中國陸地生態系統分類識別及其近20年的時空變化

劉亞群,呂昌河,*,傅伯杰,于伯華

1 中國科學院地理科學與資源研究所,陸地表層格局與模擬重點實驗室,北京 100101

2 中國科學院大學,資源與環境學院,北京 100190

3 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

4 北京師范大學地理科學學部,地表過程與資源生態國家重點實驗室,北京 100875

生態系統是生物群落及其環境共同組成的動態平衡系統[1]。生態系統服務是人類從生態系統中直接或間接獲取的各種惠益,包括通過生產活動獲取的食物、原材料和清潔水源等直接收益,以及生態系統通過維持碳氮平衡、保持水土、調節氣候、維持生物多樣性所產生的生態效益和為人類提供的休閑、娛樂與美學享受等效益,概括為供給、調節、支持和文化服務4種類型[2-3]。由于人類活動的影響,大部分陸地生態系統的結構和服務功能都發生了深刻的變化,引發了嚴重的生態環境問題,亟需有效的管理策略和管控措施。鑒于生態系統的結構和服務功能、人類活動的影響和作用機制存在顯著的空間差異,生態系統的可持續管理必須因地制宜、分類實施,為此,需要在科學認知人類活動的影響、生態系統結構和生態系統服務變化及其區域差異的基礎上,對生態系統進行科學分類和識別,為制定分類管理對策提供決策支持[4]。

目前,相關分類系統很多,但多是從土地利用/覆被視角的分類。在全球尺度,USGS、CORINE、IGBP、UMd、FAO和ESA都先后提出了各自的土地利用/覆被分類系統[5-7],并基于遙感和地理信息技術,生產了多種全球土地利用/覆被分類數據集[7-11],產品分辨率從1km逐漸提升到30m和10m。在我國,研究人員也構建了多種土地利用/覆被分類方案,包括1984年土地調查分類系統、1980s中國1:100萬土地利用分類、1990s中國科學院地理科學與資源研究所土地利用分類、2004年1:100萬地表覆被分類、2017年土地利用現狀分類標準、2017年中國1:100萬土地覆被分類等[5-6,12-16],積累了豐富的圖件和數據。這些分類、圖件和數據已成為理解全球和我國生態系統分布,分析人類活動影響和評估生態系統服務的重要基礎[2,17-19]。

部分研究機構和學者,如加拿大生態土地分類委員會在20世紀70年代末,從生態系統的角度提出了生態土地分類方案,劃分了土地域、土地縣、土地系統、土地類型、土地相5級[20]；基于類似方法,Sayre等根據生物氣候、地形、巖性和土地覆被因子將全球生態系統劃分為4個層級共3923個生態土地單元[21]。在國內,陳利頂和傅伯杰綜合巖性、地形地貌、土壤、植被、氣候和人類活動等因素,將無定河流域劃分為3個一級、37個二級土地生態系統類型[22]；歐陽志云等基于多源遙感數據,綜合氣候、地形等要素,構建了包括9個一級、21個二級和46個三級類的全國生態系統分類方案[6]。其它分類系統包括基于氣候、植被的生物氣候分類[23-24]和綜合氣候、地形、土壤等地理要素影響的生物地理氣候生態系統分類[25],在全球和國家尺度得到廣泛應用[26-28]。

這些分類和制圖成果對理解生態系統的空間分布提供了重要基礎,但總體看,對生態系統的服務功能、人類活動的干預程度和生態風險體現不夠。中國幅員遼闊,生態系統復雜多樣,為滿足人口和經濟快速增長對生態系統的產品服務和能源需求,人類對地表改造加劇和利用強度增加,尤其是坡地開墾、草地過牧、森林砍伐、過量使用化肥農藥等不合理的土地利用活動,導致水土流失、草地退化、生態系統服務下降、水土污染等一系列的生態環境問題[18,29]。為此,需要針對不同生態系統的內在屬性和服務功能定位,分類管控。基于該認識,本研究從生態系統服務和人類活動影響的視角,構建了一個新的生態系統分類方案[4],在此基礎上,通過對現有多源數據集成,編制了2000和2020年中國陸地生態系統類型圖；通過空間統計,分析了2000—2020年不同生態系統類型的空間分布、組分結構、空間轉移、景觀格局和生態狀況變化特征,為我國生態系統服務評估和分類管理提供科學支撐。

