基于信息熵理論的漢江流域生態系統服務結構特征及時空演化

于海龍, 王宏志, 于長立

基于信息熵理論的漢江流域生態系統服務結構特征及時空演化

于海龍1,2, 王宏志2,*, 于長立1

1. 平頂山學院旅游與規劃學院, 平頂山 4670002. 華中師范大學城市與環境科學學院, 武漢 430079

生態系統服務結構是影響生態系統服務協調穩定及人類福祉可持續性的重要因素。在分析漢江流域1990—2010年生態系統服務價值時空變化的基礎上, 構建了生態系統服務熵模型, 探討生態系統服務結構特征及其時空演變規律。結果表明: (1)研究區生態系統服務總價值由1990年的3059.764億元上升到2010年的3466.84億元, 增加了407.076億元; 空間上表現為東南部及漢江干流周圍地區生態系統服務價值較高, 而東北部及中南部地區相對較低的分布特征。(2)供給、調節、支持、文化四大生態系統服務具有顯著的相關性, 且空間異質性差異較大。供給-調節、調節-文化、支持-文化之間的相關系數均超過了0.58。供給服務價值高的區域, 支持和文化服務價值相對較低; 調節服務受水域和濕地空間分布的影響較大。(3)1990—2010年生態系統服務熵平均值逐漸減小, 由1990年的1.87下降到2010年的1.78, 且空間上與生態系統服務價值呈顯著負相關。雖然該區域生態系統服務總價值增大, 但生態系統服務的類型趨于單一, 其結構的復雜性及穩定性降低; 這一問題應引起人們的高度重視。生態系統服務熵模型可以為流域生態系統服務結構分析提供新思路和方法。研究結果可為區域生態系統服務維護和可持續發展提供決策依據。

生態系統服務; 信息熵理論; 生態系統服務結構; 時空演變

0 前言

生態系統服務是指生態系統形成和所維持的人類賴以生存和發展的環境條件和效用, 為人類直接或間接從生態系統得到的所有收益, 是人類社會賴以生存和發展的資源與環境基礎[1]。1997年, Costanza等第一次對全球17種主要的生態系統服務類型開展系統評估[2], Daily系統地提出了生態系統服務的內容和評價方法[3], 揭開了生態系統服務功能價值研究的序幕。隨后, 生態系統服務逐漸成為了國際生態學和相關學科研究的前沿和熱點領域[4]。生態學相關學者在生態系統服務分類[5]、生態系統服務價值核算[6-7]、生態系統服務的影響機制[8-9]、生態系統服務供需平衡[10]等方面, 對區域生態系統服務價值做了大量研究。

生態系統對人類社會福祉提供的服務是多重的, 并且各種服務之間相互作用相互聯系。生態系統服務的多樣性、復雜性和不確定性構成了生態系統服務的權衡和協同作用, 呈現出復雜的內部結構和相互關系[11]。某一種生態系統服務的變化, 必將影響到其他服務的狀況。例如初級生產力的增加會引起水資源供給和土壤保持的增加[12]。生態系統服務的優化組合及內部結構的穩定可以降低生態系統服務的脆弱性, 減少生態系統服務的充分和可持續供應受到威脅的程度[13]。因此, 通過計算多種生態系統服務價值, 分析生態系統服務的內部結構, 將生態系統服務價值總量與其結構特征兩者聯系起來, 對維護生態系統服務的穩定與健康, 以及生態環境建設、區域可持續發展都具有重要的意義。

不同的生態系統服務由土地利用決定, 其強度具有空間異質性[14]。人類對生態系統產品的需求會引起區域土地利用/土地覆被變化, 進而會加劇生態系統服務之間的結構演變[15]。加強對生態系統服務關系的理解和定量化水平的提升, 將能提升更實際的生態服務價值評估, 改善基于生態系統的管理實踐[16]。生態系統服務的相互作用隨著時間和空間尺度的變化而變化, 但只有少數研究考慮了生態系統服務關系特征的時間變化和空間尺度。此外, 對于生態系統服務內部結構特征及其變化規律還缺少相應的探討。

