基于信息熵理論的漢江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)結(jié)構(gòu)特征及時(shí)空演化

于海龍, 王宏志, 于長(zhǎng)立

基于信息熵理論的漢江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)結(jié)構(gòu)特征及時(shí)空演化

于海龍1,2, 王宏志2,*, 于長(zhǎng)立1

1. 平頂山學(xué)院旅游與規(guī)劃學(xué)院, 平頂山 4670002. 華中師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 武漢 430079

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)結(jié)構(gòu)是影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)調(diào)穩(wěn)定及人類福祉可持續(xù)性的重要因素。在分析漢江流域1990—2010年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空變化的基礎(chǔ)上, 構(gòu)建了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熵模型, 探討生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)結(jié)構(gòu)特征及其時(shí)空演變規(guī)律。結(jié)果表明: (1)研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)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(xiàn)為東南部及漢江干流周圍地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值較高, 而東北部及中南部地區(qū)相對(duì)較低的分布特征。(2)供給、調(diào)節(jié)、支持、文化四大生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)具有顯著的相關(guān)性, 且空間異質(zhì)性差異較大。供給-調(diào)節(jié)、調(diào)節(jié)-文化、支持-文化之間的相關(guān)系數(shù)均超過(guò)了0.58。供給服務(wù)價(jià)值高的區(qū)域, 支持和文化服務(wù)價(jià)值相對(duì)較低; 調(diào)節(jié)服務(wù)受水域和濕地空間分布的影響較大。(3)1990—2010年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值呈顯著負(fù)相關(guān)。雖然該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值增大, 但生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的類型趨于單一, 其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及穩(wěn)定性降低; 這一問(wèn)題應(yīng)引起人們的高度重視。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熵模型可以為流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)結(jié)構(gòu)分析提供新思路和方法。研究結(jié)果可為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)維護(hù)和可持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù)。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù); 信息熵理論; 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)結(jié)構(gòu); 時(shí)空演變

0 前言

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指生態(tài)系統(tǒng)形成和所維持的人類賴以生存和發(fā)展的環(huán)境條件和效用, 為人類直接或間接從生態(tài)系統(tǒng)得到的所有收益, 是人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展的資源與環(huán)境基礎(chǔ)[1]。1997年, Costanza等第一次對(duì)全球17種主要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型開(kāi)展系統(tǒng)評(píng)估[2], Daily系統(tǒng)地提出了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的內(nèi)容和評(píng)價(jià)方法[3], 揭開(kāi)了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值研究的序幕。隨后, 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)逐漸成為了國(guó)際生態(tài)學(xué)和相關(guān)學(xué)科研究的前沿和熱點(diǎn)領(lǐng)域[4]。生態(tài)學(xué)相關(guān)學(xué)者在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分類[5]、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值核算[6-7]、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響機(jī)制[8-9]、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需平衡[10]等方面, 對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值做了大量研究。

生態(tài)系統(tǒng)對(duì)人類社會(huì)福祉提供的服務(wù)是多重的, 并且各種服務(wù)之間相互作用相互聯(lián)系。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的多樣性、復(fù)雜性和不確定性構(gòu)成了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡和協(xié)同作用, 呈現(xiàn)出復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和相互關(guān)系[11]。某一種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化, 必將影響到其他服務(wù)的狀況。例如初級(jí)生產(chǎn)力的增加會(huì)引起水資源供給和土壤保持的增加[12]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的優(yōu)化組合及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定可以降低生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的脆弱性, 減少生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的充分和可持續(xù)供應(yīng)受到威脅的程度[13]。因此, 通過(guò)計(jì)算多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值, 分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的內(nèi)部結(jié)構(gòu), 將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總量與其結(jié)構(gòu)特征兩者聯(lián)系起來(lái), 對(duì)維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的穩(wěn)定與健康, 以及生態(tài)環(huán)境建設(shè)、區(qū)域可持續(xù)發(fā)展都具有重要的意義。

