長江經濟帶生態系統格局演變及其驅動力分析

孫 靜 靜，王 卿，王 敏，譚 娟，黃 沈 發，

(1.東華大學 環境科學與工程學院，上海 201620； 2.上海市環境科學研究院，上海 200233)

0 引 言

土地利用/土地覆被變化(Land Use/Cover Change，LUCC)是人類活動對地表影響最重要的反映，并進一步對全球生態環境產生了一系列深刻的影響。開展土地利用/土地覆被及生態系統格局的演變特征分析，并揭示其驅動力，是研究全球與區域生態環境問題并進一步開展生態系統管理的基礎。

基于不同尺度的生態系統格局變化及其驅動力分析，提出有針對性的生態空間格局優化與生態系統服務管理對策，可為全球與區域/流域生態環境與國土資源管理提供重要支撐。國際上，Kozak等[1]分析了喀爾巴阡北部在20世紀的森林覆蓋變化情況；Winkler等[2]創建歷史土地動態評估+(HILDA+)，分析了全球土地利用動態變化過程。國內，Liu等[3]揭示了20世紀初期中國土地利用空間格局的變化過程；孔令橋等[4]研究了長江流域2000～2015年的生態系統格局及其演變特征。

長江是中國第一大河，流域面積大，是華夏文明的重要發祥地。長江經濟帶是長江流域經濟最發達的區域，覆蓋全國11個省(市)，面積占中國國土面積的21%，人口和生產總值均超過全國的40%，在中國國土開發和經濟建設中占據極其重要的角色。近年來，長江經濟帶發展成為我國重要的國家戰略，在中國社會經濟高質量發展與生態文明建設中具有關鍵地位[5-6]。由于長江經濟帶地理條件復雜、部分區域生態系統脆弱，加上人口密度大、經濟發展快、國土開發強度高，區域生態系統破碎化、生態系統服務能力下降等生態問題已對長江經濟帶社會經濟發展產生了顯著制約[7]。

本文通過分析長江經濟帶1990～2020年生態系統空間分布及其演變趨勢特征，并分析其驅動力，提出了長江經濟帶生態保護政策，可為中國長江大保護戰略與長江經濟帶高質量發展提供科學依據，并為流域生態系統管理提供案例與借鑒。

1 研究區概況

長江經濟帶覆蓋貴州、云南、四川、重慶、湖南、湖北、江西、安徽、浙江、江蘇、上海11個省(市)，面積為2.05×106km2，占全國的21.4%。長江經濟帶在中國的社會經濟地位極其重要。至2019年末，常住人口數量為6.02億，占全國的42.9%；GDP總量45.8萬億元，占全國的46.2%[8]。

長江經濟帶大部區域為亞熱帶季風氣候，水熱同期，年均降水量多在400 mm以上，屬濕潤或半濕潤區，是中國重要的常綠闊葉林分布區，也是重要的糧食主產區，對中國糧食安全具有舉足輕重的作用。長江經濟帶的濕地資源也較為豐富，其河流、湖泊、水庫等水域面積占全國水域總面積的21.19%[8]。長江經濟帶中下游湖泊群也是我國湖泊分布最密集的區域之一，面積超1 km2的湖泊共有651個，其中，大于100 km2的有18個[9]。此外，長江口的江蘇省、上海市，也是中國重要的灘涂鹽沼濕地分布區。

長江作為世界淡水生物多樣性最為豐富的水系之一，江豚、白鱀豚(已功能性滅絕)、中華鱘、揚子鱷等珍稀瀕危水生野生動物棲息于此[10]，其流域范圍內還有包括大熊貓、金絲猴、華南虎(已功能性滅絕)等珍稀陸生野生瀕危生物。

總之，長江經濟帶生態系統類型多樣，自然環境復雜，生物資源豐富，水土保持、水源涵養、洪水調蓄、生物多樣性維護等生態系統服務功能強大，是保障中國生態安全的重要區域[11]。為便于分析長江經濟帶土地利用演變及其驅動力特征的空間分異，根據長江經濟帶各省在長江流域的地理位置，結合《長江經濟帶發展規劃綱要》及已有相關研究，本文將研究區劃分為上游省市、中游省份、下游省市[4，6]，如圖1所示。

圖1 長江經濟帶生態系統格局Fig.1 Ecosystem pattern of the Yangtze River Economic Belt

2 數據來源及研究方法

2.1 數據來源

研究所采用的土地利用數據來自中國科學院資源環境科學數據中心，數字高程數據由美國國家航空與航天局(NASA)與日本經濟產業省(METI)2011年發布的ASTER GDEM 30 m數據拼接加工生成。本文根據中國科學院生態環境研究中心LUCC分類體系以及長江經濟帶的生態系統組成特征，將長江經濟帶的生態系統類型分為6個一級大類，23個二級子類[11](見表1)。

