中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)分類識(shí)別及其近20年的時(shí)空變化

劉亞群,呂昌河,*,傅伯杰,于伯華

1 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,陸地表層格局與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101

2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),資源與環(huán)境學(xué)院,北京 100190

3 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085

4 北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部,地表過程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100875

生態(tài)系統(tǒng)是生物群落及其環(huán)境共同組成的動(dòng)態(tài)平衡系統(tǒng)[1]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是人類從生態(tài)系統(tǒng)中直接或間接獲取的各種惠益,包括通過生產(chǎn)活動(dòng)獲取的食物、原材料和清潔水源等直接收益,以及生態(tài)系統(tǒng)通過維持碳氮平衡、保持水土、調(diào)節(jié)氣候、維持生物多樣性所產(chǎn)生的生態(tài)效益和為人類提供的休閑、娛樂與美學(xué)享受等效益,概括為供給、調(diào)節(jié)、支持和文化服務(wù)4種類型[2-3]。由于人類活動(dòng)的影響,大部分陸地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和服務(wù)功能都發(fā)生了深刻的變化,引發(fā)了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題,亟需有效的管理策略和管控措施。鑒于生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和服務(wù)功能、人類活動(dòng)的影響和作用機(jī)制存在顯著的空間差異,生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)管理必須因地制宜、分類實(shí)施,為此,需要在科學(xué)認(rèn)知人類活動(dòng)的影響、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化及其區(qū)域差異的基礎(chǔ)上,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)分類和識(shí)別,為制定分類管理對(duì)策提供決策支持[4]。

目前,相關(guān)分類系統(tǒng)很多,但多是從土地利用/覆被視角的分類。在全球尺度,USGS、CORINE、IGBP、UMd、FAO和ESA都先后提出了各自的土地利用/覆被分類系統(tǒng)[5-7],并基于遙感和地理信息技術(shù),生產(chǎn)了多種全球土地利用/覆被分類數(shù)據(jù)集[7-11],產(chǎn)品分辨率從1km逐漸提升到30m和10m。在我國(guó),研究人員也構(gòu)建了多種土地利用/覆被分類方案,包括1984年土地調(diào)查分類系統(tǒng)、1980s中國(guó)1:100萬(wàn)土地利用分類、1990s中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所土地利用分類、2004年1:100萬(wàn)地表覆被分類、2017年土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)、2017年中國(guó)1:100萬(wàn)土地覆被分類等[5-6,12-16],積累了豐富的圖件和數(shù)據(jù)。這些分類、圖件和數(shù)據(jù)已成為理解全球和我國(guó)生態(tài)系統(tǒng)分布,分析人類活動(dòng)影響和評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的重要基礎(chǔ)[2,17-19]。

部分研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者,如加拿大生態(tài)土地分類委員會(huì)在20世紀(jì)70年代末,從生態(tài)系統(tǒng)的角度提出了生態(tài)土地分類方案,劃分了土地域、土地縣、土地系統(tǒng)、土地類型、土地相5級(jí)[20]；基于類似方法,Sayre等根據(jù)生物氣候、地形、巖性和土地覆被因子將全球生態(tài)系統(tǒng)劃分為4個(gè)層級(jí)共3923個(gè)生態(tài)土地單元[21]。在國(guó)內(nèi),陳利頂和傅伯杰綜合巖性、地形地貌、土壤、植被、氣候和人類活動(dòng)等因素,將無定河流域劃分為3個(gè)一級(jí)、37個(gè)二級(jí)土地生態(tài)系統(tǒng)類型[22]；歐陽(yáng)志云等基于多源遙感數(shù)據(jù),綜合氣候、地形等要素,構(gòu)建了包括9個(gè)一級(jí)、21個(gè)二級(jí)和46個(gè)三級(jí)類的全國(guó)生態(tài)系統(tǒng)分類方案[6]。其它分類系統(tǒng)包括基于氣候、植被的生物氣候分類[23-24]和綜合氣候、地形、土壤等地理要素影響的生物地理氣候生態(tài)系統(tǒng)分類[25],在全球和國(guó)家尺度得到廣泛應(yīng)用[26-28]。

這些分類和制圖成果對(duì)理解生態(tài)系統(tǒng)的空間分布提供了重要基礎(chǔ),但總體看,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能、人類活動(dòng)的干預(yù)程度和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)體現(xiàn)不夠。中國(guó)幅員遼闊,生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜多樣,為滿足人口和經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的產(chǎn)品服務(wù)和能源需求,人類對(duì)地表改造加劇和利用強(qiáng)度增加,尤其是坡地開墾、草地過牧、森林砍伐、過量使用化肥農(nóng)藥等不合理的土地利用活動(dòng),導(dǎo)致水土流失、草地退化、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)下降、水土污染等一系列的生態(tài)環(huán)境問題[18,29]。為此,需要針對(duì)不同生態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)在屬性和服務(wù)功能定位,分類管控?；谠撜J(rèn)識(shí),本研究從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和人類活動(dòng)影響的視角,構(gòu)建了一個(gè)新的生態(tài)系統(tǒng)分類方案[4],在此基礎(chǔ)上,通過對(duì)現(xiàn)有多源數(shù)據(jù)集成,編制了2000和2020年中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)類型圖；通過空間統(tǒng)計(jì),分析了2000—2020年不同生態(tài)系統(tǒng)類型的空間分布、組分結(jié)構(gòu)、空間轉(zhuǎn)移、景觀格局和生態(tài)狀況變化特征,為我國(guó)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估和分類管理提供科學(xué)支撐。

