態(tài)資產(chǎn)空間分布狀況

表1 長(zhǎng)蕩湖流域生態(tài)資產(chǎn)總量變化 億元

四期數(shù)據(jù)均表明長(zhǎng)蕩湖流域生態(tài)資產(chǎn)構(gòu)成以水體和耕地為主，分別介于42.8%～52.1%與35.8%～42.5%之間；林地次之，約占總量的8.6%～13.5%；而濕地、草地、建設(shè)用地及裸地對(duì)生態(tài)資產(chǎn)總量的貢獻(xiàn)則較小，合計(jì)不到4.0%。這主要受區(qū)域土地利用類型構(gòu)成影響，同時(shí)也與采用的價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)體系有關(guān)。河流、湖泊等水體生態(tài)資產(chǎn)2000-2015年變化趨勢(shì)與流域整體變化保持一致，由2000年的6.28億元增加至2010年的8.61億元，而后有所減少，2015年為7.54億元。耕地對(duì)流域生態(tài)資產(chǎn)貢獻(xiàn)受耕地面積持續(xù)縮減影響，自2000-2015年由6.23億元下降至5.77億元，約減少了0.46億元。林地生態(tài)資產(chǎn)貢獻(xiàn)2010年最低，約為1.43億元，此時(shí)所占面積比例也最低，而后有所恢復(fù)，2015年生態(tài)資產(chǎn)達(dá)2.18億元，相對(duì)2000年有顯著提升，約增加了21.7%。濕地、草地等生態(tài)用地貢獻(xiàn)也有所增加。本研究由其考慮了建設(shè)用地及裸地貢獻(xiàn)，而在以往研究中常被忽略為0，而實(shí)際上，這兩類用地受面積分布變化及斑塊本身生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化影響，其生態(tài)資產(chǎn)貢獻(xiàn)也會(huì)呈現(xiàn)一定趨勢(shì)。上述分析表明，為維持區(qū)域生態(tài)資產(chǎn)良好態(tài)勢(shì)發(fā)展，務(wù)必加強(qiáng)對(duì)水體、耕地及林地的保護(hù)，對(duì)濕地的生態(tài)建設(shè)也會(huì)起到積極的作用。

3.3 流域生態(tài)資產(chǎn)變化空間分布

長(zhǎng)蕩湖流域2000-2015年生態(tài)資產(chǎn)變化空間格局如圖4所示，將其變化類型劃分為5個(gè)等級(jí)，分別為嚴(yán)重退化、中度退化、基本保持、中度增長(zhǎng)及顯著增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)?？傮w來看，西部低山丘陵區(qū)及重要城鎮(zhèn)周圍地帶生態(tài)資產(chǎn)退化顯著，尤其是長(zhǎng)蕩湖北部地區(qū)。而長(zhǎng)蕩湖西部及西北部平原地帶，生態(tài)資產(chǎn)得到明顯改善。將各變化類型面積及所占比例進(jìn)行空間統(tǒng)計(jì)，長(zhǎng)蕩湖流域嚴(yán)重退化面積約為376.3 km2，占流域總面積的17.4%；中度退化面積約為251.4 km2；保持不變約占23.7%；生態(tài)資產(chǎn)呈現(xiàn)增長(zhǎng)狀態(tài)的面積約占流域總面積的37.3%。

圖4 長(zhǎng)蕩湖流域2000-2015年生態(tài)資產(chǎn)空間格局變化

4 結(jié) 語

基于多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)及GIS地理空間信息技術(shù)，本研究快速、準(zhǔn)確、客觀地獲取了長(zhǎng)蕩湖流域四期生態(tài)資產(chǎn)空間分布信息，揭示了區(qū)域生態(tài)資產(chǎn)總量先增長(zhǎng)后下降的態(tài)勢(shì)，明確了該區(qū)域生態(tài)資產(chǎn)構(gòu)成以水體和耕地為主、林地次之、其他用地類型貢獻(xiàn)較小的基本格局。同時(shí)表明西部低山丘陵區(qū)及重要城鎮(zhèn)周圍地帶生態(tài)資產(chǎn)退化問題顯著，尤其是長(zhǎng)蕩湖北部地區(qū)，需要在下一步生態(tài)環(huán)境建設(shè)中尤為關(guān)注，大力開展退耕還林、還濕等生態(tài)恢復(fù)工程，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展保駕護(hù)航。

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