基于信息熵理论的汉江流域生态系统服务结构特征及时空演化

于海龙, 王宏志, 于长立

基于信息熵理论的汉江流域生态系统服务结构特征及时空演化

于海龙1,2, 王宏志2,*, 于长立1

1. 平顶山学院旅游与规划学院, 平顶山 4670002. 华中师范大学城市与环境科学学院, 武汉 430079

生态系统服务结构是影响生态系统服务协调稳定及人类福祉可持续性的重要因素。在分析汉江流域1990—2010年生态系统服务价值时空变化的基础上, 构建了生态系统服务熵模型, 探讨生态系统服务结构特征及其时空演变规律。结果表明: (1)研究区生态系统服务总价值由1990年的3059.764亿元上升到2010年的3466.84亿元, 增加了407.076亿元; 空间上表现为东南部及汉江干流周围地区生态系统服务价值较高, 而东北部及中南部地区相对较低的分布特征。(2)供给、调节、支持、文化四大生态系统服务具有显著的相关性, 且空间异质性差异较大。供给-调节、调节-文化、支持-文化之间的相关系数均超过了0.58。供给服务价值高的区域, 支持和文化服务价值相对较低; 调节服务受水域和湿地空间分布的影响较大。(3)1990—2010年生态系统服务熵平均值逐渐减小, 由1990年的1.87下降到2010年的1.78, 且空间上与生态系统服务价值呈显著负相关。虽然该区域生态系统服务总价值增大, 但生态系统服务的类型趋于单一, 其结构的复杂性及稳定性降低; 这一问题应引起人们的高度重视。生态系统服务熵模型可以为流域生态系统服务结构分析提供新思路和方法。研究结果可为区域生态系统服务维护和可持续发展提供决策依据。

生态系统服务; 信息熵理论; 生态系统服务结构; 时空演变

0 前言

生态系统服务是指生态系统形成和所维持的人类赖以生存和发展的环境条件和效用, 为人类直接或间接从生态系统得到的所有收益, 是人类社会赖以生存和发展的资源与环境基础[1]。1997年, Costanza等第一次对全球17种主要的生态系统服务类型开展系统评估[2], Daily系统地提出了生态系统服务的内容和评价方法[3], 揭开了生态系统服务功能价值研究的序幕。随后, 生态系统服务逐渐成为了国际生态学和相关学科研究的前沿和热点领域[4]。生态学相关学者在生态系统服务分类[5]、生态系统服务价值核算[6-7]、生态系统服务的影响机制[8-9]、生态系统服务供需平衡[10]等方面, 对区域生态系统服务价值做了大量研究。

生态系统对人类社会福祉提供的服务是多重的, 并且各种服务之间相互作用相互联系。生态系统服务的多样性、复杂性和不确定性构成了生态系统服务的权衡和协同作用, 呈现出复杂的内部结构和相互关系[11]。某一种生态系统服务的变化, 必将影响到其他服务的状况。例如初级生产力的增加会引起水资源供给和土壤保持的增加[12]。生态系统服务的优化组合及内部结构的稳定可以降低生态系统服务的脆弱性, 减少生态系统服务的充分和可持续供应受到威胁的程度[13]。因此, 通过计算多种生态系统服务价值, 分析生态系统服务的内部结构, 将生态系统服务价值总量与其结构特征两者联系起来, 对维护生态系统服务的稳定与健康, 以及生态环境建设、区域可持续发展都具有重要的意义。

不同的生态系统服务由土地利用决定, 其强度具有空间异质性[14]。人类对生态系统产品的需求会引起区域土地利用/土地覆被变化, 进而会加剧生态系统服务之间的结构演变[15]。加强对生态系统服务关系的理解和定量化水平的提升, 将能提升更实际的生态服务价值评估, 改善基于生态系统的管理实践[16]。生态系统服务的相互作用随着时间和空间尺度的变化而变化, 但只有少数研究考虑了生态系统服务关系特征的时间变化和空间尺度。此外, 对于生态系统服务内部结构特征及其变化规律还缺少相应的探讨。

