2000－2010年辽河流域生态系统功能变化评估

郑娇琦，王华斌，刘伟玲，张林波

（1.北京国测星绘信息技术有限公司，北京101300；2.国家测绘地理信息局卫星测绘应用中心，北京101300；3.中国环境科学研究院 国家环境保护区域生态过程与功能评估重点实验室，北京100012）

生态系统功能是指生态系统与生态系统过程形成及维持的人类赖以生存的自然环境条件和效用［1］。随着能量和物质等的不断交流，生态系统亦产生不断的变化［2］。其动态变化过程可以用来衡量其生态环境质量，为区域的生态环境治理、规划发展提供科学依据。植被是生态系统的主要组分，植被覆盖度是衡量地表植被生长状况的重要指标［3］；水源涵养能力和土壤侵蚀强度是反映研究区水资源状况和水土流失情况的重要指标［4－5］；生物多样能够体现生物资源的丰富性。因此本文以RS和GIS技术为基础，利用TM影像、植被NDVI以及气象等数据，计算2000—2010年辽河流域土地利用、景观格局、植被覆盖、水源涵养、土壤侵蚀以及生物多样性等指标的变化，分析近10a来辽河流域生态系统基本状况，以期为辽河流域的生态环境治理、发展规划开发提供参考。

1 研究区概况

辽河流域位于我国东北地区的西南部，是全国重要的七大流域之一，东部地区最大的河流。源于河北省，流经河北省、内蒙古自治区、吉林省、辽宁省，注入渤海。本研究区域为辽河流域辽宁省段，地处我国东北地区南部，呈菱形分布在辽宁省的中部，面积为6.6万km2，主要包括辽河、浑河、太子河、大辽河四条一级河流。辽河流域地处北温带半湿润半干旱区，属大陆性季风气候区，春季干燥多风沙，夏季高温多雨，秋季历时短，冬季寒冷干燥。多年平均气温4～9℃，多年平均降水量时空分布不均匀，降水时间多集中在7—8月份，空间分布上整体呈现由东部向西部递减趋势，东部山丘区800～950mm，西部仅为300～500mm。研究区内土壤主要包括棕壤、草甸土、水稻土、潮土、风沙土等。流域内自然植被类型多样，具有温带草原、暖温带落叶阔叶林以及带性灌丛等植被类型［6］。

2 研究数据与方法

2.1 研究数据

土地利用数据以2000年和2010年2期Landsat TM影像作为数据源，解译生成土地利用数据，一级生态分类系统为林地、灌丛、草地、湿地、耕地、城镇、荒漠7种类型；NDVI数据来源于2000年到2010年MODIS数据中的植被指数（MOD13A3）的数据，空间分辨率为1km×1km，时间分辨率为30d；1∶100万的土壤图，来源于全国第二次土壤普查；降雨数据来源于中国气象科学数据共享网，包括辽河流域范围内10个气象站点的2000年和2010年的月降雨量和年降雨量。

2.2 研究法方法

2.2.1 土壤侵蚀 采用通用土壤流失方程（USLE）计算土壤侵蚀。该方程于20世纪60年代提出，是目前土壤侵蚀量估算中应用较为广泛的方法。USLE结构简单，所需参数易于获取，结果可靠，在美国乃至世界范围内得到了迅速的推广和应用［7］。USLE模型只考虑与土壤侵蚀相关的各个因子，它通过获取这些因子的相关数据，进行深入地统计分析，拟合多元回归方程，然后建立各影响因子与土壤侵蚀相互关系的模型［8］。USLE模型的数学表达式为：

式中：A——年均土壤侵蚀量［t／（km2·a）］；Ri——第i月降雨侵蚀力因子［MJ·mm／（hm2·h·a）］；K——土壤可蚀性因子［t／hm2·h／（MJ·mm·hm2）］；LS——地形因子，无量纲，其中L——坡长因子，S——坡度因子；C——植被覆盖因子，无量纲；P——水土保持措施因子，无量纲。

采用Wischmeier经验公式计算降雨侵蚀力R。Wischmeier等［9］经验公式，它以月平均、年平均降雨量为基础数据，计算公式为：

式中：P——年降雨总量（mm），Pi——每年1—12月第i月的降雨量（mm）。根据2000年和2010年的降雨数据，逐月率定降雨侵蚀力因子。

采用 Willams等［10］在EPIC（Erosion Productivity Impact Calculator）模型中土壤可蚀性因子K值计算方法，计算公式为：

