李稚松，张 波，黄 勤，陈 涛，张 微(北斗航天卫星应用科技集团，北京 100070)

0 引 言

生态系统是地球生命支持系统的基本组成单元，它所提供的各种功能是人类生存和社会发展的基本保证[1,2]。然而随着经济和社会的发展，生活、生产过程对生态系统产品、服务功能的需求日益增加，生态系统质量正在逐渐下降[3]。植物作为生态系统初级生产者，不仅为生活生产提供最原始的原料，也是生态环境的指示物[4,5]。21世纪以来，随着“千年生态系统评估”项目的启动，围绕生态系统评估的研究、方法层出不穷，对自然生态系统的评估则多围绕植被来开展。

近年来，对生态系统的评估多集中在利用“3S”技术方面，其中对干旱区生态系统质量的评估多侧重于草地、森林、灌丛和荒漠等生态系统[6-8]，对植被覆盖度、NDVI与土地利用/土地覆被相结合[9-12]，可以较为准确的了解某一区域内植被的变化情况，进而对生态系统变化情况进行阐释。

新疆军塘湖河流域为天山北坡典型内陆河流域，虽然流域面积不大却经常发生洪水，对流域内的水土资源造成较大影响[13]，而生态系统质量会影响到流域水土保持能力、净初级生产力和草原载畜量等。本研究通过对生态系统质量变化分析，揭示流域生态系统演变过程，为流域产业合理规划、防洪救灾、水土保持工作提供一定参考。

1 实验及方法

1.1 研究区概况

本研究选择新疆自治区昌吉回族自治州呼图壁县境内的军塘湖河流域(如图1所示)作为典型研究区。军塘湖河位于天山西段呼图壁县域内，发源于天山北坡的特尔斯盖南缘三道马场以西的特力斯喀达坂，河网在低山带的玛扎尔汇合，水量全部汇入到北部出山口的红山水库，之后由水库泄洪渠流经呼图壁西部的前山丘陵后进入平原，流域面积833.57 km2，海拔高度范围为1 100～3 000 m。研究区总体地势为南高北低，最南端有高山、亚高山草甸，向下游分布着森林、草原、灌丛、农田等生态系统类型，基本拥有较为完整的生态系统垂直带谱，适宜用作研究生态演变。

图1 研究区位置图Fig.1 Location of research area

1.2 研究方法

本研究将借助于遥感卫星及地理信息技术，以遥感数据产品、气象观测数据、统计数据为研究基础，从流域生态系统格局、生态系统质量变化及其产生的原因等3个方面进行分析。研究过程主要利用ENVI、ERDAS和ArcGIS的数据处理和空间分析功能，实现对整个流域生态系统质量变化的计算和分析。

1.3 数据来源

本研究所使用的数据主要为4类：土地利用数据、生态质量数据、气象数据和统计数据。各类数据来源及数据精度如下。

(1)土地利用数据。主要来自中国科学院资源环境科学数据中心(http:∥www.resdc.cn)，主要有2000年、2005年和2010年三期ETM解译数据，分辨率为30 m。

(2)生态质量数据。生态质量主要包括生物量(BD)、植被覆盖度(VF)及叶面积指数(LAI)等，这类数据来源于美国NASA网站(http:∥modis.gsfc.nasa.gov/data/dataprod/)MODIS数据产品，该类数据可直接下载、直接使用，分辨率为250 m。

(3)气象数据。本研究中所获得的气象数据为两部分，其一是来自流域下游红山水库入库水量，主要为降水量；其二是来自国家气象数据共享网(http:∥cdc.nmic.cn/home.do)直接下载的全国气象基准站1956-2010年的气象数据。

(4)统计数据。一部分来自红山水库的流量统计数据，另一部分来自于《新疆统计年鉴2000-2011》。

1.4 数据处理及利用

1.4.1土地利用数据处理及利用

利用ArcGIS的空间分析及统计功能，分别统计各生态系统各期面积及其变化情况，同时按照三级生态系统对整个流域进行分类，并制成空间分布图。

1.4.2生态质量变化率数据处理

(1)数据计算。军塘湖河流域以草地和森林生态系统占主导，灌丛生态系统明显少于前者，其余生态系统面积比较有限。在评价流域生态系统质量变化中，采用生态系统质量变化率的方式来进行。其中主要评价草地、森林和灌丛生态系统，其余生态系统一方面由于所占比例较小，另一方面受人为干扰较强，会影响评价的客观性，故不列为评价范围。

①草地生态系统质量变化率。主要采用相对覆盖度的方式来进行，其计算公式如下：

(1)

