河南省生态系统格局评价

文春波， 李双权， 胡婵娟， 钱发军

（河南省科学院地理研究所，郑州 450052）

生态系统格局是指生态系统的空间格局，即不同生态系统在空间上的配置. 通过省域生态系统结构与格局调查与评价，可以摸清一个区域的生态系统基本构成状况和分布、格局等特征，为该区域生态环境保护工作提供技术支持和基本依据.

生态系统格局特征和变化是近年来的研究热点与重点，特别是近年来遥感技术的快速发展，已成为大尺度生态系统研究的重要手段. 遥感影像可以用来定量描述不同生态系统斑块的大小、密度、边缘、形状和空间分布等特征，从而分析研究区域在不同尺度上生态系统格局演变的特征和规律［1-6］. 熊善、高万军和秦昌波等利用遥感分类数据为基础数据源，对长江中游地区2000—2010 年生态系统格局动态变化特征进行了分析，认为空间转移最显著特征为农田生态系统转为城镇生态系统，呈现极端非平衡态势［7］；傅伯杰和张立伟认为，土地利用变化通过对生态系统格局与过程的影响，改变生态系统产品与服务的提供能力，指出了生态系统格局与服务研究趋势［8］；叶鑫、邹长新和刘国华等认为，目前生态安全研究内容多样，缺少相互联系与比较，导致不同区域和不同方法研究条件下存在多种格局［1］；张永生、欧阳芳和袁哲明在省域范围的大空间尺度上分析了华北6省（市）2000—2010年农田生态系统景观格局的变化特征，指出耕地破碎化程度加大，耕地减少的面积主要转变为城镇［9］；刘桢、易敏和廖秀英等利用地理信息系统与遥感技术，对2005—2010 年湖南省永州市锡矿山矿区生态系统空间格局变化特征进行了定量分析［10］；孟楠、韩宝龙和王海洋等以2001 年和2017 年两期高分辨率遥感影像数据为基础，结合实地调研，分析了澳门市城市生态系统格局变化［11］；肖军仓、袁彩凤和张晓果采用水量平衡方程对河南省生态系统的水源涵养功能状况及其空间特征进行了评估，分析了河南省水源涵养功能重要性分级特征，认为河南省水源涵养量总体上呈现南高北低、由东南到西北逐渐递减的趋势，河南省水源涵养极重要区主要集中分布在桐柏—大别山区、大型河流、水库湿地等区域［12］.

以上研究主要通过遥感技术确定区域生态系统斑块分类，分析区域生态系统状况和变化以及特定生态功能的特征评估. 目前，河南省尚缺乏全省尺度上生态系统格局空间分异内容的综合调查与评估，已经开展的国土资源大调查主要围绕耕地和城市开发建设，水利部门的水利普查围绕河流湖泊基本情况，农业部门的农业普查围绕耕地的数量、质量和结构，林业部门的森林调查围绕森林资源和荒漠化问题. 本文通过卫星遥感与地面核查技术相结合，利用河南省土地覆被分类数据，对区域生态系统格局进行评价，为河南省生态环境保护提供基础数据和借鉴.

1 研究区概况

河南省地处中原，是我国东西、南北两个过渡带的交汇中心，具有物种多、区系复杂的生物多样性特征，是生态环境比较脆弱的区域之一. 境内地貌类型多样，处在第二级阶地向第三级阶地过渡带，平原、山地、丘陵分别占总面积的55.7%、26.6%、17.7%；气候复杂多变，处在暖温带与北亚热带的分界线，具有明显的南北过渡性与较强的季风气候特点.

2 数据与方法

2.1 采用指标

采用生态系统结构比例为调查指标，分为基于一级分类的生态系统结构比例、基于二级分类的生态系统类型结构比例. 具体见表1.

表1 河南省生态系统格局调查指标Tab.1 Investigation indicators of ecosystem pattern in Henan Province

2.1.1 基于一级分类的生态系统结构比例 指土地覆被分类系统中，基于一级分类的生态系统面积比例.计算方法为

其中：Pij为土地覆被分类系统中基于一级分类的第i类生态系统在第j年的面积比例；Sij为土地覆被分类系统中基于一级分类的第i类生态系统在第j年的面积；TS为评价区域总面积.

2.1.2 基于二级分类的生态系统类型结构比例 指土地覆被分类系统中，基于二级分类的生态系统面积比例. 计算方法为

其中：P′ij为土地覆被分类系统中基于二级分类的第i类生态系统在第j年的面积比例；Sij为土地覆被分类系统中基于二级分类的第i类生态系统在第j年的面积；TS为评价区域总面积.

2.2 数据来源

基于卫星遥感与地面核查技术相结合，在室内对影像直接解译，通过地面核查工作对内业标绘的地类、界线等内容逐一核实、修正或补充调查，最终获得能够反映调查区域内的土地利用状况的原始调查图件和资料. 使用的遥感数据来源于2015年Landsat TM/ETM 的中分辨率卫星影像（10～30 m），利用遥感影像分类图及其数值编码，获得河南省2015年土地覆盖分类的栅格数据. 土地覆被系统分为二级，一级为6类，对应IPCC 的6 类；二级类型由FAOLCCS 的方法进行定义，共38类基本类型. 基于这38类基本类型，根据河南省的实际土地覆盖类型情况，使用ARCGIS10.2 软件将栅格数据的土地覆盖分类整理为8 类一级生态系统类型（耕地、园地、林地、草地、湿地、人工表面、荒漠和裸地）及33类二级生态系统类型. 土地覆盖分类的栅格数据空间分辨率为30 m×30 m.