不同的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)由土地利用決定, 其強(qiáng)度具有空間異質(zhì)性[14]。人類對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)品的需求會(huì)引起區(qū)域土地利用/土地覆被變化, 進(jìn)而會(huì)加劇生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的結(jié)構(gòu)演變[15]。加強(qiáng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系的理解和定量化水平的提升, 將能提升更實(shí)際的生態(tài)服務(wù)價(jià)值評(píng)估, 改善基于生態(tài)系統(tǒng)的管理實(shí)踐[16]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的相互作用隨著時(shí)間和空間尺度的變化而變化, 但只有少數(shù)研究考慮了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系特征的時(shí)間變化和空間尺度。此外, 對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征及其變化規(guī)律還缺少相應(yīng)的探討。

根據(jù)上述背景, 本文以生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜、人地關(guān)系矛盾突出的漢江流域?yàn)槔? 分析多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相互作用關(guān)系及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征, 以期為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)維護(hù)及可持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù)。擬探討的科學(xué)問(wèn)題: (1)基于格網(wǎng)尺度, 流域內(nèi)各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)具有怎樣的相互作用關(guān)系和時(shí)空變化特征？(2)引用信息熵理論是否可以描述生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性特征？首先基于多時(shí)期土地利用/土地覆被數(shù)據(jù), 分析網(wǎng)格尺度多個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)空特征, 并應(yīng)用相關(guān)性分析揭示各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的相關(guān)關(guān)系; 然后構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熵模型, 評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的結(jié)構(gòu)特征及其時(shí)空變化。我們的研究可以增強(qiáng)對(duì)多個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間復(fù)雜相互作用的理解, 為分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)結(jié)構(gòu)相關(guān)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(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值

在Costanza等人研究成果的基礎(chǔ)上, 針對(duì)中國(guó)具體的情況, 謝高地等[6, 17]分別于2002年和2006年共對(duì)中國(guó)700余位具有生態(tài)學(xué)背景的專業(yè)人員進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查, 制定出中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子表; 2015年結(jié)合遙感影像數(shù)據(jù)對(duì)NPP和生物量的模擬分析和專家經(jīng)驗(yàn), 修訂得到中國(guó)二級(jí)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子表[18]?；趩挝幻娣e價(jià)值當(dāng)量因子的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值計(jì)算方法, 盡管相對(duì)簡(jiǎn)單, 但易于廣泛應(yīng)用。其計(jì)算公式如下:

式中,ESV為第個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值, 元;A為第個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型中第類生態(tài)系統(tǒng)的面積, hm2;VC為第類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù), 元/(hm2·a);為生態(tài)系統(tǒng)類型總數(shù)。

一個(gè)固定區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值為各類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值之和, 可以表示為:

1.1.2 相關(guān)性分析

地理要素之間的相關(guān)分析是用來(lái)揭示地理要素之間相互關(guān)系的密切程度, 可以通過(guò)對(duì)相關(guān)系數(shù)的計(jì)算與檢驗(yàn)來(lái)測(cè)定。在研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系的各種統(tǒng)計(jì)方法中, 相關(guān)系數(shù)是最常用的指標(biāo)之一[19]。對(duì)于任意兩個(gè)要素和, 若其值分別為x與y(=1, 2, …,), 則這兩個(gè)要素間的相關(guān)系數(shù)為[20]:

式中,r為兩要素之間的相關(guān)系數(shù), 其值介于區(qū)間[–1,1],`和`分別為兩個(gè)要素的平均值。r＞0, 表示正相關(guān);r＜0, 表示負(fù)相關(guān);r的絕對(duì)值越接近于1, 表示兩要素的相關(guān)性越高, 越接近于0, 表示兩要素的相關(guān)性越低。

1.1.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熵

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熵可以綜合反映一定時(shí)期研究區(qū)域內(nèi)各種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的組合特征, 進(jìn)而評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)性和穩(wěn)定性, 對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)化和調(diào)整具有指導(dǎo)作用。對(duì)固定邊界的某個(gè)區(qū)域, 設(shè)其總的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值為, 該區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型為類, 用ESV表示區(qū)域內(nèi)第類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的價(jià)值, 則某一生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型出現(xiàn)的概率可以用下式表達(dá):

