豫西黃土丘陵區(qū)生態(tài)格局變化調(diào)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(jiān)測總站（450000） 2 鄭州市水利建筑勘測設(shè)計院（450008）

豫西黃土丘陵區(qū)是河南省水土流失強度較大的區(qū)域之一。進入21 世紀以來，豫西黃土丘陵區(qū)在復(fù)雜而劇烈的人類活動干擾下，土地覆被情況發(fā)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(qū)土地覆被與水土保持功能的特征關(guān)系缺乏數(shù)據(jù)和理論支持，影響了水土保持部門準確掌握該地區(qū)的水土保持功能的動態(tài)變化情況，制約了相關(guān)應(yīng)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(shù)據(jù)，對土地利用變化區(qū)域進行數(shù)據(jù)提取，并結(jié)合對豫西黃土丘陵區(qū)生態(tài)格局變化調(diào)查評價，以此為依據(jù)分析區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成與格局及近年來的變化規(guī)律，開展土地覆被動態(tài)變化、轉(zhuǎn)換特征及生態(tài)系統(tǒng)評估，以期能夠準確反映區(qū)域水土保持功能服務(wù)的空間真實分布狀況，為該地區(qū)水土流失綜合治理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與理論依據(jù)。

1 調(diào)查內(nèi)容

結(jié)合遙感、 地面調(diào)查及生態(tài)系統(tǒng)定位觀測數(shù)據(jù)，重點調(diào)查與評價豫西黃土丘陵區(qū)各類生態(tài)系統(tǒng)類型、面積、破碎化、分布及10年變化，分析各類生態(tài)系統(tǒng)類型之間相互轉(zhuǎn)換的特征[1]。

1.1 生態(tài)系統(tǒng)類型分布與構(gòu)成的現(xiàn)狀評價

以2015年數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分別根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)一級分類和二級分類，分析與評價豫西黃土丘陵區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型和空間分布特征，以及各類型生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成和面積比例。

1.2 生態(tài)系統(tǒng)分布與構(gòu)成的變化評價

以2010、2015 和2019年數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分別根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)一級分類和二級分類，分析豫西黃土丘陵區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型與分布的變化特征。

1）剖析與評價近10年各類型生態(tài)系統(tǒng)空間分布的演變特點。

2）剖析與評價近10年各類型生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成與面積比例的演變特點。

1.3 生態(tài)系統(tǒng)類型轉(zhuǎn)換的特征

分別從生態(tài)系統(tǒng)一級分類和二級分類建立豫西黃 土 丘 陵 區(qū) 2005-2010年 、2010-2015年 、2015-2019年生態(tài)系統(tǒng)類型轉(zhuǎn)移矩陣，分析與評價豫西黃土丘陵區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型轉(zhuǎn)換特征，評價該區(qū)域各生態(tài)系統(tǒng)變化的結(jié)構(gòu)特征、變化方向和變化強度。應(yīng)用單一和綜合生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)度，定量評價生態(tài)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換速度，揭示本區(qū)域各生態(tài)系統(tǒng)類型演變強度，在空間上明確生態(tài)系統(tǒng)類型變化的關(guān)鍵區(qū)域[2]。

1.4 生態(tài)系統(tǒng)景觀格局特征分析與評價

分別以生態(tài)系統(tǒng)一級分類和二級分類數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析與評價豫西黃土丘陵區(qū)2010、2015 和2019年三個時期生態(tài)系統(tǒng)景觀格局特征，重點評價生態(tài)系統(tǒng)的連通性、破碎化程度及其變化趨勢。

2 調(diào)查與評價指標

豫西黃土丘陵區(qū)生態(tài)系統(tǒng)格局調(diào)查評價指標體系，見表1。

表1 豫西黃土丘陵區(qū)生態(tài)系統(tǒng)格局及變化調(diào)查指標

3 數(shù)據(jù)源

利用遙感解譯獲取的2010、2015 和2019年三期生態(tài)系統(tǒng)空間分布數(shù)據(jù)，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(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比例