根據上述背景, 本文以生態系統復雜、人地關系矛盾突出的漢江流域為例, 分析多種生態系統服務之間的相互作用關系及其內部結構特征, 以期為區域生態系統維護及可持續發展提供決策依據。擬探討的科學問題: (1)基于格網尺度, 流域內各生態系統服務具有怎樣的相互作用關系和時空變化特征？(2)引用信息熵理論是否可以描述生態系統服務內部結構的穩定性特征？首先基于多時期土地利用/土地覆被數據, 分析網格尺度多個生態系統服務的時空特征, 并應用相關性分析揭示各生態系統服務間的相關關系; 然后構建生態系統服務熵模型, 評估生態系統服務的結構特征及其時空變化。我們的研究可以增強對多個生態系統服務之間復雜相互作用的理解, 為分析生態系統服務結構相關研究提供新思路和方法。

1 材料與方法

1.1 研究方法

1.1.1 生態系統服務價值

在Costanza等人研究成果的基礎上, 針對中國具體的情況, 謝高地等[6, 17]分別于2002年和2006年共對中國700余位具有生態學背景的專業人員進行問卷調查, 制定出中國生態系統生態服務價值當量因子表; 2015年結合遙感影像數據對NPP和生物量的模擬分析和專家經驗, 修訂得到中國二級生態系統服務價值當量因子表[18]。基于單位面積價值當量因子的生態系統服務價值計算方法, 盡管相對簡單, 但易于廣泛應用。其計算公式如下:

式中,ESV為第個生態系統服務價值, 元;A為第個生態系統服務類型中第類生態系統的面積, hm2;VC為第類生態系統服務價值系數, 元/(hm2·a);為生態系統類型總數。

一個固定區域的生態系統服務總價值為各類型生態系統服務價值之和, 可以表示為:

1.1.2 相關性分析

地理要素之間的相關分析是用來揭示地理要素之間相互關系的密切程度, 可以通過對相關系數的計算與檢驗來測定。在研究生態系統服務關系的各種統計方法中, 相關系數是最常用的指標之一[19]。對于任意兩個要素和, 若其值分別為x與y(=1, 2, …,), 則這兩個要素間的相關系數為[20]:

式中,r為兩要素之間的相關系數, 其值介于區間[–1,1],`和`分別為兩個要素的平均值。r＞0, 表示正相關;r＜0, 表示負相關;r的絕對值越接近于1, 表示兩要素的相關性越高, 越接近于0, 表示兩要素的相關性越低。

1.1.3 生態系統服務熵

生態系統服務熵可以綜合反映一定時期研究區域內各種生態系統服務的組合特征, 進而評價生態系統服務結構的協調性和穩定性, 對區域生態系統優化和調整具有指導作用。對固定邊界的某個區域, 設其總的生態系統服務價值為, 該區域的生態系統服務類型為類, 用ESV表示區域內第類生態系統服務的價值, 則某一生態系統服務類型出現的概率可以用下式表達:

式中,為生態系統服務的信息熵,p為生態系統服務類型中第類服務出現的概率。

信息熵可以用來描述生態系統服務的無序程度, 定量判斷生態系統服務的演化方向。當區域內生態系統服務類型越多, 各種類型生態服務價值越接近, 生態系統服務類型越復雜, 則信息熵值越大, 表明該區域的生態系統服務越協調、穩定; 反之, 則受外界的影響較大, 生態系統服務類型單一。

1.2 數據及來源

1.2.1 研究區

漢江是長江最大的支流, 其水系發育相對完整, 是流域尺度相關研究的理想場所。本文研究區選擇湖北省境內的漢江流域中下游地區, 包括丹江口水庫以下至漢口龍王廟的漢江沿江及取用漢江水源的受水區, 其流域面積為41513.14 km2。研究區涉及襄陽、荊門、孝感、天門、武漢、潛江、神農架、十堰、仙桃9個地級市的18個市、縣(區)(如圖1)。該區是典型的亞熱帶季風氣候區, 年平均降水量800- 1100 mm, 資源要素密集, 生態系統復雜。漢江流域是中國重要的糧食主產區和重要的生態功能區, 承擔著極其重要的生態服務功能。由于長期的生態系統開發利用和巨大的人口壓力, 該區域的生態系統和生態服務功能嚴重退化, 威脅著區域生態系統安全及可持續發展。