1 陸地生態系統分類方案

陸地生態系統的變化受人類活動和自然因素特別是氣候變化的共同影響,但其影響程度存在差異。在人類活動干預劇烈的區域,生態系統的變化主要受人為因素的影響；但在人口稀少的區域,人類活動影響微弱,自然因素是生態系統變化的主因。基于人類活動的影響程度,可將陸地生態系統劃分人工生態系統、半人工生態系統、準自然生態系統和自然生態系統。人工生態系統主要包括城鎮建成區、作物和果木集中種植區等,其原生植被和生態要素組成、結構和功能都已發生根本改變。半人工生態系統是指被部分耕墾或建設開發,與林、草等自然植被鑲嵌組合的生態系統,如農林、農牧交錯或鑲嵌分布區。準自然生態系統是指自然植被或自然景觀基本保持完整的區域,包括用于放牧的天然草地、基本保持自然狀態的林灌地、水域和濕地等,具有重要的水土保持、水源涵養、碳固存、氣候調節、生物多樣性保護功能。自然生態系統是指基本無開發利用、自然環境保持天然狀態的區域,包括干旱荒漠和冰凍寒漠等,人類活動的直接影響微弱,但對氣候變化敏感。

按照上述思路框架,本研究以生態系統的主導服務功能和人類干預強度為主線,綜合考慮土地利用結構、生態環境風險和生產力的差異,構建了一個生態系統分類方案[4],包括9個一級、25個二級類型(表1)。一級類型反映人類活動干預程度和主導生態系統服務的相對一致性,從第1類到第9類,人類活動強度和干預程度依次降低,生態系統的服務功能由以提供生產活動空間、生產資料和食物產品為主,過渡為以支持和調節服務功能為主。二級類型體現土地利用方式、生產力和生態/土地退化風險的差異。該分類系統主要面向國家尺度的生態系統管理,意在通過多源數據的集成分析,識別不同生態系統的空間分布,服務于生態系統的宏觀管控和策略制定。因此,類型劃分需要兼顧系統的完整性,不宜過細和碎片化,所以在類型劃分時,突出主導生態類型、利用方向和人類活動強度的一致性,同時考慮了氣候、地形等因素的影響。對人類活動劇烈的地區,將以建設開發和居住(包括集聚分布的農村居民點)為主的區域劃分城鎮生態系統；以作物包括果木種植為主的區域劃分為耕種生態系統；對基本無耕墾、以放牧為主的天然草地和灌草地,劃分為牧草地生態系統；對以保護為主,位于深山和僻遠區、基本保持自然狀態的林灌植被,包括零散分布的林間草地,劃分為林地生態系統；而對自然條件嚴酷的無人區,根據氣候條件劃分為干旱荒漠或冰凍寒漠生態系統；在農牧交錯帶、低山丘陵區,耕地和林、草地常呈現交錯或鑲嵌分布的特征,土地退化問題突出,根據耕地與林、草地的組合特征和地形,將其劃分為農牧混合生態系統或農林混合生態系統。呈點狀或線狀分布的農村居民點、農田防護林、道路等類型沒有單獨劃出,將其綜合在相應的類型如耕種、牧草地和混合生態系統中。

表1 中國陸地生態系統分類方案*

在2級分類中,重點體現了生態環境風險和生產力的差異。生態環境問題包括風蝕沙化、水土流失、土壤鹽漬化、水土污染、溫室氣體排放等,與土地利用方式關系密切。因此,該方案選擇土地利用方式、植被類型和蓋度為主要指標,對一級類型進行細分。如,對耕種生態系統,劃分為水田(多分布于亞熱帶濕潤區)、旱田(主要位于溫帶)和綠洲(位于干旱區,存在土壤鹽漬化和沙化風險)3個二級類型,體現土地管理方式、生產力、水土污染、甲烷等溫室氣體排放等環境風險的差異；對牧草地生態系統,根據草地蓋度劃分為3個二級類型,體現草地生產力和退化程度的差異。對林地生態系統,根據植被類型和蓋度劃分4個二級類型,體現生態系統生產力和固碳、水土保持能力的差異。

