基于地理国情数据的河南省沿黄区域自然生态系统分布特征

胡婵娟，李双权，郭雷，杜军，刘鹏，任杰

(河南省科学院 地理研究所，河南 郑州 450052)

黄河作为中华民族的母亲河，本流域和下游流域外引黄灌区拥有全国15%的耕地面积，以约占全国2%的径流量，承载了全国9%的人口[1]。习近平总书记在黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上发表的重要讲话中指出，黄河流域是我国重要的生态屏障和重要的经济地带，是打赢脱贫攻坚战的重要区域，在我国经济社会发展和生态安全方面具有十分重要的地位，保护黄河是事关中华民族伟大复兴的千秋大计[2]。关于黄河的研究由来已久，在水沙调控、水量分配、生态保护等方面已取得众多成果[3-7]。但以往针对黄河流域的研究更多地集中在黄河上游的青藏高原地区、中游黄土高原地区及下游黄河三角洲地区[8-9]，对于黄河中下游的交界区域河南段的研究相对较少，该区域的生态现状及生态学相关研究还有待进一步深入。对生态现状的精准识别和分析是制定生态环境保护对策的基础，同时，不同生态系统分布格局的变化也能够对生态系统服务价值产生直接影响[10]。

河南省作为我国经济地理的中心，处于丝绸之路经济带西向、南向和21世纪海上丝绸之路的交汇点，也是我国东部产业转移、西部资源输出、南北经贸交流的桥梁和纽带，在我国的经济发展中占据重要地位。河南省境内黄河干流流经的省辖(管)市县面积占全省总面积的35.5%，常住人口占河南省常住人口的40.4%，GDP占河南省的53.0%。明确河南省尤其是其沿黄区域自然生态系统的现状和变化，对协调黄河流域生态保护和经济社会高质量发展具有重要的意义。地理国情普查是基于3S技术(遥感技术、地理信息系统和全球定位系统的统称)对我国陆地国土范围内的地表自然和人文地理国情信息进行空间化、定量化普查[11-13]，地理国情数据的优点在于所见即所得，更加直观和精确[14-16]，能够为生态系统变化的研究提供更为精准的数据。因此，本研究借助地理国情数据的分析处理，重点分析河南省沿黄区域自然生态系统空间分布特征及变化趋势，以期为河南省黄河流域生态保护与高质量发展提供科学依据。

1 研究方法与数据

1.1 研究范围

本研究区域涵盖黄河流经的三门峡、洛阳、济源、焦作、郑州、新乡、开封、濮阳等8个省辖(管)市下辖的所有县(市、区)以及滑县，总面积5.92×104km2。河南境内桃花峪(郑州市荥阳市广武镇境内)为黄河中下游的分界点，以上区域称为黄河中游河南段，以下区域称为黄河下游河南段。

1.2 数据来源

本研究中使用的2015年、2019年的地表覆盖分类数据分别来源于2015年河南省地理国情普查数据以及2019年地理国情监测数据。利用WorldView影像数据进行解译，空间分辨率为0.5 m。地理国情普查地表覆盖分类包括种植土地、林草覆盖、房屋建筑(区)、铁路与道路、构筑物、人工堆掘地、荒漠与裸露地、水域等类型。由于地理国情普查分类与自然生态系统的分类不完全一致，文中湿地自然生态系统的变化情况利用了地理国情普查中水域分类的数据进行分析。

1.3 数据分析

利用ArcGIS的Tabulate Area空间叠加分析，计算生成2015年和2019年研究区地表覆盖类型转移矩阵，定量分析地表覆盖类型结构特征与各类型之间的转换特征。通过不同地表覆盖类型面积空间变化、转移矩阵分析2015年和2019年沿黄区域的地表覆盖类型动态变化特征。

2 结果与分析

2.1 河南省沿黄区域林地的分布特征及变化

2019年，河南省沿黄区域林地面积为21 392.28 km2，林地覆盖率为36.12%。如表1所示，以阔叶林和阔叶灌木林为主，二者占林地面积的80%以上。2019年相比2015年，阔叶林、针阔混交灌木林、疏林和稀疏灌丛面积分别减少了1 012.99、330.79、0.13和0.03 km2。乔灌混合林、人工幼林和绿化林地面积增加较为明显，分别增加了270.34、270.33和152.69 km2。

表1 河南省沿黄区域林地类型面积

如图1所示，沿黄区域林地空间分布不均，主要分布在黄河中游河南段区域，三门峡市和洛阳市林地面积之和占沿黄区域林地总面积的70%以上。2015年和2019年沿黄区域林地覆盖率均值分别为37.18%和36.12%，三门峡市、洛阳市和济源市的林地覆盖率高于沿黄区域均值，2019年分别为66.65%、56.14%和57.08%，其余市县低于均值。2019年相比于2015年，沿黄区域林地覆盖率降低了1.06%，沿黄不同市县林地面积均有不同程度下降，其中郑州市、开封市和滑县林地覆盖率下降幅度较高，分别下降了2.46%、1.69%和1.41%。

