基于LUCC的生態系統服務空間化研究
——以張掖市甘州區為例

梁友嘉，徐中民，鐘方雷，宋曉諭

(中國科學院 寒區旱區環境與工程研究所 內陸河流域生態水文重點試驗室，蘭州 730000)

基于LUCC的生態系統服務空間化研究
——以張掖市甘州區為例

梁友嘉*，徐中民，鐘方雷，宋曉諭

(中國科學院 寒區旱區環境與工程研究所 內陸河流域生態水文重點試驗室，蘭州 730000)

生態系統服務(ES)評價為減緩或阻止人類活動導致的各種復雜生態問題提供了一種可能的方法，同時也有助于解決日益增加的各種土地利用沖突。以張掖市甘州區為例，運用一種新的空間化方法開展生態系統服務研究，并注重實現與土地利用研究的集成分析。首先根據研究區不同的群落生境和土地利用類型劃分生態系統服務類型，然后檢驗不同土地利用類型和方式對各類生態系統服務供給的影響，最后分析該方法和數據的不確定性。結果表明：1)在灌區和甘州區兩個尺度上，4類ES生產能力值均表現為：文化服務>支持服務>調節服務>供給服務；2)2000—2009年，4類ES供給都呈遞減趨勢，同時，城鎮用地、路網建設等人類活動驅動的土地利用方式迅速增加，整個綠洲農業區處于過度開發狀態；3)該方法可操作性強，多學科的數據和知識分析是ES研究的難點。

生態系統服務；GIS；土地利用/覆蓋變化；空間化

生態系統服務(ES)是人類-自然環境耦合系統研究的重點[1- 4]。也是多學科交叉研究熱點，涉及生態學、社會學、經濟學和環境科學等諸多學科。同時，GIS和遙感分析等技術在ES研究中發揮著重要作用[5- 7]。近來，生態系統服務開始更加關注系統本身的可持續生產，并注重與政策管理集成分析。隨著生物多樣性損失和棲息地破碎化程度的日益加重，使得開展ES供給評價研究迫在眉睫[8- 10]。以森林生態系統為主，在歐美地區已經出現了一批較為成熟的案例，這些案例在實踐中既考慮時空尺度的資源保護，又強調利益相關者的壓力響應[11- 12]。國內相關研究案例尚十分缺乏[13]。

由于對ES研究的若干關鍵問題理解不夠，使得通過測量和建模研究人類—環境耦合系統特征仍較困難。為此，Naidoo等指出當前ES研究中存在幾個亟待解決的問題[14]：1)全球生態系統服務評價必須是空間顯式的，需要表明特定生態系統服務產生的位置；2)必須定量研究土地利用變化和其驅動的生態系統供給服務變化之間的關系；3)必須理解價值流對人群的空間分散或集聚所產生的不同影響；4)應選擇特定指標和尺度評價生態系統服務變化；5)應確定不同棲息地和文化類型下的各種ES類型；6)需開發通用的ES集成研究框架，并和決策制定集成，實現正向反饋作用。因此，ES空間分布是研究的難點和重點。

另外，在用不同類型ES描述人類-自然環境耦合關系時，應注重生態系統過程和功能分析，如一些支持服務(土壤形成、植被光合作用或者能量變化和水循環)是其他類型ES得以表現的先決條件，為供給、調節和文化生態系統產品和服務提供了必要物質保障，也是獲取人類福祉的必要先決條件，是ES空間化研究的基礎之一。此外，還需要辨析不同服務類型中結構性組分之間的相互作用。通常，ES組分包括：能量、物質循環、水循環、關鍵種的多樣性和可持續生境條件等[15]。這些組分也是生態系統完整性和生態系統健康的表征要素，有助于空間化研究，也有利于反映不同類型ES供給的可持續性[16]。

針對上述問題，本文的主要內容包括：1)介紹ES空間化涉及的方法和數據；2)分析研究區不同土地利用/覆蓋變化(LUCC)方式對生態系統服務供給的影響；3)討論數據的不確定性和方法的使用前景，分析其優勢和局限性。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