式中,為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的信息熵,p為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型中第類服務(wù)出現(xiàn)的概率。

信息熵可以用來(lái)描述生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的無(wú)序程度, 定量判斷生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的演化方向。當(dāng)區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型越多, 各種類型生態(tài)服務(wù)價(jià)值越接近, 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型越復(fù)雜, 則信息熵值越大, 表明該區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)越協(xié)調(diào)、穩(wěn)定; 反之, 則受外界的影響較大, 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型單一。

1.2 數(shù)據(jù)及來(lái)源

1.2.1 研究區(qū)

漢江是長(zhǎng)江最大的支流, 其水系發(fā)育相對(duì)完整, 是流域尺度相關(guān)研究的理想場(chǎng)所。本文研究區(qū)選擇湖北省境內(nèi)的漢江流域中下游地區(qū), 包括丹江口水庫(kù)以下至漢口龍王廟的漢江沿江及取用漢江水源的受水區(qū), 其流域面積為41513.14 km2。研究區(qū)涉及襄陽(yáng)、荊門、孝感、天門、武漢、潛江、神農(nóng)架、十堰、仙桃9個(gè)地級(jí)市的18個(gè)市、縣(區(qū))(如圖1)。該區(qū)是典型的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū), 年平均降水量800- 1100 mm, 資源要素密集, 生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜。漢江流域是中國(guó)重要的糧食主產(chǎn)區(qū)和重要的生態(tài)功能區(qū), 承擔(dān)著極其重要的生態(tài)服務(wù)功能。由于長(zhǎng)期的生態(tài)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)利用和巨大的人口壓力, 該區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)服務(wù)功能嚴(yán)重退化, 威脅著區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)安全及可持續(xù)發(fā)展。

1.2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文的數(shù)據(jù)包括兩類: 土地利用數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)圖件數(shù)據(jù)。

(1) 土地利用數(shù)據(jù) 土地利用數(shù)據(jù)為湖北省1990、2000和2010年的土地利用矢量數(shù)據(jù)集, 該數(shù)據(jù)是以Landsat TM/ETM/OLI遙感影像(空間分辨率30×30m)為主要數(shù)據(jù)源, 經(jīng)過(guò)影像融合、幾何校正、圖像增強(qiáng)與拼接等處理后, 通過(guò)人機(jī)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(shè)用地、未利用地6個(gè)一級(jí)類, 25個(gè)二級(jí)類以及部分三級(jí)分類。該數(shù)據(jù)中耕地和城鄉(xiāng)、工礦、居民用地平均分類精度達(dá)到85%以上, 其他土地利用類型平均分類精度75%以上。數(shù)據(jù)來(lái)源于資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.resdc. cn/ Default. aspx)。

圖1 漢江流域(湖北省境內(nèi))區(qū)位圖

Figure 1 Location of Hanjiang River Basin in Hubei province

(2) 基礎(chǔ)圖件數(shù)據(jù) 基礎(chǔ)圖件數(shù)據(jù)包括行政區(qū)范圍及研究區(qū)(漢江流域)邊界, 各級(jí)行政區(qū)范圍來(lái)源于國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心, 漢江流域范圍參考前期關(guān)于本區(qū)域的研究成果[22]。

1.2 數(shù)據(jù)處理

(1) 生態(tài)系統(tǒng)及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分類 參照前期學(xué)者土地覆被類型的生態(tài)系統(tǒng)分類標(biāo)準(zhǔn)[18], 借助ArcGIS 10.2軟件, 將數(shù)據(jù)重分類為旱地、水田、林地、灌木、草地、濕地、裸地、水系及建設(shè)用地共9類, 即9種生態(tài)系統(tǒng)類型(圖2)。本研究將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)概括為4個(gè)一級(jí)類型和11種二級(jí)類型, 即: 供給服務(wù)(食物生產(chǎn)、原材料生產(chǎn)和水資源供給)、調(diào)節(jié)服務(wù)(氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、凈化環(huán)境、水文調(diào)節(jié))、支持服務(wù)(土壤保持、維持養(yǎng)分循環(huán)、維持生物多樣性)、文化服務(wù)(提供美學(xué)景觀服務(wù))。