根据上述背景, 本文以生态系统复杂、人地关系矛盾突出的汉江流域为例, 分析多种生态系统服务之间的相互作用关系及其内部结构特征, 以期为区域生态系统维护及可持续发展提供决策依据。拟探讨的科学问题: (1)基于格网尺度, 流域内各生态系统服务具有怎样的相互作用关系和时空变化特征？(2)引用信息熵理论是否可以描述生态系统服务内部结构的稳定性特征？首先基于多时期土地利用/土地覆被数据, 分析网格尺度多个生态系统服务的时空特征, 并应用相关性分析揭示各生态系统服务间的相关关系; 然后构建生态系统服务熵模型, 评估生态系统服务的结构特征及其时空变化。我们的研究可以增强对多个生态系统服务之间复杂相互作用的理解, 为分析生态系统服务结构相关研究提供新思路和方法。

1 材料与方法

1.1 研究方法

1.1.1 生态系统服务价值

在Costanza等人研究成果的基础上, 针对中国具体的情况, 谢高地等[6, 17]分别于2002年和2006年共对中国700余位具有生态学背景的专业人员进行问卷调查, 制定出中国生态系统生态服务价值当量因子表; 2015年结合遥感影像数据对NPP和生物量的模拟分析和专家经验, 修订得到中国二级生态系统服务价值当量因子表[18]。基于单位面积价值当量因子的生态系统服务价值计算方法, 尽管相对简单, 但易于广泛应用。其计算公式如下:

式中,ESV为第个生态系统服务价值, 元;A为第个生态系统服务类型中第类生态系统的面积, hm2;VC为第类生态系统服务价值系数, 元/(hm2·a);为生态系统类型总数。

一个固定区域的生态系统服务总价值为各类型生态系统服务价值之和, 可以表示为:

1.1.2 相关性分析

地理要素之间的相关分析是用来揭示地理要素之间相互关系的密切程度, 可以通过对相关系数的计算与检验来测定。在研究生态系统服务关系的各种统计方法中, 相关系数是最常用的指标之一[19]。对于任意两个要素和, 若其值分别为x与y(=1, 2, …,), 则这两个要素间的相关系数为[20]:

式中,r为两要素之间的相关系数, 其值介于区间[–1,1],`和`分别为两个要素的平均值。r＞0, 表示正相关;r＜0, 表示负相关;r的绝对值越接近于1, 表示两要素的相关性越高, 越接近于0, 表示两要素的相关性越低。

1.1.3 生态系统服务熵

生态系统服务熵可以综合反映一定时期研究区域内各种生态系统服务的组合特征, 进而评价生态系统服务结构的协调性和稳定性, 对区域生态系统优化和调整具有指导作用。对固定边界的某个区域, 设其总的生态系统服务价值为, 该区域的生态系统服务类型为类, 用ESV表示区域内第类生态系统服务的价值, 则某一生态系统服务类型出现的概率可以用下式表达:

式中,为生态系统服务的信息熵,p为生态系统服务类型中第类服务出现的概率。

信息熵可以用来描述生态系统服务的无序程度, 定量判断生态系统服务的演化方向。当区域内生态系统服务类型越多, 各种类型生态服务价值越接近, 生态系统服务类型越复杂, 则信息熵值越大, 表明该区域的生态系统服务越协调、稳定; 反之, 则受外界的影响较大, 生态系统服务类型单一。

1.2 数据及来源

1.2.1 研究区

汉江是长江最大的支流, 其水系发育相对完整, 是流域尺度相关研究的理想场所。本文研究区选择湖北省境内的汉江流域中下游地区, 包括丹江口水库以下至汉口龙王庙的汉江沿江及取用汉江水源的受水区, 其流域面积为41513.14 km2。研究区涉及襄阳、荆门、孝感、天门、武汉、潜江、神农架、十堰、仙桃9个地级市的18个市、县(区)(如图1)。该区是典型的亚热带季风气候区, 年平均降水量800- 1100 mm, 资源要素密集, 生态系统复杂。汉江流域是中国重要的粮食主产区和重要的生态功能区, 承担着极其重要的生态服务功能。由于长期的生态系统开发利用和巨大的人口压力, 该区域的生态系统和生态服务功能严重退化, 威胁着区域生态系统安全及可持续发展。

