基于土地利用變化的區域生態系統服務價值評價
——以山東省德州市為例

魏 慧, 趙文武,*, 張 驍, 王新志

1 北京師范大學地理科學學部, 地表過程與資源生態國家重點實驗室，北京 100875 2 北京師范大學地理科學學部, 陸地表層系統科學與可持續發展研究院，北京 100875 3 德州市國土資源局，德州 253073

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基于土地利用變化的區域生態系統服務價值評價
——以山東省德州市為例

魏 慧1,2, 趙文武1,2,*, 張 驍1,2, 王新志3

1 北京師范大學地理科學學部, 地表過程與資源生態國家重點實驗室，北京 100875 2 北京師范大學地理科學學部, 陸地表層系統科學與可持續發展研究院，北京 100875 3 德州市國土資源局，德州 253073

根據德州市2006—2014年土地利用變化數據,運用土地利用動態度指標分析土地利用變化情況,基于陸地生態系統單位面積生態服務價值當量表,結合德州市經濟發展水平進行系數修正,對德州市2006—2014年間生態系統服務價值的時空變化進行分析。研究結果表明：德州市生態系統服務價值總體呈減少趨勢,由2006年的460.92億元減少至2014年的443.47億元,價值變化率為-3.78%,林地和水域面積的減少是該區生態系統服務價值減少的主要原因；德州市各區縣生態系統服務價值空間分異明顯,其中齊河縣生態系統服務價值最高,主要原因在于生態系統服務價值較高的林地和水域在齊河縣廣泛分布；德城區生態系統服務價值減少量最大,經濟發展引起的土地利用結構變化是造成其服務價值大幅減少的主要原因；與生態系統服務總價值變化趨勢相同,研究的時間跨度內德州市生態系統單項服務價值均呈現出不斷減少的變化趨勢。因此,在新一輪土地利用總體規劃中,規劃者應高度重視土地利用變化對生態系統服務價值的影響,優化調整土地利用結構,注重增加生態用地,穩步提升區域生態系統服務價值。

土地利用變化；生態系統服務；價值當量；德州市

土地利用/土地覆蓋變化 (LUCC) 是全球氣候變化和全球環境變化研究中的重要內容,是人類社會經濟活動行為與自然生態過程交互和銜接的紐帶[1- 2]。生態系統服務是指生態系統與生態過程所形成及所維持的人類賴以生存的自然環境條件與效應[3- 5]。它不僅可以作為計算綠色GDP的一個重要指標,而且可以作為衡量某個區域可持續發展狀況的一個直觀視角[6]。

土地利用與生態系統服務相互影響,相互制約。土地利用活動影響著各類生態系統類型、面積以及空間分布格局的變化[1],是生態系統服務功能變化的重要驅動力[7]。生態系統服務的喪失和退化影響著土地利用結構和效率,嚴重影響著人類安全與健康,直接威脅著區域乃至全球的生態安全[8]。因此,在城市化和社會經濟快速發展的大背景下,研究土地利用變化對生態系統服務價值的影響,對于識別區域生態環境變化趨勢、指導土地利用格局優化調整、促進經濟-社會-生態的協調可持續發展具有重要意義[9- 11]。

生態評價是環境評價的重要組成部分,旨在描述和預測人類活動的生態影響[12],生態系統服務價值評價則是量化和分析生態系統服務功能強弱,制定生態環境建設補償政策的重要前提[13]。眾多學者對生態系統服務價值評估的理論方法進行了相關探索。在國際上,Costanza[4]等根據效用價值理論和均衡價值理論等方法計算了全球生態系統服務的經濟價值；此后,Daily[5]對生態系統服務價值的評估綱要進行了詳盡描述；Ronnback[14]、Bolund[15]等進一步探討了生態系統服務價值評估理論和方法,分別對農業和城市的生態系統服務價值進行了評價,對完善Costanza提出的評價模型起到了積極的促進作用；近期,Polasky[16-17]等基于土地利用變化對區域生態系統服務價值響應進行了實證研究。我國學者基于生態系統服務價值評價模型和生態系統服務價值系數[18]等對區域生態系統服務價值進行估算和動態變化分析。如：石龍宇[19]、馮異星[20]、李屹峰[21]、王佳麗[22]等分別以廈門市、瑪納斯河流域、密云水庫及江蘇省環太湖地區為例,對土地利用變化引起的生態系統服務變化進行了價值分析；郭玲霞[23]、張正峰[24]等則從土地整治的角度出發,對土地整治前后區域生態系統服務價值進行了評估。研究表明,生態系統服務價值動態變化可以直觀地反映區域生態環境的變化,但是已有研究對區域生態系統服務價值時空分異的分析相對不足[9]。另外,由于自然環境的異質性以及生態系統服務經濟價值評估的復雜性,為提高價值評估的精確度,在評價某一地區生態系統服務價值時應當結合地區實際進行系數修正[9, 25-28]。

