基于LUCC的生态系统服务空间化研究——以张掖市甘州区为例

梁友嘉，徐中民，钟方雷，宋晓谕

(中国科学院 寒区旱区环境与工程研究所 内陆河流域生态水文重点试验室，兰州 730000)

基于LUCC的生态系统服务空间化研究
——以张掖市甘州区为例

梁友嘉*，徐中民，钟方雷，宋晓谕

(中国科学院 寒区旱区环境与工程研究所 内陆河流域生态水文重点试验室，兰州 730000)

生态系统服务(ES)评价为减缓或阻止人类活动导致的各种复杂生态问题提供了一种可能的方法，同时也有助于解决日益增加的各种土地利用冲突。以张掖市甘州区为例，运用一种新的空间化方法开展生态系统服务研究，并注重实现与土地利用研究的集成分析。首先根据研究区不同的群落生境和土地利用类型划分生态系统服务类型，然后检验不同土地利用类型和方式对各类生态系统服务供给的影响，最后分析该方法和数据的不确定性。结果表明：1)在灌区和甘州区两个尺度上，4类ES生产能力值均表现为：文化服务>支持服务>调节服务>供给服务；2)2000—2009年，4类ES供给都呈递减趋势，同时，城镇用地、路网建设等人类活动驱动的土地利用方式迅速增加，整个绿洲农业区处于过度开发状态；3)该方法可操作性强，多学科的数据和知识分析是ES研究的难点。

生态系统服务；GIS；土地利用/覆盖变化；空间化

生态系统服务(ES)是人类-自然环境耦合系统研究的重点[1- 4]。也是多学科交叉研究热点，涉及生态学、社会学、经济学和环境科学等诸多学科。同时，GIS和遥感分析等技术在ES研究中发挥着重要作用[5- 7]。近来，生态系统服务开始更加关注系统本身的可持续生产，并注重与政策管理集成分析。随着生物多样性损失和栖息地破碎化程度的日益加重，使得开展ES供给评价研究迫在眉睫[8- 10]。以森林生态系统为主，在欧美地区已经出现了一批较为成熟的案例，这些案例在实践中既考虑时空尺度的资源保护，又强调利益相关者的压力响应[11- 12]。国内相关研究案例尚十分缺乏[13]。

由于对ES研究的若干关键问题理解不够，使得通过测量和建模研究人类—环境耦合系统特征仍较困难。为此，Naidoo等指出当前ES研究中存在几个亟待解决的问题[14]：1)全球生态系统服务评价必须是空间显式的，需要表明特定生态系统服务产生的位置；2)必须定量研究土地利用变化和其驱动的生态系统供给服务变化之间的关系；3)必须理解价值流对人群的空间分散或集聚所产生的不同影响；4)应选择特定指标和尺度评价生态系统服务变化；5)应确定不同栖息地和文化类型下的各种ES类型；6)需开发通用的ES集成研究框架，并和决策制定集成，实现正向反馈作用。因此，ES空间分布是研究的难点和重点。

另外，在用不同类型ES描述人类-自然环境耦合关系时，应注重生态系统过程和功能分析，如一些支持服务(土壤形成、植被光合作用或者能量变化和水循环)是其他类型ES得以表现的先决条件，为供给、调节和文化生态系统产品和服务提供了必要物质保障，也是获取人类福祉的必要先决条件，是ES空间化研究的基础之一。此外，还需要辨析不同服务类型中结构性组分之间的相互作用。通常，ES组分包括：能量、物质循环、水循环、关键种的多样性和可持续生境条件等[15]。这些组分也是生态系统完整性和生态系统健康的表征要素，有助于空间化研究，也有利于反映不同类型ES供给的可持续性[16]。

针对上述问题，本文的主要内容包括：1)介绍ES空间化涉及的方法和数据；2)分析研究区不同土地利用/覆盖变化(LUCC)方式对生态系统服务供给的影响；3)讨论数据的不确定性和方法的使用前景，分析其优势和局限性。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

研究区地处黑河流域中游，东临山丹县，西到临泽县、南靠民乐县、肃南裕固族自治县、北依合黎山与内蒙古自治区阿拉善右旗接壤。介于东经100°6′—100°52′，北纬38°39′—39°24′之间，平均海拔1474m，黑河、酥油口河、大磁窑河、山丹河等贯穿全境，是典型的内陆河流域绿洲农业区，属温带大陆性气候，年均降水量113—312mm，蒸发量2047mm，年日照时数3085h，昼夜温差大，年均无霜期150d，年均气温7.1 ℃，自然景观类型丰富[17]。近年来，在人类活动影响下，生态系统服务退化严重，亟待开展系统的可持续评价和管理研究。

