馬廣文，孫 聰，王業(yè)耀，李寶林，劉海江，董貴華，何立環(huán)*

（1.中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點實驗室，北京 100012；2.中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101）

山區(qū)地形陡峻、沉積物豐富，降雨強度高、雪水融化快，易暴發(fā)山洪和泥石流等災(zāi)害[1]。一個區(qū)域降水后是否發(fā)生山洪和泥石流，與其生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成關(guān)系密切。對某一區(qū)域長時間序列生態(tài)格局監(jiān)測與評價研究意義重大。在多期遙感影像支持下，胡云鋒等[2]建立了1975—2009年長時間序列生態(tài)系統(tǒng)宏觀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫，研究了干旱-半干旱草原典型區(qū)錫林郭勒盟的生態(tài)系統(tǒng)空間分布格局、動態(tài)變化及驅(qū)動機制。RAI等[3]基于遙感影像的監(jiān)督分類方法，分析了尼泊爾甘達(dá)基流域內(nèi)的兩個大城市——博卡拉和巴拉普爾1990—2018年的城市用地變化。Mansour等[4]利用GIS（geographic in?formation system，地理信息系統(tǒng)）和CA-Markov模型技術(shù)監(jiān)測阿曼的山區(qū)城市土地利用和土地覆蓋變化。何改麗等[5]以1985—2015年的4期遙感影像為數(shù)據(jù)源，分析美國佛羅里達(dá)州坦帕灣流域土地開發(fā)利用強度的空間格局。劉楨等[6]利用RS（re?mote sensing，遙感）和GIS技術(shù)，定量分析2005—2010年湖南省永州市錫礦區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)空間格局變化特征；在區(qū)域生態(tài)格局監(jiān)測與評價方面，文春波等[7]以2015年遙感分類數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，分析河南省生態(tài)系統(tǒng)類型與空間分布；董小俊[8]以遙感解譯數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用FRAGSTATS 3.3分析贛江流域景觀結(jié)構(gòu)。在利用多源遙感影像開展生態(tài)格局研究方面，利用NDVI（normalized difference veg?etation index，歸一化差異植被指數(shù)）數(shù)據(jù)集開展長時間序列、大空間尺度陸地生態(tài)系統(tǒng)植被健康和生長態(tài)勢研究，或者是在一些局部地區(qū)開展一些短時間序列的土地分布格局及其變化研究[9-10]。眾多學(xué)者利用科學(xué)合理的理論和模型對土地資源進(jìn)行分析，用于提高生態(tài)安全系數(shù)、優(yōu)化土地利用格局和提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值[11-13]。

我國山地面積約占陸地面積的2/3，山洪和泥石流災(zāi)害的廣泛發(fā)育嚴(yán)重地威脅廣大山區(qū)人民生命財產(chǎn)和重大工程安全，2 058個縣（區(qū)、市）不同程度地受山洪和泥石流影響，分布區(qū)面積達(dá)4.87×106km2，受威脅人口約5.7億人[14]。本文綜合分析多種因子，在全國范圍內(nèi)確定易發(fā)生洪水和泥石流災(zāi)害的四個典型區(qū)域：岷江上游流域、白龍江上游、贛江上游和閩江上游流域，建立了典型區(qū)域生態(tài)格局監(jiān)測與評價指標(biāo)體系和計算模型，基于四個典型區(qū)域1985—2013年長時間序列遙感影像，對典型區(qū)生態(tài)格局進(jìn)行監(jiān)測與評價，為區(qū)域生態(tài)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及山洪和泥石流災(zāi)害預(yù)防奠定基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)域概況

綜合分析歷史上曾發(fā)生的山洪和泥石流災(zāi)害情況，包括傷亡指數(shù)、風(fēng)險指數(shù)、經(jīng)濟損失指數(shù)和污染程度指數(shù)等[14-15]，選擇岷江上游流域、白龍江上游、贛江上游和閩江上游流域作為典型區(qū)（圖1）。其中，岷江上游流域包括四川省北部6個縣域，面積25 470.0 km2；白龍江上游流域位于甘肅省南部和四川省北部，包括6個縣域，面積25 966.9 km2；贛江上游流域位于江西省南部，包括18個縣域，面積37 733.9 km2；閩江上游流域位于福建省北部，包括13個縣域，面積26 955.4 km2；典型研究區(qū)總計43個縣域，總面積116 126.2 km2，見圖1。典型區(qū)在災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃、小流域植被減洪能力、生態(tài)風(fēng)險評價、生態(tài)服務(wù)功能等方面，國內(nèi)學(xué)者已有一定的研究[16-19]。