表1 長江經濟帶生態系統分類Tab.1 Ecosystem classification in the Yangtze River Economic Belt

2.2 研究方法

使用ENVI 5.3變化檢測模塊中的分類后比較法計算生態系統轉移的空間分布和面積構成。每10 a為一節點，通過分析1990，2000，2010年及2020年長江經濟帶及其上游省市、中游省份、下游省市的空間分布、面積構成，使用ArcGIS 10.2計算其生態系統面積變化及變化率，研究長江經濟帶的生態系統格局和變化特征。將研究區劃分為若干10 km×10 km的網格，計算網格內生態系統發生變化的面積比例，分層級展示不同程度的生態系統變化在空間上的分布特征。

利用景觀格局分析軟件Fragstats 4.1，計算長江經濟帶1990～2020年每5 a為一節點的生態系統的景觀格局指數。在景觀水平上，計算長江經濟帶的邊緣密度、斑塊數量、斑塊密度以及平均斑塊面積和香農多樣性指數。通過景觀多樣性的變化和景觀破碎化程度分析長江經濟帶的生態系統景觀格局變化特征。

以2000，2010年為分界點，分別計算長江經濟帶1990～2000，2000～2010年和2010～2020年的生態系統格局變化主要驅動力。基于已有研究[4-5，11]，選擇城鎮化、森林砍伐、林/草地資源開發、圍墾造田、洪澇災害、水資源開發、農業開發、生態保護和恢復以及地質災害等典型驅動因子，開展在不同時間段的驅動力分析，計算在生態系統面積變化中的驅動力占比，得出各驅動力對生態系統格局變化貢獻率。

3 結果與分析

3.1 生態系統演變特征

1990～2020年，長江經濟帶的生態系統變化最為頻繁的包括農田轉變為城鎮和濕地、農田和森林相互轉變、森林和草地轉變為城鎮，以及草地和森林相互轉變。長江經濟帶農田、草地和裸地及其他生態系統均呈減少趨勢。其中，農田面積顯著減少，減少幅度為5.39%。城鎮、濕地以及森林生態系統均呈增加趨勢。城鎮面積變化劇烈，增長了95.82%(見表2)。

表2 長江經濟帶1990～2020年生態系統面積轉移矩陣Tab.2 Ecosystem area transfer matrix in the Yangtze River Economic Belt from 1990 to 2020 km2

3.1.1上游省市

1990～2020年，長江經濟帶上游省市，城鎮、濕地和森林生態系統面積增加，農田、草地和裸地及其他生態系統面積減少(見表3)。① 1990～2000年，草地、城鎮和濕地生態系統面積增加，森林、農田生態系統面積減少。城鎮中的城鎮用地面積增長41.46%，濕地中水庫池塘增長7.39%，農田中水田與旱地面積均減少，森林中其他林地減少1.18%。② 2000～2010年，森林、城鎮、濕地和裸地及其他生態系統增加，農田、草地生態系統面積減少。森林中的其他林地增加17.65%，城鎮中其他建設用地增長85.00%、城鎮用地增長41.66%，濕地中水庫池塘、河渠以及灘地分別增長10.49%，5.99%以及-8.96%，裸地及其他中沙地和裸地分別增長73.86%和30.75%。農田中水田面積減少1.34%，草地中中覆蓋度草地減少1.04%。③ 2010～2020年，城鎮、森林和濕地生態系統面積增加，草地、農田和裸地及其他生態系統面積減少。城鎮中其他建設用地增長547.07%，城鎮用地增加86.18%，森林中其他林地增長61.17%，濕地中水庫池塘增長97.53%，草地中高覆蓋度草地減少4.76%，農田中水田減少5.94%，裸地及其他生態系統中沙地和裸巖石質地分別減少81.97%和7.70%。