1.2 数据来源

LUCC数据包括：2000年LUCC，源于中国西部环境与生态科学数据中心，空间分辨率为1km；2009年LUCC，源于ESA DUE网站(http://dup.esrin.esa.it)，该数据融合了多种数据源，提供空间分辨率为300m的全球数据，精度较好。利用ArcGIS提取研究区范围的LUCC，地图投影坐标选为通用横轴墨卡托(Universal Transverse Mercartor，UTM)，椭球体为WGS(World Geodetic System，WGS)1984，统一重采样为300m×300m，并将其转为矢量数据备用。辅助数据包括：研究区灌区边界图，由张掖市水务局提供；土地利用总体规划(2006—2020年)文本，由张掖市国土资源局提供；还包括多种会议和访谈资料。

1.3 生态系统服务

在MEA(MEA)分类基础上，结合调查、专家知识和利益相关者等的信息汇总[18- 19]，可给出内陆河流域几种主要ES类型及对应的潜在测量指标(表1)，对文化服务和供给服务暂不做讨论。ES指标化研究有利于加深认识生态系统提供的产品和服务，而甄别可空间化的指标是当前ES空间化研究的基本问题之一。

表1 生态系统服务类型和潜在指标

不同LUCC类型具有特定的生态系统服务能力，可以借助生态系统服务能力指数(IAESC，式1)表征[20]，该指数最初是用于高覆盖度的林区，空间尺度较小。本文尝试将其应用到更大的空间尺度上，并分别在灌区和整个研究区两种尺度上计算该值。通过该值既能实现区域间的对比，也为尺度推绎分析提供了一种可能性。计算公式如下：

(1)

式中，Xi是栖息地值(每个栖息地ES生产能力的平均值)；Ai是区域内对应LUCC类型的面积；Atotal是关注的研究区总面积，该指数是一种集总式结果。空间化方法是：通过GIS空间分析模块得到各灌区LUCC类型对应的IAESC，1≤IAESC≤2；然后，分别取3个值，假设可反映不同服务能力的大小：0表示低，1表示中等，2表示高；最后对IAESC按上述量化值分类，采用等间隔分类法，获得ES供给能力的矢量分布图。本文分别得到集总式和空间分布图两种结果。

1.4 LUCC

根据《全国土地分类(试行)》(2002标准)，对LUCC编码并分为13类(图1)：农田(F)、沙地(D)、河渠(C)、戈壁(G)、盐碱地(S)、裸地(B)、有林地(W)、灌木林地(SH)、城镇建设用地(A)、水库坑塘(R)、裸岩石砾地(ST)、中覆盖度草地(MG)和高覆盖度草地(HG)。水田、河渠、水库坑塘和城镇建设用地受人类活动影响的强度明显高于其他类型，对ES影响较大。LUCC影响可用下述方法表征：首先，利用五因子打分法(-2，-1，0，1，2)评价各类LUCC对ES的影响，-2代表强烈的负向作用，对特定ES过程起减缓或阻止作用；2代表强烈的正向作用，对ES过程起促进和增强作用。

图1 研究区2000—2009年土地利用/覆盖类型分布Fig.1 Distribution of LUCC at study area from 2000 to 2009

2 结果

2.1 基于LUCC类型的生态系统服务供给

首先，确定研究区LUCC类型可提供的若干生态系统服务(表2)，然后利用五因子打分法计算各LUCC类型提供特定类型ES的栖息地值，本文仅考虑ES显著或人类关注度高的类型，包括：供给服务(P)，提供鱼类(P1)、瓜果(P2)、饲料(P3)、药材(P4)、木材(P5)、应用水(P6)、农作物(P7)和能源(P8)；调节服务(R)，

表2 基于不同生态系统服务类型的栖息地值

提供气候调节(R1)、碳吸收(R2)、授粉(R3)、防洪(R4)、土壤侵蚀(R5)和养分吸收(R6)；文化服务(C)，提供当地文化类型(C1)、美学景观(C2)、自然内在价值(C3)和娱乐休闲(C4)；支持服务(S)，提供光合作用(S1)、氮循环(S2)和土壤形成(S3)。同时，以灌区为统计单元，利用ArcGIS计算2000、2009年LUCC面积，并进一步得到Ai/Atotal。

由表2知，供给服务中灌木林地栖息地值最高，为1.1，林地为1，其他都低于1；调节服务中，中覆盖度草地栖息地值最高，为1.7，同时，除河渠外，各LUCC类型的调节服务栖息地值均高于相应的供给服务值；文化服务中，除城镇用地栖息地值为0.8外，其他值均高于1，栖息地值整体明显高于相应的前两种服务；支持服务中，城镇用地栖息地为0，各类草地和林地值最大，均为2，其余类型的栖息地值较为集中，未表现出明显的差异。

