基于遥感的常熟市2018—2022年生态系统变化分析

屠长达，刘汉湖，罗清渠

（成都理工大学地球科学学院，四川成都 610059）

生态系统是人类生存和社会经济可持续发展的基础，是由不同的生物群落及其生存的自然环境共同构成的[1]。生态系统一般是动态的，会根据不同时期不同的生物环境组合发生一定程度变化，往往造成这种情况发生的原因主要是人类对生态系统资源的开发利用，不同程度的人类社会活动便会造成这种生物环境的重新组合。定期开展生态系统状况监测与评估，可以系统地掌握地区生态系统状况及变化特征，提高本地区的生态监测管理水平，促进本地区经济与生态文明和谐发展[2]。

评价生态系统主要是从生态系统格局与质量两方面进行。而生态系统格局与质量直接影响生态系统服务功能的变化，研究生态系统格局和质量的时空变化对于生态保护、实现生态资源可持续发展具有重要意义[3]。生态系统格局主要是研究生态系统的构成、景观格局、破碎度等。相比生态系统质量变化，生态系统类型的变化（或土地覆盖/利用变化）更容易引起察觉和重视；而生态系统质量的变化是隐性的、渐进的，不易察觉，并且涉及范围更广，从而可能对生态系统稳定性、生态系统功能和生态系统服务产生更大影响[4]。生态系统格局演变是当前全球气候变化和环境变化等研究关注的重要内容[5]，基于土地利用的景观格局研究主要集中在指数特征、时空演变、破碎度及驱动因素的分析等方面[6]。傅伯杰[7]指出生态系统服务受土地利用类型的影响，并对不同的土地利用类型、土地利用格局变化和不同利用强度3 个方面引起的生态系统服务变化进行分析[3]。李道宁[2]通过将生态系统分成一级和二级生态系统来研究盘锦市2000—2015年15年间的生态系统格局变化。生态系统质量的评价指标中一般包括植被覆盖度、叶面积指数及总初级生产力。植被覆盖度[8]量化了植被的茂密程度，反映了植被长势，是评价生态系统质量的重要指标。叶面积指数[9]反映生态系统中单位面积上的叶面积大小，可以在一定程度上量化出植被群落的生命力及周边的环境效应，并且也是生态系统中碳循环、水循环、大气循环的重要参数。总初级生产力[10]是在单位时间和面积上绿色植物光合作用所固定的总有机碳量，是评价陆地生态系统质量的重要指标，定量化描述了全球气候变化情况下的碳循环。周鑫[11]通过将植被覆盖度、叶面积指数和总初级生产力作为研究黔中城市群2015—2020 年生态质量的变化的重要评价指标，结合贵州省的生态保护工作系统地掌握了黔中城市群中不同生态系统类型的变化及生态质量变化的具体特征。笔者认为，在评价地区生态系统景观格局中除使用聚集度来评价生态系统的空间格局外，还缺少不同生态系统的破碎度和评价最大优势生态系统来进行佐证，而计算植被覆盖度需要建立相关回归模型且步骤相对较繁琐。

本文使用Fragstats 软件创建模型得到景观分割指数（DIVISION）、最大斑块面积指数（LPI）及聚集度指数（AI）来研究生态系统景观格局；在评价区域内的植被覆盖情况时，根据2021年由生态环境部提出的《区域生态质量评价办法(试行)》[12]中的植被覆盖指数来进行评价，相较于计算植被覆盖度，在保证其科学性的同时简化了计算步骤。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

常熟市隶属于江苏省苏州市，位于江苏省南部，北纬31°33'～31°50'，东经120°33'～121°03'。东北方毗邻长江与南通市隔江相望，东南方与太仓市、昆山市接壤，西临无锡市，西北与张家港市相连。境内地势低平，平均海拔3～7 m，属于长江中下游平原。全市总面积1 276.32 km²，常住人口为169.24 万人。常熟市资源丰富，降水量充沛，河流水网密集分布，拥有乔木、灌木、药材、草、菌类等200 多种野生植物资源及哺乳类、鸟类等800 余种野生动物。主要水产品有绷鱼、青虾、大闸蟹等数十种。

1.2 数据来源

数据主要包括2018年江苏省常熟市的土地利用类型矢量数据；2022年国产“高分”系列影像一共3幅，可覆盖常熟市全境，空间分辨率为2 m。MODIS 遥感数据，包括：MOD13Q1（植被指数产品），空间分辨率为250 m；MOD15A2（叶面积指数产品），空间分辨率为500 m；MOD17A2（植被总初级生产力产品），空间分辨率为500 m。

1.3 研究方法

1.3.1 交互式遥感解译

交互式目视解译是一种基本的遥感图像解译方法，通过Arcgis10.5 软件结合自己所掌握的经验知识，根据遥感影像上不同地物要素的影像特征来判断其地物要素类别或者所蕴含的地理信息。将2018年土地利用类型矢量文件根据2022年高分影像来进行解译，最终得到2022年常熟市生态系统分类。

根据《全国生态状况调查评估技术规范——生态系统遥感解译与野外核查》（HJ 1166—2021），结合常熟市生态系统组成将土地利用类型分为森林、灌丛、草地、湿地、农田、城镇及其他7大类（见表1）。

表1 常熟市生态系统分类

1.3.2 生态系统转移矩阵

生态系统转移矩阵主要是引用土地转移矩阵的转移模型将其应用到生态系统中，根据同一个地区不同时期的生态系统变化的关系最终求得的一个二维矩阵。通过对得到的转移矩阵进行分析，得到两个时期不同生态系统类型的转化情况。从各系统的面积入手，通过分析不同时期的生态系统转换，可得知最终生态系统用地的结构变化。运用Arcgis10.5 软件获取不同的生态系统用地面积，进行叠加分析并制作转移矩阵。