京津冀協同發展是我國當前經濟社會發展中的重大戰略。2015年4月,《京津冀協同發展規劃綱要》正式審議通過。根據該規劃綱要,德州市作為山東省唯一被劃入“京津冀一體化”的城市,承擔著“一區四基地”的戰略地位。其中“一區”是指京津冀南部重要生態功能區；“四基地”分別為產業轉移承接基地、科技成果轉化基地、優質農產品供應基地及高素質勞動力培訓輸送基地[29]。另外,在山東省劃定的5個生態功能區中,德州市生態功能區也被定位為“魯北平原和黃河三角洲生態區”。以上戰略定位要求德州市需要高度重視土地利用變化及其對生態環境的影響,在保持自身生態系統穩定的同時,更好地發揮其在山東省乃至京津冀地區生態系統服務功能的輻射能力。

本研究針對區域自然環境及經濟發展水平的異質性,基于陸地生態系統單位面積生態服務價值當量表,在對山東省德州市不同生態系統進行單位面積價值量核算的基礎上,探討了德州市整體及其各區縣生態系統服務價值動態變化和時空分異特征。旨在通過土地利用生態服務價值的定量化,全面認識德州市生態服務價值的動態變化趨勢,以期服務于土地利用總體規劃的修編完善,為土地利用結構的優化調整提供決策支持,最終實現經濟-社會-生態的協調可持續發展。

1 研究區概況

德州市地處山東省西北部、黃河下游北側,位于E 115°45′—117°36′,N 36°24′— 38°0′。該區屬暖溫帶半干旱季風氣候區,四季分明,冷熱干濕界限明顯。光照資源豐富,年平均日照數2660 h,年平均氣溫12.3℃—13.4℃,年平均降水量585.2 mm。全市土地總面積10356 km2,占山東省土地總面積的7.55%。共轄11個縣(市區)、兩大派出機構和1個經濟開發區,共設鄉鎮134個,是華北、華東重要的交通樞紐,是山東省乃至全國的重要糧、棉、蔬生產基地。2014年,全市總人口570.51萬,其中農業人口287.94萬,非農業人口282.57萬。全市實現地區生產總值(GDP)2596.08億元,三次產業結構為11.1∶51.6∶37.3。

圖1 研究區位置圖Fig.1 Location of the study area

2 數據與方法

2.1 數據來源

圖2 德州市2014年土地利用圖Fig.2 The land use map of Dezhou in 2014

本研究采用的社會經濟數據來源于《德州市統計年鑒》,土地利用數據來源于德州市土地利用變更數據調查。土地分類系統按照 《土地利用現狀調查技術規程》 (1984),面積統計至一級地類,具體包括8類：耕地、園地、林地、牧草地、城鎮村及工礦用地、交通用地、水域和未利用地,圖2為研究區2014年土地利用圖。

2.2 研究方法

2.2.1 德州市土地利用變化分析

土地利用動態度是分析土地利用變化動態的重要指標,是指某研究區一定時間范圍內某種土地利用類型的數量變化情況[9]。其表達式為：

K= (Ub-Ua)×1/T×100%

(1)

式中,K為研究時段內某一土地利用類型的動態度；Ua、Ub分別為研究初期、研究末期某種土地利用類型的數量；T為研究時段,本研究中設定為年。本研究采用土地利用動態度來分析德州市2006—2014年土地利用的動態變化。