2 陸地生態系統類型識別與制圖

生態系統類型的識別和制圖主要基于現有的土地利用和遙感影像數據,綜合了氣候、地形、土壤、植被、人類活動等因素。考慮多源數據的空間分辨率,采用ArcGIS軟件,通過重采樣、塊統計、聚合分析等預處理方法將制圖單元統一至1km分辨率,獲取了每個柵格的土地利用結構及其自然和社會經濟屬性,通過聚類分析、多層次決策樹和制圖綜合方法,按照主導因素、生態系統主導服務功能一致性等原則,對生態系統進行分類制圖。

2.1 數據源及預處理

本研究使用的多源數據包括土地利用、氣候、地形、植被、土壤、居民點分布等。土地利用數據包括2000和2020年100m分辨率柵格圖,來源于中科院資源環境科學數據中心(www.resdc.cn),包括6個一級和25個二級類型,總體精度超過90%[13]。通過重分類和聚合分析法將100m土地利用數據轉變為1km的土地利用類型占比數據,用不同類型占比表征生態系統結構。

氣候數據包括降水、氣溫和潛在蒸散發,其中1km降水和氣溫柵格數據來源于中科院資源環境科學數據中心(www.resdc.cn),是基于ANUSPLIN軟件的樣條函數插值得到；0.5°分辨率的潛在蒸散發數據來源于Climatic Research Unit第4.04版時序數據集(CRU TS4.04)[30],是應用最廣泛的氣候數據集之一,為了與其他數據匹配,將潛在蒸散發數據重采樣至1km,然后根據潛在蒸散發與降水量的比,即干燥指數<1.0、1.0—1.5、1.5—4.0、>4.0,劃分為濕潤、半濕潤、半干旱、干旱4類[31]。

地形因子包括海拔和坡度,其中海拔來源于30m分辨率的ASTER GDEM Version 2數據[32],坡度是基于DEM計算得到,并采用塊統計方法將海拔和坡度數據重采樣至1km。2000—2020年1km植被覆蓋度(Fractional Vegetation Cover,FVC)通過MOD13A3 C6 NDVI時序數據和像元二分模型[33]計算得到。土壤數據采用來源中科院資源環境科學數據中心的1:100萬土壤類型圖,通過塊統計重采樣至1km。2020年居民點分布據來源于開放街道地圖(OpenStreetMap,www.openstreetmap.org),計算得到1km分辨率的居民點密度。

2.2 類型識別與制圖

基于上述數據,以植被蓋度、土地利用結構、居民點密度、干旱指數、海拔高度、地形坡度和土壤類型為主要指標,通過空間聚類和制圖綜合方法,對生態系統類型進行識別,主要包括如下步驟：

(1)基于1km分辨率MODIS NDVI數據,根據像元二分模型[33]計算區域的FVC。以年最大FVC值10%為指標,劃分為基本無植被區(FVC<10%)和有植被區(FVC≥10%)兩類。

(2)對基本無植被區,基于土地利用圖,首先將城鎮、水域類型,以及居民點密度≥1個/100 km2的區域剔除。然后,以年均溫0℃或海拔高度5000m為指標,將其區分為干旱荒漠生態系統和冰凍荒漠生態系統；第三,根據植被最大FVC圖、土壤類型圖、土地利用圖,通過空間疊置,進一步識別出二級類型,即荒漠生態系統(FVC在5%—10%)、沙漠生態系統(沙土,FVC<5%)和裸巖戈壁生態系統；冰凍寒漠生態系統根據土地利用類型劃分為冰雪生態系統和凍土寒漠生態系統。

