京津冀地區生態系統健康評估及時空變化

寧立新, 梁曉瑤, 程昌秀,5,*

京津冀地區生態系統健康評估及時空變化

寧立新1,2,3,4, 梁曉瑤1,2,3,4, 程昌秀1,2,3,4,5,*

1. 環境遙感與數字城市北京市重點實驗室, 北京 100875 2. 北京師范大學地表過程與資源生態國家重點實驗室, 北京 100875 3. 北京師范大學環境演變與自然災害教育部重點實驗室, 北京 100875 4. 北京師范大學地理數據與應用分析中心, 北京 100875 5. 國家青藏高原科學數據中心, 北京 100101

結合生態系統健康和景觀生態學理論, 基于“壓力—狀態—響應(PSR)”模型構建了京津冀地區生態系統健康評價指標體系, 綜合層次分析法和熵權法得到指標權重值。首先模擬了京津冀地區2000年和2015年的生境質量、固碳、水質凈化、產水量、土壤保持等生態系統服務功能, 進而評價了京津冀地區2000年和2015年柵格尺度的生態系統健康空間分布和時空變化。研究結果顯示: 1)生境質量、固碳功能和水土保持功能的高值主要分布在該區域北部和西部的山地區域, 而低值則主要分布在中部和東南部區域。水質凈化功能主要分布在南部, 而產水量功能主要分布在沿海地區。2)京津冀地區生態系統壓力主要分布在北京、天津的市區等地。時間上北部壓力變化最小, 中部的北京、天津等地增加最大, 西部地區增加較小。3)狀態最差的區域是各個地市的城區以及沿海地區, 而最好的地區分布在北部和西部等地的山區。時間上北部地區增加明顯, 而南部有明顯的降低趨勢, 表現出從北向南變差的趨勢。4)京津冀地區響應最好的是西部和北部的山地和天津、北京等地, 說明人類社會對于生態系統保護的意識較好。時間上, 南部和北部地區響應增加明顯, 而中部的北京、天津等地增加較小。5)生態系統一般健康的區域占絕大多數, 主要分布在京津冀的中部、南部和西北部。良好地區主要分布在該區域的北部和西部的林地區域。時間上, 健康程度變化最大的在該區域的南部和北部, 而增加較小的地區分布在北京、天津周邊。

生態系統服務功能; 生態系統健康; 時空變化; PSR模型; 京津冀

0 前言

京津冀地區是我國北方最大的經濟區, 擁有華北最大規模的城市群, 經濟發展迅速, 人口大量集中, 各方面發展勢頭迅猛。作為中國經濟核心區域, 京津冀地區的協同發展已上升為國家戰略, 被認為是體現國家競爭力的核心區域[1]。京津冀地區經濟地位顯著, 其土地面積僅占全國的2.3%, 但常住人口占全國的8.14%, GDP總量占全國的10.24%(2015年)[2]。同時也是文化、技術、國際交流等快速發展的地區。隨著工業化發展、城市群擴張, 人類對該地區的開發利用強度不斷加重, 給該地區生態系統帶來了越來越大的壓力和脅迫, 生態系統健康受到嚴重的威脅, 并出現了一系列生態環境問題, 如大氣污染、水土流失、城市熱島、景觀結構遭到破壞、生境質量受到威脅等[3–6], 該地區的可持續性發展受到嚴峻挑戰。

目前已經出現了一系列針對京津冀地區的生態問題、可持續發展等相關的研究, 且取得了重要的結果。但是仍有一些問題沒有得到很好的解答。例如, 在經濟和人口快速發展的背景下, 京津冀地區生態系統健康程度的空間格局是怎樣的？在近20年來, 發生了怎樣的變化？這些問題的解答可以為我們認識京津冀地區的生態特點、制定生態保護措施提供參考和指導。

