长江经济带生态系统健康评估及时空变化特征

喻志强，曹 浩，王正勇，程卫帅

(1. 长江水利委员会长江科学院， 湖北 武汉 430010； 2. 湖北省襄阳市水文水资源勘测局，湖北 襄阳 441003)

随着经济的快速发展和人口的剧烈增长，生态环境和生态安全问题日益凸显，如森林、灌丛、草地和湿地自然生态空间不断减少，难以维系人类经济社会可持续发展[1]。评估生态系统健康状况并识别生态问题突出的区域，有助于保障生态安全和提高资源管理水平[2]。当前用于生态系统健康评估的方法多是在建立指标体系的基础上，采用层次分析法[3]、模糊数学法[4]、集对分析法[5]等方法进行生态系统健康状况的综合评价，这类方法的优势在于能充分考虑影响生态系统健康因素的多样性和复杂性，可针对区域特点制定适宜的生态系统健康评价指标体系，但在指标选取上，却存在一定的主观性，需遵循一定的规则。由Costanza等提出的“活力-组织力-恢复力”经典指标体系（VOR）于1999年被国际生态系统健康大会确定为生态系统健康诊断指标[5]，并得到了广泛应用[6-9]。在该指标基础上，对其进行改进和完善的研究也不断涌现，如引入反映植物-土壤-大气界面过程的因子[10]、表征生态系统贡献力的生态系统服务功能价值等[11-12]。

长江经济带作为我国综合实力最强、战略支撑作用最大的区域之一，其生态系统健康是支撑我国经济社会可持续发展的重要基础。《长江经济带发展规划》提出要将其打造成为我国生态文明建设的先行示范带。此外，有效保护长江经济带生态环境，既是支撑区域经济发展的需求，也是维护区域生态安全、提升长江经济带生态文明建设水平的要求。为保护长江经济带生态环境，要将优化空间格局、构建空间治理体系作为重要策略，该策略制定的前提，在于系统辨识当前长江经济带生态系统健康状况，从而为空间布局的调整提供科学导向。因此，本研究以长江经济带为研究区，以“活力-组织力-恢复力-贡献力”为评估框架[13]，构建长江经济带生态系统健康评估模型，判别长江经济带生态系统健康空间格局，分析生态系统健康动态变化特征，并识别影响生态系统健康的主导因子。

1 研究区概况

长江经济带东起长江三角洲，西至横断山地，横跨我国11个省市（图1），连接成川渝城市群、长江中游城市群和长江三角洲城市群，总面积约205万km2。2018年，长江经济带经济总量达40.3万亿元，占全国总量的44.1%；新型城镇化步伐加快，常驻人口城镇化率达到59.5%[14]。长江经济带在我国经济发展中具有重要的战略地位，然而，由于长江经济带部分地区在经济快速发展时的粗放式管理，导致该地区经济发展与环境保护之间矛盾日益突出，给生态文明建设带来了巨大压力，地区生态安全问题亟待解决。

图1 长江经济带地理位置Fig. 1 Location of Yangtze River Economic Belt

2 资料与方法

2.1 数据来源

净初级生产力（net primary productirity, NPP）数据源于全球变化科学研究数据出版系统所提供的中国陆地生态系统逐月净初级生产力1 km栅格数据集（http:∥www.geodoi.ac.cn/）。该产品系列长度为1985—2015年，以气象数据、土壤质地数据、土地覆被和植被指数数据为基础，通过Carnegie-Ames-Stanford Approach（CASA）模型模拟得到。本次研究在ArcGIS 10.2平台上，经裁剪、按月累加得到年尺度的长江经济带NPP数据（图2）。

土地利用数据源于中国科学院资源环境科学数据中心提供的中国多时期土地利用/土地覆被遥感监测数据集（http:∥www.resdc.cn/）。该产品空间分辨率为1 km，是以美国陆地卫星Landsat遥感影像数据作为主信息源，通过人工目视解译获取的。同样在ArcGIS 10.2平台上裁剪得到长江经济带土地利用空间分布图（图 3）。

图3 长江经济带土地利用类型空间分布Fig. 3 Distribution of land-use in types Yangtze River Economic Belt

2.2 生态系统健康评估方法

本研究以“活力（Vigor）-组织力（Organization）-恢复力（Resilience）-贡献力（Contribution）”为评估框架[13]，构建长江经济带生态系统健康评估模型：

式中：REHI为生态系统健康指数；V、O、R和C分别表示活力、组织力、恢复力和贡献力。各准则层对应的指标如图4所示，对应指标层计算方式如下：

图4 长江经济带生态系统健康评估指标体系Fig. 4 Ecosystem health assessment system of the Yangtze River Economic Belt

