三峡库区生态系统时空分布及其演替特征

吴 凯，王晓琳，刘 培，许 怡

（1.南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210029；2.河北工程大学 水利水电学院，邯郸 056038）

三峡库区生态系统时空分布及其演替特征

吴 凯1*，王晓琳2，刘 培1，许 怡1

（1.南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210029；2.河北工程大学 水利水电学院，邯郸 056038）

对三峡库区1990-2010年每隔五年陆地生态系统，建立了生态系统时空分布及演替的系统分析方法：在变化数量和结构上，对三峡库区5期生态系统空间分布变化以动态变化率、变化转移矩阵等方法进行统计分析；在空间分布上，利用八向空间共生矩阵、空间洛仑兹曲线与基尼系数、多尺度空间统计等方法，描述其空间分布格局及变化差异特性；基于景观生态学中的相邻矩阵和转移矩阵构建生态系统类型转换倾向性模型描述三峡库区生态系统演替特征。结果表明：森林和农田为主要优势的生态系统类型。1990-2010年水体与湿地、聚落和其他三种类型变化最剧烈。人类活动对各类型生态系统的作用范围要大于气候变化等自然条件的驱动作用，且作用强度呈现出随时间推移变化越来越小的特点。整个区域的生态系统类型转换与相关政策作用和水利工程建设直接相关。转换倾向性模型可以挖掘土地变化信息和驱动力作用。分析其演变的驱动力，可以加深对人类活动在地区变化中的作用和机制的认识，减少预测的不确定性。研究有助于了解三峡库区近20多年来土地利用的变化特征，从而为三峡库区环境保护、土地利用和土地规划的可持续发展提供参考价值。

三峡库区；生态系统；时空分布；演替；共生矩阵

生态系统类型或土地覆盖/土地利用的空间格局反映了地区水热条件变化和人类活动的长期作用[1]。三峡库区的生态环境和土地利用情况因自然和人类活动受到了很大扰动，特别是三峡工程建设的淹没、安置、迁建与设施配套的作用。针对该区域长时间序列的生态系统时空分布及变化特征的定量分析，国内外研究较为少见[2-6]，同时基于网格化的洛仑兹曲线和基尼系数对空间格局的不均匀性及演替的定量描述更是尚未出现。将三峡库区作为研究区，可方便地获取地区的社会经济发展状况，与生态系统类型或土地覆盖/土地利用变化分析相结合，为后续研究提供便利。细致分析过去二十年生态系统分布格局演变和动态特征，不仅可为评估人类活动，特别是大型水利工程作用下的生态系统变化与土地利用的响应提供数据基础，为三峡库区的生态系统结构与功能的未来变化趋势提供重要的生态安全预警信息，而且可为组织当地有序的人类活动提供科学的决策依据，以实现水生态的科学发展。

1 研究区域及数据来源

三峡库区包括了重庆市和湖北省的32区 （县/市），面积共计5.8×104km2，以山地和丘陵为主（图1）。区域具有中亚热带湿润季风气候特征，年均气温17℃～20℃，年均降水量1 000～1 200 mm，主要分布着针阔叶林、经济果林和农作物等植被。适宜的气候和起伏的地形孕育出生物多样性和山地垂直分布格局[7]。

采用 《中国5年间隔陆地生态系统空间分布数据集 （1990-2010）》①该数据集来源于 “全球变化科学研究数据出版系统”，http://www.geodoi.ac.cn/。为研究数据。该数据集是结合卫星遥感和地面调查研发，经过分类处理形成的[8-9]。生态系统类型与土地利用/土地覆盖遥感分类系统对应关系见表1。共划分了农田、森林、草地、水体与湿地、荒漠、聚落和其他共7种生态系统类型。数据空间分辨率为100 m。对该数据集进行裁剪，得到三峡库区5期生态系统类型分布图 （图2）。

表1 陆地生态系统分类与土地利用/土地覆盖遥感分类系统对应关系Table 1 Corresponding relationship of land ecosystem classification and land use/land covers remote sensing classification system

