附录  调查指标与评估方法

附录 调查指标与评估方法

1.基于一级分类的各类生态系统结构比例

基于一级分类的各类生态系统结构比例是指土地覆被分类系统中，基于一级分类的各类生态系统面积比例。计算方法为

式中 P_ij——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；

S_ij——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——评价区域总面积。

2.基于二级分类的各类生态系统类型结构比例

基于二级分类的各类生态系统类型结构比例是指土地覆被分类系统中，基于二级分类的各类生态系统面积比例。计算方法为

式中 P′_ij——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；

S′_ij——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——评价区域总面积。

3.生态系统类型面积变化率

生态系统类型面积变化率是指研究区一定时间范围内某种生态系统类型的数量变化情况。计算方法为

式中 E_v——研究时段内某一生态系统类型的变化率；

EU_a/EU_b——研究期初及研究期末某一种生态系统类型的数量（例如，可以是面积、斑块数等）。

4.斑块数

斑块数是指评价范围内斑块的数量。计算方法为

应用GIS技术以及景观结构分析软件FRAGSTATS4.1分析斑块数NP。

5.平均斑块面积

平均斑块面积是指评价范围内平均斑块面积。计算方法为

应用GIS技术以及景观结构分析软件FRAGSTATS4.1分析平均斑块面积MPS

式中 MPS——平均斑块面积；

NP——斑块数量；

TS——评价区域总面积。

6.类斑块平均面积

类斑块平均面积是指景观中某类景观要素斑块面积的算术平均值，反映该类景观要素斑块规模的平均水平。计算方法为

式中 N_i——第i类景观要素的斑块总数；

A_ij——第i类景观要素第j个斑块的面积。

7.边界密度

从边形特征描述景观破碎化程度。计算方法为

式中 ED——景观边界密度（边缘密度）；

P_ij——景观中第i类景观要素斑块与相邻第j类景观要素斑块间的边界长度。

8.聚集度指数

反映景观中不同斑块类型的非随机性或聚集程度。计算方法为

式中 C_max——P_ij=P_iP_j/i指数的最大值；

n——景观中斑块类型总数；

P_ij——斑块类型i与j相邻的概率。

9.各生态系统类型变化方向（生态系统类型转移矩阵与转移比例）

借助生态系统类型转移矩阵全面具体地分析区域生态系统变化的结构特征与各类型变化的方向。转移矩阵的意义在于它不但可以反映研究期初、研究期末的土地利用类型结构，而且还可以反映研究时段内各土地利用类型的转移变化情况，便于了解研究期初各类型土地的流失去向以及研究期末各土地利用类型的来源与构成。计算方法为

式中 i——研究初期生态系统类型；

j——研究末期生态系统类型；

a_ij——生态系统类型的面积；

A_ij——研究初期第i种生态系统类型转变为研究末期第j种生态系统类型的比例；

B_ij——研究末期第j种生态系统类型中由研究初期的第i种生态系统类型转变而来的比例。

10.生态系统综合变化率

定量描述生态系统的变化速度。生态系统综合变化率综合考虑了研究时段内生态系统类型间的转移，着眼于变化的过程而非变化结果，反映研究区生态系统类型变化的剧烈程度，便于在不同空间尺度上找出生态系统类型变化的热点区域。计算方法为

