基于地形梯度的河北省懷來縣山地生態(tài)系統(tǒng)空間分布及變化特征分析

許 策, 李 超, 張?zhí)熘? 束繼年

(1.中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所, 北京 100101； 2.中國科學(xué)院 生態(tài)環(huán)境研究中心,北京 100085; 3.中國科學(xué)院大學(xué); 4.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 北京 100193)

基于地形梯度的河北省懷來縣山地生態(tài)系統(tǒng)空間分布及變化特征分析

許 策1,2,3, 李 超4, 張?zhí)熘?, 束繼年2,3

(1.中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所, 北京 100101； 2.中國科學(xué)院 生態(tài)環(huán)境研究中心,北京 100085; 3.中國科學(xué)院大學(xué); 4.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 北京 100193)

[目的] 從地形梯度角度,對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)空間分布及變化特征進(jìn)行分析,提出基于地形梯度的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)對(duì)策建議,為制定山區(qū)生態(tài)規(guī)劃及實(shí)現(xiàn)山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)、健康發(fā)展提供參考。[方法] 以遙感解譯獲得的1993,2003,2013年生態(tài)系統(tǒng)類型空間分布數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),選取高程級(jí)別、地形起伏度和坡度變率為地形梯度表征指標(biāo),采用分布指數(shù),對(duì)區(qū)域農(nóng)田、水域與濕地、森林、草地、聚落和荒漠6類生態(tài)系統(tǒng)的地形梯度差異分布情況及優(yōu)勢位進(jìn)行分析,并結(jié)合1993—2013年各生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價(jià)值變化特征,探討區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)對(duì)策。[結(jié)果] 農(nóng)田、水域與濕地、聚落、草地生態(tài)系統(tǒng)集中于低地形梯度區(qū);森林集中于高地形梯度區(qū);荒漠生態(tài)系統(tǒng)分布特征隨地形梯度差異不明顯;在低地形梯度區(qū),農(nóng)田、水域與濕地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值降低,草地、聚落生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值有明顯的增加趨勢;在高地形梯度區(qū),雖然森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化較為劇烈,但總體呈現(xiàn)出持續(xù)增加的趨勢。[結(jié)論] 在制定針對(duì)山地的區(qū)域生態(tài)規(guī)劃時(shí),應(yīng)考慮對(duì)位于優(yōu)勢位上的生態(tài)系統(tǒng)實(shí)行特殊保護(hù),禁止被侵占為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能較弱的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型,以保證生態(tài)系統(tǒng)能夠持續(xù)、健康地提供生態(tài)服務(wù)。

地形梯度; 生態(tài)系統(tǒng); 空間分布; 優(yōu)勢位

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)作為當(dāng)今社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)以及生態(tài)學(xué)、地理學(xué)等學(xué)科的研究前沿和熱點(diǎn)，引起了眾多學(xué)者與研究組織的廣泛關(guān)注。近些年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及土地利用方式的轉(zhuǎn)變，區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)格局也發(fā)生了相應(yīng)的改變，使生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可持續(xù)發(fā)展受到了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。與平原地區(qū)相比，山區(qū)的生態(tài)環(huán)境更加脆弱，其社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的和諧發(fā)展顯得尤其重要。山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)格局的改變會(huì)使社會(huì)的生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)問題更加凸顯，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的改變甚至喪失將會(huì)使人類面臨著的生存與發(fā)展的多重挑戰(zhàn)[1]。

地形是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成因素，其變化將會(huì)影響生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的物質(zhì)流動(dòng)和能量轉(zhuǎn)化。區(qū)域地形特征的差異也會(huì)引起土地利用方式的空間差異，進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)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(guān)研究[3]。

生態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及分布格局反映了不同生態(tài)系統(tǒng)的自身特征以及各類生態(tài)系統(tǒng)之間的空間結(jié)構(gòu)關(guān)系，決定了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的整體狀況及其空間差異,也為人類因地制宜對(duì)不同區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能采取不同的保護(hù)和利用措施提供了重要依據(jù)。近年來，國內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的空間分布格局及其結(jié)構(gòu)變化開展了一系列相關(guān)研究[4-5]。但從地形梯度角度，對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)格局及空間結(jié)構(gòu)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(gè)方面，揭示研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)在地形梯度上的分布特征及不同地形梯度上的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化，并提出基于地形梯度的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)對(duì)策建議，以期為山區(qū)生態(tài)規(guī)劃的制定及實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)、健康發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)概況

