基于遙感的常熟市2018—2022年生態(tài)系統(tǒng)變化分析

摘 要 為掌握常熟市近年的生態(tài)狀況，選取2018、2022年常熟市生態(tài)用地數(shù)據(jù)和MODIS數(shù)據(jù)，利用遙感信息技術和GIS平臺中的空間分析方法對其生態(tài)系統(tǒng)格局和生態(tài)質(zhì)量進行監(jiān)測和研究，查明了常熟市2018—2022年的生態(tài)系統(tǒng)格局及生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的變化。研究表明，2018—2022年常熟市各部分生態(tài)系統(tǒng)構成上的變化表現(xiàn)在其面積的增多或減少，其中僅有城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)面積有所增長，增長了10.47 km2；面積減少的生態(tài)系統(tǒng)中草地、濕地相對減少較多，分別減少了5.27 km2、2.85 km2。生態(tài)系統(tǒng)景觀空間格局中各生態(tài)系統(tǒng)類型主要呈現(xiàn)向城鎮(zhèn)聚集的趨勢，除城鎮(zhèn)、灌叢外其余生態(tài)系統(tǒng)的空間破碎度上升。2022年各類生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指標相比2018年有略微下降，總體生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量較穩(wěn)定。

關鍵詞 生態(tài)系統(tǒng)構成；景觀格局；生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量；江蘇省常熟市

中圖分類號：Q148 文獻標志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2024.01.008

生態(tài)系統(tǒng)是人類生存和社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的基礎，是由不同的生物群落及其生存的自然環(huán)境共同構成的[1]。生態(tài)系統(tǒng)一般是動態(tài)的，會根據(jù)不同時期不同的生物環(huán)境組合發(fā)生一定程度變化，往往造成這種情況發(fā)生的原因主要是人類對生態(tài)系統(tǒng)資源的開發(fā)利用，不同程度的人類社會活動便會造成這種生物環(huán)境的重新組合。定期開展生態(tài)系統(tǒng)狀況監(jiān)測與評估，可以系統(tǒng)地掌握地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)狀況及變化特征，提高本地區(qū)的生態(tài)監(jiān)測管理水平，促進本地區(qū)經(jīng)濟與生態(tài)文明和諧發(fā)展[2]。

評價生態(tài)系統(tǒng)主要是從生態(tài)系統(tǒng)格局與質(zhì)量兩方面進行。而生態(tài)系統(tǒng)格局與質(zhì)量直接影響生態(tài)系統(tǒng)服務功能的變化，研究生態(tài)系統(tǒng)格局和質(zhì)量的時空變化對于生態(tài)保護、實現(xiàn)生態(tài)資源可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[3]。生態(tài)系統(tǒng)格局主要是研究生態(tài)系統(tǒng)的構成、景觀格局、破碎度等。相比生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化，生態(tài)系統(tǒng)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(tài)系統(tǒng)質(zhì)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(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、生態(tài)系統(tǒng)功能和生態(tài)系統(tǒng)服務產(chǎn)生更大影響[4]。生態(tài)系統(tǒng)格局演變是當前全球氣候變化和環(huán)境變化等研究關注的重要內(nèi)容[5]，基于土地利用的景觀格局研究主要集中在指數(shù)特征、時空演變、破碎度及驅(qū)動因素的分析等方面[6]。傅伯杰[7]指出生態(tài)系統(tǒng)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(tài)系統(tǒng)服務變化進行分析[3]。李道寧[2]通過將生態(tài)系統(tǒng)分成一級和二級生態(tài)系統(tǒng)來研究盤錦市2000—2015年15年間的生態(tài)系統(tǒng)格局變化。生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的評價指標中一般包括植被覆蓋度、葉面積指數(shù)及總初級生產(chǎn)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(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的重要指標。葉面積指數(shù)[9]反映生態(tài)系統(tǒng)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(huán)境效應，并且也是生態(tài)系統(tǒng)中碳循環(huán)、水循環(huán)、大氣循環(huán)的重要參數(shù)。總初級生產(chǎn)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(tài)系統(tǒng)質(zhì)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(huán)。周鑫[11]通過將植被覆蓋度、葉面積指數(shù)和總初級生產(chǎn)力作為研究黔中城市群2015—2020 年生態(tài)質(zhì)量的變化的重要評價指標，結合貴州省的生態(tài)保護工作系統(tǒng)地掌握了黔中城市群中不同生態(tài)系統(tǒng)類型的變化及生態(tài)質(zhì)量變化的具體特征。筆者認為，在評價地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)景觀格局中除使用聚集度來評價生態(tài)系統(tǒng)的空間格局外，還缺少不同生態(tài)系統(tǒng)的破碎度和評價最大優(yōu)勢生態(tài)系統(tǒng)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(chuàng)建模型得到景觀分割指數(shù)（DIVISION）、最大斑塊面積指數(shù)（LPI）及聚集度指數(shù)（AI）來研究生態(tài)系統(tǒng)景觀格局；在評價區(qū)域內(nèi)的植被覆蓋情況時，根據(jù)2021年由生態(tài)環(huán)境部提出的《區(qū)域生態(tài)質(zhì)量評價辦法（試行）》[12]中的植被覆蓋指數(shù)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(qū)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(jīng)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(nèi)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(wǎng)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(chǎn)品有繃魚、青蝦、大閘蟹等數(shù)十種。