式中 ECO_i——监测起始时间第i类生态系统类型面积；

ECO_i——根据全国生态系统类型图矢量数据在ARCGIS平台下进行统计获取；

ΔECO_i-j——监测时段内第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；

ΔECO_i-j——根据生态系统转移矩阵模型获取。

11.类型相互转化强度（土地覆被转类指数）

反映土地覆被类型在特定时间内变化的总体趋势。

对本书中定义的土地覆被类型按照一定的生态意义进行定级，并去除受人类活动影响变化较剧烈且无规律的农田和城镇，得到全国主要土地覆被类型的生态级别。

对土地覆被类型定级后，进行土地覆被类型变化前后级别相减，如果为正值则表示覆被类型转好，反之表示覆被类型转差，并进一步定义土地覆被转类指数，即

式中 LCCI_ij——某研究区土地覆被转类指数；

i——研究区；

j——土地覆被类型j=1，…，n；

A_ij——某研究区土地覆被一次转类的面积；

D_a——转类前级别；

D_b——转类后级别。

LCCI_ij值为正，表示此研究区总体上土地覆被类型转好；LCCI_ij值为负，表示此研究区总体上土地覆被类型转差。

12.植被覆盖度

反映地表植被覆盖状况和监测生态环境的重要指标。计算方法为

植被指数与植被覆盖度有较好的相关性，可以用归一化植被指数（NDVI）来计算植被覆盖度。根据像元二分模型理论，可以认为一个像元的NDVI值是由绿色植被部分贡献的信息与无植被覆盖部分贡献的信息组合而成的，植被覆盖度可根据公式获得

式中 F_c——植被覆盖度；

NDVI——通过遥感影像近红外波段与红光波段的发射率来计算；

NDVI_veg——纯植被像元的NDVI值；

NDVI_soil——完全无植被覆盖像元的NDVI值。

13.相对初级生产力

基于像元（森林、草地）的净初级生产力与该生态系统类型最大净初级生产力的比值。计算方法为

式中 NPPD_i——i像元净初级生产力指数；

NPP_i——i像元净初级生产力，可通过遥感获得；

MNPP_j——j类生态系统顶级群落的净初级生产力，运用生态系统长期定位观测数据或文献研究数据获得。

净初级生产力计算方法为

NPP=APAR（t）×ε（t）

其中

APAR=fPAR×PAR

基本参数与数据来源如下。

参数一：PAR，植被能进行光合作用的驱动能量，其能量为到达地表的太阳总辐射量的一个分量，可以通过下式进行计算获得

PAR=0.48×K₂^↓₄（t）

式中 K₂^↓₄（t）——太阳总辐射量，由FAO（世界粮农组织）公布的技术文档中的经验公式来

计算获得

式中 K₂^↓₄（t）——地外太阳辐射[MJ/（m²/t）]；

G_sc——太阳常数，为0.0820MJm^-2min^-1（相当于1366.67Wm^-2）；

d_r——相对日地距离；

ω_s——日落时角（rad）；

φ——地区纬度（rad）；

δ——赤纬角（rad）；

rad——是弧度单位；

J——儒略日，即某一天是一年中的第几天；

N（t）——潜在或者说最大日照时数；

n（t）——实际日照时数，该数据由气象站点得到。

参数二：FPAR，植被对入射光合有效辐射的吸收比例，研究表明其与比值指数SR之间存在线性关系，即

式中 FPAR_min、FPAR_max——取值与植被类型无关，分别取值为0.001和0.95；

SR_min、SRmax——与植被类型有关，为对应植被类型NDVI的5%和95%的下侧百分位数；

NIR、RED——近红外波段和红波段的反射率。

参数三：ε是指植被将吸收的光合有效辐射（APAR）通过光合作用转化为有机碳的效率。一般认为植被对光的利用效率是随生长季内的环境条件不断变化的，且主要受到温度和水分胁迫的影响。

ε（t）=ε^∗×T₁（t）×T₂（t）×W（t）

式中 ε^∗——最大光利用率（gMJ^-1）；

T₁、T₂——环境温度对光利用的抑制影响；

W——水分影响胁迫系数，用以表达水分因素影响植被对光利用的程度。

T₁、T₂及W均为无量纲参数。其中，T₁和T₂及W分别由下列公式计算获得

T₁=-0.0005（T_opt-20）2+1

式中 T_opt——植被生长季内NDVI值达到最高时的月平均气温（℃）；

T_mon——月平均气温（℃）。

式中 EET——区域月实际蒸散量（mm）；

PET——区域月潜在蒸散量（mm），可由ETWatch计算获得。

14.土壤保持功能评估方法

采用通用土壤流失方程（USLE）计算土壤侵蚀敏感性。潜在土壤侵蚀量与实际土壤侵蚀量之差Ac=R×K×LS×（1-C×P），即为生态系统的土壤保持量，其中潜在土壤侵蚀量为R×K×LS，实际土壤侵蚀量为R×K×LS×C×P，即通用土壤流失方程USLE（Universal Soil Loss Equation）。