图1 三峡库区位置和地貌格局Fig.1 The geographical location of the Three Gorges Reservoir area

图2 1990-2010年每隔五年三峡库区生态系统分布Fig.2 Ecological system distribution of the Three Gorges Reservoir area every five years during 1990 to 2010

2 研究方法

为分析三峡库区生态系统时空分布特征，对生态系统演替规律进行细致描述，建立了生态系统时空分布及演替的系统分析方法。首先采用数量占比、动态度和变化转移矩阵进行计算，阐述本区域的生态系统数量分布及变化特征；接着基于空间共生矩阵、空间洛仑兹曲线和基尼系数等方法，分析生态系统空间分布及变化特征；最后基于数量和空间变化建立演替倾向性模型，挖掘其演替变化信息。

2.1 生态系统类型时空变化特征描述

2.1.1 动态度

区域生态系统类型变化的速率可用动态度来定量描述，按下式计算：

式中：Ai，Aj表示某种生态系统类型第i时间和第j时间的面积；T为时间间隔，单位为年。

2.1.2 转移矩阵

为定量分析生态系统类型分布的状态及其转移特征，这里采用转移矩阵进行描述。表2为土地利用转移矩阵中的一般形式。其中行、列分别表示T1、T2时刻土地利用或生态系统类型。Pij表示T1到T2期间类型i转换为类型j的面积占总面积的百分比；Pii表示T1-T2期间i种类型保持不变的面积百分比。

表2 土地利用类型转换矩阵和相邻矩阵的基本形式Table 2 The basic form of the field transformation matrix and the adjacent matrix

2.2 生态系统类型空间分布描述

2.2.1 共生概率矩阵

目前多数研究以分析土地利用的结构和数量的变化为主，很少考虑空间位置的关系。这里将景观生态学中的景观空间相邻矩阵引入生态系统空间格局描述中。景观共生概率矩阵具备描述景观镶嵌体中各斑块类型空间组合特征的功能，不但是计算诸如聚合度和相似临接度等景观蔓延度、聚集度指数的基础，而且可以用来分析空间相关性[10]。

在栅格尺度上计算共生矩阵，根据相邻的规则不同，分为四邻和八邻两种规则。此处采用八邻规则。若以Cij表示与i类斑块相邻的j类斑块栅格数，n为斑块类型数，则共生概率矩阵中元素由式 （2）计算：

共生概率矩阵基本形式如表2所示，其中Pij表示景观中斑块类型i和斑块类型j相邻的概率，0〈Pij〈100%，如Pij=40%，则代表斑块类型i周围40%相邻的是斑块类型j。

2.2.2 空间洛仑兹曲线和基尼系数

洛伦兹曲线为向外凸的曲线，在经济学上常用于分析地区之间收入差距或财富不平等状况，与横坐标成45°夹角时，称为绝对公平线。当曲线距离绝对公平线越近时表示地区间收入差距越小，财富分配较为平等。

空间洛伦兹曲线可以测度区域生态系统在空间上的集中与分散程度，反映出区域生态系统结构的空间配置及对比关系[11-13]。具体操作步骤为：（a）利用ArcGIS的区域统计功能，统计网格单元的生态系统类型面积百分比；（b）计算区位嫡R值，即网格某一生态系统类型面积占区域该类型总面积的百分比与网格生态系统总面积占三峡库区总面积百分比的比值；并将各个网格按R值从小到大排序，相应列出各个网格该生态系统面积累积百分比和三峡库区总面积累积百分比。（c）绘制生态系统空间洛伦兹曲线。横坐标值取生态系统总面积累积百分比，纵坐标值取各个网格面积累积百分比，横、纵坐标轴各取单位长度1，连接各个坐标点得到洛伦兹曲线。2.3 生态系统演替倾向性分析

不同的生态系统类型之间的转换多以边缘性扩张或收缩为主，因此探讨生态系统类型转换和其空间格局状态的关系对研究生态系统类型演替特征具有重要意义。利用转移矩阵和景观共生概率矩阵构建生态系统演替倾向性模型，具体步骤如下[10，14]：