1.2.1 数据来源

本文的数据包括两类: 土地利用数据和基础图件数据。

(1) 土地利用数据 土地利用数据为湖北省1990、2000和2010年的土地利用矢量数据集, 该数据是以Landsat TM/ETM/OLI遥感影像(空间分辨率30×30m)为主要数据源, 经过影像融合、几何校正、图像增强与拼接等处理后, 通过人机交互目视解译的方法, 将土地利用类型划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地6个一级类, 25个二级类以及部分三级分类。该数据中耕地和城乡、工矿、居民用地平均分类精度达到85%以上, 其他土地利用类型平均分类精度75%以上。数据来源于资源环境数据云平台(http://www.resdc. cn/ Default. aspx)。

图1 汉江流域(湖北省境内)区位图

Figure 1 Location of Hanjiang River Basin in Hubei province

(2) 基础图件数据 基础图件数据包括行政区范围及研究区(汉江流域)边界, 各级行政区范围来源于国家基础地理信息中心, 汉江流域范围参考前期关于本区域的研究成果[22]。

1.2 数据处理

(1) 生态系统及生态系统服务分类 参照前期学者土地覆被类型的生态系统分类标准[18], 借助ArcGIS 10.2软件, 将数据重分类为旱地、水田、林地、灌木、草地、湿地、裸地、水系及建设用地共9类, 即9种生态系统类型(图2)。本研究将生态系统服务概括为4个一级类型和11种二级类型, 即: 供给服务(食物生产、原材料生产和水资源供给)、调节服务(气体调节、气候调节、净化环境、水文调节)、支持服务(土壤保持、维持养分循环、维持生物多样性)、文化服务(提供美学景观服务)。

(2) 生态系统服务价值系数核算 本研究将生态系统生产的净利润看作该生态系统所能提供的生产价值, 将单位面积农田生态系统粮食生产的净利润当作1个标准当量因子的生态系统服务价值量。具体计算得到2010年标准生态系统生态服务价值当量因子经济价值量的值为3406.50元/hm2。根据谢高地等最新的态系统服务价值当量因子表[18]及其区域修正系数(湖北省为1.27), 制定汉江流域生态系统服务价值评估系数表(表1)。

2 结果及分析

2.1 生态系统服务价值时空特征

本文将研究区划分为500 m×500 m的网格单元, 共被划分为1837个网格, 从而计算每个网格内的生态系统服务价值。1990年、2000年和2010年汉江流域生态系统服务价值如表2所示。结果表明, 研究区生态系统服务价值总量相对较高, 三个年份总服务价值分别为3059.764亿元、3239.87亿元和3466.84亿元。调节功能服务价值最高, 其中水文调节服务价值位列第一, 1990年、2000年和2010年的服务价值分别为1269.90亿元、1439.74亿元和1634.57亿元, 占总价值的41.5—47.15%。其次是气候调节, 占总价值的12.84—14.45%。水资源供给、生物多样性、土壤保持、净化环境、气体调节占总价值的比例在5.56—7.57%, 五项共占总价值的33%左右。食物与原材料生产、美学景观、维持养分循环的服务价值量相对较低, 占总价值的0.78—4.23%, 四项共占总服务价值的10.5%左右。

图2 1990年、2000年、2010年汉江流域土地利用类型

Figure 2 Land use types of Hanjiang River Basin in 1990, 2000 and 2010

表1 汉江流域生态系统单位面积服务价值(元· hm-2·a-1)

注: 其中建设用地不参与生态系统服务价值估算, 研究区内没有荒漠和冰川积雪用地类型。

表2 1990年、2000年、2010年汉江流域生态系统服务价值量及变化(亿元, %)

1990—2010年, 生态系统服务价值呈上升的趋势, 且上升的幅度趋于增大。1990—2000年生态系统服务价值总量增加180.12亿元, 增幅为5.89%, 其中水文调节增加了169.85亿元, 而食物生产、气体调节和维持养分循环的服务价值则分别下降0.93亿元、0.33亿元和0.12亿元, 其他服务功能均有微弱增加。2000—2010年生态系统服务价值增加226.96亿元, 增幅为7%, 其中水文调节、水资源供给的服务价值增幅较大, 分别为194.83亿元和26.28亿元; 而原料生产、土壤保持、维持养分循环的服务价值分别下降了2.6亿元、7.46亿元和0.07亿元。