(3)利用ArcGIS軟件,將完成類型識別的區域(即干旱荒漠和冰凍寒漠生態系統)剔除后,按照先識別相對單一類型、再識別混合類型的順序對生態系統進行歸類識別。首先,基于100m分辨率的土地利用圖、30m分辨率坡度圖和居民點分布圖,采用ArcGIS軟件,按1km2最小制圖單元分別計算土地利用結構、平均坡度、居民點密度。第二,采用Anselin Local Moran′s I指數[34],以3×3像元為統計單元,對中心像元(土地利用類型占比)進行聚類。對聚集顯著性≥95%,且以建設用地為主、以耕地和果園為主且坡度低于10°、以草地為主且耕地比重低于5%、以林地和灌木林地為主且無居民點分布、以河湖水面和濕地為主的聚集區,分別劃分為城鎮生態系統、耕種生態系統、牧草地生態系統、林地生態系統、水域濕地生態系統。第三,對位于城鎮周邊耕地和居民用地交錯分布但聚集顯著性不顯著的地區,劃分為耕種生態系統。第四,對未識別的其它類型,根據耕地、草地和林地的組合特征,劃分為農牧混合生態系統(以牧草地和耕地為主)和農林混合生態系統(以林地和耕地為主)。第五,主要以土地利用類型和結構為指標,綜合考慮氣候、植被類型和蓋度、土壤類型等因素差異,劃分二級類型。對城鎮生態系統,根據工礦用地占比最大來識別工礦生態系統,再以建設用地占比60%為指標,劃分為城市(≥60%)和鄉鎮生態系統(<60%)。對于耕種生態系統,將干旱指數≥4的單元識別為綠洲生態系統,其它根據主導土地利用方式和氣候特征,劃分為水田和旱田生態系統。農牧和農林混合生態系統則根據耕地、草地或林地占比,劃分為農牧、牧農和農林、林農生態系統類型。牧草地生態系統根據年均植被蓋度劃分為典型牧草(FVC≥50%)、斑狀牧草(30%≤FVC<50%)和稀疏牧草(FVC<30%)生態系統3個二級類型。根據植被類型(即喬木林和灌木林)和年均蓋度,將林地生態系統分為密林(FVC≥70%)、半密林(50%≤FVC<70%)、疏林(FVC<50%)、灌木林4個二級類型。水域濕地生態系統分為水域、沼澤和海灘生態系統3個二級類型。

(4)對生態系統分類圖進行制圖綜合。首先,參照Google Earth米級高分影像數據,對分布零散、不符合地理分布規律的類型進行了檢驗,校正了識別錯誤的類型。其次,FVC易受年際氣候波動等因素的影響,為了避免FVC小幅波動導致的牧草地和林地生態系統二級類型變動,本研究剔除了FVC變幅小于0.2%/a的二級類型轉變。第三,根據制圖單元的土地利用結構、坡度和居民點密度數據,對劃分錯誤的類型進行了綜合和調整,最后編制了2000和2020年中國陸地生態系統分布圖。

3 陸地生態系統變化分析

3.1 時空格局變化分析

采用ArcGIS軟件,通過分區統計、空間疊置等地統計方法,計算各一級和二級生態系統類型的平均海拔、坡度、降水、氣溫和植被蓋度,分析我國不同生態系統的空間分布特征。通過空間疊置和空間統計,分析生態系統類型的空間轉移,分析生態系統類型的時空變化特征。此外,通過計算一級和二級類型的面積和比例變化,分析生態系統組分結構變化特征。

3.2 景觀指數

基于Fragstats4.2軟件,對中國陸地生態系統進行景觀格局分析,選擇的景觀指數包括類型尺度上的平均斑塊尺寸(Mean patch size)、邊緣密度(Edge density)和聚集指數(Aggregation index)以及景觀尺度上的蔓延度指數(Contagion index)和Shannon多樣性指數(Shannon′s diversity index)[35]。平均斑塊尺寸是指某種生態系統類型所有斑塊的平均面積大小,其值越小則表示破碎度越高。邊緣密度是指單位面積生態景觀中某種生態系統類型的邊緣長度,其值越大表示空間形狀越復雜。聚集指數是指某種生態系統類型周圍相同類型的面積占比,其值越大表示聚集程度越高。蔓延度指數用于測度生態景觀中斑塊的團聚程度或延展趨勢,根據公式(1)計算,其值越大說明景觀連接度越高,反之則表明景觀破碎度較高。Shannon多樣性指數衡量生態景觀異質性、類型多樣性和非均衡分布狀況,根據公式(2)計算,其值越大表示景觀內部類型多樣性越高、更趨于均衡化分布。

