黄土高原典型地貌区生态系统格局与过程研究

A comparative study on the ecosystem patterns of different landforms in the gully region of the Loess Plateau

摘要

目的 为检验黄土高原生态恢复成效并进行生态系统格局优化，以董志塬（典型的黄土高原沟壑区）和延河流域（典型的黄土丘陵沟壑区）为例，对比研究了黄土高原不同地貌单元的生态系统格局特征及其变化过程。 方法 基于遥感和地面调查数据，采用景观生态学方法和空间分析方法，评估近30 a来黄土高原沟壑区不同地貌条件下的生态系统格局时空变化特征。 结果 农田、森林和草地是黄土高原沟壑区最主要的生态系统类型。其中，高塬沟壑区以农田生态系统为主导，而丘陵沟壑区以草原生态系统为主导；主导生态系统类型同时也是平均斑块规模最高的，但随着人类活动干扰强度的增加，生态系统的破碎化程度逐渐增大。 结论 董志塬植被恢复工程先于延河流域，且初期生态恢复力度较大，而延河流域生态系统类型间的动态演化作用更强烈，生态恢复效果更持久。

Abstract

Objective This study aimed to test the effectiveness of ecological restoration and optimize the ecosystem pattern on the Loess Plateau by comparing the characteristics of ecosystem patterns and their change processes in different geomorphic units.Dongzhiyuan，a typical tableland and gully region，and the Yanhe River Basin，a typical loess hilly gully region，were selected as examples. Method The study utilized landscape ecology approaches and spatial analysis to assess the spatial and temporal characteristics of ecosystem patterns under different geomorphic conditions on the Loess Plateau over the past 30 years.Remote sensing data and ground survey data were employed for analysis. Result Agricultural land，forest，and grassland were identified as the most important ecosystem types in the Loess Plateau gully region.The loess tableland and gully region were predominantly characterized by farmland ecosystems，while the loess hilly and gully region exhibited dominance of grassland ecosystems.The dominant ecosystem type also had the highest average patch size，but ecosystem fragmentation gradually increased with intensified human activities. Conclusion The vegetation restoration project in Dongzhiyuan preceded that in the Yanhe Basin，leading to stronger ecological restoration in the early period (1990~2000).The Yanhe Basin exhibited a stronger dynamic evolutionary effect among ecosystem types.The findings of this study provided insights for optimizing the ecosystem layout of the Loess Plateau and hold significant implications for regional ecological civilization construction and sustainable development.

Graphical abstract

关键词

生态系统格局 / 董志塬 / 延河流域 / 黄土高原

Key words

ecosystem patterns / Dongzhiyuan / Yanhe Basin / Loess Plateau

Author summay

张建香，博士，副教授，主要从事GIS应用与生态评价。E-mail：[e-mail]

