河北省38#176;N生态样带生态系统服务功能时空变化，本文主要内容关键词为：河北省论文,生态系统论文,生态论文,时空论文,功能论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
生态系统服务功能（Ecosystem services）是生态系统形成和所提供的产品、环境条件和效用，是人类赖以生存和发展的基础。然而，由于人类活动造成的破坏，生态系统服务功能正迅速衰退。在此情势下，重新审视生态系统服务功能并进行价值评估，可以为自然资源的管理保护提供理论依据和数据基础，从而提高人类对生态系统保护的重视程度。因此，20世纪90年代以来，生态系统服务功能价值评估成为生态学研究的热点之一。Daily对生态系统服务功能进行了较为系统的研究[1]；Costanza等在Nature发表的“全球生态系统服务与自然资本的价值估算”，有力地推动了生态系统服务功能经济价值评估研究[2]；千年生态系统评估（Millennium Ecosystem Assessment,MA）2005年首次对全球生态系统的过去、现在及未来状况进行评估，并据此提出相应的管理对策[3]；Hein等分析了生态系统服务的空间尺度，并探讨了不同空间尺度的利益相关者与不同生态系统服务功能价值的关联[4]；
和Nemecek评估了蚕豆种植和使用带来的环境效益及影响[5]。国内学者对生态系统服务功能价值评估也开展了大量研究[6-8]。谢高地等以Costanza等的评估方法为基础[2]，于2002年和2007年先后对国内近700位生态学者进行问卷调查，建立了两个“中国陆地生态系统单位面积服务价值当量因子表”[9-10]，其中，2007年数据对2002年数据中一些过高或过低的系数值进行了调整，以更符合当前生态状况；毕晓丽和葛剑平基于IGBP土地利用类型评估了我国陆地生态系统服务功能价值，证实了使用土地利用数据评估生态系统功能的可行性[11]；岳书平等利用土地利用数据评估了中国东北样带的生态服务价值[12]；石晓丽和王卫对生态系统功能价值综合评估方法进行改进，并以河北省康保县为例进行了实证研究[13]。
我国地域辽阔，土地利用变化过程区域差异明显，从而导致生态系统服务功能的空间差异，因此，选择较小空间范围的典型样带进行空间差异性研究，是深入分析土地利用时空变化规律及其生态环境效应的有效手段[14-15]。目前，样带法在气候变化、土地利用变化、生态规划等研究领域已得到广泛应用。陈旭等应用全球观测数据集和BIOME4对中国南部样带历史100 a和未来50 a间的潜在NPP和IAI变化进行了模拟和统计分析[16]；李玉娥等以中国东部南北样带为平台，以典型森林和草地生态系统为对象，研究了不同生态系统中土壤温室气体排放通量与吸收规律[17]；王淑平等研究了中国东北样带土壤氮的分布特征及其对气候变化的响应[18]；龙花楼和李秀彬[15]、郑辛酉等[19]和汪自书等[20]分别对长江沿线样带、上海区典型城市化样带及深圳市典型城市化样带的土地利用变化过程及影响因子进行了定量研究；岳书平等对中国东北样带的生态环境区划进行了探讨[21]。
尽管关于生态系统服务功能价值评估和生态样带的研究均已取得了大量成果，但仍存在一些值得探讨的问题：①如何将二者结合，将生态系统服务功能研究的空间范围扩展到一系列既有相似性又有梯度差异性的典型区域；②全球或全国尺度的通用系数应用到区域尺度时，如何进行区域修正；③如何在生态系统服务功能价值评价时，扣除生态系统的环境成本。
基于以上问题，论文利用遥感和GIS技术，在Costanza等的生态系统服务功能价值评估方法基础上，引进区域修正系数和环境成本系数，对生态系统功能价值评估模型进行改进。以河北省38°N生态样带1990年、2000年和2008年土地利用数据为基础，利用改进的生态系统服务功能价值评估模型对该生态样带的生态系统服务功能价值时空动态特征进行研究。本研究将为河北省中部各生态类型区的生态系统服务功能优化和提升、资源保护与生态建设提供科学依据。
1 河北省38°N生态样带概况
