长江大保护5年来流域土地利用和生态系统服务变化

王德旺，何萍，徐杰，王佳文

国家环境保护区域生态过程与功能评估重点实验室, 中国环境科学研究院

2016年1 月，习近平总书记在重庆召开推动长江经济带发展座谈会时指出，“当前和今后相当长一个时期，要把修复长江生态环境摆在压倒性位置，共抓大保护，不搞大开发”，党中央这一重大决策拉开了长江大保护的序幕。党中央和各部委陆续出台一系列政策，采取多方位行动，推动长江流域“生态优先、绿色发展”。2016年2月国家发展和改革委员会、原国家林业局发布《关于加强长江经济带造林绿化的指导意见》，2016年3月中共中央政治局审议通过《长江经济带发展规划纲要》，2016年9月水利部、原国土资源部联合印发《长江岸线保护和开发利用总体规划》，2017年7月原环境保护部、国家发展和改革委员会、水利部联合发布《长江经济带生态环境保护规划》，2019年1月生态环境部、国家发展和改革委员会联合发布《长江保护修复攻坚战行动计划》，2020年12月《中华人民共和国长江保护法》出台。在这些政策推动下，5年里，长江流域防护林体系建设、长江干流岸线保护和非法码头整治、山水林田湖草生态保护修复工程9个试点、长江经济带11个省（市）生态保护红线划定和“三线一单”编制等工作都顺利开展。

为深入了解长江大保护战略实施5年来生态环境保护所取得的成效，笔者采用2010年、2015年和2020年3个时相的遥感解译土地利用数据，以长江流域及其重要保护区域和主要河湖的岸线缓冲区为研究主体，对比前后5年土地利用面积、格局、质量以及生态系统服务的变化，评估流域生态系统变化的趋势。

1 研究区概况

长江流域指长江干流、支流和湖泊形成的集水区域，共涉及19个省（自治区、直辖市），956个县（区、县级市），总面积约180万km2，占我国国土面积的18.83%[1]。流域地势西高东低，呈三级阶梯，海拔跨度7 143 m，包含山地、高原、盆地、丘陵和平原等地貌。流域面积1万km2以上的支流（主要河流）有雅砻江、岷江、大渡河、嘉陵江、乌江、汉江、沅江、湘江和赣江等49条；大型湖泊（主要湖泊）有洞庭湖、鄱阳湖、太湖、巢湖、洪湖、滇池等6个。

长江干流沿岸约分布有60个港口城市，港口水运中心有重庆、武汉、长沙、南昌、芜湖和上海等。长江流域有成渝、黔中、滇中、长江中游、江淮和长江三角洲6个国家城市化战略城市群。2020年流域总人口为8.26亿人，占全国的58.50%；GDP为58.69万亿元，占全国的57.77%，是我国的经济重心，其中长江三角洲地区是我国经济最发达的区域之一[2]。

2 数据与方法

2.1 数据来源

土地利用数据来自中国科学院资源环境科学数据中心（http://www.resdc.cn/）中国多时期土地利用/土地覆被遥感监测数据库，分为6个一级类型（耕地、林地、草地、湿地、建设用地和未利用地）和30个二级类型，空间分辨率分别为100 m（2010年和2015年）和30 m（2020年），为便于数据比较，在ArcMap10.2软件中选用立体卷积法对栅格重采样分辨率统一为100 m[3-5]。

重要保护区域包括国家重点生态功能区、国家重要生态功能区、全国生物多样性优先保护区域和国家级自然保护区4种类型。空间边界分别来自2011年全国主体功能区规划数据集[6]及2016年新增名录数据[7]、2015年全国生态功能区划数据集[8]、2015年原环境保护部的中国生物多样性保护优先区域范围数据集[9]、2018年中国科学院资源环境科学数据中心的全国自然保护区边界数据。

河湖缓冲区范围界定是以长江流域主要河湖岸线边界为基准，在ArcMap10.2软件中采用Buffer工具按照1、3、5 km划分梯度[10]，依次生成0～1、1～3、3～5 km的河湖缓冲区。

港口码头以2009年第二次国土资源调查数据的土地利用分类[11]为基础，使用Bigemap软件下载长江流域主要河湖5 km缓冲区范围的高清遥感影像，在ArcMap10.2软件中对港口码头进行补绘或删减，并区分港口库场、码头等港口设施[12]，更新得到2015年和2020年港口码头地类分布数据。

植被指数数据来自中国科学院资源环境科学数据中心的中国生长季植被指数（NDVI）空间分布数据集，数据格式为Arcgis Grid，空间分辨率为1 km。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用变化分析

