區域生態系統重心指標的概念與應用

曹慧明，董仁才，鄧紅兵，余麗軍，劉建軍，王豪偉，馬　赫

1 中國科學院生態環境研究中心，城市與區域生態國家重點實驗室，北京 100085 2 中國科學院大學，北京 100049 3 麗江瀘沽湖省級旅游區管理委員會，麗江 674100 4 麗江瀘沽湖旅游開發有限公司，麗江 674100 5 中國科學院城市環境研究所，城市環境與健康重點實驗室，廈門 361003

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區域生態系統重心指標的概念與應用

曹慧明1,2，董仁才1,*，鄧紅兵1，余麗軍3，劉建軍4，王豪偉5，馬赫5

1 中國科學院生態環境研究中心，城市與區域生態國家重點實驗室，北京 100085 2 中國科學院大學，北京 100049 3 麗江瀘沽湖省級旅游區管理委員會，麗江 674100 4 麗江瀘沽湖旅游開發有限公司，麗江 674100 5 中國科學院城市環境研究所，城市環境與健康重點實驗室，廈門 361003

摘要:生態系統重心的變化可以反映生態系統整體的空間變化的特征和趨勢，但是，目前生態系統重心這一指標只是簡單作為指示社會經濟變化的因子，或是作為輔助的角色用于探索生態景觀格局的變化，其重要性一直未受到足夠的重視。在闡述生態系統重心指標的概念及內涵，總結國內外有關重心應用研究成果的基礎上，以川滇兩省共同確立的瀘沽湖生態保護區為例，運用重心理論分析了1990—2005年該流域生態系統重心的變化及影響因素。結果表明，瀘沽湖流域農田、森林、草地、濕地和人居用地均具有相對獨立且穩定的重心區間。相對來說，人居用地和農田重心的變化幅度明顯大于其他用地，其重心均總體向東南方向偏移，不斷靠近瀘沽湖水體。2005年人居用地和農田重心均有所回撤，這主要是因為2003年瀘沽湖景區進行調整，政策的強制干預導致其重心回撤。分析重心變化的影響因素發現，區域旅游業發展帶來的人類干擾加劇及國家的生態保護政策主導重心變化。在總結前人研究和應用案例具體分析發現，由于重心理論假設區域背景為勻質平面，分析是基于二維空間進行，而不考慮海拔維度，這就限制了重心模型應用的深度和廣度。但是在瀘沽湖這樣地形復雜多變的區域，地形因素在該區域生態系統變化過程中的作用不容忽視。因此，應盡快完善在垂直空間應用重心理論的研究方法并加強相關研究。

關鍵詞：生態系統重心；概念；應用；重心變化；瀘沽湖

區域生態系統為區域的社會經濟發展提供諸多服務功能，不但為人類生存提供了實物性生態產品，如木材、食物和工業原料等，還具有在區域尺度上調節氣候，凈化環境，減輕自然災害等多方面功能[1- 3]。但隨著人口的膨脹和區域社會經濟的發展，人類對區域生態系統的開發和破壞逐步增大。人類對自然資源的過度開發和向生態系統中排放大量生活生產產生的污染物，導致了一系列威脅人類生存和發展的生態環境危機，其實質是人類對區域生態系統功能和重要性的認識不夠深入。因此，如何科學的表征和研究區域生態系統的功能和變化至關重要。

景觀格局的空間特征是景觀生態學的核心，是景觀異質性的具體體現，可以通過景觀均勻度、聚集度、蔓延度等指標進行表征[4]，但是這些指標很難在區域景觀水平反映生態系統類型整體的長期空間變化特征。許多研究表明生態系統重心可以綜合反映某一子系統(斑塊類型)空間位置、轉移及結構[5-6]。重心是地理學上表征同一類型要素不同樣本之間的代表性區位，其空間變化可以揭示這一類型要素總體的空間動態格局。采用所有同質性斑塊重心作為生態系統變化空間特征研究的關鍵依據，有助于揭示生態系統空間變化規律，能夠綜合評估生態系統變化趨勢。重心轉移往往與穩定系統的動態平衡、負反饋等特征之間存在矛盾或差異[7]，這就體現了重心轉移的合理性評價的重要性，也使人為干預、控制和調節的可能性有理可循。

