屠長(zhǎng)達(dá)，劉漢湖，羅清渠

（成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，四川成都 610059）

生態(tài)系統(tǒng)是人類(lèi)生存和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，是由不同的生物群落及其生存的自然環(huán)境共同構(gòu)成的[1]。生態(tài)系統(tǒng)一般是動(dòng)態(tài)的，會(huì)根據(jù)不同時(shí)期不同的生物環(huán)境組合發(fā)生一定程度變化，往往造成這種情況發(fā)生的原因主要是人類(lèi)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)資源的開(kāi)發(fā)利用，不同程度的人類(lèi)社會(huì)活動(dòng)便會(huì)造成這種生物環(huán)境的重新組合。定期開(kāi)展生態(tài)系統(tǒng)狀況監(jiān)測(cè)與評(píng)估，可以系統(tǒng)地掌握地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)狀況及變化特征，提高本地區(qū)的生態(tài)監(jiān)測(cè)管理水平，促進(jìn)本地區(qū)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)文明和諧發(fā)展[2]。

評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)主要是從生態(tài)系統(tǒng)格局與質(zhì)量?jī)煞矫孢M(jìn)行。而生態(tài)系統(tǒng)格局與質(zhì)量直接影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的變化，研究生態(tài)系統(tǒng)格局和質(zhì)量的時(shí)空變化對(duì)于生態(tài)保護(hù)、實(shí)現(xiàn)生態(tài)資源可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[3]。生態(tài)系統(tǒng)格局主要是研究生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)成、景觀(guān)格局、破碎度等。相比生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化，生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型的變化（或土地覆蓋/利用變化）更容易引起察覺(jué)和重視；而生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的變化是隱性的、漸進(jìn)的，不易察覺(jué)，并且涉及范圍更廣，從而可能對(duì)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、生態(tài)系統(tǒng)功能和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生更大影響[4]。生態(tài)系統(tǒng)格局演變是當(dāng)前全球氣候變化和環(huán)境變化等研究關(guān)注的重要內(nèi)容[5]，基于土地利用的景觀(guān)格局研究主要集中在指數(shù)特征、時(shí)空演變、破碎度及驅(qū)動(dòng)因素的分析等方面[6]。傅伯杰[7]指出生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)受土地利用類(lèi)型的影響，并對(duì)不同的土地利用類(lèi)型、土地利用格局變化和不同利用強(qiáng)度3 個(gè)方面引起的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化進(jìn)行分析[3]。李道寧[2]通過(guò)將生態(tài)系統(tǒng)分成一級(jí)和二級(jí)生態(tài)系統(tǒng)來(lái)研究盤(pán)錦市2000—2015年15年間的生態(tài)系統(tǒng)格局變化。生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)中一般包括植被覆蓋度、葉面積指數(shù)及總初級(jí)生產(chǎn)力。植被覆蓋度[8]量化了植被的茂密程度，反映了植被長(zhǎng)勢(shì)，是評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的重要指標(biāo)。葉面積指數(shù)[9]反映生態(tài)系統(tǒng)中單位面積上的葉面積大小，可以在一定程度上量化出植被群落的生命力及周邊的環(huán)境效應(yīng)，并且也是生態(tài)系統(tǒng)中碳循環(huán)、水循環(huán)、大氣循環(huán)的重要參數(shù)?？偝跫?jí)生產(chǎn)力[10]是在單位時(shí)間和面積上綠色植物光合作用所固定的總有機(jī)碳量，是評(píng)價(jià)陸地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的重要指標(biāo)，定量化描述了全球氣候變化情況下的碳循環(huán)。周鑫[11]通過(guò)將植被覆蓋度、葉面積指數(shù)和總初級(jí)生產(chǎn)力作為研究黔中城市群2015—2020 年生態(tài)質(zhì)量的變化的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)合貴州省的生態(tài)保護(hù)工作系統(tǒng)地掌握了黔中城市群中不同生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型的變化及生態(tài)質(zhì)量變化的具體特征。筆者認(rèn)為，在評(píng)價(jià)地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)景觀(guān)格局中除使用聚集度來(lái)評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)的空間格局外，還缺少不同生態(tài)系統(tǒng)的破碎度和評(píng)價(jià)最大優(yōu)勢(shì)生態(tài)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行佐證，而計(jì)算植被覆蓋度需要建立相關(guān)回歸模型且步驟相對(duì)較繁瑣。