1 陸地生態(tài)系統(tǒng)分類方案

陸地生態(tài)系統(tǒng)的變化受人類活動(dòng)和自然因素特別是氣候變化的共同影響,但其影響程度存在差異。在人類活動(dòng)干預(yù)劇烈的區(qū)域,生態(tài)系統(tǒng)的變化主要受人為因素的影響；但在人口稀少的區(qū)域,人類活動(dòng)影響微弱,自然因素是生態(tài)系統(tǒng)變化的主因?；谌祟惢顒?dòng)的影響程度,可將陸地生態(tài)系統(tǒng)劃分人工生態(tài)系統(tǒng)、半人工生態(tài)系統(tǒng)、準(zhǔn)自然生態(tài)系統(tǒng)和自然生態(tài)系統(tǒng)。人工生態(tài)系統(tǒng)主要包括城鎮(zhèn)建成區(qū)、作物和果木集中種植區(qū)等,其原生植被和生態(tài)要素組成、結(jié)構(gòu)和功能都已發(fā)生根本改變。半人工生態(tài)系統(tǒng)是指被部分耕墾或建設(shè)開發(fā),與林、草等自然植被鑲嵌組合的生態(tài)系統(tǒng),如農(nóng)林、農(nóng)牧交錯(cuò)或鑲嵌分布區(qū)。準(zhǔn)自然生態(tài)系統(tǒng)是指自然植被或自然景觀基本保持完整的區(qū)域,包括用于放牧的天然草地、基本保持自然狀態(tài)的林灌地、水域和濕地等,具有重要的水土保持、水源涵養(yǎng)、碳固存、氣候調(diào)節(jié)、生物多樣性保護(hù)功能。自然生態(tài)系統(tǒng)是指基本無開發(fā)利用、自然環(huán)境保持天然狀態(tài)的區(qū)域,包括干旱荒漠和冰凍寒漠等,人類活動(dòng)的直接影響微弱,但對(duì)氣候變化敏感。

按照上述思路框架,本研究以生態(tài)系統(tǒng)的主導(dǎo)服務(wù)功能和人類干預(yù)強(qiáng)度為主線,綜合考慮土地利用結(jié)構(gòu)、生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和生產(chǎn)力的差異,構(gòu)建了一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)分類方案[4],包括9個(gè)一級(jí)、25個(gè)二級(jí)類型(表1)。一級(jí)類型反映人類活動(dòng)干預(yù)程度和主導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的相對(duì)一致性,從第1類到第9類,人類活動(dòng)強(qiáng)度和干預(yù)程度依次降低,生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能由以提供生產(chǎn)活動(dòng)空間、生產(chǎn)資料和食物產(chǎn)品為主,過渡為以支持和調(diào)節(jié)服務(wù)功能為主。二級(jí)類型體現(xiàn)土地利用方式、生產(chǎn)力和生態(tài)/土地退化風(fēng)險(xiǎn)的差異。該分類系統(tǒng)主要面向國(guó)家尺度的生態(tài)系統(tǒng)管理,意在通過多源數(shù)據(jù)的集成分析,識(shí)別不同生態(tài)系統(tǒng)的空間分布,服務(wù)于生態(tài)系統(tǒng)的宏觀管控和策略制定。因此,類型劃分需要兼顧系統(tǒng)的完整性,不宜過細(xì)和碎片化,所以在類型劃分時(shí),突出主導(dǎo)生態(tài)類型、利用方向和人類活動(dòng)強(qiáng)度的一致性,同時(shí)考慮了氣候、地形等因素的影響。對(duì)人類活動(dòng)劇烈的地區(qū),將以建設(shè)開發(fā)和居住(包括集聚分布的農(nóng)村居民點(diǎn))為主的區(qū)域劃分城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)；以作物包括果木種植為主的區(qū)域劃分為耕種生態(tài)系統(tǒng)；對(duì)基本無耕墾、以放牧為主的天然草地和灌草地,劃分為牧草地生態(tài)系統(tǒng)；對(duì)以保護(hù)為主,位于深山和僻遠(yuǎn)區(qū)、基本保持自然狀態(tài)的林灌植被,包括零散分布的林間草地,劃分為林地生態(tài)系統(tǒng)；而對(duì)自然條件嚴(yán)酷的無人區(qū),根據(jù)氣候條件劃分為干旱荒漠或冰凍寒漠生態(tài)系統(tǒng)；在農(nóng)牧交錯(cuò)帶、低山丘陵區(qū),耕地和林、草地常呈現(xiàn)交錯(cuò)或鑲嵌分布的特征,土地退化問題突出,根據(jù)耕地與林、草地的組合特征和地形,將其劃分為農(nóng)牧混合生態(tài)系統(tǒng)或農(nóng)林混合生態(tài)系統(tǒng)。呈點(diǎn)狀或線狀分布的農(nóng)村居民點(diǎn)、農(nóng)田防護(hù)林、道路等類型沒有單獨(dú)劃出,將其綜合在相應(yīng)的類型如耕種、牧草地和混合生態(tài)系統(tǒng)中。

