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1、基于地形梯度的河北省怀来县山地生态系统空间分布及变化特征分析 许策 李超 张天柱 束继年 中国科学院地理科学与资源研究所 中国科学院生态环境研究中心 中国科学院大学 中国农业大学资源与环境学院 摘 要： 目的从地形梯度角度, 对区域生态系统空间分布及变化特征进行分析, 提出基于地形梯度的区域生态系统保护对策建议, 为制定山区生态规划及实现山区生态系统的持续、健康发展提供参考。方法以遥感解译获得的 1993, 2003, 2013 年生态系统类型空间分布数据为基础, 选取高程级别、地形起伏度和坡度变率为地形梯度表征指标, 采用分布指数, 对区域农田、水域与湿地、森林、草地、聚落和荒漠 6 类生态
2、系统的地形梯度差异分布情况及优势位进行分析, 并结合 19932013 年各生态系统的服务价值变化特征, 探讨区域生态系统的保护对策。结果农田、水域与湿地、聚落、草地生态系统集中于低地形梯度区;森林集中于高地形梯度区;荒漠生态系统分布特征随地形梯度差异不明显;在低地形梯度区, 农田、水域与湿地的生态系统服务价值降低, 草地、聚落生态系统服务价值有明显的增加趋势;在高地形梯度区, 虽然森林生态系统服务价值变化较为剧烈, 但总体呈现出持续增加的趋势。结论在制定针对山地的区域生态规划时, 应考虑对位于优势位上的生态系统实行特殊保护, 禁止被侵占为生态系统服务功能较弱的生态系统服务类型, 以保证生态系
3、统能够持续、健康地提供生态服务。关键词： 地形梯度; 生态系统; 空间分布; 优势位; 作者简介：许策 (1992) , 男 (汉族) , 河北省保定市人, 硕士研究生, 研究方向为生态系统服务。E-mail:。作者简介：束继年 (1966) , 男 (汉族) , 安徽省六安市人, 博士, 研究员, 博士生导师, 主要从事生态环境治理研究。E-mail:J。收稿日期：2017-01-26基金：国土资源部公益性行业科研专项“环渤海盐碱土地景观整治与植物修复技术集成” (201311060) Distribution and Variation Analysis of Mountain Ecosy
4、stem Based on Topographic Gradient in Huailai County of Hebei ProvinceXU Ce LI Chao ZHANG Tianzhu SHU Jinian Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Science; College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University; Research Center fo
5、r Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences; Abstract： ObjectiveTo provide relevant suggestions for regional ecosystem protection and sustainable development based on topographic gradient via analyzing the spatial distribution of regional ecological system and the variation characteris
6、tic of it.MethodsTopographic gradient index was referred to elevation level, topographic relief and slope variation rate.Distribution index was used to designate topographic gradient distribution and dominant position of cultivated land, waters and wetlands, forestland, grassland, settlement and des
7、ert and was analyzed using the data of ecosystem-type-based space distributions in the years of 1993, 2003 and 2013 which was acquired by remote sensing interpretation.Finally, the variations of each ecosystemservice item in the years of 19932013 were analyzed to provide relevant suggestion for ecol
8、ogical protection.ResultsCultivated land, waters and wetlands, settlement and grassland mainly distributed on low terrain gradient area;forestland distributed on high terrain gradient area;the distribution characteristic of desert ecosystem was not significantly influenced by gradient.In low terrain