由于汉江流域大部分地区位于江汉平原, 耕地和水资源丰富, 生态系统服务价值受旱地、水田和水系的影响较大。1990—2010年间虽然耕地资源总量在不断减少, 但旱地和水田的变化趋势相反, 旱地面积占比减少了4.62%, 而水田面积占比增加了2.01%; 水体和湿地的面积占比分别增加了1.27%和0.02%; 建设用地面积占比增加1.46%。这一土地利用变化结果, 引起该区域水文调节、水资源供给、净化环境等功能的增加较为明显, 且对总服务价值的增加发挥了主导作用; 导致食物生产、原料生产、土壤保持等功能有一定程度的减小, 但其减小幅度较小。

图3为汉江流域1990、2000和2010年生态系统服务价值的空间分布情况。从空间分布格局上看, 汉江流域生态系统服务价值空间差异较大。高值区主要分布在东南部的江汉平原及汉江沿岸地区, 特别是武汉市、孝感市等水资源丰富的地区。西北地区因林地比例较高而成为生态系统服务价值次高值区。而东北部及中南部部分区域分别因建设用地和农田比例较高而成为生态系统服务价值低值区。由于研究区湖泊及耕地资源丰富, 该地区的生态系统服务价值受水域及耕地影响较大。

从空间变化上看, 1990—2010年汉江流域生态系统服务价值明显增大, 东南部生态系统服务价值大于3.6亿元的区域向南部明显扩张, 西北部和中南部生态系统服务价值小于0.9亿元的区域明显缩小。西北部地区变化不明显, 大部分地区的生态系统服务价值处于1.8—2.7亿元。

2.2 生态系统服务内部关系

1990—2010年四种生态系统服务之间的相关性如表3所示。三个时期各生态系统服务之间的相关性基本一致, 都呈现在0.01水平双侧显著相关。供给服务与调节服务呈中等正相关, 相关系数在0.589—0.686, 有增大的趋势。供给服务与支持服务呈弱负相关, 相关系数在–0.215至–0.253, 供给服务与文化服务的相关性较差, 相关系数在0.108—0.123之间。调节服务与支持服务呈弱正相关, 相关性系数在0.249—0.37之间, 有逐渐减小的趋势。文化服务与调节服务、支持服务的相关性较高, 相关系数分别介于0.651-0.713和0.860-0.877之间, 都呈现减小的趋势。

图3 1990年、2000年、2010年汉江流域生态系统服务价值空间格局

Figure 3 Spatial patterns of the total ecosystem service value in the Hanjiang River Basin in 1990, 2000 and 2010

1990—2010年供给服务、调节服务、支持服务、文化服务四种服务价值的空间特征及变化如图4所示, 不同的服务价值具有明显的空间异质性。供给服务价值高的地区主要分布在汉江流域的东南部和中部地区, 西北和中南部部分地区的供给服务价值较低; 1990—2000年供给服务价值的空间变化不大, 2010年供给服务价值明显增大, 特别是在东南部和西北部地区, 供给服务价值提升最为显著[图4(a1)、(a2)(a3)]。调节服务的高值区主要分布在东南部的长江沿岸及汉江干流沿岸地区, 西北部和中南部地区的服务价值较低; 1990—2010年调节服务价值总体呈现逐渐增大的趋势, 南部和东北部地区增大较为突出[图4(b1)、(b2)(b3)]。汉江流域支持服务价值高值区分布在西北部和中部地区, 东北部和南部地区的支持服务价值普遍较低; 1990—2000年支持服务价值空间总体变化不明显, 2000—2010年西北部和东南部部分地区的支持服务价值有所降低[图4(c1)、(c2)(c3)]。文化服务价值较高的地区主要分布在西北部及汉江干流沿岸部分地区, 南部和东北部地区的文化服务价值较低; 1990—2010年汉江流域文化服务价值总体空间变化不明显[图4(d1)、(d2)(d3)]。

表3 1990年、2000年、2010年汉江流域各生态系统服务价值量的相关性

**在0.01水平双侧显著相关。

图4 四类生态系统服务价值空间差异

Figure 4 Spatial distribution of the ESV of the four ecosystem services in 1990, 2000 and 2010.