式中：RVF为相对覆盖度变化率；VF0为基准年草地生态系统覆盖度；VF1为评价年草地生态系统覆盖度。

②森林生态系统质量变化率。利用相对生物量变化率来进行评价，计算公式如下：

(2)

式中：RBD为相对生物量变化率；BD0为基准年森林生态系统生物量；BD1为评价年森林生态系统生物量。

灌丛生态系统质量变化率：采用相对叶面积指数法来评价，计算公式如下：

(3)

式中：RLAI为相对叶面积指数变化率；LAI0为基准年叶面积指数；LAI1为评价年叶面积指数。

(2)分级制图。利用ArcGIS对各生态系统分别参照式(1)～(3)计算，对质量变化率进行分级处理，这里参照分别按照退化、改善和保持稳定三类来进行，其中退化分为极重度退化(<-60%)、重度退化([-60%，-40%))、中度退化([-40%，-20%))、轻度退化([-20%，-10%))，保持基本稳定的变化率为[-10%，10%]，改善分为大幅改善(>60%)、明显改善((40%，60%])、中度改善((20%，40%])、轻微改善((10%，20%])，之后按照分类规则对计算结果进行重采样，并按等级制成空间分布图。

1.4.3其他数据处理及利用

对气象数据和统计数据分别进行筛选，分别选择对生态系统质量有较大影响的数据进行分析，并利用Excel、SPSS等数据统计和处理软件对结果进行进一步分析和制图。

2 结果与分析

2.1 生态系统分布及其结构特征

通过遥感信息提取和基于GIS平台的统计分析表明，新疆军塘湖河流域是较为典型的半封闭式河流流域，有明显的植被垂直地带性，图2分别是2000年和2010年的三级生态系统空间分布图。从图上来看，该流域主要为草地、森林、灌丛和农田生态系统，其他生态系统不明显。其中农田、居住地和交通用地则主要分布于河流中下游沿岸地带。而草地则分布于整个流域的大部分地区，在南部的高山、中高山带分布着高覆盖度的草甸，出山口处分布有一块中覆盖度稀疏草地，其余区域则分布为中覆盖度草地。森林则分布在草甸区的中部，而灌丛分布于河流中部东侧支的源头区域。

图2 研究区2000年和2010年土地利用图Fig.2 Research area land use in 2000 and 2010

从空间分布来看，2000-2010年该流域生态系统格局没有发生较大变化，仅在局部地区有生态系统发生转变的迹象。表1是2000-2010年各生态系统面积及其变化情况。

表1 各生态系统2000-2010年面积 km2Tab.1 Area of each eco-system during 2000-2010

从面积上来看，草地占整个流域面积的90%以上，而其中仅中覆盖度草地就占了近80%。从各生态系统面积变化上来看，各生态系统变化均不大，其中面积缩减最为明显的是农田(旱地)生态系统，面积缩减了2.19 km2，而这些缩减的面积一部分转变为中覆盖度草地，一部分转变为居住地和交通用地。由此可见，军塘湖河流域农业发展相对滞后，农田缩减对流域水资源的合理分配有重要意义，同时对流域生态用水不构成威胁。此外，2000-2010年落叶阔叶灌木林消失，从各年份的面积上来看，消失的时间主要为2005-2010年，这从一定意义上改变了流域的生态系统结构，生态系统多样性有所下降。

2.2 生态系统质量变化特征分析

新疆军塘湖河流域以草地、森林和灌丛生态系统为主，本研究将对这3个生态系统所覆盖的区域进行分析。在研究过程中将评估时期分别按照2000-2005年、2005-2010年两个时段来分析，同时利用2000-2010年的变化来进行总体分析。

2.2.1空间变化特征

将流域内的农田、居住地、交通用地以及水域等受人为活动影响大的生态系统剔除，针对流域内草地、森林和灌丛生态系统质量变化特征进行分析，图3(a)、(b)分别是2000-2005年、2005-2010年各等级生态系统质量变化率空间分布图。

对比两个时间段生态系统质量变化情况，2000-2005年和2005-2010年生态系统质量变化方向截然相反，前5年整个生态系统虽然大部分保持基本稳定，但是流域下游及上游的部分区域有明显退化的趋势，而后5年流域中上游至下游整体表现为改善，并且从图上来看是以改善为主。

2000-2005年，生态系统总体上保持基本稳定，但是在河流中上游、河流域西侧支流的中部、下游出山口以上等部分区域，退化较为明显，其中以河流域中下游至出山口以上区域退化最为显著，在东西侧支流有中度甚至重度退化区域。结合图2可知发生变化的区域大部分为中覆盖度草地和低覆盖度草地，也有部分高覆盖度草地，森林和灌丛的变化较小。