(1)

(2)

式中,CONTAG和SHDI分別是整個生態景觀的蔓延度指數和Shannon多樣性指數,pi指生態系統類型i在生態景觀中的占比,m是生態景觀中生態系統的類型數量,gik是與生態系統類型i和k的斑塊相鄰的斑塊總數量。

3.3 NDVI變化趨勢

NDVI是表征生態系統狀況的有效指標[36],其值持續增加說明生態系統有所改善,反之說明生態狀況變差。考慮到中國植被生長季的空間差異明顯,本研究以年平均NDVI為指標,分析中國陸地生態系統的生態狀況變化特征。基于Mann-Kendall檢驗[33]和Sen′s Slope[37]方法,計算2000—2020年中國生態系統年平均NDVI的年際變化顯著性和變化率,并結合2020年生態系統類型分布,對比分析不同生態系統類型NDVI的變化特征。

4 結果分析

4.1 2000—2020年中國陸地生態系統的空間格局及變化

圖1展示了2000和2020年中國生態系統的分布,空間差異顯著。城鎮生態系統主要分布于中東部濕潤、半濕潤區(表2),2020年總面積16.58萬km2,較2000年擴大1.1倍(表3),其中64.51%的擴張來自耕種生態系統(圖2)。城鎮多呈不規則蔓延擴張,導致空間形態趨于復雜(表4),但空間聚集度顯著增強。耕種生態系統集中分布在東北、華北和長江中下游平原、四川盆地和關中盆地以及西北干旱綠洲區,年降水量多在121—1218mm之間,地勢平緩,耕地集中連片,平均占比為83.2%(表2)。2020年耕種生態系統總面積131.83萬km2,較2000年減少0.88萬km2,其中水田和旱田生態系統分別減少0.60萬km2和2.09萬km2(表3),多轉化為城鎮用地(圖2)；但綠洲擴張明顯,增加了29.6%(1.81萬km2),主要來自干旱荒漠生態系統。受城市擴張和退耕影響,耕種生態系統的空間形態趨于復雜、破碎度增加、聚集度下降(表4)。

圖1 2000和2020年中國陸地生態系統類型的空間分布

圖2 2000—2020年中國陸地生態系統類型轉移的空間分布

農牧混合生態系統主要位于黃土高原及其北部鄰近區域和云貴高原中部,以半干旱丘陵溝谷為主,年均降水為578mm(表2),其中耕地(多為梯田和坡耕地)占比37.1%,與草地(占比52.3%)交錯分布,其人類活動較強。農林混合生態系統主要分布在亞熱帶濕潤和溫帶半濕潤低山丘陵區,平均坡度9.1°,年均降水量1318mm,其中耕地、林地占比分別為31.0%和60.4%,其余為居民點和林間草地等。2020年農牧混合和農林混合生態系統面積分別為67.12萬km2和123.96萬km2,較2000年分別減少2.88萬km2和0.92萬km2(表3),主要由于退耕還林還草[36,38]和耕地撂荒[39]導致耕地退出,部分混合生態系統轉變為牧草地或林地生態系統(圖2),導致混合生態系統的破碎度和空間形態復雜度增加,但聚集度下降(表4)。

表2 2020年中國陸地生態系統的主要特征

林地生態系統主要分布于我國中東部中高山地,在東北大小興安嶺和長白山區、東南部亞熱帶山地、西南橫斷山區分布較集中,平均坡度13.6°,年降水量在392—1255mm之間。2020年林地生態系統總面積145.16萬km2,較2000年增加1.61萬km2(表3),其破碎度有所增加,聚集度稍有降低(表4)。受林地保護和降水增加影響[36,40-41],林地生態系統的植被蓋度顯著增加,密林和半密林生態系統的面積分別擴大3.78萬km2和0.97萬km2,而蓋度較低的疏林和灌木林生態系統面積有所減少(表3)。水域濕地生態系統分布零散,在青藏高原分布面積較大,2020年總面積24.34萬km2；受濕地保護政策影響[42],其面積較2000增加0.31萬km2,其中約70%源自沼澤生態系統的增加。受氣候暖濕化和冰川融水增加影響[43],青藏高原地區水域濕地擴張明顯；受沿海開發影響,海灘濕地生態系統面積減少0.10萬km2,主要轉變為城鎮生態系統。水域濕地生態系統的這些變化導致其破碎度增加、形態趨于復雜、聚集度下降。