圖1 典型區(qū)域位置分布Fig.1 Location distribution of typical areas

2 數(shù)據(jù)處理與研究方法

2.1 典型區(qū)生態(tài)系統(tǒng)分類體系

參照全國生態(tài)環(huán)境10年變化（2000—2010年）遙感調(diào)查評估生態(tài)系統(tǒng)分類體系[20-21]，典型區(qū)生態(tài)系統(tǒng)分類體系為：一級生態(tài)系統(tǒng)6類：耕地、草地、森林、濕地、人工表面、其他生態(tài)系統(tǒng)；二級生態(tài)系統(tǒng)為38類，按照一級分類體系的順序，二級生態(tài)系統(tǒng)類型分別為：水田、旱地；草甸、草原、草叢、草本綠地；落葉闊葉林、常綠闊葉林、落葉針葉林、常綠針葉林、針闊混交林、落葉闊葉灌木林、常綠闊葉灌木林、常綠針葉灌木林、灌木園地、喬木園地、喬木綠地、灌木綠地；居住地、工業(yè)用地、交通用地、采礦場；森林沼澤、灌叢沼澤、草本沼澤、湖泊、水庫/坑塘、河流、運河/水渠；稀疏林、稀疏灌木林、稀疏草地、苔蘚/地衣、裸土、裸巖、鹽堿地、沙漠/沙地、冰川/永久積雪[22]。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)分類信息提取方法

基于建立的典型區(qū)生態(tài)系統(tǒng)分類信息提取質(zhì)量保障體系，利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行人機交互解譯，結(jié)合地面核查，提取典型區(qū)生態(tài)系統(tǒng)信息[23-25]。以贛江上游、閩江上游、岷江上游和白龍江上游流域1985年、2000年和2013年三期Land?sat TM/ETM中分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)為主，1985年影像部分利用MSS（multi-spectral scanner，多光譜掃描儀）。為確保影像的質(zhì)量，遙感影像數(shù)據(jù)在時相、單景影像云量、單景影像噪聲以及影像變形情況等方面的選取均符合質(zhì)量控制要求：采用影像的時相為6—9月，或者是11、12月，個別影像選用的3月。遙感數(shù)據(jù)的地理投影參考定為大地基準(zhǔn)：2000國家大地坐標(biāo)系；投影方式采用Albers投影；中央經(jīng)線：110°，原點緯度：12°，標(biāo)準(zhǔn)緯線：北緯25°、北緯47°。影像控制點的選取及分布也達(dá)到幾何校正的技術(shù)要求；點位中誤差（影像分辨率）平原和丘陵≤2倍、山地≤3倍。在鑲嵌后的影像中同一地物類型色彩基本統(tǒng)一、無模糊現(xiàn)象，邊界清晰、無明顯錯位。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)格局評價指標(biāo)體系與計算方法

構(gòu)建典型區(qū)生態(tài)系統(tǒng)格局評價指標(biāo)體系和計算模型，見表1。應(yīng)用ArcGIS和FRAGSTATS軟件（景觀結(jié)構(gòu)分析軟件）分析[8，26]；生態(tài)系統(tǒng)景觀破碎化分級趨勢（landscape fragmentation，Lf）用平均斑塊面積或者類平均斑塊面積變化率反映，見表2。以1985年、2000年、2013年為時間節(jié)點，基于遙感影像解譯獲取的典型區(qū)生態(tài)系統(tǒng)分類數(shù)據(jù)，分析評價岷江上游流域、白龍江上游流域、贛江上游流域和閩江上游流域2013年生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和1985—2013年生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化特征。