3.1.2中游省份

1990～2020年，長江經濟帶中游省份，城鎮、濕地生態系統面積增加，農田、森林以及草地生態系統面積顯著減少(見表4)。① 1990～2000年，城鎮、濕地和森林生態系統面積增加，農田和草地生態系統面積減少。城鎮中其他建設用地和城鎮用地分別增長55.99%和15.13%，濕地中灘地增長4.6%，森林中其他林地雖然減少7.03%，但是有林地增長0.22%，農田中旱地面積減少0.71%，草地中低覆蓋度草地雖然增加，但高覆蓋度草地減少1.90%。② 2000～2010年，城鎮、濕地生態系統面積增加，農田、草地、森林和裸地及其他生態系統面積減少。城鎮中其他建設用地和城鎮用地分別增長98.20%和32.56%，濕地中灘地增長16.60%，農田中水田與旱地面積減少均超過1%，草地中中覆蓋度草地減少2.22%，森林中其他林地雖然增加36.11%，但是灌木林與疏林地減少均超過1.4%。③ 2010～2020年，城鎮、濕地生態系統面積增加，農田、森林和草地生態系統面積減少。城鎮中其他建設用地增長了355.25%，濕地中河渠增長12.56%，農田中旱地減少2.54%，森林中其他林地雖然增加了54.31%，但另外3種林地均減少，其中有林地減少1.60%，草地中高覆蓋度草地減少2.35%。

表3 1990～2020年上游省市生態系統面積變化Tab.3 Ecosystem area changes in the upper reaches from 1990 to 2020 km2

表4 1990～2020年中游省份生態系統面積變化Tab.4 Ecosystem area changes in the middle reaches from 1990 to 2020 km2

3.1.3下游省市

1990～2020年，長江經濟帶下游省市，城鎮、濕地、森林和裸地及其他生態系統面積均增加，農田和草地生態系統面積減少(見表5)。① 1990～2000年，城鎮、森林和濕地生態系統面積增加，農田和草地生態系統面積減少。城鎮中城鎮用地增長30.88%，森林中雖然疏林地減少16.99%，但有林地增長5.88%，濕地中水庫池塘增長8.27%，草地中中、低覆蓋度草地分別減少83.68%和40.62%，農田中水田旱地減少程度相當，均超過2.30%。② 2000～2010年，城鎮、濕地生態系統面積增加，農田、森林和草地面積減少。城鎮中其他建設用地和城鎮用地分別增長90.62%和56.74%，濕地中水庫池塘增長14.88%，農田中水田面積減少5.01%，森林中除有林地面積減少1.34%，其余均增加，草地中低覆蓋度草地減少9.65%。③ 2010～2020年，城鎮、濕地和裸地及其他生態系統面積增加，農田、森林和草地生態系統面積減少。城鎮中城鎮用地增長69.58%，濕地中水庫池塘增長16.36%，農田中水田、旱地減少均超過4%，森林中其他林地減少7.67%，草地中高覆蓋度草地減少1.52%，裸地及其他生態系統面積增加主要體現在裸地和裸巖石質地面積的增加。

表5 1990～2020年下游省市生態系統面積變化Tab.5 Ecosystem area changes in the lower reaches from 1990 to 2020 km2

3.2 生態系統轉變率與景觀格局特征

不同時期、不同海拔，長江經濟帶生態系統轉變特征差異明顯。1990～2000年長江經濟帶的生態系統變化區域主要集中在浙江省、上海市和江蘇省，其余省份的省會城市區域稍有變化。2000～2010年的變化區域較為分散，各省市均有較大范圍區域產生變化，但變化范圍主要在上海、合肥、南京、南昌、武漢、長沙、重慶、成都市等大城市及其周邊區域。2010～2020年，生態系統主要變化區域由長江經濟帶下游省市擴散到中游省份，上游省市變化相對微弱。在各時段，海拔0～100 m的下游省市和部分中游省份等平原均為生態系統變化最劇烈地區，其次是海拔為100～500 m的部分中游省份和上游省市中重慶、成都、昆明、貴陽市等大城市和周邊城鎮集聚區。海拔在1 000 m以上的區域，生態系統變化相對微弱，如圖2所示。

圖2 長江經濟帶生態系統變化率空間分布Fig.2 Spatial distribution of ecosystem change rate in the Yangtze River Economic Belt

1990～2020年，長江經濟帶平均斑塊面積減少，斑塊數量、斑塊密度、邊緣密度和香農多樣性指數增加(見圖3)，長江經濟帶景觀破碎度增加，景觀多樣性提高。

圖3 長江經濟帶景觀格局指數及其變化趨勢Fig.3 Landscape pattern index and its changing trend in the Yangtze River Economic Belt

