马广文，孙 聪，王业耀，李宝林，刘海江，董贵华，何立环*

（1.中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012；2.中国科学院 地理科学与资源研究所，北京 100101）

山区地形陡峻、沉积物丰富，降雨强度高、雪水融化快，易暴发山洪和泥石流等灾害[1]。一个区域降水后是否发生山洪和泥石流，与其生态系统构成关系密切。对某一区域长时间序列生态格局监测与评价研究意义重大。在多期遥感影像支持下，胡云锋等[2]建立了1975—2009年长时间序列生态系统宏观结构数据库，研究了干旱-半干旱草原典型区锡林郭勒盟的生态系统空间分布格局、动态变化及驱动机制。RAI等[3]基于遥感影像的监督分类方法，分析了尼泊尔甘达基流域内的两个大城市——博卡拉和巴拉普尔1990—2018年的城市用地变化。Mansour等[4]利用GIS（geographic in⁃formation system，地理信息系统）和CA-Markov模型技术监测阿曼的山区城市土地利用和土地覆盖变化。何改丽等[5]以1985—2015年的4期遥感影像为数据源，分析美国佛罗里达州坦帕湾流域土地开发利用强度的空间格局。刘桢等[6]利用RS（re⁃mote sensing，遥感）和GIS技术，定量分析2005—2010年湖南省永州市锡矿区的生态系统空间格局变化特征；在区域生态格局监测与评价方面，文春波等[7]以2015年遥感分类数据为基础数据源，分析河南省生态系统类型与空间分布；董小俊[8]以遥感解译数据为基础，利用FRAGSTATS 3.3分析赣江流域景观结构。在利用多源遥感影像开展生态格局研究方面，利用NDVI（normalized difference veg⁃etation index，归一化差异植被指数）数据集开展长时间序列、大空间尺度陆地生态系统植被健康和生长态势研究，或者是在一些局部地区开展一些短时间序列的土地分布格局及其变化研究[9-10]。众多学者利用科学合理的理论和模型对土地资源进行分析，用于提高生态安全系数、优化土地利用格局和提升生态系统服务价值[11-13]。

我国山地面积约占陆地面积的2/3，山洪和泥石流灾害的广泛发育严重地威胁广大山区人民生命财产和重大工程安全，2 058个县（区、市）不同程度地受山洪和泥石流影响，分布区面积达4.87×106km2，受威胁人口约5.7亿人[14]。本文综合分析多种因子，在全国范围内确定易发生洪水和泥石流灾害的四个典型区域：岷江上游流域、白龙江上游、赣江上游和闽江上游流域，建立了典型区域生态格局监测与评价指标体系和计算模型，基于四个典型区域1985—2013年长时间序列遥感影像，对典型区生态格局进行监测与评价，为区域生态结构的优化及山洪和泥石流灾害预防奠定基础。

1 研究区域概况

综合分析历史上曾发生的山洪和泥石流灾害情况，包括伤亡指数、风险指数、经济损失指数和污染程度指数等[14-15]，选择岷江上游流域、白龙江上游、赣江上游和闽江上游流域作为典型区（图1）。其中，岷江上游流域包括四川省北部6个县域，面积25 470.0 km2；白龙江上游流域位于甘肃省南部和四川省北部，包括6个县域，面积25 966.9 km2；赣江上游流域位于江西省南部，包括18个县域，面积37 733.9 km2；闽江上游流域位于福建省北部，包括13个县域，面积26 955.4 km2；典型研究区总计43个县域，总面积116 126.2 km2，见图1。典型区在灾害风险区划、小流域植被减洪能力、生态风险评价、生态服务功能等方面，国内学者已有一定的研究[16-19]。

