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生态学家坦斯利(Tansley)首先提出生态系统研究的观点,为研究生物与环境之间的关系从新的视角提出看法,成为当代生态学研究中较活跃的一个新领域。生态系统服务指人类从生态系统功能中获得的收益,生态系统服务的功能价值基于人类需要、利用和偏好,反映人类对生态系统功能的利用,因此功能价值的表现呈现多样化。生态系统功能是维持生态系统服务的基础,多样性对于持续提供产品的生产和服务至关重要[1]。要解决现代人类的环境污染问题、人口激增与自然资源的合理利用问题,都有赖于对生态系统的结构和功能、生态系统的稳定性及其对干扰的忍受和恢复能力的研究[2]。
近年来,国内外陆续出现各种评估方法,生态经济学等学科的研究成果将评估方法分为两类:一是替代市场技术,其中有费用支出法、市场价值法等;二是模拟市场技术,即条件价值法(UNEP)[3]。国外大多采用第二种方法来进行评估,其中包括以InVEST模型、MIMES模型、ARIES模型等为主的最终物质转换法,以基于叶面积指数的估产模型、WOFOST模型、CASA模型为主的中间物质转换法。尽管目前出现了多种价值评估方法,但是由于生态系统服务本身涉及经济学、生态学等多种学科,不同学科方向的学者出于自身领域的考虑,不免会对生态系统服务评估出现一定的差异,最终影响生态系统服务功能的评估。
山东省作为环渤海经济区与沿黄河经济带经济发展的重要组成部分,同时也是我国生态保护中重要的一环,其生态系统服务功能的好坏对当地乃至环渤海经济区、沿黄河经济带的生态环境质量有着最直接的影响。因此,本研究选取具有代表性的水源涵养、土壤保持和生境质量三个模块,借助InVEST模型分析2010—2020年间土地利用变化对山东省生态系统服务功能的影响,并分别对水源涵养、土壤保持、生境质量进行评价分级,再综合对整个研究区的生态系统服务功能进行评价,进而确定综合功能重要性分区,为管理者提供制定政策时的参考依据,希望能促进当地经济的可持续发展以及土地利用的可持续性。
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山东省地区主要地类为耕地、城镇建设用地、林地和草地,耕地的面积占比达到了64%,从土地利用转移矩阵可以看出,2010年—2015年耕地面积减少了7.35%,林地、草地的面积变化幅度较小,城镇建设用地增长了3.05%;2015年—2020年。山东省地区的土地覆被类型变化显著。耕地面积变化不大,林地面积大幅缩减,减少了7.76%,草地面积也出现大幅减少,降低了34.9%,未利用土地也从1796 km2缩减到605 km2,城镇化的速度在加快。但是,水体出现59.75%的增长,2010年—2020年十年间,耕地面积减少了7.26%,林地面积减少了7.75%,草地面积大幅缩减由2010年的13164 km2减少到2020年仅有8555 km2,城镇建设用地出现较大幅度的增加,增加了18.5%,说明山东省在2010年到2020年城镇化速度明显加快,此外,未利用土地的面积减少了66.48%,面积出现大幅缩减。整个研究期内,草地、水体、未利用土地变化相对剧烈,耕地、林地次之。
根据转移矩阵(见表1),在2010年—2020年间,有1122.75 km2的草地转化为耕地,约16370 km2的耕地、602 km2的林地、660 km2的水体转化为城镇建设用地,这表明大量的农田和水域、林地输出为城镇建设,未利用土地和耕地的转化幅度也较多,达到935 km2。总的来看,十年间,山东省内水体面积在整体中保持着较为稳定的增长,越有618 km2、2421 km2、2864 km2的草地、城镇用地、耕地转化为水体;耕地的转化最为剧烈,约1.6万km2、2355 km2、2864 km2的耕地转化为城镇用地、林地和水体。这都与山东省近年来城镇化速度的变化有着紧密的关系。
时期 类型 2020年 草地 城镇建设用地 耕地 林地 水体 未利用土地 2010年 草地 3448.928 385.827 2870.256 1597.077 165.113 56.499 城镇用地 1122.75 7888.532 16369.986 602.015 660.124 226.899 耕地 5868.299 11859.011 77087.811 3011.94 2344.856 935.763 林地 1928.784 232.28 2355.213 4322.468 102.462 31.968 水体 618.894 2421.378 2864.795 197.172 3164.365 450.791 未利用土地 165.093 46.578 229.143 31.981 38.832 87.147 Table 1. Transfer matrix of land use/cover types in Shandong provinceinceince
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从空间分布(见图1)来看,空间分异格局差异较小,整体上表现出一定的规律性:西北部产水量较低,产水高值区域主要集中在山东省的东南沿海一带,西南部平原地区的产水量出现先增加后减少的趋势。这种格局与降水量和土地利用类型的分布存在直接关系[8],平均降水量高且植被蒸散发量低的地区产水能力强,反之,降水量低且植被蒸散发量高的地区产水能力则较弱。
从时间分布(见表2)来看,从2010年到2020年,水源供给量增加了0.878×108 mm,增幅为21.93%。水源供给量的变化与降水量显著增加有着不可分割的关系。在2010年—2015年,水源供给量出现下降,不仅是降水量减少的影响,同时蒸散发量也从891.86 mm增加到919.29 mm,降水量的减少加之蒸散发量的增加,使得水源供给出现10%的降幅,最后形成整个研究期内水源供给量呈现“V”字型变化。
水源涵养量 土壤保持量 生境质量指数 2010年 4.004×108 mm 2.90×108 t 0.373 2015年 3.590×108 mm 2.51×108 t 0.372 2020年 4.882×108 mm 4.29×108 t 0.371 Table 2. Changes of ecosystem service quality in Shandong province from 2010 to 2020
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在土壤保持量空间分布(见图2)上,存在着明显的空间异质性。土壤保持量高值区域主要分布在中部山地与东部丘陵区等自然环境条件较好,植被覆盖度高的地区,因此,生态系统具有较高的土壤保持能力。土壤保持量低值区域主要位于平原地区,平原地区地势平坦开阔,适宜人类生产生活,多为城镇建设用地、农村居民点等,该区域自然植被较少,城市化发展进程较快,经济发展力度大于生态保护力度,导致该区域土壤保持能力低下。