表1 中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)分類方案*

在2級(jí)分類中,重點(diǎn)體現(xiàn)了生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和生產(chǎn)力的差異。生態(tài)環(huán)境問題包括風(fēng)蝕沙化、水土流失、土壤鹽漬化、水土污染、溫室氣體排放等,與土地利用方式關(guān)系密切。因此,該方案選擇土地利用方式、植被類型和蓋度為主要指標(biāo),對(duì)一級(jí)類型進(jìn)行細(xì)分。如,對(duì)耕種生態(tài)系統(tǒng),劃分為水田(多分布于亞熱帶濕潤(rùn)區(qū))、旱田(主要位于溫帶)和綠洲(位于干旱區(qū),存在土壤鹽漬化和沙化風(fēng)險(xiǎn))3個(gè)二級(jí)類型,體現(xiàn)土地管理方式、生產(chǎn)力、水土污染、甲烷等溫室氣體排放等環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的差異；對(duì)牧草地生態(tài)系統(tǒng),根據(jù)草地蓋度劃分為3個(gè)二級(jí)類型,體現(xiàn)草地生產(chǎn)力和退化程度的差異。對(duì)林地生態(tài)系統(tǒng),根據(jù)植被類型和蓋度劃分4個(gè)二級(jí)類型,體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和固碳、水土保持能力的差異。

2 陸地生態(tài)系統(tǒng)類型識(shí)別與制圖

生態(tài)系統(tǒng)類型的識(shí)別和制圖主要基于現(xiàn)有的土地利用和遙感影像數(shù)據(jù),綜合了氣候、地形、土壤、植被、人類活動(dòng)等因素?？紤]多源數(shù)據(jù)的空間分辨率,采用ArcGIS軟件,通過重采樣、塊統(tǒng)計(jì)、聚合分析等預(yù)處理方法將制圖單元統(tǒng)一至1km分辨率,獲取了每個(gè)柵格的土地利用結(jié)構(gòu)及其自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)屬性,通過聚類分析、多層次決策樹和制圖綜合方法,按照主導(dǎo)因素、生態(tài)系統(tǒng)主導(dǎo)服務(wù)功能一致性等原則,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行分類制圖。

2.1 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

本研究使用的多源數(shù)據(jù)包括土地利用、氣候、地形、植被、土壤、居民點(diǎn)分布等。土地利用數(shù)據(jù)包括2000和2020年100m分辨率柵格圖,來源于中科院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(www.resdc.cn),包括6個(gè)一級(jí)和25個(gè)二級(jí)類型,總體精度超過90%[13]。通過重分類和聚合分析法將100m土地利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)?km的土地利用類型占比數(shù)據(jù),用不同類型占比表征生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

氣候數(shù)據(jù)包括降水、氣溫和潛在蒸散發(fā),其中1km降水和氣溫柵格數(shù)據(jù)來源于中科院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(www.resdc.cn),是基于ANUSPLIN軟件的樣條函數(shù)插值得到；0.5°分辨率的潛在蒸散發(fā)數(shù)據(jù)來源于Climatic Research Unit第4.04版時(shí)序數(shù)據(jù)集(CRU TS4.04)[30],是應(yīng)用最廣泛的氣候數(shù)據(jù)集之一,為了與其他數(shù)據(jù)匹配,將潛在蒸散發(fā)數(shù)據(jù)重采樣至1km,然后根據(jù)潛在蒸散發(fā)與降水量的比,即干燥指數(shù)<1.0、1.0—1.5、1.5—4.0、>4.0,劃分為濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)、半干旱、干旱4類[31]。

地形因子包括海拔和坡度,其中海拔來源于30m分辨率的ASTER GDEM Version 2數(shù)據(jù)[32],坡度是基于DEM計(jì)算得到,并采用塊統(tǒng)計(jì)方法將海拔和坡度數(shù)據(jù)重采樣至1km。2000—2020年1km植被覆蓋度(Fractional Vegetation Cover,FVC)通過MOD13A3 C6 NDVI時(shí)序數(shù)據(jù)和像元二分模型[33]計(jì)算得到。土壤數(shù)據(jù)采用來源中科院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心的1:100萬(wàn)土壤類型圖,通過塊統(tǒng)計(jì)重采樣至1km。2020年居民點(diǎn)分布據(jù)來源于開放街道地圖(OpenStreetMap,www.openstreetmap.org),計(jì)算得到1km分辨率的居民點(diǎn)密度。

2.2 類型識(shí)別與制圖

基于上述數(shù)據(jù),以植被蓋度、土地利用結(jié)構(gòu)、居民點(diǎn)密度、干旱指數(shù)、海拔高度、地形坡度和土壤類型為主要指標(biāo),通過空間聚類和制圖綜合方法,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)類型進(jìn)行識(shí)別,主要包括如下步驟：

