豫西黄土丘陵区生态格局变化调查评价探讨

赵胜朝王福岭刘明欣徐建昭

1 河南省水土保持监测总站（450000） 2 郑州市水利建筑勘测设计院（450008）

豫西黄土丘陵区是河南省水土流失强度较大的区域之一。进入21 世纪以来，豫西黄土丘陵区在复杂而剧烈的人类活动干扰下，土地覆被情况发生了较大变化，随之带来水土保持功能的改变。目前，豫西黄土丘陵区土地覆被与水土保持功能的特征关系缺乏数据和理论支持，影响了水土保持部门准确掌握该地区的水土保持功能的动态变化情况，制约了相关应用研究，影响了水土保持措施的实施。本次基于 2010、2015、2019年遥感数据，对土地利用变化区域进行数据提取，并结合对豫西黄土丘陵区生态格局变化调查评价，以此为依据分析区域生态系统构成与格局及近年来的变化规律，开展土地覆被动态变化、转换特征及生态系统评估，以期能够准确反映区域水土保持功能服务的空间真实分布状况，为该地区水土流失综合治理提供基础数据与理论依据。

1 调查内容

结合遥感、 地面调查及生态系统定位观测数据，重点调查与评价豫西黄土丘陵区各类生态系统类型、面积、破碎化、分布及10年变化，分析各类生态系统类型之间相互转换的特征[1]。

1.1 生态系统类型分布与构成的现状评价

以2015年数据为基础，分别根据生态系统一级分类和二级分类，分析与评价豫西黄土丘陵区生态系统类型和空间分布特征，以及各类型生态系统构成和面积比例。

1.2 生态系统分布与构成的变化评价

以2010、2015 和2019年数据为基础，分别根据生态系统一级分类和二级分类，分析豫西黄土丘陵区生态系统类型与分布的变化特征。

1）剖析与评价近10年各类型生态系统空间分布的演变特点。

2）剖析与评价近10年各类型生态系统构成与面积比例的演变特点。

1.3 生态系统类型转换的特征

分别从生态系统一级分类和二级分类建立豫西黄 土 丘 陵 区 2005-2010年 、2010-2015年 、2015-2019年生态系统类型转移矩阵，分析与评价豫西黄土丘陵区生态系统类型转换特征，评价该区域各生态系统变化的结构特征、变化方向和变化强度。应用单一和综合生态系统动态度，定量评价生态系统的转换速度，揭示本区域各生态系统类型演变强度，在空间上明确生态系统类型变化的关键区域[2]。

1.4 生态系统景观格局特征分析与评价

分别以生态系统一级分类和二级分类数据为基础，分析与评价豫西黄土丘陵区2010、2015 和2019年三个时期生态系统景观格局特征，重点评价生态系统的连通性、破碎化程度及其变化趋势。

2 调查与评价指标

豫西黄土丘陵区生态系统格局调查评价指标体系，见表1。

表1 豫西黄土丘陵区生态系统格局及变化调查指标

3 数据源

利用遥感解译获取的2010、2015 和2019年三期生态系统空间分布数据，精度要求至少到二级分类水平。

4 分析与评价方法

4.1 基于一级分类的各类生态系统结构比例

计算方法为：

其中，Pij为一级分类的第i 类生态系统在第j年的面积比例，Sij为一级分类的第i 类生态系统在第j年的面积，TS评价区域总面积。

4.2 基于二级分类的各类生态系统类型结构比例

计算方法为：

其中，P'ij为二级分类的第i 类生态系统在第j年的面积比例，S'ij为二级分类的第i 类生态系统在第j年的面积，TS评价区域总面积。

4.3 生态系统类型面积变化率

计算方法：

其中，EV研究时段内某一生态系统类型的变化率，EUa/EUb：研究期初及研究期末某一种生态系统类型的数量（如可以是面积、斑块数等）。

4.4 斑块数

指评价范围内斑块的数量。计算方法为： 应用GIS 技术及景观结构解析软件FRAGSTATS3.3 解析板块数NP。

4.5 平均斑块面积

计算方法为：

其中，MPS为平均斑块面积，NP为斑块数量，TS为评价区域总面积。

4.6 类斑块平均面积

计算方法为：

其中，Ni为第 i 类景观要素的斑块总数，Aij为第i 类景观要素第j 个斑块的面积。

4.7 边界密度

计算方法为：

其中，ED为景观界线密度，Pij为景观中第i 类景观要素斑块与相邻第j 类景观要素斑块间的界线长度。

4.8 聚集度指数

计算方法为：

其中，Cmax为Pij=PiPj/i指数的最大值；n为景观中斑块类型总数，Pij为斑块类型i 与j 相邻的概率。

4.9 各生态系统类型演变趋势

计算方法为：

其中，i为研究初期生态系统类型，j为研究终期生态系统类型，aij为生态系统类型的面积，Aij为研究初期第i 种生态系统类型转化为研究末期第j种生态系统类型的比例，Bij：研究末期第j 种生态系统类型中由研究初期的第i 种生态系统类型变化而来的比例。

4.10 生态系统综合变化率

计算方法为：

其中，ECOi为监测起始时间第i 类生态系统类型面积，ECOi 根据全国生态系统类型图矢量数据在ARCGIS 平台下统计获取，△ECOi-j为监测时段内第i 类生态系统类型转为非i 类生态系统类型面积的绝对值，△ECOi-j依据生态系统转移矩阵模型获得。

4.11 类型相互转化强度（土地覆被转类指数）

反应土地覆被类型在特定时间内演变的总体趋势。

计算方法为：

LCCIij值为正，表明此调查区整体上土地覆被类型转好；LCCIij值为负，表明此研究区整体上土地覆被类型转差。

其中，LCCIij为某调查区土地覆被转类指数，i为调查区，j为土地覆被类型j=1，2…n，Aij为某调查区土地覆被一次转类的面积，Da为转类前级别，Db为转类后级别。

5 技术路线

根据生态系统土地覆盖分类系统，提取各种生态系统空间结构分布信息，得到豫西黄土丘陵区生态系统类型与空间分布、各类生态系统构成。通过面积单元统计、动态度计算、转移矩阵和景观格局指数等指标和计算方法，解析该区域各生态系统类型的分布、结构及其10年演变，生态系统类型转换时空变化特点，各生态系统内部结构特点及其10年变化，生态系统景观格局特征[3]。评价流程如图1所示。

图1 河南省生态系统格局及其10年变化技术流程图

6 结语

以豫西黄土丘陵地区为调查区域，基于河南省Landsat TM 多光谱数据，利用遥感和地理信息系统，土壤侵蚀模型USLE 等手段，针对该区域近15年来的水土保持综合治理措施收到的成效、存在的不足及生态格局的变化，对2010-2019年水土保持功能及其变化进行定量评价，以期得到能够准确反映区域生态系统服务的空间真实分布状况，揭示土地覆被类型、质量等因素下的水土保持功能的变化趋势，得出研究区域土地覆被变化与水土保持效果响应关系，并为该地区水生态文明建设和乡村振兴战略实施提供科学决策的依据。