生態系統健康的相關研究興起于20世紀90年代[7–8], 生態系統的健康體現在其活躍性、穩定性、可恢復性和持續性[9–10]。一個常用的方法是指示物種法, 例如用螞蟻群落作為森林生態系統健康的快速評價物種[11], 用魚類作為評價河口生態系統健康的快速評價指標[12], 用羊草群落和大針茅作為草原生態系統健康的指示物種[13], 基于浮游細菌的生物完整性作為河流生態系統的指示物種[14]。另一方面, 指標體系法也是用于生態系統健康評價的常用方法[10]。隨著知識進步, 許多新技術和方法應用到實際研究中, 如3S技術、空間分析技術、景觀格局分析技術等。同時, 也提出了一系列生態系統健康評價模型并得到了廣泛的應用, 如“壓力—狀態—響應”(PSR)模型[15]、“驅動力—狀態—響應”(DSR)模型[16]、“驅動力—壓力—狀態—暴露—影響—響應”(DPSEEA)模型[17]等。其中PSR模型由聯合國經濟合作開發署(OECD)構建, 由于其具有清晰的因果關系, 在各類生態系統健康研究中得到了較為廣泛的應用[18]。

本文選擇京津冀地區作為研究對象, 以生態系統健康、景觀生態學等理論為基礎, 借助環境遙感、地理信息系統等技術, 針對京津冀地區特點, 依據PSR模型構建京津冀地區生態系統健康評價指標體系, 從柵格尺度分析京津冀地區生態系統健康空間分異及其動態變化, 以期為合理開發利用當地資源、恢復區域生態系統健康提供理論指導和科學依據。

1 研究區概況

京津冀地區位于中國華北、東北以及華東的接合地帶, 作為重要樞紐將三者鏈接起來, 也是中國環渤海地區的核心。地域上主要包括北京市、天津市和河北省11個地級市。地理位置位于36°01′ N—42°37′ N, 113°04′ E—119°53′ E范圍內, 總面積約21.8萬平方公里(圖1)。區域內地貌類型多樣, 西部多山地(壩上高原、燕山、太行山), 中部多平原(山前平原, 低平原), 東南部為沿海平原[19]。

京津冀地區是我國的政治和文化中心, 同時在經濟上也發展迅速, 處于中國領先地位, 與長三角、珠三角并成為中國經濟增長的三大區域。2015年, 京津冀地區的國內生產總值已達7萬億元, 約占全國總產值的10.2%。但是隨著人口集中, 經濟增長, 帶來了環境污染、生態環境破壞等一系列的生態環境問題[4–5]。同時京津冀地區水資源短缺, 約70%的河流在全年內出現斷流現象[20]。另外, 京津冀地區也是我國大氣污染最嚴重、最集中的地區[2]。

2 研究方法

2.1 評價指標體系構建

評價指標體系構建是區域生態系統健康評價的關鍵, 其科學合理性直接影響到評價結果的準確和合理性, 進而影響到科學決策。其指標選取應遵循以下原則: 盡量采用RS、GIS實時動態監測數據, 盡可能反映生態系統的主要結構和人類作用, 具有系統性和完備性[21]。

圖1 研究區位置

Figure 1 Location of the study area

聯合國經濟開發署建立的“壓力—狀態—響應”(PSR)模型因其具有清晰的因果關系, 是用來進行生態系統健康評估的一個常用的模型[22], 本研究基于此模型對京津冀地區進行生態系統健康評估。依據此模型可認為京津冀地區的人口聚集、工業擴張會對生態系統產生干擾和脅迫(壓力); 引起生態系統結構和功能發生一定的改變, 健康狀態隨之變化; 人類社會通過政策和措施制定來對生態系統變化做出響應, 來保障其健康發展。基于此, 綜合考慮京津冀地區的人口經濟、環境破壞和保護情況, 參考相關研究成果, 最終確定了京津冀地區的生態系統健康評價指標體系(表1), 該體系包含目標層、項目層、因素層、指標層4個層次, 共20各個指標。