研究區地處黑河流域中游，東臨山丹縣，西到臨澤縣、南靠民樂縣、肅南裕固族自治縣、北依合黎山與內蒙古自治區阿拉善右旗接壤。介于東經100°6′—100°52′，北緯38°39′—39°24′之間，平均海拔1474m，黑河、酥油口河、大磁窯河、山丹河等貫穿全境，是典型的內陸河流域綠洲農業區，屬溫帶大陸性氣候，年均降水量113—312mm，蒸發量2047mm，年日照時數3085h，晝夜溫差大，年均無霜期150d，年均氣溫7.1 ℃，自然景觀類型豐富[17]。近年來，在人類活動影響下，生態系統服務退化嚴重，亟待開展系統的可持續評價和管理研究。

1.2 數據來源

LUCC數據包括：2000年LUCC，源于中國西部環境與生態科學數據中心，空間分辨率為1km；2009年LUCC，源于ESA DUE網站(http://dup.esrin.esa.it)，該數據融合了多種數據源，提供空間分辨率為300m的全球數據，精度較好。利用ArcGIS提取研究區范圍的LUCC，地圖投影坐標選為通用橫軸墨卡托(Universal Transverse Mercartor，UTM)，橢球體為WGS(World Geodetic System，WGS)1984，統一重采樣為300m×300m，并將其轉為矢量數據備用。輔助數據包括：研究區灌區邊界圖，由張掖市水務局提供；土地利用總體規劃(2006—2020年)文本，由張掖市國土資源局提供；還包括多種會議和訪談資料。

1.3 生態系統服務

在MEA(MEA)分類基礎上，結合調查、專家知識和利益相關者等的信息匯總[18- 19]，可給出內陸河流域幾種主要ES類型及對應的潛在測量指標(表1)，對文化服務和供給服務暫不做討論。ES指標化研究有利于加深認識生態系統提供的產品和服務，而甄別可空間化的指標是當前ES空間化研究的基本問題之一。

表1 生態系統服務類型和潛在指標

不同LUCC類型具有特定的生態系統服務能力，可以借助生態系統服務能力指數(IAESC，式1)表征[20]，該指數最初是用于高覆蓋度的林區，空間尺度較小。本文嘗試將其應用到更大的空間尺度上，并分別在灌區和整個研究區兩種尺度上計算該值。通過該值既能實現區域間的對比，也為尺度推繹分析提供了一種可能性。計算公式如下：

(1)

式中，Xi是棲息地值(每個棲息地ES生產能力的平均值)；Ai是區域內對應LUCC類型的面積；Atotal是關注的研究區總面積，該指數是一種集總式結果。空間化方法是：通過GIS空間分析模塊得到各灌區LUCC類型對應的IAESC，1≤IAESC≤2；然后，分別取3個值，假設可反映不同服務能力的大?。?表示低，1表示中等，2表示高；最后對IAESC按上述量化值分類，采用等間隔分類法，獲得ES供給能力的矢量分布圖。本文分別得到集總式和空間分布圖兩種結果。

1.4 LUCC

根據《全國土地分類(試行)》(2002標準)，對LUCC編碼并分為13類(圖1)：農田(F)、沙地(D)、河渠(C)、戈壁(G)、鹽堿地(S)、裸地(B)、有林地(W)、灌木林地(SH)、城鎮建設用地(A)、水庫坑塘(R)、裸巖石礫地(ST)、中覆蓋度草地(MG)和高覆蓋度草地(HG)。水田、河渠、水庫坑塘和城鎮建設用地受人類活動影響的強度明顯高于其他類型，對ES影響較大。LUCC影響可用下述方法表征：首先，利用五因子打分法(-2，-1，0，1，2)評價各類LUCC對ES的影響，-2代表強烈的負向作用，對特定ES過程起減緩或阻止作用；2代表強烈的正向作用，對ES過程起促進和增強作用。

圖1 研究區2000—2009年土地利用/覆蓋類型分布Fig.1 Distribution of LUCC at study area from 2000 to 2009

2 結果

2.1 基于LUCC類型的生態系統服務供給

首先，確定研究區LUCC類型可提供的若干生態系統服務(表2)，然后利用五因子打分法計算各LUCC類型提供特定類型ES的棲息地值，本文僅考慮ES顯著或人類關注度高的類型，包括：供給服務(P)，提供魚類(P1)、瓜果(P2)、飼料(P3)、藥材(P4)、木材(P5)、應用水(P6)、農作物(P7)和能源(P8)；調節服務(R)，