生态系统格局（ecosystem patterns）是不同类型生态系统在空间上的排列和组合，包括生态系统类型、数目及空间分布与配置^［1］。生态系统格局研究对于在时间和空间尺度上理解生态系统至关重要。生态系统结构直接影响物质生产、运输、能量循环和物种迁移^［2］。不同地貌条件下，生态系统格局表现出明显差异，地貌过程可以直观表现在生态系统的组成和结构上^［3］。目前有关不同地貌类型生态系统格局的对比研究报道较少。黄土高原沟壑区主要包括黄土高塬沟壑区和黄土丘陵沟壑区，由于黄土土质疏松，极易遭受水土流失，加上新中国成立初期大规模垦殖和过度放牧等人类活动的影响，使该区成为黄土高原水土流失治理和生态恢复建设的重点区域^［4］。为恢复退化生态系统，黄土高原沟壑区自20世纪70年代以来，陆续开展了营造旱作梯田、修建淤地坝和退耕还林还草等一系列大规模的生态恢复工程^［5-6］。同时，由于气温的升高和夏季降水量增加等自然条件的变化，导致植被生长季延长且生长速度加快，加速了黄土高原沟壑区的生态恢复进程，再加上当地居民生活方式的转变，使其生态系统格局发生了显著变化^［7-8］。由于自然地理和社会经济条件的差异，不同地貌区生态工程建设的侧重点不同。例如，在高原沟壑区，由于土层深厚利于梯田建设，而在丘陵沟壑区的沟壑密度大更适合淤地坝建设^［9］。因此，导致不同地貌单元生态格局变化过程和机制尚不清楚。董志塬和延河流域作为黄土高原沟壑区和黄土丘陵沟壑区的典型代表区，成为研究不同地貌区生态系统格局时空变化特征的理想区域（图1）。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区涉及董志塬和延河流域2个区域。董志塬（E 107°27′~107°57′ E，N 35°15′~36°4′）总面积2 813.33 km²，是世界上现存面积最大、保存最完整、土层最厚的黄土塬，被誉为“天下黄土第一塬”^［10］，土壤类型以黑垆土和黄绵土为主^［11］。延河是黄河的一级支流，延河流域（E 108°39′29″~110°28′40″，N 36°22′39″~37°19′12″）地处陕西北部黄河中游的黄土高原地区，总面积7 845.11 km²。这2个区域，年平均温度约9 ℃，年平均降水量约500 mm，属于典型的温带大陆性季风气候^［12］。由于长期的水土流失，伴随季节性干旱，导致土地退化、土壤肥力降低、土地生产力下降以及生态环境恶化，影响区域经济发展和生态文明建设^［13］。

1.2 数据及其来源

为了提取植被指数和进行生态系统类型的划分，基于Google Earth Engine（GEE）平台获取了研究区1980s以来的Landsat遥感影像（Landsat-5 TM；Landsat-8 OLI）（https：//earthengine.google.com/）。基于Landsat影像和全球30 m分辨率的土地利用数据，利用Erdas 9.2的监督分类和非监督分类功能，得到1990，2000，2010，2020年30 m分辨率的生态系统类型图。按照中国生态系统分类标准，共分为农田、森林、草地、灌丛、水域和城镇6种生态系统类型。总体分类精度均超过80%，Kappa系数均大于0.75，影像分类结果良好。

1.3 空间格局特征指标计算

生态系统空间格局特征及其变化可以通过平均斑块面积、边界密度和聚集度指数等来表征^［1］。其中，平均斑块面积是评估区域内某类生态系统斑块面积的算术平均值，反映该类生态系统斑块规模的平均水平。边界密度指区域内某类生态系统边界与总面积的比例，反映生态系统破碎化程度。聚集度指数表示区域内所有类型生态系统斑块的相邻概率，反映各类生态系统斑块的非随机性或聚集程度。

1.4 生态系统转移矩阵

生态系统转移矩阵用于评估区内各类生态系统的变化方向，反映评估初期各类生态系统的流失去向以及评估末期各类生态系统的来源。转移矩阵，就是将初始年分的生态系统类型作为一个轴，将次年相同类型的数据作为另一个轴，以此组成的对称阵列表。表达式如下：

A_{ij}=\left[\begin{array}{ccc}{A}_{\mathrm{11}}& \cdots & A_{\mathrm{1}n}\\ ⋮& \ddots & ⋮\\ A_{n\mathrm{1}}& \cdots & A_{nn}\end{array}\right]（4）

式中：A_ij 表示生态系统类型i转变为类型j的面积，其中i和j分别表示初始时期和下一时期的生态系统类型^［14］。

1.5 综合生态系统动态度

综合生态系统动态度，反映生态系统综合变化程度的大小，计算公式如下：

EC(\mathrm{\%})=\frac{{\sum }_{i=\mathrm{1}}^n\mathrm{\Delta }EC{O}_{i-j}}{{\sum }_{i=\mathrm{1}}^{n}EC{O}_i}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（5）

