基于遙感的常熟市2018—2022年生態系統變化分析

屠長達，劉漢湖，羅清渠

（成都理工大學地球科學學院，四川成都 610059）

生態系統是人類生存和社會經濟可持續發展的基礎，是由不同的生物群落及其生存的自然環境共同構成的[1]。生態系統一般是動態的，會根據不同時期不同的生物環境組合發生一定程度變化，往往造成這種情況發生的原因主要是人類對生態系統資源的開發利用，不同程度的人類社會活動便會造成這種生物環境的重新組合。定期開展生態系統狀況監測與評估，可以系統地掌握地區生態系統狀況及變化特征，提高本地區的生態監測管理水平，促進本地區經濟與生態文明和諧發展[2]。

評價生態系統主要是從生態系統格局與質量兩方面進行。而生態系統格局與質量直接影響生態系統服務功能的變化，研究生態系統格局和質量的時空變化對于生態保護、實現生態資源可持續發展具有重要意義[3]。生態系統格局主要是研究生態系統的構成、景觀格局、破碎度等。相比生態系統質量變化，生態系統類型的變化（或土地覆蓋/利用變化）更容易引起察覺和重視；而生態系統質量的變化是隱性的、漸進的，不易察覺，并且涉及范圍更廣，從而可能對生態系統穩定性、生態系統功能和生態系統服務產生更大影響[4]。生態系統格局演變是當前全球氣候變化和環境變化等研究關注的重要內容[5]，基于土地利用的景觀格局研究主要集中在指數特征、時空演變、破碎度及驅動因素的分析等方面[6]。傅伯杰[7]指出生態系統服務受土地利用類型的影響，并對不同的土地利用類型、土地利用格局變化和不同利用強度3 個方面引起的生態系統服務變化進行分析[3]。李道寧[2]通過將生態系統分成一級和二級生態系統來研究盤錦市2000—2015年15年間的生態系統格局變化。生態系統質量的評價指標中一般包括植被覆蓋度、葉面積指數及總初級生產力。植被覆蓋度[8]量化了植被的茂密程度，反映了植被長勢，是評價生態系統質量的重要指標。葉面積指數[9]反映生態系統中單位面積上的葉面積大小，可以在一定程度上量化出植被群落的生命力及周邊的環境效應，并且也是生態系統中碳循環、水循環、大氣循環的重要參數。總初級生產力[10]是在單位時間和面積上綠色植物光合作用所固定的總有機碳量，是評價陸地生態系統質量的重要指標，定量化描述了全球氣候變化情況下的碳循環。周鑫[11]通過將植被覆蓋度、葉面積指數和總初級生產力作為研究黔中城市群2015—2020 年生態質量的變化的重要評價指標，結合貴州省的生態保護工作系統地掌握了黔中城市群中不同生態系統類型的變化及生態質量變化的具體特征。筆者認為，在評價地區生態系統景觀格局中除使用聚集度來評價生態系統的空間格局外，還缺少不同生態系統的破碎度和評價最大優勢生態系統來進行佐證，而計算植被覆蓋度需要建立相關回歸模型且步驟相對較繁瑣。

本文使用Fragstats 軟件創建模型得到景觀分割指數（DIVISION）、最大斑塊面積指數（LPI）及聚集度指數（AI）來研究生態系統景觀格局；在評價區域內的植被覆蓋情況時，根據2021年由生態環境部提出的《區域生態質量評價辦法(試行)》[12]中的植被覆蓋指數來進行評價，相較于計算植被覆蓋度，在保證其科學性的同時簡化了計算步驟。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

常熟市隸屬于江蘇省蘇州市，位于江蘇省南部，北緯31°33'～31°50'，東經120°33'～121°03'。東北方毗鄰長江與南通市隔江相望，東南方與太倉市、昆山市接壤，西臨無錫市，西北與張家港市相連。境內地勢低平，平均海拔3～7 m，屬于長江中下游平原。全市總面積1 276.32 km2，常住人口為169.24 萬人。常熟市資源豐富，降水量充沛，河流水網密集分布，擁有喬木、灌木、藥材、草、菌類等200 多種野生植物資源及哺乳類、鳥類等800 余種野生動物。主要水產品有繃魚、青蝦、大閘蟹等數十種。