（1）降雨侵蚀力因子R

降雨侵蚀力因子R是指降雨引起侵蚀的潜在能力，是土壤流失方程中首要的基础因子。R的大小可以决定一次降雨或多次降雨的量、降雨密度以及持续时间等因素。以流域月降雨量为基础分别计算每一季度的降雨侵蚀力因子，计算公式如下

式中 ——多年平均年降雨侵蚀力[（MJ·mm）/（hm²·h·a）]；

——第k半月的多年平均降雨侵蚀力[（MJ·mm）/（hm²·h）]；

P_dij——第i年第k半月第j日大于或等于12mm的日雨量（mm）；

α、β——回归系数；

——日雨量大于或等于12mm的日平均值（mm）；

P_dl——统计时段内第l日大于或等于12mm的日雨量（mm）；

k——1年24个半月（k=1，2，…，24）；

i——年数（i=1，2，…，N）；

j——第i年第k半月日雨量大于或等于12mm的日数（j=1，2，…，m）；

l——统计时段内所有日雨量大于或等于12mm的日数（l=1，2，…，n）。

（2）土壤可蚀性因子K

土壤可侵蚀因子K是指土壤潜在的可侵蚀度量，反映的是土壤的抗侵蚀能力。其大小受土壤理化性质的影响。采用William等用EPIC模型提出了基于土壤有机质和土壤颗粒分析的K值计算方法，计算方法如下

K=0.1317×{0.2+0.3×exp[-0.0256×S_d×（1-S₁/100）]}×[S₁/（C₁+S₁）]^0.3×

{1.0-0.25×C/[C+exp（3.72-2.95×C）]}×

{1.0-0.7×（1-S_d/100）/[（1-S_d/100）+exp（-5.51+22.9×（1-S_d/100））]}

式中 K——土壤可蚀性因子，为英制单位，乘以0.1317后转换成国际制单位为（t·h）/（MJ·mm·a）；

S_d——砂粒含量百分比；

S₁——粉粒含量百分比；

C₁——黏粒含量百分比；

C——有机碳含量百分比。

（3）地形因子LS

地形因子LS，是指在其他条件相同的情况下，特定坡面（特定坡度和坡长）的土壤流失量与标准径流小区土壤流失量的比值，其值为坡长因子L与坡度因子S的乘积。地形因子的计算采用Arcgis的水文分析模块和地形分析模块进行，通过汇流计算可以得到坡长l，利用坡度分析工具可以得到坡度θ，之后在栅格计算器Raster Calculator中采用以下公式进行计算

式中 LS——需要计算的地形因子；

L——坡长因子；

S——是坡度因子；

l——表示单个象元的坡长（m）；

m——坡长指数，其确定方法如以下公式，其中的t代表百分比坡度；θ则代表象元的坡度。

（4）植被覆盖因子C

植被覆盖因子C是USLE方程中最重要的参数，无纲量，在特定情况下它可以决定土壤侵蚀强度的大小，其大小取决于植被类型、植被长势和植被覆盖度。利用研究区域当年各月中旬的MODIS植被覆盖度数据计算C值。

植被覆盖度因子C的计算在Arcgis软件的Raster Calculator中完成，计算方法如下

式中 C——作物管理及植被覆盖因子，无量纲；

f_v——年均植被覆盖度（%）。

（5）水土保持因子P

水土保持因子P是一个无纲量，它指的是特定水土保持措施下的土壤流失量与相应未采取措施进行顺坡耕作的土壤流失的比值，取值在0～1，值越低代表采取措施的水土保持效果越好。

15.防风固沙功能评估方法

采用防风固沙量综合评估，该模型将防风固沙过程视为三维空间函数并随时间变化，实质上其风沙流失量为瞬间点风沙流失通量对时间和空间积分的平均。模型认为瞬间点风沙流失通量至少是风速、空气相对湿度、土体颗粒平均粒径、土体硬度、植被覆盖度、人为地表结构破损率、坡度的函数，表达式为

