許 策, 李 超, 張天柱, 束繼年
(1.中國科學院 地理科學與資源研究所, 北京 100101; 2.中國科學院 生態環境研究中心,北京 100085; 3.中國科學院大學; 4.中國農業大學 資源與環境學院, 北京 100193)
基于地形梯度的河北省懷來縣山地生態系統空間分布及變化特征分析
許 策1,2,3, 李 超4, 張天柱4, 束繼年2,3
(1.中國科學院 地理科學與資源研究所, 北京 100101; 2.中國科學院 生態環境研究中心,北京 100085; 3.中國科學院大學; 4.中國農業大學 資源與環境學院, 北京 100193)
[目的] 從地形梯度角度,對區域生態系統空間分布及變化特征進行分析,提出基于地形梯度的區域生態系統保護對策建議,為制定山區生態規劃及實現山區生態系統的持續、健康發展提供參考。[方法] 以遙感解譯獲得的1993,2003,2013年生態系統類型空間分布數據為基礎,選取高程級別、地形起伏度和坡度變率為地形梯度表征指標,采用分布指數,對區域農田、水域與濕地、森林、草地、聚落和荒漠6類生態系統的地形梯度差異分布情況及優勢位進行分析,并結合1993—2013年各生態系統的服務價值變化特征,探討區域生態系統的保護對策。[結果] 農田、水域與濕地、聚落、草地生態系統集中于低地形梯度區;森林集中于高地形梯度區;荒漠生態系統分布特征隨地形梯度差異不明顯;在低地形梯度區,農田、水域與濕地的生態系統服務價值降低,草地、聚落生態系統服務價值有明顯的增加趨勢;在高地形梯度區,雖然森林生態系統服務價值變化較為劇烈,但總體呈現出持續增加的趨勢。[結論] 在制定針對山地的區域生態規劃時,應考慮對位于優勢位上的生態系統實行特殊保護,禁止被侵占為生態系統服務功能較弱的生態系統服務類型,以保證生態系統能夠持續、健康地提供生態服務。
地形梯度; 生態系統; 空間分布; 優勢位
生態系統服務作為當今社會關注的焦點以及生態學、地理學等學科的研究前沿和熱點,引起了眾多學者與研究組織的廣泛關注。近些年來,隨著社會經濟的快速發展以及土地利用方式的轉變,區域生態系統格局也發生了相應的改變,使生態系統的穩定性、可持續發展受到了嚴峻挑戰。與平原地區相比,山區的生態環境更加脆弱,其社會經濟與生態環境保護的和諧發展顯得尤其重要。山區生態系統格局的改變會使社會的生態安全風險問題更加凸顯,生態系統服務的改變甚至喪失將會使人類面臨著的生存與發展的多重挑戰[1]。
地形是區域生態系統中的重要組成因素,其變化將會影響生態系統內部的物質流動和能量轉化。區域地形特征的差異也會引起土地利用方式的空間差異,進而影響生態系統的空間分布格局[2]。地形梯度逐漸被廣泛用于土地利用格局變化方面的相關研究[3]。
生態系統的內部結構及分布格局反映了不同生態系統的自身特征以及各類生態系統之間的空間結構關系,決定了生態系統服務功能的整體狀況及其空間差異,也為人類因地制宜對不同區域的生態系統服務功能采取不同的保護和利用措施提供了重要依據。近年來,國內外眾多學者對生態系統的空間分布格局及其結構變化開展了一系列相關研究[4-5]。但從地形梯度角度,對區域生態系統格局及空間結構變化情況展開分析的研究較為罕見。
本文擬從高程、地形起伏度、坡度變率3個方面,揭示研究區生態系統在地形梯度上的分布特征及不同地形梯度上的區域生態系統服務價值變化,并提出基于地形梯度的區域生態系統保護對策建議,以期為山區生態規劃的制定及實現生態系統的持續、健康發展提供參考。
懷來縣坐標地處115°16′—115°58′E,40°04′—40°35′N,位于張家口市東南部,緊鄰北京市昌平區和延慶區,距離北京市中心約100 km,土地面積約1 973.18 km2。由于地處燕山山脈西北側,永定河上游,屬于中溫帶半干旱區,光照充足,降水稀少,生態環境較為敏感、脆弱。懷來縣境內主要地貌類型為河川平原、丘陵和山地等,其南部和北部多為山地,占全縣面積的絕大部分,中部夾有山間盆地,海拔大致在320~1 954 m。懷來縣作為北京及其周邊地區的綠色屏障和生態緩沖區,其生態環境狀況對北京地區的生態安全問題有不可忽視的影響。
2.1 數據獲取與處理