1.2" 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)主要包括2018年江蘇省常熟市的土地利用類型矢量數(shù)據(jù)；2022年國產(chǎn)“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(shù)據(jù)，包括：MOD13Q1（植被指數(shù)產(chǎn)品），空間分辨率為250 m；MOD15A2（葉面積指數(shù)產(chǎn)品），空間分辨率為500 m；MOD17A2（植被總初級生產(chǎn)力產(chǎn)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(jīng)驗知識，根據(jù)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(jù)2022年高分影像來進行解譯，最終得到2022年常熟市生態(tài)系統(tǒng)分類。

根據(jù)《全國生態(tài)狀況調(diào)查評估技術規(guī)范——生態(tài)系統(tǒng)遙感解譯與野外核查》（HJ 1166—2021），結合常熟市生態(tài)系統(tǒng)組成將土地利用類型分為森林、灌叢、草地、濕地、農(nóng)田、城鎮(zhèn)及其他7大類（見表1）。

1.3.2" 生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移矩陣

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

1.3.3" 生態(tài)質(zhì)量評價指標估算

植被覆蓋指數(shù)。參照《區(qū)域生態(tài)質(zhì)量評價辦法（試行）》中的植被覆蓋指數(shù)進行計算：

在公式（1）中，C表示植被覆蓋指數(shù)；Aveg為植被覆蓋指數(shù)的歸一化系數(shù)，參數(shù)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(qū)范圍內(nèi)的像元個數(shù)。

年均GPP、LAI。年均GPP和LAI計算的公式為：

在公式（2）和（3）中，LAI和GPP為年均葉面積指數(shù)和總初級生產(chǎn)力，LAIi和GPPi為第i個像元上的值，n為像元個數(shù)。

2" 結果與分析

2.1" 生態(tài)系統(tǒng)格局變化

2.1.1" 生態(tài)系統(tǒng)構成及變化

如表2所示，2018年及2022年的常熟市生態(tài)系統(tǒng)均主要以城鎮(zhèn)、濕地、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為主，3類生態(tài)系統(tǒng)面積合計占比分別為90.202%、90.697%，其他4類生態(tài)系統(tǒng)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(nèi)生態(tài)用地的持續(xù)開發(fā)，空間面積增長的生態(tài)系統(tǒng)僅有城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)，增長了10.47 km2；其他生態(tài)系統(tǒng)空間面積均減少，其中面積減少較多的為草地生態(tài)系統(tǒng)和濕地生態(tài)系統(tǒng)，分別減少了5.27 km2、2.85 km2。

2.1.2" 生態(tài)系統(tǒng)的變化特征

由表3及圖1可知，2018—2022年常熟市主要是以農(nóng)田轉(zhuǎn)換為城鎮(zhèn)、草地轉(zhuǎn)換為農(nóng)田和城鎮(zhèn)及濕地轉(zhuǎn)換為農(nóng)田為生態(tài)系統(tǒng)的變化特征，其中農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)一共有6.80 km2；草地生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)和城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)分別為3.15 km2和2.40 km2；濕地生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為2.19 km2。主要原因可能是常熟市城市化發(fā)展造成的連鎖反應，由于城鎮(zhèn)開發(fā)而造成了較多的農(nóng)田被破壞，而為了本地區(qū)農(nóng)業(yè)糧食生產(chǎn)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(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)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(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換斑塊則分布較分散。