計算方法為：

其中，Pij為一級分類的第i 類生態(tài)系統(tǒng)在第j年的面積比例，Sij為一級分類的第i 類生態(tài)系統(tǒng)在第j年的面積，TS評價區(qū)域總面積。

4.2 基于二級分類的各類生態(tài)系統(tǒng)類型結(jié)構(gòu)比例

計算方法為：

其中，P'ij為二級分類的第i 類生態(tài)系統(tǒng)在第j年的面積比例，S'ij為二級分類的第i 類生態(tài)系統(tǒng)在第j年的面積，TS評價區(qū)域總面積。

4.3 生態(tài)系統(tǒng)類型面積變化率

計算方法：

其中，EV研究時段內(nèi)某一生態(tài)系統(tǒng)類型的變化率，EUa/EUb：研究期初及研究期末某一種生態(tài)系統(tǒng)類型的數(shù)量（如可以是面積、斑塊數(shù)等）。

4.4 斑塊數(shù)

指評價范圍內(nèi)斑塊的數(shù)量。計算方法為： 應(yīng)用GIS 技術(shù)及景觀結(jié)構(gòu)解析軟件FRAGSTATS3.3 解析板塊數(shù)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(shù)量，TS為評價區(qū)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(shù)，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(shù)

計算方法為：

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

4.9 各生態(tài)系統(tǒng)類型演變趨勢

計算方法為：

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

4.10 生態(tài)系統(tǒng)綜合變化率

計算方法為：

其中，ECOi為監(jiān)測起始時間第i 類生態(tài)系統(tǒng)類型面積，ECOi 根據(jù)全國生態(tài)系統(tǒng)類型圖矢量數(shù)據(jù)在ARCGIS 平臺下統(tǒng)計獲取，△ECOi-j為監(jiān)測時段內(nèi)第i 類生態(tài)系統(tǒng)類型轉(zhuǎn)為非i 類生態(tài)系統(tǒng)類型面積的絕對值，△ECOi-j依據(jù)生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移矩陣模型獲得。

4.11 類型相互轉(zhuǎn)化強度（土地覆被轉(zhuǎn)類指數(shù)）

反應(yīng)土地覆被類型在特定時間內(nèi)演變的總體趨勢。

計算方法為：

LCCIij值為正，表明此調(diào)查區(qū)整體上土地覆被類型轉(zhuǎn)好；LCCIij值為負，表明此研究區(qū)整體上土地覆被類型轉(zhuǎn)差。

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

5 技術(shù)路線

根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)土地覆蓋分類系統(tǒng)，提取各種生態(tài)系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)分布信息，得到豫西黃土丘陵區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型與空間分布、各類生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成。通過面積單元統(tǒng)計、動態(tài)度計算、轉(zhuǎn)移矩陣和景觀格局指數(shù)等指標和計算方法，解析該區(qū)域各生態(tài)系統(tǒng)類型的分布、結(jié)構(gòu)及其10年演變，生態(tài)系統(tǒng)類型轉(zhuǎn)換時空變化特點，各生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點及其10年變化，生態(tài)系統(tǒng)景觀格局特征[3]。評價流程如圖1所示。

圖1 河南省生態(tài)系統(tǒng)格局及其10年變化技術(shù)流程圖

6 結(jié)語

以豫西黃土丘陵地區(qū)為調(diào)查區(qū)域，基于河南省Landsat TM 多光譜數(shù)據(jù)，利用遙感和地理信息系統(tǒng)，土壤侵蝕模型USLE 等手段，針對該區(qū)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(tài)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(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間真實分布狀況，揭示土地覆被類型、質(zhì)量等因素下的水土保持功能的變化趨勢，得出研究區(qū)域土地覆被變化與水土保持效果響應(yīng)關(guān)系，并為該地區(qū)水生態(tài)文明建設(shè)和鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略實施提供科學決策的依據(jù)。