表2 基于不同生態系統服務類型的棲息地值

提供氣候調節(R1)、碳吸收(R2)、授粉(R3)、防洪(R4)、土壤侵蝕(R5)和養分吸收(R6)；文化服務(C)，提供當地文化類型(C1)、美學景觀(C2)、自然內在價值(C3)和娛樂休閑(C4)；支持服務(S)，提供光合作用(S1)、氮循環(S2)和土壤形成(S3)。同時，以灌區為統計單元，利用ArcGIS計算2000、2009年LUCC面積，并進一步得到Ai/Atotal。

由表2知，供給服務中灌木林地棲息地值最高，為1.1，林地為1，其他都低于1；調節服務中，中覆蓋度草地棲息地值最高，為1.7，同時，除河渠外，各LUCC類型的調節服務棲息地值均高于相應的供給服務值；文化服務中，除城鎮用地棲息地值為0.8外，其他值均高于1，棲息地值整體明顯高于相應的前兩種服務；支持服務中，城鎮用地棲息地為0，各類草地和林地值最大，均為2，其余類型的棲息地值較為集中，未表現出明顯的差異。

另外，通過面積計算發現：在灌區尺度上，農田面積普遍增加，大滿灌區增幅最大，由2000年的14.24%增加到2009年的32.89%，但戈壁和裸巖礫石地增加也較明顯；除大滿灌區外，灌木林地和高覆蓋度草地普遍明顯減少；河渠面積普遍增加，其中，人口相對密集的盈科灌區由2000年的67.52%增加到2009年的71.60%；在甘州區尺度上，城鎮建設用地和農業用地擴張最為明顯，分別增加了5.93%和10.11%，中覆蓋度草地減少了23.72%，減幅最大?；A數據變化直觀地反映了區內人類活動劇烈、生態環境不斷退化的事實，開展ES變化評估已刻不容緩。利用式1，以表2和LUCC面積為輸入，得到灌區和甘州區兩種尺度ES能力指數(表3)。同時，利用ArcGIS得到2000—2009年ES供給能力空間分布(圖2)。

表3 基于灌區和研究區尺度的生態系統服務能力指數比較

由表3知：供給服務中，2000年大滿灌區IAESC最高，為0.49，花寨為0.28，最低，至2009年，除上三灌區增加到0.42外，其余灌區供給服務值均呈減小趨勢，花寨仍最小，為0.26；調節服務中，2000年大滿灌區IAESC為1.35，最高，上三灌區為0.6，最低，至2009年，除上三灌區增加到0.71外，其余灌區調節服務值均減小，花寨變為最低值，為0.5；文化服務中，2000年各灌區差異不大，至2009年，文化服務值不同程度的減?。恢С址兆兓c供給服務類似，但相應的服務值要高于同期供給服務值；橫向比較發現，不同灌區各服務的IAESC有如下規律：文化服務>支持服務>調節服務>供給服務。甘州區尺度上，2000—2009年各種服務也呈減小趨勢；各類服務值接近灌區平均值；橫向比較發現，各服務IAESC值變化規律與灌區尺度相同；圖2中各生態系統服務類型的空間分布也支持上述分析結果。

圖2 研究區2000—2009年的生態系統服務空間分布Fig.2 Distribution of ecosystem services at study area from 2000 to 2009

2.2 不同土地利用方式對生態系統服務供給的影響

進一步分析典型土地利用方式變化對ES供給的影響，同樣采用五因子打分法，并考慮負向作用。根據《張掖市土地利用總體規劃(2006—2020年)》，確定7類關鍵的土地利用方式：1)自然保護，保證生態用地；2)路網建設；3)農田建設，在原有農田基礎上對區內蔬菜基地、特色農產品基地、農業產業化基地、農業人口集中區周邊農田優先保護；4)工礦地整合，將零散能源、化工、冶金和農副產品加工等產業遷往張掖市工業園區；5)城鎮發展；6)濕地開發：圍繞張掖市國家濕地公園規劃展開；7)特色果產業(表4)。

