河南省生態(tài)系統(tǒng)格局評價

文春波， 李雙權(quán)， 胡嬋娟， 錢發(fā)軍

（河南省科學(xué)院地理研究所，鄭州 450052）

生態(tài)系統(tǒng)格局是指生態(tài)系統(tǒng)的空間格局，即不同生態(tài)系統(tǒng)在空間上的配置. 通過省域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與格局調(diào)查與評價，可以摸清一個區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)基本構(gòu)成狀況和分布、格局等特征，為該區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作提供技術(shù)支持和基本依據(jù).

生態(tài)系統(tǒng)格局特征和變化是近年來的研究熱點與重點，特別是近年來遙感技術(shù)的快速發(fā)展，已成為大尺度生態(tài)系統(tǒng)研究的重要手段. 遙感影像可以用來定量描述不同生態(tài)系統(tǒng)斑塊的大小、密度、邊緣、形狀和空間分布等特征，從而分析研究區(qū)域在不同尺度上生態(tài)系統(tǒng)格局演變的特征和規(guī)律［1-6］. 熊善、高萬軍和秦昌波等利用遙感分類數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，對長江中游地區(qū)2000—2010 年生態(tài)系統(tǒng)格局動態(tài)變化特征進(jìn)行了分析，認(rèn)為空間轉(zhuǎn)移最顯著特征為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)為城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)，呈現(xiàn)極端非平衡態(tài)勢［7］；傅伯杰和張立偉認(rèn)為，土地利用變化通過對生態(tài)系統(tǒng)格局與過程的影響，改變生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)品與服務(wù)的提供能力，指出了生態(tài)系統(tǒng)格局與服務(wù)研究趨勢［8］；葉鑫、鄒長新和劉國華等認(rèn)為，目前生態(tài)安全研究內(nèi)容多樣，缺少相互聯(lián)系與比較，導(dǎo)致不同區(qū)域和不同方法研究條件下存在多種格局［1］；張永生、歐陽芳和袁哲明在省域范圍的大空間尺度上分析了華北6?。ㄊ校?000—2010年農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)景觀格局的變化特征，指出耕地破碎化程度加大，耕地減少的面積主要轉(zhuǎn)變?yōu)槌擎?zhèn)［9］；劉楨、易敏和廖秀英等利用地理信息系統(tǒng)與遙感技術(shù)，對2005—2010 年湖南省永州市錫礦山礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)空間格局變化特征進(jìn)行了定量分析［10］；孟楠、韓寶龍和王海洋等以2001 年和2017 年兩期高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合實地調(diào)研，分析了澳門市城市生態(tài)系統(tǒng)格局變化［11］；肖軍倉、袁彩鳳和張曉果采用水量平衡方程對河南省生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能狀況及其空間特征進(jìn)行了評估，分析了河南省水源涵養(yǎng)功能重要性分級特征，認(rèn)為河南省水源涵養(yǎng)量總體上呈現(xiàn)南高北低、由東南到西北逐漸遞減的趨勢，河南省水源涵養(yǎng)極重要區(qū)主要集中分布在桐柏—大別山區(qū)、大型河流、水庫濕地等區(qū)域［12］.

以上研究主要通過遙感技術(shù)確定區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)斑塊分類，分析區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)狀況和變化以及特定生態(tài)功能的特征評估. 目前，河南省尚缺乏全省尺度上生態(tài)系統(tǒng)格局空間分異內(nèi)容的綜合調(diào)查與評估，已經(jīng)開展的國土資源大調(diào)查主要圍繞耕地和城市開發(fā)建設(shè)，水利部門的水利普查圍繞河流湖泊基本情況，農(nóng)業(yè)部門的農(nóng)業(yè)普查圍繞耕地的數(shù)量、質(zhì)量和結(jié)構(gòu)，林業(yè)部門的森林調(diào)查圍繞森林資源和荒漠化問題. 本文通過衛(wèi)星遙感與地面核查技術(shù)相結(jié)合，利用河南省土地覆被分類數(shù)據(jù)，對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)格局進(jìn)行評價，為河南省生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和借鑒.

1 研究區(qū)概況

河南省地處中原，是我國東西、南北兩個過渡帶的交匯中心，具有物種多、區(qū)系復(fù)雜的生物多樣性特征，是生態(tài)環(huán)境比較脆弱的區(qū)域之一. 境內(nèi)地貌類型多樣，處在第二級階地向第三級階地過渡帶，平原、山地、丘陵分別占總面積的55.7%、26.6%、17.7%；氣候復(fù)雜多變，處在暖溫帶與北亞熱帶的分界線，具有明顯的南北過渡性與較強(qiáng)的季風(fēng)氣候特點.

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 采用指標(biāo)

采用生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比例為調(diào)查指標(biāo)，分為基于一級分類的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比例、基于二級分類的生態(tài)系統(tǒng)類型結(jié)構(gòu)比例. 具體見表1.