式中：EC表示综合生态系统动态度；ECO_i 为期初第i类生态系统类型面积；ECO_ij 即第i类生态系统类型转为非i类生态系统类型面积的绝对值^［1］。

2 结果与分析

2.1 生态系统的构成及其变化

2.1.1 生态系统类型构成比例

农田、森林和草地是黄土高原沟壑区最主要的生态系统类型，超过区域总面积的95%（图1）。其中，董志塬以农田生态系统为主导，占整个生态系统的50%以上，主要分布在区域中心平坦的塬面上。由于塬面长期遭受溯源侵蚀，农田分布呈“鱼骨状”向外延伸。森林和草地生态系统主要分布在区域边缘的沟壑区地带。其中在区域北部以农田和森林为主，区域中部以农田、森林、草地和城镇为主，区域南端河流交汇处以农田和灌丛为主。由于塬面水系不发育，水域占比最低，不足0.5%，主要分布在区域边缘地带。从时间上来看，农田生态系统在1990~2000年减小量最大，减小的部分主要转化为森林和草地生态系统。2000年以后，农田减小幅度不大，主要为城镇用地占用。尤其是2010~2020年，城镇用地扩大到原来的4倍多，占用的耕地相当于退耕还林时期耕地减小量的1/4（图1-A~D）。

延河流域以草地生态系统为主导类型，占比超过57%，其次是农田和森林。草地生态系统的构成比例几乎是董志塬的2倍，主要分布在流域的中上游地区。农田主要分布在流域中下游地区，而森林集中分布在流域南部的边缘地带。延河流域森林占整个生态系统面积的15%，是董志塬森林占比的2.5倍。可以看出，延河流域的农田、森林和草地面积分布比较均衡，在空间上彼此镶嵌，属于典型的农-林-牧交错地带。近30 a来，农田和水域略有减小，森林、草地和城镇生态系统有小幅增加趋势，灌丛基本维持不变，生态系统变化均不超过1%，总体变化幅度不大（图1-E~H）。

2.1.2 生态系统类型面积变化率

生态系统类型面积变化率，可反映不同生态系统类型在一定时间的变化程度。通过比较董志塬和延河流域2种典型区域生态系统的面积变化情况，发现生态系统的变化存在一致性，但更多时候表现出了差异性。

具体而言，农田生态系统以减小为主，其中董志塬在2000年前就呈现出较大幅度的减小，面积减小了16.72%，之后仍在不断减小，而延河流域初期是增加的，1990~2000年增加了2.28%，而后减小了3.61%，在近10 a又出现了小幅度的增加。董志塬森林和草地生态系统呈先增后减的变化趋势，而延河流域则与之相反。值得注意的是，董志塬森林和草地在2000年前就有大幅的增加，尤其是草地，增加了31.89%，是延河流域后期增加率的数十倍。尽管延河流域水域在2000~2010年有增加的趋势，但是水域整体上以减小为主，尤其是董志塬减小幅度更高，近10 a减小率超过50%，大约是延河流域水域减小率的2倍。2个区域近30 a的城镇用地均在持续快速的增加，而灌丛均表现出先增后减的趋势。其中，董志塬的城镇用地在1990~2010年变化率稳定维持在15%，而在近10 a面积变化率高达327.88%，城市化以惊人的速度发展。延河流域的城镇面积变化率由最初的26.41%，增加到63.75%，后又上升到107.36%，属于一种快速稳定的发展模式（图2-A）。