土地利用动态度（K）表示研究区一定时期内某种土地利用类型的数量变化[13]，计算公式如下：

式中Ua、Ub分别为研究初期和研究末期该土地利用类型的面积，km2。

生态系统综合动态度（EC）表示研究区生态系统类型变化的剧烈程度，可识别生态系统类型变化的热点区域[14]，计算公式如下：

式中：ECOi为研究初期第i类生态系统类型面积，km2；△ECOi-j为研究末期第i类生态系统类型转为其他生态系统类型面积的绝对值，km2。

生态用地变化指数（RA）表示研究区森林、草地、湿地等自然生态系统面积变化[15]，计算公式如下：

式中：A和A'分别为森林、草地、湿地等自然生态系统在研究初期和末期的面积，km2。

开发干扰指数（EDI）表示人类活动对生态系统的胁迫程度。干扰指数越大，表明人类活动对生态系统的胁迫程度越大[15]，计算公式如下：

式中：Sm为第m类生态系统（主要包括林地、草地、湿地、耕地和未利用地等自然或半自然生态系统）进行改造或开发建设的面积，km2；k为改造或开发建设的地类数量；S为研究区面积，km2。

2.2.2 植被覆盖度

植被覆盖度（VC）指森林、草地、湿地等植被覆盖区（不含耕地）生长季平均植被覆盖度，基于归一化植被指数（NDVI）运用像元二分模型来估算[16]，计算公式如下：

式中：NDVIsoil为纯裸地像元的NDVI，取累计频率为5%的NDVI；NDVIveg为纯植被像元的NDVI，取累计频率为95%的NDVI（表1）。

表1 NDVIsoil和NDVIveg在本研究的取值Table 1 Values of NDVIsoil and NDVIveg in this study

2.2.3 生态系统服务

生态系统服务综合当量（E）：分别将Costanza和TEEB的生态服务单价、谢高地的生态服务价值当量、Brown的能值密度、InVEST模型的栖息地生境质量中的农田取值折算为基准当量1，求得其他生态系统类型的相对当量；对5组相对当量综合比较后发现，谢高地组基本符合中位数原则，故以此作为每种生态系统类型的相对当量（表2）。

表2 生态系统服务相对当量比较Table 2 Comparison of relative equivalence of ecosystem service

式中Ai、Wi分别为第i类生态系统的面积和相对当量。

3 结果与分析

3.1 土地利用变化

3.1.1 流域土地利用构成与变化

长江流域有耕地、林地、草地、湿地、建设用地和未利用地6种土地利用类型，共计178.30万km2（表3）。

表3 长江流域土地利用结构面积及占比Table 3 Land use structure and area proportion in the YRB

从2020年土地利用构成和分布看（图1），长江流域以林地为主，面积占比为41.23%，以金沙江流域、岷江流域、嘉陵江流域上游最为集中，中下游一些支流的上游山区林地也较多；其次是耕地和草地，面积占比分别为26.78%和23.04%，其中，耕地主要分布在四川盆地、洞庭湖平原、江汉平原、南阳盆地、肥东平原及长江中下游平原，草地主要分布在长江源头和川西高原；另外，建设用地面积占比为3.01%，主要分布在河湖沿岸，以成都、重庆、武汉、合肥及长江三角洲的建设用地分布最为密集。

图1 2020年长江流域土地利用类型空间分布Fig.1 Spatial distribution of land use types in the YRB in 2020

从土地利用变幅看，后5年建设用地、湿地、林地和未利用地分别增加了 3.04×103、6.40×102、2.36×102和 1.18×102km2，耕地、草地分别减少了2.03×103和 2.00×103km2；而前 5 年建设用地、湿地和林地分别增加了 1.52×104、2.20×103和 6.31×103km2，耕地、草地和未利用地分别减少了1.14×104、2.56×103和 9.77×103km2。从土地利用动态度看，后5年建设用地、湿地、林地和未利用地分别升高了6.02%、1.12%、0.03%和0.25%，耕地、草地分别降低了0.42%和0.48%；而前5年建设用地、湿地、林地和分别升高了42.97%、4.00%和0.87%，耕地、草地和未利用地分别降低了2.32%、0.62%和16.91%（图2）。综合来看，土地利用变幅和动态度都以前5年为主[22]，其中草地在2个时期变化接近，土地利用变幅和动态度都趋于平缓。

图2 长江流域土地利用变幅与动态度Fig.2 Range and dynamic degree of land use changes in the YRB

在ArcMap10.2软件中对地类图斑面积进行空间计算和统计后，按照上述公式在Excel软件中计算相应指数。后5年和前5年相比，生态系统类型间总转化面积分别为 1.00×105和 2.44×105km2，EC 分别为5.63%和13.66%，表明生态系统类型间转化程度减缓；生态用地分别有减少和增加趋势，减少和增加的面积分别为 1.13×103和 5.95×103km2，RA分别为-0.09%和0.50%，表明生态用地总体增加，生态用地面积变化率减缓；建设用地分别增加3.04×103和1.52×104km2，EDI分别为 0.17% 和 0.85%，表明开发干扰程度减缓。