生態系統重心是借鑒人口重心的概念發展起來的[8]，對于自然生態系統來說，重心主要受到兩個要素決定，生態系統中的每一子系統(斑塊或者景觀網格單元)的面積及其空間位置。對于既定的子系統來說面積一般是確定的，因此，確定每個子系統的地理位置是確定生態系統重心的關鍵[9]。常用的方法是采用子系統的質心或者重心的坐標來表征。對于勻質的物體，重心的位置只跟物體的形狀有關[10]。因此，生態系統重心是在假設一個區域為質地均勻的平面，區內的每一子系統各自為勻質物體的條件下，該子系統在該地區空間平面上力矩達到平衡的一點?；谶@樣的假設，生態系統重心也就是子系統形狀分布的幾何中心[10]。由于系統重心由多個子系統共同決定，而斑塊或者景觀網格單元的分布常常是不連續的分散分布，因此，重心可能并不位于任何一個斑塊或者景觀網格單元內。因此，重心絕對位置意義不大，其運動方向、速度和強度是表征某一物質在空間上變化的有效指標[6]。在一個獨立的區域內，生態系統類型斑塊個體相對離散并隨環境壓力存在較大變動，但所有同質性的斑塊具有相對穩定的共同重心，這是能夠體現生態系統類型變化狀態的關鍵指標。穩定的生態系統必然有相對穩定的重心，其變化方向和程度應該是穩定在一定的空間范圍內的，且變化是可逆的。

重心理論在眾多領域被廣泛應用，尤其是在社會經濟領域，區域、國家及全球尺度均有研究涉及。研究對象從人口、經濟、產業、城市及城市群的重心的分布特征、動態轉移路徑及空間演變規律、到食品和能源格局及安全等[11-19]。重心還在專題制圖中起到有效作用[20-21]。

重心理論在生態系統變化和監測過程中也發揮巨大作用。Hamel等[22]運用重心理論分析物種活動范圍的重心。盧娜等[10]通過重心理論分析我國農田生態系統碳凈吸收的空間變化規律。Mao和Cherkauer[23]分析了生態系統地理重心的轉移對區域氣候及水文狀況的影響。通過植被重心遷移可以明確植被的時空演變過程，了解生態系統服務及價值的空間分布和變化[24]。高志強等[25]通過我國耕地面積的重心變化，分析了我國耕地質量下降的狀況。重心變化耦合區域生態背景的分析有助于評價生態環境質量[25-26]，為土地利用的規劃決策提供方向。而綜合多項要素重心分布的空間結構和變化可以反映各要素之間的關聯度的強弱，從該結構的動態變化中可分析出其運動趨勢的合理性和對其變量產生的影響及影響程度。比如，區域環境污染重心識別及與經濟重心的協同效應分析能識別出經濟發展對區域污染的驅動效應[27]。將土地利用重心與經濟重心遷移進行對比研究，不僅有助于分析區域土地資源開發利用情況，揭示區域內社會經濟發展空間差異，還可以從資源和經濟兩個角度對重心遷移進行相互印證研究，從而拓寬區域重心理論研究的領域。但是，研究發現由于區域的不均衡發展，不同要素重心往往呈現背離的現象，研究重心的背離程度可以為區域未來的協調發展提供指導方向[28-29]。

但是，目前生態系統重心這一指標不是作為簡單指示社會經濟變化的因子，就是作為輔助的角色用于探索生態景觀格局的變化，其重要性一直未受到足夠的重視。因此，本文在闡述生態系統重心指標的概念及內涵，總結國內外有關重心應用的研究成果的基礎上，以川滇兩省共同確立的瀘沽湖生態保護區為例，運用重心理論分析了近15年來該區域生態系統重心的變化，并分析重心變化的影響因素。

1研究方法

1.1區域概況

瀘沽湖流域位于我國四川省和云南省的交界處，地理坐標為27°36′55″—27°47′2″N， 100°43′36″—100°54′20″E之間。該區域位于低緯度高原季風氣候帶，垂直差異和小區域氣候特征明顯。由于湖水的調節功能，年溫差較小。因地形起伏較大，有明顯的立體氣候特點。瀘沽湖流域是摩梭人分布相對集中的地區，該區域是以保持摩梭人母系氏族文化特征，具高原湖泊景觀特色，融自然山水與民族風情于一體的風景資源類型。