1.2.1 數據來源

本文的數據包括兩類: 土地利用數據和基礎圖件數據。

(1) 土地利用數據 土地利用數據為湖北省1990、2000和2010年的土地利用矢量數據集, 該數據是以Landsat TM/ETM/OLI遙感影像(空間分辨率30×30m)為主要數據源, 經過影像融合、幾何校正、圖像增強與拼接等處理后, 通過人機交互目視解譯的方法, 將土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地6個一級類, 25個二級類以及部分三級分類。該數據中耕地和城鄉、工礦、居民用地平均分類精度達到85%以上, 其他土地利用類型平均分類精度75%以上。數據來源于資源環境數據云平臺(http://www.resdc. cn/ Default. aspx)。

圖1 漢江流域(湖北省境內)區位圖

Figure 1 Location of Hanjiang River Basin in Hubei province

(2) 基礎圖件數據 基礎圖件數據包括行政區范圍及研究區(漢江流域)邊界, 各級行政區范圍來源于國家基礎地理信息中心, 漢江流域范圍參考前期關于本區域的研究成果[22]。

1.2 數據處理

(1) 生態系統及生態系統服務分類 參照前期學者土地覆被類型的生態系統分類標準[18], 借助ArcGIS 10.2軟件, 將數據重分類為旱地、水田、林地、灌木、草地、濕地、裸地、水系及建設用地共9類, 即9種生態系統類型(圖2)。本研究將生態系統服務概括為4個一級類型和11種二級類型, 即: 供給服務(食物生產、原材料生產和水資源供給)、調節服務(氣體調節、氣候調節、凈化環境、水文調節)、支持服務(土壤保持、維持養分循環、維持生物多樣性)、文化服務(提供美學景觀服務)。

(2) 生態系統服務價值系數核算 本研究將生態系統生產的凈利潤看作該生態系統所能提供的生產價值, 將單位面積農田生態系統糧食生產的凈利潤當作1個標準當量因子的生態系統服務價值量。具體計算得到2010年標準生態系統生態服務價值當量因子經濟價值量的值為3406.50元/hm2。根據謝高地等最新的態系統服務價值當量因子表[18]及其區域修正系數(湖北省為1.27), 制定漢江流域生態系統服務價值評估系數表(表1)。

2 結果及分析

2.1 生態系統服務價值時空特征

本文將研究區劃分為500 m×500 m的網格單元, 共被劃分為1837個網格, 從而計算每個網格內的生態系統服務價值。1990年、2000年和2010年漢江流域生態系統服務價值如表2所示。結果表明, 研究區生態系統服務價值總量相對較高, 三個年份總服務價值分別為3059.764億元、3239.87億元和3466.84億元。調節功能服務價值最高, 其中水文調節服務價值位列第一, 1990年、2000年和2010年的服務價值分別為1269.90億元、1439.74億元和1634.57億元, 占總價值的41.5—47.15%。其次是氣候調節, 占總價值的12.84—14.45%。水資源供給、生物多樣性、土壤保持、凈化環境、氣體調節占總價值的比例在5.56—7.57%, 五項共占總價值的33%左右。食物與原材料生產、美學景觀、維持養分循環的服務價值量相對較低, 占總價值的0.78—4.23%, 四項共占總服務價值的10.5%左右。

圖2 1990年、2000年、2010年漢江流域土地利用類型

Figure 2 Land use types of Hanjiang River Basin in 1990, 2000 and 2010

表1 漢江流域生態系統單位面積服務價值(元· hm-2·a-1)

注: 其中建設用地不參與生態系統服務價值估算, 研究區內沒有荒漠和冰川積雪用地類型。

表2 1990年、2000年、2010年漢江流域生態系統服務價值量及變化(億元, %)