1.2 數據來源

數據主要包括2018年江蘇省常熟市的土地利用類型矢量數據；2022年國產“高分”系列影像一共3幅，可覆蓋常熟市全境，空間分辨率為2 m。MODIS 遙感數據，包括：MOD13Q1（植被指數產品），空間分辨率為250 m；MOD15A2（葉面積指數產品），空間分辨率為500 m；MOD17A2（植被總初級生產力產品），空間分辨率為500 m。

1.3 研究方法

1.3.1 交互式遙感解譯

交互式目視解譯是一種基本的遙感圖像解譯方法，通過Arcgis10.5 軟件結合自己所掌握的經驗知識，根據遙感影像上不同地物要素的影像特征來判斷其地物要素類別或者所蘊含的地理信息。將2018年土地利用類型矢量文件根據2022年高分影像來進行解譯，最終得到2022年常熟市生態系統分類。

根據《全國生態狀況調查評估技術規范——生態系統遙感解譯與野外核查》（HJ 1166—2021），結合常熟市生態系統組成將土地利用類型分為森林、灌叢、草地、濕地、農田、城鎮及其他7大類（見表1）。

表1 常熟市生態系統分類

1.3.2 生態系統轉移矩陣

生態系統轉移矩陣主要是引用土地轉移矩陣的轉移模型將其應用到生態系統中，根據同一個地區不同時期的生態系統變化的關系最終求得的一個二維矩陣。通過對得到的轉移矩陣進行分析，得到兩個時期不同生態系統類型的轉化情況。從各系統的面積入手，通過分析不同時期的生態系統轉換，可得知最終生態系統用地的結構變化。運用Arcgis10.5 軟件獲取不同的生態系統用地面積，進行疊加分析并制作轉移矩陣。

1.3.3 生態質量評價指標估算

植被覆蓋指數。參照《區域生態質量評價辦法(試行)》中的植被覆蓋指數進行計算：

在公式(1)中，C表示植被覆蓋指數；Aveg為植被覆蓋指數的歸一化系數，參數值為121.165 1；Pi為評價年5—9 月像元NDVI 月最大值的均值；n為研究區范圍內的像元個數。

年均GPP、LAI。年均GPP和LAI計算的公式為:

2 結果與分析

2.1 生態系統格局變化

2.1.1 生態系統構成及變化

如表2 所示，2018 年及2022 年的常熟市生態系統均主要以城鎮、濕地、農田生態系統為主，3 類生態系統面積合計占比分別為90.202%、90.697%，其他4類生態系統所占比例較小，其中所占比例最小的為其他，占比均為0.004%。2018—2022年，由于常熟市境內生態用地的持續開發，空間面積增長的生態系統僅有城鎮生態系統，增長了10.47 km2；其他生態系統空間面積均減少，其中面積減少較多的為草地生態系統和濕地生態系統，分別減少了5.27 km2、2.85 km2。

表2 2018年及2022年常熟市生態系統構成情況

2.1.2 生態系統的變化特征

由表3 及圖1 可知，2018—2022 年常熟市主要是以農田轉換為城鎮、草地轉換為農田和城鎮及濕地轉換為農田為生態系統的變化特征，其中農田生態系統轉換為城鎮生態系統一共有6.80 km2；草地生態系統轉換為農田生態系統和城鎮生態系統分別為3.15 km2和2.40 km2；濕地生態系統轉換為農田生態系統為2.19 km2。主要原因可能是常熟市城市化發展造成的連鎖反應，由于城鎮開發而造成了較多的農田被破壞，而為了本地區農業糧食生產則又需要從草地以及濕地中退草還耕或者圍湖造田。由圖2 可知，2018—2022 年常熟市生態系統轉換的斑塊在常熟市南部和西南部分布較聚集，而在常熟市北部的生態系統轉換斑塊則分布較分散。