2.2.2 德州市單位面積生態系統服務價值的確定

Costanza等提出的生態服務價值化評估方法在中國直接運用存在著一些局限,往往低估或者忽略了某些生態系統服務價值[14]。因此,謝高地等在其生態系統服務價值評估體系的基礎上,分別于2002年和2007年對中國700位具有生態學背景的專業人員進行問卷調查,得出了2002年和2007年“中國生態系統單位面積生態服務價值當量表”。本研究以2007年“中國生態系統單位面積生態服務價值當量表”為基礎,針對德州市社會經濟發展狀況,對單位面積農田每年自然糧食產量的經濟價值進行修正,計算出研究區不同生態系統服務的價值系數表。修正過程為：德州市2006—2014年糧食平均產量為10701.16kg hm-2a-1,2014年山東省糧食平均收購價格為2.61元/kg,考慮到在沒有人力投入的情況下,現有生態系統服務價值是單位面積農田提供的食物生產經濟價值的1/7[9],得出德州市農田自然糧食產量的經濟價值為3990.00元 hm-2a-1。表1是德州市不同生態系統服務價值系數表。

2.2.3 德州市生態服務價值及其變化量估算

本研究基于以下原則,計算德州市生態系統服務價值當量因子：耕地對應農田；園地取森林和草地價值當量的均值；林地對應森林；牧草地對應草地；水域對應水域；未利用地對應未利用地；根據Costanza等學者的估算方法,本研究對城鎮村及工礦用地、交通用地的生態系統服務功能價值不進行估算。據此,可測算出主要土地利用類型單位面積年度生態系統服務功能價值Pi。

生態系統服務價值的計算公式為：

ESV =∑Pi×Li

(2)

ESVf= ∑(Pfi×Li)

(3)

式中,ESV為研究區生態系統服務總價值(元)；Pi為單位面積上土地利用類型i的生態系統服務價值(元 hm-2a-1)；Li為研究區土地利用類型的面積(hm2)。ESVf為研究區生態系統單項服務價值(元)；Pfi為單位面積上土地利用類型i的生態系統單項服務價值(元hm-2a-1)。

表1 德州市不同地類生態系統服務價值系數表(元 hm-2 a-1)

3 結果與分析

3.1 土地利用動態變化

德州市的不同土地利用類型中,耕地所占比例最大,牧草地所占比例最小,各土地利用類型面積從大到小依次為耕地 > 城鎮村及工礦用地 > 水域 > 林地 > 交通用地 > 未利用地 > 園地 > 牧草地。根據2006—2014年德州市土地利用變更數據,計算得到各土地利用類型的面積變化趨勢(圖3)和土地利用動態度(圖4)。

圖3 德州市2006—2014年土地利用變化Fig.3 Change of land use in Dezhou during 2006—2014

圖4 各土地利用類型變化率及動態度Fig.4 Land use dynamic and rate of different types

從圖3中可以看出,上輪規劃實施以來,隨著社會經濟的快速發展,德州市各土地利用類型的面積也發生了顯著的變化。耕地、城鎮村及工礦用地、交通用地面積有所增加,其中城鎮村及工礦用地面積增加最多,為28015.31 hm2,其次為耕地,增加面積為10435.71 hm2,交通用地面積增加量最少,增加3061.89 hm2；園地,林地、牧草地、水域及未利用地面積均呈現減少的趨勢,其中未利用地減少量最大,為18976.22 hm2。從變化幅度(圖4)來看,牧草地和未利用地變化幅度最大；其次是園地、城鎮村及工礦用地；再次是林地、交通用地、水域,最小的是耕地。

3.2 德州市生態系統服務價值變化分析

3.2.1 生態系統服務價值時間變化

運用基于德州市社會經濟發展狀況修正后的單位面積生態系統服務價值系數表(表1)和德州市土地利用變更數據,估算得到2006—2014年德州市生態系統服務價值(圖5)。