2.2 數據收集及預處理

本研究使用的指標體系共有20個, 數據的分辨率、下載地址和時間如表2所示。

其中城市(鎮)化率、人口密度、GDP密度、人均廢氣排放量、植被指數、光合有效輻射、植被凈初級生產力的數據均包括2000年和2015年。土壤侵蝕強度、地形起伏度、土壤pH和土壤有機質含量指標由于數據的特殊性, 很難獲得兩個年份的數據, 因此認為這四個指標在研究期間不發生變化, 在2000年和2015年均使用相同的數據。生境質量功能、固碳功能、水質凈化、水源涵養功能、水土保持功能等生態系統服務功能均通過InVEST模型進行模擬, 得到2000年2015年兩個時期的空間數據(見2.3部分)。教育支出占比、單位面積二氧化硫排放量、工業廢水排放達標率、綠地面積占比等指標通過查閱和統計2001年和2016年的《中國城市統計年鑒》獲得。

獲得的數據的分辨率和投影系統之間是不同的, 難以直接用于后續計算。因此將數據統一重采樣到1 km的空間分辨率和相同的投影坐標系下。

2.3 生態系統服務功能計算

生境質量功能、固碳功能、水質凈化、水源涵養功能、水土保持功能等生態系統服務功能通過InVEST模型3.6版本中的生境質量模塊(habitat quality), 固碳模塊(carbon storage and sequestration), 水質凈化模塊(nutrient delivery ratio), 產水量模塊(annual water yield), 土壤保持模塊(sediment delivery ratio)來進行模擬。相關計算方法請參見[23–26],其中土壤有效含水量PAWC利用土壤密度、粘土含量、含沙量、淤泥含量通過SPAW公式進行計算。主要的數據來源見表3。

表1 京津冀地區生態系統健康評價指標體系

注: 土壤PH指的是土壤PH值減去7的絕對值。

表2 指標數據來源及說明

注: “—”表示該數據無時間區別。

2.4 指標標準化處理

這20個指標具有不同的量綱, 這是由于不同指標的數據來源、計算方法等往往不同, 很難將這部分數據直接用于健康評價。因此, 使用極差法將這20個指標數據進行標準化處理, 處理成0—1之間的無量綱數據。首先根據不同指標對于區域生態系統健康的趨向特點分為正向指標和負向指標(表1), 正向指標與生態健康之間是正向關系, 按公式(1)計算; 負向指標與生態健康之間是負向關系, 按公式(2)計算。

y=(x–minx)/(maxx–minx) (1)

y=(maxx–x)/(maxx–minx) (2)

式中:y和x為第年第個指標的標準化值和實際值, maxx和minx為第個指標實際值的最大值和最小值。

2.5 指標權重確定

權重是衡量一個指標在評價體系中的重要程度, 是一個相對的概念。權重分配的合理與否會影響到評價結果的合理性。目前常用的權重確定方法有主成分分析法、層次分析法、熵權法等, 不同的方法具有不同的特點。層次分析法通過專家打分的方式進行, 主觀因素占決定性作用, 而熵權法和主成分分析法從數據出發, 是純客觀的賦權方法。本研究中選擇層次分析法[27]和熵權法[28]來計算各個指標的權重, 再通過計算其平均值得到各個指標的最終權重。該方法將層次分析法和熵權法結合起來, 力求客觀和主觀的統一。經計算分析, 得到的指標權重見表1。

2.6 綜合評價模型

基于數據的標準化和權重確定結果, 通過計算生態系統健康綜合指數來反映生態系統的綜合健康狀況。該指數越大, 表明生態系統越健康。評價模型為:

式中: EHI是第個柵格區域的生態系統健康指數,y是第個柵格的第個指標的標準化值,w是第個指標的權重,是評價指標個數。

整個研究區的評價指標模型為

式中, EHI是該區域綜合的健康指數, EHI是第個柵格區域的生態系統健康指數,為區域內柵格的個數。

2.7 生態系統健康等級劃分

基于前面計算的生態系統健康等級指數, 根據前人研究中劃分生態系統健康等級標準[18,29–30], 將京津冀地區生態系統健康劃分為五個級別, 如表4所示。

表3 生態系統服務功能模擬的數據來源

注: “—”表示該數據無時間區別。

表4 京津冀地區生態系統健康等級劃分

3 結果與分析

3.1 生態系統服務功能評估

3.1.1 生境質量

基于京津冀地區2000年和2015年的土地利用數據, 利用InVEST模型模擬區域的生境質量指數, 以此來表示區域的生境質量狀況, 值越大表示生境質量越好。結果如圖2(a)、(b)所示。可以發現該區域生境質量功能的高值主要分布在北部和西部的山地區域, 如承德市、北京市西北部、保定市西部、石家莊西部等, 而低值則主要分布在中部和東南部區域, 如廊坊市、滄州市、衡水市、邢臺市等, 具有明顯的西北向東南降低的趨勢。統計結果顯示, 2000年京津冀地區生境質量平均值為0.5576, 2015年京津冀地區生境質量平均值為0.5504, 有降低的趨勢。生境質量最高的土地利用類型有森林、草地、水體等, 2000年京津冀地區森林面積為44773 km2, 草地面積35835 km2, 水域面積6360 km2, 2015年京津冀地區森林面積為44734 km2, 草地面積35218 km2, 水域面積6029 km2。這三類土地利用類型均有不同程度的減少。而建設用地地類有較大程度的增加, 2000年建設用地面積17648 km2, 2015年建設用地面積20506 km2, 增加了16.2%。

3.1.2 固碳功能

基于土地利用數據, 利用InVEST模型模擬了京津冀地區2000年和2015年的固碳功能指數, 結果如圖2(c)、(d)所示。可以發現該區域固碳功能的空間格局與生境質量的空間格局類似, 其高值分布在西部和北部的山地區域, 如承德市、北京市西北部、保定市西部、石家莊西部等, 低值則主要分布在中部和東南部區域, 如廊坊市、滄州市、衡水市、邢臺市等, 具有明顯的西北向東南降低的趨勢。經過統計發現, 2000年該區域內固碳功能平均值為11353.6 mg·km-2, 而2015年該區域內固碳功能平均值為11336.9 mg·km-2, 表現出一定的下降趨勢。這與京津冀地區的土地利用變化密切相關。固碳功能最強的土地利用類型是森林和草地, 這兩者在2015的面積均小于2000年。而建設用地面積增加迅速。這共同減低了該區域的固碳功能。

3.1.3 土壤保持功能

基于土地利用數據, 利用InVEST模型模擬了京津冀地區2000年和2015年的土壤保持功能指數, 結果如圖2(e)、(f)所示。可以發現該區域土壤保持功能的空間格局與前兩者的空間格局類似, 其高值分布在西部和北部的山地區域, 如承德市、北京市西北部、保定市西部、石家莊西部等, 低值則主要分布在中部和東南部區域, 如廊坊市、滄州市、衡水市、邢臺市等, 具有明顯的西北向東南降低的趨勢。經過統計發現, 2015年該區域內土壤保持功能平均值為284.71 t·km-2, 這與2000的土壤保持功能(288.62 t·km-2)相比, 表現出一定的下降趨勢。這與京津冀地區的土地利用變化密切相關。僅15年來, 該區域的森林、草地、水體面積均有不同程度的減少趨勢, 而建設用地面積增加迅速。這共同減低了該區域的土壤保持功能。

3.1.4 水質凈化功能

在對該區域進行水質凈化功能的空間模擬時, 考慮了N和P兩種營養鹽的保持量, 模擬結果如圖2(g)、(h)所示。可以發現, 該區域水質凈化功能的高值分布在中部和東南部區域, 如廊坊市、滄州市、衡水市、邢臺市等, 而低值在西部和北部的山地區域, 如承德市、北京市西北部、保定市西部、石家莊西部等。該區域水質凈化功能的空間分布格局與前兩個生態系統服務功能的空間格局不同, 具有明顯的東南向西北降低的趨勢。2000年該區域水質凈化功能的平均值為203.47 kg·km-2, 而2015年該區域水質凈化功能的平均值204.05 kg·km-2, 整體變化不大。

3.1.5 產水量功能

基于土地利用數據, 利用InVEST模型模擬了京津冀地區2000年和2015年的產水量功能指數, 結果如圖2(i)、(j)所示。可以發現, 該區域產水量功能的高值分布在中部和東部沿海區域, 如唐山市、秦皇島市、天津市和滄州市沿海區域, 而低值分布在西部區域, 如張家口市、保定市、石家莊市等地。該區域水質凈化功能的空間分布格局具有明顯的東向西降低的趨勢。在2000年和2015年相似, 整體變化不大。