（a）按式 （3）将转移矩阵转化为转移概率矩阵：

（b）用Sij表示T1-T2时刻，生态系统类型i转为j的概率，则转换概率矩阵可表示为S=（Sij）；用nij表示生态系统类型i与j相邻的概率，则共生概率矩阵表示为N=（nij）。

（c）利用矩阵S和N构建生态系统演替倾向性模型。以fij表示生态系统类型i与j转化的倾向性指数， Y=（yij） 表示构成的矩阵，则fij表示为：

当fij的值大于1时，说明生态系统类型i与j相邻的情况下，i向j转换的倾向性大于j向i转换的倾向性，其值越大，说明i越容易向j转变；当fij的值小于1时，说明生态系统类型i与j相邻的情况下，i向j转换的倾向性小于j向i转换的倾向性，其值越小，说明i越不容易向j转变。

3 三峡库区生态系统类型数量变化

区域生态系统类型面积变化反映了不同类型的总量的变化，从时间序列分析变化的四个阶段 （1990-1995年为第一阶段，1995-2000年为第二阶段，2000-2005年为第三阶段，2005-2010年为第四阶段，下同）。基于ArcGIS和Fragstats 4.2计算结果得到1990-2010年每隔五年三峡库区生态系统类型构成比例变化 （图3），森林、农田和草地为主要优势的生态系统类型。森林面积占比为46.99%～47.57%。农田面积占比为36.94%～38.00%，2000年处于顶峰。草地面积占比为12.42%～13.07%，1995年出现峰值，2010年达到最小值。水体与湿地面积占比为1.41%～1.74%，整体呈增加态势。聚落面积占比为0.60%～1.43%，整体呈增加态势。“其他”面积占比为0.01%～0.02%。区域中不存在荒漠生态系统。由此可以得出，绝对面积变动最剧烈的是农田，其次是草地。这里特别关注聚落和水体与湿地的变化情况，对比初始和最终的两个时期，聚落2010年较1990年增加了一倍以上，水体与湿地2010年较1990年增加了20%以上。

图3 1990-2010年每隔五年三峡库区生态系统类型构成比例Fig.3 The proportion of ecosystem types in the Three Gorges Reservoir area every five years during 1990 to 2010

通过对动态度的分析可以了解生态系统类型的总态势和结构变化，同时可以反映出人类活动对生态系统改造作用的强弱程度。由四期动态度的变化 （图4）可以看出，水体与湿地、聚落和其他三种类型变化最剧烈。 “其他”生态系统四个阶段一致性减少，聚落四个阶段均为增加，其余四种类型四个阶段变化情况不一致。对比四个时期，农田、森林和草地前两个阶段变化较剧烈，水体与湿地和其他后两个阶段变化最剧烈，聚落第二、四个阶段较第一、三个阶段剧烈。

图4 1990-2010年每隔五年三峡库区生态系统类型动态度Fig.4 The ecological system type dynamic degree of the Three Gorges Reservoir area in every five years during 1990 to 2010

4 三峡库区生态系统类型空间分布及演替特征

不同生态系统类型的空间相邻状况，反映出其同一类型的空间集聚特征以及不同类型的空间配置状态。基于式 （1），运用MATLAB得到五期生态系统类型空间相邻概率矩阵的均值矩阵 （表3）。

从单一类型的空间自相邻来看，森林、水体与湿地这两种类型的自相邻概率值最高，均在80%以上；农田、草地和聚落也均处于70%以上；其他则斑块面积较小，布局较为分散，空间集聚度较低，自相邻值最低。从不同地类间的相邻状态来看，各生态系统类型与农田相邻的概率远大于与其他地类相邻的概率，且农田面积的总占比处在第二位，并非最大比例，以上两点说明农田分布的广泛性，即人类活动对各个生态系统类型的作用范围大于自然状态下的生态系统的扩张或收缩。各生态系统类型与森林相邻的概率仅次于农田，这是森林面积占比最大这一因素造成的。水体与湿地和聚落相邻的概率排在第三位，说明人类社会对水的依赖关系，水是这一地区人类社会发展的最重要的自然要素之一。