1990—2010年, 生態系統服務價值呈上升的趨勢, 且上升的幅度趨于增大。1990—2000年生態系統服務價值總量增加180.12億元, 增幅為5.89%, 其中水文調節增加了169.85億元, 而食物生產、氣體調節和維持養分循環的服務價值則分別下降0.93億元、0.33億元和0.12億元, 其他服務功能均有微弱增加。2000—2010年生態系統服務價值增加226.96億元, 增幅為7%, 其中水文調節、水資源供給的服務價值增幅較大, 分別為194.83億元和26.28億元; 而原料生產、土壤保持、維持養分循環的服務價值分別下降了2.6億元、7.46億元和0.07億元。

由于漢江流域大部分地區位于江漢平原, 耕地和水資源豐富, 生態系統服務價值受旱地、水田和水系的影響較大。1990—2010年間雖然耕地資源總量在不斷減少, 但旱地和水田的變化趨勢相反, 旱地面積占比減少了4.62%, 而水田面積占比增加了2.01%; 水體和濕地的面積占比分別增加了1.27%和0.02%; 建設用地面積占比增加1.46%。這一土地利用變化結果, 引起該區域水文調節、水資源供給、凈化環境等功能的增加較為明顯, 且對總服務價值的增加發揮了主導作用; 導致食物生產、原料生產、土壤保持等功能有一定程度的減小, 但其減小幅度較小。

圖3為漢江流域1990、2000和2010年生態系統服務價值的空間分布情況。從空間分布格局上看, 漢江流域生態系統服務價值空間差異較大。高值區主要分布在東南部的江漢平原及漢江沿岸地區, 特別是武漢市、孝感市等水資源豐富的地區。西北地區因林地比例較高而成為生態系統服務價值次高值區。而東北部及中南部部分區域分別因建設用地和農田比例較高而成為生態系統服務價值低值區。由于研究區湖泊及耕地資源豐富, 該地區的生態系統服務價值受水域及耕地影響較大。

從空間變化上看, 1990—2010年漢江流域生態系統服務價值明顯增大, 東南部生態系統服務價值大于3.6億元的區域向南部明顯擴張, 西北部和中南部生態系統服務價值小于0.9億元的區域明顯縮小。西北部地區變化不明顯, 大部分地區的生態系統服務價值處于1.8—2.7億元。

2.2 生態系統服務內部關系

1990—2010年四種生態系統服務之間的相關性如表3所示。三個時期各生態系統服務之間的相關性基本一致, 都呈現在0.01水平雙側顯著相關。供給服務與調節服務呈中等正相關, 相關系數在0.589—0.686, 有增大的趨勢。供給服務與支持服務呈弱負相關, 相關系數在–0.215至–0.253, 供給服務與文化服務的相關性較差, 相關系數在0.108—0.123之間。調節服務與支持服務呈弱正相關, 相關性系數在0.249—0.37之間, 有逐漸減小的趨勢。文化服務與調節服務、支持服務的相關性較高, 相關系數分別介于0.651-0.713和0.860-0.877之間, 都呈現減小的趨勢。

圖3 1990年、2000年、2010年漢江流域生態系統服務價值空間格局

Figure 3 Spatial patterns of the total ecosystem service value in the Hanjiang River Basin in 1990, 2000 and 2010

1990—2010年供給服務、調節服務、支持服務、文化服務四種服務價值的空間特征及變化如圖4所示, 不同的服務價值具有明顯的空間異質性。供給服務價值高的地區主要分布在漢江流域的東南部和中部地區, 西北和中南部部分地區的供給服務價值較低; 1990—2000年供給服務價值的空間變化不大, 2010年供給服務價值明顯增大, 特別是在東南部和西北部地區, 供給服務價值提升最為顯著[圖4(a1)、(a2)(a3)]。調節服務的高值區主要分布在東南部的長江沿岸及漢江干流沿岸地區, 西北部和中南部地區的服務價值較低; 1990—2010年調節服務價值總體呈現逐漸增大的趨勢, 南部和東北部地區增大較為突出[圖4(b1)、(b2)(b3)]。漢江流域支持服務價值高值區分布在西北部和中部地區, 東北部和南部地區的支持服務價值普遍較低; 1990—2000年支持服務價值空間總體變化不明顯, 2000—2010年西北部和東南部部分地區的支持服務價值有所降低[圖4(c1)、(c2)(c3)]。文化服務價值較高的地區主要分布在西北部及漢江干流沿岸部分地區, 南部和東北部地區的文化服務價值較低; 1990—2010年漢江流域文化服務價值總體空間變化不明顯[圖4(d1)、(d2)(d3)]。