懷來縣坐標(biāo)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(qū)和延慶區(qū)，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(cè)，永定河上游，屬于中溫帶半干旱區(qū)，光照充足，降水稀少，生態(tài)環(huán)境較為敏感、脆弱。懷來縣境內(nèi)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(qū)的綠色屏障和生態(tài)緩沖區(qū)，其生態(tài)環(huán)境狀況對(duì)北京地區(qū)的生態(tài)安全問題有不可忽視的影響。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取與處理

地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)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(qū)的氣候特點(diǎn)，并保證影像的清晰，因此，影像選擇在8—9月。以生態(tài)系統(tǒng)分類方法、土地遙感調(diào)查分類標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，結(jié)合研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)分布特征及《中國5 a間隔陸地生態(tài)系統(tǒng)空間分布數(shù)據(jù)集》，將懷來縣生態(tài)系統(tǒng)類型劃分為森林生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、草地生態(tài)系統(tǒng)、聚落生態(tài)系統(tǒng)、水體與濕地生態(tài)系統(tǒng)、荒漠生態(tài)系統(tǒng)6個(gè)生態(tài)系統(tǒng)(表1)。將Landsat影像經(jīng)大氣校正、輻射定標(biāo)、投影變換、掩膜提取等預(yù)處理后，采用監(jiān)督分類并結(jié)合人機(jī)交互的方法完成遙感影像的生態(tài)系統(tǒng)解譯分類，并利用實(shí)地隨機(jī)選取若干樣點(diǎn)進(jìn)行實(shí)際測量的數(shù)據(jù)來檢驗(yàn)解譯精度，最后利用混淆矩陣法進(jìn)行精讀評(píng)價(jià)，結(jié)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(yùn)用ArcGIS軟件對(duì)DEM影像進(jìn)行空間分析得出地形起伏度、高程、坡度變率、地形位指數(shù)分布圖。

2.2 研究方法

2.2.1 地形梯度等級(jí)劃分 綜合考慮地形因子的可定量性和對(duì)生態(tài)系統(tǒng)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(duì)生態(tài)系統(tǒng)類型空間分布及變化的影響[6]。其中，高程級(jí)別數(shù)據(jù)可運(yùn)用ArcGIS對(duì)DEM圖進(jìn)行重分類獲得[7]；地形起伏度數(shù)據(jù)可運(yùn)用ArcGIS柵格鄰域分析工具計(jì)算獲得[8]；地面坡度變率數(shù)據(jù)可依據(jù)坡度計(jì)算原理，利用ArcGIS軟件在坡度分布圖的基礎(chǔ)上再次求取坡度。

表1 懷來縣生態(tài)系統(tǒng)類型劃分與《全國遙感監(jiān)測土地利用覆蓋分類體系》對(duì)照

結(jié)合研究區(qū)地形特點(diǎn)，本文對(duì)高程、地形起伏度、坡度變率因子進(jìn)行分級(jí)(表2)。采用等間隔重分類法[9]對(duì)地形位指數(shù)(0.69～3.03)分為10級(jí)，并將這10個(gè)地形位級(jí)別分為低、中、高3個(gè)梯度。運(yùn)用ArcGIS空間分析功能，對(duì)各地形因子進(jìn)行重分類，統(tǒng)一輸出分辨率30 m的柵格數(shù)據(jù)(本文將柵格計(jì)算中地形因子劃分的等級(jí)視為地形分區(qū))。