表3 1990-2010年三峡库区生态系统类型共生概率矩阵Table 3 Symbiotic probability matrix in the Three Gorges Reservoir area ecosystem during 1990 to 2010

为分析生态系统类型转化的空间差异，聚焦变化剧烈区域，在ArcGIS平台上将三峡库区矩形区域生成划分为40×50个网格，其中覆盖三峡库区的有效网格共175个。运用区域统计功能计算175个网格中相邻两期的生态系统发生转化的区域面积 （图5）。暖色调较深的区域为生态系统类型发生大范围的转化的区域。空间对比上，第一阶段，转换面积最强烈的为小江、汤溪河和梅溪河连片流域，乌江和龙江流域，綦江流域；第二阶段，主要为零星片区，集中在河流两岸区域；第三阶段，主要集中在河流两岸区域，沿河流呈线状分布；第四阶段与第三阶段类似，主要集中在河流两岸区域，沿河流呈线状分布，特别是干流区域发生转换面积较显著。对比四个阶段发现生态系统类型发生转换的面积在减小，且大部分变化出现在海拔较低的区域。

图5 1990-2010年相邻两期三峡库区生态系统发生转换区域面积统计Fig.5 The acreage change of ecosystems in the Three Gorges Reservoir area during 1990 to 2010

根据175个网格计算并绘制三峡库区不同生态系统类型的五期平均的空间洛伦兹曲线和五个时期的基尼系数变化 （图6、表4）。可以看出曲线相对比较平滑，对其进行划分的网格数相对比较合理。森林和农田的洛伦兹曲线与绝对平均线最接近，表明森林和农田分布较为广泛，加之森林的面积占比较农田较大，说明农田分布在各个格点的面积大致相等，表明人类活动的广泛性和均布性；其次为草地和水体湿地；再次为聚落和其他，距绝对平均线最远，说明聚落和其他两种类型呈现连片分布，在区域分布比较悬殊。

六种生态系统类型的基尼系数年际变化均不太大，总体特征与上面的洛伦兹曲线分布基本吻合，说明期间整个流域生态系统类型分布格局未出现大规模的动荡。其中聚落和草地发生了相对较大的变化。水体与湿地和聚落的基尼系数整体呈减小趋势，分布相对更加均匀。其余四种生态系统类型的基尼系数整体为增加趋势，其分布不趋向于集中。草地的基尼系数变化最大，观察变化过程发现，草地被森林所侵占，人类的保护和退耕活动使得森林的面积增加[15]。三峡工程等大型水利工程的建设使得水体湿地分布越来越广泛。

图6 1990-2010年三峡库区各生态系统类型空间洛伦兹曲线Fig.6 Spatial Lorentz curve for each ecosystem type in the Three Gorges Reservoir area during 1990 to 2010

表4 1990-2010年西辽河流域五期各生态系统类型基尼系数Table 4 Gini coefficient of each ecosystem type in the Three Gorges Reservoir area during 1990 to 2010

根据转移矩阵和共生概率矩阵利用建立的生态系统演替转换倾向性模型计算各生态系统的倾向性。不同生态系统的演替倾向性 （表5）有以下特点：对于农田来说，农田转为森林、草地和水体与湿地，主要是退耕还林还草以及水利工程的建设导致的淹没造成；森林转化为水体与湿地和聚落，归结为人类活动影响，即分别为水利工程建设和城镇化作用。草地转为森林、草地和水体湿地，主要是退耕还林还草以及水利工程的建设导致的淹没造成；水体湿地较少转换为其余几种生态系统类型；聚落转换为水体与湿地较多，说明水利工程建设带来大范围的移民安置；其他生态系统类型则主要转化为其余几种类型。总体上印证了上面的分析总结，说明该模型具有合理性，为揭示地区生态系统或者土地覆盖/土地利用的状态转移规律分析提供了一个新的思路。