表3 1990年、2000年、2010年漢江流域各生態系統服務價值量的相關性

**在0.01水平雙側顯著相關。

圖4 四類生態系統服務價值空間差異

Figure 4 Spatial distribution of the ESV of the four ecosystem services in 1990, 2000 and 2010.

總的來看, 除支持服務在部分地區的服務價值有所下降外, 供給服務、調節服務和文化服務的服務價值都呈不同程度的上升。1990—2010年漢江流域生態系統服務價值空間變化差異較大, 東南部和東北部地區生態系統服務價值變化較為劇烈, 西北部地區總體變化不大, 較為穩定。本地區表現為受人類干擾低的土地利用類型, 文化與支持服務較高, 供給服務較低; 反之, 隨著人類干擾加強, 供給和調節服務明顯提升。

2.3 生態系統服務熵

基于每個網格內11種生態系統服務價值計算出的生態系統服務熵如圖5所示, 從數值上看, 漢江流域1990、2000、2010年的生態系統服務熵值范圍分別為0.82—2.24、0.82—2.22、0.82—2.22, 平均值分別為1.87、1.82和1.78, 總體呈現逐漸減小的趨勢。生態系統服務趨于單一, 受外界干擾不斷增強。

從1990年、2000年、2010年漢江流域生態系統服務熵值空間分布看(圖5), 生態系統服務熵值空間差異較大, 東南部及漢江干流沿岸地區的生態系統服務熵值較小, 西北部及中部部分地區的生態服務熵值較大。1990—2010年漢江流域生態系統服務熵值變化特征存在明顯的區域差異, 東南部、部分中部和北部地區生態系統服務熵值明顯減小, 特別是2000—2010年變化較為顯著; 西北部地區變化不明顯, 熵值一直處于1.8-2.1。總體上看, 1990—2010年漢江流域的生態系統服務熵總體呈現逐漸減小的趨勢。

從生態系統服務熵值分析結果來看, 漢江流域生態系統服務內部結構特征存在明顯的區域差異。東南部及漢江干流沿岸地區受人類活動的影響較大, 生態系統服務的類型相對單一, 復雜性較低。而西北部和中部地區受人類影響較小, 生態系統服務的類型相對較完善, 生態系統服務的結構也較穩定。

圖5 1990年、2000年、2010年漢江流域生態系統服務熵值空間分布圖

Figure 5 Spatial distribution of ecosystem service entropy in the Hanjiang River Basin in 1990, 2000 and 2010

生態系統服務價值與生態系統服務熵的相關性分析表明, 1990年、2000年、2010年漢江流域生態系統服務價值與生態系統服務熵在0.01顯著水平上呈顯著負相關, 相關系數分別為–0.605、–0.585和–0.599。說明本研究區域生態系統服務具有較強的復雜性, 生態系統服務價值越高, 則其生態系統服務熵越低, 為人類提供的生態系統服務的類型越單一, 生態系統服務結構相對不穩定。

