当前, 随着全球变化研究的深入, 人们越来越认识到, 人类活动作为主导因素所导致的土地利用与土地覆盖变化(LUCC)在全球环境变化过程中占据着十分重要的地位。多时空尺度LUCC过程及其引起的生态、气候效应等研究受到了国内外研究人员和专家学者的广泛关注^[1-3]。遥感技术的发展从根本上改变了人们研究LUCC和人类活动影响的能力, 使得大尺度、长时间序列的LUCC研究成为可能。自20世纪90年代以来, 遥感与GIS技术在我国LUCC研究中得到了广泛应用, 研究方向主要集中在LUCC现状及变化、模型模拟、驱动力分析和环境效应等方面^[4-7]。就长江经济带而言, 研究方向主要集中在土地利用时空格局、区域空间结构演化以及城镇化时空格局及其驱动力等方面^[8-10]。

长江经济带覆盖全国11个省(市), 面积占国土面积的21%, 人口和生产总值均超过全国的40%, 是我国经济重心之所在, 也是连接丝绸之路经济带和21世纪海上丝绸之路的重要纽带^[11-12]。该区是我国乃至全球生物多样性的热点地区之一, 野生动植物资源极其丰富, 生物多样性表现显著, 是我国众多珍稀濒危野生动植物的重要栖息繁衍场所。由于人口密度大、开发强度高等原因, 长江经济带面临着森林质量不高、林地生产力低下、森林面积减小、湿地面积萎缩、生态系统退化和生物多样性减少等严峻问题, 已成为经济社会可持续发展的重大制约瓶颈, 长江经济带的森林和自然生态保护亟待加强^[13-15]。推动长江经济带发展, 是党中央、国务院主动适应把握引领经济发展新常态、科学谋划中国经济新棋局作出的既利当前又惠长远的重大决策部署。2016年年初, 习近平总书记主持召开座谈会, 强调“共抓大保护、不搞大开发”, 明确了长江经济带发展的目标导向。开展长江经济带长时间序列高精度LUCC遥感监测, 揭示LUCC变化规律与机制, 对研究生态系统空间格局与宏观结构特征具有重要意义。笔者从生态系统转类途径和幅度与生态系统类型变化动态度2个方面分析长江经济带近15 a来生态系统宏观结构的时空变化特征, 从而获得对该地区生态系统宏观结构现状及其变化过程全面客观的认识。

1 数据与方法 1.1 研究区概况

长江经济带(21°08′45″~34°56′47″ N, 97°31′50″~121°53′23″ E)覆盖上海、江苏、浙江、安徽、江西、湖北、湖南、重庆、四川、云南和贵州11个省(市), 面积约为205万km²。该区域地处热带、亚热带向暖温带过渡地带, 生态系统类型完备且独特, 野生动植物资源极其丰富。该区地域辽阔, 地形复杂, 河流、湖泊和沼泽等湿地资源密集分布, 长江及其主要支流是三峡水库、丹江口水库、洞庭湖、鄱阳湖、洪湖、巢湖、太湖、滇池、洱海和草海等众多湖泊水库湿地的重要源头和水源涵养区。境内自然地理单元包括云贵高原、秦巴山地、四川盆地、川江干流区、长江中下游干流区、洞庭湖水系、鄱阳湖水系、大别山区、江南丘陵和黄淮平原等。

1.2 数据基础

所采用的2000、2010和2015年生态系统宏观结构数据由中国科学院资源环境科学数据中心提供。该数据以刘纪远等^[16-17]提出的基于遥感监测的中国土地利用/土地覆被分类体系为基础, 以各期Landsat TM/ETM遥感影像为主要数据源, 通过人机交互的解译方式生成1:10万比例尺土地利用/土地覆盖数据; 结合对各类生态系统类型的辨识和研究, 经过分类处理形成多期生态系统类型空间分布数据集, 共计6个一级类型(森林、草地、农田、水体与湿地、聚落、荒漠及其他)和25个二级类型(表 1)。经验证, 土地利用一级类型综合评价精度达94.3%以上, 二级类型分类综合精度达91.2%以上。