地理空間數據云網站下載獲得1993,200與2013年空間分辨率為30 m的懷來縣Landsat TM/ETM+影像以及空間分辨率為30 m的DEM圖,考慮研究區的氣候特點,并保證影像的清晰,因此,影像選擇在8—9月。以生態系統分類方法、土地遙感調查分類標準為基礎,結合研究區生態系統分布特征及《中國5 a間隔陸地生態系統空間分布數據集》,將懷來縣生態系統類型劃分為森林生態系統、農田生態系統、草地生態系統、聚落生態系統、水體與濕地生態系統、荒漠生態系統6個生態系統(表1)。將Landsat影像經大氣校正、輻射定標、投影變換、掩膜提取等預處理后,采用監督分類并結合人機交互的方法完成遙感影像的生態系統解譯分類,并利用實地隨機選取若干樣點進行實際測量的數據來檢驗解譯精度,最后利用混淆矩陣法進行精讀評價,結果表明1993,2003與2013年3期遙感影像的解譯分類精度分別為83.83%,83.21%和87.69%。運用ArcGIS軟件對DEM影像進行空間分析得出地形起伏度、高程、坡度變率、地形位指數分布圖。
2.2 研究方法
2.2.1 地形梯度等級劃分 綜合考慮地形因子的可定量性和對生態系統空間分布及變化的影響程度,選取高程(altitude)、地形起伏度(landform relief)、坡度變率(slope change rate)分析地形對生態系統類型空間分布及變化的影響[6]。其中,高程級別數據可運用ArcGIS對DEM圖進行重分類獲得[7];地形起伏度數據可運用ArcGIS柵格鄰域分析工具計算獲得[8];地面坡度變率數據可依據坡度計算原理,利用ArcGIS軟件在坡度分布圖的基礎上再次求取坡度。

表1 懷來縣生態系統類型劃分與《全國遙感監測土地利用覆蓋分類體系》對照
結合研究區地形特點,本文對高程、地形起伏度、坡度變率因子進行分級(表2)。采用等間隔重分類法[9]對地形位指數(0.69~3.03)分為10級,并將這10個地形位級別分為低、中、高3個梯度。運用ArcGIS空間分析功能,對各地形因子進行重分類,統一輸出分辨率30 m的柵格數據(本文將柵格計算中地形因子劃分的等級視為地形分區)。

表2 懷來縣高程、地形起伏度、坡度變率分級及面積比例
2.2.2 地形梯度表征指標 為消除面積差異產生的量綱影響,采用分布指數(distribution index, DI)反映研究區各類生態系統在不同地形梯度的分布特征,公式如下[10-11]:
(1)
式中:P——分布指數;e——地形因子,分別為地形起伏度、坡度變率、坡向和地形位;Sie——e地形因子特定等級下的i類生態系統的面積(hm2);Si——i類生態系統的面積(hm2);Se——整個研究區e地形因子特定等級下的全部生態系統總面積(hm2);S——研究區總面積(hm2)。分布指數變化越小,表明某類生態系統分布與標準分布的偏離越小,其對地形差異的適宜性越大;反之,則表明某類生態系統的分布對地形條件的選擇較為苛刻[12]。當p=1時,表示某類生態系統在某種地形上的比重等于該類生態系統總面積在研究區的比重;當p>1時,表明某類生態系統在該地形上的比重大于該類生態系統總面積在研究區的比重,故將p>1的區間設定為該生態系統的優勢位。
2.2.3 生態系統服務價值測算 參考謝高地等[13]研究成果,單位當量因子的經濟量為全國平均糧食單產市場價格的1/7,中國2005年單個生態系統價值當量的經濟價值為707.92元/hm2,結合2006年《河北省統計年鑒》的相關數據,計算得出2005年河北省平均糧食產量為4 683.35 kg/hm2。2005年全國平均糧食產量為5 896.50 kg/hm2,據此對全國生態系統服務價值當量價值進行系數修正,并通過2005與2013年間CPI指數修正物價水平間的差異,確定懷來縣2013年單個生態當量的價值為732.95元/hm2。由于陸地生態系統單位面積生態系統服務價值系數=單位當量價值×當量,因此借助中國陸地生態系統服務價值當量價值表[14],計算得出單位面積各生態系統服務功能價值系數(VC),結合生態系統空間分布數據,可得出研究區生態系統服務價值量。具體公式為:
(2)
式中:ESV——生態系統年服務總價值(元/a);Ai——研究區第i種生態類型的分布面積(i=1,2,…,5,為生態系統類型)(hm2); VCi——第i種生態系統服務價值當量〔元/(hm2·a)〕。
根據研究區的特點,以上述Costanza的計算模型為基礎,建立區域生物量差異性系數S,適當修正干擾生態系統服務價值的某些因素[15-16],更改后的計算模型如下:
(3)