2.2 生态系统空间格局特征及其变化

2.2.1 平均斑块面积

斑块是与周围环境在性质上或外观上不同的生态系统空间实体，具有尺度依赖性^［15］。平均斑块面积能够反映生态系统斑块规模的平均水平。董志塬和延河流域的生态系统类型在平均斑块面积上具有较高的一致性。平均斑块面积由高到低依次是：农田>城镇>草地>水域>森林>灌丛。统计结果显示，董志塬除森林的平均斑块面积低于延河流域之外，其他各类生态系统斑块的平均规模均高于延河流域。尤其是农田，其平均斑块面积在近20 a均超过210 hm²，是延河流域的2~3倍。从时间上来看，农田、草地和城镇的平均斑块面积均有增加趋势，尤其是1990~2000年期间增加最明显。水域的平均斑块面积在持续快速增加，到2020年增加到了原来的3~5倍。其他类型随时间变化不明显（图3-A）。

2.2.2 边界密度

边界密度，表示单位面积的斑块边界长度，能够反映生态系统的破碎化程度^［1］。总体来看，两个区域生态系统类型的边界密度由高到低依次是：草地>农田>森林>灌丛>城镇>水域。其中，董志塬农田的边界密度多在20 m/hm²以上，尤其是1990年高达45 m/hm²，大约是延河流域同期农田边界密度的3倍。草地的边界略高于延河流域，同样在1990年，其边界密度更高，约是延河流域草地的1.7倍。这说明，董志塬农田和草地的破碎化程度均高于延河流域，尤其是1990年，其破碎化程度明显高于延河流域。相反，延河流域的森林边界密度接近18 m/hm²，近30 a来均高于董志塬。但是，随着延河流域森林边界密度的减小以及董志塬边界密度的增加，两者的边界密度差逐渐缩小。说明延河流域森林初期破碎化程度较高，之后逐渐降低与董志塬森林破碎化程度逐渐接近。灌丛的边界密度均在2 m/hm²以内，整体变化不明显。水域的边界密度整体偏小，均小于1 m/ hm²，并呈逐渐减小的趋势。其中，董志塬水域边界密度在研究初期是延河流域的2~3倍，到2020年几乎减小到延河流域的1/2。董志塬的城镇边界密度普遍高于延河流域，但在2020年突然增大，高于延河流域4倍多（图3-B）。

2.2.3 聚集度指数

生态系统聚集度指一定空间范围内，相同类型生态系统斑块在空间上呈现的紧密程度^［1］。董志塬聚集度指数由高到低依次是：城镇>农田>草地>灌丛>森林>水域，而延河流域聚集度指数由高到低依次是：城镇>草地>农田>森林>水域>灌丛。其中，城镇，农田和草地的聚集度指数均比较高，接近于90%。董志塬的农田聚集度指数略高于延河流域，而灌丛的聚集度指数是延河流域的3倍多，明显高于延河流域；相反，延河流域森林和草地的聚集度指数略高。从时间上来看，除延河流域的灌丛略有降低外，聚集度指数均有不同程度的增加。其中，1990~2000年的草地和农田增加较明显，增加了约5%~10%。2010~2020年的水域增加最明显，尤其是董志塬，由63%增加到91%，接近城镇的聚集度指数（图4）。

2.3 生态系统格局总体变化特征

2.3.1 生态系统类型转移矩阵

为了定量描述不同生态系统类型之间的相互转变关系，分别建立了董志塬和延河流域1990~2000，2000~2010和2010~2020年3个阶段的生态系统类型转移矩阵。近30 a来，黄土高原沟壑区生态系统格局发生了显著变化（表1）。其中，董志塬生态系统类型间的主要转化类型依次是：农田转为草地（~380 km²）>草地转为农田（~110 km²）>农田转城镇（~85 km²）>草地转森林（~80 km²）>农田转森林（~25 km²）>水域转农田（~10 km²）>森林转农田（~8 km²）；延河流域生态系统类型间的转化以草地、农田和森林间的相互转化为主，主要转化类型依次是：草地与森林相互转化（~710 km²）>草地与农田相互转化（~620 km²）>农田森林相互转化（~115 km²）>农田转城镇（~55 km²）>草原转城镇（~35 km²）>水域转农田（~15 km²）。