由表4知，自然保護和濕地開發對各類ES供給都有促進作用，前者對各類服務的平均影響均大于0.7，后者均大于0.9，且濕地開發對調節服務、文化服務和支持服務有明顯的促進作用，平均影響均大于+1.7；相較其他土地利用方式而言，短期不可逆的土地利用方式(如路網建設、工礦地合和城鎮建設)對ES供給的影響具有更強的負向作用，在對供給、調節和支持這三類服務的影響中，城鎮建設的負向作用最明顯，分別為-1.5、-1.5和-1.7，說明在綠洲農業區要追求適度規模的城鎮建設，以防城鎮快速擴展所導致的供給、調節和支持服務的銳減；路網建設有雙面作用，一方面，路網使人類活動延伸到較遠區域，利于獲取已知的生態系統服務，如木材開發等，同時，路網會導致自然棲息地破碎化程度加劇，也會使一些違規建設活動有大幅增加的潛在風險，路網建設還會產生噪音，降低一些天然保護區的文化價值；另外，各土地利用方式之間還存在相互作用，如工礦地整合和農田建設會不同程度的排斥自然保護和休閑觀光等，相反，自然保護一般對其他土地利用方式有支持作用。這種復雜的作用關系可通過網絡流量圖進行解耦分析，將有助于ES與LUCC的集成研究。

表4 不同土地利用方式對生態系統服務的影響

3 討論

3.1 生態系統服務分布

綜合分析圖1和圖2的結果，可發現研究區2000—2009年主要生態系統服務類型的空間分布有如下特點：首先，研究區2000年的供給服務生產能力普遍處于中等水平，至2009年，低值區增多，多出現在一些零散的居名點處，在城市區域一直較低；第二，調節服務低值區較多，該特征在2009年進一步顯現，尤其在高覆蓋度草地和林區快速退化的區域尤為明顯；戈壁和裸巖礫石地的調節服務一直較低，到2009年，城市區域的調節服務有所增加，但其對調節服務的負作用似乎小于其對供給服務的負作用；第三，文化服務最高值出現在遠離城鎮居民點的區域，主要是一些荒漠區域、濕地自然保護區和丹霞地貌保護區，同時也包括水域；至2009年，林區和城市區域的文化服務生產能力減少明顯；第四，2000—2009年，支持服務的中值區明顯減少，高值區增加，但分布零散，值得注意的是，支持服務涉及較多的生物物理化學過程，評估中難免有所遺漏，故該結果存在較大的不確定性。

3.2 濕地與文化服務

張掖市正在打造國家級濕地公園，而濕地可以為人類提供纖維、木材、多種生物所需的食物，可為人類提供休閑觀光場所，增加碳儲存、保持局地微氣候環境，防止水土侵蝕等。在政府決策過程中，應重視分析生態系統文化服務，這將有助于提高政府決策的科學性，在濕地公園建設中也是如此。由圖2知，除濕地外，荒漠區域文化服務值也較高，因為其可以接受研究區內外各種支持和調節作用，并具有獨特的景觀開發價值，而ES空間變化路徑對特定研究區ES具有重要作用，但識別這種空間變化路徑仍是當前ES研究的薄弱之處。

ES和人類福祉的關系是當前交叉學科研究的熱點，通過研究可減緩和避免土地利用過程中的諸多沖突。同時，由人類活動驅動的、強制性的、短期不可逆的土地利用方式可能會導致LUCC的劇烈變化，盡管不會立即減少支持和調節服務能力；長期看，即使供給或其它類型的生態系統服務的生產能力有微小下降，也可能會導致嚴重的不可持續性發展。本文雖主要關注方法的構建，但結果可為決策提供參考。

原來，蔣父浩德跟水仙芝的父母是同學。周末，蔣海峰拜訪水家，牽起兩代情愫。漸漸地，水仙芝向他敞開心扉，接受了他送的小說《伊豆的舞女》。

3.3 不確定性分析

上述方法可體現出不同LUCC類型提供ES的區域特征，但可能忽視小區域的作用，如面積值越小，IAESC就越小。事實上，很多小區域也對某些特殊ES類型有重要作用，如水庫坑塘對審美、魚類生產和蓄水調節有重要作用[21- 22]；實質上這是空間尺度上推帶來的不確定性，因為原研究區面積較小，地類相對簡單且分布均勻，公式中面積比例的作用不明顯，但在地類豐富，面積變異較大的區域就應當注意這種不確定性對分析結果的影響；同時，LUCC數據精度和ES類型的細化也會提高特定ES類型的生產能力，今后可開展基于不同數據源的對比研究；最后，基于訪談和調查的一些專家知識帶有一定的主觀偏好，如何獲取真實、客觀的專家知識也是研究難點，需要引入社會調查的諸多復雜技術，也說明自然-人文學科的交叉研究有助于減少科學研究中的剩余性范疇，有利于減少不確定性。