式中:fi——研究區內i類生態系統的區域生物量差異性系數。下同。
生態系統服務功能的大小與其生物量密切相關,生物量越大,生態服務功能越強。分別從《中國1∶100萬植被類型圖》和全國NPP數據中提取研究區生態系統類型和生物量數據,疊加得到研究區和全國生態系統平均生物量數據,利用區域生物量差異系數對各生態類型的生態服務價值進行空間修正,假定生態系統服務功能大小與生物量大小成線性關系,用區域生物量差異性系數來定量表達生物量大小對生態服務功能的影響,公式如下:

(4)
式中:Ci——研究區i類生態系統的平均生物量;C——中國一級 類生態系統類型平均生物量。
3.1 基于地形梯度的生態系統空間分布特征分析
運用ArcGIS的raster calculator功能,將通過遙感解譯的各年份生態系統類型空間分布圖與DEM高程分級圖進行疊加,得出各年份生態系統類型的高程梯度差異分布情況(表3)。從生態系統類型分布上看,隨著高程級別的上升,水域與濕地生態系統的面積和分布指數呈下降趨勢,且變化幅度最大,在300~500 m高程級別上的分布指數均>5,是絕對優勢的生態系統類型,而高程上升到500 m以上時,其分布指數降低至<0.4,說明水域與濕地生態系統類型對高程的適應性較差。
隨高程級別的上升,農田、聚落、草地及荒漠生態系統的面積呈現先上升后下降的變化趨勢,其中,農田和草地生態系統的優勢位分布在300~500和500~700 m高程級別上;聚落生態系統除1993年的優勢位在300~500 m高程級別上外,其余2個年份的優勢位均在500~700 m高程級別上,說明在500~700 m高程級別上的人類活動最為活躍;荒漠生態系統的優勢位分布在500~1 100 m高程級別上,而且在700~900 m高程級別上達到最優,以未利用地為主;森林生態系統作為懷來縣分布面積最大的生態系統,主要分布于高程>900 m的區域,而且在900~1 100和1 100 m高程以上的優勢位顯著,該區域應作為生態環境重點保護區域。

表3 懷來縣1993-2013年各生態系統的高程梯度差異
地形起伏度是表征地貌類型的重要指標,運用ArcGIS的Raster Calculator功能,將通過遙感解譯的各年份生態系統類型空間分布圖與地形起伏度圖進行疊加,得出各年份生態系統類型的地形起伏度梯度差異分布情況(表4)。從各個生態系統的分布來看,不同生態系統類型在不同地形起伏度上的分布表現出明顯的梯度變化特征。地形起伏度在30 m以下和30~70 m的區域是水域和濕地生態系統的優勢位,地形起伏度超過200 m的區域很少再有水域和濕地的分布;森林生態系統的面積以及分布指數與地形起伏度級別呈現明顯的正相關趨勢,其優勢位分布于70~200和200 m以上的起伏度級別上;農田面積及其分布指數與地形起伏度的級別的呈現明顯的負相關趨勢,其優勢位在30 m以下的起伏度級別上,在優勢位范圍內3個不同時點的分布指數分別為2.27,2.27,2.30,均高于同期其他5類生態系統的分布指數,這表明農田生態系統在0~30 m地形起伏度級別上具有相對較強的穩定性和適應性;聚落生態系統和和草地生態系統的面積和分布指數均與地形起伏度級別呈負相關,其中聚落生態系統的優勢位分布于0~30 m起伏度級別上,表明人類的生產建設活動大多都在此起伏度范圍內;草地生態系統的優勢位分布于0~30和30~70 m起伏度級別上;比較特殊的是荒漠生態系統,因為荒漠生態系統除了包括沙地、戈壁、鹽堿地等還包括裸地和裸巖,所以其在30~70,70~200及200 m以上的起伏度級別區域均有分布。

表4 懷來縣1990-2010年各生態系統的地形起伏度梯度差異
運用ArcGIS的Raster Calculator功能,將通過遙感解譯的各年份生態系統類型空間分布圖與坡度變率圖進行疊加,得出各年份生態系統類型的坡度變率梯度差異分布情況(表5)。
從生態系統類型分布上看,隨坡度變率的增加,各生態系統呈現出明顯的坡度變率梯度分布特征,農田、聚落和草地的優勢位均分布在0°~2°和2°~6°兩個坡度變率級別上,森林和荒漠的優勢位則分布在大于6°的坡度變率級別上,水域與濕地的優勢位主要分布在0°~2°和2°~6°坡度變率級別上,但在2003年之后,6°~15°上也成為其分布的優勢位。
3.2 基于地形梯度的生態系統服務價值時空變化分析
