豫西黃土丘陵區生態格局變化調查評價探討

趙勝朝王福嶺劉明欣徐建昭

1 河南省水土保持監測總站（450000） 2 鄭州市水利建筑勘測設計院（450008）

豫西黃土丘陵區是河南省水土流失強度較大的區域之一。進入21 世紀以來，豫西黃土丘陵區在復雜而劇烈的人類活動干擾下，土地覆被情況發生了較大變化，隨之帶來水土保持功能的改變。目前，豫西黃土丘陵區土地覆被與水土保持功能的特征關系缺乏數據和理論支持，影響了水土保持部門準確掌握該地區的水土保持功能的動態變化情況，制約了相關應用研究，影響了水土保持措施的實施。本次基于 2010、2015、2019年遙感數據，對土地利用變化區域進行數據提取，并結合對豫西黃土丘陵區生態格局變化調查評價，以此為依據分析區域生態系統構成與格局及近年來的變化規律，開展土地覆被動態變化、轉換特征及生態系統評估，以期能夠準確反映區域水土保持功能服務的空間真實分布狀況，為該地區水土流失綜合治理提供基礎數據與理論依據。

1 調查內容

結合遙感、 地面調查及生態系統定位觀測數據，重點調查與評價豫西黃土丘陵區各類生態系統類型、面積、破碎化、分布及10年變化，分析各類生態系統類型之間相互轉換的特征[1]。

1.1 生態系統類型分布與構成的現狀評價

以2015年數據為基礎，分別根據生態系統一級分類和二級分類，分析與評價豫西黃土丘陵區生態系統類型和空間分布特征，以及各類型生態系統構成和面積比例。

1.2 生態系統分布與構成的變化評價

以2010、2015 和2019年數據為基礎，分別根據生態系統一級分類和二級分類，分析豫西黃土丘陵區生態系統類型與分布的變化特征。

1）剖析與評價近10年各類型生態系統空間分布的演變特點。

2）剖析與評價近10年各類型生態系統構成與面積比例的演變特點。

1.3 生態系統類型轉換的特征

分別從生態系統一級分類和二級分類建立豫西黃 土 丘 陵 區 2005-2010年 、2010-2015年 、2015-2019年生態系統類型轉移矩陣，分析與評價豫西黃土丘陵區生態系統類型轉換特征，評價該區域各生態系統變化的結構特征、變化方向和變化強度。應用單一和綜合生態系統動態度，定量評價生態系統的轉換速度，揭示本區域各生態系統類型演變強度，在空間上明確生態系統類型變化的關鍵區域[2]。

1.4 生態系統景觀格局特征分析與評價

分別以生態系統一級分類和二級分類數據為基礎，分析與評價豫西黃土丘陵區2010、2015 和2019年三個時期生態系統景觀格局特征，重點評價生態系統的連通性、破碎化程度及其變化趨勢。

2 調查與評價指標

豫西黃土丘陵區生態系統格局調查評價指標體系，見表1。

表1 豫西黃土丘陵區生態系統格局及變化調查指標

3 數據源

利用遙感解譯獲取的2010、2015 和2019年三期生態系統空間分布數據，精度要求至少到二級分類水平。

4 分析與評價方法

4.1 基于一級分類的各類生態系統結構比例

計算方法為：

其中，Pij為一級分類的第i 類生態系統在第j年的面積比例，Sij為一級分類的第i 類生態系統在第j年的面積，TS評價區域總面積。

4.2 基于二級分類的各類生態系統類型結構比例

計算方法為：

其中，P'ij為二級分類的第i 類生態系統在第j年的面積比例，S'ij為二級分類的第i 類生態系統在第j年的面積，TS評價區域總面積。

4.3 生態系統類型面積變化率

計算方法：

其中，EV研究時段內某一生態系統類型的變化率，EUa/EUb：研究期初及研究期末某一種生態系統類型的數量（如可以是面積、斑塊數等）。

4.4 斑塊數

指評價范圍內斑塊的數量。計算方法為： 應用GIS 技術及景觀結構解析軟件FRAGSTATS3.3 解析板塊數NP。

4.5 平均斑塊面積

計算方法為：

其中，MPS為平均斑塊面積，NP為斑塊數量，TS為評價區域總面積。

4.6 類斑塊平均面積

計算方法為：

其中，Ni為第 i 類景觀要素的斑塊總數，Aij為第i 類景觀要素第j 個斑塊的面積。

4.7 邊界密度

計算方法為：

其中，ED為景觀界線密度，Pij為景觀中第i 類景觀要素斑塊與相鄰第j 類景觀要素斑塊間的界線長度。

4.8 聚集度指數

計算方法為：

其中，Cmax為Pij=PiPj/i指數的最大值；n為景觀中斑塊類型總數，Pij為斑塊類型i 與j 相鄰的概率。

4.9 各生態系統類型演變趨勢

計算方法為：

其中，i為研究初期生態系統類型，j為研究終期生態系統類型，aij為生態系統類型的面積，Aij為研究初期第i 種生態系統類型轉化為研究末期第j種生態系統類型的比例，Bij：研究末期第j 種生態系統類型中由研究初期的第i 種生態系統類型變化而來的比例。

4.10 生態系統綜合變化率

計算方法為：

其中，ECOi為監測起始時間第i 類生態系統類型面積，ECOi 根據全國生態系統類型圖矢量數據在ARCGIS 平臺下統計獲取，△ECOi-j為監測時段內第i 類生態系統類型轉為非i 類生態系統類型面積的絕對值，△ECOi-j依據生態系統轉移矩陣模型獲得。

4.11 類型相互轉化強度（土地覆被轉類指數）

反應土地覆被類型在特定時間內演變的總體趨勢。

計算方法為：

LCCIij值為正，表明此調查區整體上土地覆被類型轉好；LCCIij值為負，表明此研究區整體上土地覆被類型轉差。

其中，LCCIij為某調查區土地覆被轉類指數，i為調查區，j為土地覆被類型j=1，2…n，Aij為某調查區土地覆被一次轉類的面積，Da為轉類前級別，Db為轉類后級別。

5 技術路線

根據生態系統土地覆蓋分類系統，提取各種生態系統空間結構分布信息，得到豫西黃土丘陵區生態系統類型與空間分布、各類生態系統構成。通過面積單元統計、動態度計算、轉移矩陣和景觀格局指數等指標和計算方法，解析該區域各生態系統類型的分布、結構及其10年演變，生態系統類型轉換時空變化特點，各生態系統內部結構特點及其10年變化，生態系統景觀格局特征[3]。評價流程如圖1所示。

圖1 河南省生態系統格局及其10年變化技術流程圖

6 結語

以豫西黃土丘陵地區為調查區域，基于河南省Landsat TM 多光譜數據，利用遙感和地理信息系統，土壤侵蝕模型USLE 等手段，針對該區域近15年來的水土保持綜合治理措施收到的成效、存在的不足及生態格局的變化，對2010-2019年水土保持功能及其變化進行定量評價，以期得到能夠準確反映區域生態系統服務的空間真實分布狀況，揭示土地覆被類型、質量等因素下的水土保持功能的變化趨勢，得出研究區域土地覆被變化與水土保持效果響應關系，并為該地區水生態文明建設和鄉村振興戰略實施提供科學決策的依據。