1.3 研究方法 1.3.1 生态系统转类面积

生态系统的变化除了不同生态系统类型面积的增减之外, 还表现为不同生态系统类型之间的相互转换。转类面积作为反映生态系统现状及其变化规律的最基本和最重要的指标之一, 可以通过生态系统类型转移矩阵进行表达。转移矩阵中对角线一般表示生态系统类型内部之间的面积变化, 而行表示转出的生态系统类型面积, 列表示转入的生态系统类型面积, 行列相结合则对应由行表示的生态系统类型转换为由列表示的转入生态系统类型的净面积。通过生态系统类型转移矩阵, 不仅可以揭示生态系统类型面积的变化, 而且可以追踪发生变化的生态系统类型的轨迹。

1.3.2 生态系统类型变化动态度

生态系统类型变化速度的区域差异可以通过生态系统类型动态度模型进行度量, 它既可以表征单一生态系统类型的时序变化, 也可对区域生态系统类型的总体状况及其区域分异进行分析。

单一生态系统类型变化动态度(变化速率)模型用于刻画某研究区一定时间范围内某一生态系统类型的数量变化情况^[18], 表达式为

$ K = \frac{{{U_{\rm{b}}} - {U_{\rm{a}}}}}{{{U_{\rm{a}}}}} \times \frac{1}{T} \times 100\%。$

(1)

式(1)中, K为研究时段内某一生态系统类型变化动态度, %; U_a、U_b分别为研究期初和研究期末该生态系统类型面积, km²; T为研究时段长, 当T时段设定为年时, K值就是研究区该生态系统类型年变化动态度, %·a^-1。

综合生态系统类型变化动态度反映研究区各生态系统类型的整体变化速率情况, 模型表达式为

$ S = \left\{ {\sum\limits_{i = 1}^n {(\Delta {S_i}/{S_i})} } \right\} \times \left( {1/t} \right) \times 100\% 。$

(2)

式(2)中, S_i为监测开始时间第i类生态系统类型面积, km²; ΔS_i为由监测开始至监测结束时段内第i类生态系统类型转变为其他生态系统类型面积的总和, km²; t为时间段; S为与t时段对应的研究区综合生态系统类型变化动态度, 如t用年表示, 则S即为生态系统类型的年变化动态度, %·a^-1。

2 结果与分析 2.1 生态系统宏观结构现状

长江经济带2015年生态系统类型面积从大到小依次为森林、农田、草地、聚落、水体与湿地、荒漠及其他。森林生态系统面积为93.67万km², 占该区总面积的45.96%, 主要分布在浙江、湖南、江西、云南和贵州等地; 草地生态系统面积为33.79万km², 占比为16.58%, 主要分布在四川西北部地区; 农田生态系统面积为61.77万km², 占比为30.31%, 主要分布在四川盆地和江淮平原; 水体与湿地生态系统面积为6.24万km², 占比为3.06%, 主要分布在江苏、安徽和湖北等地; 聚落生态系统面积为6.70万km², 占比为3.29%, 主要分布在长三角城市群、长江中游城镇群和成渝城镇群; 荒漠及其他生态系统面积为1.64万km², 占比为0.80%, 主要分布在四川局部地区。

2.2 生态系统转类途径与幅度

2000—2010年时段内, 长江经济带生态系统主要表现为农田和草地生态系统面积减少, 森林、水体与湿地、聚落生态系统面积增加(表 2)。农田转为森林、草地、水体与湿地、聚落生态系统的面积分别为1 903、726、1 859和8 660 km², 10 a间农田生态系统面积净减少11 498 km²。森林、草地、水体与湿地转为聚落生态系统的面积分别为1 006、182和233 km², 10 a间聚落生态系统面积净增加9 996 km²。森林生态系统面积净增加1 550 km², 草地生态系统面积净减少1 882 km², 水体与湿地生态系统面积净增加1 749 km²。

2010—2015年时段内, 长江经济带生态系统主要表现为农田、森林和草地生态系统面积减少, 水体与湿地、聚落生态系统面积增加(表 3)。农田转为森林、草地、水体与湿地、聚落生态系统的面积分别为447、128、906和7 657 km², 5 a间农田生态系统面积净减少8 066 km²。森林、草地、水体与湿地转为聚落生态系统的面积分别为2 255、618和280 km², 5 a间聚落生态系统面积净增加10 185 km², 高于2000—2010年。森林生态系统面积净减少2 781 km², 草地生态系统面积净减少350 km², 水体与湿地生态系统面积净增加985 km²。