1.2研究數據

利用1990年、1995年、2001年和2005年4期的30mLandsatTM遙感影像數據，依據瀘沽湖流域的植被類型、土地利用特點，將瀘沽湖流域主要生態系統類型分為農田生態系統、森林生態系統、草地生態系統、濕地生態系統4個自然生態系統，以及1個人居環境子系統，共計5種類別。

1.3計算方法

生態系統重心一般用研究要素的重心坐標來表達。這些要素既可以是基于分區(行政區或按需分區)的人口、產值、糧食產量等，也可以是基于斑塊或者景觀網格單元的面積或質量。本研究中某一生態系統重心坐標是基于斑塊的面積進行計算，可用下式表達[11]：

式中,Xt、Yt分別表示第t年某斑塊重心的經緯度坐標；Cti表示第t年斑塊i的面積；Xi、Yi表示i的幾何中心的經緯度坐標；n為斑塊個數。

設第t、t+n年斑塊重心坐標分別為Pt(Xt，Yt)、Pt+n(Xt+n，Yt+n)，那么，重心Pt向Pt+n偏移的距離d可用下面的模型表示：

2研究結果

2.1生態系統重心變化

1990—2005年各生態系統重心位置見表1。可以看出，該區域農田、森林、草地、濕地和人居用地均具有相對獨立且穩定的重心區間，這和該區域對瀘沽湖及周邊地區的保護密切相關。農田與人居用地的重心區域有所重疊，說明農田與人類活動的相關程度最高，相對受到較大的人為干擾和調控。相對來說，森林、草地和濕地的重心更穩定，而人居用地和農田重心的變化幅度相對較大。

表1　生態系統重心空間位置坐標

表中坐標表示法為(x，y)，其中x坐標去除了北京54坐標系中的帶號17

重心是區域內各要素矢量的合力點，而各要素變化方向和速率迥異，因此，生態系統重心是一個動態的指標[7]，由于生態系統本身的反饋機制，穩定的生態系統的重心總是在一定的范圍內通過不斷的折返達到分布態勢多年變化不大的情況。而處于擾動中的生態系統，其重心往往朝某個方向持續變化，直至達到新的相對穩定的狀態。本研究中，草地、森林和濕地的重心變化范圍較小，且呈不斷折返的變化趨勢，說明這些生態系統處于穩定的動態平衡中。而人居和農田用地的重心變化范圍則相對較大。1990—2001年，人居用地和農田的重心均總體向東南方向偏移，不斷靠近瀘沽湖水體，這說明人居環境和農田生態系統朝水資源應用更便利的方向移動，也是對水資源利用和干擾程度加強的表現(圖1)。

圖1　不同時期生態系統重心變化示意圖Fig.1　The scatter plot of ecosystem centroids in different year

從重心偏移距離來看，1990—2001年，除森林生態系統外的其他生態系統的重心偏移距離均呈不同程度的持續增加，農田和人居的重心變化距離相對較大，分別為5675m和2576m。2005年，這些生態系統重心偏移距離均呈不同程度的回撤，與2001年相比，農田、草地和人居重心的回撤距離超過50%(表2)，這是2003年瀘沽湖景區的強制干預政策起作用的體現。與其他生態系統不同的是，森林生態系統的重心一直在一定范圍內呈折返變化，1990—1995年森林的重心移動了1942m，這也是研究期內森林重心移動的最大距離，之后重心折返，2005年，重心總體呈相反方向變化，景區的干預政策對森林重心的變化方向幾乎沒有影響，這也間接證明了森林生態系統自身的穩定性。

表2　生態系統類型重心的偏移距離/m

移動距離是以1990年為基準進行計算

2.2重心變化的影響因素

1990年，該區域旅游業剛剛起步，僅有少量的游客，旅游設施很少。瀘沽湖風景區相對封閉，瀘沽湖自然保護區的建設以絕對的生態保護為目的。周邊各村均以農業收入為主，森林、草地生態系統不同程度的轉化為農田生態系統，建筑用地少，人居環境系統與自然生態系統呈有機結合的狀態[30]。到2000年，瀘沽湖風景區內基本形成以旅游為主導的經濟發展模式。游客數量猛增，該地區的人居環境設施，包括居民地、道路、碼頭和旅游設施等逐年增長，且有加速上升的趨勢(圖2)，對流域內資源的需求和干擾持續增加。因此，人居環境的重心受人類活動干擾的影響，在景區管理政策強制干預前，人居環境重心一直朝瀘沽湖水體靠近，表明人類活動增強對區域生態系統結構變化的影響。