圖2 2000年和2015年京津冀地區生態系統服務功能空間分布

Figure 2 Spatial distribution of ecosystem services in Jing-Jin-Ji region in 2000, 2015

3.2 生態系統健康評估

根據已建立的京津冀地區生態系統健康評價指標體系和評價模型, 模擬和統計了京津冀地區2000年和2015年1 km柵格尺度的生態系統健康指數和各層次的生態因子值, 結果見圖3—圖6, 以及統計結果見表5。

3.2.1 壓力分析

生態系統健康評價中的壓力指標用來表征由于地區的人口聚集、工業擴張對生態系統產生干擾和脅迫, 通過計算壓力指數來表征京津冀地區所受的壓力和脅迫的程度大小。壓力值越大, 表示地區的受到的壓力小, 生態系統越健康。計算結果如圖3所示, 并按照表2的標準進行分級。

從空間格局來看, 2000年和2015年京津冀地區壓力因子值分布相似, 1級地區占絕大多數, 表明絕大多數地區所受壓力較少, 差異不明顯。2級地區分布瑣碎, 主要分布在北京、天津、石家莊的市區等地以及張家口市。說明這些地區所受壓力較大, 北京、天津、石家莊的市區人口數量多, 經濟發展迅速, 生活生產活動不可避免對區域的生態系統產生較大的壓力。而張家口市部分地區所受壓力較大, 主要是因為京津冀地區主要是山區, 地形起伏較大, 土壤侵蝕嚴重。可以發現, 2000年京津冀地區僅有1級和2級, 2級分布面積較小, 而2015年2級分布面積明顯增多, 同時出現了3級地區, 這說明了京津冀地區的生態系統在這15年受到了越來越大的壓力。從表3來看, 京津冀地區所受壓力最大的地區是北京、承德和張家口市, 所受壓力最小的地區是滄州、衡水、廊坊等地。人類活動增加迅速是其變化的主要原因。

圖3 京津冀地區生態系統壓力因子空間格局及時間變化

Figure 3 Spatial and temporal variation of pressure factor in Jing-Jin-Ji region

圖4 京津冀地區生態系統狀態因子空間格局及時間變化

Figure 4 Spatial and temporal variation of state factor in Jing-Jin-Ji region

圖5 京津冀地區生態系統響應因子空間格局及時間變化

Figure 5 Spatial and temporal variation of response factor in Jing-Jin-Ji region

圖6 京津冀地區生態系統健康空間格局及時間變化

Figure 6 Spatial and temporal variation of ecosystem health in Jing-Jin-Ji region

表5 京津冀地區生態系統健康及因子統計表

從時間變化來看, 研究區13個地市的生態系統均發生了不同程度的變化。總的來說, 這13個地市所受的壓力在這15年間均有增大的態勢。其中承德、張家口、滄州等地壓力值增加最小, 而北京、唐山、天津是增加最迅速的三個地方。其中, 北京市的壓力因子值從0.928變為0.922, 唐山市的壓力因子值從0.963變為0.955, 天津市的壓力因子值從0.977變為0.967。在這15年間, 人口數量急增, 人類為了滿足自身發展需求, 不斷加大對自然資源的開發和利用, 城鎮化率不斷上升。從變化的空間分布來看, 京津冀地區北部壓力變化最小, 中部的北京、天津等地增加最大, 西部地區增加較小。

3.2.2 狀態分析

生態系統健康評價中的狀態指標是表征地區生態系統本身結構和功能的度量, 指標越大, 表示京津冀地區生態系統的狀態越好, 是評價生態系統健康的重要指標。計算結果如圖4所示。