3 討論

在不同的情景下, 土地利用變化對生態系統服務的影響存在差異, 既有正向影響, 也有負向影響[23]。前期學者對中國區域生態系統服務價值變化提出了不同的評估結果。大多數研究表明生態系統服務價值呈下降的趨勢[24-25], 但也有人發現隨著最近的土地使用變化和城市化, 生態系統服務價值有所增加[26-27]。本文的分析結果表明, 漢江流域的生態系統服務價值呈現總價值量增加而結構單一的趨勢, 這是研究區土地利用變化的特定空間布局和當地的社會生態環境共同決定的。土地利用變化是引起區域生態系統服務價值變化的主要驅動因素[28]。由于漢江流域獨特的地理位置, 與其他地區相比, 其土地利用/土地覆被具有典型的地域特色。流域東南部位于江漢平原腹地, 耕地資源極為豐富, 河流、湖泊眾多, 廣泛分布于整個區域; 這就造成了該區域生態系統服務受耕地和水域變化的影響較大。1990—2010年漢江流域耕地面積占比減小了2.61%; 水域和濕地的面積占比分別增加了1.27%和0.02%。從而引起了該區域水文調節、水資源供給等功能增加, 而食物生產、原料生產等功能減小。由于調節服務在各生態系統的單位面積服務價值相對較大(表1), 所以引起漢江流域生態系統服務總價值不斷增加。生態系統服務結構受人類活動影響較大, 1990—2010年漢江流域建設用地面積占比增加1.46%, 且在東南部地區表現最為明顯(圖2), 這一結果與生態系統服務熵的空間分布較為契合(圖5)。從而造成了該區域生態系統服務熵不斷減小, 生態系統服務結構的復雜性和穩定性逐漸降低的變化趨勢。快速城市化的背景下, 需要決策分析來支持土地利用規劃, 以確保生態系統服務的可持續性, 為區域人民的福祉服務[29]。

目前對生態系統服務價值核算的方法暫沒有統一的標準, 評價模型的不同會對核算結果產生較大的影響, 例如龔毅帆等的研究認為2013年湖北省漢江流域生態系統服務功能總經濟價值高達6016.28億元, 遠大于本文的研究結果[30]。本文使用的生態系統服務價值當量表及計算方法經過了多次修正, 并且在對中國多個地方的生態系統服務價值進行了估算和驗證[31-32], 在領域內具有較強的認可度。關于生態系統服務價值核算的方法還需要進一步研究和研討, 亟需制定更加科學規范且具有廣泛普適性的評價模型。由于生態系統服務的復雜性, 擾動情形下生態系統服務及其脆弱性呈現多尺度特征[33], 不同的研究尺度及評價單元對生態系統服務價值及生態系統服務熵會產生一定的影響。應用信息熵理論對生態系統服務結構評價是一次有益的嘗試和探討。在以后的研究中, 還需要運用多種熵模型對生態系統服務結構及其影響機制進行綜合分析。

4 結論

文章在分析漢江流域1990—2010年多種生態系統服務價值時空變化及相互關系的基礎上, 構建了生態系統服務熵模型, 探討了區域生態系統服務結構特征及時空演化。結論如下:

(1) 1990—2010年漢江流域生態系統服務總價值逐漸增大, 由1990年的3059.764億元上升到2010年的3466.84億元, 增加了407.076億元。從單項生態系統服務價值來看, 水文調節、水資源供給和凈化環境的生態系統服務價值增加較為明顯, 且為漢江流域生態系統服務功能的主要構成; 僅有食物生產、原料生產、土壤保持等的生態系統服務價值有一定程度的減小, 且減小幅度較小。由于該區域耕地和水資源較為豐富, 水域增加(面積占比增加1.27%)和耕地減少(面積占比減少2.61%)是引起這種變化的主要原因。從空間分布上看, 1990—2010年漢江流域生態系統服務價值空間差異比較大, 總體呈現東南部及漢江干流地區生態系統服務價值高, 而東北部及中南部地區相對較低的空間分布規律。

(2) 供給、調節、支持、文化四大生態系統服務具有顯著的相關性, 但空間異質性差異較大。1990、2000和2010三個時期各生態系統服務之間都呈現顯著相關, 除供給-支持呈負相關外, 其他生態系統服務之間均呈正相關, 且供給-調節、調節-文化、支持-文化之間的相關系數都超過了0.58。從各生態系統服務空間分布上看, 供給服務價值高的區域, 支持和文化服務價值相對較低; 調節服務的高值區多集中在水域和濕地分布的地區。1990—2010年各生態系統服務的變化基本一致, 都表現為與該區域土地利用密切相關, 東南部和東北部地區(主要為耕地和建設用地)生態系統服務價值變化劇烈, 而西北部地區(主要為林草地)較為穩定。