(2) 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)核算 本研究將生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)的凈利潤(rùn)看作該生態(tài)系統(tǒng)所能提供的生產(chǎn)價(jià)值, 將單位面積農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)糧食生產(chǎn)的凈利潤(rùn)當(dāng)作1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量因子的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量。具體計(jì)算得到2010年標(biāo)準(zhǔn)生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子經(jīng)濟(jì)價(jià)值量的值為3406.50元/hm2。根據(jù)謝高地等最新的態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子表[18]及其區(qū)域修正系數(shù)(湖北省為1.27), 制定漢江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估系數(shù)表(表1)。

2 結(jié)果及分析

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空特征

本文將研究區(qū)劃分為500 m×500 m的網(wǎng)格單元, 共被劃分為1837個(gè)網(wǎng)格, 從而計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。1990年、2000年和2010年漢江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值如表2所示。結(jié)果表明, 研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總量相對(duì)較高, 三個(gè)年份總服務(wù)價(jià)值分別為3059.764億元、3239.87億元和3466.84億元。調(diào)節(jié)功能服務(wù)價(jià)值最高, 其中水文調(diào)節(jié)服務(wù)價(jià)值位列第一, 1990年、2000年和2010年的服務(wù)價(jià)值分別為1269.90億元、1439.74億元和1634.57億元, 占總價(jià)值的41.5—47.15%。其次是氣候調(diào)節(jié), 占總價(jià)值的12.84—14.45%。水資源供給、生物多樣性、土壤保持、凈化環(huán)境、氣體調(diào)節(jié)占總價(jià)值的比例在5.56—7.57%, 五項(xiàng)共占總價(jià)值的33%左右。食物與原材料生產(chǎn)、美學(xué)景觀、維持養(yǎng)分循環(huán)的服務(wù)價(jià)值量相對(duì)較低, 占總價(jià)值的0.78—4.23%, 四項(xiàng)共占總服務(wù)價(jià)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(tài)系統(tǒng)單位面積服務(wù)價(jià)值(元· hm-2·a-1)

注: 其中建設(shè)用地不參與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值估算, 研究區(qū)內(nèi)沒(méi)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(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量及變化(億元, %)

1990—2010年, 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值呈上升的趨勢(shì), 且上升的幅度趨于增大。1990—2000年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總量增加180.12億元, 增幅為5.89%, 其中水文調(diào)節(jié)增加了169.85億元, 而食物生產(chǎn)、氣體調(diào)節(jié)和維持養(yǎng)分循環(huán)的服務(wù)價(jià)值則分別下降0.93億元、0.33億元和0.12億元, 其他服務(wù)功能均有微弱增加。2000—2010年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值增加226.96億元, 增幅為7%, 其中水文調(diào)節(jié)、水資源供給的服務(wù)價(jià)值增幅較大, 分別為194.83億元和26.28億元; 而原料生產(chǎn)、土壤保持、維持養(yǎng)分循環(huán)的服務(wù)價(jià)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(qū)位于江漢平原, 耕地和水資源豐富, 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)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(shì)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(shè)用地面積占比增加1.46%。這一土地利用變化結(jié)果, 引起該區(qū)域水文調(diào)節(jié)、水資源供給、凈化環(huán)境等功能的增加較為明顯, 且對(duì)總服務(wù)價(jià)值的增加發(fā)揮了主導(dǎo)作用; 導(dǎo)致食物生產(chǎn)、原料生產(chǎn)、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(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的空間分布情況。從空間分布格局上看, 漢江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間差異較大。高值區(qū)主要分布在東南部的江漢平原及漢江沿岸地區(qū), 特別是武漢市、孝感市等水資源豐富的地區(qū)。西北地區(qū)因林地比例較高而成為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值次高值區(qū)。而東北部及中南部部分區(qū)域分別因建設(shè)用地和農(nóng)田比例較高而成為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值低值區(qū)。由于研究區(qū)湖泊及耕地資源豐富, 該地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)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(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值明顯增大, 東南部生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值大于3.6億元的區(qū)域向南部明顯擴(kuò)張, 西北部和中南部生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值小于0.9億元的區(qū)域明顯縮小。西北部地區(qū)變化不明顯, 大部分地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值處于1.8—2.7億元。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)內(nèi)部關(guān)系