本文使用Fragstats 軟件創(chuàng)建模型得到景觀(guān)分割指數(shù)（DIVISION）、最大斑塊面積指數(shù)（LPI）及聚集度指數(shù)（AI）來(lái)研究生態(tài)系統(tǒng)景觀(guān)格局；在評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)的植被覆蓋情況時(shí)，根據(jù)2021年由生態(tài)環(huán)境部提出的《區(qū)域生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)辦法(試行)》[12]中的植被覆蓋指數(shù)來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)，相較于計(jì)算植被覆蓋度，在保證其科學(xué)性的同時(shí)簡(jiǎn)化了計(jì)算步驟。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

常熟市隸屬于江蘇省蘇州市，位于江蘇省南部，北緯31°33'～31°50'，東經(jīng)120°33'～121°03'。東北方毗鄰長(zhǎng)江與南通市隔江相望，東南方與太倉(cāng)市、昆山市接壤，西臨無(wú)錫市，西北與張家港市相連。境內(nèi)地勢(shì)低平，平均海拔3～7 m，屬于長(zhǎng)江中下游平原。全市總面積1 276.32 km2，常住人口為169.24 萬(wàn)人。常熟市資源豐富，降水量充沛，河流水網(wǎng)密集分布，擁有喬木、灌木、藥材、草、菌類(lèi)等200 多種野生植物資源及哺乳類(lèi)、鳥(niǎo)類(lèi)等800 余種野生動(dòng)物。主要水產(chǎn)品有繃魚(yú)、青蝦、大閘蟹等數(shù)十種。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

數(shù)據(jù)主要包括2018年江蘇省常熟市的土地利用類(lèi)型矢量數(shù)據(jù)；2022年國(guó)產(chǎn)“高分”系列影像一共3幅，可覆蓋常熟市全境，空間分辨率為2 m。MODIS 遙感數(shù)據(jù)，包括：MOD13Q1（植被指數(shù)產(chǎn)品），空間分辨率為250 m；MOD15A2（葉面積指數(shù)產(chǎn)品），空間分辨率為500 m；MOD17A2（植被總初級(jí)生產(chǎn)力產(chǎn)品），空間分辨率為500 m。

1.3 研究方法

1.3.1 交互式遙感解譯

交互式目視解譯是一種基本的遙感圖像解譯方法，通過(guò)Arcgis10.5 軟件結(jié)合自己所掌握的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，根據(jù)遙感影像上不同地物要素的影像特征來(lái)判斷其地物要素類(lèi)別或者所蘊(yùn)含的地理信息。將2018年土地利用類(lèi)型矢量文件根據(jù)2022年高分影像來(lái)進(jìn)行解譯，最終得到2022年常熟市生態(tài)系統(tǒng)分類(lèi)。

根據(jù)《全國(guó)生態(tài)狀況調(diào)查評(píng)估技術(shù)規(guī)范——生態(tài)系統(tǒng)遙感解譯與野外核查》（HJ 1166—2021），結(jié)合常熟市生態(tài)系統(tǒng)組成將土地利用類(lèi)型分為森林、灌叢、草地、濕地、農(nóng)田、城鎮(zhèn)及其他7大類(lèi)（見(jiàn)表1）。

表1 常熟市生態(tài)系統(tǒng)分類(lèi)

1.3.2 生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移矩陣

生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移矩陣主要是引用土地轉(zhuǎn)移矩陣的轉(zhuǎn)移模型將其應(yīng)用到生態(tài)系統(tǒng)中，根據(jù)同一個(gè)地區(qū)不同時(shí)期的生態(tài)系統(tǒng)變化的關(guān)系最終求得的一個(gè)二維矩陣。通過(guò)對(duì)得到的轉(zhuǎn)移矩陣進(jìn)行分析，得到兩個(gè)時(shí)期不同生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型的轉(zhuǎn)化情況。從各系統(tǒng)的面積入手，通過(guò)分析不同時(shí)期的生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，可得知最終生態(tài)系統(tǒng)用地的結(jié)構(gòu)變化。運(yùn)用Arcgis10.5 軟件獲取不同的生態(tài)系統(tǒng)用地面積，進(jìn)行疊加分析并制作轉(zhuǎn)移矩陣。