参考国际地圈和生物圈计划（IGBP）陆地样带的选取原则，生态样带应强调以梯度方法来阐释区域生态问题，由一系列具有关联性与差异性的典型生态类型区（点）组成，包含生态系统结构和功能基本控制因子的现有梯度（例如，地形、土壤或土地利用梯度）[14-15]。
河北省38°N生态样带西起太行山，东至渤海，全长400 km左右，属暖温带半湿润大陆性季风气候，地貌类型多样，农业历史悠久。但是，随着农业经济的发展，水资源短缺、地下水超采、土地肥力下降、农田污染等问题日益突出[22]。由于地形、水资源、土壤等自然条件差异，该生态样带自西向东形成了太行山区—山前平原区—低平原区—滨海平原区4个生态类型区，依次以山地农林草复合生态系统、平原高产农田生态系统、平原中低产农田生态系统和滨海盐荒地生态系统为代表（图1，表1）。对该生态样带生态系统服务功能的研究，对于保障华北区域的生态安全和粮食安全具有重要意义。
图1 河北省38°N生态样带地理位置
Fig.1 The geographic location of the 38°N ecological transect in Hebei Province
2 研究方法与数据处理
2.1 研究方法
论文采用谢高地等2008年修订的“中国陆地生态系统单位面积服务价值当量因子”（表2），初步计算各项生态系统服务功能的单位面积价值，其表达式为：
2.2 数据处理
以河北省38°N生态样带1990年、2000年和2008年3期Landsat TM影像为基础，解译生成1∶10万土地利用数据，并根据研究需要将土地利用类型划分7种：耕地、林地、草地、水域、湿地、建设用地、未利用地。文中森林生态系统和草地生态系统分别对应林地和草地，农田生态系统对应耕地，湿地生态系统对应滩涂、滩地和沼泽地，水体生态系统对应除滩涂与滩地之外的水域，荒漠生态系统对应除沼泽地之外的未利用地，建设用地的生态系统服务功能视为零[9,13]。
由于数据所限，论文以中国科学院资源环境科学数据中心1 km空间分辨率的2000年全国土地利用栅格数据和2000年全国NPP栅格数据为基础，在ArcGIS软件支持下，首先对全国土地利用类型进行重分类，然后与全国NPP数据叠加，裁切出各类生态系统的生物量；再从全国各类生态系统生物量图上裁切河北省38°N生态样带数据；最后进行全国和研究区各类生态系统平均生物量计算[13]，并由公式（2）计算出各类生态系统的区域修正系数
（表3）。
河北省38°N生态样带的主要粮食作物为小麦、玉米、大豆、油料等，由统计年鉴及物价部门获得该生态样带内各县1990年、2000年和2008年的粮食作物产量、种植面积、价格等数据，并将各年价格换算为1990年不变价格，以消除价格变化影响；然后计算以上3个时期的平均粮食产值，以消除粮食产量变化的影响；最后计算出农田自然粮食生产服务单价为1089.24元·
。
3 结果分析
3.1 河北省38°N生态样带土地利用动态变化
从土地利用总体变化趋势看，1990—2008年，随着人口增长、城市扩张及退耕还林还草工程的实施，河北省38°N生态样带建设用地呈增长趋势，耕地面积逐年减少，其他土地类型为波动变化（表4）。从土地利用变化的空间差异看，样带内各区域的林地面积均为正增长，其中低平原区和滨海平原区由于近年来大力倡导营建果园和防护林，年增长率分别达到11.21％和6.85％；草地面积在山前平原区、低平原区分别每年增长5.45％、2.58％，在太行山区和滨海平原区为先减后增。总体上看，近十几年实施的植树造林、退耕还草等生态建设措施成效显著。水域和湿地的面积在自然状态下主要受气温和降水的影响，但在低平原区和滨海平原区主要是由于湿地保护和重建工程的实施而分别年均增长11.16％和3.93％。近年来，由于河北省38°N生态样带各区域的开发程度迅速提高，导致大量未利用地被建设用地取代，其中，地理区位和经济条件较好的山前平原区未利用地年减少率达到3.61％（见表5）。
3.2 生态系统服务功能单位面积价值时空变化