表2 懷來縣高程、地形起伏度、坡度變率分級(jí)及面積比例

2.2.2 地形梯度表征指標(biāo) 為消除面積差異產(chǎn)生的量綱影響，采用分布指數(shù)(distribution index， DI)反映研究區(qū)各類生態(tài)系統(tǒng)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(shù)；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(jí)下的i類生態(tài)系統(tǒng)的面積(hm2)；Si——i類生態(tài)系統(tǒng)的面積(hm2)；Se——整個(gè)研究區(qū)e地形因子特定等級(jí)下的全部生態(tài)系統(tǒng)總面積(hm2)；S——研究區(qū)總面積(hm2)。分布指數(shù)變化越小，表明某類生態(tài)系統(tǒng)分布與標(biāo)準(zhǔn)分布的偏離越小，其對(duì)地形差異的適宜性越大；反之，則表明某類生態(tài)系統(tǒng)的分布對(duì)地形條件的選擇較為苛刻[12]。當(dāng)p=1時(shí)，表示某類生態(tài)系統(tǒng)在某種地形上的比重等于該類生態(tài)系統(tǒng)總面積在研究區(qū)的比重；當(dāng)p>1時(shí)，表明某類生態(tài)系統(tǒng)在該地形上的比重大于該類生態(tài)系統(tǒng)總面積在研究區(qū)的比重，故將p>1的區(qū)間設(shè)定為該生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)勢位。

2.2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值測算 參考謝高地等[13]研究成果，單位當(dāng)量因子的經(jīng)濟(jì)量為全國平均糧食單產(chǎn)市場價(jià)格的1/7，中國2005年單個(gè)生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值當(dāng)量的經(jīng)濟(jì)價(jià)值為707.92元/hm2，結(jié)合2006年《河北省統(tǒng)計(jì)年鑒》的相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算得出2005年河北省平均糧食產(chǎn)量為4 683.35 kg/hm2。2005年全國平均糧食產(chǎn)量為5 896.50 kg/hm2，據(jù)此對(duì)全國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量價(jià)值進(jìn)行系數(shù)修正，并通過2005與2013年間CPI指數(shù)修正物價(jià)水平間的差異，確定懷來縣2013年單個(gè)生態(tài)當(dāng)量的價(jià)值為732.95元/hm2。由于陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)=單位當(dāng)量價(jià)值×當(dāng)量，因此借助中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量價(jià)值表[14]，計(jì)算得出單位面積各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值系數(shù)(VC)，結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)空間分布數(shù)據(jù)，可得出研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量。具體公式為：

(2)

式中：ESV——生態(tài)系統(tǒng)年服務(wù)總價(jià)值(元/a)；Ai——研究區(qū)第i種生態(tài)類型的分布面積(i=1，2，…，5，為生態(tài)系統(tǒng)類型)(hm2)； VCi——第i種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量〔元/(hm2·a)〕。

根據(jù)研究區(qū)的特點(diǎn)，以上述Costanza的計(jì)算模型為基礎(chǔ)，建立區(qū)域生物量差異性系數(shù)S，適當(dāng)修正干擾生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的某些因素[15-16]，更改后的計(jì)算模型如下：

(3)

式中：fi——研究區(qū)內(nèi)i類生態(tài)系統(tǒng)的區(qū)域生物量差異性系數(shù)。下同。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的大小與其生物量密切相關(guān)，生物量越大，生態(tài)服務(wù)功能越強(qiáng)。分別從《中國1∶100萬植被類型圖》和全國NPP數(shù)據(jù)中提取研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型和生物量數(shù)據(jù)，疊加得到研究區(qū)和全國生態(tài)系統(tǒng)平均生物量數(shù)據(jù)，利用區(qū)域生物量差異系數(shù)對(duì)各生態(tài)類型的生態(tài)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行空間修正，假定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能大小與生物量大小成線性關(guān)系，用區(qū)域生物量差異性系數(shù)來定量表達(dá)生物量大小對(duì)生態(tài)服務(wù)功能的影響，公式如下：

(4)