表1 典型區(qū)生態(tài)系統(tǒng)格局評價指標(biāo)和方法Table 1 Evaluation indexes and methods for ecosystem pattern of typical areas

表2 典型區(qū)生態(tài)系統(tǒng)景觀破碎化趨勢評估分級Table 2 Assessment classification of landscape fragmentation trend in ecosystem of the typical areas

3 結(jié)果與討論

3.1 典型區(qū)生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成

2013年森林、草地、濕地、耕地、人工表面、其他類型生態(tài)系統(tǒng)面積占比，岷江上游流域分別為61.2%、23.7%、11.2%、3.0%、0.4%和0.5%，白龍江上游流域分別為61.5%、21.6%、0.3%、10.1%、0.5%和6.0%，贛江上游流域分別為77.7%、0.5%、1.3%、14.9%、3.4%和2.2%，閩江上游流域分別為84.2%、0.8%、1.2%、9.4%、2.0%和2.4%，四個流域均以森林生態(tài)系統(tǒng)類型為主。岷江上游流域和白龍江上游流域生態(tài)系統(tǒng)類型呈現(xiàn)出明顯的垂直地帶性分布特點，居住用地主要分布在海拔較低的河流谷地，耕地則主要分布在河谷平原區(qū)。岷江上游流域稀疏草地、裸土和冰川/永久積雪等主要分布在海拔3 500 m以上地區(qū)，耕地則主要分布在成都平原的都江堰地區(qū)。白龍江上游流域稀疏草地或裸巖等主要分布在海拔4 100 m以上地區(qū)，耕地則主要分布在武都區(qū)和宕昌縣河谷地帶。贛江上游流域位于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，植被類型以常綠闊葉林、針闊混交林、常綠闊葉灌木林和常綠針葉林為主，主要位于海拔較高的山區(qū)；在河谷平原與河流階地上主要為耕地和居民地，尤其在章水和貢水兩大支流交匯的平原地區(qū)集中分布。閩江上游流域位于亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候區(qū)，常綠闊葉林和常綠針葉林的分布最廣，常綠針葉林主要有杉木林和馬尾松等，絕大部分為人造林，邵武市、沙縣是福建省杉木中心產(chǎn)區(qū)（圖2）。

圖2 2013年典型區(qū)生態(tài)系統(tǒng)分布Fig.2 Ecosystems distribution of typical areas in 2013

3.2 典型區(qū)生態(tài)系統(tǒng)格局

1985—2013年，岷江上游流域自然生態(tài)系統(tǒng)面積變化幅度相對較小，30年間森林與草地兩種生態(tài)類型變化幅度小于2%，人工生態(tài)系統(tǒng)面積變化幅度相對較大，30年間耕地面積減少21.5%，人工表面增加6倍；岷江上游流域斑塊數(shù)增加了5.2%，平均斑塊面積減少了5.0%，邊界密度由35.8 m/ha增加到36.9 m/ha；聚集度指數(shù)也由64.6%減少到64.1%（圖3），四個指標(biāo)都表明岷江上游流域景觀格局破碎化趨勢明顯，景觀類型分布更為分散；岷江上游流域濕地類斑塊面積增加了11.9%，人工表面類斑塊面積增加了72.0%，耕地類斑塊面積減少了22.7%，其他類型類斑塊面積減少了17.0%，森林類斑塊面積減少了1.3%，草地類斑塊面積減少了2.6%（圖4），濕地和人工表面景觀格局破碎度減小，耕地和其他生態(tài)系統(tǒng)類型景觀格局破碎度增加，森林與草地破碎度總體保持穩(wěn)定。

圖3 1985—2013年典型區(qū)一級生態(tài)系統(tǒng)景觀格局特征Fig.3 Landscape pattern characteristics at level one ecosystem of typical areas from 1985 to 2013

圖4 1985—2013年典型區(qū)一級生態(tài)系統(tǒng)類斑塊平均面積變化Fig.4 Average area change of mean patch size of type at level one ecosystem from 1985 to 2013