以河北省38°N生态样带的土地利用变化数据为基础，对该生态样带各类生态系统的单位面积服务功能价值进行评估［由公式（4）计算］并绘制出1990年、2000年和2008年的空间分布图（图2）。计算结果表明（表6）：在不同生态系统类型上，湿地的单位面积价值最高（78034.54元·）；其次是水体（49397.02元·）、草地（35992.28元·）、森林（23253.96元·）；农田和荒漠生态系统的单位面积价值较低，仅为4634.58元·和1514.04元·。在空间分布上，太行山区的西部地区以森林和草地为主，而东部主要为农田，因此西部的生态系统服务功能单位面积价值高于东部；山前平原区和低平原区均以农田生态系统为主，生态系统服务功能价值较低且分布均匀；滨海平原区的单位面积价值空间差异较大，东部的湿地和水体生态系统具有较高的服务功能价值，中西部以农田生态系统为主，单位面积价值较低（图2）。
3.3 生态系统服务功能价值总量变化
河北省38°N生态样带的生态系统服务功能价值总量呈增加趋势，1990—2008年累计增长了7.55％。从变化幅度上看，该生态样带的生态系统服务功能价值总量为先小幅增长后大幅增长。1990—2000年林地和湿地大面积增加，分别增长了43374.15 
和8902.35 （表4），因此生态系统服务功能价值总量增长了3.10×
元，增幅为0.92％；2000—2008年该生态样带的湿地、草地、林地、水域面积均有所增加（表4），使生态系统服务功能价值总量增长了22.20×元，增幅达到6.57％（表7）。
在不同区域内，受人类活动干扰较大的太行山区和山前平原的生态系统服务功能价值总量在1990—2008年间为先减后增。其中，太行山区的草地、水域、湿地面积在1990—2000年间大量减少（表4），尽管后期实施的退耕还林还草等措施使其生态服务功能价值逐步回升，但2008年仍比1990年减少了0.32％。随着湿地保护和重建等措施的实施以及农业生产水平的提高，低平原区和滨海平原区的生态系统服务功能价值持续增加，其中，滨海平原区1990—2008年的累计增长率达到28.91％（表7）。
3.4 各类生态系统的服务功能价值时空变化
1990—2008年，河北省38°N生态样带的湿地和森林生态系统的服务功能价值持续增长，分别增长了39.38％和14.87％，其中，森林生态系统对区域生态系统服务功能价值总量的贡献率居各类生态系统之首。其他几类生态系统的服务功能价值不同程度减少，其中，荒漠生态系统的服务功能价值减少了50.95％，但由于其单位面积价值较低（表6），因此对区域生态系统服务功能总价值影响较小；草地和水体生态系统的服务功能价值先减后增，2008年较1990年分别减少了0.91％和5.66％；农田生态系统对区域生态系统服务功能价值总量的贡献率仅次于森林生态系统，但其生态系统服务功能价值量和贡献率均随着农田面积的持续减少而减小，价值量累计减少了8.54％，贡献率由1990年的26.69％减少至2008年的22.69％（表8）。
从各类生态系统的服务功能价值贡献率看，太行山区的森林生态系统贡献率最大（最高达到54.53％），草地次之，其他生态系统类型的贡献率较低；山前平原区和低平原区均以农田生态系统的贡献率最大，但前者的森林、草地和湿地生态系统贡献率要高于后者，而后者的农田和水体生态系统的贡献率均高于前者；滨海平原的湿地和水体生态系统的服务功能价值量和贡献率均高于其他区域，但森林和草地生态系统的贡献率较低，最高仅为1.61％和0.54％；荒漠生态系统在4个生态类型区的贡献率基本都在0.1％以下，其中，滨海平原区的荒漠生态系统贡献率略高于其他3个区域（图3）。
总之，河北省38°N生态样带的湿地和森林生态系统的服务功能价值持续增加，其他几类生态系统的服务功能价值则不同程度减少，其中，农田生态系统服务功能价值量呈持续减少趋势。此外，各类生态系统的服务功能价值贡献率区域差异明显，森林生态系统在太行山区的贡献率最高，农田生态系统的贡献率在山前平原区和低平原区最突出，湿地和水体生态系统在滨海平原的贡献远大于其他区域。
3.5 各项生态系统服务功能价值时空变化