式中：Ci——研究區(qū)i類生態(tài)系統(tǒng)的平均生物量；C——中國一級(jí) 類生態(tài)系統(tǒng)類型平均生物量。

3 結(jié)果與分析

3.1 基于地形梯度的生態(tài)系統(tǒng)空間分布特征分析

運(yùn)用ArcGIS的raster calculator功能，將通過遙感解譯的各年份生態(tài)系統(tǒng)類型空間分布圖與DEM高程分級(jí)圖進(jìn)行疊加，得出各年份生態(tài)系統(tǒng)類型的高程梯度差異分布情況(表3)。從生態(tài)系統(tǒng)類型分布上看，隨著高程級(jí)別的上升，水域與濕地生態(tài)系統(tǒng)的面積和分布指數(shù)呈下降趨勢，且變化幅度最大，在300～500 m高程級(jí)別上的分布指數(shù)均>5，是絕對(duì)優(yōu)勢的生態(tài)系統(tǒng)類型，而高程上升到500 m以上時(shí)，其分布指數(shù)降低至<0.4，說明水域與濕地生態(tài)系統(tǒng)類型對(duì)高程的適應(yīng)性較差。

隨高程級(jí)別的上升，農(nóng)田、聚落、草地及荒漠生態(tài)系統(tǒng)的面積呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢，其中，農(nóng)田和草地生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)勢位分布在300～500和500～700 m高程級(jí)別上；聚落生態(tài)系統(tǒng)除1993年的優(yōu)勢位在300～500 m高程級(jí)別上外，其余2個(gè)年份的優(yōu)勢位均在500～700 m高程級(jí)別上，說明在500～700 m高程級(jí)別上的人類活動(dòng)最為活躍；荒漠生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)勢位分布在500～1 100 m高程級(jí)別上，而且在700～900 m高程級(jí)別上達(dá)到最優(yōu)，以未利用地為主；森林生態(tài)系統(tǒng)作為懷來縣分布面積最大的生態(tài)系統(tǒng)，主要分布于高程>900 m的區(qū)域，而且在900～1 100和1 100 m高程以上的優(yōu)勢位顯著，該區(qū)域應(yīng)作為生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)保護(hù)區(qū)域。

表3 懷來縣1993-2013年各生態(tài)系統(tǒng)的高程梯度差異

地形起伏度是表征地貌類型的重要指標(biāo)，運(yùn)用ArcGIS的Raster Calculator功能，將通過遙感解譯的各年份生態(tài)系統(tǒng)類型空間分布圖與地形起伏度圖進(jìn)行疊加，得出各年份生態(tài)系統(tǒng)類型的地形起伏度梯度差異分布情況(表4)。從各個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的分布來看，不同生態(tài)系統(tǒng)類型在不同地形起伏度上的分布表現(xiàn)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(qū)域是水域和濕地生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)勢位，地形起伏度超過200 m的區(qū)域很少再有水域和濕地的分布；森林生態(tài)系統(tǒng)的面積以及分布指數(shù)與地形起伏度級(jí)別呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)趨勢，其優(yōu)勢位分布于70～200和200 m以上的起伏度級(jí)別上；農(nóng)田面積及其分布指數(shù)與地形起伏度的級(jí)別的呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)趨勢，其優(yōu)勢位在30 m以下的起伏度級(jí)別上，在優(yōu)勢位范圍內(nèi)3個(gè)不同時(shí)點(diǎn)的分布指數(shù)分別為2.27，2.27，2.30，均高于同期其他5類生態(tài)系統(tǒng)的分布指數(shù)，這表明農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)在0～30 m地形起伏度級(jí)別上具有相對(duì)較強(qiáng)的穩(wěn)定性和適應(yīng)性；聚落生態(tài)系統(tǒng)和和草地生態(tài)系統(tǒng)的面積和分布指數(shù)均與地形起伏度級(jí)別呈負(fù)相關(guān)，其中聚落生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)勢位分布于0～30 m起伏度級(jí)別上，表明人類的生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)大多都在此起伏度范圍內(nèi)；草地生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)勢位分布于0～30和30～70 m起伏度級(jí)別上；比較特殊的是荒漠生態(tài)系統(tǒng)，因?yàn)榛哪鷳B(tài)系統(tǒng)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(jí)別區(qū)域均有分布。