旅游業作為該地區主要支柱產業前，周邊各村均以農業收入為主，因此，森林、草地生態系統不同程度的轉化為農田生態系統，1995年和2000年耕地面積分別比1990年增加16.3%和12.6%，隨著國家大力推行退耕還林還草工程，天然林保護工程初見成效，到2005年，耕地面積比研究期內的歷史最高值下降超過40%。另外，野外調查和資料分析表明，瀘沽湖流域退耕還林工程年均造林面積超過130hm2，約占流域面積的0.6%。造林地立地類型主要分為坡耕地和荒地兩種，瀘沽湖水體周圍有大量的耕地被退耕為林地。因此，耕地面積的變化和退耕還林工程的布局都直接影響區域耕地重心的變化。

圖2　瀘沽湖流域游客數量及人居環境面積　Fig.2　The Tourists and built-up areas of Lugu Lake during 1990 to 2005

圖3　瀘沽湖流域耕地面積及比例　Fig.3　The area and proportion of cropland in Lugu Lake during 1990 to 2005

3討論

生態系統中的各種物質和能量在空間上的聚散和遷移，便產生了某一時刻的重心問題[25]，因此，重心研究可以在眾多領域進行應用。生態系統重心的位置變化在探索生態系統變化時具有有效性和優越性。即使在生態系統類型總面積變化不大的情況下，其重心移動可能導致生態系統質量受到影響[25]，因此，重心是表征生態系統綜合變化的有效指標。人居環境用地和耕地是瀘沽湖流域受人類活動影響最大的兩種類型，分析其重心變化及影響因素，有助于揭示區域發展的空間變化規律。重心變化是多項因素綜合影響的結果，驅動因素復雜多變，人口增長和經濟發展等人類干擾是主要因素。在瀘沽湖流域，由于旅游業發展帶來的人口增長等壓力導致重心變化，并改變生態系統的結構和功能。

雖然重心理論已在生態系統研究中被廣泛應用，但目前仍存在許多問題。針對基于遙感分類的景觀斑塊進行重心分析時，其面積、位置與分類設置(例如最小圖斑面積)及處理精度密切相關，所選擇的研究區域范圍的大小也會直接導致重心發生不同的變化。此外，由于數據的可獲得性和計算的簡便，對某社會經濟要素進行分析時，將研究區域根據研究需要分成不同的分區，假設各分區都為平面上的一個質點，研究要素集中在這些質點上，這種忽視分區內部異質性的簡化將妨礙細節數據挖掘提供更精準的結果。另外，該理論假設區域背景為勻質平面，也就是說分析是基于二維空間進行，而不考慮海拔維度等地形條件，但海拔、坡度和坡向作為重要的生態因子，對植物的生長和分布以及人類活動的開展都有重要的影響[31]。瀘沽湖流域地形復雜多變，地形因素在該區域生態系統變化過程中的作用不容忽視[32]。因此，在這些地形起伏較大的區域應用重心理論時應根據實際情況考慮高程、坡度與坡向等因子的影響。

目前重心理論在海拔、坡度和坡向等方面鮮有應用。這是因為，在研究生態系統垂直空間變化時，一般通過建立區域DEM模型提取地形數據，將生態系統類型時空變化數據與各地形數據進行疊加分析，獲取各生態系統時空演變的地形特征[31]。但是，重心由多個子系統(斑塊或景觀網格單元)共同來決定的，由于各斑塊相對位置狀況，重心可能并不位于任何一個斑塊內[25]，例如本文中森林生態系統的重心分布在水面上，這就導致絕對位置本身并沒有多少現實意義。因此，在研究生態系統重心在垂直空間的變化特征和規律時，就不能簡單疊加DEM模型提取地形數據。但是目前，在垂直空間應用重心理論的研究方法還不完善，在今后的研究中應盡快完善研究方法，拓寬重心模型應用的廣度和深度。