从转化方式看，长江流域土地利用变化主要表现为耕地和林草地（林地+草地，合并计算）转为建设用地以及未利用地转化为草地，3种转化的面积分别为 2.06×104、5.52×103和 1.48×104km2。其中，2015—2020年耕地和林草地转为建设用地、林草地转为湿地的现象突出，转化面积分别为8.09×103、2.01×103和2.27×103km2。土地利用变化主要发生区域共11处（表4、图3），主要原因是城市扩张和水库建设等。如甘孜州乡城县正斗光伏电站建设[23]，金沙江下游乌东德水电站建设[24]，乌江上游平寨水库建设[25]，成都（成渝地区）、昭通、昆明（滇中地区）、贵阳（黔中地区）、长沙（长江中游地区）、合肥（江淮地区）、滁州、上海（长江三角洲地区）等地城市开发建设。

图3 2015—2020年长江流域土地利用主要转化区域Fig.3 Key transformed areas of land use in the YRB from 2015 to 2020

表4 2015—2020年土地利用主要转化方式的发生区域Table 4 Occurrence regions of the main transformation modes of land use from 2015 to 2020

3.1.2 重要保护区域的土地利用变化

长江流域重要保护区域中重点生态功能区、重要生态功能区、生物多样性优先保护区、自然保护区的面积分别为 9.24×105、1.18×106、5.39×105和3.10×105km2。4类区域中建设用地扩张明显，主要来自耕地和林草地（图4）。后5年与前5年相比，4类区域耕地转为建设用地的变化率依次为1.58%降至0.60%、1.80%降至0.83%、1.45%降至0.60%和2.87%降至1.44%；林草地转为建设用地的变化率依次为0.15%降至0.06%、0.19%降至0.08%、0.12%降至0.05%和0.14%降至0.05%。分析表明，上述区域的土地利用变幅显著下降，变化趋于平缓。

图4 长江流域重要保护区域建设用地扩张变化及主要来源Fig.4 Expansion changes and main sources of construction land in important protected areas of the YRB

3.1.3 主要河湖缓冲区土地利用变化

（1） 总体变化

后5年与前5年相比，主要河湖缓冲区内各类生态系统变化程度明显下降，林草地、湿地、耕地、建设用地和未利用地转化面积分别下降了32.35%、70.40%、79.88%、78.00% 和97.70%（表5）。其中，2015—2020年林草地和耕地面积分别减少了390.71和711.96 km2，湿地、建设用地和未利用地面积分别增加了135.61、950.78和15.28 km2；而前5年林草地、耕地和未利用地分别减少了577.58、3 538.96和663.84 km2，湿地和建设用地面积分别增加了458.17 和 4 322.20 km2。

表5 长江流域主要河湖缓冲区土地利用面积变化Table 5 Changes of land use in the buffer zones of key rivers and lakes in the YRB km2

0～1、1～3、3～5 km的主要河湖缓冲区，耕地和建设用地变化规律一致，耕地面积持续减少而建设用地持续增加；林草地和未利用地基本处于减少趋势；而湿地在2个时段和各缓冲区无明显变化规律。总体上，林草地、耕地和未利用地面积处于减少趋势，湿地和建设用地处于增加趋势。

（2） 港口码头变化

长江流域港口码头数量和面积前5年增幅较大，后5年逆转减少（表6）。2010年、2015年和2020年数量分别为2 022、2 846、2 499个，面积分别为 70.36、144.81 和 117.04 km2。

表6 长江流域河湖滨岸带港口码头变化Table 6 Changes of ports and wharfs on the river and lake coastal zone of the YRB

港口码头主要集中在长江三角洲的长江下游（湖口—入海口）和太湖2个区域。这2个子流域的港口码头数量在2015—2020年共减少117个，占减少总数的33.72%；而2010—2015年共增加523个，占增加总数的31.06%。

3.2 植被覆盖度变化

2000—2010 年长江流域生长季植被覆盖度持续下降，由0.62降至0.61；2010—2020年呈相反趋势，由0.61升至0.67。这显示了长江流域生态系统质量由变差到变好的波动历程（图5）。

图5 长江流域生长季植被覆盖度变化Fig.5 Changes of vegetation coverage in growing season in the YRB