表1 河南省生態(tài)系統(tǒng)格局調(diào)查指標(biāo)Tab.1 Investigation indicators of ecosystem pattern in Henan Province

2.1.1 基于一級分類的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比例 指土地覆被分類系統(tǒng)中，基于一級分類的生態(tài)系統(tǒng)面積比例.計算方法為

其中：Pij為土地覆被分類系統(tǒng)中基于一級分類的第i類生態(tài)系統(tǒng)在第j年的面積比例；Sij為土地覆被分類系統(tǒng)中基于一級分類的第i類生態(tài)系統(tǒng)在第j年的面積；TS為評價區(qū)域總面積.

2.1.2 基于二級分類的生態(tài)系統(tǒng)類型結(jié)構(gòu)比例 指土地覆被分類系統(tǒng)中，基于二級分類的生態(tài)系統(tǒng)面積比例. 計算方法為

其中：P′ij為土地覆被分類系統(tǒng)中基于二級分類的第i類生態(tài)系統(tǒng)在第j年的面積比例；Sij為土地覆被分類系統(tǒng)中基于二級分類的第i類生態(tài)系統(tǒng)在第j年的面積；TS為評價區(qū)域總面積.

2.2 數(shù)據(jù)來源

基于衛(wèi)星遙感與地面核查技術(shù)相結(jié)合，在室內(nèi)對影像直接解譯，通過地面核查工作對內(nèi)業(yè)標(biāo)繪的地類、界線等內(nèi)容逐一核實、修正或補(bǔ)充調(diào)查，最終獲得能夠反映調(diào)查區(qū)域內(nèi)的土地利用狀況的原始調(diào)查圖件和資料. 使用的遙感數(shù)據(jù)來源于2015年Landsat TM/ETM 的中分辨率衛(wèi)星影像（10～30 m），利用遙感影像分類圖及其數(shù)值編碼，獲得河南省2015年土地覆蓋分類的柵格數(shù)據(jù). 土地覆被系統(tǒng)分為二級，一級為6類，對應(yīng)IPCC 的6 類；二級類型由FAOLCCS 的方法進(jìn)行定義，共38類基本類型. 基于這38類基本類型，根據(jù)河南省的實際土地覆蓋類型情況，使用ARCGIS10.2 軟件將柵格數(shù)據(jù)的土地覆蓋分類整理為8 類一級生態(tài)系統(tǒng)類型（耕地、園地、林地、草地、濕地、人工表面、荒漠和裸地）及33類二級生態(tài)系統(tǒng)類型. 土地覆蓋分類的柵格數(shù)據(jù)空間分辨率為30 m×30 m.

2.3 評價方法

根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)土地覆蓋分類系統(tǒng)，提取各種生態(tài)系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)分布信息，得到河南省生態(tài)系統(tǒng)類型與空間分布、各類生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成.通過面積單元統(tǒng)計和景觀格局指數(shù)，分析河南省各生態(tài)系統(tǒng)類型的結(jié)構(gòu)與分布及其生態(tài)系統(tǒng)格局特征. 分別以生態(tài)系統(tǒng)一級分類和二級分類數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析與評價河南省2015 年生態(tài)系統(tǒng)景觀格局特征［13-16］.

表2 河南省生態(tài)系統(tǒng)類型面積統(tǒng)計表Tab.2 Statisticsl of ecosystem types and areas in Henan Province

3 評價結(jié)果

河南省生態(tài)系統(tǒng)類型有耕地、園地、森林、草地、濕地、人工表面、荒漠、裸地等8個一級生態(tài)系統(tǒng)類型，有水田、水澆地、旱地、果園、茶園、有林地、灌木林等33個二級生態(tài)系統(tǒng)類型，具體見表2.

3.1 一級分類生態(tài)系統(tǒng)

河南省一級分類生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成以耕地、森林、人工表面生態(tài)系統(tǒng)為主，共占全省總面積的90.550%. 具體各分類的在面積及其占全省土面積的比例見表2.

從河南省一級分類生態(tài)系統(tǒng)的空間分布看（圖1），生態(tài)系統(tǒng)類型空間分異顯著，各生態(tài)系統(tǒng)空間分布規(guī)律較為明顯，總體呈現(xiàn)出東部農(nóng)田、西部森林的規(guī)律. 其中，耕地生態(tài)系統(tǒng)主要分布在豫東黃淮海平原、豫北沁河和衛(wèi)河平原、南陽盆地和伊洛河盆地；森林生態(tài)系統(tǒng)主要分布在北部的太行山、西部的伏牛山和南部的桐柏—大別山區(qū)，廣大平原地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)主要為面積小于1 km2的斑狀分布，面積大于1 km2的森林主要分布在豫西地區(qū)的黃河故道；草地生態(tài)系統(tǒng)面積較小，主要分布在安陽西部的太行山脈、三門峽北部、洛陽西北部以及南陽北部；濕地生態(tài)系統(tǒng)主要分布在黃河濕地和宿鴨湖等自然保護(hù)區(qū).