圖1 常熟市生態系統轉換面積統計

圖2 常熟市生態系統轉換分布

表3 常熟市生態系統類型轉移矩陣 單位：km2

2.1.3 生態系統景觀格局變化

景觀分割指數、最大斑塊面積指數、聚集度指數是評價生態系統景觀格局的重要指標，分別表示了景觀格局的破碎度、景觀格局的最大優勢類型以及景觀格局的斑塊聚合程度。從表4 可以看出，常熟市生態系統景觀分割指數的最大值為1。景觀分割指數中除數值為1 的生態系統外，變化較大的為濕地、農田和城鎮這幾種生態系統，濕地、農田生態系統的景觀分割指數上升，城鎮生態系統的景觀分割指數下降。最大斑塊面積指數中較大的主要為濕地、農田和城鎮生態系統，這幾種優勢比較大的生態類型也說明了人類活動較為頻繁，較2018年相比，2022年城鎮生態系統的景觀格局優勢變得更為明顯，農田和濕地生態系統的景觀格局優勢則有所下降。聚集度指數中，上升的為灌叢、城鎮生態系統，下降的為森林、草地、濕地、農田生態系統，變化較大的為城鎮和草地生態系統。通過上述3 類指標對常熟市生態系統景觀格局的描述，可以看出2018—2022年主要是各類生態系統向城鎮聚集的過程，城鎮生態系統的景觀破碎度呈下降趨勢且景觀格局優勢更為明顯。

2.2 生態系統質量變化

2018—2022 年，常熟市生態系統質量良好。2022年植被覆蓋指數、葉面積指數、總初級生產力較2018年均有一定程度下降（見表5），分別下降了2.35，0.17，12.22。生態系統質量各個指標下降的主要原因則是4 年來城鎮建設的擴張造成植被用地減少，從而最終導致生態系統的質量下降。

表5 2018—2022年常熟市植被覆蓋指數、葉面積指數、總初級生產力變化

3 討論與結論

2018—2022 年常熟市的生態系統變化主要發生在城鎮上，從側面說明了影響這4 年常熟市生態系統變化的原因主要來源于人口活動遷移造成的城鎮化上升。從生態系統的空間格局變化上來看，常熟市4 年間景觀斑塊破碎化程度呈下降趨勢，斑塊整體趨向于大斑塊演變，斑塊數量逐漸減少，城鎮生態空間的連通性整體呈上升趨勢，城鎮景觀空間分布較緊湊；從生態系統質量變化上來看，因為4 年內生態系統質量的下降，也從一定程度上反映出了由于城鎮化的擴張所造成的植被用地減少。

根據常熟市地方生態系統特色，綜合考慮自然資源以及經濟因素，提出幾點建議：1）常熟市濕地生態系統優勢較明顯，市內河網也比較發達，在發展農業時可以考慮嘗試采用無土農業這種新型農業，在充分利用濕地自然資源的同時也減少了其他生態系統因為開發使用遭到破壞。2）市內擁有尚湖、昆承湖兩個較大的濕地公園，且市內湖泊坑塘眾多，可根據此特點去建立一些濕地公園，有利于保護常熟市內的動植物資源，既服務市民又可以在一定程度上提高市內的生態質量。3）對市內的森林公園加大保護力度，在對生態系統進行開發時盡量不涉及森林生態系統，嚴禁隨意砍伐樹木。4）減緩城鎮擴張速度，在城市建設中應該注意規劃的合理性，提高土地利用率，合理控制人口增長，減緩城鎮生態系統侵占森林、濕地等其他生態系統。5）注意產業結構調整，加大對發展綠色經濟、生態產業等環境友好型企業的投資。