总的来看, 除支持服务在部分地区的服务价值有所下降外, 供给服务、调节服务和文化服务的服务价值都呈不同程度的上升。1990—2010年汉江流域生态系统服务价值空间变化差异较大, 东南部和东北部地区生态系统服务价值变化较为剧烈, 西北部地区总体变化不大, 较为稳定。本地区表现为受人类干扰低的土地利用类型, 文化与支持服务较高, 供给服务较低; 反之, 随着人类干扰加强, 供给和调节服务明显提升。

2.3 生态系统服务熵

基于每个网格内11种生态系统服务价值计算出的生态系统服务熵如图5所示, 从数值上看, 汉江流域1990、2000、2010年的生态系统服务熵值范围分别为0.82—2.24、0.82—2.22、0.82—2.22, 平均值分别为1.87、1.82和1.78, 总体呈现逐渐减小的趋势。生态系统服务趋于单一, 受外界干扰不断增强。

从1990年、2000年、2010年汉江流域生态系统服务熵值空间分布看(图5), 生态系统服务熵值空间差异较大, 东南部及汉江干流沿岸地区的生态系统服务熵值较小, 西北部及中部部分地区的生态服务熵值较大。1990—2010年汉江流域生态系统服务熵值变化特征存在明显的区域差异, 东南部、部分中部和北部地区生态系统服务熵值明显减小, 特别是2000—2010年变化较为显著; 西北部地区变化不明显, 熵值一直处于1.8-2.1。总体上看, 1990—2010年汉江流域的生态系统服务熵总体呈现逐渐减小的趋势。

从生态系统服务熵值分析结果来看, 汉江流域生态系统服务内部结构特征存在明显的区域差异。东南部及汉江干流沿岸地区受人类活动的影响较大, 生态系统服务的类型相对单一, 复杂性较低。而西北部和中部地区受人类影响较小, 生态系统服务的类型相对较完善, 生态系统服务的结构也较稳定。

图5 1990年、2000年、2010年汉江流域生态系统服务熵值空间分布图

Figure 5 Spatial distribution of ecosystem service entropy in the Hanjiang River Basin in 1990, 2000 and 2010

生态系统服务价值与生态系统服务熵的相关性分析表明, 1990年、2000年、2010年汉江流域生态系统服务价值与生态系统服务熵在0.01显著水平上呈显著负相关, 相关系数分别为–0.605、–0.585和–0.599。说明本研究区域生态系统服务具有较强的复杂性, 生态系统服务价值越高, 则其生态系统服务熵越低, 为人类提供的生态系统服务的类型越单一, 生态系统服务结构相对不稳定。

3 讨论

在不同的情景下, 土地利用变化对生态系统服务的影响存在差异, 既有正向影响, 也有负向影响[23]。前期学者对中国区域生态系统服务价值变化提出了不同的评估结果。大多数研究表明生态系统服务价值呈下降的趋势[24-25], 但也有人发现随着最近的土地使用变化和城市化, 生态系统服务价值有所增加[26-27]。本文的分析结果表明, 汉江流域的生态系统服务价值呈现总价值量增加而结构单一的趋势, 这是研究区土地利用变化的特定空间布局和当地的社会生态环境共同决定的。土地利用变化是引起区域生态系统服务价值变化的主要驱动因素[28]。由于汉江流域独特的地理位置, 与其他地区相比, 其土地利用/土地覆被具有典型的地域特色。流域东南部位于江汉平原腹地, 耕地资源极为丰富, 河流、湖泊众多, 广泛分布于整个区域; 这就造成了该区域生态系统服务受耕地和水域变化的影响较大。1990—2010年汉江流域耕地面积占比减小了2.61%; 水域和湿地的面积占比分别增加了1.27%和0.02%。从而引起了该区域水文调节、水资源供给等功能增加, 而食物生产、原料生产等功能减小。由于调节服务在各生态系统的单位面积服务价值相对较大(表1), 所以引起汉江流域生态系统服务总价值不断增加。生态系统服务结构受人类活动影响较大, 1990—2010年汉江流域建设用地面积占比增加1.46%, 且在东南部地区表现最为明显(图2), 这一结果与生态系统服务熵的空间分布较为契合(图5)。从而造成了该区域生态系统服务熵不断减小, 生态系统服务结构的复杂性和稳定性逐渐降低的变化趋势。快速城市化的背景下, 需要决策分析来支持土地利用规划, 以确保生态系统服务的可持续性, 为区域人民的福祉服务[29]。