9、 gradient area, the values of ecosystem service of cultivated land, waters and wetlands decreased while the values of grassland and settlement showed increasing trends.In high terrain gradient area, the value of ecosystem service of forestland increased as a whole but changed dramatically.Conclusion
10、To make plan for regional ecological system of mountain land, the protection for the ecosystem at dominant position should be taken into consideration to prevent it from being replaced by those ecosystem service types having weak ecosystem service function, and to keep it sustainable and healthy in
11、providing ecosystem service.Keyword： topographic gradient; ecosystem system; space distribution; dominant position; Received： 2017-01-26生态系统服务作为当今社会关注的焦点以及生态学、地理学等学科的研究前沿和热点, 引起了众多学者与研究组织的广泛关注。近些年来, 随着社会经济的快速发展以及土地利用方式的转变, 区域生态系统格局也发生了相应的改变, 使生态系统的稳定性、可持续发展受到了严峻挑战。与平原地区相比, 山区的生态环境更加脆弱, 其社会经济与生态环境保护的
12、和谐发展显得尤其重要。山区生态系统格局的改变会使社会的生态安全风险问题更加凸显, 生态系统服务的改变甚至丧失将会使人类面临着的生存与发展的多重挑战1。地形是区域生态系统中的重要组成因素, 其变化将会影响生态系统内部的物质流动和能量转化。区域地形特征的差异也会引起土地利用方式的空间差异, 进而影响生态系统的空间分布格局2。地形梯度逐渐被广泛用于土地利用格局变化方面的相关研究3。生态系统的内部结构及分布格局反映了不同生态系统的自身特征以及各类生态系统之间的空间结构关系, 决定了生态系统服务功能的整体状况及其空间差异, 也为人类因地制宜对不同区域的生态系统服务功能采取不同的保护和利用措施提供了重要依
13、据。近年来, 国内外众多学者对生态系统的空间分布格局及其结构变化开展了一系列相关研究4-5。但从地形梯度角度, 对区域生态系统格局及空间结构变化情况展开分析的研究较为罕见。本文拟从高程、地形起伏度、坡度变率 3 个方面, 揭示研究区生态系统在地形梯度上的分布特征及不同地形梯度上的区域生态系统服务价值变化, 并提出基于地形梯度的区域生态系统保护对策建议, 以期为山区生态规划的制定及实现生态系统的持续、健康发展提供参考。1 研究区概况怀来县坐标地处 1151611558E, 40044035N, 位于张家口市东南部, 紧邻北京市昌平区和延庆区, 距离北京市中心约 100km, 土地面积约 1 97
14、3.18km。由于地处燕山山脉西北侧, 永定河上游, 属于中温带半干旱区, 光照充足, 降水稀少, 生态环境较为敏感、脆弱。怀来县境内主要地貌类型为河川平原、丘陵和山地等, 其南部和北部多为山地, 占全县面积的绝大部分, 中部夹有山间盆地, 海拔大致在 3201 954m。怀来县作为北京及其周边地区的绿色屏障和生态缓冲区, 其生态环境状况对北京地区的生态安全问题有不可忽视的影响。2 数据来源与研究方法2.1 数据获取与处理地理空间数据云网站下载获得 1993, 200 与 2013 年空间分辨率为 30 m 的怀来县 Landsat TM/ETM 影像以及空间分辨率为 30m 的 DEM 图,
15、 考虑研究区的气候特点, 并保证影像的清晰, 因此, 影像选择在 89 月。以生态系统分类方法、土地遥感调查分类标准为基础, 结合研究区生态系统分布特征及中国 5a 间隔陆地生态系统空间分布数据集, 将怀来县生态系统类型划分为森林生态系统、农田生态系统、草地生态系统、聚落生态系统、水体与湿地生态系统、荒漠生态系统 6 个生态系统 (表 1) 。将 Landsat 影像经大气校正、辐射定标、投影变换、掩膜提取等预处理后, 采用监督分类并结合人机交互的方法完成遥感影像的生态系统解译分类, 并利用实地随机选取若干样点进行实际测量的数据来检验解译精度, 最后利用混淆矩阵法进行精读评价, 结果表明 19
16、93, 2003 与2013 年 3 期遥感影像的解译分类精度分别为 83.83%, 83.21%和 87.69%。运用ArcGIS 软件对 DEM 影像进行空间分析得出地形起伏度、高程、坡度变率、地形位指数分布图。2.2 研究方法2.2.1 地形梯度等级划分综合考虑地形因子的可定量性和对生态系统空间分布及变化的影响程度, 选取高程 (altitude) 、地形起伏度 (landform relief) 、坡度变率 (slope change rate) 分析地形对生态系统类型空间分布及变化的影响6。其中, 高程级别数据可运用 ArcGIS 对 DEM 图进行重分类获得7;地形起伏度数据可运用ArcGIS 栅格邻域分析工具计算获得8;地面坡度变率数据可依据坡度计算原理, 利用 ArcGIS 软件在坡度分布图的基础上再次求取坡度。表 1 怀来县生态系统类型划分与全国遥感监测土地利用覆盖分类体系
