2000－2010年遼河流域生態系統功能變化評估

鄭嬌琦，王華斌，劉偉玲，張林波

（1.北京國測星繪信息技術有限公司，北京101300；2.國家測繪地理信息局衛星測繪應用中心，北京101300；3.中國環境科學研究院 國家環境保護區域生態過程與功能評估重點實驗室，北京100012）

生態系統功能是指生態系統與生態系統過程形成及維持的人類賴以生存的自然環境條件和效用［1］。隨著能量和物質等的不斷交流，生態系統亦產生不斷的變化［2］。其動態變化過程可以用來衡量其生態環境質量，為區域的生態環境治理、規劃發展提供科學依據。植被是生態系統的主要組分，植被覆蓋度是衡量地表植被生長狀況的重要指標［3］；水源涵養能力和土壤侵蝕強度是反映研究區水資源狀況和水土流失情況的重要指標［4－5］；生物多樣能夠體現生物資源的豐富性。因此本文以RS和GIS技術為基礎，利用TM影像、植被NDVI以及氣象等數據，計算2000—2010年遼河流域土地利用、景觀格局、植被覆蓋、水源涵養、土壤侵蝕以及生物多樣性等指標的變化，分析近10a來遼河流域生態系統基本狀況，以期為遼河流域的生態環境治理、發展規劃開發提供參考。

1 研究區概況

遼河流域位于我國東北地區的西南部，是全國重要的七大流域之一，東部地區最大的河流。源于河北省，流經河北省、內蒙古自治區、吉林省、遼寧省，注入渤海。本研究區域為遼河流域遼寧省段，地處我國東北地區南部，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，屬大陸性季風氣候區，春季干燥多風沙，夏季高溫多雨，秋季歷時短，冬季寒冷干燥。多年平均氣溫4～9℃，多年平均降水量時空分布不均勻，降水時間多集中在7—8月份，空間分布上整體呈現由東部向西部遞減趨勢，東部山丘區800～950mm，西部僅為300～500mm。研究區內土壤主要包括棕壤、草甸土、水稻土、潮土、風沙土等。流域內自然植被類型多樣，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 研究數據與方法

2.1 研究數據

土地利用數據以2000年和2010年2期Landsat TM影像作為數據源，解譯生成土地利用數據，一級生態分類系統為林地、灌叢、草地、濕地、耕地、城鎮、荒漠7種類型；NDVI數據來源于2000年到2010年MODIS數據中的植被指數（MOD13A3）的數據，空間分辨率為1km×1km，時間分辨率為30d；1∶100萬的土壤圖，來源于全國第二次土壤普查；降雨數據來源于中國氣象科學數據共享網，包括遼河流域范圍內10個氣象站點的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）計算土壤侵蝕。該方程于20世紀60年代提出，是目前土壤侵蝕量估算中應用較為廣泛的方法。USLE結構簡單，所需參數易于獲取，結果可靠，在美國乃至世界范圍內得到了迅速的推廣和應用［7］。USLE模型只考慮與土壤侵蝕相關的各個因子，它通過獲取這些因子的相關數據，進行深入地統計分析，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系的模型［8］。USLE模型的數學表達式為：

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經驗公式計算降雨侵蝕力R。Wischmeier等［9］經驗公式，它以月平均、年平均降雨量為基礎數據，計算公式為：

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2000年和2010年的降雨數據，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值計算方法，計算公式為：

式中：Sd——砂粒含量（%）；Si——粉粒含量（%）；Ci——黏粒含量（%）；C——有機質含量（%）。

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）的土壤流失量與標準徑流小區土壤流失量之比值。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之間的關系式，分別計算植被覆蓋因子，計算公式為：

式中：C——植被覆蓋因子；FC——植被覆蓋度。計算得到2000年和2010年30m×30m的C因子柵格圖層。

2.2.2 水源涵養計算 水源涵養量通過降水量、蒸發量及土壤涵養水源能力等關系推算，其中蒸散發量還可以采用等價的徑流量系數表達。此方法既能反映區域實際水源涵養量的平均狀況，其動態分析又能反映水源涵養能力的變化。

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

2.2.3 生物多樣性保護 采用InVEST模型中的生境質量指數來進行評價，計算公式如下：

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［12］。

3 結果與分析

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，結合實地考察，解譯出土地利用數據，分析得出遼河流域土地利用變化情況，見表1和表2。選擇研究區的野外實測GPS點和隨機取樣點對分類精度進行評價，兩期影像整體分類精度大于87%，kappa系數大于0.86，達到了研究所需的標準。

