長江流域生態系統格局演變及驅動力

孔令橋,張 路,鄭 華,徐衛華,肖 燚,歐陽志云,*

1 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085 2 中國科學院大學,北京 100049

長江是我國第一大河,是南水北調東、中、西三條線路等我國水資源配置的戰略水源地,是連接東中西部的“黃金水道”[1],作為中國最長的河流,長江有多樣化的生態環境,也是全球生物多樣性最為豐富的區域之一,是世界自然基金會在全球重點保護的35個優先生態區之一[2-3]。長江經濟帶是世界上人口最多、產業規模最大、城市體系最完整的巨型流域經濟帶,其人口和地區生產總值超過全國的40%,也是我國以“兩屏三帶”為主體的生態安全戰略格局的重要組成部分[4]。

長江流域自然環境復雜,上中下游自然分異明顯,各區域地形地貌、氣候條件差異顯著,國民經濟發展不平衡[5-6],生態系統的分布和變化在空間上地區差異性顯著。對資源與能源的過度利用和無序開發,使得長江流域部分區域生態系統退化嚴重[4,7]。隨著我國城鎮化進程加快,長江流域多數省市的土地開發強度均遠超全國平均水平,另一方面,長江中上游防護林體系建設工程、天然林保護工程、退耕還林工程,促進了長江流域的植被恢復[8]。影響長江流域土地利用變化的社會經濟因素、政策因素和自然因素多且復雜。

因此,揭示長江流域生態系統格局、演變特征及驅動力,是研究長江流域生態系統服務功能及變化、生態環境問題及變化和生態風險評價的基礎。國際上對相關問題的研究主要包括利用遙感手段獲取土地利用空間分布變化[9-10],以及與社會經濟的關系[11-13],土地利用變化對生態系統服務功能的影響[14-16],土地利用變化的情景模擬[17-18],及其對生態系統可能產生的影響[19]等。國內已有研究主要在中小尺度探討某區域或城市的生態系統格局變化或單一生態系統的演變,如長江源區[20-22]、太湖流域[23-24]、長江上游地區[25-27]、三峽庫區水源涵養重要區[28-29]、巢湖流域[30-31]、長三角地區[12,32-35]等。

本文通過分析長江流域生態系統空間分布和構成及變化特征(2000年至2015年),揭示長江流域生態系統格局和演變特征,分析主要驅動力對生態系統變化的貢獻,探討長江流域生態保護對策。

1 研究區概況

研究范圍包括整個長江流域,總面積約為178萬km2,如圖1所示。研究區的生態系統類型主要有森林、灌叢、草地、濕地、農田及城鎮(圖2)。研究區內包含上游6個子流域,中游4個子流域和下游2個子流域。整個研究范圍涉及我國17個省,8個城市群。長江流域地勢西高東低,貫穿中國地勢的三大階梯,地貌類型多樣,可分為高原、山地、丘陵和平原四大類[36],自然環境非常復雜,生物多樣性十分豐富。

圖1 研究區域Fig.1 Study area

2 數據來源及研究方法

生態系統分類數據來自由中國科學院和環保部支持的全國生態環境十年變化(2000—2010年)遙感調查與評估項目[37],以及全國生態環境五年變化(2010—2015年)遙感調查與評估項目。2000年和2015年全國尺度土地覆被數據集以30 m分辨率的國產環境災害衛星(HJ-1A/B)和美國陸地衛星(Landsat OLI)數據為信息源,在大量地面調查樣點構建的分類樣本庫支持下,采用面向對象的多尺度分割、建立決策樹進行分類的方法得到。生態系統分為八大類：森林、灌叢、草地、濕地、農田、城鎮、荒漠和其他(冰川/永久積雪和裸地),包含22個二級子類和42個三級子類。本研究根據長江流域生態系統組成特征,將其重分類為8個一級類,22個二級類(表1)。

采用ArcGIS 10.3進行空間數據裁切、柵格計算、空間分析和統計等。使用ENVI 4.8變化檢測模塊計算生態系統轉移的空間分布及面積構成。通過分析各類生態系統在上、中、下游及全流域的空間分布、面積構成,生態系統變化面積及變化率,分析長江流域生態系統空間分布格局及演變特征。將研究區劃分為10 km×10 km的若干網格,計算網格內生態系統發生變化的面積比例,分級展示生態系統變化的熱點區域,以及不同程度的生態系統變化在空間上的分布特征。