图1 河南省沿黄区域林地占比及林地覆盖率的变化Fig.1 Changes in the proportion and coverage of forest land along the Yellow River in Henan Province

2.2 河南省沿黄区域草地的分布特征及变化

2019年，河南省沿黄区域草地面积为1 545.39 km2，草地覆盖率为2.61%。草地分为天然草地和人工草地，其中天然草地包括高覆盖度草地(覆盖度大于50%)、中覆盖度草地(覆盖度为20%～50%)和低覆盖度草地(覆盖度为10%～20%)，人工草地包括牧草地、绿化草地、固沙灌草、护坡灌草及其他人工草地。如表2所示，草地类型中以高覆盖度草地为主，平均占草地面积的81.47%，护坡灌草、绿化草地和中覆盖度草地占河南省沿黄区域草地总面积的比例分别为7.13%、6.95%和4.05%；低覆盖度草地、牧草地、固沙灌草和其他人工草地类型共计占沿黄区域草地面积的比例不足0.4%。2019年相比于2015年，中覆盖度草地和牧草地分别减少了19.10和0.17 km2；高覆盖度草地、绿化草地和护坡灌草面积增加较为明显，分别增加了105.88、40.98和19.97 km2。

表2 河南省沿黄区域草地类型面积

如图2所示，沿黄区域草地空间分布上黄河下游河南段高于黄河中游河南段区域，郑州市、新乡市和开封市草地面积之和占沿黄区域草地总面积的近60%，草地占比分别达到了23.87%、19.95%和16.17%。2015年和2019年沿黄区域草地覆盖率的均值分别为2.35%和2.61%，市县中草地覆盖率郑州市、开封市、新乡市、濮阳市和焦作市高于沿黄区域均值，其余市县低于均值。2019年，各市县中郑州市草地覆盖率最高，为4.87%，其次为开封市，为4.00%，排名第三的焦作市草地覆盖率为3.80%。2019年相比于2015年，沿黄区域草地覆盖率整体上提升了0.26%，除三门峡市和新乡市草地覆盖率有所降低外，其他市县均呈增加趋势，其中增加较为明显的市县为开封市、滑县及济源市，分别增加了1.52%、0.75%和0.50%。

图2 河南省沿黄区域草地占比及草地覆盖率的变化Fig.2 Changes in the proportion and coverage of grassland along the Yellow River in Henan Province

2.3 河南省沿黄区域湿地的分布特征及变化

2019年，河南省沿黄区域湿地面积为1 190.74 km2，湿地覆盖率为2.01%。如表3所示，湿地中以河流为主，占整个湿地面积的97.63%。2019年相比于2015年，河流面积和水渠面积分别增加了100.18和2.85 km2。如图3所示，沿黄区域湿地空间分布上黄河下游河南段整体上高于黄河中游河南段区域，市县中洛阳市、郑州市和新乡市湿地占比较高，分别为25.40%、18.09%和13.66%。2015年和2019年沿黄区域湿地覆盖率的均值分别为1.84%和2.01%，济源市、郑州市和濮阳市湿地覆盖率高于河南省沿黄区域均值，2019年分别为4.11%、2.85%和2.70%，其他市县低于沿黄区域均值。2019年相比于2015年，河南省沿黄区域湿地覆盖率提高了0.17%，不同市县湿地覆盖率均呈增加趋势，其中济源市、郑州市和濮阳市增加幅度最大，2019年较2015年分别提高了0.35%、0.29%和0.21%。

表3 河南省沿黄区域湿地类型面积

图3 河南省沿黄区域湿地占比及湿地覆盖率的变化Fig.3 Changes in the proportion and coverage of wetland along the Yellow River

2.4 河南省沿黄区域裸露地的分布特征及变化

2019年，河南省沿黄区域裸露地总面积为314.69 km2，占整个沿黄区域总面积的0.56%。如表4所示，裸露地中以砾石地表为主，占整个裸露地的63.29%，其次为沙质地表，面积占比为23.38%，泥土地表和岩石地表占比较小，分别为6.04%和7.29%。2019年相比于2015年，沿黄区域裸露地覆盖率呈下降趋势，砾石地表、泥土地表、沙质地表和岩石地表分别减少了29.59、15.51、10.91和0.12 km2。

表4 河南省沿黄区域裸露地类型面积

如图4所示，河南省沿黄区域裸露地空间分布上黄河中游河南段整体高于黄河下游河南段区域，不同市县中以中游区域的洛阳市分布最多，占比达到38.31%。对河南省沿黄区域裸露地覆盖率的分析发现，2015年和2019年沿黄区域裸露地覆盖率均值分别为0.63%和0.53%，济源市、洛阳市、三门峡市、郑州市和新乡市裸露地覆盖率高于河南省沿黄区域均值，其他市县低于河南省沿黄区域均值。2019年，济源市裸露地覆盖率最高，为0.98%。2019年相比于2015年不同市县裸露地覆盖率均呈下降趋势，其中以郑州市、济源市和洛阳市降低最为明显，分别降低了0.21%、0.15%和0.12%。