图3 2000-2010年两个时段内生态系统质量变化图Fig.3 Changes in ecosystem quality in two period from 2000 to 2010

2005-2010年，生态系统总体上表现为改善，其次是保持基本稳定，发生退化的区域在流域内为零星分布。从图3(b)可以看到，在流域南部上游山区，生态系统保持基本稳定，仅在局部地区有改善和退化，而中游至下游大部分区域都处于改善状态，在流域下游的东部和西部支流的上游至中游段则是中度改善和明显改善为主。由此可见，2005-2010年流域生态系统质量改善明显，生态系统向更加稳定的方向发展。

图4是2000-2010年生态系统质量总体变化空间分布图，主要反映军塘湖河流域2000-2010年生态系统质量变化方向及其变化程度。流域生态系统质量总体上保持基本稳定，河流中游、东侧支流区域有改善的趋势，而在河流上游的高覆盖度草地区、下游的中低覆盖度草地区的局部地区有零星分布的退化区。因此，总体上来说，新疆军塘湖河流域生态系统质量在2000-2010年间总体保持基本稳定，局部地区改善与退化并存，改善较为明显。

图4 2000-2010年生态系统质量变化率空间分布图Fig.4 Spatial distribution of ecosystem quality change rate from 2000 to 2010

2.2.2面积变化变化特征

从以上生态系统质量变化空间分布可以看到，变化最为突出的是草地生态系统，森林和灌丛变化不明显。分别统计不同类型草地生态系统质量变化各等级面积，结果如表2所示，主要统计内容为2000-2005年、2005-2010年两个时间段内各等级质量变化的面积。

2000-2010年，草地生态系统质量变化共分为7个等级，而2000-2005年和2005-2010年各时段分别仅有6个等级，其中2000-2005年整个草地生态系统没有明显改善的区域，2005-2010年增加了明显改善的区域，但是没有重度退化区。

表2 各时期草地生态系统质量变化各等级面积统计结果 km2Tab.2 Area of each level change of grassland ecosystem quality in every period

从生态系统质量变化各等级的面积来看，2000-2005年是以保持基本稳定所占的比例最大，其次是发生退化的面积，大部分集中在中覆盖度草地区，重度退化也分布于中覆盖度草地区，是以轻度和中度退化为主。而改善的区域大部分也集中在中覆盖度草地区，大部分为轻微改善。2005-2010年，生态系统质量变化与前者变化截然不同，所占比例最大的变化等级为轻微改善，其次是保持基本稳定；退化区域中，重度退化区消失，中度和轻度退化面积大幅度下降，而中度改善和明显改善区域的面积明显增加。由此可见，2005-2010年草地生态系统质量以改善为主，部分区域改善明显。

综上所述，军塘湖河流域生态系统质量在2000-2005年表现为退化，其中以中覆盖度草地的变化最为显著；2005-2010年，流域生态系统质量以改善为主，部分区域改善明显，其中中覆盖度草地变化较大。

2.3 生态系统质量变化因素分析

从上面的变化特征分析可知，军塘湖河流域两个时间段内生态系统质量变化差别较大，中覆盖度草地变化最为显著，而通常引起草地发生退化或改善的原因有人为原因也有自然原因。

2.3.1人类经济活动的影响

军塘湖河流域是呼图壁县优良的牧区，拥有丰富的草地资源，这里以哈萨克族和回族为主，牧业发展较快；同时在河流中上游山区有丰富的煤炭资源，矿业发展迅速，也是运输较为频繁的区域。煤炭资源开采对地表、运输沿线生态系统会造成较大影响，但是对其影响范围有限，不会造成整个流域生态系统质量变化，因此2000-2010年两个时段生态质量的变化趋势受煤炭资源开采的影响较小。

对草地生态系统质量有较大影响的是牧业发展，如果牧业无序发展，不考虑草场的载畜量，则会造成草场的草畜平衡被打破，草地受到严重影响。图5是呼图壁县2000-2010年年末的牲畜存栏数，而雀尔沟镇大部分以牧业为主，牲畜量变化趋势和呼图壁县类似，可以由此来说明整个流域牲畜量变化趋势。从统计的结果来看，2000-2005年牲畜数量呈近似直线上升的趋势，平均年增长牲畜量约2.6万头；而2005年以后，牲畜数量有较大程度的缩减，到2008年前后基本维持在一定水平。

图5 呼图壁县2000-2010年年末牲畜存栏数(万绵羊单位)Fig.5 Amount of livestock in Hu Tubi County in 2000-2010(Ten thousand sheep units)