1985—2013年，白龍江上游流域自然生態(tài)系統(tǒng)面積變化幅度小于5%，人工生態(tài)系統(tǒng)面積變化幅度相對較大，30年間耕地面積減少17.28%，人工表面增加58.67%；斑塊數(shù)減少了0.4%，平均斑塊面積增加了0.4%，邊界密度由43.0 m/ha減少到42.3 m/ha，聚集度指數(shù)則由61.5%增加到62.0%（圖3），四個指標(biāo)都表明白龍江上游流域各景觀類型分布趨向于聚集，分布更為集中。白龍江上游流域濕地類斑塊面積增加了13.7%，人工表面類斑塊面積增加了45.8%，耕地類斑塊面積減少了17.8%，森林類斑塊面積增加了3.0%，草地類斑塊面積增加了4.8%，其他類型類斑塊面積增加了2.3%（圖4），濕地和人工表面景觀格局破碎度減小，耕地景觀格局破碎度增大，森林、草地與其他生態(tài)系統(tǒng)類型景觀格局破碎度總體較為穩(wěn)定。

1985—2013年，贛江上游流域自然生態(tài)系統(tǒng)面積變化幅度小于1%。人工生態(tài)系統(tǒng)面積變化幅度相對較大，耕地面積減少10.7%，人工表面增加150.8%，2000年后擴張的速度是2000年前擴張速度的5.2倍。斑塊數(shù)由63 645個增加到2000年的67 048個，而后又減少到2013年的51 879個，30年間整體上減少了18.5%；平均斑塊面積由原來的59.3 ha減少到2000年的56.3 ha，而后又增加到2013年的72.7 ha，整體上增加了22.6%。邊界密度由31.7 m/ha增加到2000年的32.2 m/ha，而后又減少到2013年的30.7 m/ha，整體上呈減少趨勢；聚集度指數(shù)則一直減少，由74.1%減少到72.8%（圖3），四個指標(biāo)均顯示贛江上游流域景觀格局破碎度減小的趨勢；贛江上游流域森林類斑塊面積增加了26.1%，耕地類斑塊面積增加了11.0%，人工表面類斑塊面積由原來的6.7 ha增加到14.8 ha，增加了120.9%，其他類型類斑塊面積由原來的4.9 ha，增加到8.0 ha，增加了63.3%，濕地類斑塊面積由原來的22.2 ha減少到20.2 ha，減少了9.0%，草地類斑塊面積由原來的12.5 ha增加到13.2 ha，增加了5.6%，基本保持穩(wěn)定（圖4），森林、耕地、人工表面和其他生態(tài)系統(tǒng)類型景觀格局破碎度減小，濕地景觀格局破碎度增大，草地破碎度總體保持穩(wěn)定。

1985—2013年，閩江上游流域草地和稀疏林等自然生態(tài)系統(tǒng)面積持續(xù)減少，減小比例超過35%；居住地、工業(yè)用地、交通用地和采礦場都保持持續(xù)增加，大部分增加的比例超過100%，耕地面積明顯減少，減少比例為4.4%；斑塊數(shù)增加了11.4%，平均斑塊面積減少了10.2%，邊界密度由21.9 m/ha增加到22.6 m/ha，聚集度指數(shù)也由78.3%減少到78.0%（圖3），四個指標(biāo)都表明閩江上游流域景觀格局破碎化趨勢明顯；閩江上游流域人工表面景觀斑塊面積由原來的10.1 ha增加到15.8 ha，呈增加趨勢，城鎮(zhèn)化迅速，在城鎮(zhèn)化的過程中伴隨著自然生態(tài)系統(tǒng)的開采、占用和破壞，其他各生態(tài)系統(tǒng)的類斑塊面積都呈現(xiàn)減少趨勢；森林類斑塊面積減少了28.1%，草地類斑塊面積減少了19.5%，濕地類斑塊面積減少了5.2%，耕地類斑塊面積減少了24.4%，其他生態(tài)系統(tǒng)斑塊面積減少了5.2%（圖4），森林、草地、濕地、耕地和其他生態(tài)系統(tǒng)破碎化趨勢明顯，只有人工表面景觀格局破碎化程度減弱態(tài)勢，人工表面面積持續(xù)增加，尤以2000—2013年增加更為明顯。