使用景觀格局分析軟件Fragstats 4.2計算長江流域2000年和2015年的生態系統的景觀格局指數。分別在景觀水平和類型水平上,計算全局及森林、灌叢、草地、濕地、農田、城鎮、冰川/永久積雪和裸地的平均斑塊面積、斑塊數量、斑塊密度、邊緣密度及香農多樣性指數,以評估長江流域生態系統的景觀格局的變化,主要包括景觀破碎化程度及景觀多樣性的變化。

在全流域和上中下游,通過計算由城市化侵占的農田、自然生態系統和裸地的面積,自然生態系統的轉入量(森林、灌叢、草地、沼澤、湖泊和河流),高原區冰川與永久積雪向裸地及湖泊的轉變,水庫和河流的水表面積的增加,農田擴張造成的自然生態系統、城鎮和裸地的減少,以及地震區生態系統的轉變,分別分析和比較城市化、生態保護和恢復政策、氣候變化、水資源開發、農業開發和地質災害帶來的生態系統的轉變量,計算各驅動力下的生態系統變化量的占比,得出各驅動力對生態系統變化的貢獻率。

3 結果與分析

3.1 長江流域生態系統格局特征

長江流域生態系統類型多,格局復雜,森林生態系統面積最大,總面積60.9萬km2,占長江流域總面積的34.2%,其次是農田、草地和灌叢,分別為44.5萬km2,28.7萬km2和25.5萬km2,四類生態系統占全流域面積的89.6%。長江流域濕地生態系統占7.2萬km2,城鎮生態系統為6.5萬km2,分別占比4.0%和3.7%(圖2)。

圖2 長江流域生態系統空間分布圖Fig.2 Spatial distribution of ecosystems in the Yangtze River Basin

就各類生態系統的構成來看,森林生態系統中,針葉林面積最大,占據森林總面積的64.6%；灌叢生態系統中,以闊葉灌叢為主導,占比97.7%；草地生態系統的構成以草原和草甸為主,占比65.2%；濕地生態系統中,沼澤、湖泊、水庫/坑塘和河流的總面積基本相當；農田生態系統中水田和旱地占比97.2%；城鎮生態系統中建設用地占比83.8%。長江流域生態系統的構成及占比見表1。

表1 生態系統面積及占比

長江上游自然資源極其豐富,分布有大片的森林、灌叢、草地和濕地。針葉林在上游分布最廣,面積達20.9萬km2,同時59.9%的闊葉灌叢和99.5%的針葉灌叢分布于上游。草原、草甸和稀疏草地,以及68.9%的草叢分布于上游,上游草地占長江流域草地生態系統總面積的90%。同時,上游分布有最多的沼澤,在濕地生態系統中占主導,總面積達1.4萬km2,占長江流域沼澤總面積的86.1%。上游農田生態系統中,旱地占主導,達12.9萬km2,且擁有長江流域63.5%的園地。長江流域的冰川或永久積雪和94.7%的裸地都分布于上游,總面積達4.5萬km2。此外,上游城鎮生態系統僅占長江流域城鎮面積的19.8%。

長江中游自然資源豐富,城鎮化和農業水平都相對較高,分布有面積最大的森林、濕地、農田和城鎮。森林生態系統中,針葉林依然占主導,同時長江流域53.8%的闊葉林和57.7%的針闊混交林分布于中游。長江流域57.8%的湖泊、56.6%的水庫/坑塘和52.3%的河流分布于中游。長江中游分布有面積最大的水田,達10.1萬km2,占長江流域水田總面積的48.7%。同時,長江中游分布有最大的建設用地和交通用地,分別占全流域的42.0%和63.2%。

下游總面積僅占長江流域的6.9%,而長江流域35.5%的城鎮用地、19.9%的濕地和12.1%的農田密集分布于此。其中,建設用地占城鎮面積的92.3%,湖泊和水庫坑塘占濕地面積的73.6%,水田占農田面積的93.8%。此外,下游的城市綠地面積最大,占全流域城市綠地面積的39.1%。

3.2 長江流域生態系統格局變化特征

2000年至2015年,長江流域森林和城鎮面積顯著增加,農田面積顯著減少(表2)。其中,城鎮面積的增幅最大,增長了67.5%,農田面積減少幅度最大,減少了7.5%。此外,濕地和裸地總面積增加,草地和冰川/永久積雪減少。長江流域共有約6.4萬km2的生態系統發生了轉變。占主導地位的轉變是農田轉變為城鎮,農田轉變為森林,農田與濕地的轉變和農田轉變為草地。