从时间分布来看(见表2),山东省内土壤保持总量在研究期内增幅48.07%。2010年土壤保持量范围在−33.95~17400 t,2015年土壤保持量范围在−4.47~11903 t,2020年土壤保持量范围在−0.96~22481 t。总体上看。在研究期间,山东省土壤保持量分布范围比较稳定,保持总量不断增加,反映出山东省的土壤保持措施对减轻土壤侵蚀的能力起着一定成效。
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从空间分布(见图3)来看,在研究期内,生境质量空间分布格局基本一致,整体分布没有发生大幅度变动,都是沿海地区以及海拔较高的地区生境质量指数偏高,西北部以及中东部、西南部平原地区生境质量指数偏低,与区域内耕地面积广大有着密切关系。
从得到的平均生境质量指数(见表2)也可以看出,虽然2010年—2020年的平均生境质量指数分别为0.373、0.372、0.371,虽然变化幅度较小,但仍能看出呈现出一个逐年变差的趋势。
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由于本研究的土壤保持和水源涵养这两种服务功能的量纲不同,为综合评价山东省的生态系统服务功能,需要用归一化对两者的量纲进行消除,将两种服务功能进行范围是[0–1]的数值标准化处理,将三者归一化的得到的值进行叠加,得到范围为[0–3]的叠加图,将三种服务以权重分为0.33进行计算,得到叠加后的归一化值,利用重分类分位数法在叠加后的归一化值分为一般重要、中度重要、高度重要和极度重要四个重要性等级区,如图4。
可以看出,山东省的生态系统服务功能分区呈现带状分布,大致呈现东北-西南走向。其中服务功能一般重要的地区主要分布在鲁西北、鲁西一带;服务功能中等重要地区主要分布在鲁西南、鲁中北一带,在东北部也有少许分布,在四种服务功能等级中占比最大;服务功能高度重要地区主要分布在鲁中以及延伸到鲁东部分植被覆盖率较高的地区,服务等级极度重要地区主要分布在东南沿海、中部山地以及东部丘陵地区,这些地区年降水量较多、土壤保持条件较好、植被覆盖率高,生态系统环境较好,因此服务等级高于其他地区。
Spatial and Temporal Evolution of Ecosystem Services in Shandong Province Based on InVEST Model
doi: 10.12172/202204250003
- Received Date: 2022-04-25
- Available Online: 2023-02-03
- Publish Date: 2023-04-25
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Key words:
- Ecosystem Services /
- InVEST Model /
- Shandong Province.
Abstract: The driving factors of spatial and temporal distribution of ecosystem services in Shandong province were analyzed, and the main factors of local ecosystem services being inhibited were found, so as to improve the productivity of forest, cultivated land and water system. Based on InVEST model, taking Shandong province as the research area, the quality of three ecosystem services, including water conservation, soil conservation and habitat quality, and the hierarchical function zone among three ecosystem services in 2010, 2015 and 2020 were evaluated. The results showed that: (1) The conversion of land use was mainly between grassland and cultivated land, and between cultivated land, forest land, water body and urban construction land. (2) Water conservation and soil conservation showed a trend of first decreasing and then increasing, and the habitat quality index decreased year by year. (3) The distribution of ecosystem services in Shandong province showed a zonal pattern, with a northeast-southwest trend, and the importance level of ecosystem services decreased gradually. The results indicated that the overall urbanization speed of Shandong province was obviously accelerating, the frequency of land use transformation was relatively fast, and the contradiction between man and land was intensifying.n speed of Shandong province was obviously accelerating, the frequency of land use transformation was relatively fast, and the contradiction between man and land was intensifying.n speed of Shandong province was obviously accelerating, the frequency of land use transformation was relatively fast, and the contradiction between man and land was intensifying.