以遙感解譯獲得的生態系統空間分布圖為基礎,運用生態系統服務價值計算公式,分別計算1993,2003,2013年懷來縣生態系統服務價值,計算得到1993—2013年懷來縣生態系統服務價值變化,分別與DEM高程分級、地形起伏度、坡度變率疊加,匯總得出基于地形梯度的生態系統服務價值變化情況(圖1)。

表5 懷來縣1993-2013年各生態系統的坡度變率梯度差異
圖1a為1993—2013年不同高程級別上的生態系統服務價值變化情況。農田、水域與濕地生態系統服務價值在各高程級別上均表現為持續減少,其中農田、水域與濕地分別在500~700和300~500 m高程級別上的減少量最為明顯,20 a間分別減少了2 941.42萬元和1.42億元;森林、草地、聚落生態系統服務價值在各高程級別上均表現為持續增加,其中森林、草地、聚落分別在1 100 m以上、300~500和500~700 m高程級別上的增加量最為明顯,20 a間分別增加了3 955.07,1 920.62和496.74萬元;荒漠生態系統服務價值與其他5個生態系統相比,在各高程級別上的變化規律不太明顯。
圖1b為1993—2013年不同坡度變率級別上的生態系統服務價值變化情況。農田、草地、水域與濕地、聚落生態系統服務價值量在0°~6°坡度變率較小的區域變化較為劇烈,其中,農田、水域與濕地在0°~6°坡度變率級別上的價值量持續減少,20 a間分別減少了3 613.02,1.38億元;草地、聚落在0°~6°坡度變率級別上的價值量持續增加,20 a間分別增加了3 575.84,556.17萬元。森林生態系統服務價值量在6°以上坡度變率較大的區域變化較為劇烈,20 a間共增加了6 184.50萬元。從懷來縣整體來看,在0°~6°坡度變率級別區域的生態系統服務價值量呈減少趨勢,20 a間共減少了1.26億元;而在6°以上坡度變率級別區域的生態系統服務價值量呈增加趨勢,20 a間共增加了5 950.45萬元。草地在300~500 m高程級別上的增加量,水域與濕地生態系統的價值量持續減少,20 a間減少了1.42億元;草地生態系統的價值量增加明顯,20 a間增加了1 920.62萬元。在500~700和700~900 m高程級別上,生態系統服務價值變化情況較為相似,其中農田生態系統的價值量表現為持續減少,20 a間共減少了3 805.60萬元;森林、草地生態系統的價值量持續增加,20 a間共增加了2 692.85萬元。
圖1c為1993—2013年不同地形起伏度級別上的生態系統服務價值變化情況。在0~30 m低起伏度級別區域,各生態系統的價值量均有所增加,20 a間共增加467.82萬元;在30 m以上起伏度級別區域,各生態系統的價值量變化產生分異,農田、水域與濕地、荒漠的價值量持續減少,20 a間分別減少了4 406.81萬元、1.50億元、279.64萬元;森林、草地、聚落的價值量持續增加,20 a間分別增加了6 622.22,7 456.80和643.11萬元。從各生態系統的價值量變化來看,森林生態系統在200 m以上起伏度級別上的價值增加量最為明顯、農田、水域與濕地在30~70 m起伏度級別上的價值減少量最為明顯。

圖1 基于地形梯度的1993-2013年懷來縣生態系統服務價值空間變化
3.3基于地形梯度的區域生態系統保護對策建議
1993—2013年,懷來縣生態系統服務價值總量呈減少趨勢,20 a間共減少6 631.07萬元。生態系統服務價值持續降低,說明當前生態系統的空間分布格局不利于當地生態文明建設。高地形梯度區,由于人為干擾較少,加之近年來荒山治理、封山育林、退耕還林等政策的實施,使得生態系統服務價值量有所增加,說明高地形梯度區的生態系統運行良好。因此,造成懷來縣生態系統惡化的主要原因,在于低地形梯度區域生態系統的不合理利用。從生態系統服務價值變化特征來看,低地形梯度區由于人為活動較為劇烈,建設用地的不斷擴張,導致農田、水域與濕地、森林、草地等生態系統服務價值量較高的區域不斷被侵占,是造成低地形梯度區生態系統服務價值減少的根本原因。例如在0°~6°低坡度變率級別上,1993—2013年農田、水域與濕地面積共減少了約10 828.12 hm2,但與此同時,聚落面積增加了5 316.05 hm2,這直接導致生態系統服務價值降低了約1.68億元。