據圖5可知,德州市2006—2014年間ESV呈現下降演變趨勢。從2006年的460.92億元減少至2014年的443.47億元,生態系統服務價值降低了17.45億元,價值變化率為-3.78%。其中,除耕地所提供的生態系統服務價值(耕地ESV)有所增加外,其余各地類的生態系統服務價值均呈減少趨勢。耕地ESV增加了3.29億元,增長率為1.65%,；林地ESV減少量最大,共減少9.34億元,占總減少值的45.03%；其次是牧草地、園地和水域,分別減少了3.71、3.53和3.09億元,減少值占比分別為17.89%、17.02%和14.90%；未利用地ESV減少值最小,為1.05億元,占比為5.06%；上述結果的出現可歸因于城鎮村及工礦用地和交通用地等建設用地的快速擴張。建設用地的不斷擴張,導致園地、林地、牧草地和未利用地的逐漸減少。雖然耕地面積增加使得耕地ESV有所增加(城鎮村及工礦用地和交通用地無法進行生態價值量計算,故不計),但是由于耕地的單位面積生態價值遠遠低于水域、林地、園地和牧草地的單位面積生態系統服務價值,且耕地面積的增加量少于這些地類面積的總減少量,因此導致德州市生態系統服務價值總體上呈下降態勢。

3.2.2 生態系統服務價值空間變化

基于德州市不同生態系統服務價值系數表(表1)和德州市各區縣2006—2014年土地利用變化數據,計算得到德州市各區縣的生態系統服務價值變化情況(圖6)。

圖5 2006—2014年德州市生態系統服務價值變化Fig.5 Change of ecosystem service value in Dezhou during 2006—2014

圖6 2006—2014年德州市各區縣生態系統服務價值變化 Fig.6 Change of ecosystem service value in every districts of Dezhou during 2006—2014

圖7 德州市生態系統服務空間分異圖Fig.7 spatial distribution of ecosystem service value in Dezhou

在德州市下設的11區縣中,齊河縣的生態系統服務價值最高,2006年和2014年的生態系統服務價值分別為71.08和69.41億元,分別占生態系統服務總價值的15.84%和15.68%；陵城區、樂陵市和禹城市的生態系統服務價值相對較高,且三者差距不大,占生態系統服務總價值的比例均超10%；平原縣、臨邑縣、寧津縣、夏津縣及武城縣的生態系統服務價值低于上述地區,分別占生態系統服務總價值的9.71%、9.66%、7.37%、7.24%和6.66%；慶云縣和德城區的生態系統服務價值均不足地區總服務價值的5%,對德州市生態系統服務價值的貢獻率最小。

2006—2014年間,除武城縣外,其余各區縣的生態系統服務價值均呈現減少的變化趨勢,但是各區縣的變化幅度不盡相同。其中,德城區生態系統服務價值減少量最大,9年間共減少1.44億元,變化率為6.91%；齊河縣次之,生態系統服務價值共減少1.67億元；變化率為2.35%；樂陵市、慶云縣和臨邑縣的生態系統服務價值變化率均介于1%—2%之間；陵城區、寧津縣、平原縣、夏津縣和禹城市的生態系統服務價值減少量相對較低,9年間分別減少0.5億元、0.32億元、0.42億元、0.13億元和0.18億元,變化率分別為0.92%、0.97%、0.97%、0.4%和0.37%。武城縣的生態系統服務價值由2006年的29.91億元增加至2014年的30.21億元,主要是由于生態系統服務價值較高的水域面積增加所致。

3.2.3 生態系統單項服務價值變化

圖8 德州市生態系統單項服務價值變化Fig.8 Change of single ecosystem service value in Dezhou

基于德州市不同生態系統服務價值系數表(表1)和德州市2006—2014年土地利用變化數據,計算得到2006—2014年德州市生態系統單項服務價值。生態系統單項服務價值變化情況如圖8所示。

從圖8中可以看出,2006—2014年德州市不同類型的ESVf均呈現減少的變化趨勢。其中,水文調節減少量最大,高達3.40億元；其次是維持生物多樣性服務,其ESVf由2006年的55.13億元減少為2014年的52.34億元,減少量為2.79億元；食物生產服務減少量最小,9年間共減少0.50億元。調節服務和支持服務價值系數最高的林地和水域面積減少,是導致調節服務、支持服務大幅減少的主要原因,其中,氣體調節、氣候調節、廢物處理和土壤形成與保護價值減少量分別為 2.22億元、2.19億元、1.93億元和2.17億元。就提供美學景觀服務而言,園地、林地、牧草地等面積都在減少,雖然耕地面積有所增加,但是其提供美學景觀服務的價值系數低,因此,研究區域內提供美學景觀單項服務價值總量也表現為減少趨勢。分別將2006年和2014年各項生態系統服務功能價值按從大到小的順序進行排列,對比兩年的排序結果發現,雖然各項生態系統服務價值量均有所改變,但其排序未變。區域內水文調節、廢物處理和維持生物多樣性服務價值位列前三,食物生產和原材料生產服務價值卻較低。食物生產服務價值排名靠后這一研究結果看似與德州農業大市的發展定位有所背離,實則卻有理可循。據表1可知,在除耕地(農田)以外的其余各地類中,較其他生態系統單項服務而言,食物生產服務價值系數較低、均排名后三位；即便在耕地中,其價值系數也遠遠低于廢物處理和維持生物多樣性的生態服務價值系數。因此,雖然研究區耕地面積所占比例最高,且食物生產服務主要體現在耕地上,但仍不能改變其價值在各生態系統單項服務中排名落后的結果。