1.3.3 生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)估算

植被覆蓋指數(shù)。參照《區(qū)域生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)辦法(試行)》中的植被覆蓋指數(shù)進(jìn)行計(jì)算：

在公式(1)中，C表示植被覆蓋指數(shù)；Aveg為植被覆蓋指數(shù)的歸一化系數(shù)，參數(shù)值為121.165 1；Pi為評(píng)價(jià)年5—9 月像元NDVI 月最大值的均值；n為研究區(qū)范圍內(nèi)的像元個(gè)數(shù)。

年均GPP、LAI。年均GPP和LAI計(jì)算的公式為:

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)系統(tǒng)格局變化

2.1.1 生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成及變化

如表2 所示，2018 年及2022 年的常熟市生態(tài)系統(tǒng)均主要以城鎮(zhèn)、濕地、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為主，3 類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)面積合計(jì)占比分別為90.202%、90.697%，其他4類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)所占比例較小，其中所占比例最小的為其他，占比均為0.004%。2018—2022年，由于常熟市境內(nèi)生態(tài)用地的持續(xù)開(kāi)發(fā)，空間面積增長(zhǎng)的生態(tài)系統(tǒng)僅有城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)，增長(zhǎng)了10.47 km2；其他生態(tài)系統(tǒng)空間面積均減少，其中面積減少較多的為草地生態(tài)系統(tǒng)和濕地生態(tài)系統(tǒng)，分別減少了5.27 km2、2.85 km2。

表2 2018年及2022年常熟市生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成情況

2.1.2 生態(tài)系統(tǒng)的變化特征

由表3 及圖1 可知，2018—2022 年常熟市主要是以農(nóng)田轉(zhuǎn)換為城鎮(zhèn)、草地轉(zhuǎn)換為農(nóng)田和城鎮(zhèn)及濕地轉(zhuǎn)換為農(nóng)田為生態(tài)系統(tǒng)的變化特征，其中農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)一共有6.80 km2；草地生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)和城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)分別為3.15 km2和2.40 km2；濕地生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為2.19 km2。主要原因可能是常熟市城市化發(fā)展造成的連鎖反應(yīng)，由于城鎮(zhèn)開(kāi)發(fā)而造成了較多的農(nóng)田被破壞，而為了本地區(qū)農(nóng)業(yè)糧食生產(chǎn)則又需要從草地以及濕地中退草還耕或者圍湖造田。由圖2 可知，2018—2022 年常熟市生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的斑塊在常熟市南部和西南部分布較聚集，而在常熟市北部的生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換斑塊則分布較分散。

圖1 常熟市生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換面積統(tǒng)計(jì)

圖2 常熟市生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換分布

表3 常熟市生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型轉(zhuǎn)移矩陣 單位：km2

2.1.3 生態(tài)系統(tǒng)景觀(guān)格局變化

景觀(guān)分割指數(shù)、最大斑塊面積指數(shù)、聚集度指數(shù)是評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)景觀(guān)格局的重要指標(biāo)，分別表示了景觀(guān)格局的破碎度、景觀(guān)格局的最大優(yōu)勢(shì)類(lèi)型以及景觀(guān)格局的斑塊聚合程度。從表4 可以看出，常熟市生態(tài)系統(tǒng)景觀(guān)分割指數(shù)的最大值為1。景觀(guān)分割指數(shù)中除數(shù)值為1 的生態(tài)系統(tǒng)外，變化較大的為濕地、農(nóng)田和城鎮(zhèn)這幾種生態(tài)系統(tǒng)，濕地、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的景觀(guān)分割指數(shù)上升，城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)的景觀(guān)分割指數(shù)下降。最大斑塊面積指數(shù)中較大的主要為濕地、農(nóng)田和城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)，這幾種優(yōu)勢(shì)比較大的生態(tài)類(lèi)型也說(shuō)明了人類(lèi)活動(dòng)較為頻繁，較2018年相比，2022年城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)的景觀(guān)格局優(yōu)勢(shì)變得更為明顯，農(nóng)田和濕地生態(tài)系統(tǒng)的景觀(guān)格局優(yōu)勢(shì)則有所下降。聚集度指數(shù)中，上升的為灌叢、城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)，下降的為森林、草地、濕地、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，變化較大的為城鎮(zhèn)和草地生態(tài)系統(tǒng)。通過(guò)上述3 類(lèi)指標(biāo)對(duì)常熟市生態(tài)系統(tǒng)景觀(guān)格局的描述，可以看出2018—2022年主要是各類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)向城鎮(zhèn)聚集的過(guò)程，城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)的景觀(guān)破碎度呈下降趨勢(shì)且景觀(guān)格局優(yōu)勢(shì)更為明顯。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化