從空間格局來看, 2000年和2015年京津冀地區狀態因子值分布相似, 4級地區占大多數, 主要分布在京津冀地區的中部和南部以及西北小部分地區, 5級地區主要分布在各個地市的城區(如北京等)以及沿海地區, 說明這些地區生態系統的狀態較差, 這由于該地人類活動集中、對生態系統干擾強烈。而1級、2級、3級地區則主要分布在該區域的北部和西部等地, 京津冀地區主要為山區, 如壩上高原、燕山、太行山等地, 這些區域生態系統狀況較好。這些地區山地較多, 森林面積廣布, 人類活動相對較少, 景觀多樣性較為豐富, 結構相對完整, 功能相對較好。同時可以發現, 相對于2000年, 2015年5級地區面積明顯增多, 出現擴張趨勢, 如北京城區、廊坊城區和石家莊城區等。這說明了京津冀地區的生態系統在這15年內生態系統狀況有下降明顯, 很多地方處于極差水平。從表3來看, 京津冀地區生態系統狀態最好的是承德, 而最差的是廊坊、滄州等地。

從時間變化來看, 研究區這13個地市的生態系統狀態均發生了不同程度的變化。總的來說, 這13個地市中, 承德、張家口、秦皇島、唐山、天津、北京等地有一定的增加, 其中, 承德的生態系統狀況變優最為明顯, 從0.470增加到0.504, 而廊坊、保定、滄州、石家莊、衡水、形態、邯鄲等地的狀況有一定的降低, 其中邯鄲地區變化最為明顯, 從0.336降低為0.319。從變化的空間分布來看, 京津冀地區北部的生態系統狀態增加明顯, 而南部有明顯的降低趨勢, 表現出從北向南變差的趨勢。

3.2.3 響應分析

生態系統的響應指標用來反映人類為了應對生態系統惡化、維持可持續發展而采取的一系列措施, 對生態系統健康有積極推動作用, 用響應因子指數來度量這種推動的大小。計算結果如圖5所示。

從空間分布來看, 2000年和2015年京津冀地區響應因子值分布有一定的差異。3級地區占大多數, 主要分布在該區域的中部、南部和西北部等地, 表明這些地區生態系統響應較弱, 人類針對生態系統保護的措施較少。1級和2級地區主要分布在該區域的西部和北部的山地和天津、北京等地, 說明人類社會對于生態系統保護的意識較好。隨著社會經濟的發展, 北京、天津等地快速發展, 教育水平明顯提高, 科學技術進步迅速, 因此對于環保、教育的投入力度有明顯增加, 人們的意識也有明顯提高。可以發現, 4級地區在2000年有較為廣泛的分布, 而2015年則沒有該級別的地區分布。同時2級區域面積有明顯增加。這說明人類對于生態系統保護的意識在這15年內有很大的進步。從表3來看, 京津冀地區生態系統響應較好的地區是北京、承德等地, 而響應較差的地區是衡水、廊坊等地。

從時間變化來看, 研究區這13個地市的生態系統響應因子均發生了不同程度的變化。總的來說, 這13個地市對生態系統的響應在這15年間均有變好的態勢。其中, 邢臺、石家莊、張家口等地的響應因子值增加最大, 而北京、天津等地的響應變化較小。其中, 邢臺的響應因子值從0.322增加到0.593, 石家莊的響應因子值從0.451增加到0.602, 北京市的響應從0.648增加到0.707, 天津市從0.571增加到0.615。從變化的空間分布來看, 京津冀地區南部和北部地區響應增加明顯, 而中部的北京、天津等地增加較小。

3.2.4 生態系統健康評估

綜合生態系統評價中的壓力、狀態、響應三個方面, 基于層次分析法和熵權法確定的權重, 計算得到京津冀地區生態系統健康綜合指數的時空分布圖, 計算結果如圖6所示, 并按照表3的標準進行分級。