3.3 生態格局變化的驅動力分析

研究結果顯示：在不同時期，導致生態格局變化的驅動因子及其貢獻率有所不同。

1990～2000年，長江經濟帶生態系統格局的變化主要受城鎮化、林/草業開發、圍墾造田、洪澇災害等驅動因子影響。由于城鎮化引起的生態系統面積變化達5.10×103km2，貢獻占比為39.68%，其中有4.67×103km2的農田轉變為城鎮。其次，林/草地資源開發也是長江經濟帶生態系統格局變化的重要驅動力之一，引起的生態系統面積變化為3.18×103km2，貢獻率達24.73%。圍墾造田(圍湖造田、毀林/草墾地)在生態系統面積變化的占比為22.31%，面積變化為2.87×103km2，其中有1.70×103km2的森林，0.46×103km2的濕地，以及0.67×103km2的草地轉變為農田生態系統。由于水資源開發，生態系統面積發生了1.60×103km2的變化，其中有1.21×103km2的農田轉變為濕地。此外，地質災害也是導致生態系統格局變化的另一驅動力，貢獻率為0.85%(見表6)。

2000～2010年，長江經濟帶生態系統格局的變化主要受到城鎮化、生態保護和恢復、水資源開發、農業開發以及地質災害等因素的影響。城鎮化引起的生態系統面積變化共計1.03萬km2，貢獻率達57.01%，是長江經濟帶生態系統格局變化的首要驅動力(見表7)。其中，8.84×103km2的農田生態系統轉變為城鎮生態系統，1.00×103km2森林轉變為城鎮生態系統系統。水資源開發也是引起長江經濟帶生態系統格局變化的驅動力之一，10 a間，有1.97×103km2的農田轉變為濕地生態系統，這使得水資源開發在長江經濟帶生態系統格局變化中的貢獻率為16.04%，總面積變化為2.90×103km2。另外，2000～2010年，長江經濟帶實施了一系列生態保護與恢復(退耕還林還草、天然林保護與修復等)措施，在很大程度上促進了森林和草地生態系統的恢復與增加，由于生態保護與恢復引起的生態系統面積變化達2.76×103km2，貢獻率為15.25%。農業開發與地質災害等驅動力的貢獻率分別為9.40%和2.30%。

表6 1990～2000年驅動力引起的各生態系統面積變化Tab.6 Area changes of each ecosystem caused by driving forces in 1990～2000 km2

表7 2000～2010年驅動力引起的各生態系統面積變化Tab.7 Area changes of each ecosystem caused by driving forces in 2000～2010 km2

2010～2020年，長江經濟帶生態系統格局的變化主要受到城鎮化、生態保護和恢復、水資源開發、農業開發以及地質災害等因素的影響。

不同于前2個時間段，2010～2020年，農業開發變成了長江經濟帶生態系統格局變化的首要驅動力，引起的面積變化7.28萬km2，貢獻率達38.50%(見表8)。10 a間，森林、草地與農田相互轉變，其中4.38萬km2的森林和1.43萬km2的草地轉變為農田，1.02萬km2的城鎮轉變為農田。生態保護與恢復成為第二驅動力，貢獻率為33.19%，引起的面積變化達6.27萬km2。其中5.53萬km2的農田轉變為森林和草地，4.55×103km2的裸地及其他生態系統轉變為森林和草地。城鎮化作為另一重要驅動力之一，引起的面積變化達3.68萬km2，貢獻率為19.48%。水資源開發與地質災害等驅動力貢獻率分別為6.28%和2.55%。

表8 2010～2020年驅動力引起的各生態系統面積變化Tab.8 Area changes of each ecosystem caused by driving forces in 2010～2020 km2

4 討 論

4.1 生態格局變化對區域生態安全的影響

驅動力分析結果顯示：不同時期，長江經濟帶生態系統格局變化特征不同，從而對區域乃至全國的生態安全格局的影響不同。

2000年以前，長江經濟帶城鎮、濕地和森林等生態系統面積增加，而農田面積減少，草場退化[12]。此外，景觀指數分析結果表明，長江經濟帶生態系統破碎度逐漸提高。強烈的人類活動導致長江經濟帶生態系統服務功能降低，生物多樣性資源喪失[13]，水土流失嚴重，河渠和湖泊面積減少，洪水調蓄能力變弱[14]，生態災害頻發[15]。

1998年，長江流域發生了特大洪澇災害，此后，政府、學術界乃至社會公眾逐漸意識到生態保護的重要性。在這之后，頒布了《關于災后重建、整治江湖、興修水利的若干意見》《退耕還林條例》，并啟動了“退耕還林還草”“退田還湖”、天然林保護等一系列生態保護與恢復工程。大量相關研究[4-5，11，16-17]顯示：2000～2020年，在這些生態工程作用下，長江經濟帶相繼有大量面積的農田恢復為森林、草地和濕地生態系統，長江經濟帶的生態政策成效顯著，研究區生態系統服務功能也呈現出持續提升的態勢。2000年以來，洪水調蓄與水土保持能力增強[16-17]，土壤侵蝕強度降低[18]，生態系統固碳能力也得到了顯著提升[19]。