1990—2010年四種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相關(guān)性如表3所示。三個(gè)時(shí)期各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相關(guān)性基本一致, 都呈現(xiàn)在0.01水平雙側(cè)顯著相關(guān)。供給服務(wù)與調(diào)節(jié)服務(wù)呈中等正相關(guān), 相關(guān)系數(shù)在0.589—0.686, 有增大的趨勢(shì)。供給服務(wù)與支持服務(wù)呈弱負(fù)相關(guān), 相關(guān)系數(shù)在–0.215至–0.253, 供給服務(wù)與文化服務(wù)的相關(guān)性較差, 相關(guān)系數(shù)在0.108—0.123之間。調(diào)節(jié)服務(wù)與支持服務(wù)呈弱正相關(guān), 相關(guān)性系數(shù)在0.249—0.37之間, 有逐漸減小的趨勢(shì)。文化服務(wù)與調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)的相關(guān)性較高, 相關(guān)系數(shù)分別介于0.651-0.713和0.860-0.877之間, 都呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

圖3 1990年、2000年、2010年漢江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)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(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)、文化服務(wù)四種服務(wù)價(jià)值的空間特征及變化如圖4所示, 不同的服務(wù)價(jià)值具有明顯的空間異質(zhì)性。供給服務(wù)價(jià)值高的地區(qū)主要分布在漢江流域的東南部和中部地區(qū), 西北和中南部部分地區(qū)的供給服務(wù)價(jià)值較低; 1990—2000年供給服務(wù)價(jià)值的空間變化不大, 2010年供給服務(wù)價(jià)值明顯增大, 特別是在東南部和西北部地區(qū), 供給服務(wù)價(jià)值提升最為顯著[圖4(a1)、(a2)(a3)]。調(diào)節(jié)服務(wù)的高值區(qū)主要分布在東南部的長(zhǎng)江沿岸及漢江干流沿岸地區(qū), 西北部和中南部地區(qū)的服務(wù)價(jià)值較低; 1990—2010年調(diào)節(jié)服務(wù)價(jià)值總體呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì), 南部和東北部地區(qū)增大較為突出[圖4(b1)、(b2)(b3)]。漢江流域支持服務(wù)價(jià)值高值區(qū)分布在西北部和中部地區(qū), 東北部和南部地區(qū)的支持服務(wù)價(jià)值普遍較低; 1990—2000年支持服務(wù)價(jià)值空間總體變化不明顯, 2000—2010年西北部和東南部部分地區(qū)的支持服務(wù)價(jià)值有所降低[圖4(c1)、(c2)(c3)]。文化服務(wù)價(jià)值較高的地區(qū)主要分布在西北部及漢江干流沿岸部分地區(qū), 南部和東北部地區(qū)的文化服務(wù)價(jià)值較低; 1990—2010年漢江流域文化服務(wù)價(jià)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(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量的相關(guān)性

**在0.01水平雙側(cè)顯著相關(guān)。

圖4 四類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)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(lái)看, 除支持服務(wù)在部分地區(qū)的服務(wù)價(jià)值有所下降外, 供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)和文化服務(wù)的服務(wù)價(jià)值都呈不同程度的上升。1990—2010年漢江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間變化差異較大, 東南部和東北部地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化較為劇烈, 西北部地區(qū)總體變化不大, 較為穩(wěn)定。本地區(qū)表現(xiàn)為受人類干擾低的土地利用類型, 文化與支持服務(wù)較高, 供給服務(wù)較低; 反之, 隨著人類干擾加強(qiáng), 供給和調(diào)節(jié)服務(wù)明顯提升。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熵