另外，通过面积计算发现：在灌区尺度上，农田面积普遍增加，大满灌区增幅最大，由2000年的14.24%增加到2009年的32.89%，但戈壁和裸岩砾石地增加也较明显；除大满灌区外，灌木林地和高覆盖度草地普遍明显减少；河渠面积普遍增加，其中，人口相对密集的盈科灌区由2000年的67.52%增加到2009年的71.60%；在甘州区尺度上，城镇建设用地和农业用地扩张最为明显，分别增加了5.93%和10.11%，中覆盖度草地减少了23.72%，减幅最大。基础数据变化直观地反映了区内人类活动剧烈、生态环境不断退化的事实，开展ES变化评估已刻不容缓。利用式1，以表2和LUCC面积为输入，得到灌区和甘州区两种尺度ES能力指数(表3)。同时，利用ArcGIS得到2000—2009年ES供给能力空间分布(图2)。

表3 基于灌区和研究区尺度的生态系统服务能力指数比较

由表3知：供给服务中，2000年大满灌区IAESC最高，为0.49，花寨为0.28，最低，至2009年，除上三灌区增加到0.42外，其余灌区供给服务值均呈减小趋势，花寨仍最小，为0.26；调节服务中，2000年大满灌区IAESC为1.35，最高，上三灌区为0.6，最低，至2009年，除上三灌区增加到0.71外，其余灌区调节服务值均减小，花寨变为最低值，为0.5；文化服务中，2000年各灌区差异不大，至2009年，文化服务值不同程度的减小；支持服务变化与供给服务类似，但相应的服务值要高于同期供给服务值；横向比较发现，不同灌区各服务的IAESC有如下规律：文化服务>支持服务>调节服务>供给服务。甘州区尺度上，2000—2009年各种服务也呈减小趋势；各类服务值接近灌区平均值；横向比较发现，各服务IAESC值变化规律与灌区尺度相同；图2中各生态系统服务类型的空间分布也支持上述分析结果。

图2 研究区2000—2009年的生态系统服务空间分布Fig.2 Distribution of ecosystem services at study area from 2000 to 2009

2.2 不同土地利用方式对生态系统服务供给的影响

进一步分析典型土地利用方式变化对ES供给的影响，同样采用五因子打分法，并考虑负向作用。根据《张掖市土地利用总体规划(2006—2020年)》，确定7类关键的土地利用方式：1)自然保护，保证生态用地；2)路网建设；3)农田建设，在原有农田基础上对区内蔬菜基地、特色农产品基地、农业产业化基地、农业人口集中区周边农田优先保护；4)工矿地整合，将零散能源、化工、冶金和农副产品加工等产业迁往张掖市工业园区；5)城镇发展；6)湿地开发：围绕张掖市国家湿地公园规划展开；7)特色果产业(表4)。

由表4知，自然保护和湿地开发对各类ES供给都有促进作用，前者对各类服务的平均影响均大于0.7，后者均大于0.9，且湿地开发对调节服务、文化服务和支持服务有明显的促进作用，平均影响均大于+1.7；相较其他土地利用方式而言，短期不可逆的土地利用方式(如路网建设、工矿地合和城镇建设)对ES供给的影响具有更强的负向作用，在对供给、调节和支持这三类服务的影响中，城镇建设的负向作用最明显，分别为-1.5、-1.5和-1.7，说明在绿洲农业区要追求适度规模的城镇建设，以防城镇快速扩展所导致的供给、调节和支持服务的锐减；路网建设有双面作用，一方面，路网使人类活动延伸到较远区域，利于获取已知的生态系统服务，如木材开发等，同时，路网会导致自然栖息地破碎化程度加剧，也会使一些违规建设活动有大幅增加的潜在风险，路网建设还会产生噪音，降低一些天然保护区的文化价值；另外，各土地利用方式之间还存在相互作用，如工矿地整合和农田建设会不同程度的排斥自然保护和休闲观光等，相反，自然保护一般对其他土地利用方式有支持作用。这种复杂的作用关系可通过网络流量图进行解耦分析，将有助于ES与LUCC的集成研究。