表3 2000和2020年中國陸地生態系統類型的面積及變化/(104 km2)

牧草地生態系統主要分布于西北干旱半干旱地區和西南高寒地區,地勢起伏較大,平均坡度9.0°,年降水在210—848mm之間,其蓋度大致呈由東南向西北逐漸降低的趨勢(表2)。干旱荒漠生態系統主要分布于西北部內陸地區,地勢平坦、降水稀少,平均坡度3.1°,年均降水僅88mm。冰凍寒漠生態系統主要分布于西南部青藏高原,以高寒陡峻山地為主,平均海拔5336m,坡度12.0°,氣溫-5.7℃。2020年,牧草地、干旱荒漠和冰凍寒漠生態系統的面積分別為250.01萬km2、165.84萬km2和28.47萬km2。由于我國西北干旱區和西南高寒區的氣候呈暖濕化趨勢[41],部分鄰近牧草地生態系統的荒漠和凍土寒漠生態系統,植被長勢變好,植被蓋度顯著增加。因此,2020年牧草地生態系統面積較2000年增加了9.97萬km2,空間聚集度增強,但因局部草地退化影響,導致其形態趨于復雜。受氣候變化的影響,干旱荒漠和冰凍寒漠生態系統的面積分別減少14.98萬km2和0.92萬km2,聚集度有所降低。

近20年,我國生態系統的數量和空間分布都發生了一定變化,整體景觀的蔓延度指數從38.36%降至37.72%,說明各類型間的斑塊連接度和空間可達性下降,對物質和能量交換、動物遷移、干擾擴散等生態過程的阻礙作用加強(表4)。Shannon多樣性指數由1.916增至1.922,說明整個景觀呈現類型多樣化,有利于生物多樣性提升；同時景觀破碎化和生境割裂日益嚴重,對瀕危物種的脅迫加劇。

表4 2000和2020年中國陸地生態系統的景觀指數

4.2 2000—2020年中國陸地生態系統的NDVI變化

2000—2020年,我國92.06%的區域NDVI增加,僅7.94%減少(圖3),年均NDVI由0.30增至0.36,增幅為0.74%/a(P<0.01),說明我國整體生態狀況明顯改善。分類型看(圖4),農牧混合生態系統NDVI增幅最大,為1.26%/a,其次是農林混合生態系統,增加0.85%/a,主要受益于退耕還林還草等生態保護政策和近20年的生態建設[36,38,40]。耕種生態系統的平均NDVI增加0.81%/a,說明作物長勢變好,與2000年以來我國作物單產增長趨勢一致[44]；其中綠洲生態系統NDVI增幅高達1.78%/a,主要是綠洲面積擴大的緣故。受退牧還草、以草定畜、圍欄禁牧等草地保護政策的影響[38],牧草地生態系統NDVI年均增長0.64%,其中低蓋度的稀疏牧草地NDVI增幅(0.75%/a)高于高蓋度的典型牧草地。受退耕還林、人工林種植、防護林建設等林地保護政策的影響[40],林地生態系統的NDVI年均增加0.60%,其中半密林生態系統NDVI增幅較大(0.66%/a)。水域濕地生態系統的NDVI變化率為0.68%/a,其中海灘生態系統的NDVI增幅顯著(1.45%/a),與濕地保護有關[42]。受氣候暖濕化的影響[41],干旱荒漠和凍土寒漠生態系統的植被蓋度增加,NDVI呈增加趨勢。值得注意的是,2000—2020年城鎮生態系統的NDVI也呈現較顯著的增長(0.21%/a,P<0.05),說明近20年城市綠化成效明顯[45]。城鎮生態系統NDVI增長主要集中于城市中心地帶,而城市擴張區由于占用耕地,其NDVI明顯下降(圖3)。工礦生態系統擴張主要侵占耕地和林地,導致NDVI小幅下降(-0.04%/a)。