(1)基于1km分辨率MODIS NDVI數(shù)據(jù),根據(jù)像元二分模型[33]計(jì)算區(qū)域的FVC。以年最大FVC值10%為指標(biāo),劃分為基本無植被區(qū)(FVC<10%)和有植被區(qū)(FVC≥10%)兩類。

(2)對(duì)基本無植被區(qū),基于土地利用圖,首先將城鎮(zhèn)、水域類型,以及居民點(diǎn)密度≥1個(gè)/100 km2的區(qū)域剔除。然后,以年均溫0℃或海拔高度5000m為指標(biāo),將其區(qū)分為干旱荒漠生態(tài)系統(tǒng)和冰凍荒漠生態(tài)系統(tǒng)；第三,根據(jù)植被最大FVC圖、土壤類型圖、土地利用圖,通過空間疊置,進(jìn)一步識(shí)別出二級(jí)類型,即荒漠生態(tài)系統(tǒng)(FVC在5%—10%)、沙漠生態(tài)系統(tǒng)(沙土,FVC<5%)和裸巖戈壁生態(tài)系統(tǒng)；冰凍寒漠生態(tài)系統(tǒng)根據(jù)土地利用類型劃分為冰雪生態(tài)系統(tǒng)和凍土寒漠生態(tài)系統(tǒng)。

(3)利用ArcGIS軟件,將完成類型識(shí)別的區(qū)域(即干旱荒漠和冰凍寒漠生態(tài)系統(tǒng))剔除后,按照先識(shí)別相對(duì)單一類型、再識(shí)別混合類型的順序?qū)ι鷳B(tài)系統(tǒng)進(jìn)行歸類識(shí)別。首先,基于100m分辨率的土地利用圖、30m分辨率坡度圖和居民點(diǎn)分布圖,采用ArcGIS軟件,按1km2最小制圖單元分別計(jì)算土地利用結(jié)構(gòu)、平均坡度、居民點(diǎn)密度。第二,采用Anselin Local Moran′s I指數(shù)[34],以3×3像元為統(tǒng)計(jì)單元,對(duì)中心像元(土地利用類型占比)進(jìn)行聚類。對(duì)聚集顯著性≥95%,且以建設(shè)用地為主、以耕地和果園為主且坡度低于10°、以草地為主且耕地比重低于5%、以林地和灌木林地為主且無居民點(diǎn)分布、以河湖水面和濕地為主的聚集區(qū),分別劃分為城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)、耕種生態(tài)系統(tǒng)、牧草地生態(tài)系統(tǒng)、林地生態(tài)系統(tǒng)、水域濕地生態(tài)系統(tǒng)。第三,對(duì)位于城鎮(zhèn)周邊耕地和居民用地交錯(cuò)分布但聚集顯著性不顯著的地區(qū),劃分為耕種生態(tài)系統(tǒng)。第四,對(duì)未識(shí)別的其它類型,根據(jù)耕地、草地和林地的組合特征,劃分為農(nóng)牧混合生態(tài)系統(tǒng)(以牧草地和耕地為主)和農(nóng)林混合生態(tài)系統(tǒng)(以林地和耕地為主)。第五,主要以土地利用類型和結(jié)構(gòu)為指標(biāo),綜合考慮氣候、植被類型和蓋度、土壤類型等因素差異,劃分二級(jí)類型。對(duì)城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng),根據(jù)工礦用地占比最大來識(shí)別工礦生態(tài)系統(tǒng),再以建設(shè)用地占比60%為指標(biāo),劃分為城市(≥60%)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)(<60%)。對(duì)于耕種生態(tài)系統(tǒng),將干旱指數(shù)≥4的單元識(shí)別為綠洲生態(tài)系統(tǒng),其它根據(jù)主導(dǎo)土地利用方式和氣候特征,劃分為水田和旱田生態(tài)系統(tǒng)。農(nóng)牧和農(nóng)林混合生態(tài)系統(tǒng)則根據(jù)耕地、草地或林地占比,劃分為農(nóng)牧、牧農(nóng)和農(nóng)林、林農(nóng)生態(tài)系統(tǒng)類型。牧草地生態(tài)系統(tǒng)根據(jù)年均植被蓋度劃分為典型牧草(FVC≥50%)、斑狀牧草(30%≤FVC<50%)和稀疏牧草(FVC<30%)生態(tài)系統(tǒng)3個(gè)二級(jí)類型。根據(jù)植被類型(即喬木林和灌木林)和年均蓋度,將林地生態(tài)系統(tǒng)分為密林(FVC≥70%)、半密林(50%≤FVC<70%)、疏林(FVC<50%)、灌木林4個(gè)二級(jí)類型。水域濕地生態(tài)系統(tǒng)分為水域、沼澤和海灘生態(tài)系統(tǒng)3個(gè)二級(jí)類型。