就生態系統的變化的具體構成來說,城鎮生態系統中,面積增長最多的是建設用地,增長面積2.1萬km2,增長率61.9%,交通用地和采礦場分別增長105.1%和196.6%。城市綠地增長65.0%。農田生態系統中,旱地和水田分別減少了2.9萬km2和1.1萬km2,減少率分別為11.4%和5.1%。濕地生態系統中,沼澤減少了1.2%,而湖泊和水庫坑塘均增加,增長率分別為5.2%和10.9%。

在長江上游,森林、城鎮和濕地的面積總體增加,農田和冰川/永久積雪減少。闊葉林和針葉林面積增加最多,分別增長了2.1%和3.4%。旱地減少最多,減少了9.3%。雖然上游城鎮化水平相對較低,但建設用地增幅達97.9%,采礦場增長4.7倍,交通用地增長2.6倍。此外,長江上游的濕地增加,主要體現在水庫坑塘和湖泊,分別增加了71.2%和6.0%。

長江中游農田總體減少,城鎮、濕地和森林總體增長。農田中旱地減少最多,減少率為12.3%。建設用地和交通用地分別增長了28.5%和62.2%,采礦場增加了2.6倍。濕地共增加3.9%,其中,湖泊增加了10.4%。

長江下游城鎮和森林顯著增長,農田顯著縮減,濕地總體減少。下游城鎮增長最快,增長率為104.5%,其中建設用地、交通用地和城市綠地分別增長1倍、3倍和1.2倍。農田減少的也最快,總體減少了18.4%,其中水田減少了15.3%,旱地減少了47.8%。同時,水庫/坑塘減少3.4%,湖泊減少3.8%,沼澤減少23.8%。

圖3為生態系統轉變率在長江流域的空間分布,劇烈的生態系統轉變集中發生于長江流域下游,以及中游和上游的重慶、成都、武漢和長沙等大城市和城鎮聚集區,以及貴州、江西、安徽等省份森林增加較顯著的區域。

圖3 生態系統轉變率空間分布圖Fig.3 Spatial pattern of ecosystem conversion rate

通過分析長江流域2000年與2015年的生態系統景觀格局,15年間,在景觀水平上(表3),長江流域生態系統平均斑塊面積減小,斑塊數量、斑塊密度和邊緣密度增加,香農多樣性指數上升。因此,15年間長江流域生態系統的總體破碎化程度加強,景觀多樣性提高。就各類生態系統來看(表2),森林、灌叢、草地、農田和裸地的平均斑塊面積減小,斑塊數量、斑塊密度和邊緣密度增加,景觀破碎度增強；而濕地、城鎮和冰川的景觀破碎度降低。

表2 各類生態系統景觀格局指數及變化

MPS：平均斑塊面積(m2),mean patch size；NP：斑塊數量,number of patches；PD：斑塊密度,patch density；ED：邊緣密度,edge density

表3 全局尺度景觀格局指數及變化

SHDI：香農多樣性指數,Shannon diversity index

3.3 生態系統格局變化的原因與驅動力

2000—2015年,長江流域生態系統格局的變化主要受到城鎮化、生態保護與恢復、水資源開發、農業開發,以及地質災害和氣候變化等因素的影響。各驅動力帶來的生態系統變化統計及貢獻比例見表4。

由于城市化的加速,大片農田轉變為城鎮,部分森林、灌叢、草地和濕地也被城鎮用地侵占。城市化引起的生態系統的變化面積達2.9萬km2,貢獻比例達48.0%,是影響長江流域生態系統變化的首要驅動力。其中,2.4萬km2農田轉變為城鎮,轉變面積最大,其中農田大部分轉變為建設用地,轉變面積達2.0萬km2,轉變為交通用地的面積為0.3萬km2。此外,0.2萬km2森林,0.1萬km2濕地,0.1萬km2灌叢和590.9 km2草地被城鎮占據。

15年間,長江流域實施了退耕還林還草、天然林保護工程、退田還湖等生態保護與恢復政策,促進了森林、灌叢、草地和濕地的恢復和增加,總變化面積達到約2.0萬km2,是影響長江流域生態系統變化的第二驅動力。約1.5萬km2森林得到恢復,其中農田向森林的轉變面積最大,達到1.0萬km2,0.2萬km2農田轉變為草地,0.2萬km2農田轉變為灌叢,501.2 km2的農田恢復為濕地。

表4 驅動力影響下的生態系統變化

長江流域的水資源開發導致湖泊、河流的水表面積增大,中下游地區的洪水多發,淹沒水庫和農田。此外,南水北調工程水源區大片農田被水庫淹沒。受水資源開發影響,長江流域湖泊、河流和水庫的水表面積增加約0.5萬km2,是長江流域生態系統變化的重要驅動力。其中,農田所受影響最大,被水庫和河流淹沒的面積約0.35萬km2。