董志塬在1990~2000年期间，农田转为草地的面积高达292.94 km²，占整个时期转化面积的75%以上。草地转农田主要发生在2000年以后，转换面积和期间农田转草地的面积相当。农田转城镇主要发生在2010~2020年，面积高达76.09 km²，约占整个时期面积转化的90%。草地在1990~2000年转为森林的面积为18.91 km²，而在2000年以后的2个10 a，转化面积均达到30 km²。农田在1990~2000年转森林面积为15.25 km²，占整体转化面积的65%，2000年以后转化面积相对较低。水域和森林转为农田的面积在3个时段分布比较均衡，但前者在近10 a转化面积略多，为4.73 km²，而后者在中间一个时段的转化面积更高，为3.23 km²（表1）。

延河流域草地、森林和农田三者之间的相互转化作用十分强烈，尤其是草地与森林以及草地与农田之间的相互转化。其中，草地与森林之间的相互转化作用相当，且在3个阶段逐渐加强，尤其是最后一个阶段，转化面积多达330~340 km²，大约是第一个阶段的2倍。草地转农田与农田转草地的总量虽然基本一致，但是存在较大的时空分异。近30 a来，尽管转化面积逐渐增多，但是1990~2000年和2010~2020年草地转农田多，农田转草地少，而2000~2010年则恰好与之相反。1990~2000年，农田转森林少（~16 km²），森林转农田多（~28 km²），而2000年以后情况发生反转，农田转森林多（34~67 km²），而森林转出的少（29~58 km²）。农田转城镇面积持续增加，由第一个时期的4.15 km²，增加到中间时期的15.89 km²再次增加到最后一个时期的33.20 km²。草原在2010~2020年期间，转为城镇的面积最大（25.73 km²），超过总转化面积的75%。水域向农田转化的面积在各个时期分布较均衡，主要维持在4 km²左右。其他类型之间的转化不明显（表1）。

2.3.2 综合生态系统动态度

综合生态系统动态度评估一定时期内生态系统类型间的转移，反映研究区生态系统类型变化的剧烈程度，便于找出生态系统类型变化的热点区域。董志塬综合生态系统动态度在1990~2000年以及2010~2020年两个时期，由高到低依次是：农田>草地>森林>水域>灌丛>城镇，而在2000~2010年期间，由高到底依次为草地>农田>森林>城镇>水域>灌丛。延河流域综合生态系统动态度在1990~2000年间，由高到底依次为草地>森林>农田>灌丛>水域>城镇； 2000~2010年间，由高到底依次为草地>农田>森林>灌丛>水域>城镇；2010~2020年间，由高到底依次为草地>森林>农田>灌丛>城镇>水域。整体而言，黄土高原沟壑区的农田、森林和草地类型变化最剧烈。特别是1990~2000年董志塬的农田生态系统，其综合生态系统动态度高达11.3%。其次是2010~2020年延河流域的草地生态系统，其动态度为8.87%。除了1990~2000年董志塬农田呈现了极高的动态度，总体上黄土高原沟壑区的综合生态系统动态度均呈增加趋势，且位于丘陵沟壑区的延河流域在近几年动态变化更明显（图2-B）。

3 讨论

农田、森林和草地是黄土高原沟壑区最主要的生态系统类型。其中，高塬沟壑区以农田生态系统为主导，而丘陵沟壑区以草原生态系统为主导，且后者的主导作用更强（图1）。生态系统类型的主导作用受地形的控制。多项研究可以证明，当塬面与沟壑面积比例较高时，更加接近高塬沟壑地貌，因此，以农田为主导生态系统类型^［16］。反之，当塬面与沟壑面积比例过低时，更加接近丘陵沟壑地貌，将逐渐转为以草地为主导生态系统类型^［17-18］。董志塬自1990年开始，农田就发生了大幅度的减小并伴随森林和草地的增加，而延河流域的耕地在2000年后才有明显减小（图2-A~B）。说明董志塬退耕还林（草）工程的实施早于延河流域，且在黄土高原大规模退耕还林（草）工程开始实施前，已经实现了大范围的坡耕地退耕^［17］。