表4 懷來縣1990-2010年各生態(tài)系統(tǒng)的地形起伏度梯度差異

運(yùn)用ArcGIS的Raster Calculator功能，將通過遙感解譯的各年份生態(tài)系統(tǒng)類型空間分布圖與坡度變率圖進(jìn)行疊加，得出各年份生態(tài)系統(tǒng)類型的坡度變率梯度差異分布情況(表5)。

從生態(tài)系統(tǒng)類型分布上看，隨坡度變率的增加，各生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)出明顯的坡度變率梯度分布特征，農(nóng)田、聚落和草地的優(yōu)勢位均分布在0°～2°和2°～6°兩個(gè)坡度變率級(jí)別上，森林和荒漠的優(yōu)勢位則分布在大于6°的坡度變率級(jí)別上，水域與濕地的優(yōu)勢位主要分布在0°～2°和2°～6°坡度變率級(jí)別上，但在2003年之后，6°～15°上也成為其分布的優(yōu)勢位。

3.2 基于地形梯度的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空變化分析

以遙感解譯獲得的生態(tài)系統(tǒng)空間分布圖為基礎(chǔ)，運(yùn)用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值計(jì)算公式，分別計(jì)算1993，2003，2013年懷來縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，計(jì)算得到1993—2013年懷來縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化，分別與DEM高程分級(jí)、地形起伏度、坡度變率疊加，匯總得出基于地形梯度的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化情況(圖1)。

表5 懷來縣1993-2013年各生態(tài)系統(tǒng)的坡度變率梯度差異

圖1a為1993—2013年不同高程級(jí)別上的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化情況。農(nóng)田、水域與濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在各高程級(jí)別上均表現(xiàn)為持續(xù)減少，其中農(nóng)田、水域與濕地分別在500～700和300～500 m高程級(jí)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(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在各高程級(jí)別上均表現(xiàn)為持續(xù)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(jí)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(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與其他5個(gè)生態(tài)系統(tǒng)相比，在各高程級(jí)別上的變化規(guī)律不太明顯。

圖1b為1993—2013年不同坡度變率級(jí)別上的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化情況。農(nóng)田、草地、水域與濕地、聚落生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量在0°～6°坡度變率較小的區(qū)域變化較為劇烈，其中，農(nóng)田、水域與濕地在0°～6°坡度變率級(jí)別上的價(jià)值量持續(xù)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(jí)別上的價(jià)值量持續(xù)增加，20 a間分別增加了3 575.84,556.17萬元。森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量在6°以上坡度變率較大的區(qū)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(jí)別區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)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(jí)別區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)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(jí)別上的增加量，水域與濕地生態(tài)系統(tǒng)的價(jià)值量持續(xù)減少，20 a間減少了1.42億元；草地生態(tài)系統(tǒng)的價(jià)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(jí)別上，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化情況較為相似，其中農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的價(jià)值量表現(xiàn)為持續(xù)減少，20 a間共減少了3 805.60萬元；森林、草地生態(tài)系統(tǒng)的價(jià)值量持續(xù)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(jí)別上的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化情況。在0～30 m低起伏度級(jí)別區(qū)域，各生態(tài)系統(tǒng)的價(jià)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(jí)別區(qū)域，各生態(tài)系統(tǒng)的價(jià)值量變化產(chǎn)生分異，農(nóng)田、水域與濕地、荒漠的價(jià)值量持續(xù)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(jià)值量持續(xù)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(tài)系統(tǒng)的價(jià)值量變化來看，森林生態(tài)系統(tǒng)在200 m以上起伏度級(jí)別上的價(jià)值增加量最為明顯、農(nóng)田、水域與濕地在30～70 m起伏度級(jí)別上的價(jià)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(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間變化