(4)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)分類圖進(jìn)行制圖綜合。首先,參照Google Earth米級(jí)高分影像數(shù)據(jù),對(duì)分布零散、不符合地理分布規(guī)律的類型進(jìn)行了檢驗(yàn),校正了識(shí)別錯(cuò)誤的類型。其次,FVC易受年際氣候波動(dòng)等因素的影響,為了避免FVC小幅波動(dòng)導(dǎo)致的牧草地和林地生態(tài)系統(tǒng)二級(jí)類型變動(dòng),本研究剔除了FVC變幅小于0.2%/a的二級(jí)類型轉(zhuǎn)變。第三,根據(jù)制圖單元的土地利用結(jié)構(gòu)、坡度和居民點(diǎn)密度數(shù)據(jù),對(duì)劃分錯(cuò)誤的類型進(jìn)行了綜合和調(diào)整,最后編制了2000和2020年中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)分布圖。

3 陸地生態(tài)系統(tǒng)變化分析

3.1 時(shí)空格局變化分析

采用ArcGIS軟件,通過分區(qū)統(tǒng)計(jì)、空間疊置等地統(tǒng)計(jì)方法,計(jì)算各一級(jí)和二級(jí)生態(tài)系統(tǒng)類型的平均海拔、坡度、降水、氣溫和植被蓋度,分析我國(guó)不同生態(tài)系統(tǒng)的空間分布特征。通過空間疊置和空間統(tǒng)計(jì),分析生態(tài)系統(tǒng)類型的空間轉(zhuǎn)移,分析生態(tài)系統(tǒng)類型的時(shí)空變化特征。此外,通過計(jì)算一級(jí)和二級(jí)類型的面積和比例變化,分析生態(tài)系統(tǒng)組分結(jié)構(gòu)變化特征。

3.2 景觀指數(shù)

基于Fragstats4.2軟件,對(duì)中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行景觀格局分析,選擇的景觀指數(shù)包括類型尺度上的平均斑塊尺寸(Mean patch size)、邊緣密度(Edge density)和聚集指數(shù)(Aggregation index)以及景觀尺度上的蔓延度指數(shù)(Contagion index)和Shannon多樣性指數(shù)(Shannon′s diversity index)[35]。平均斑塊尺寸是指某種生態(tài)系統(tǒng)類型所有斑塊的平均面積大小,其值越小則表示破碎度越高。邊緣密度是指單位面積生態(tài)景觀中某種生態(tài)系統(tǒng)類型的邊緣長(zhǎng)度,其值越大表示空間形狀越復(fù)雜。聚集指數(shù)是指某種生態(tài)系統(tǒng)類型周圍相同類型的面積占比,其值越大表示聚集程度越高。蔓延度指數(shù)用于測(cè)度生態(tài)景觀中斑塊的團(tuán)聚程度或延展趨勢(shì),根據(jù)公式(1)計(jì)算,其值越大說明景觀連接度越高,反之則表明景觀破碎度較高。Shannon多樣性指數(shù)衡量生態(tài)景觀異質(zhì)性、類型多樣性和非均衡分布狀況,根據(jù)公式(2)計(jì)算,其值越大表示景觀內(nèi)部類型多樣性越高、更趨于均衡化分布。

(1)

(2)

式中,CONTAG和SHDI分別是整個(gè)生態(tài)景觀的蔓延度指數(shù)和Shannon多樣性指數(shù),pi指生態(tài)系統(tǒng)類型i在生態(tài)景觀中的占比,m是生態(tài)景觀中生態(tài)系統(tǒng)的類型數(shù)量,gik是與生態(tài)系統(tǒng)類型i和k的斑塊相鄰的斑塊總數(shù)量。

3.3 NDVI變化趨勢(shì)

NDVI是表征生態(tài)系統(tǒng)狀況的有效指標(biāo)[36],其值持續(xù)增加說明生態(tài)系統(tǒng)有所改善,反之說明生態(tài)狀況變差。考慮到中國(guó)植被生長(zhǎng)季的空間差異明顯,本研究以年平均NDVI為指標(biāo),分析中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)狀況變化特征?；贛ann-Kendall檢驗(yàn)[33]和Sen′s Slope[37]方法,計(jì)算2000—2020年中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)年平均NDVI的年際變化顯著性和變化率,并結(jié)合2020年生態(tài)系統(tǒng)類型分布,對(duì)比分析不同生態(tài)系統(tǒng)類型NDVI的變化特征。