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基金項目:云南省科技計劃項目(2012CA013) 四川省國土資源廳科學研究計劃(KJ- 2015- 5)；四川省軟科學計劃項目(2015ZR0121)；中國科學院成都山地災害與環境研究所青年百人團隊計劃(SDSQB- 2015-01)

收稿日期:2013- 04- 19;

修訂日期:2016- 01- 14

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: dongrencai@rcees.ac.cn

DOI:10.5846/stxb201304190750

Theconceptandapplicationofcentroidsinthespatialanalysisofregionalecosystems

CAOHuiming1,2,DONGRencai1,*,DENGHongbing1,YULijun3,LIUJianjun4,WANGHaowei5,MAHe5

1 State Key Laboratory on Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco-Environmental Science, Chinese Academy of Science, Beijing 100085,China 2 University of Chinese Academy of Science, Beijing 100049,China 3 Provincial Tourism Zone Management Committee of Lugu Lake, Lijiang, 674100,China 4 Lijiang Lugu Lake Tourism Development Co., Ltd., Lijiang, 674100,China 5 Key Laboratory of Urban Environment and Health, Institute of Urban Environment,Chinese Academy of Sciences, Xiamen 361003,China

Abstract：Analyzing the movement of an ecosystem′s centroid has proven to be a powerful tool for assessing and monitoring its spatial variation. However, since centroid analysis is used as a simple indicator of change in economics or sociology, or as a minor part of studies of landscape pattern distribution and change, the importance of analyzing ecosystem centroids is often overlooked in the field of ecology. This study summarizes the applications of calculating ecosystem centroids from studies from around the world, in order to understand its global trends in correlation studies better, and to identify the application potential based on its basic concept and connotations. The centroid theory has been applied in various fields, for example in social and economic development, agriculture, ecological monitoring, and mapping. In this study, we applied the centroid theory to analyze the temporal and spatial distribution of the ecosystem centroid in Lugu Lake, where its distinct boundary was collectively determined by Yunnan Province and Sichuan Province, and its surrounding areas. We also determined how the centroids changed from 1990 to 2005 (e.g., their positions, movement directions, and movement distances). The results showed each ecosystem had a relatively independent and stable centroid in the region. This was caused by the effective conservation efforts of local governments and organizations and, particularly, the effective policies and measures that have been implemented in recent years. Compared with forest, grassland, and wetland ecosystems, built-up land and cropland ecosystems changed more profoundly. As for the extent and direction of centroid changes, the centroids of forest, grassland, and wetland ecosystems moved continuously back and forth in a relatively small area, indicating that these ecosystems were in a relatively dynamic equilibrium. The centroids of built-up land and cropland generally moved from northwest to southeast, and they continuously got closer to the water to utilize the water resource more conveniently. In addition, the centroids of built-up land and cropland to some extent move back in the opposite direction in 2005. The latter was caused by the government′s effective policy interventions in 2003, which regulate ecological patterns and coordinate conflicts between the environment and development. Furthermore, increased human-induced disturbances, especially tourism developments, can be a trigger for ecosystem centroids to move towards Lugu Lake, whereas national ecological protection policies lead to movements in the opposite direction of Lugu Lake. Additionally we found that currently, ecosystem centroid analyses are often conducted in two dimensions, without accounting for the third dimension of altitude due to the complexity of vertical space. However, in regions with complex terrain, like Lugu Lake, the terrain factors should not be ignored in the process of regional ecosystem changes. Therefore, the blank centroid theory in vertical dimension should be developed further, and the corresponding research methods completed urgently, in order to continuously expand and improve the applications of ecosystem centroids.

Key Words:ecosystem centroid; concept; application; movement of centroid; Lugu Lake

曹慧明，董仁才，鄧紅兵，余麗軍，劉建軍，王豪偉，馬赫.區域生態系統重心指標的概念與應用.生態學報,2016,36(12):3639- 3645.

CaoHM,DongRC,DengHB,YuLJ,LiuJJ,WangHW,MaH.Theconceptandapplicationofcentroidsinthespatialanalysisofregionalecosystems.ActaEcologicaSinica,2016,36(12):3639- 3645.