论文部分内容阅读
延河流域是典型的黄土高原丘陵沟壑区，长期以来过度开发与不合理的土地利用使生态系统服务提供能力下降。退耕还林还草工程实施以来，延河流域土地利用状况发生显著变化，表现为林草地面积增加和耕地面积减少。本研究以延河流域为研究区，对退耕还林还草前后生态系统服务时空变异、人类活动强度、土地利用变化进行了定量研究；对生态系统人文服务驱动机制，土地利用变化对生态系统服务的影响进行了探讨，为生态保护政策的制定提供科学依据。
本研究对2000年和2008年延河流域五项生态系统服务进行了评估，包括净第一性生产力(NPP)、固碳释氧、水源涵养、土壤保持和粮食生产。NPP的计算采用CASA模型，公式为Btotact=εΣ(APAR(t)t)(kgm-2)；综合考虑了NPP的两个驱动变量：光合有效辐射与光能转化率，以及光能利用率、土壤水分、降水量、平均温度等因素。固碳释氧的计算是基于光合作用方程6CO2+6H2O-＞6O2+C6H12O6植被生产的有机物与固定的CO2、释放的O2的比例为1:1.47:1.07而获得。水源涵养采用的是综合蓄水能力法，即植被对降雨的截留主要通过冠层截留、枯落物吸持、林下土壤蓄水三部分组成。土壤保持采用修正的通用土壤流失方程(RevisedUniversal Soil Loss Equation，RUSLE);A=R×K×L×S×(1-C×P)。粮食生产从统计部门的数据获得。以ArcGis软件为支持计算各项生态系统服务，并利用ArcGis软件下zonal statistic模块将生态系统服务分配到流域内各乡镇。
生态系统服务计算结果表明：2000年NPP和固碳释氧从西南到西北和东南逐渐递减，2008年则呈现出由南部到西北递减的趋势；2008年NPP/固碳释氧显著高于2000年；其增加量明显呈现西北到东南递增的趋势。水源涵养从南到北递减，2008年水源涵养量显著高于2000年，其增加量呈现出东北向西北、西南、东南“扇形”递减的格局。2000年土壤保持呈现大致的南高北低的格局，2008年略呈西高东低的格局；2008年土壤保持量远高于2000年，其增加量呈现明显的西北到东南递减的空间格局。粮食生产呈现中间高、四周低；2008年粮食生产比2000年减少，且表现为中间地带减产较大，南北地带减产较缓。
2000年到2008年间，调节性生态系统服务(NPP、固碳释氧、水源涵养、土壤保持)增强，而供给性生态系统服务(粮食生产)则降低；二者表现为此消彼长(tradeoff)关系；土壤保持与水源涵养表现出协同(synergy)关系。
人类活动强度指标通过整合人口密度、耕地比率、居民点、道路四个因子而成。在ArcGis环境下，通过对矢量化的延河流域乡镇图属性表进行人口和耕地比率赋值，得到乡镇人口矢量图和乡镇耕地比率矢量图，并转成raster格式；居民点和道路采用2000和2008年专题图进行矢量化，对道路和居民点按级别进行影响力赋值，然后对道路影响力采用克里格(Kriging)法、居民点影响力采用反距离权重法(inverse distance weight，IDW)插值成raster格式。用ArcGis软件的rastercalculation模块计算得到人类活动强度；并采用zonal statistic模块得到各乡镇的人类活动强度值(无量纲)。
计算结果表明延河流域人类活动强度大致与所在区的行政级别呈正比，即依市区所在乡镇(桥沟镇)、市郊乡镇、县城所在地乡镇(真武洞镇、七里村镇)、偏远乡镇的顺序降低。2008年人类活动强度比2000年显著降低，且呈现出由西北、西南、东南较缓和而东北逐渐剧烈的“扇形”格局。
相关性分析表明，人类活动强度的变化与水源涵养量和土壤保持量的变化呈现显著的负相关，其相关系数分别为-0.957和-0.489;说明人类活动强度的减少是水源涵养和土壤保持的主要驱动力。对人类活动强度进行进一步剖析表明，耕地比率变化与水源涵养量和土壤保持量的变化呈极显著负相关，相关系数分别为-0.983和-0.524，说明退耕还林还草是减少水土流失的有效措施。
采用Landsat TM(1995、2000)和Cbers2B(2008)三期遥感影像，将解译好的土地利用图融合到一级分类的耕地、林地、草地、聚落、水域、废弃地六种土地利用类型，用Fragstats3.3软件对三年土地利用14个景观格局指数进行分析。
结果表明：在景观水平上，斑块密度(PD)的增加表明研究区呈现破碎化态势，线密度(ED)的减小与连接度(CONTIG)的增长表明研究区斑块形状有简单化趋势而斑块间连接性增强。类型水平上，耕地面积(CA)减少和斑块数(NP)递增使农地呈现出强烈的破碎化态势，分离度(SPLIT)的增加也响应了这一变化。与此相反，草地面积(CA)增加的同时斑块数(NP)减少，表明草地有去破碎化的态势，这与其分离度(SPLIT)的减少是一致的。林地的面积(CA)、斑块数(NP)、线密度(ED)均呈现增加趋势，但变化幅度不大；林地分维度(FRAC-AM)与分离度(SP1IT)保持基本恒定。聚落SPLIT略微降低，呈现出一定的聚集化态势。水域的最大斑块指数(LPI)增加，表明水域大斑块占主导的格局逐渐形成。废弃地形状指数(SHPAE)降低，分离度指数(SPLIT)增大，说明废弃地斑块形状有简单化趋势且斑块间分离程度加剧。多重社会经济因素共同作用驱动延河流域土地利用变化；其中退耕还林还草政策是主要的驱动因素。产业发展、劳动力转移、乡村聚落的变迁也直接或间接地强化了土地利用变化。
土地利用作为联系人类活动与生态系统服务之间的结合点，对生态系统服务起着直接的影响。为了分析土地利用对生态系统服务的影响，对2000和2008两期土地利用图进行细分，将灌丛从林地中析出，对坡耕地按坡度分类。结果表明林地与调节性生态系统服务呈正相关。2000年，对粮食生产影响较大的坡耕地集中于＜5度、10-20度的坡耕地；2008年这种相关性变得不显著，原因可能是退耕后，粮食生产格局发生变化。不同坡度坡耕地对调节性生态系统服务的影响随坡度而异：15-20度对水源涵养、土壤保持；20-25度对NPP、固碳释氧、水源涵养；25度以上坡耕地则主要对NPP和固碳释氧影响。从两年间土地利用变化量与生态系统服务变化量的相关性分析得知林地和草地的增加是土壤保持和水源涵养增加的主要原因；NPP和固碳释氧的变化与25度以上耕地减少有极显著相关性，而土壤保持和水源涵养的变化则与5-10度到25度之间的坡耕地的减少有极显著相关性；由于25度以上耕地所占比例(0.26％-0.37%)远低于10度到25度的坡耕地比例(73.32%-85.39%)，说明坡耕地对水源涵养和土壤保持影响比NPP更大。
生态系统服务和人类活动的定量化是为了更好地指导生态保护政策的实施，本研究基于生态系统服务和人类活动强度，通过聚类分析方法将延河流域分为城市区、生态屏障区、近郊区、偏远纯农业区四种类型，并针对这一分区提出了生态保护建议。