采用等间隔分类法将植被覆盖度由低到高分成0～0.2（低）、0.2～0.4（较低）、0.4～0.6（中等）、0.6～0.8（较高）、0.8～1.0（高）共 5 个等级。2020年长江流域植被覆盖度以高等级为主，占比为49.18%；其次是较高和低等级，占比分别为18.75%和17.61%（表7）。其中，2010—2015年高和低等级植被覆盖度面积分别增加了21.84%和11.04%，其他等级面积都有所减少；而后5年除高等级植被覆盖度面积增加了7.92%，其他等级面积都有所减少。总体上，低等级面积呈波动变化，较低、中等和较高等级面积持续减少，高等级面积持续升高。

表7 长江流域植被覆盖度分等级面积、占比与变化率Table 7 Graded area, proportion and change rate of vegetation coverage in the YRB

从空间分布看，长江流域生长季植被覆盖度为中等以下等级的区域主要分布在沱沱河流域、金沙江流域上游、岷沱江流域上游、长江中下游的干流沿岸以及洞庭湖和鄱阳湖的周边；其余区域主要为较高或高等级（图6）。

图6 2020年长江流域植被覆盖度空间分布Fig.6 Spatial distribution of vegetation coverage in the YRB in 2020

从空间变化看，2010—2015年，金沙江流域北部、岷沱江流域上游、乌江流域上游、鄱阳湖周边生长季植被覆盖度明显降低（≤-5%），金沙江流域南部、洞庭湖流域南部生长季植被覆盖度明显升高（>5%），沱沱河流域等地生长季植被覆盖度基本不变（-5%～5%）。而后5年金沙江流域上游、岷沱江流域上游和长江中下游干流沿岸明显降低（≤-5%），金沙江流域下游、岷沱江流域中游、嘉陵江流域上游、洞庭湖流域南部明显升高（>5%），沱沱河流域生长季植被覆盖度基本不变（-5%～5%）（图7）。

图7 长江流域生长季植被覆盖度空间变化Fig.7 Spatial variation of vegetation coverage of growing season in the YRB

3.3 生态系统服务变化

根据土地利用构成情况测算，2010年、2015年、2020年长江流域生态系统服务综合当量分别为2.27、2.28和2.28，前5年略有升高，后5年基本稳定。

从空间变化看，2015—2020年生态系统服务综合当量升高的区域主要有乌江流域下游、江汉平原等地，下降的区域主要是长江中下游平原。而2010—2015年生态系统服务综合当量升高的区域主要有金沙江流域上游、岷江流域上游、四川盆地、乌江流域下游等地；下降的区域主要有重庆市、洞庭湖平原、长江中下游平原（图8）。

图8 长江流域生态系统服务综合当量变化Fig.8 Changes of comprehensive equivalent for ecosystem service in the YRB

4 讨论

通过分析2010年、2015年和2020年长江流域土地利用、生态系统质量和生态系统服务的空间分布及变化，从全流域、重要保护区域以及河湖滨岸带3个空间维度对比前后2个5年期内的变化趋势，揭示长江流域实施大保护5年以来取得的成效。

“十二五”时期是生态环境显著好转与动态变化并存的时期。一方面，生态文明建设和生态修复工程取得显著成效，生态用地变化率和开发干扰指数都呈降低趋势，高质量的生态用地得到保护。据统计，2000—2015年长江流域因生态保护工程增加的森林、灌丛与草地面积达2.0×104km2，植被覆盖度提升2.4%[26]。另一方面，这一时期以土地开发为主的经济发展模式惯性依然很大，全流域、重要保护区域和河湖滨岸带的土地利用动态变幅较大[27]。河湖滨岸带港口码头主要分布在下游的太湖和入海口，其数量和面积俱增但是增速下降。

“十三五”时期实施长江大保护战略后，流域生态系统综合动态度显著下降，高植被覆盖度区域面积持续增加，河湖滨岸带码头建设扩张趋势得到逆转，流域生态系统服务总体呈现平稳改善趋势。这些是长江流域持续开展防护林体系建设，河湖滨岸带开展港口码头整治以及拆违、复绿[28-30]等工作取得的成果。但是，一些城市的周边建设用地面积仍在扩增，这与所在区域的城市化进程有关。河湖滨岸带呈现耕地面积减少、建设用地和湿地面积增加的趋势，表明退耕还湿和建设扩张2种情形并存。

5 结语

长江大保护战略实施5年来，沿江省（市）在绿色高质量发展的同时生态保护初见成效。长江是长江经济带发展、长三角一体化发展等国家战略的重要依托。建议以流域为自然单元，统筹监管山水林田湖草等生态要素，统筹解决上下游、左右岸、干支流、河湖的生态问题，严格落实流域相关法规政策，优化国土开发布局，提升土地资源利用效率，持续开展重点区域的生态监测，有序推进退耕还林还湿等生态工程，以确保中华民族的摇篮永葆生机。