（1）活力评估。生态系统的活力表示其代谢能力，是生态系统功能的重要体现。相关研究表明，净初级生产力（NPP）是初级生产者为生态系统其他组分提供的全部能量，也是量化生态系统物质流、能量流的有效指标。因此，本次研究采用净初级生产力来评估研究区生态系统活力[15]。

（2）组织力评估。生态系统的组织力体现为其结构稳定性，受景观异质性和景观连通性的影响。参考Frondoni等的研究[16]，通过如下公式计算：

式中：A表示景观连通性；B表示景观异质性；D表示重要土地利用类型（森林、湿地）的连通性；F表示分形维数分布的加权平均值；J表示整体景观的聚集度；J1和J2分别表示森林和湿地的聚集度；S和M分别表示Shannon多样性指数和修正Simpson多样性指数；T表示蔓延度；H1和H2分别表示森林和湿地的斑块凝聚度指数。上述景观指数均可通过FRAGSTATS 4.2平台获取。

（3）恢复力评估。生态系统恢复力是指生态系统在受到外部干扰后恢复其原有结构和功能的能力。土地利用类型越接近自然生态系统，其恢复力越强。Peng等提出了不同土地利用类型的恢复力系数[11-12]，可用于本研究生态系统恢复力评估（图5）。

图5 不同土地利用类型的恢复力系数Fig. 5 Resilience coefficient of different land use types

（4）贡献力评估。贡献力可采用生态系统服务价值来定量表征。本研究采用谢高地等提出的单位面积生态系统服务价值当量系数[17]，并结合长江经济带土地利用类型空间分布图，计算研究区生态系统服务功能价值。参考刘园等[18]的研究，长江经济带当量因子可取263.25千元/km2，按照当量系数，可换算得到单位面积下不同土地利用类型各类生态系统服务价值（表1），对应的生态系统服务价值可按式（3）计算：

表1 长江经济带单位面积生态系统服务价值Tab. 1 Classification of ecosystem services and the values per unit 单位: 千元/km2

式中：ESV为生态系统服务价值；N和M分别为生态系统服务功能类型数和土地利用类型数；Vmn为单位面积下土地利用类型m的第n项服务功能价值（元/km2）；Am为土地利用类型m的面积（km2）。

3 结果与分析

3.1 长江经济带生态系统健康空间格局

长江经济带2000年和2015年生态系统健康评价结果如图6和7所示。可见，长江经济带生态系统健康空间分异格局总体呈现出北部高南部低、上游高下游低的特点。具体而言，位于上游长江以南的云南省生态健康指数相对较高，而位于下游长江以北的安徽省和江苏省生态健康指数相对较低。以2015年为例，云南省生态系统健康指数空间均值为0.516，其次为江西省和湖南省，生态系统健康指数空间均值分别为0.494和0.489，安徽省和江苏省生态系统健康指数相对较低，其空间均值分别为0.356和0.253。川渝城市群、中游城市群和长三角城市群生态系统健康指数明显低于周边其他地区。上述生态系统健康空间格局形成的原因主要是由于四川盆地、江汉平原、长江下游等粮食主产区，以及长江三角洲、江淮、长江中下游、成渝等重要经济区位于长江经济带北部或中下游地区。由于耕地和建设用地受人类扰动较大，景观连通性差、破碎度大，且恢复性和生态系统服务价值较低，因而按照本研究中的生态系统健康评估方法得到生态系统健康指数相对较低。

图6 长江经济带生态系统健康指数Fig. 6 Ecosystem health index of the Yangtze River Economic Belt

3.2 长江经济带生态系统健康动态变化特征

以县市为单元，对比2000年和2015年长江经济带生态系统健康指数概率密度和累积概率密度曲线可知，与2000年相比，2015年生态系统健康程度有较为明显的提升（图8）。具体而言，2000年生态系统健康指数小于0.40的县市占39.5%，到2015年这一比例略有降低，为36.6%；2000年生态系统健康指数大于0.50的县市占18.4%，到2015年该比例上升至28.9%，约为2000年的1.6倍。长江经济带生态系统健康指数整体增加主要是由于2000—2015年期间长江经济带生态系统活力有所增加，对比2000与2015年的NPP数据可知，2015年长江经济带NPP空间均值为377.4 gC/m2/a，相对于2000年增加了17.4%，主要是由于2000年以来，长江流域降水略微增加，气温升高明显，水热条件适宜植被生长[19]。另外，退耕还林工程实施下森林面积的增加也是NPP增加的主要因素。国家统计局（http:∥www.stats.gov.cn/）数据显示，2015年长江经济带森林面积为8 466.02万ha，相对于2004年增加了23.0%，其中造林面积为316.00万ha，是2004年的2倍。