3.3 討論

典型區(qū)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)區(qū)域特征比較明顯：緯度較高、位置接近的岷江上游和白龍江上游流域以森林和草地兩種生態(tài)系統(tǒng)類型為主，且由于落差大呈現(xiàn)出明顯的垂直地帶性分布特點；緯度較低、位置接近的贛江上游和閩江上游流域是以森林和耕地兩種生態(tài)系統(tǒng)類型為主。1985—2013年典型區(qū)城鎮(zhèn)化進(jìn)程較快，耕地和人工表面受人為活動干擾變化相對明顯，四個典型區(qū)人工表面景觀格局破碎化程度減小，呈聚集態(tài)勢，其他自然生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、景觀特征未發(fā)生明顯變化。30年間典型區(qū)生態(tài)格局受所處自然條件、社會經(jīng)濟發(fā)展和階段性政策影響明顯，從2000年開始我國實施退耕還林還草工程，四個典型區(qū)在白龍江上游體現(xiàn)最明顯；2000—2013年白龍江上游耕地面積減少，林地和草地增加，岷江上游和閩江上游林地和草地未增加，贛江上游耕地、林地和草地均增加，可能在更大區(qū)域上體現(xiàn)出政策影響。

本研究對典型區(qū)長時間序列的生態(tài)格局監(jiān)測和評價研究，旨在介紹研究方法和項目研究成果，便于讀者利用類似衛(wèi)星遙感資料，借鑒本研究方法，研究典型區(qū)生態(tài)格局的時空變化特征，加以應(yīng)用，為評估山洪和泥石流風(fēng)險、優(yōu)化生態(tài)結(jié)構(gòu)奠定基礎(chǔ)，以利于預(yù)防和減輕典型區(qū)山洪和泥石流災(zāi)害。

4 結(jié)論

基于1985年、2000年、2013年的遙感影像，按照典型區(qū)生態(tài)系統(tǒng)分類體系解譯獲取生態(tài)系統(tǒng)分類數(shù)據(jù)，構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)格局評價指標(biāo)體系和計算模型，分析評價岷江上游流域、白龍江上游流域、贛江上游流域和閩江上游流域2013年生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和1985—2013年生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和景觀特征。

1）2013年岷江上游和白龍江上游流域以森林和草地兩種生態(tài)系統(tǒng)類型為主，分別占到各自區(qū)域總面積的84.9%和83.1%。贛江上游和閩江上游流域是以森林和耕地兩種生態(tài)系統(tǒng)類型為主，分別占到各自區(qū)域總面積的92.6%和93.6%。

2）1985—2013年，典型區(qū)自然生態(tài)系統(tǒng)面積變化幅度，閩江上游流域相對較大，草地生態(tài)系統(tǒng)減少超過35%，其次為白龍江上游流域森林與草地兩種生態(tài)類型變化幅度小于5%，再次為岷江上游流域森林與草地兩種生態(tài)類型變化幅度小于2%，贛江上游流域變化最小，森林生態(tài)系統(tǒng)變化幅度小于1%。

3）1985—2013年，岷江上游流域區(qū)域整體景觀破碎化趨勢明顯，景觀類型分布更為分散；濕地和人工表面景觀格局破碎度減小，耕地和其他生態(tài)系統(tǒng)類型景觀格局破碎度增加，森林與草地破碎度總體保持穩(wěn)定。白龍江上游流域各景觀類型分布趨向于聚集，分布更為集中；濕地和人工表面景觀格局破碎度減小，耕地景觀格局破碎度增大，森林、草地與其他生態(tài)系統(tǒng)類型景觀格局破碎度總體較為穩(wěn)定。贛江上游流域整體景觀破碎度先增加后減小，1985—2013年破碎化趨勢有所減??；森林、耕地、人工表面和其他生態(tài)系統(tǒng)類型景觀格局破碎度減小，濕地景觀格局破碎度增大，草地破碎度總體保持穩(wěn)定。閩江上游流域整體景觀破碎化趨勢明顯；森林、草地、濕地、耕地和其他生態(tài)系統(tǒng)破碎化趨勢明顯，人工表面景觀格局破碎化程度減小呈聚集態(tài)勢。