4 結(jié)果分析

4.1 2000—2020年中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)的空間格局及變化

圖1展示了2000和2020年中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)的分布,空間差異顯著。城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)主要分布于中東部濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)區(qū)(表2),2020年總面積16.58萬(wàn)km2,較2000年擴(kuò)大1.1倍(表3),其中64.51%的擴(kuò)張來自耕種生態(tài)系統(tǒng)(圖2)。城鎮(zhèn)多呈不規(guī)則蔓延擴(kuò)張,導(dǎo)致空間形態(tài)趨于復(fù)雜(表4),但空間聚集度顯著增強(qiáng)。耕種生態(tài)系統(tǒng)集中分布在東北、華北和長(zhǎng)江中下游平原、四川盆地和關(guān)中盆地以及西北干旱綠洲區(qū),年降水量多在121—1218mm之間,地勢(shì)平緩,耕地集中連片,平均占比為83.2%(表2)。2020年耕種生態(tài)系統(tǒng)總面積131.83萬(wàn)km2,較2000年減少0.88萬(wàn)km2,其中水田和旱田生態(tài)系統(tǒng)分別減少0.60萬(wàn)km2和2.09萬(wàn)km2(表3),多轉(zhuǎn)化為城鎮(zhèn)用地(圖2)；但綠洲擴(kuò)張明顯,增加了29.6%(1.81萬(wàn)km2),主要來自干旱荒漠生態(tài)系統(tǒng)。受城市擴(kuò)張和退耕影響,耕種生態(tài)系統(tǒng)的空間形態(tài)趨于復(fù)雜、破碎度增加、聚集度下降(表4)。

圖1 2000和2020年中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)類型的空間分布

圖2 2000—2020年中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)類型轉(zhuǎn)移的空間分布

農(nóng)牧混合生態(tài)系統(tǒng)主要位于黃土高原及其北部鄰近區(qū)域和云貴高原中部,以半干旱丘陵溝谷為主,年均降水為578mm(表2),其中耕地(多為梯田和坡耕地)占比37.1%,與草地(占比52.3%)交錯(cuò)分布,其人類活動(dòng)較強(qiáng)。農(nóng)林混合生態(tài)系統(tǒng)主要分布在亞熱帶濕潤(rùn)和溫帶半濕潤(rùn)低山丘陵區(qū),平均坡度9.1°,年均降水量1318mm,其中耕地、林地占比分別為31.0%和60.4%,其余為居民點(diǎn)和林間草地等。2020年農(nóng)牧混合和農(nóng)林混合生態(tài)系統(tǒng)面積分別為67.12萬(wàn)km2和123.96萬(wàn)km2,較2000年分別減少2.88萬(wàn)km2和0.92萬(wàn)km2(表3),主要由于退耕還林還草[36,38]和耕地撂荒[39]導(dǎo)致耕地退出,部分混合生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)槟敛莸鼗蛄值厣鷳B(tài)系統(tǒng)(圖2),導(dǎo)致混合生態(tài)系統(tǒng)的破碎度和空間形態(tài)復(fù)雜度增加,但聚集度下降(表4)。

表2 2020年中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要特征

林地生態(tài)系統(tǒng)主要分布于我國(guó)中東部中高山地,在東北大小興安嶺和長(zhǎng)白山區(qū)、東南部亞熱帶山地、西南橫斷山區(qū)分布較集中,平均坡度13.6°,年降水量在392—1255mm之間。2020年林地生態(tài)系統(tǒng)總面積145.16萬(wàn)km2,較2000年增加1.61萬(wàn)km2(表3),其破碎度有所增加,聚集度稍有降低(表4)。受林地保護(hù)和降水增加影響[36,40-41],林地生態(tài)系統(tǒng)的植被蓋度顯著增加,密林和半密林生態(tài)系統(tǒng)的面積分別擴(kuò)大3.78萬(wàn)km2和0.97萬(wàn)km2,而蓋度較低的疏林和灌木林生態(tài)系統(tǒng)面積有所減少(表3)。水域濕地生態(tài)系統(tǒng)分布零散,在青藏高原分布面積較大,2020年總面積24.34萬(wàn)km2；受濕地保護(hù)政策影響[42],其面積較2000增加0.31萬(wàn)km2,其中約70%源自沼澤生態(tài)系統(tǒng)的增加。受氣候暖濕化和冰川融水增加影響[43],青藏高原地區(qū)水域濕地?cái)U(kuò)張明顯；受沿海開發(fā)影響,海灘濕地生態(tài)系統(tǒng)面積減少0.10萬(wàn)km2,主要轉(zhuǎn)變?yōu)槌擎?zhèn)生態(tài)系統(tǒng)。水域濕地生態(tài)系統(tǒng)的這些變化導(dǎo)致其破碎度增加、形態(tài)趨于復(fù)雜、聚集度下降。

表3 2000和2020年中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)類型的面積及變化/(104 km2)

牧草地生態(tài)系統(tǒng)主要分布于西北干旱半干旱地區(qū)和西南高寒地區(qū),地勢(shì)起伏較大,平均坡度9.0°,年降水在210—848mm之間,其蓋度大致呈由東南向西北逐漸降低的趨勢(shì)(表2)。干旱荒漠生態(tài)系統(tǒng)主要分布于西北部?jī)?nèi)陸地區(qū),地勢(shì)平坦、降水稀少,平均坡度3.1°,年均降水僅88mm。冰凍寒漠生態(tài)系統(tǒng)主要分布于西南部青藏高原,以高寒陡峻山地為主,平均海拔5336m,坡度12.0°,氣溫-5.7℃。2020年,牧草地、干旱荒漠和冰凍寒漠生態(tài)系統(tǒng)的面積分別為250.01萬(wàn)km2、165.84萬(wàn)km2和28.47萬(wàn)km2。由于我國(guó)西北干旱區(qū)和西南高寒區(qū)的氣候呈暖濕化趨勢(shì)[41],部分鄰近牧草地生態(tài)系統(tǒng)的荒漠和凍土寒漠生態(tài)系統(tǒng),植被長(zhǎng)勢(shì)變好,植被蓋度顯著增加。因此,2020年牧草地生態(tài)系統(tǒng)面積較2000年增加了9.97萬(wàn)km2,空間聚集度增強(qiáng),但因局部草地退化影響,導(dǎo)致其形態(tài)趨于復(fù)雜。受氣候變化的影響,干旱荒漠和冰凍寒漠生態(tài)系統(tǒng)的面積分別減少14.98萬(wàn)km2和0.92萬(wàn)km2,聚集度有所降低。