式中：Sd——砂粒含量（%）；Si——粉粒含量（%）；Ci——黏粒含量（%）；C——有机质含量（%）。

地形因子LS，是指在其他条件相同的情况下，特定坡面（特定坡度和坡长）的土壤流失量与标准径流小区土壤流失量之比值。其值为坡长因子L与坡度因子S的乘积，计算公式为：

利用马超飞［11］等采用线性像元分解法建立的C与植被覆盖度Fc之间的关系式，分别计算植被覆盖因子，计算公式为：

式中：C——植被覆盖因子；FC——植被覆盖度。计算得到2000年和2010年30m×30m的C因子栅格图层。

2.2.2 水源涵养计算 水源涵养量通过降水量、蒸发量及土壤涵养水源能力等关系推算，其中蒸散发量还可以采用等价的径流量系数表达。此方法既能反映区域实际水源涵养量的平均状况，其动态分析又能反映水源涵养能力的变化。

式中：Wi——研究区域的年水源涵养量（m3）；Ai——土地利用类型面积（hm2）；Fi——植被覆盖度；Ki——发育度指数；Pi——年降雨量；∂——径流系数。

2.2.3 生物多样性保护 采用InVEST模型中的生境质量指数来进行评价，计算公式如下：

式中：Qxj——土地利用与土地覆盖j中栅格x的生境质量；Hj——土地利用与土地覆盖j的生境适合性；Dxj——土地利用与土地覆盖或生境类型j栅格x的生境胁迫水平；K——半饱和常数［12］。

3 结果与分析

3.1 土地利用变化

利用辽河流域2000年和2010年2期遥感影像，结合实地考察，解译出土地利用数据，分析得出辽河流域土地利用变化情况，见表1和表2。选择研究区的野外实测GPS点和随机取样点对分类精度进行评价，两期影像整体分类精度大于87%，kappa系数大于0.86，达到了研究所需的标准。

由表1可得，辽河流域以耕地为主，2010年面积为34 931.6km2所占比例52.8%。森林其次，面积为19 449.3km2约占29.4%。10a间主要增加土地利用类型为城镇，增加面积为1 134.5km2；主要减少的土地利用为耕地，减少面积为1 160.6km2；其他土地利用类型中草地、荒漠、灌丛有所增加，森林、湿地略有下降。由表2可知，从2000—2010年辽河流域土地利用主要转化类型是耕地向城镇的转变，面积为1 038.9km2，占城镇增加面积的91.57%；其次是耕地转化为湿地以及湿地转化为城镇，面积分别为100.4km2，91.1km2。表明10a来辽河流域城镇在不断扩张，但是并没有破坏生态用地。

表1 2000－2010年辽河流域土地利用变化

表2 2000－2010年辽河流域土地利用转移矩阵 km2

3.2 景观格局变化

利用Fragstat4.1软件计算辽河流域全区域以及各生态类型的景观格局指数变化情况，如表3所示。结果表明：2000—2010年，辽河流域总区域斑块总数略有增加，平均斑块面积和聚集度指数有所减少，景观格局整体趋于破碎。其中，2个时期斑块数最多的土地利用类型为城镇，且10a来斑块数有少量增加，平均斑块面积增加，边界密度和聚集度指数略变大，显示城镇类型的聚合度也有少许增加，景观斑块趋于集中或连片，表明城镇有发展的趋势。耕地的斑块数有所增加，平均斑块面积减少，边界密度略有增加，聚集度指数有少量下降，显示人类活动干扰日益增强，耕地有分散的发展趋势。湿地类型的斑块数10a来有所增加的，而平均斑块面积减小，边界密度和聚集度变化并不显著，表明10a来湿地尽管有斑块数量上的增加，但整体格局依然延续，没有发生太大变化。其他土地利用类型10a间景观格局状况基本处于稳定状态。

3.3 植被覆盖度变化

植被作为陆地生态系统的主体，是联结土壤、大气和水分等要素的自然纽带，在全球变化中充当指示器的作用［13］。归一化植被指数（Normal Difference Vegetation Index，NDVI）与植被覆盖度、叶面积指数呈现显著正相关关系，而且对植被的生长势和生长量非常敏感，可以很好的反映地表植被的繁密程度［14］。是当前研究植被覆盖时空变化的最常用遥感数据。采用最大化合成法（Maximum Value Composite，MVC）将月最大化NDVI数据合称为年最大化NDVI序列，得出辽河流域2000—2010年NDVI年际变化趋势图（图1）。由图1可得，10a间，研究区内NDVI呈波动上升趋势（R2＝0.4234，p＜0.05）。运用差值法比较辽河流域2000年和2010年的植被覆盖，如附图8所示。结果表明：2000—2010年，植被NDVI上升的区域占总面积的80.23%，上升超过20%的区域也占总面积的15.25%，下降超过20%的区域不足2%。总体上，研究区内植被覆盖度显著提高。