2018—2022 年，常熟市生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量良好。2022年植被覆蓋指數(shù)、葉面積指數(shù)、總初級(jí)生產(chǎn)力較2018年均有一定程度下降（見(jiàn)表5），分別下降了2.35，0.17，12.22。生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量各個(gè)指標(biāo)下降的主要原因則是4 年來(lái)城鎮(zhèn)建設(shè)的擴(kuò)張?jiān)斐芍脖挥玫販p少，從而最終導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量下降。

表5 2018—2022年常熟市植被覆蓋指數(shù)、葉面積指數(shù)、總初級(jí)生產(chǎn)力變化

3 討論與結(jié)論

2018—2022 年常熟市的生態(tài)系統(tǒng)變化主要發(fā)生在城鎮(zhèn)上，從側(cè)面說(shuō)明了影響這4 年常熟市生態(tài)系統(tǒng)變化的原因主要來(lái)源于人口活動(dòng)遷移造成的城鎮(zhèn)化上升。從生態(tài)系統(tǒng)的空間格局變化上來(lái)看，常熟市4 年間景觀(guān)斑塊破碎化程度呈下降趨勢(shì)，斑塊整體趨向于大斑塊演變，斑塊數(shù)量逐漸減少，城鎮(zhèn)生態(tài)空間的連通性整體呈上升趨勢(shì)，城鎮(zhèn)景觀(guān)空間分布較緊湊；從生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化上來(lái)看，因?yàn)? 年內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的下降，也從一定程度上反映出了由于城鎮(zhèn)化的擴(kuò)張所造成的植被用地減少。

根據(jù)常熟市地方生態(tài)系統(tǒng)特色，綜合考慮自然資源以及經(jīng)濟(jì)因素，提出幾點(diǎn)建議：1）常熟市濕地生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)較明顯，市內(nèi)河網(wǎng)也比較發(fā)達(dá)，在發(fā)展農(nóng)業(yè)時(shí)可以考慮嘗試采用無(wú)土農(nóng)業(yè)這種新型農(nóng)業(yè)，在充分利用濕地自然資源的同時(shí)也減少了其他生態(tài)系統(tǒng)因?yàn)殚_(kāi)發(fā)使用遭到破壞。2）市內(nèi)擁有尚湖、昆承湖兩個(gè)較大的濕地公園，且市內(nèi)湖泊坑塘眾多，可根據(jù)此特點(diǎn)去建立一些濕地公園，有利于保護(hù)常熟市內(nèi)的動(dòng)植物資源，既服務(wù)市民又可以在一定程度上提高市內(nèi)的生態(tài)質(zhì)量。3）對(duì)市內(nèi)的森林公園加大保護(hù)力度，在對(duì)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)時(shí)盡量不涉及森林生態(tài)系統(tǒng)，嚴(yán)禁隨意砍伐樹(shù)木。4）減緩城鎮(zhèn)擴(kuò)張速度，在城市建設(shè)中應(yīng)該注意規(guī)劃的合理性，提高土地利用率，合理控制人口增長(zhǎng)，減緩城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)侵占森林、濕地等其他生態(tài)系統(tǒng)。5）注意產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，加大對(duì)發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)、生態(tài)產(chǎn)業(yè)等環(huán)境友好型企業(yè)的投資。