表4 不同土地利用方式对生态系统服务的影响

3 讨论

3.1 生态系统服务分布

综合分析图1和图2的结果，可发现研究区2000—2009年主要生态系统服务类型的空间分布有如下特点：首先，研究区2000年的供给服务生产能力普遍处于中等水平，至2009年，低值区增多，多出现在一些零散的居名点处，在城市区域一直较低；第二，调节服务低值区较多，该特征在2009年进一步显现，尤其在高覆盖度草地和林区快速退化的区域尤为明显；戈壁和裸岩砾石地的调节服务一直较低，到2009年，城市区域的调节服务有所增加，但其对调节服务的负作用似乎小于其对供给服务的负作用；第三，文化服务最高值出现在远离城镇居民点的区域，主要是一些荒漠区域、湿地自然保护区和丹霞地貌保护区，同时也包括水域；至2009年，林区和城市区域的文化服务生产能力减少明显；第四，2000—2009年，支持服务的中值区明显减少，高值区增加，但分布零散，值得注意的是，支持服务涉及较多的生物物理化学过程，评估中难免有所遗漏，故该结果存在较大的不确定性。

3.2 湿地与文化服务

张掖市正在打造国家级湿地公园，而湿地可以为人类提供纤维、木材、多种生物所需的食物，可为人类提供休闲观光场所，增加碳储存、保持局地微气候环境，防止水土侵蚀等。在政府决策过程中，应重视分析生态系统文化服务，这将有助于提高政府决策的科学性，在湿地公园建设中也是如此。由图2知，除湿地外，荒漠区域文化服务值也较高，因为其可以接受研究区内外各种支持和调节作用，并具有独特的景观开发价值，而ES空间变化路径对特定研究区ES具有重要作用，但识别这种空间变化路径仍是当前ES研究的薄弱之处。

ES和人类福祉的关系是当前交叉学科研究的热点，通过研究可减缓和避免土地利用过程中的诸多冲突。同时，由人类活动驱动的、强制性的、短期不可逆的土地利用方式可能会导致LUCC的剧烈变化，尽管不会立即减少支持和调节服务能力；长期看，即使供给或其它类型的生态系统服务的生产能力有微小下降，也可能会导致严重的不可持续性发展。本文虽主要关注方法的构建，但结果可为决策提供参考。

原来，蒋父浩德跟水仙芝的父母是同学。周末，蒋海峰拜访水家，牵起两代情愫。渐渐地，水仙芝向他敞开心扉，接受了他送的小说《伊豆的舞女》。

3.3 不确定性分析

上述方法可体现出不同LUCC类型提供ES的区域特征，但可能忽视小区域的作用，如面积值越小，IAESC就越小。事实上，很多小区域也对某些特殊ES类型有重要作用，如水库坑塘对审美、鱼类生产和蓄水调节有重要作用[21- 22]；实质上这是空间尺度上推带来的不确定性，因为原研究区面积较小，地类相对简单且分布均匀，公式中面积比例的作用不明显，但在地类丰富，面积变异较大的区域就应当注意这种不确定性对分析结果的影响；同时，LUCC数据精度和ES类型的细化也会提高特定ES类型的生产能力，今后可开展基于不同数据源的对比研究；最后，基于访谈和调查的一些专家知识带有一定的主观偏好，如何获取真实、客观的专家知识也是研究难点，需要引入社会调查的诸多复杂技术，也说明自然-人文学科的交叉研究有助于减少科学研究中的剩余性范畴，有利于减少不确定性。

对支持服务的分析可以适度简化并做均一化处理，因为其可满足所有人的一般需求，具有相似性和可比性；供给和文化服务的分析强烈依赖于研究区群体的文化类型，不同文化类型的人群对供给和文化服务的认识会有差别，需要引入文化理论的相关知识，以降低特定ES类型分析中的不确定性。

4 结论

本文基于LUCC开展生态系统服务空间化研究，结果表明：1)在灌区和甘州区两个尺度上，4类ES生产能力值均表现为：文化服务>支持服务>调节服务>供给服务；2)2000—2009年，4类ES供给都呈递减趋势，同时，城镇用地、路网建设等人类活动驱动的土地利用方式迅速增强，整个绿洲农业区明显过度开发；3)缺乏精确的数据并不是限制ES评价的绝对因素，对涉及社会学、地学和生态学等学科的多源数据和知识的分析是研究难点。

该方法可用于类似研究区，也可在数据精度支持时开展更复杂的时空变化分析；构建统一的集成生态系统服务研究框架是当前亟待开展的工作，该工作将有助于加强学者、利益相关者和决策者间的互动，有助于认识生态系统特征和其对人类福祉的重要性。

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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

国家自然科学基金重大研究计划的重点支持项目(91125019)；国家自然科学基金资助项目(40971291,40901292)

2012- 05- 14;

2012- 10- 26

*通讯作者Corresponding author.E-mail: liangyj05@163.com

10.5846/stxb201205140708

梁友嘉，徐中民，钟方雷，宋晓谕.基于LUCC的生态系统服务空间化研究——以张掖市甘州区为例.生态学报,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.