圖3 2000—2020年中國生態系統NDVI變化率的空間分布

圖4 2000—2020年中國一級和二級生態系統類型的NDVI變化

5 結論與討論

本研究以生態系統主導服務功能和人類干預強度為主線,構建包括9個一級和25個二級類的陸地生態系統分類方案,綜合土地利用、氣候、地形、植被、土壤、居民點分布等自然和人為因子的多源數據,利用聚類和制圖綜合方法,開展2000和2020年中國陸地生態系統分類制圖,從空間分布、組分結構、類型轉移、景觀格局和生態狀況多個角度,分析不同生態系統的變化特征。結果表明：

(1)2000—2020年,我國城鎮生態系統擴張1.1倍,64.51%來自耕種生態系統。耕種生態系統總面積減少0.88萬km2,水田和旱田面積減少,但綠洲擴張1.81萬km2。受退耕還林還草政策影響,部分混合生態系統轉移為牧草地或林地生態系統,農牧混合和農林混合生態系統面積分別減少2.88萬km2和0.92萬km2。林地生態系統小幅增加1.61萬km2,其中高蓋度的密林和半密林分別增加3.78萬km2和0.97萬km2。水域濕地生態系統面積增加0.31萬km2,其中70%源自沼澤生態系統的增加,青藏高原水域濕地在氣候變暖影響下擴張明顯。氣候暖濕化促使部分荒漠和凍土寒漠生態系統的植被蓋度增加,加上草地保護政策影響,導致牧草地生態系統面積顯著擴張9.97萬km2,而干旱荒漠和冰凍寒漠生態系統面積分別減少14.98萬km2和0.92萬km2。我國生態系統的數量及空間變化,導致城鎮和牧草地生態系統聚集度增加,其他類型破碎度增加,城鎮、耕種、農林混合、牧草地、林地、干旱荒漠生態系統的空間形態趨于復雜化,整體生態景觀呈現連接性下降、空間破碎度增加、類型多樣性增加的變化趨勢。

(2)2000—2020年我國整體生態狀況明顯改善,92.06%的生態系統NDVI增加,年均NDVI增長0.74%/a。受益于退耕還林還草等生態保護政策,農牧混合和農林混合生態系統NDVI增幅較大,分別為1.26%/a和 0.85%/a。主要受作物單產增長影響,耕種生態系統NDVI增加0.81%/a；由于綠洲生態系統擴張占用干旱荒漠,其NDVI增幅高達1.78%/a。受生態保護政策和氣候暖濕化影響,牧草地、林地和水域濕地生態系統的NDVI增幅分別為0.64%/a、0.60%/a和0.68%/a,干旱荒漠和凍土寒漠生態系統的NDVI也呈增加趨勢。近20年城市綠化成效明顯,城鎮生態系統的NDVI增加0.21%/a,其增加主要集中于城市中心地帶；而在城市和工礦擴張區,由于占用耕地和林地,NDVI明顯下降。

(3)本研究構建了基于土地利用分類的生態系統分類方法與途徑，提出的方案適應于大尺度生態系統識別與監測。其生態系統分類方案和制圖結果,突出了主導服務功能、人類干預強度和生態系統結構的差異,體現了生態系統的綜合性和主導性特征,刻畫了混合生態系統的類型組合和過渡帶特征。例如,以土地利用占比表征生態系統結構,識別了農牧和農林混合生態系統,強調了生態系統是多組分混合形成的多功能單元；牧草地和林地生態系統的二級分類綜合考慮蓋度和植被類型,突出了生產力、水土保持功能及生態風險的差異。然而,本研究的生態系統分類識別仍存在一些缺陷。首先,該分類集成多源數據,存在數據尺度不匹配、精度誤差疊加等不確定性。其次,植被蓋度是牧草地、林地和干旱荒漠生態系統及其二級類型的主要識別指標,易受氣候影響而波動,本研究雖然剔除了蓋度小幅變化引起的類型變化,但未來研究應進一步優選識別指標,使分類結果更穩定。最后,本研究旨在服務于宏觀尺度生態系統的類型識別和分類管理,只開展了二級分類,未來的小尺度研究可根據管理目標,綜合其他自然和人為因素,在此基礎上進一步細分和改進。