近20年,我國(guó)生態(tài)系統(tǒng)的數(shù)量和空間分布都發(fā)生了一定變化,整體景觀的蔓延度指數(shù)從38.36%降至37.72%,說明各類型間的斑塊連接度和空間可達(dá)性下降,對(duì)物質(zhì)和能量交換、動(dòng)物遷移、干擾擴(kuò)散等生態(tài)過程的阻礙作用加強(qiáng)(表4)。Shannon多樣性指數(shù)由1.916增至1.922,說明整個(gè)景觀呈現(xiàn)類型多樣化,有利于生物多樣性提升；同時(shí)景觀破碎化和生境割裂日益嚴(yán)重,對(duì)瀕危物種的脅迫加劇。

表4 2000和2020年中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)的景觀指數(shù)

4.2 2000—2020年中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)的NDVI變化

2000—2020年,我國(guó)92.06%的區(qū)域NDVI增加,僅7.94%減少(圖3),年均NDVI由0.30增至0.36,增幅為0.74%/a(P<0.01),說明我國(guó)整體生態(tài)狀況明顯改善。分類型看(圖4),農(nóng)牧混合生態(tài)系統(tǒng)NDVI增幅最大,為1.26%/a,其次是農(nóng)林混合生態(tài)系統(tǒng),增加0.85%/a,主要受益于退耕還林還草等生態(tài)保護(hù)政策和近20年的生態(tài)建設(shè)[36,38,40]。耕種生態(tài)系統(tǒng)的平均NDVI增加0.81%/a,說明作物長(zhǎng)勢(shì)變好,與2000年以來我國(guó)作物單產(chǎn)增長(zhǎng)趨勢(shì)一致[44]；其中綠洲生態(tài)系統(tǒng)NDVI增幅高達(dá)1.78%/a,主要是綠洲面積擴(kuò)大的緣故。受退牧還草、以草定畜、圍欄禁牧等草地保護(hù)政策的影響[38],牧草地生態(tài)系統(tǒng)NDVI年均增長(zhǎng)0.64%,其中低蓋度的稀疏牧草地NDVI增幅(0.75%/a)高于高蓋度的典型牧草地。受退耕還林、人工林種植、防護(hù)林建設(shè)等林地保護(hù)政策的影響[40],林地生態(tài)系統(tǒng)的NDVI年均增加0.60%,其中半密林生態(tài)系統(tǒng)NDVI增幅較大(0.66%/a)。水域濕地生態(tài)系統(tǒng)的NDVI變化率為0.68%/a,其中海灘生態(tài)系統(tǒng)的NDVI增幅顯著(1.45%/a),與濕地保護(hù)有關(guān)[42]。受氣候暖濕化的影響[41],干旱荒漠和凍土寒漠生態(tài)系統(tǒng)的植被蓋度增加,NDVI呈增加趨勢(shì)。值得注意的是,2000—2020年城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)的NDVI也呈現(xiàn)較顯著的增長(zhǎng)(0.21%/a,P<0.05),說明近20年城市綠化成效明顯[45]。城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)NDVI增長(zhǎng)主要集中于城市中心地帶,而城市擴(kuò)張區(qū)由于占用耕地,其NDVI明顯下降(圖3)。工礦生態(tài)系統(tǒng)擴(kuò)張主要侵占耕地和林地,導(dǎo)致NDVI小幅下降(-0.04%/a)。

圖3 2000—2020年中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)NDVI變化率的空間分布

圖4 2000—2020年中國(guó)一級(jí)和二級(jí)生態(tài)系統(tǒng)類型的NDVI變化

5 結(jié)論與討論

本研究以生態(tài)系統(tǒng)主導(dǎo)服務(wù)功能和人類干預(yù)強(qiáng)度為主線,構(gòu)建包括9個(gè)一級(jí)和25個(gè)二級(jí)類的陸地生態(tài)系統(tǒng)分類方案,綜合土地利用、氣候、地形、植被、土壤、居民點(diǎn)分布等自然和人為因子的多源數(shù)據(jù),利用聚類和制圖綜合方法,開展2000和2020年中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)分類制圖,從空間分布、組分結(jié)構(gòu)、類型轉(zhuǎn)移、景觀格局和生態(tài)狀況多個(gè)角度,分析不同生態(tài)系統(tǒng)的變化特征。結(jié)果表明：