從前文研究可以看出,不同生態系統均有其對應的地形梯度優勢位(表6),筆者認為,實現生態系統持續健康發展的必要條件,是要根據各生態系統的地形梯度優勢位,對區域生態系統進行科學、合理空間布局,制定生態規劃,以確保生態系統的穩定性。根據生態規劃的定義:“生態規劃是以生態學原理為指導,以區域生態系統整體優化為基本目標,應用環境科學、系統科學、生態學等多學科的知識來組織、協調生態系統內部各種生態關系,是一種確定資源開發利用和保護的生態適宜性,促進人與生態環境協調、持續發展的規劃方法。”因此,生態規劃必須建立在自然綜合體不做重大變化的前提下進行,故不能將區域各生態系統進行重新布局,應以保護現有適宜于生態系統健康發展的生態類型為規劃思路。建議山地在制定區域生態規劃時,注意對位于地形梯度優勢位上的各生態類型實行特殊保護,禁止被侵占為生態系統服務功能較弱的生態類型,只有這樣才能保證生態系統持續、健康地提供服務。

表6 懷來縣各生態系統的地形梯度優勢位特征
(1) 1993—2013年懷來縣生態系統空間分布隨地形梯度差異呈現明顯的層級性。農田、水域與濕地、聚落、草地生態系統集中于低地形梯度區;森林集中于高地形梯度區;荒漠生態系統分布特征隨地形梯度差異不明顯。
(2) 1993—2013年懷來縣生態系統服務價值變化隨地形梯度差異呈現明顯的空間分異特征。在低地形梯度區,農田、水域與濕地的生態系統服務價值降低,草地、聚落生態系統服務價值有明顯的增加趨勢;在高地形梯度區,雖然森林生態系統服務價值變化較為劇烈,但總體呈現出持續增加的趨勢。
(3) 在山區的生態規劃過程中,對位于優勢位的生態系統要考慮實施實施特殊保護,防止其被侵占為生態服務功能較弱的生態類型,以保證生態系統穩定、持續、健康地提供服務。
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DistributionandVariationAnalysisofMountainEcosystemBasedonTopographicGradientinHuailaiCountyofHebeiProvince
XU Ce1,2,3, LI Chao4, ZHANG Tianzhu4, SHU Jinian2,3
(1.InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofScience,Beijing100101,China; 2.ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China; 3.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China; 4.CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100193,China)
[Objective] To provide relevant suggestions for regional ecosystem protection and sustainable development based on topographic gradient via analyzing the spatial distribution of regional ecological system and the variation characteristic of it. [Methods] Topographic gradient index was referred to elevation level, topographic relief and slope variation rate. Distribution index was used to designate topographic gradient distribution and dominant position of cultivated land, waters and wetlands, forestland, grassland, settlement and desert and was analyzed using the data of ecosystem-type-based space distributions in the years of 1993, 2003 and 2013 which was acquired