從空間分布來看, 2000年和2015年京津冀地區生態系統健康分布相似。生態系統一般健康(3級)的地區占絕大多數, 主要分布在京津冀的中部、南部和西北部, 表明這些地區的生態系統處于一般的狀態。良好的地區(2級)主要分布在該區域的北部和西部, 這些地區森林面積廣布, 人類活動干擾較少, 景觀多樣性較為豐富, 結構相對完整, 生態系統良好。同時正是由于這些地區的生態重要性, 人們對于京津冀地區也有較好的環保意識, 生態保護投入力度大。同時可以發現, 相比較于2000年, 2015年生態系統良好的區域面積有明顯的增加, 擴張明顯。這說明了京津冀地區的生態系統在這15年間變得越來越健康, 可持續性提高。從表3來看, 京津冀地區生態系統健康程度最好的是承德和秦皇島市, 而最差的是邢臺。

從時間變化來看, 研究區這13個地市的生態系統健康程度均發生了不同程度的變化。總的來說, 這13個地市的生態系統均表現出越來越健康的趨勢。其中, 邢臺、承德等地的綜合生態系統健康因子值增加最大, 而北京、天津等地的健康因子值增加最小。其中, 邢臺市的綜合健康因子值從0.518增加到0.577, 承德市的健康因子從0.635增加到0.677, 而北京市從0.635增加到0.648, 天津市從0.576增加到0.585。從變化空間分布來看, 生態系統健康程度變化最大的在該區域的南部和北部, 而增加較小的地區分布在北京、天津周邊。這說明了北京天津等地的環保意識和投入水平雖然有明顯增加, 但并不足以平衡人口增加帶來的環境破壞。

4 討論

本研究在分析前人工作的基礎上, 結合生態系統健康和景觀生態學理論, 基于“壓力—狀態—響應(PSR)”模型構建了京津冀地區生態系統健康評價指標體系, 并綜合層次分析法和熵權法得到了指標權重, 以實現對京津冀地區科學和合理的生態系統健康評價。但由于生態系統健康研究尚處于發展階段, 目前形成一套成熟、統一的評價指標體系和方法。相關指標體系和方法往往根據研究區域不同而不同, 目前學者以利用PSR模型針對流域生態系統[15,31]、海岸帶生態系統[18,22]、濕地生態系統[21]等進行了生態系統健康的評價。但是目前針對城市群生態系統健康評價的研究相對較少[32,33], 相關研究仍有待進一步加深。本人雖然針對京津冀地區實際情況, 選擇了城鎮化率、人口密度、GDP密度、人均廢氣排放量、教育支出占比、工業廢水排放達標率、綠地面積占比等20個指標構建了該地區生態系統健康評價指標體系, 評價了生態系統健康的時空特點, 取得了一定的進展, 但是也存在一些不足和待完善之處, 有待進一步深入研究。1)人類活動要素的數據很多情況下只能從統計年鑒中獲得, 但是統計年鑒的數據往往是以地市或者縣市級別統計的。這部分數據較為粗糙, 一定程度上影響了準確和精細的研究結果。2)城市生態系統健康評價的研究相對較少, 成熟和完善的評價體系和方法仍有待進一步探索。

5 結論

本研究通過整理多源數據, 首先模擬了京津冀地區2000年和2015年的生境質量、固碳功能、水質凈化功能、產水量功能、土壤保持功能等5個生態系統服務功能的空間格局, 進而評價了京津冀地區2000年和2015年柵格尺度的生態系統健康空間分布和時空變化。

研究結果顯示: 1)生境質量、固碳功能和水土保持功能的高值主要分布在該區域北部和西部的山地區域, 如承德市、北京市西北部、保定市西部、石家莊西部等, 而低值則主要分布在中部和東南部區域, 如廊坊市、滄州市、衡水市、邢臺市等。水質凈化功能主要分布在南部, 而產水量功能主要分布在沿海地區。2)京津冀地區生態系統的壓力主要分布在北京、天津的市區等地。同時在這15年間, 京津冀地區北部壓力變化最小, 中部的北京、天津等地增加最大, 西部地區增加較小。3)京津冀地區生態系統的狀態最差的是各個地市的城區(如北京等)以及沿海地區, 而最好的區域分布在北部和西部等地的山區。同時, 在這15年間京津冀地區北部的生態系統狀態增加明顯, 而南部有明顯的降低趨勢, 表現出從北向南變壞的趨勢。4)京津冀地區生態系統響應最好的區域是西部和北部的山地和天津、北京等地, 說明這些地區人類社會對于生態系統保護的意識較好。在這15年間, 京津冀地區南部和北部響應增加明顯, 而中部的北京、天津等地增加較小。5)生態系統一般健康的區域占京津冀地區絕大多數, 主要分布在京津冀的中部、南部和西北部。良好地區主要分布在該區域的北部和西部的林地區域。同時, 在這15年間, 生態系統健康程度變化最大的在該區域的南部和北部, 而增加較小的地區分布在北京、天津周邊。