1.3.3 生态质量评价指标估算

植被覆盖指数。参照《区域生态质量评价办法(试行)》中的植被覆盖指数进行计算：

在公式(1)中，C表示植被覆盖指数；Aveg为植被覆盖指数的归一化系数，参数值为121.165 1；Pi为评价年5—9 月像元NDVI 月最大值的均值；n为研究区范围内的像元个数。

年均GPP、LAI。年均GPP和LAI计算的公式为:

2 结果与分析

2.1 生态系统格局变化

2.1.1 生态系统构成及变化

如表2 所示，2018 年及2022 年的常熟市生态系统均主要以城镇、湿地、农田生态系统为主，3 类生态系统面积合计占比分别为90.202%、90.697%，其他4类生态系统所占比例较小，其中所占比例最小的为其他，占比均为0.004%。2018—2022年，由于常熟市境内生态用地的持续开发，空间面积增长的生态系统仅有城镇生态系统，增长了10.47 km²；其他生态系统空间面积均减少，其中面积减少较多的为草地生态系统和湿地生态系统，分别减少了5.27 km²、2.85 km²。

表2 2018年及2022年常熟市生态系统构成情况

2.1.2 生态系统的变化特征

由表3 及图1 可知，2018—2022 年常熟市主要是以农田转换为城镇、草地转换为农田和城镇及湿地转换为农田为生态系统的变化特征，其中农田生态系统转换为城镇生态系统一共有6.80 km²；草地生态系统转换为农田生态系统和城镇生态系统分别为3.15 km²和2.40 km²；湿地生态系统转换为农田生态系统为2.19 km²。主要原因可能是常熟市城市化发展造成的连锁反应，由于城镇开发而造成了较多的农田被破坏，而为了本地区农业粮食生产则又需要从草地以及湿地中退草还耕或者围湖造田。由图2 可知，2018—2022 年常熟市生态系统转换的斑块在常熟市南部和西南部分布较聚集，而在常熟市北部的生态系统转换斑块则分布较分散。

图1 常熟市生态系统转换面积统计

图2 常熟市生态系统转换分布

表3 常熟市生态系统类型转移矩阵 单位：km²

2.1.3 生态系统景观格局变化

景观分割指数、最大斑块面积指数、聚集度指数是评价生态系统景观格局的重要指标，分别表示了景观格局的破碎度、景观格局的最大优势类型以及景观格局的斑块聚合程度。从表4 可以看出，常熟市生态系统景观分割指数的最大值为1。景观分割指数中除数值为1 的生态系统外，变化较大的为湿地、农田和城镇这几种生态系统，湿地、农田生态系统的景观分割指数上升，城镇生态系统的景观分割指数下降。最大斑块面积指数中较大的主要为湿地、农田和城镇生态系统，这几种优势比较大的生态类型也说明了人类活动较为频繁，较2018年相比，2022年城镇生态系统的景观格局优势变得更为明显，农田和湿地生态系统的景观格局优势则有所下降。聚集度指数中，上升的为灌丛、城镇生态系统，下降的为森林、草地、湿地、农田生态系统，变化较大的为城镇和草地生态系统。通过上述3 类指标对常熟市生态系统景观格局的描述，可以看出2018—2022年主要是各类生态系统向城镇聚集的过程，城镇生态系统的景观破碎度呈下降趋势且景观格局优势更为明显。

2.2 生态系统质量变化

2018—2022 年，常熟市生态系统质量良好。2022年植被覆盖指数、叶面积指数、总初级生产力较2018年均有一定程度下降（见表5），分别下降了2.35，0.17，12.22。生态系统质量各个指标下降的主要原因则是4 年来城镇建设的扩张造成植被用地减少，从而最终导致生态系统的质量下降。

表5 2018—2022年常熟市植被覆盖指数、叶面积指数、总初级生产力变化

3 讨论与结论

2018—2022 年常熟市的生态系统变化主要发生在城镇上，从侧面说明了影响这4 年常熟市生态系统变化的原因主要来源于人口活动迁移造成的城镇化上升。从生态系统的空间格局变化上来看，常熟市4 年间景观斑块破碎化程度呈下降趋势，斑块整体趋向于大斑块演变，斑块数量逐渐减少，城镇生态空间的连通性整体呈上升趋势，城镇景观空间分布较紧凑；从生态系统质量变化上来看，因为4 年内生态系统质量的下降，也从一定程度上反映出了由于城镇化的扩张所造成的植被用地减少。

根据常熟市地方生态系统特色，综合考虑自然资源以及经济因素，提出几点建议：1）常熟市湿地生态系统优势较明显，市内河网也比较发达，在发展农业时可以考虑尝试采用无土农业这种新型农业，在充分利用湿地自然资源的同时也减少了其他生态系统因为开发使用遭到破坏。2）市内拥有尚湖、昆承湖两个较大的湿地公园，且市内湖泊坑塘众多，可根据此特点去建立一些湿地公园，有利于保护常熟市内的动植物资源，既服务市民又可以在一定程度上提高市内的生态质量。3）对市内的森林公园加大保护力度，在对生态系统进行开发时尽量不涉及森林生态系统，严禁随意砍伐树木。4）减缓城镇扩张速度，在城市建设中应该注意规划的合理性，提高土地利用率，合理控制人口增长，减缓城镇生态系统侵占森林、湿地等其他生态系统。5）注意产业结构调整，加大对发展绿色经济、生态产业等环境友好型企业的投资。