2.1.3" 生態(tài)系統(tǒng)景觀格局變化

景觀分割指數(shù)、最大斑塊面積指數(shù)、聚集度指數(shù)是評價生態(tài)系統(tǒng)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(yōu)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(tài)系統(tǒng)景觀分割指數(shù)的最大值為1。景觀分割指數(shù)中除數(shù)值為1的生態(tài)系統(tǒng)外，變化較大的為濕地、農(nóng)田和城鎮(zhèn)這幾種生態(tài)系統(tǒng)，濕地、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的景觀分割指數(shù)上升，城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)的景觀分割指數(shù)下降。最大斑塊面積指數(shù)中較大的主要為濕地、農(nóng)田和城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)，這幾種優(yōu)勢比較大的生態(tài)類型也說明了人類活動較為頻繁，較2018年相比，2022年城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)的景觀格局優(yōu)勢變得更為明顯，農(nóng)田和濕地生態(tài)系統(tǒng)的景觀格局優(yōu)勢則有所下降。聚集度指數(shù)中，上升的為灌叢、城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)，下降的為森林、草地、濕地、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，變化較大的為城鎮(zhèn)和草地生態(tài)系統(tǒng)。通過上述3類指標對常熟市生態(tài)系統(tǒng)景觀格局的描述，可以看出2018—2022年主要是各類生態(tài)系統(tǒng)向城鎮(zhèn)聚集的過程，城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)的景觀破碎度呈下降趨勢且景觀格局優(yōu)勢更為明顯。

2.2" 生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化

2018—2022年，常熟市生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量良好。2022年植被覆蓋指數(shù)、葉面積指數(shù)、總初級生產(chǎn)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(tài)系統(tǒng)質(zhì)量各個指標下降的主要原因則是4年來城鎮(zhèn)建設的擴張造成植被用地減少，從而最終導致生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量下降。

3" "討論與結論

2018—2022年常熟市的生態(tài)系統(tǒng)變化主要發(fā)生在城鎮(zhèn)上，從側面說明了影響這4年常熟市生態(tài)系統(tǒng)變化的原因主要來源于人口活動遷移造成的城鎮(zhèn)化上升。從生態(tài)系統(tǒng)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(shù)量逐漸減少，城鎮(zhèn)生態(tài)空間的連通性整體呈上升趨勢，城鎮(zhèn)景觀空間分布較緊湊；從生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化上來看，因為4年內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的下降，也從一定程度上反映出了由于城鎮(zhèn)化的擴張所造成的植被用地減少。

根據(jù)常熟市地方生態(tài)系統(tǒng)特色，綜合考慮自然資源以及經(jīng)濟因素，提出幾點建議：1）常熟市濕地生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)勢較明顯，市內(nèi)河網(wǎng)也比較發(fā)達，在發(fā)展農(nóng)業(yè)時可以考慮嘗試采用無土農(nóng)業(yè)這種新型農(nóng)業(yè)，在充分利用濕地自然資源的同時也減少了其他生態(tài)系統(tǒng)因為開發(fā)使用遭到破壞。2）市內(nèi)擁有尚湖、昆承湖兩個較大的濕地公園，且市內(nèi)湖泊坑塘眾多，可根據(jù)此特點去建立一些濕地公園，有利于保護常熟市內(nèi)的動植物資源，既服務市民又可以在一定程度上提高市內(nèi)的生態(tài)質(zhì)量。3）對市內(nèi)的森林公園加大保護力度，在對生態(tài)系統(tǒng)進行開發(fā)時盡量不涉及森林生態(tài)系統(tǒng)，嚴禁隨意砍伐樹木。4）減緩城鎮(zhèn)擴張速度，在城市建設中應該注意規(guī)劃的合理性，提高土地利用率，合理控制人口增長，減緩城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)侵占森林、濕地等其他生態(tài)系統(tǒng)。5）注意產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整，加大對發(fā)展綠色經(jīng)濟、生態(tài)產(chǎn)業(yè)等環(huán)境友好型企業(yè)的投資。

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（責任編輯：易" 婧）

收稿日期：2023-08-05

基金項目：江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院創(chuàng)辦項目（80303-AH20220857）。

作者簡介：屠長達（1996—），在讀碩士，主要研究方向為遙感地學應用。E-mail：742743014@qq.com。

*為通信作者，E-mail：liuhanhu@cdut.edu.cn。