圖4 上中下游主要驅動力貢獻率 Fig.4 Contribution of the primary driving forces in the upper, middle and lower reaches

雖然長江流域農田總面積急劇減少,但局部的農業開發活動仍然侵占了部分濕地、森林、灌叢和草地等自然生境。農業開發帶來的生態系統變化面積約0.6萬km2,是長江流域生態系統變化的重要驅動力。其中,濕地受影響最大,長江流域被農田侵占的濕地達0.27萬km2,其次是灌叢、森林和草地,分別為0.11萬km2,0.11萬km2和465.5 km2。

地震也是長江流域生態系統變化的原因之一,尤其是2008年汶川地震和2013年雅安地震,對地震區的自然生境和農田帶來一定程度的破壞。因地震造成的生態系統退化面積為185.5 km2。氣候變化導致長江上游生態系統的變化,是長江流域生態系統變化的原因之一。全球變暖引發長江上游冰川和永久積雪的融化,帶來228.3 km2的生態系統的變化,其中,122.8 km2的冰川或永久積雪變為裸地,222.3 km2的裸地變為高原湖泊。

各主要驅動力對生態系統變化的貢獻程度在上、中、下游差異顯著(圖4)。長江上游生態系統變化的首要驅動力是生態保護與恢復工程,其中,森林、灌叢和草地的恢復分別占全流域的42.0%,43.6%和77.2%。長江中游的首要驅動力是城鎮擴張,被城鎮侵占的濕地和農田分別是全流域的45.9%和29.8%。其次是生態保護與恢復工程、農業開發和水資源開發。在長江下游,城市化對生態系統變化的貢獻率最高,其中被城鎮侵占的濕地和農田占全流域的49.6%和48.3%。其次是水資源開發和農業開發,其中農田對濕地的占用最顯著,占全流域的79.7%。

4 結論與討論

本文通過分析長江流域生態系統空間分布、構成及變化,揭示長江流域生態系統空間分布格局及其演變特征,分析了長江流域生態系統變化的驅動力及其對生態系統格局和變化的影響。

2000年至2015年,長江流域的森林和城鎮的面積增加,農田面積減少。長江上游的自然生態系統增加最顯著,下游的城鎮和農田變化率最高。生態系統的劇烈變化集中于長江下游,以及長江流域中游和上游的重慶、成都、武漢和長沙等大城市。城市化是長江流域生態系統變化的首要驅動力。城市化使得農田縮減嚴重,對自然生境也存在一定的侵占。雖然城市化通過促進農村人口向城市轉移,減少了人類對脆弱的生態系統的依賴,一定程度上促進了生態系統的保護和恢復[38],同時也有研究表明,長江流域農業地位的下降引起農民收入不穩定,特別在以農業為主要產業的省份,相對于我國其他地區呈下降趨勢[8]。根據《長江經濟帶規劃發展綱要》,長江經濟帶的城市化將進一步加速,因此需要在城市化進程中合理進行土地利用規劃,對優質耕地進行保護,劃定和執行生態保護紅線。另一方面,我國近年來實施的生態保護和恢復工程也是影響長江流域生態系統變化的重要驅動力,對生態系統變化的貢獻超過30%,生態保護成效較顯著,然而由于人類活動的干擾,自然生境的破碎化程度增強,因此需加強自然生態系統連通性的維護和提高。此外,十五年間長江流域的濕地面積總體上升,這主要是由于氣候變化和水利工程的建設帶來的水表面積的增大。已有研究也表明氣候變暖導致長江上游氣溫升高,降水增多,積雪減少,對長江流域的水資源量產生影響[39]。然而,雖然長江流域的濕地面積總體增加,由城市化和農業開發所造成的濕地喪失依然嚴重,尤其是沼澤和湖泊的喪失,濕地被城鎮和農田侵占最為顯著的是長江下游,占全流域的71.4%。已有研究也表明,長江流域圍墾和基建占用造成濕地面積減少[40],導致生物多樣性喪失,洪水調蓄能力減弱。因此應為濕地保護劃定生態紅線[2],禁止和限制重要濕地的開發活動,尤其是在人類活動干擾頻繁的地區。

本研究在宏觀上揭示了長江流域的生態系統總體分布格局、演變特征和驅動力,這對于研究長江流域生態系統服務功能、生態環境問題的變化,以及長江流域的生態風險,都具有重要意義。在此基礎上,分析長江流域生態系統變化的產生機制,生態系統未來變化的模擬和預測,在不同空間尺度進一步剖析生態系統變化特點和驅動因子的相互耦合作用,是進一步研究的方向。

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