表5 生态系统演替倾向性分析Table 5 Ecosystem succession analysis

5 结论

作为典型的大型水利工程作用下的生态系统，三峡库区森林和农田为主要优势的生态系统类型，从空间分布上看，流域范围都分布着农田，其次为森林和草地、聚落。四个变化阶段聚落、其他和水体与湿地三种类型变化最剧烈。人类活动对各个生态系统类型的作用范围大于其余的几种类型。从类型转换上看，变换强度呈现出随时间推移变化越来越小的特点。整个区域的生态系统类型转换与整个区域的政策作用和水利工程建设直接相关。

从总体和空间两方面对区域生态系统数量及空间变化特征细致计算和描述，建立了空间上生态系统或土地覆盖/土地利用的状态转移的分析系统。引入经济学中的洛伦兹曲线和基尼系数概念，提出了一种生态系统空间均匀性分析的方法。通过对研究区等分网格，以该网格为研究单元，绘制出不同生态系统类型的洛伦兹曲线，分析了各个生态系统类型空间分布的对比关系。在洛伦兹曲线的基础上，计算不同时段的基尼系数，阐明了生态系统时空变化及人类活动特征；利用空间相邻矩阵和转移矩阵建立起转移倾向性模型，该模型能够有效地反映生态系统类型在空间相邻情况下的转移倾向，有助于进一步探索区域生态系统空间格局对转换机制的影响，挖掘变化信息，寻求驱动力，也可以为生态系统或土地覆盖/土地利用空间分析和建模提供有用信息。

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The Tempo-Spatial Distribution and Evolution of Ecosystem in the Three Gorges Reservoir Area

WU Kai1*， WANG Xiaolin2， LIU Pei1， XU Yi1
（1.Nanjing Hydraulic Research Institute,State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering,Nanjing 210029,China； 2.School of water Conservancy and Hydroeletric Power,Hebei University of Engineering， Handan 056038,China）

Based on the spatial distribution dataset of the ecosystem types in the Three Gorges Reservoir area from 1990 to 2010,the systemic analysis methods were established to determine the spatiotemporal characteristics and variations of the ecosystem.The sampling time periods were 1990， 1995， 2000,2005 and 2010.Several indexes describing the regional land use were investigated by different methods.For number and structure of the ecosystem,the quantitative and structural statistical analysis methods,such as dynamic rate change and transfer matrix,were used.For layout of the ecosystem,the gray-level co-occurrence matrix,space Lorentz curve and the Gini coefficient,as well as multidimensional space statistics were applied.Combining with the land-use transition matrix,the adjacency matrix in landscape ecology was introduced into land-use change research,and the tendency model of land-use type conversion was established to describe the succession characteristics of the ecological system.The results showed that the forest and farmland in the reservoir area were the predominant ecosystem types.Settlements,water-wetlands,and others were the environmental types with the largest transformation and dramatic change.The effects on various types of the ecosystem by human activities were larger than those by nat-ural driving forces such as climate changes,but the intensity of the anthropological influences exhibited a tendency decreasing with time.The ecosystem succession was closely related to the construction and management of the hydraulic water project.The land-use type conversion model developed in this study was showed to effectively explore the spatial patterns,the mechanisms,and the driven forces of the ecosystem changes.This knowledge can deepen our understanding on the roles and effects of human activities in the regional ecosystem changes,and reduce the uncertainty in forecasting the changes.The results provide a reference for sustainable development and environmental protection of land use and planning in the Three Gorges Reservoir area.

Three Gorges Reservoir area;ecosystem;spatial and temporal distribution;succession;co-occurrence matrix

X171

A

2096-2347（2017）04-0001-09

10.19478/j.cnki.2096-2347.2017.04.01

2017-08-21

国家自然科学基金 （51479222，51109138）；水利部公益性行业科研专项经费 （201301002，201501041）

吴凯 （1991-）男，河南驻马店人，博士研究生，主要从事生态水文及 “3S”技术应用研究。E-mail:kwu@nhri.cn

学术编辑：朱金山