3.3基于地形梯度的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)對(duì)策建議

1993—2013年，懷來縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總量呈減少趨勢，20 a間共減少6 631.07萬元。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值持續(xù)降低，說明當(dāng)前生態(tài)系統(tǒng)的空間分布格局不利于當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)文明建設(shè)。高地形梯度區(qū)，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(shí)施，使得生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量有所增加，說明高地形梯度區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)運(yùn)行良好。因此，造成懷來縣生態(tài)系統(tǒng)惡化的主要原因，在于低地形梯度區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的不合理利用。從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化特征來看，低地形梯度區(qū)由于人為活動(dòng)較為劇烈，建設(shè)用地的不斷擴(kuò)張，導(dǎo)致農(nóng)田、水域與濕地、森林、草地等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量較高的區(qū)域不斷被侵占，是造成低地形梯度區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值減少的根本原因。例如在0°～6°低坡度變率級(jí)別上，1993—2013年農(nóng)田、水域與濕地面積共減少了約10 828.12 hm2，但與此同時(shí)，聚落面積增加了5 316.05 hm2，這直接導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值降低了約1.68億元。

從前文研究可以看出，不同生態(tài)系統(tǒng)均有其對(duì)應(yīng)的地形梯度優(yōu)勢位(表6)，筆者認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)健康發(fā)展的必要條件，是要根據(jù)各生態(tài)系統(tǒng)的地形梯度優(yōu)勢位，對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)、合理空間布局，制定生態(tài)規(guī)劃，以確保生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。根據(jù)生態(tài)規(guī)劃的定義：“生態(tài)規(guī)劃是以生態(tài)學(xué)原理為指導(dǎo)，以區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)整體優(yōu)化為基本目標(biāo)，應(yīng)用環(huán)境科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)、生態(tài)學(xué)等多學(xué)科的知識(shí)來組織、協(xié)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部各種生態(tài)關(guān)系，是一種確定資源開發(fā)利用和保護(hù)的生態(tài)適宜性，促進(jìn)人與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)、持續(xù)發(fā)展的規(guī)劃方法。”因此，生態(tài)規(guī)劃必須建立在自然綜合體不做重大變化的前提下進(jìn)行，故不能將區(qū)域各生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行重新布局，應(yīng)以保護(hù)現(xiàn)有適宜于生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的生態(tài)類型為規(guī)劃思路。建議山地在制定區(qū)域生態(tài)規(guī)劃時(shí)，注意對(duì)位于地形梯度優(yōu)勢位上的各生態(tài)類型實(shí)行特殊保護(hù)，禁止被侵占為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能較弱的生態(tài)類型，只有這樣才能保證生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)、健康地提供服務(wù)。

表6 懷來縣各生態(tài)系統(tǒng)的地形梯度優(yōu)勢位特征

4 結(jié) 論

(1) 1993—2013年懷來縣生態(tài)系統(tǒng)空間分布隨地形梯度差異呈現(xiàn)明顯的層級(jí)性。農(nóng)田、水域與濕地、聚落、草地生態(tài)系統(tǒng)集中于低地形梯度區(qū)；森林集中于高地形梯度區(qū)；荒漠生態(tài)系統(tǒng)分布特征隨地形梯度差異不明顯。

(2) 1993—2013年懷來縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化隨地形梯度差異呈現(xiàn)明顯的空間分異特征。在低地形梯度區(qū)，農(nóng)田、水域與濕地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值降低，草地、聚落生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值有明顯的增加趨勢；在高地形梯度區(qū)，雖然森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化較為劇烈，但總體呈現(xiàn)出持續(xù)增加的趨勢。

(3) 在山區(qū)的生態(tài)規(guī)劃過程中，對(duì)位于優(yōu)勢位的生態(tài)系統(tǒng)要考慮實(shí)施實(shí)施特殊保護(hù)，防止其被侵占為生態(tài)服務(wù)功能較弱的生態(tài)類型，以保證生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定、持續(xù)、健康地提供服務(wù)。

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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(xiàn)參數(shù)： 許策, 李超, 張?zhí)熘? 等.基于地形梯度的河北省懷來縣山地生態(tài)系統(tǒng)空間分布及變化特征分析[J].水土保持通報(bào)，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(yè)科研專項(xiàng)“環(huán)渤海鹽堿土地景觀整治與植物修復(fù)技術(shù)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?yàn)樯鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)。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(dǎo)師,主要從事生態(tài)環(huán)境治理研究。E-mail:Jshu@rcees.ac.cn。