4 結論與討論

4.1 結論

(1)本研究基于土地利用動態度指標對德州市2006—2014年土地利用變化情況進行分析,在研究時段內耕地、城鎮村及工礦用地和交通用地面積呈現增加趨勢,其中城鎮村及工礦用地面積增加最多,為28015.31 hm2,其次為耕地,增加面積為10435.71 hm2,交通用地面積增加量最少,增加3061.89 hm2；園地、林地、牧草地、水域及未利用地面積均呈現減少的趨勢,其中未利用地減少量最大,為18976.22 hm2。土地利用變化總體符合德州市重視農業的用地理念。

(2)研究區2006—2014年間生態系統服務價值呈下降趨勢。從2006年的460.92億元減少至2014年的443.47億元,生態系統服務價值降低了17.45億元,價值變化率為-3.78%。研究區ESV的下降,反映了該地區生態系統為人類提供服務能力的下降,說明研究期間德州市土地利用結構的調整從生態效益方面來看不盡合理。因此,在新一輪土地利用總體規劃中,應當高度重視土地利用變化對生態系統服務功能價值的影響,注重增加生態用地,優化調整區域的土地利用結構。

(3)在研究時段間,除武城縣外,德州市其余各區縣生態系統服務價值均呈減少趨勢,區域間的變化幅度表現出一定的差異性。其中,德城區生態系統服務價值減少量最大,9年間共減少1.44億元,變化率為6.91%；齊河縣次之,生態系統服務價值共減少1.67億元；變化率為2.35%；樂陵市、慶云縣和臨邑縣的生態系統服務價值變化率均介于1%—2%之間；陵城區、寧津縣、平原縣、夏津縣和禹城市的生態系統服務價值減少量相對較低,9年間分別減少0.5億元、0.32億元、0.42億元、0.13億元和0.18億元。武城縣生態系統服務價值由2006年的29.91億元增加至2014年的30.21億元,主要是由于區域內生態系統服務價值較高的水域面積增加所致。

(4)2006—2014年間,研究區生態系統各單項服務價值(ESVf)均呈減少趨勢。其中,水文調節ESVf減少量最大,高達3.40億元,這主要是由于水文調節價值系數較高的林地和水域面積減少所致。雖然農業結構調整和土地整治等措施使耕地面積增加量大于減少量,但是從生態角度上看,食物生產服務價值系數最高的耕地面積的增加并沒有帶來研究區食物生產服務價值總量的增加。其原因在于耕地面積增加量顯著少于林地、水域、牧草地及園地面積的減少量,致使區域內食物生產服務價值的減少量總和大于增加量總和,故食物生產服務價值總量整體上呈現出下降的趨勢。經濟發展引起的土地利用結構變化是導致區域食物生產服務價值減少的主要原因。

4.2 討論與建議

土地利用變化改變著生態系統結構和過程,也影響著區域生態系統向社會提供產品和服務能力的大小?；趨^域土地利用變化數據,定量評估諸如土壤形成與保持、維持生物多樣性、氣體調節及食物生產等各項生態系統服務,能從生態系統服務的角度為土地利用規劃及生態環境保護等提供科學的理論依據。