图1 典型区域位置分布Fig.1 Location distribution of typical areas

2 数据处理与研究方法

2.1 典型区生态系统分类体系

参照全国生态环境10年变化（2000—2010年）遥感调查评估生态系统分类体系[20-21]，典型区生态系统分类体系为：一级生态系统6类：耕地、草地、森林、湿地、人工表面、其他生态系统；二级生态系统为38类，按照一级分类体系的顺序，二级生态系统类型分别为：水田、旱地；草甸、草原、草丛、草本绿地；落叶阔叶林、常绿阔叶林、落叶针叶林、常绿针叶林、针阔混交林、落叶阔叶灌木林、常绿阔叶灌木林、常绿针叶灌木林、灌木园地、乔木园地、乔木绿地、灌木绿地；居住地、工业用地、交通用地、采矿场；森林沼泽、灌丛沼泽、草本沼泽、湖泊、水库/坑塘、河流、运河/水渠；稀疏林、稀疏灌木林、稀疏草地、苔藓/地衣、裸土、裸岩、盐碱地、沙漠/沙地、冰川/永久积雪[22]。

2.2 生态系统分类信息提取方法

基于建立的典型区生态系统分类信息提取质量保障体系，利用卫星遥感数据进行人机交互解译，结合地面核查，提取典型区生态系统信息[23-25]。以赣江上游、闽江上游、岷江上游和白龙江上游流域1985年、2000年和2013年三期Land⁃sat TM/ETM中分辨率卫星影像数据为主，1985年影像部分利用MSS（multi-spectral scanner，多光谱扫描仪）。为确保影像的质量，遥感影像数据在时相、单景影像云量、单景影像噪声以及影像变形情况等方面的选取均符合质量控制要求：采用影像的时相为6—9月，或者是11、12月，个别影像选用的3月。遥感数据的地理投影参考定为大地基准：2000国家大地坐标系；投影方式采用Albers投影；中央经线：110°，原点纬度：12°，标准纬线：北纬25°、北纬47°。影像控制点的选取及分布也达到几何校正的技术要求；点位中误差（影像分辨率）平原和丘陵≤2倍、山地≤3倍。在镶嵌后的影像中同一地物类型色彩基本统一、无模糊现象，边界清晰、无明显错位。

2.3 生态系统格局评价指标体系与计算方法

构建典型区生态系统格局评价指标体系和计算模型，见表1。应用ArcGIS和FRAGSTATS软件（景观结构分析软件）分析[8，26]；生态系统景观破碎化分级趋势（landscape fragmentation，Lf）用平均斑块面积或者类平均斑块面积变化率反映，见表2。以1985年、2000年、2013年为时间节点，基于遥感影像解译获取的典型区生态系统分类数据，分析评价岷江上游流域、白龙江上游流域、赣江上游流域和闽江上游流域2013年生态系统结构和1985—2013年生态系统结构变化特征。

表1 典型区生态系统格局评价指标和方法Table 1 Evaluation indexes and methods for ecosystem pattern of typical areas

表2 典型区生态系统景观破碎化趋势评估分级Table 2 Assessment classification of landscape fragmentation trend in ecosystem of the typical areas

3 结果与讨论

3.1 典型区生态系统构成

2013年森林、草地、湿地、耕地、人工表面、其他类型生态系统面积占比，岷江上游流域分别为61.2%、23.7%、11.2%、3.0%、0.4%和0.5%，白龙江上游流域分别为61.5%、21.6%、0.3%、10.1%、0.5%和6.0%，赣江上游流域分别为77.7%、0.5%、1.3%、14.9%、3.4%和2.2%，闽江上游流域分别为84.2%、0.8%、1.2%、9.4%、2.0%和2.4%，四个流域均以森林生态系统类型为主。岷江上游流域和白龙江上游流域生态系统类型呈现出明显的垂直地带性分布特点，居住用地主要分布在海拔较低的河流谷地，耕地则主要分布在河谷平原区。岷江上游流域稀疏草地、裸土和冰川/永久积雪等主要分布在海拔3 500 m以上地区，耕地则主要分布在成都平原的都江堰地区。白龙江上游流域稀疏草地或裸岩等主要分布在海拔4 100 m以上地区，耕地则主要分布在武都区和宕昌县河谷地带。赣江上游流域位于亚热带季风气候区，植被类型以常绿阔叶林、针阔混交林、常绿阔叶灌木林和常绿针叶林为主，主要位于海拔较高的山区；在河谷平原与河流阶地上主要为耕地和居民地，尤其在章水和贡水两大支流交汇的平原地区集中分布。闽江上游流域位于亚热带海洋性季风气候区，常绿阔叶林和常绿针叶林的分布最广，常绿针叶林主要有杉木林和马尾松等，绝大部分为人造林，邵武市、沙县是福建省杉木中心产区（图2）。