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Spatiotemporal variations of ecosystem health of Jing-Jin-Ji region based on the PSR model.

NING Lixin1,2,3,4, LIANG Xiaoyao1,2,3,4, CHENG Changxiu1,2,3,4,5,*

1. Beijing Key Laboratory of Environmental Remote Sensing and Digital City, Beijing 100875, China 2. State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology, Beijing Normal University, Beijing 100875, China 3. Key Laboratory of Environmental Change and Natural Disaster, Beijing Normal University, Beijing 100875, China 4. Center for Geodata and Analysis, Faculty of Geographical Science, Beijing Normal University, Beijing 100875, China 5. National Tibetan Plateau Data Center, Beijing 100101, China

Combining ecosystem health and landscape ecology theory, an index system for ecosystem health evaluation in the Jing-Jin-Ji region was constructed based on the "stress-state-response (PSR)" model, and the index weight values ??were obtained by the comprehensive analytic hierarchy process and the entropy weight method. First, the ecosystem service functions such as habitat quality, carbon sequestration, water purification, water production, and soil conservation in Jing-Jin-Ji region were simulated in 2000 and 2015, and then the grid-scale ecology in Jing-Jin-Ji region was evaluated in 2000 and 2015. The results show that: 1) The high values ??of habitat quality, carbon sequestration and soil and water conservation functions are mainly distributed in the mountainous areas in the north and west of the region, while the low values ??are mainly distributed in the central and southeastern regions. The water purification function is mainly distributed in the south, while the water production function is mainly distributed in the coastal areas. 2) The pressure of the ecosystem in this area is mainly distributed in the urban areas of Beijing and Tianjin. The pressure in the north has the smallest change in time, the central regions such as Beijing and Tianjin have the largest increase, and the western region has a smaller increase. 3) The worst areas are the urban areas and coastal areas of various cities, and the best areas are distributed in the mountainous areas in the north and west. In time, the northern region increased significantly, while the southern region showed a clear downward trend, showing a tendency to deteriorate from north to south. 4) The best response in this area is the mountains in the west and north and Tianjin, Beijing and other places, indicating that human society has a better awareness of ecosystem protection. In terms of time, the response in the southern and northern regions has increased significantly, while the central regions such as Beijing and Tianjin have seen smaller increases. 5) The areas with generally healthy ecosystems account for the vast majority, mainly distributed in the central, southern and northwestern parts of Beijing, Tianjin and Hebei. Good areas are mainly distributed in the woodland areas in the north and west of the area. In terms of time, the changes in health are greatest in the south and north of the region, while the regions with smaller increases are distributed around Beijing and Tianjin.

ecosystem service; ecosystem health; spatiotemporal variation; PSR model; Jing-Jin-Ji region

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.06.001

X826

A

1008-8873(2021)06-001-12

寧立新, 梁曉瑤, 程昌秀. 京津冀地區生態系統健康評估及時空變化[J]. 生態科學, 2021, 40(6): 1–12.

NING Lixin, LIANG Xiaoyao, CHENG Changxiu. Spatiotemporal variations of ecosystem health of Jing-Jin-Ji region based on the PSR model[J]. Ecological Science, 2021, 40(6): 1–12.

2020-05-28;

2020-07-05

國家自然科學基金面上項目(41771537); 國家重點研發計劃重點專項(2017YFB0504102)

寧立新(1991—), 男, 山東濟南人, 博士生, 主要從事生態評估工作, E-mail: ninglixin123@163.com

通信作者:程昌秀, 女, 教授, E-mail: chengcx@bnuedu.cn