2.3 生态系统变化速率的时空特征

2000—2010年, 长江经济带综合生态系统类型变化动态度为0.49%·a^-1; 2010—2015年, 综合生态系统类型年变化动态度为0.75%, 比2000—2010年增加0.26百分点。从各生态系统类型变化的动态度(表 4)来看, 2000—2010年, 聚落生态系统的变化比其他生态系统明显, 动态度为1.94%·a^-1; 其次为水体与湿地生态系统, 动态度为0.27%·a^-1; 森林生态系统变化缓慢, 动态度为0.02%·a^-1。2010—2015年, 聚落生态系统的变化亦比其他生态系统明显, 动态度为2.99%·a^-1; 其次为水体与湿地生态系统, 动态度为0.27%·a^-1; 草地生态系统变化缓慢, 动态度为-0.02%·a^-1。与前10 a相比, 后5 a草地、荒漠及其他生态系统变化趋缓, 水体与湿地变化速率持平, 农田、森林、聚落生态系统变化增强, 尤其是聚落生态系统。从聚落生态系统的3个二级类型(图 1)来看, 城镇用地与农村居民点的变化趋于缓慢, 而其他建设用地的变化较为剧烈, 这在一定程度上反映了建设用地扩张对生态环境的干扰正在逐步增强。

从分省(市)生态系统类型变化的动态度来看, 2个时段内农田生态系统动态度均小于0, 除江苏、上海和浙江外, 其余8个省(市)2010—2015年农田生态系统的变化强度均高于2000—2010年。2000—2010年, 重庆和贵州森林生态系统、水体与湿地生态系统的变化强度略高于其他省(市), 重庆和贵州森林生态系统动态度分别为0.15%·a^-1和0.12%·a^-1, 水体与湿地生态系统动态度分别为1.10%·a^-1和1.50%·a^-1。2000—2010年聚落生态系统的变化强度较剧烈, 均高于其他生态系统类型, 尤其是重庆、浙江和上海, 动态度分别为7.04%·a^-1、6.84%·a^-1和4.30%·a^-1。2010—2015年, 综合生态系统类型变化动态度高于2000—2010年, 可见长江经济带主要生态系统的变化正在逐渐增强, 尤其是聚落生态系统, 除江苏、上海和浙江聚落生态系统动态度趋于缓慢外, 其余省(市)聚落生态系统动态度均高于2000—2010年, 尤其是贵州, 其年动态度增加23.79百分点, 安徽、湖北、湖南、重庆和四川年动态度增加量均处于2~3百分点之间, 可见这些地区建设用地扩张进程不断加快。

3 讨论与结论

通过生态系统转类途径和幅度与生态系统类型变化动态度分析评价了长江经济带近15 a来生态系统宏观结构的变化特征。在2个时段内, 不同类型生态系统表现出不同的变化速率与幅度。

2000—2010年, 长江经济带农田、草地生态系统面积减少, 森林、水体与湿地、聚落生态系统面积增加。2010—2015年, 该区农田、森林和草地生态系统面积减少, 水体与湿地、聚落生态系统面积增加。退耕还林还草工程的实施与建设用地占用耕地是耕地面积减少的主要原因。2000—2010年, 分别有1 903、726和8 660 km²农田转为森林、草地和聚落, 退耕还林还草措施的成效在四川、重庆、云南和贵州4省(市)表现得较为明显。

在2个时段内, 长江经济带聚落生态系统面积持续增加, 年动态度增加1.05百分点。从该区内部分异(东段包括上海、浙江和江苏, 中段包括安徽、江西、湖北、湖南、四川和重庆, 西段包括云南和贵州)来看, 东段区域聚落生态系统变化趋缓, 年动态度分别降低2.92、0.52和3.35百分点; 中段和西段地区聚落生态系统动态度均有所增加。西部大开发、中部崛起等一系列区域发展战略的实施, 吸纳了大量资金、人才和技术, 促进了经济社会的快速发展, 使得中西部地区城镇扩展速度超过了东部地区。然而, 2010—2015年, 长江经济带森林、草地生态系统面积均有所减少, 需引起高度重视, 避免不合理的土地开发活动侵占生态用地, 确保“共抓大保护、不搞大开发”, 构建区域生态安全和经济社会协调发展的空间格局。

该研究重点分析了长江经济带生态系统宏观结构变化的数量特征, 而对空间格局变化及其转类机制涉及较少, 后续研究将侧重于空间格局变化分析, 以及引起这些变化的驱动因素及其引发的生态效应分析, 以便更好地评估不同区域国土空间开发强度及生态状况变化, 提升长江经济带生态安全保障能力。