图2 2013年典型区生态系统分布Fig.2 Ecosystems distribution of typical areas in 2013

3.2 典型区生态系统格局

1985—2013年，岷江上游流域自然生态系统面积变化幅度相对较小，30年间森林与草地两种生态类型变化幅度小于2%，人工生态系统面积变化幅度相对较大，30年间耕地面积减少21.5%，人工表面增加6倍；岷江上游流域斑块数增加了5.2%，平均斑块面积减少了5.0%，边界密度由35.8 m/ha增加到36.9 m/ha；聚集度指数也由64.6%减少到64.1%（图3），四个指标都表明岷江上游流域景观格局破碎化趋势明显，景观类型分布更为分散；岷江上游流域湿地类斑块面积增加了11.9%，人工表面类斑块面积增加了72.0%，耕地类斑块面积减少了22.7%，其他类型类斑块面积减少了17.0%，森林类斑块面积减少了1.3%，草地类斑块面积减少了2.6%（图4），湿地和人工表面景观格局破碎度减小，耕地和其他生态系统类型景观格局破碎度增加，森林与草地破碎度总体保持稳定。

图3 1985—2013年典型区一级生态系统景观格局特征Fig.3 Landscape pattern characteristics at level one ecosystem of typical areas from 1985 to 2013

图4 1985—2013年典型区一级生态系统类斑块平均面积变化Fig.4 Average area change of mean patch size of type at level one ecosystem from 1985 to 2013

1985—2013年，白龙江上游流域自然生态系统面积变化幅度小于5%，人工生态系统面积变化幅度相对较大，30年间耕地面积减少17.28%，人工表面增加58.67%；斑块数减少了0.4%，平均斑块面积增加了0.4%，边界密度由43.0 m/ha减少到42.3 m/ha，聚集度指数则由61.5%增加到62.0%（图3），四个指标都表明白龙江上游流域各景观类型分布趋向于聚集，分布更为集中。白龙江上游流域湿地类斑块面积增加了13.7%，人工表面类斑块面积增加了45.8%，耕地类斑块面积减少了17.8%，森林类斑块面积增加了3.0%，草地类斑块面积增加了4.8%，其他类型类斑块面积增加了2.3%（图4），湿地和人工表面景观格局破碎度减小，耕地景观格局破碎度增大，森林、草地与其他生态系统类型景观格局破碎度总体较为稳定。

1985—2013年，赣江上游流域自然生态系统面积变化幅度小于1%。人工生态系统面积变化幅度相对较大，耕地面积减少10.7%，人工表面增加150.8%，2000年后扩张的速度是2000年前扩张速度的5.2倍。斑块数由63 645个增加到2000年的67 048个，而后又减少到2013年的51 879个，30年间整体上减少了18.5%；平均斑块面积由原来的59.3 ha减少到2000年的56.3 ha，而后又增加到2013年的72.7 ha，整体上增加了22.6%。边界密度由31.7 m/ha增加到2000年的32.2 m/ha，而后又减少到2013年的30.7 m/ha，整体上呈减少趋势；聚集度指数则一直减少，由74.1%减少到72.8%（图3），四个指标均显示赣江上游流域景观格局破碎度减小的趋势；赣江上游流域森林类斑块面积增加了26.1%，耕地类斑块面积增加了11.0%，人工表面类斑块面积由原来的6.7 ha增加到14.8 ha，增加了120.9%，其他类型类斑块面积由原来的4.9 ha，增加到8.0 ha，增加了63.3%，湿地类斑块面积由原来的22.2 ha减少到20.2 ha，减少了9.0%，草地类斑块面积由原来的12.5 ha增加到13.2 ha，增加了5.6%，基本保持稳定（图4），森林、耕地、人工表面和其他生态系统类型景观格局破碎度减小，湿地景观格局破碎度增大，草地破碎度总体保持稳定。