(3) 1990—2010年漢江流域生態系統服務結構的穩定性降低, 生態系統服務熵值由1990年的1.87下降到2010年的1.78。生態系統服務熵值空間差異較大, 東南部及漢江干流沿岸地區的生態系統服務熵值較小, 西北部及中部部分地區的生態服務熵值較大, 空間上與生態系統服務價值呈顯著負相關。此結果表明, 雖然研究區的生態系統服務總價值增大, 但生態系統服務的類型趨于單一, 其內部結構的復雜性及穩定性降低。東南部及漢江干流沿岸地區受人類活動影響較大的區域最為明顯, 這一問題應該引起人們的高度重視。

生態系統服務熵模型可以作為一種通用的生態系統服務結構評價模型, 為流域或區域生態系統服務結構分析提供方法和技術支持。研究結果可為區域土地利用政策制定及生態系統服務維護提供建議。

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Characteristics and spatio-temporal evolution of ecosystem service structure based on information entropy theory in Hanjiang River Basin

YU Hailong1,2, WANG Hongzhi2,*, YU changli1

1. College of Tourism and Planning, Pingdingshan University, Pingdingshan 467000, China2.College of Urban & Environmental Sciences, Central China Normal University, Wuhan 430079, China

Ecosystem service structure is an important factor affecting the coordination and stability of ecosystem service and the sustainability of human wellbeing. In this paper, the spatial and temporal changes in the ecosystem service value (ESV) were analyzed in the Hanjiang River Basin from 1990 to 2010. Then, an ecosystem service entropy model (the ESE model) was established based on information entropy theory, and this model was used to discuss the characteristics of ecosystem service structure and its spatial and temporal evolution law. Our results indicated (1) The total ESV increased from 305.9764 billion yuan in 1990 to 346.684 billion yuan in 2010,increased by 40.7076 billion yuan, and it was higher in the southeastern region of the study area and around the mainstream of the Hanjiang River. (2) The four ecosystem services of provision, regulation, support and culture had significant correlations, and their spatial distributions were quite different. The correlation coefficients of provision-regulation, regulation-culture and support-culture were all over 0.58. The services value of support and culture was relatively low in regions with high service value of provision, and regulating services were greatly affected by the distribution of water and wetlands. (3) From 1990 to 2010, the average value of ecosystem service entropy decreased gradually (from 1.87 in 1990 to 1.78 in 2010), and it was significantly and negatively related to ESV in time and space. Although the total ESV increased in the study area, the types of ecosystem services tended to be simplified, and the complexity and stability of their structures decreased. This problem should arouse attention of relevant departments. The ESE model can provide new ideas and methods for the analysis of ecosystem service structure in basins. The results can provide suggestions for regional ecosystem service maintenance and sustainable development.

ecosystem services; information entropy; ecosystem service structure; spatio-temporal evolution

10.14108/j.cnki.1008-8873.2020.06.012

Q148

A

1008-8873(2020)06-083-10

2019-09-09;

2020-04-10基金項目:河南省政府決策研究招標課題(2018B229); 平頂山學院青年基金項目(PXY-QNJJ-2018007)

于海龍(1990— ), 男, 河南扶溝人, 博士生, 主要從事GIS/RS應用、生態系統演變研究, E-mail: hlyu0912@163.com

王宏志, 女, 博士, 教授, 主要從事土地利用/覆被變化、GIS應用研究, E-mail: wanghongzhi@mail.ccnu.edu.cn

于海龍, 王宏志, 于長立. 基于信息熵理論的漢江流域生態系統服務結構特征及時空演化[J]. 生態科學, 2020, 39(6): 83–92.

YU Hailong, WANG Hongzhi, YU Changli. Characteristics and spatio-temporal evolution of ecosystem service structure based on information entropy theory in Hanjiang River Basin[J]. Ecological Science, 2020, 39(6): 83–92.