图7 长江经济带生态系统健康指数分区统计结果Fig. 7 Ecosystem health index of different regions in Yangtze River Economic Belt

图8 长江经济带生态系统健康指数概率密度和累积概率密度Fig. 8 Probability density and cumulative probability density of ecosystem health index in the Yangtze River Economic Belt

生态系统健康指数呈现降低的县市占整个长江经济带总数的13.8%，这些县市主要位于长三角地区（图9(a)），而该地区是我国经济发达地区。因此，生态系统健康指数的降低可能与城市开发建设中的自然生态空间侵占有关。但从整个长江经济带生态指数变化来看，绝大部分县市生态系统健康程度有所提高，其中，REHI增幅超过0.01、0.02和0.03的县市分别占长江经济带总数的59.6%、38.3%和19.9%。若以生态系统健康指数0.25、0.30、0.35、0.40、0.45、0.50和0.55为临界点，将生态系统健康指数划分为8个等级（如REHI<0.25为Ⅰ级，0.25≤REHI<0.30为Ⅱ级，以此类推），2000和2015年生态系统健康等级的变化如图9(b)所示。经统计，生态系统健康等级有所提高的县市占31.9%，主要集中在贵州省、湖南省和江西省；生态系统健康等级有所减少的县市占5.9%，主要集中在江苏省和浙江省沿海地区，这主要是因为沿海地区经济社会的快速发展在一定程度上挤占了局部地区的自然生态空间，导致生态健康有所降低。

图9 长江经济带生态系统健康变化Fig. 9 Changes in ecosystem health index

3.3 长江经济带生态系统健康主导因子

以活力（V）、组织力（O）、恢复力（R）、贡献力（C）4个因子2000和2015年两期的平均值为界，划分高值与低值，根据每个因子高、低值的组合，得到14种主导类型（缺少贡献力主导类型和活力-贡献力主导类型），其空间分布特征见图10。从图10可看出，单因子主导区主要位于四川省、安徽省和江苏省，这类地区生态系统健康指数普遍偏低，三因子和四因子主导区主要位于云南省、贵州省、湖南省和江西省。

对图10的结果进行统计可知，2000年长江经济带生态系统健康以三因子主导为主，三因子主导区占研究区县市总数的28.4%，其中主要为组织力-恢复力-贡献力主导类型，占研究区县市总数的26.2%。2015年长江经济带生态系统健康以四因子主导为主，四因子主导区占研究区县市总数的41.2%，约为2000年的2倍（图11），在所有四因子主导区中，有一半以上是由原组织力-恢复力-贡献力主导区转化而来，主要是因为净初级生产力的增加使得长江经济带生态系统活力增加。

图10 长江经济带生态系统健康主导因子类型空间格局Fig. 10 Spatial pattern of dominant ecosystem health factors in the Yangtze River Economic Belt

图11 长江经济带生态系统健康主导因子类型数Fig. 11 Number of dominant factors of ecosystem health in the Yangtze River Economic Belt

4 结 语

基于“活力-组织力-恢复力（Resilience）-贡献力”框架构建了长江经济带生态系统健康评估模型，研究了长江经济带生态系统健康状况及其时空变化特征，得到如下结论：

（1）从空间上看，长江经济带生态系统健康空间分异格局总体呈现出北部高南部低、上游高下游低的特点。主要是因为北部和下游地区集中了大量的粮食产区和经济区，人为干扰较大。在长江经济带11个省市中，云南省生态系统健康程度较高，而安徽省和江苏省生态系统健康程度较低。

（2）从时间上看，与2000年相比，2015年长江经济带生态系统健康程度整体增加，局部降低。生态系统健康等级有所提高的县市占31.9%，主要集中在贵州省、湖南省和江西省，主要是因为气候整体暖湿化及退耕还林工程的开展促进了植被净初级生产力的增加，进而提高了生态系统的活力。生态系统健康等级有所减少的县市占5.9%，主要位于长三角沿海地区，主要是因为这类地区经济社会高速发展，进而导致局部生态空间被挤占。

（3）从因子主导性看，2000年长江经济带生态系统健康以三因子主导为主，三因子主导区占研究区县市总数的28.4%；2015年长江经济带生态系统健康以四因子主导为主，四因子主导区占研究区县市总数的41.2%，且大部分四因子主导区是由原组织力-恢复力-贡献力主导区转化而来。

（4）作为中国重要的经济增长极，长江经济带城市群的发展是必然趋势，发展会给生态环境保护带来新的和更大的挑战，如何协调经济发展和生态保护的矛盾是当前亟待破解的难题，其核心在于优化国土空间开发布局，在发展的同时，给生态留以空间，维系经济社会系统与生态环境系统之间的平衡关系。