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，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化類型是耕地向城鎮的轉變，面積為1 038.9km2，占城鎮增加面積的91.57%；其次是耕地轉化為濕地以及濕地轉化為城鎮，面積分別為100.4km2，91.1km2。表明10a來遼河流域城鎮在不斷擴張，但是并沒有破壞生態用地。

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移矩陣 km2

3.2 景觀格局變化

利用Fragstat4.1軟件計算遼河流域全區域以及各生態類型的景觀格局指數變化情況，如表3所示。結果表明：2000—2010年，遼河流域總區域斑塊總數略有增加，平均斑塊面積和聚集度指數有所減少，景觀格局整體趨于破碎。其中，2個時期斑塊數最多的土地利用類型為城鎮，且10a來斑塊數有少量增加，平均斑塊面積增加，邊界密度和聚集度指數略變大，顯示城鎮類型的聚合度也有少許增加，景觀斑塊趨于集中或連片，表明城鎮有發展的趨勢。耕地的斑塊數有所增加，平均斑塊面積減少，邊界密度略有增加，聚集度指數有少量下降，顯示人類活動干擾日益增強，耕地有分散的發展趨勢。濕地類型的斑塊數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量上的增加，但整體格局依然延續，沒有發生太大變化。其他土地利用類型10a間景觀格局狀況基本處于穩定狀態。

3.3 植被覆蓋度變化

植被作為陸地生態系統的主體，是聯結土壤、大氣和水分等要素的自然紐帶，在全球變化中充當指示器的作用［13］。歸一化植被指數（Normal Difference Vegetation Index，NDVI）與植被覆蓋度、葉面積指數呈現顯著正相關關系，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］。是當前研究植被覆蓋時空變化的最常用遙感數據。采用最大化合成法（Maximum Value Composite，MVC）將月最大化NDVI數據合稱為年最大化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，研究區內NDVI呈波動上升趨勢（R2＝0.4234，p＜0.05）。運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。結果表明：2000—2010年，植被NDVI上升的區域占總面積的80.23%，上升超過20%的區域也占總面積的15.25%，下降超過20%的區域不足2%。總體上，研究區內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，平均土壤侵蝕模數分別為45.23 t／（km2·a），143.83t／（km2·a），低于水利部頒發的容許土壤流失量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，研究區共有9 040.57km2面積發生不同程度的侵蝕類型變化，占研究區總面積的13.81%；其中有94.38%是低侵蝕界別向高侵蝕級別轉移，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。將計算結果與國家環保部衛星中心計算的全國土壤侵蝕結果進行比對，兩個結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度變化

3.5 水源涵養變化

由表5可得，2000年遼河流域生態系統總水源涵養量以及單位面積水源涵養量分別為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量和單位面積水源涵養量分別增加1.815×109t和2.742×104t。表明2000—2010年，遼河流域水源涵養能力有所增加。

3.6 生物多樣性保護

基于土地利用圖、與土地利用相關的生境可持續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年生境質量空間分布。基于Natural Breaks法將遼河流域生境質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，低等級生境質量面積減少，中、高等級生境質量面積都在增加，表明遼河流域生境質量整體有提高趨勢。

表5 2000－2010年遼河流域水源涵養能力變化

表6 2000年、2010年遼河流域生物多樣性保護變化

4 結 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，面積主要減少的土地利用為耕地；土地利用主要轉化類型是耕地向城鎮的轉變，面積為1038.9km2，其次是耕地轉化為濕地以及濕地轉化為城鎮，面積分別為100.4，91.1km2。

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

（3）2000—2010年，研究區年際NDVI呈現波動上升趨勢，空間上NDVI上升的區域占總面積的80.23%，上升超過20%的區域也占總面積的15.25%，下降超過20%的區域不足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量增加1.815×109t；生境質量由低等級向高等級轉變，生物多樣性保護能力提高；雖然土壤侵蝕強度有所增強，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系統功能變化進行了評估。由于數據資料和技術方法的限制，本研究對遼河流域生態系統服務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服務狀況的變化趨勢，給政策管理者和決策者提供流域生態文明建設的科學依據，對于流域的保護和有效的管理起到了重要的作用。

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