基于每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)11種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值計(jì)算出的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熵如圖5所示, 從數(shù)值上看, 漢江流域1990、2000、2010年的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)趨于單一, 受外界干擾不斷增強(qiáng)。

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

從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熵值分析結(jié)果來(lái)看, 漢江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征存在明顯的區(qū)域差異。東南部及漢江干流沿岸地區(qū)受人類活動(dòng)的影響較大, 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的類型相對(duì)單一, 復(fù)雜性較低。而西北部和中部地區(qū)受人類影響較小, 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的類型相對(duì)較完善, 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的結(jié)構(gòu)也較穩(wěn)定。

圖5 1990年、2000年、2010年漢江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熵的相關(guān)性分析表明, 1990年、2000年、2010年漢江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熵在0.01顯著水平上呈顯著負(fù)相關(guān), 相關(guān)系數(shù)分別為–0.605、–0.585和–0.599。說(shuō)明本研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)具有較強(qiáng)的復(fù)雜性, 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值越高, 則其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熵越低, 為人類提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的類型越單一, 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)結(jié)構(gòu)相對(duì)不穩(wěn)定。

3 討論

在不同的情景下, 土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響存在差異, 既有正向影響, 也有負(fù)向影響[23]。前期學(xué)者對(duì)中國(guó)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化提出了不同的評(píng)估結(jié)果。大多數(shù)研究表明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值呈下降的趨勢(shì)[24-25], 但也有人發(fā)現(xiàn)隨著最近的土地使用變化和城市化, 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值有所增加[26-27]。本文的分析結(jié)果表明, 漢江流域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值呈現(xiàn)總價(jià)值量增加而結(jié)構(gòu)單一的趨勢(shì), 這是研究區(qū)土地利用變化的特定空間布局和當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)生態(tài)環(huán)境共同決定的。土地利用變化是引起區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化的主要驅(qū)動(dòng)因素[28]。由于漢江流域獨(dú)特的地理位置, 與其他地區(qū)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(gè)區(qū)域; 這就造成了該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(qū)域水文調(diào)節(jié)、水資源供給等功能增加, 而食物生產(chǎn)、原料生產(chǎn)等功能減小。由于調(diào)節(jié)服務(wù)在各生態(tài)系統(tǒng)的單位面積服務(wù)價(jià)值相對(duì)較大(表1), 所以引起漢江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值不斷增加。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)結(jié)構(gòu)受人類活動(dòng)影響較大, 1990—2010年漢江流域建設(shè)用地面積占比增加1.46%, 且在東南部地區(qū)表現(xiàn)最為明顯(圖2), 這一結(jié)果與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熵的空間分布較為契合(圖5)。從而造成了該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熵不斷減小, 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和穩(wěn)定性逐漸降低的變化趨勢(shì)?？焖俪鞘谢谋尘跋? 需要決策分析來(lái)支持土地利用規(guī)劃, 以確保生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的可持續(xù)性, 為區(qū)域人民的福祉服務(wù)[29]。

目前對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值核算的方法暫沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn), 評(píng)價(jià)模型的不同會(huì)對(duì)核算結(jié)果產(chǎn)生較大的影響, 例如龔毅帆等的研究認(rèn)為2013年湖北省漢江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能總經(jīng)濟(jì)價(jià)值高達(dá)6016.28億元, 遠(yuǎn)大于本文的研究結(jié)果[30]。本文使用的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量表及計(jì)算方法經(jīng)過(guò)了多次修正, 并且在對(duì)中國(guó)多個(gè)地方的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行了估算和驗(yàn)證[31-32], 在領(lǐng)域內(nèi)具有較強(qiáng)的認(rèn)可度。關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值核算的方法還需要進(jìn)一步研究和研討, 亟需制定更加科學(xué)規(guī)范且具有廣泛普適性的評(píng)價(jià)模型。由于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的復(fù)雜性, 擾動(dòng)情形下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其脆弱性呈現(xiàn)多尺度特征[33], 不同的研究尺度及評(píng)價(jià)單元對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熵會(huì)產(chǎn)生一定的影響。應(yīng)用信息熵理論對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)是一次有益的嘗試和探討。在以后的研究中, 還需要運(yùn)用多種熵模型對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)結(jié)構(gòu)及其影響機(jī)制進(jìn)行綜合分析。