表3 2000－2010年辽河流域景观格局变化

图1 2000－2010辽河流域NDVI变化

3.4 土壤侵蚀变化

辽河流域2000年和2010年土壤侵蚀类型以微度和轻度侵蚀为主，平均土壤侵蚀模数分别为45.23 t／（km2·a），143.83t／（km2·a），低于水利部颁发的容许土壤流失量200t／（km2·a）［15］；2000年和2010年微度侵蚀和轻度侵蚀的侵蚀范围面积之和都在99%以上，总体上水土保持良好（表4）。2000—2010年，研究区共有9 040.57km2面积发生不同程度的侵蚀类型变化，占研究区总面积的13.81%；其中有94.38%是低侵蚀界别向高侵蚀级别转移，而且剧烈侵蚀等级增加幅度较大。表明辽河流域土壤侵蚀有加剧的趋势。将计算结果与国家环保部卫星中心计算的全国土壤侵蚀结果进行比对，两个结果的空间分布与年际变化趋势一致。

表4 2000－2010辽河流域土壤侵蚀强度变化

3.5 水源涵养变化

由表5可得，2000年辽河流域生态系统总水源涵养量以及单位面积水源涵养量分别为9.529×109t和1.4397×105t，2010 年 分 别 为 1.1344×1010t和1.7136×105t；较2000年相比，2010年辽河流域总水源涵养量和单位面积水源涵养量分别增加1.815×109t和2.742×104t。表明2000—2010年，辽河流域水源涵养能力有所增加。

3.6 生物多样性保护

基于土地利用图、与土地利用相关的生境可持续性和生境受威胁密度，用InVEST生物多样性模型模拟了辽河流域2000年和2010年生境质量空间分布。基于Natural Breaks法将辽河流域生境质量等级空间分布划分为3等级［13］。由表6可得，辽河流域生境质量主要处在低等级，2010年面积比例为68.97%，其次是高等级，中等级所占比例最小。10a来，低等级生境质量面积减少，中、高等级生境质量面积都在增加，表明辽河流域生境质量整体有提高趋势。

表5 2000－2010年辽河流域水源涵养能力变化

表6 2000年、2010年辽河流域生物多样性保护变化

4 结 论

（1）辽河流域土地利用类型以耕地为主，10a间主要增加土地利用类型为城镇，面积主要减少的土地利用为耕地；土地利用主要转化类型是耕地向城镇的转变，面积为1038.9km2，其次是耕地转化为湿地以及湿地转化为城镇，面积分别为100.4，91.1km2。

（2）景观格局方面，流域内斑块总数略有增加，平均斑块面积和聚集度指数有所减少，景观格局整体趋于破碎。其中，城镇景观斑块趋于集中或连片，城镇有发展的趋势；耕地受人类活动干扰日益增强，有分散的发展趋势。其他土地利用类型10a间基本处于稳定状态。表明10a来辽河流域城镇在不断扩张，但是并没有破坏生态用地。

（3）2000—2010年，研究区年际NDVI呈现波动上升趋势，空间上NDVI上升的区域占总面积的80.23%，上升超过20%的区域也占总面积的15.25%，下降超过20%的区域不足2%。表明辽河流域植被覆盖度显著提高。

（4）近10a间，辽河流域总水源涵养量增加1.815×109t；生境质量由低等级向高等级转变，生物多样性保护能力提高；虽然土壤侵蚀强度有所增强，但这一定程度上受2010年降水量大幅增加影响。

本研究采用了较为成熟的模型方法对辽河流域十年来生态系统功能变化进行了评估。由于数据资料和技术方法的限制，本研究对辽河流域生态系统服务功能变化评估也只是粗略的、不完整的评估。但即使一个这样评估，也能够反映近十年来辽河流域生态服务状况的变化趋势，给政策管理者和决策者提供流域生态文明建设的科学依据，对于流域的保护和有效的管理起到了重要的作用。

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