牲畜数量变化一方面受到经济利益的刺激而有所变化，另一方面受政策影响较大。2005年以前，整个新疆乃至全国则是将经济发展放在第一位，耕地扩张、牧业规模增加现象在新疆较为普遍，从而导致地表水缩减、地下水位下降、草场破坏等生态问题。而2005年以后，生态问题日益暴露，对生态安全和生态保护的考虑逐渐增加，各地区逐步出台草原保护条例、实施草畜平衡等系列措施，逐步控制了牲畜数量，逐渐缓解草场的生态压力。

2.3.2气候变化对草地生态系统的影响

进入21世纪，气候变化较为明显，气候变化对各个方面均造成了较大影响。草地生态系统尤其是中覆盖度和低覆盖度草地受降水资源和外界扰动的影响最为敏感，而草地的变化则主要体现在其植被覆盖度上。分别统计了2000-2010年植被覆盖度和流域4-9月降水总量，二者关系如图6所示。

图6 流域草地植被覆盖度变化与4-9月降水量关系图Fig.6 Relation between Grassland VF changes and rainfall from April to September

从二者的变化趋势来看，二者的变化趋势表现为一定的正相关关系。4-9月份降水资源丰富的年份，植被覆盖度较高，而降水量下降的年份植被覆盖度也随之下降，但是这种变化影响在有些年份存在一定的滞后性，这种滞后性一般是4-9月份降水总量年际变化较小的时段。草地生态系统多为一年生短命植物，对水资源的依赖程度较大，植物生长季降水量发生变化，草地在植被覆盖度上也存在一定的响应。

3 结 语

通过对新疆军塘湖河流域生态系统格局和质量变化的定量研究，分析出影响生态系统质量变化的主要因素，由此可以得到以下结论。

(1)新疆军塘湖河流域草地生态系统所占比例在80%以上，其中大部分为中覆盖度草地，生态系统格局没有发生大的变化。

(2)各生态系统中草地生态系统质量变化最为明显，尤其是中覆盖度草地，在2000-2005年、2005-2010年发生了颠覆性变化，前者生态系统以退化为主要特征，而后者则是以改善和较大程度改善为主要特征，生态系统质量变化活跃。

(3)流域内牲畜量和4-9月降水总量是引起草地生态系统质量变化的主要因素，而产业政策和人类活动也是导致区域内生态系统质量变化的重要诱因。因此在草地区实施草畜平衡、加强草地监测对草地生态系统质量恢复与保护至关重要。

□

[1] Millennium Ecosystem Assessment. Ecosystems and human well-being: a framework for assessment[M]. Washing DC: Island Press, 2003.

[2] 赵士洞，张永民.生态系统评估的概念、内涵及挑战——介绍《生态系统与人类福利：评估框架》[J]. 地球科学进展，2004,29(4)：650-657.

[3] 段 锦，康慕谊，江 源. 东江流域生态系统服务价值变化研究[J]. 自然资源学报，2012，27(1)：90-103.

[4] 周兆叶，储少林，王志伟，等. 基于NDVI的植被覆盖度的变化分析[J]. 草业科学，2008,25(12)：23-29.

[5] 马志勇，沈 涛，张海军，等. 基于植被覆盖度的植被变化分析[J]. 测绘通报，2007(3)：45-48.

[6] 弥圆圆. 基于3S和FRAGSTATA的生态系统变化及人为干扰研究——以陕西周至黑河湿地自然保护区为例[D]. 西安：西北大学，2014.

[7] 单贵莲. 内蒙古锡林郭勒典型草原恢复演替研究与健康评价[D]. 北京：中国农业科学院，2009.

[8] 乔长录，刘 昭.干旱区流域水文生态系统质量综合评价研究——以新疆自治区玛纳斯河流域为例[J]. 水土保持通报，2012，32(2)：215-221.

[9] Amiri R，Weng Q，Alimohammadi A．Spatial-temporal dynamics of land surface temperature in relation to fractional vegetation cover and land use /cover in the Tabriz urban area，Iran[J]．Remote Sensing of Environment，2009，113(12)：2 606-2 617.

[10] 陈 强，陈云浩，王萌杰，等. 2001-2010年洞庭湖生态系统质量遥感综合评价与变化分析[J].生态学报，2015，35(13)：4 347-4 356.

[11] 许洛源，黄义雄，叶功富，等. 基于土地利用的景观生态质量评价——以福建省海坛岛为例[J]. 水土保持研究，2011，18(2)：207-212.

[12] 徐嘉兴，李 钢，陈国良，等. 土地复垦矿区的景观生态质量变化[J]. 农业工程学报，2013，29(1)：232-239.

[13] 时京林，刘 兵，程同福. 新疆军塘湖河“8.29”特大洪水调查及重现期分析[J]. 新疆水利，2013,(3)：18-20.