對支持服務的分析可以適度簡化并做均一化處理，因為其可滿足所有人的一般需求，具有相似性和可比性；供給和文化服務的分析強烈依賴于研究區群體的文化類型，不同文化類型的人群對供給和文化服務的認識會有差別，需要引入文化理論的相關知識，以降低特定ES類型分析中的不確定性。

4 結論

本文基于LUCC開展生態系統服務空間化研究，結果表明：1)在灌區和甘州區兩個尺度上，4類ES生產能力值均表現為：文化服務>支持服務>調節服務>供給服務；2)2000—2009年，4類ES供給都呈遞減趨勢，同時，城鎮用地、路網建設等人類活動驅動的土地利用方式迅速增強，整個綠洲農業區明顯過度開發；3)缺乏精確的數據并不是限制ES評價的絕對因素，對涉及社會學、地學和生態學等學科的多源數據和知識的分析是研究難點。

該方法可用于類似研究區，也可在數據精度支持時開展更復雜的時空變化分析；構建統一的集成生態系統服務研究框架是當前亟待開展的工作，該工作將有助于加強學者、利益相關者和決策者間的互動，有助于認識生態系統特征和其對人類福祉的重要性。

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AnspatialecosystemservicesapproachbasedonLUCC:acasestudyofGanzhoudistrictofZhangyeCity

LIANG Youjia*，XU Zhongmin，ZHONG Fanglei，SONG Xiaoyu

ColdandAridRegionsEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000,China

The assessment of Ecosystem Services(ES) is a relatively new scientific methodology, and it can offer a possible approach to the palliation and prevention of complex ecological problems caused by human activities and also helpful to the resolution of conflicts arising from land-use questions. Since Ecosystem Services were launched as a major conceptual tool in the Millennium Ecosystem Assessment (MEA, 2005), interest in them has been increasing rapidly. Despite the scientific as well as economic and political enthusiasm for the approach, only few case studies have as yet been published. We studied the interface between Ecosystem Services and landscape or land use planning in Ganzhou district of Zhangye city, in western Gansu province, integrating ES and land use is our core object. In the article, we present a visualization methodology and various data which can be used in applied research on Ecosystem Services. Firstly, we classify the Ecosystem Services offered by various biotopes and land use types of the study area, and then examine the effects of different land-use types and forms on the provision of ESs. On the basis of our results, we discuss the uncertainty of data and method, and suggest possible advantage and disadvantage of the approach in case studies. The results show that: 1) The four types of ES production capacity values were shown to: Cultural Services>Supporting Services>Regulating service>Provisioning services at two scales of the irrigated and Ganzhou District; 2) From 2000 to 2009, the four types of ES supply were decreasing, at the same time, urban land use and road network construction which driven by human activities were rapidly increasing, and the whole oasis of agricultural area had exploited overly; 3) The approach developed in this study is highly workable and reliable, and the difficult work is analysis of multi-disciplinary data and knowledge. This study may have some implications for the ES assessment of other zones.

ecosystem service; GIS; LUCC; spatialization

國家自然科學基金重大研究計劃的重點支持項目(91125019)；國家自然科學基金資助項目(40971291,40901292)

2012- 05- 14;

2012- 10- 26

*通訊作者Corresponding author.E-mail: liangyj05@163.com

10.5846/stxb201205140708

梁友嘉，徐中民，鐘方雷，宋曉諭.基于LUCC的生態系統服務空間化研究——以張掖市甘州區為例.生態學報,2013,33(15):4758- 4766.

Liang Y J，Xu Z M，Zhong F L，Song X Y.An spatial ecosystem services approach based on LUCC: a case study of Ganzhou district of Zhangye City.Acta Ecologica Sinica,2013,33(15):4758- 4766.