图4 河南省沿黄区域裸露地占比及裸露地覆盖率的变化Fig.4 Changes in the proportion and coverage of bare land along the Yellow River in Henan Province

2.5 河南省沿黄区域不同地表覆盖类型之间的转换特征

2019年相比于2015年，河南省沿黄区域不同的自然生态系统中，林地和裸露地整体呈减少趋势，草地和湿地呈增加趋势。通过进一步对比不同地表覆盖类型之间的转换特征，能够更加明确每种地表覆盖类型减少和增加的面积中主要转变为或者来源于哪种地表覆盖类型。图5中转出面积指一种地表覆盖类型减少面积中分别转变成其他地表覆盖类型的面积，转入面积指一种地表覆盖类型增加的面积中其他地表覆盖类型转变为该地表覆盖类型的面积。2019年相比于2015年，林草覆盖主要由种植土地、人工堆掘地、构筑物转入，主要转出为种植土地、人工堆掘地、房屋建筑、构筑物和水域；2019年的林草覆盖相较于2015年，转入约1 393 km2，转出约1 870 km2，其中林地净减少628.89 km2，草地净增加151.64 km2。2019年河南沿黄区域的水域面积主要由种植土地、林草覆盖、荒漠与裸露地转入，总转入面积约225 km2；水域面积主要转出为种植土地、林草覆盖和荒漠裸露地，总转出的面积约122 km2；2019年相较于2015年，水域面积净增加103.04 km2。2019年的荒漠与裸露地主要由水域、林草覆盖和种植土地转入，主要转出为种植土地、水域，2019年的荒漠与裸露地相较于2015年总转入约63 km2，总转出约119 km2，净减少56.12 km2。

图5 沿黄区域不同地表覆被类型之间的转换Fig.5 Transition between the coverage of different types of land along the Yellow Rive

3 讨论与结论

通过对河南省沿黄区域林地、草地、湿地和裸露地等自然生态系统空间分布及2015年和2019年变化特征的研究，发现不同的自然生态系统的分布存在差异，林草覆盖分布不连续形态明显，林地主要表现为黄河中游河南段高于黄河下游河南段区域且主要集中在三门峡、洛阳两市，草地则表现为黄河下游河南段高于黄河中游河南段区域，这与河南省沿黄区域地形地貌的分布有关，河南省沿黄区域地势大致西高东低，北坦南凹，东西差异明显，从西到东依次由中山到低山，再从丘陵过渡到平原，西部分布有伏牛山地生态区，森林覆盖率整体较高，沿黄区域林地占比较高的三门峡、洛阳均位于伏牛山地生态区。2019年相比于2015年，林地覆盖率整体有所降低，草地覆盖率整体呈增加趋势，由沿黄区域不同地表覆盖的转化特征可以看出，林草转出主要为种植土地、人工堆掘地、房屋建筑、构筑物和水域，以往针对河南省沿黄区域土地利用转化的研究也发现，不同土地利用类型之间转化较为剧烈，且多为耕地与林地的变换[17]。同时，随着城市规模的不断扩展，城市建设侵占了部分林业用地，也造成了林地覆盖率的下降，而草地的增加主要源于高覆盖度草地、绿化草地和护坡灌草面积的增加，与近年来不断加强生态建设，提高绿化水平有关。湿地的空间分布上整体表现为黄河下游河南段高于黄河中游河南段区域，2019年相比于2015年，河南省沿黄区域湿地覆盖率呈增加趋势，与以往的研究结果有一定的不同，可能与数据源及不同的分类标准有关。以往研究表明[18]，在人为干扰影响下，河南沿黄湿地整体受威胁较为严重，湿地面积减少甚至部分湿地直接消失，其中小浪底大坝的建成和运行是主要人为因素之一。裸露地表现为黄河中游河南段高于黄河下游河南段区域。黄河中游裸露地分布较高主要源于砾石地表和沙质地表在该区域分布较广，面积较大，其中砾石地表主要分布在卢氏县、嵩县、洛宁县、辉县、济源市等伏牛山、太行山低山丘陵区域，沙质地表主要分布在黄河大堤内及两侧5 km缓冲区范围内。2019年相比于2015年，裸露地覆盖率呈下降趋势。裸露地的减少与城市的扩张和农业的发展存在密切联系。

针对目前河南省沿黄区域不同自然生态系统的分布特征和变化趋势，未来在该区域应该加强山水林田湖草沙的综合治理，从严约束原生林草覆盖地表向其他用地的转换，提高沿黄区域林草覆盖地表的连片程度和连通程度，下游区域加强对农业生态资源及湿地、保护区、河流水系等重要生态资源的保护和生态提升，尽可能维持区域生态用地空间和功能上的联系。加大伏牛山、太行山等低山丘陵区集中分布的石质荒漠与裸露地生态保护力度，加强地表利用状况动态监测与管理。

本研究虽然对黄河流域中下游河南段生态系统空间分布特征及变化趋势进行了分析，但是地理国情成果与国民经济数据等其他数据在深度整合及挖掘方面还有所欠缺，对于沿黄区域生态系统变化与区域经济与城市发展等方面关系还需要进一步深入探讨。