圖1 河南省生態(tài)系統(tǒng)一級分類各類型空間分布Fig.1 Spatial distribution of different types of primary ecosystem in Henan Province

3.2 二級分類生態(tài)系統(tǒng)

從表2和圖1可以看出，河南省二級生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成以水澆地、旱地、有林地、工礦用地、水田5類生態(tài)系統(tǒng)為主，共占全省總面積的81.189%. 具體來看：①耕地中水澆地、旱地、水田面積分別占全省土地面積的32.392%、20.551%、6.710%，其中水澆地面積占耕地生態(tài)系統(tǒng)面積的54.301%；旱地主要分布在丘陵地區(qū)，占耕地生態(tài)系統(tǒng)面積的34.451%，說明河南省仍有三分之一的農(nóng)田沒有完備的農(nóng)田水利設(shè)施條件；水田主要分布在淮河以南的信陽市，占耕地生態(tài)系統(tǒng)面積的11.248%. ②園地中果園面積占果園生態(tài)系統(tǒng)面積的70.560%，全省各地均有分布；茶園主要分布在淮河以南的信陽市. ③森林中有林地面積占森林生態(tài)系統(tǒng)面積的71.946%，其中伏牛山南麓、大別山—桐柏山區(qū)有林地占森林生態(tài)系統(tǒng)比例均在90%以上. ④草地面積很小，主要分布在不適宜喬木和灌木生長的山區(qū)，大部分為混雜生長的小片草地，其中天然牧草地面積只占草地生態(tài)系統(tǒng)的11.396%. ⑤濕地中內(nèi)陸灘涂、水庫水面、河流水面分別占濕地面積的42.273%、30.167%、20.895%，合計占比為93.25%，而湖泊水面占比很小，只占濕地面積的0.35%，說明河南省作為水資源缺乏的內(nèi)陸省份，人工水利工程是蓄水的主要方式. ⑥人工表面生態(tài)系統(tǒng)中工礦用地、城市、建制鎮(zhèn)面積分別占比為65.469%、15.541%、13.989%，說明河南省近年來工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快，超過一半的人工表面為工礦用地.⑦荒漠生態(tài)系統(tǒng)中全部為沙地，主要分布在新鄉(xiāng)、商丘、開封的黃河故道區(qū). ⑧裸地生態(tài)系統(tǒng)中裸地占比為98.901%，主要分布在山區(qū)；鹽堿地很少，僅占全省面積的0.004%，說明多年的去鹽堿化工作成效顯著.

4 結(jié)論

綜合以上分析得出以下結(jié)論：

1）河南省主要存在8個一級生態(tài)系統(tǒng)類型，其中以耕地、森林、人工表面生態(tài)系統(tǒng)為主，共占全省總面積的90.550%. 耕地生態(tài)系統(tǒng)主要分布在平原、盆地區(qū)域，森林生態(tài)系統(tǒng)主要分布在太行山、伏牛山和桐柏—大別山區(qū).

2）河南省主要存在33個二級生態(tài)系統(tǒng)類型，其中以水澆地、旱地、有林地、工礦用地、水田5類生態(tài)系統(tǒng)為主，共占全省總面積的81.189%.

3）有林地占森林生態(tài)系統(tǒng)面積的71.946%，其中伏牛山南麓、大別山—桐柏山區(qū)有林地占森林生態(tài)系統(tǒng)比例均在90%以上；人工表面生態(tài)系統(tǒng)中工礦用地占比為65.469%；濕地生態(tài)系統(tǒng)中湖泊水面僅占0.35%，占全省面積僅為0.011%.

根據(jù)得出的結(jié)論認(rèn)為，未來的研究重點需要關(guān)注：①生態(tài)系統(tǒng)格局的方法統(tǒng)一. 目前自然資源、環(huán)保、農(nóng)業(yè)、水利、林業(yè)等多個部門各自掌握一套管轄職權(quán)內(nèi)的數(shù)據(jù)，需要進(jìn)一步統(tǒng)一和共享. ②生態(tài)系統(tǒng)格局與生態(tài)安全研究的進(jìn)一步結(jié)合及生態(tài)系統(tǒng)格局與國土開發(fā)現(xiàn)狀、規(guī)劃及管理的進(jìn)一步結(jié)合［17-18］. ③加強(qiáng)集監(jiān)測、評估、預(yù)警、調(diào)控和管理為一體的信息平臺建設(shè)，構(gòu)建以數(shù)據(jù)庫、知識庫和方法庫等為載體的生態(tài)格局決策支持系統(tǒng)［19］.