在瞬间点风沙流失量和时间空间尺度的统一上，该模型采用积分法解决，最终所得模型公式如下

式中 Q——风沙流失量（t）；

V——风速（m/s）；

H——空气相对湿度（%）；

V_CR——植被盖度（%）；

S_DR——人为地表结构破损率（%）；

d——颗粒平均粒径（mm）；

F——土体硬度（N/cm²）；

θ——坡度（°）。

其中，人为地表结构破损率S_DR的计算公式为

S_DR=S_d/S_o

式中 S_d——被破坏的面积（km²）；

S_o——总面积（km²）。

当地面无地表植被覆盖时其植被覆盖率V_CR为零，计算得到的为潜在风蚀流失量Q₁，即

潜在风蚀流失量与实际风蚀流失量之差Q_P=Q₁-Q_x，即为生态系统的防风固沙量。

16.水源涵养功能评估方法

水源涵养服务功能评估采用水量平衡法，通过降水量、蒸发散量及土壤涵养能力等关系来推算，蒸发散量用等价的径流系数来表达。计算公式为

式中 W_i——典型区域的水源年涵养量（m³）；

P_i——典型区域的多年平均降水量（mm）；

A_i——土地类型的面积（hm²）；

F_i、K_i——该类型的覆盖率与发育度指数；

α——径流系数。

各指标的估算方法如下。

植被覆盖度（f）是指植被（包括叶、茎、枝）在单位面积内植被的垂直投影面积所占百分比，是描述植被群落及生态系统的重要参数。植被覆盖及其变化是区域生态系统环境变化的重要指示，对水文、生态、全球变化等都具有重要意义，而植被覆盖度是衡量地表植被生长状况的一个最重要的指标，同时它又是影响土壤侵蚀与水土流失的主要因子。植被覆盖度在植被覆盖变化研究、生态环境调查、水土保持研究、蒸散量研究以及其他研究领域，都有广泛的应用，是评估土地退化、盐渍化和沙漠化的有效指数。植被生长状态最好的指标数据就是植被指数，其中归一化植被指数（NDVI）和植被覆盖度的相关性最大，因此本次评估采用NDVI（-1≤NDVI≤1）来检测植被覆盖度，求解公式如下

f=（NDVI-NDVI_s）/（NDVI_v-NDVI_s）

式中 NDVI_v、NDVI_s——茂密植被覆盖和完全裸土像元的NDVI值。发育度（K_i）是指与林地成熟度和保护状态有关，原始森林约为1.0，其他地方小于1.0。多年平均降雨量（P）是指典型区多年的所有降水量（包括液态降水和固态降水），没有经过蒸发、渗透和流失而在水平面上积聚的深度，单位为毫米。径流系数（α）是指一定汇水面积地面径流量与降雨量的比值，表示降水量中形成径流的比例。在本书中受资料搜集的限制，以文献研究成果为参考率定K_i与∂值，得到水源涵养评估参数。

17.生物多样性维护功能评估方法

采用生境退化指数和生境质量指数对各重点生态功能区的生物多样性维持功能进行综合评价，即

Q_xj=Hj[1-（D^z_xj/D^z_xj+k^z）]

式中 Q_xj——土地利用与土地覆盖j中栅格x的生境质量；

D_xj——土地利用与土地覆盖或生境类型j栅格x的生境胁迫水平。

栅格y中胁迫因子r（ry）对栅格x中生境的胁迫作用为

（线性）

（指数）

式中 d_xy——栅格x与栅格y之间的直线距离；

d_rmax——胁迫因子r的最大影响距离；

W_r——胁迫因子的权重，表明某一胁迫因子对所有生境的相对破坏力；

β_x——栅格x的可达性水平，1表示极容易达到；

S_jr——土地利用与土地覆盖（或生境类型）j对胁迫因子r的敏感性，该值越接近1表示越敏感；

k——半饱和常数；

H_j——土地利用与土地覆盖j的生境适合性。