通过对黄土高原沟壑区生态系统格局特征研究发现，农田和草地的平均斑块面积最大，同时其边界密度也最高（图3-A~B）。这说明，黄土高原沟壑区农田和草地生态系统类型的主导优势突出。但随着人口的增多和社会经济的发展，人类活动干扰强度的增加，导致生态系统的破碎化程度逐渐增大^［19-20］。2个区域的城镇聚集度指数均为最高，其次是农田和草地，总体呈增加趋势。同时，由于董志塬以农田生态系统为主导，其聚集度指数较草地更高，而延河流域以草地生态系统为主导，因此草地的聚集度高于农田（图1，图4）。简而言之，由于黄土高原沟壑区城市发展受地形条件的限制较大，城镇生态系统本身具有极高的聚集性，而主导生态系统类型的聚集度往往仅次于城镇。

研究发现，黄土高原沟壑区的农田、森林和草地生态系统类型变化最为剧烈。其中，高塬沟壑区生态系统类型间的转化以单向转变为主，而丘陵沟壑区主要生态系统类型间均表现出双向转化的态势，而且随时间的变化逐渐增强（表1）。这从侧面反映了以延河流域为代表的丘陵沟壑区，生态系统的演化过程相比董志塬，已进入到一个更高的、相对稳定的阶段。同时，丘陵沟壑区森林和草地之间强烈的相互转化作用，说明生态恢复工程影响下的生态系统格局变化逐渐复杂化，草地森林化和森林草地化同时上演。具体而言，在植树造林和封山育林等政策下，草地逐渐森林化^［17］。而早期过熟人工林的不断增多，以及因水分和养分条件的不足而导致的森林退化，例如“小老树”等现象的出现，导致森林逐渐退化为草地^［21-22］。在气候变化不显著的情况下，黄土高原沟壑区的综合生态系统动态度不断增大（图2-B），说明人类对生态系统的干扰强度在不断加大^［19-20］。此外，农田或草地大量的转为城镇用地，且随时间变化呈快速增加趋势（图1，图2-A）。说明进入21世纪以来，城市化步伐逐渐加快，城市规模不断扩张^{［17，19］}。Deng等^［23］提出了一种评估生态系统服务和城市化之间权衡关系的方法，认为合理范围内的城市化不会对流域尺度上的生态系统服务产生负面影响。

4 结论

大规模人类活动的干扰，导致区域生态系统格局动态变化十分强烈，特别是大面积耕地向林草地的转化，但这种变化具有明显的阶段性。此外，由于人为大规模植树造林和气候变化的等原因，草地森林化和森林草地化同时上演。研究发现，相对黄土丘陵沟壑区，黄土高塬沟壑区最先开展植被恢复工程。其中，最先开展生态恢复的高塬沟壑区，初期生态恢复力度大，但维持时间短，特别是后期由于城镇用地不断扩张、水资源短缺等问题逐渐凸显，生态恢复效果难以维持。相对生态恢复较晚的丘陵沟壑区，生态恢复工程建设的强度虽有减弱，但生态恢复工程更具连续性，不同生态系统类型之间的相互作用更强烈，生态系统的复杂性和稳定性更高。尽管随着城市化的推进，农田大量的被城镇用地占用，但合理范围的城市扩张，不会对生态系统服务产生明显影响。

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基金资助

国家社会科学基金项目(22XZS022)

甘肃省自然科学基金项目(23JRRM0757)

甘肃省科技计划软科学专项(21CX1ZM343)

甘肃省高等学校科研能力提升项目(2019B-155)

甘肃省哲学社会科学规划项目(2021YB120)

庆阳市科技计划项目(QY-STK-2022A-135)