by remote sensing interpretation. Finally, the variations of each ecosystem service item in the years of 1993—2013 were analyzed to provide relevant suggestion for ecological protection. [Results] Cultivated land, waters and wetlands, settlement and grassland mainly distributed on low terrain gradient area; forestland distributed on high terrain gradient area; the distribution characteristic of desert ecosystem was not significantly influenced by gradient. In low terrain gradient area, the values of ecosystem service of cultivated land, waters and wetlands decreased while the values of grassland and settlement showed increasing trends. In high terrain gradient area, the value of ecosystem service of forestland increased as a whole but changed dramatically. [Conclusion] To make plan for regional ecological system of mountain land, the protection for the ecosystem at dominant position should be taken into consideration to prevent it from being replaced by those ecosystem service types having weak ecosystem service function, and to keep it sustainable and healthy in providing ecosystem service.
topographicgradient;ecosystemsystem;spacedistribution;dominantposition
A
1000-288X(2017)05-0198-07
X321
文獻參數: 許策, 李超, 張天柱, 等.基于地形梯度的河北省懷來縣山地生態系統空間分布及變化特征分析[J].水土保持通報,2017,37(5):198-204.
10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.033; Xu Ce, Li Chao, Zhang Tianzhu, et al. Distribution and variation analysis of mountain ecosystem based on topographic gradient in Huailai County of Hebei Province[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(5):198-204.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.033
2017-01-26
2017-03-31
國土資源部公益性行業科研專項“環渤海鹽堿土地景觀整治與植物修復技術集成”(201311060)
許策(1992—),男(漢族),河北省保定市人,碩士研究生,研究方向為生態系統服務。E-mail:417716152@qq.com。
束繼年(1966—),男(漢族),安徽省六安市人,博士,研究員,博士生導師,主要從事生態環境治理研究。E-mail:Jshu@rcees.ac.cn。