(1)2000—2020年,我國(guó)城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)擴(kuò)張1.1倍,64.51%來自耕種生態(tài)系統(tǒng)。耕種生態(tài)系統(tǒng)總面積減少0.88萬(wàn)km2,水田和旱田面積減少,但綠洲擴(kuò)張1.81萬(wàn)km2。受退耕還林還草政策影響,部分混合生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移為牧草地或林地生態(tài)系統(tǒng),農(nóng)牧混合和農(nóng)林混合生態(tài)系統(tǒng)面積分別減少2.88萬(wàn)km2和0.92萬(wàn)km2。林地生態(tài)系統(tǒng)小幅增加1.61萬(wàn)km2,其中高蓋度的密林和半密林分別增加3.78萬(wàn)km2和0.97萬(wàn)km2。水域濕地生態(tài)系統(tǒng)面積增加0.31萬(wàn)km2,其中70%源自沼澤生態(tài)系統(tǒng)的增加,青藏高原水域濕地在氣候變暖影響下擴(kuò)張明顯。氣候暖濕化促使部分荒漠和凍土寒漠生態(tài)系統(tǒng)的植被蓋度增加,加上草地保護(hù)政策影響,導(dǎo)致牧草地生態(tài)系統(tǒng)面積顯著擴(kuò)張9.97萬(wàn)km2,而干旱荒漠和冰凍寒漠生態(tài)系統(tǒng)面積分別減少14.98萬(wàn)km2和0.92萬(wàn)km2。我國(guó)生態(tài)系統(tǒng)的數(shù)量及空間變化,導(dǎo)致城鎮(zhèn)和牧草地生態(tài)系統(tǒng)聚集度增加,其他類型破碎度增加,城鎮(zhèn)、耕種、農(nóng)林混合、牧草地、林地、干旱荒漠生態(tài)系統(tǒng)的空間形態(tài)趨于復(fù)雜化,整體生態(tài)景觀呈現(xiàn)連接性下降、空間破碎度增加、類型多樣性增加的變化趨勢(shì)。

(2)2000—2020年我國(guó)整體生態(tài)狀況明顯改善,92.06%的生態(tài)系統(tǒng)NDVI增加,年均NDVI增長(zhǎng)0.74%/a。受益于退耕還林還草等生態(tài)保護(hù)政策,農(nóng)牧混合和農(nóng)林混合生態(tài)系統(tǒng)NDVI增幅較大,分別為1.26%/a和 0.85%/a。主要受作物單產(chǎn)增長(zhǎng)影響,耕種生態(tài)系統(tǒng)NDVI增加0.81%/a；由于綠洲生態(tài)系統(tǒng)擴(kuò)張占用干旱荒漠,其NDVI增幅高達(dá)1.78%/a。受生態(tài)保護(hù)政策和氣候暖濕化影響,牧草地、林地和水域濕地生態(tài)系統(tǒng)的NDVI增幅分別為0.64%/a、0.60%/a和0.68%/a,干旱荒漠和凍土寒漠生態(tài)系統(tǒng)的NDVI也呈增加趨勢(shì)。近20年城市綠化成效明顯,城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)的NDVI增加0.21%/a,其增加主要集中于城市中心地帶；而在城市和工礦擴(kuò)張區(qū),由于占用耕地和林地,NDVI明顯下降。

(3)本研究構(gòu)建了基于土地利用分類的生態(tài)系統(tǒng)分類方法與途徑，提出的方案適應(yīng)于大尺度生態(tài)系統(tǒng)識(shí)別與監(jiān)測(cè)。其生態(tài)系統(tǒng)分類方案和制圖結(jié)果,突出了主導(dǎo)服務(wù)功能、人類干預(yù)強(qiáng)度和生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的差異,體現(xiàn)了生態(tài)系統(tǒng)的綜合性和主導(dǎo)性特征,刻畫了混合生態(tài)系統(tǒng)的類型組合和過渡帶特征。例如,以土地利用占比表征生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),識(shí)別了農(nóng)牧和農(nóng)林混合生態(tài)系統(tǒng),強(qiáng)調(diào)了生態(tài)系統(tǒng)是多組分混合形成的多功能單元；牧草地和林地生態(tài)系統(tǒng)的二級(jí)分類綜合考慮蓋度和植被類型,突出了生產(chǎn)力、水土保持功能及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的差異。然而,本研究的生態(tài)系統(tǒng)分類識(shí)別仍存在一些缺陷。首先,該分類集成多源數(shù)據(jù),存在數(shù)據(jù)尺度不匹配、精度誤差疊加等不確定性。其次,植被蓋度是牧草地、林地和干旱荒漠生態(tài)系統(tǒng)及其二級(jí)類型的主要識(shí)別指標(biāo),易受氣候影響而波動(dòng),本研究雖然剔除了蓋度小幅變化引起的類型變化,但未來研究應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)選識(shí)別指標(biāo),使分類結(jié)果更穩(wěn)定。最后,本研究旨在服務(wù)于宏觀尺度生態(tài)系統(tǒng)的類型識(shí)別和分類管理,只開展了二級(jí)分類,未來的小尺度研究可根據(jù)管理目標(biāo),綜合其他自然和人為因素,在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步細(xì)分和改進(jìn)。