目前对生态系统服务价值核算的方法暂没有统一的标准, 评价模型的不同会对核算结果产生较大的影响, 例如龚毅帆等的研究认为2013年湖北省汉江流域生态系统服务功能总经济价值高达6016.28亿元, 远大于本文的研究结果[30]。本文使用的生态系统服务价值当量表及计算方法经过了多次修正, 并且在对中国多个地方的生态系统服务价值进行了估算和验证[31-32], 在领域内具有较强的认可度。关于生态系统服务价值核算的方法还需要进一步研究和研讨, 亟需制定更加科学规范且具有广泛普适性的评价模型。由于生态系统服务的复杂性, 扰动情形下生态系统服务及其脆弱性呈现多尺度特征[33], 不同的研究尺度及评价单元对生态系统服务价值及生态系统服务熵会产生一定的影响。应用信息熵理论对生态系统服务结构评价是一次有益的尝试和探讨。在以后的研究中, 还需要运用多种熵模型对生态系统服务结构及其影响机制进行综合分析。

4 结论

文章在分析汉江流域1990—2010年多种生态系统服务价值时空变化及相互关系的基础上, 构建了生态系统服务熵模型, 探讨了区域生态系统服务结构特征及时空演化。结论如下:

(1) 1990—2010年汉江流域生态系统服务总价值逐渐增大, 由1990年的3059.764亿元上升到2010年的3466.84亿元, 增加了407.076亿元。从单项生态系统服务价值来看, 水文调节、水资源供给和净化环境的生态系统服务价值增加较为明显, 且为汉江流域生态系统服务功能的主要构成; 仅有食物生产、原料生产、土壤保持等的生态系统服务价值有一定程度的减小, 且减小幅度较小。由于该区域耕地和水资源较为丰富, 水域增加(面积占比增加1.27%)和耕地减少(面积占比减少2.61%)是引起这种变化的主要原因。从空间分布上看, 1990—2010年汉江流域生态系统服务价值空间差异比较大, 总体呈现东南部及汉江干流地区生态系统服务价值高, 而东北部及中南部地区相对较低的空间分布规律。

(2) 供给、调节、支持、文化四大生态系统服务具有显著的相关性, 但空间异质性差异较大。1990、2000和2010三个时期各生态系统服务之间都呈现显著相关, 除供给-支持呈负相关外, 其他生态系统服务之间均呈正相关, 且供给-调节、调节-文化、支持-文化之间的相关系数都超过了0.58。从各生态系统服务空间分布上看, 供给服务价值高的区域, 支持和文化服务价值相对较低; 调节服务的高值区多集中在水域和湿地分布的地区。1990—2010年各生态系统服务的变化基本一致, 都表现为与该区域土地利用密切相关, 东南部和东北部地区(主要为耕地和建设用地)生态系统服务价值变化剧烈, 而西北部地区(主要为林草地)较为稳定。

(3) 1990—2010年汉江流域生态系统服务结构的稳定性降低, 生态系统服务熵值由1990年的1.87下降到2010年的1.78。生态系统服务熵值空间差异较大, 东南部及汉江干流沿岸地区的生态系统服务熵值较小, 西北部及中部部分地区的生态服务熵值较大, 空间上与生态系统服务价值呈显著负相关。此结果表明, 虽然研究区的生态系统服务总价值增大, 但生态系统服务的类型趋于单一, 其内部结构的复杂性及稳定性降低。东南部及汉江干流沿岸地区受人类活动影响较大的区域最为明显, 这一问题应该引起人们的高度重视。

生态系统服务熵模型可以作为一种通用的生态系统服务结构评价模型, 为流域或区域生态系统服务结构分析提供方法和技术支持。研究结果可为区域土地利用政策制定及生态系统服务维护提供建议。

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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基金项目:河南省政府决策研究招标课题(2018B229); 平顶山学院青年基金项目(PXY-QNJJ-2018007)

于海龙(1990— ), 男, 河南扶沟人, 博士生, 主要从事GIS/RS应用、生态系统演变研究, E-mail: hlyu0912@163.com

王宏志, 女, 博士, 教授, 主要从事土地利用/覆被变化、GIS应用研究, E-mail: wanghongzhi@mail.ccnu.edu.cn

于海龙, 王宏志, 于长立. 基于信息熵理论的汉江流域生态系统服务结构特征及时空演化[J]. 生态科学, 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.