4 結(jié)論

文章在分析漢江流域1990—2010年多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空變化及相互關(guān)系的基礎(chǔ)上, 構(gòu)建了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熵模型, 探討了區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)結(jié)構(gòu)特征及時(shí)空演化。結(jié)論如下:

(1) 1990—2010年漢江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)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(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值來(lái)看, 水文調(diào)節(jié)、水資源供給和凈化環(huán)境的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值增加較為明顯, 且為漢江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的主要構(gòu)成; 僅有食物生產(chǎn)、原料生產(chǎn)、土壤保持等的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值有一定程度的減小, 且減小幅度較小。由于該區(qū)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(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間差異比較大, 總體呈現(xiàn)東南部及漢江干流地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值高, 而東北部及中南部地區(qū)相對(duì)較低的空間分布規(guī)律。

(2) 供給、調(diào)節(jié)、支持、文化四大生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)具有顯著的相關(guān)性, 但空間異質(zhì)性差異較大。1990、2000和2010三個(gè)時(shí)期各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間都呈現(xiàn)顯著相關(guān), 除供給-支持呈負(fù)相關(guān)外, 其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間均呈正相關(guān), 且供給-調(diào)節(jié)、調(diào)節(jié)-文化、支持-文化之間的相關(guān)系數(shù)都超過(guò)了0.58。從各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分布上看, 供給服務(wù)價(jià)值高的區(qū)域, 支持和文化服務(wù)價(jià)值相對(duì)較低; 調(diào)節(jié)服務(wù)的高值區(qū)多集中在水域和濕地分布的地區(qū)。1990—2010年各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化基本一致, 都表現(xiàn)為與該區(qū)域土地利用密切相關(guān), 東南部和東北部地區(qū)(主要為耕地和建設(shè)用地)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化劇烈, 而西北部地區(qū)(主要為林草地)較為穩(wěn)定。

(3) 1990—2010年漢江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性降低, 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熵值由1990年的1.87下降到2010年的1.78。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熵值空間差異較大, 東南部及漢江干流沿岸地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熵值較小, 西北部及中部部分地區(qū)的生態(tài)服務(wù)熵值較大, 空間上與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值呈顯著負(fù)相關(guān)。此結(jié)果表明, 雖然研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值增大, 但生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的類型趨于單一, 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及穩(wěn)定性降低。東南部及漢江干流沿岸地區(qū)受人類活動(dòng)影響較大的區(qū)域最為明顯, 這一問(wèn)題應(yīng)該引起人們的高度重視。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熵模型可以作為一種通用的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)模型, 為流域或區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)結(jié)構(gòu)分析提供方法和技術(shù)支持。研究結(jié)果可為區(qū)域土地利用政策制定及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)維護(hù)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(xiàng)目:河南省政府決策研究招標(biāo)課題(2018B229); 平頂山學(xué)院青年基金項(xiàng)目(PXY-QNJJ-2018007)

于海龍(1990— ), 男, 河南扶溝人, 博士生, 主要從事GIS/RS應(yīng)用、生態(tài)系統(tǒng)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(yīng)用研究, E-mail: wanghongzhi@mail.ccnu.edu.cn

于海龍, 王宏志, 于長(zhǎng)立. 基于信息熵理論的漢江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)結(jié)構(gòu)特征及時(shí)空演化[J]. 生態(tài)科學(xué), 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.