與森林、濕地逐步恢復的態勢相反，長江經濟帶耕地面積持續萎縮。特別是2000年以后，城鎮化進程加速，有相當一部分面積的農田轉變為城鎮；此外，由于生態恢復工程，大量的農田被恢復為森林和濕地，進一步加劇了農田面積的萎縮。Liu等[3]的研究結果顯示，長江經濟帶是中國農田面積萎縮最為嚴重的地區。盡管中國已頒布《基本農田保護條例》，2010～2020年，農業開發也成為了長江經濟帶生態系統格局變化的主要驅動力，但并未從根本上緩解農田面積減少的趨勢。此外，長江經濟帶重金屬污染較為突出，農田土壤環境質量也存在一定問題[20]，這也進一步加劇了中國糧食安全保障的壓力。

近30余年來，在人類活動驅動下，生態系統產生了巨大的變化。盡管長江經濟帶部分生態問題得到了一定緩解，但經濟發展和生態保護的矛盾仍然突出，森林、草地、濕地等自然生態系統仍然面臨不同程度的問題和威脅，耕地萎縮的態勢尚未得到遏制，在氣候變化和中國“雙碳”目標的新形勢下，生態保護與建設任務仍然艱巨[21-22]。

4.2 生態保護對策及建議

近年來，長江經濟帶“共抓大保護、不搞大開發”，走“生態優先、綠色發展” 之路已成為中國重大戰略決策。根據本文研究結果，針對長江經濟帶存在的生態環境問題，提出以下生態保護與建設的對策建議。

(1) 提升生態系統服務功能，保障流域生態安全。進一步提升森林、濕地質量，改善森林結構，增加天然林比例；嚴守生態保護紅線，進一步建立與完善國家公園制度，嚴格限制自然保護地人類活動，保護重要生態用地不被開發占用，保育森林和濕地生態系統服務功能。

(2) 積極開展耕地保護，保障國家糧食安全。限制城市無序擴張，嚴守永久基本農田底線；統籌山水林田湖草系統，避免為完成造林指標，不合理地侵占耕地，因地制宜，宜耕則耕、宜林則林、宜濕則濕；此外，還應積極開展土壤污染防治，提升耕地質量。

(3) 優化生態系統空間格局，保障城鎮人居安全。針對城鎮生態系統服務需求，耦合生態系統服務的供給，提升林地、濕地等生態系統服務供給的空間效率，提升人居環境質量，形成綠色、高效的長江經濟帶生態安全城鎮空間格局。

5 結 論

為研究長江經濟帶的總體空間格局、演變特征及其驅動力，本文分析了1990～2020年長江經濟帶生態系統的空間分布、空間構成及變化，計算生態系統的變化率，分層級展示不同程度的生態系統變化在空間上的分布特征，揭示了長江經濟帶30 a間的生態系統格局、演變特征及其主要驅動力，主要結論如下。

(1) 長江經濟帶的農田、草地和裸地及其他生態系統面積減少，城鎮、濕地以及森林生態系統面積增加。上、下游省市農田和草地面積減少，城鎮、濕地和森林生態系統面積增加。中游省份農田、森林和草地面積減少，城鎮和濕地生態系統面積增加。

(2) 占據長江經濟帶的生態系統演變主導地位的是農田轉變為城鎮和濕地、農田和森林相互轉變、森林和草地轉變為城鎮，以及草地和森林相互轉變。

(3) 海拔較低(0～100 m)且區域經濟較發達的下游省市生態系統變化最為劇烈，其次則以海拔在0～500 m且區域經濟發展平穩的中游省份變化為主。海拔在500 m以上的上游省市區域，除各省省會城市外，其余地區生態系統變化較為微弱。長江經濟帶景觀格局破碎化程度和景觀多樣性提高。

(4) 長江經濟帶生態系統格局變化的首要驅動力由1990～2000年和2000～2010年的城鎮化轉變為2010～2020年的農業開發。

在本文的基礎上，可進一步開展長江經濟帶生態系統服務功能、生態風險等研究，構建區域與流域生態安全格局，并開展主要生態問題的跟蹤監測與評估，這將對中國長江大保護與區域生態文明建設具有重要意義。

致 謝

感謝中國科學院地理科學與資源研究所徐新良研究員提供土地利用數據，感謝中國科學院生態環境研究中心鄭華研究員提供的寶貴修改意見。