1985—2013年，闽江上游流域草地和稀疏林等自然生态系统面积持续减少，减小比例超过35%；居住地、工业用地、交通用地和采矿场都保持持续增加，大部分增加的比例超过100%，耕地面积明显减少，减少比例为4.4%；斑块数增加了11.4%，平均斑块面积减少了10.2%，边界密度由21.9 m/ha增加到22.6 m/ha，聚集度指数也由78.3%减少到78.0%（图3），四个指标都表明闽江上游流域景观格局破碎化趋势明显；闽江上游流域人工表面景观斑块面积由原来的10.1 ha增加到15.8 ha，呈增加趋势，城镇化迅速，在城镇化的过程中伴随着自然生态系统的开采、占用和破坏，其他各生态系统的类斑块面积都呈现减少趋势；森林类斑块面积减少了28.1%，草地类斑块面积减少了19.5%，湿地类斑块面积减少了5.2%，耕地类斑块面积减少了24.4%，其他生态系统斑块面积减少了5.2%（图4），森林、草地、湿地、耕地和其他生态系统破碎化趋势明显，只有人工表面景观格局破碎化程度减弱态势，人工表面面积持续增加，尤以2000—2013年增加更为明显。

3.3 讨论

典型区生态系统结构区域特征比较明显：纬度较高、位置接近的岷江上游和白龙江上游流域以森林和草地两种生态系统类型为主，且由于落差大呈现出明显的垂直地带性分布特点；纬度较低、位置接近的赣江上游和闽江上游流域是以森林和耕地两种生态系统类型为主。1985—2013年典型区城镇化进程较快，耕地和人工表面受人为活动干扰变化相对明显，四个典型区人工表面景观格局破碎化程度减小，呈聚集态势，其他自然生态系统结构、景观特征未发生明显变化。30年间典型区生态格局受所处自然条件、社会经济发展和阶段性政策影响明显，从2000年开始我国实施退耕还林还草工程，四个典型区在白龙江上游体现最明显；2000—2013年白龙江上游耕地面积减少，林地和草地增加，岷江上游和闽江上游林地和草地未增加，赣江上游耕地、林地和草地均增加，可能在更大区域上体现出政策影响。

本研究对典型区长时间序列的生态格局监测和评价研究，旨在介绍研究方法和项目研究成果，便于读者利用类似卫星遥感资料，借鉴本研究方法，研究典型区生态格局的时空变化特征，加以应用，为评估山洪和泥石流风险、优化生态结构奠定基础，以利于预防和减轻典型区山洪和泥石流灾害。

4 结论

基于1985年、2000年、2013年的遥感影像，按照典型区生态系统分类体系解译获取生态系统分类数据，构建生态系统格局评价指标体系和计算模型，分析评价岷江上游流域、白龙江上游流域、赣江上游流域和闽江上游流域2013年生态系统结构和1985—2013年生态系统结构和景观特征。

1）2013年岷江上游和白龙江上游流域以森林和草地两种生态系统类型为主，分别占到各自区域总面积的84.9%和83.1%。赣江上游和闽江上游流域是以森林和耕地两种生态系统类型为主，分别占到各自区域总面积的92.6%和93.6%。

2）1985—2013年，典型区自然生态系统面积变化幅度，闽江上游流域相对较大，草地生态系统减少超过35%，其次为白龙江上游流域森林与草地两种生态类型变化幅度小于5%，再次为岷江上游流域森林与草地两种生态类型变化幅度小于2%，赣江上游流域变化最小，森林生态系统变化幅度小于1%。

3）1985—2013年，岷江上游流域区域整体景观破碎化趋势明显，景观类型分布更为分散；湿地和人工表面景观格局破碎度减小，耕地和其他生态系统类型景观格局破碎度增加，森林与草地破碎度总体保持稳定。白龙江上游流域各景观类型分布趋向于聚集，分布更为集中；湿地和人工表面景观格局破碎度减小，耕地景观格局破碎度增大，森林、草地与其他生态系统类型景观格局破碎度总体较为稳定。赣江上游流域整体景观破碎度先增加后减小，1985—2013年破碎化趋势有所减小；森林、耕地、人工表面和其他生态系统类型景观格局破碎度减小，湿地景观格局破碎度增大，草地破碎度总体保持稳定。闽江上游流域整体景观破碎化趋势明显；森林、草地、湿地、耕地和其他生态系统破碎化趋势明显，人工表面景观格局破碎化程度减小呈聚集态势。