2.3 评价方法

根据生态系统土地覆盖分类系统，提取各种生态系统空间结构分布信息，得到河南省生态系统类型与空间分布、各类生态系统构成.通过面积单元统计和景观格局指数，分析河南省各生态系统类型的结构与分布及其生态系统格局特征. 分别以生态系统一级分类和二级分类数据为基础，分析与评价河南省2015 年生态系统景观格局特征［13-16］.

表2 河南省生态系统类型面积统计表Tab.2 Statisticsl of ecosystem types and areas in Henan Province

3 评价结果

河南省生态系统类型有耕地、园地、森林、草地、湿地、人工表面、荒漠、裸地等8个一级生态系统类型，有水田、水浇地、旱地、果园、茶园、有林地、灌木林等33个二级生态系统类型，具体见表2.

3.1 一级分类生态系统

河南省一级分类生态系统构成以耕地、森林、人工表面生态系统为主，共占全省总面积的90.550%. 具体各分类的在面积及其占全省土面积的比例见表2.

从河南省一级分类生态系统的空间分布看（图1），生态系统类型空间分异显著，各生态系统空间分布规律较为明显，总体呈现出东部农田、西部森林的规律. 其中，耕地生态系统主要分布在豫东黄淮海平原、豫北沁河和卫河平原、南阳盆地和伊洛河盆地；森林生态系统主要分布在北部的太行山、西部的伏牛山和南部的桐柏—大别山区，广大平原地区森林生态系统主要为面积小于1 km2的斑状分布，面积大于1 km2的森林主要分布在豫西地区的黄河故道；草地生态系统面积较小，主要分布在安阳西部的太行山脉、三门峡北部、洛阳西北部以及南阳北部；湿地生态系统主要分布在黄河湿地和宿鸭湖等自然保护区.

图1 河南省生态系统一级分类各类型空间分布Fig.1 Spatial distribution of different types of primary ecosystem in Henan Province

3.2 二级分类生态系统

从表2和图1可以看出，河南省二级生态系统构成以水浇地、旱地、有林地、工矿用地、水田5类生态系统为主，共占全省总面积的81.189%. 具体来看：①耕地中水浇地、旱地、水田面积分别占全省土地面积的32.392%、20.551%、6.710%，其中水浇地面积占耕地生态系统面积的54.301%；旱地主要分布在丘陵地区，占耕地生态系统面积的34.451%，说明河南省仍有三分之一的农田没有完备的农田水利设施条件；水田主要分布在淮河以南的信阳市，占耕地生态系统面积的11.248%. ②园地中果园面积占果园生态系统面积的70.560%，全省各地均有分布；茶园主要分布在淮河以南的信阳市. ③森林中有林地面积占森林生态系统面积的71.946%，其中伏牛山南麓、大别山—桐柏山区有林地占森林生态系统比例均在90%以上. ④草地面积很小，主要分布在不适宜乔木和灌木生长的山区，大部分为混杂生长的小片草地，其中天然牧草地面积只占草地生态系统的11.396%. ⑤湿地中内陆滩涂、水库水面、河流水面分别占湿地面积的42.273%、30.167%、20.895%，合计占比为93.25%，而湖泊水面占比很小，只占湿地面积的0.35%，说明河南省作为水资源缺乏的内陆省份，人工水利工程是蓄水的主要方式. ⑥人工表面生态系统中工矿用地、城市、建制镇面积分别占比为65.469%、15.541%、13.989%，说明河南省近年来工业经济发展较快，超过一半的人工表面为工矿用地.⑦荒漠生态系统中全部为沙地，主要分布在新乡、商丘、开封的黄河故道区. ⑧裸地生态系统中裸地占比为98.901%，主要分布在山区；盐碱地很少，仅占全省面积的0.004%，说明多年的去盐碱化工作成效显著.

4 结论

综合以上分析得出以下结论：

1）河南省主要存在8个一级生态系统类型，其中以耕地、森林、人工表面生态系统为主，共占全省总面积的90.550%. 耕地生态系统主要分布在平原、盆地区域，森林生态系统主要分布在太行山、伏牛山和桐柏—大别山区.

2）河南省主要存在33个二级生态系统类型，其中以水浇地、旱地、有林地、工矿用地、水田5类生态系统为主，共占全省总面积的81.189%.

3）有林地占森林生态系统面积的71.946%，其中伏牛山南麓、大别山—桐柏山区有林地占森林生态系统比例均在90%以上；人工表面生态系统中工矿用地占比为65.469%；湿地生态系统中湖泊水面仅占0.35%，占全省面积仅为0.011%.

根据得出的结论认为，未来的研究重点需要关注：①生态系统格局的方法统一. 目前自然资源、环保、农业、水利、林业等多个部门各自掌握一套管辖职权内的数据，需要进一步统一和共享. ②生态系统格局与生态安全研究的进一步结合及生态系统格局与国土开发现状、规划及管理的进一步结合［17-18］. ③加强集监测、评估、预警、调控和管理为一体的信息平台建设，构建以数据库、知识库和方法库等为载体的生态格局决策支持系统［19］.