1990—2008年，河北省38°N生态样带的食物生产功能价值持续下降，累计减少了4.67％；原材料生产功能价值为先大幅增长后小幅增长，累计增加了6.87％；废物处理和土壤保持功能的价值均为先减后增，1990—2000年分别减少了0.23％和0.64％，2000—2008年又增长了8.11％和3.54％；其他几项功能的价值均持续增加，其中，气候调节、提供美学景观功能的价值增长最大，分别达到13.59％、11.26％（表9）。总体上看，该生态样带除食物生产功能价值随农田面积减少而减少之外，其他各项生态系统服务价值均呈增加趋势。
从各项生态系统服务功能价值贡献率的空间分布看（图4），太行山区的水文调节、气候调节、维持生物多样性、保持土壤功能对该区域的生态系统服务功能价值总量的贡献率均大于14％，这几项功能主要由草地和森林生态系统提供。受海拔、坡度等因素影响，该区域农田面积相对较少（表5），食物生产功能贡献率仅占总价值的2.6％（图4）。
山前平原区和低平原区均具有平原农业的基本特征，两区域的生态系统服务功能价值贡献较为接近，但低平原区的废物处理、水文调节、食物生产功能贡献率均高于山前平原区，其他服务功能的贡献率略小于山前平原区。由于农田生态系统是山前平原区和低平原区最主要的生态系统，因此，其食物生产功能贡献率均大于太行山区和滨海平原区，而提供美学景观功能的贡献弱于后者（图4）。
滨海平原区的废物处理和水文调节功能对区域生态系统服务功能价值总量贡献率最高，均在25％以上，且随着水体和湿地面积的扩大（表5），这两项服务功能的贡献率均呈增长趋势；但该区域存在淡水匮乏、土壤盐碱化等生态问题，致使原材料生产、食物生产及气体调节功能的贡献率均小于5％，其中，原材料生产功能的贡献率不及2％（图4）。
4 结论与讨论
（1）论文首先引进了区域修正系数和环境成本系数对前人的生态系统服务功能价值综合评估模型进行改进，然后以1990—2008年为时间序列，对河北省38°N生态样带土地利用变化驱动下的生态系统服务功能时空变化进行研究，主要得出以下结论：从生态系统服务功能单位面积价值的区域差异看，太行山区为西部地区高于东部，山前平原区和低平原区为均匀分布，滨海平原区为东部地区明显高于中西部；从生态系统服务功能价值总量变化上看，1990—2008年，河北省38°N生态样带总体上表现为先小幅增长后大幅增长，其中，太行山区和山前平原区为先减后增，低平原区和滨海平原区为持续增加；从不同生态系统类型的价值贡献率看，太行山区森林生态系统的贡献率最高，山前平原区和低平原区农田生态系统的贡献率突出，滨海平原湿地和水体生态系统的贡献远大于其他区域；从不同类型的生态系统服务功能看，该生态样带的食物生产功能价值随农田面积的减少而持续下降，其他各项生态系统服务功能的价值均有所增加。
（2）随着植树造林、退耕还草等生态建设措施的实施，河北省38°N生态样带的生态系统服务价值总量上呈增加趋势，但由于建设用地对农田的大量占用，农田生态系统的服务功能不断减弱，其中，食物生产功能价值的持续下降将对河北省的粮食安全造成威胁。此外，太行山区是河北省重要的水源涵养区和生态屏障区，该区域草地、水体、湿地生态系统的服务功能价值在1990—2000年大量减少，2000—2008年又逐步回升，但最终该区域2008年的价值总量仍比1990年减少了0.32％。可见，有意识的生态建设可以促进生态系统功能的恢复与发挥，但当生态系统功能受到严重损害时，其恢复过程也相当缓慢。因此，应对区域生态系统结构进行合理调整，保证各类生态系统服务功能的可持续性。
（3）由于农田生态系统具有半自然半人工化特性，其既接受相邻生态系统提供能的服务，也对其他生态系统产生正、负双面性影响[25]。论文引进了环境成本系数，对如何从区域生态系统服务功能价值总量中扣除负的环境成本做了有益探讨。限于数据获取困难，前人关于海河流域农田生态系统的正负服务功能考虑并不全面，只核算了化肥流失和温室气体排放两项负功能的成本，而实际的农业生产活动所带来的负成本可能大于论文所计算的β值。在今后的研究中，应深入和全面地评估区域生态系统负功能，进一步提高核算结果的准确性和全面性。