人類活動對生態系統的干擾和破壞,是導致生態系統結構功能脆弱及生態系統服務價值降低的主要原因。研究時段內,德州市城鎮村及工礦用地、交通用地的擴張占用了大量的林地、水域和園地,致使區域生態系統服務價值呈下降趨勢。這不利于維持區域生態系統的穩定,限制著區域生態效益的提高,影響著“京津冀南部重要生態功能區”及“魯北平原和黃河三角洲生態區”作用的發揮,威脅著德州市經濟-社會-生態的協調可持續發展。另外,建立生態環境損害責任終身追究制是推進我國生態文明建設,健全和完善相關體制的重要任務[30]。因此,當地政府管理部門應高度重視土地利用變化對生態環境的影響,將區域生態環境保護同自身業績統一起來,嚴格控制建設用地的低效蔓延。在土地利用過程中,應該采取生態補償機制,繼續開展城鄉建設用地增減掛鉤工作,促進土地集約節約利用,減少因建設用地的增加所引起的區域生態系統服務價值的降低。

另外,德州市作為山東省乃至國家重要的糧、棉、蔬生產基地,保持一定的耕地面積是其作為一個農業大市經濟持續穩定健康發展的基礎。研究時段內,雖然耕地面積有所增加,但區域內食物生產服務價值呈下降態勢。雖然耕地的食物生產服務價值系數最高,但是由于耕地面積的增加量遠遠少于其他地類面積的減少量,致使區域內食物生產服務價值的減少量總和高于增加量總和,故整體上呈現出下降的趨勢。食物生產服務能力的下降不利于德州市保持自身糧食大市的地位,威脅著其未來經濟發展水平的不斷提高。同時,食物生產服務價值的降低也威脅著區域糧食安全。因此,在未來的土地利用過程中,在確保耕地實現動態平衡的基礎上,要堅持數量保護和質量保護并重,把優質耕地和經過土地整治的其他高質量耕地優先保護起來,確保耕地質量不下降；另外,還要逐步調整農業種植結構,協調好農業用地和非農用地的關系,穩步提高區域食物生產服務能力。

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Regional ecosystem service value evaluation based on land use changes: A case study in Dezhou, Shandong Provience,China

WEI Hui1,2, ZHAO Wenwu1,2,*,ZHANG Xiao1,2, WANG Xinzhi3

1StateKeyLaboratoryofEarthSurfaceProcessesandResourceEcology,FacultyofGeographicalScience,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China2InstituteofLandSurfaceSystemandSustainableDevelopment,FacultyofGeographicalScience,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China3DezhouMunicipalBureauofLandandResources,Dezhou253073,China

Land use change conditions were analyzed using the data for land use change in Dezhou City from 2006 to 2014 and land use dynamics indicators. The ecosystem service values per unit area of different terrestrial ecosystems in China were used as a basis to analyze the spatial and temporal variations in the ecosystem service values for Dezhou from 2006 to 2014, after applying a correcting coefficient to the level of economic development. The results indicated that the overall ecosystem service value in Dezhou City decreased by 3.78% from 46.092 billion Yuan in 2006 to 44.347 billion Yuan in 2014. The decrease in forest land and the water covered area were the main reasons for the decrease in ecosystem service value. The spatial differences in ecosystem service values for Dezhou City were significant. The ecosystem service value for Qihe County was the highest because of the wide distribution of forest and water covered areas, which have high ecosystem service values. The ecosystem service value reduction in Decheng District was the greatest. This was mainly due to land use change caused by socioeconomic development. With the same trend of the total ecosystem service value change, the single ecosystem service value showed a declining trend in Dezhou City during the study period. Therefore, the influence of land use change on ecosystem service value is an important factor that needs to be considered in the new round of general land use planning. Furthermore, optimizing and adjusting the land use structure and increasing the ecological land area also need to be considered when attempting to improve the regional ecosystem service value.

land use change; ecosystem service; equivalent value; Dezhou City

教育部創新團隊項目“土壤水文與土壤侵蝕”(IRT_15R06)

2016- 03- 30;

2017- 02- 27

10.5846/stxb201603300581

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhaoww@bnu.edu.cn

魏慧, 趙文武, 張驍, 王新志.基于土地利用變化的區域生態系統服務價值評價——以山東省德州市為例.生態學報,2017,37(11):3830- 3839.

Wei H, Zhao W W,Zhang X, Wang X Z.Regional ecosystem service value evaluation based on land use changes: A case study in Dezhou, Shandong Provience,China.Acta Ecologica Sinica,2017,37(11):3830- 3839.