黄土高原1990_2000年间的景观格局演变及生态系统服务功能分析

JournalofAridLandResourcesandEnvironmentVol．25No．5

May．2011

文章编号：1003－7578（2011）05－008－06

黄土高原1990－2000年间的

景观格局演变及生态系统服务功能分析

刘琳，刘雪华

（清华大学环境科学与工程系北京100084）

*

要：景观格局演变和生态系统服务功能的研究有助于区域的规划和管理。文中以1990和2000年的

土地利用覆被数据为基础，以ArcGIS和Fragstats软件为平台，分析了黄土高原生态系统服务功能的变迁，并选

提

取了多样性、均匀度、连通性和破碎度等指标，研究了黄土高原1990－2000的景观格局演变。结果表明：1）研究区域内以林地、草地和农田的景观类型为主；1990－2000年草地和林地面积增大，农田面积减少，年均变化0．14%和－0．35%；2000年景观连通性指数增大且破碎度指数下降，景观类型趋于集中，在率分别为1．14%、

1990－2000年黄土高原生态系统服务功能呈现上升的趋势，但中分布上有利于生态建设。2）从区域整体看，

部局部地区生态系统服务功能变差趋势明显；生态系统服务功能主要体现在土壤形成与保护、废物处理、生物多样性保护和气候调节等方面。因此，注重生态环境保护，合理进行区域景观开发和治理，提高区域生态系统服务功能，促进生态和经济的双重发展。

关键词：黄土高原；景观格局；生态系统服务功能

中图分类号：X171．1文献标识码：A

\"生态系统服务\"的概念由Ehrlich在1983年提出［1］，是指生态系统与生态过程形成及维持的人类赖

［2，3］

。生态系统服务不仅包括生态系统为人类所提供的食物、以生存的自然环境条件和效用医药及其它

更重要的是还包括支撑与维持地球的生命支持系统，维持生命物质的生物地化循环与水工农业生产原料，

［4］

文循环，维持生物物种与遗传多样性，净化环境，维持大气化学的平衡与稳定。

生态系统服务功能价值评价是特定尺度下对生态系统为人类提供的服务进行定量的研究，实现了人

［5］

类对自然资源和生态系统的量化评价，使得人们从一个新的角度来评价人与自然的关系。目前，许多

［5－11］

。学者已经开展了全球或区域生态系统服务价值评价的大量工作

［9］

黄土高原是水土流失、生态环境失衡严重的区域之一，改善黄土高原的生态环境在西部开发中具

［24］［5］

因此，其演变趋势已经成为相关领域的研究重点。自从国家实施退耕还林还草和天然有重要意义，

2

林保护以来，仅1999－2001试点期间西部地区完成退耕还林124．5万hm，荒山荒地造林109万hm2［23］；位于黄土高原的吴起县成为\"全国退耕还林第一县\"，1999年就一次性退耕10．4万hm2，率先启

对动实施了退耕还林工程（http：//forum．home．news．cn）。实施对区域景观格局带来了深远的影响，

景观格局的变化导致的该区域生态系统服务功能变化趋势进行分析，其结果对黄土高原的治理和的实施有一定指导意义。

景观空间格局的分析和研究不仅有助于探讨景观格局与生态过程的关系，而且对于建立区域生态廊

［22］

提高生物多样性，控制水土流失，增强景观的连续性具有特别重要的意义。近10年来，运用景观生道，

［17～21］

。但是，态学方法探讨陕北黄土高原地区生态环境变化、成因已成为研究热点在大尺度下，对整个黄

土高原运用景观生态学方法进行景观格局演变和生态系统服务功能变化分析的研究目前尚不多见。

文中运用景观生态学的方法，探索人类活动导致的景观格局演化及其对生态系统服务功能的影响，用

*

收稿日期：2010－3－1。

基金项目：国家科技部支撑项目（2006BAB06B07）资助。作者简介：刘琳（1979－），安徽滁州人，博士，研究方向：环境生态学。通讯作者：刘雪华

Email：xuehua－hjx@tsinghua．edu．cn

Email：liulin2005@qq．com

第5期刘琳等黄土高原1990－2000年间的景观格局演变及生态系统服务功能分析·9·

以阐明该区域生态环境的状况，以便于生态环境保护工作的深入开展，为黄土高原的治理提供科学依据，从而更好地维持和保育生态系统服务功能，促进经济社会可持续发展。

1研究区概况与研究方法

1．1研究区域

黄土高原位于中国中部偏北（图1），东起太行山，西至乌鞘岭，南连秦岭，北抵长城，主要包括山西、陕西、以及甘肃、青

2

海、宁夏、河南等省部分地区，面积约万hm，占世界黄土分布面积的70%，为世界最大的黄土堆积区。主要生态特征为：黄土层深厚，平均达50－80m，气候较干旱，降水时间集中，植被稀疏，水土流失严重。1．2数据来源

1990年和2000年中国区域土地覆盖数据均来源于中国

1990年数据采用中科科学院地球科学数据共享平台。其中，

在中国科学院1：10万按县分幅的土地院资源环境分类系统，

资源调查成果的基础上进行了合并、面积最大法的矢量栅格

图1研究区域位置转换，得到全国幅的土地利用数据产品。2000年数据采用非

Fig．1Themapshowingthelocation监督分类法，并参考中国植被图解译得到全国土地利用数据

oftheLoessPlateauinChina

产品。黄土高原土地利用数据采用ArcGIS中ArcToolsbox的Extraction工具提取。1．3研究方法

1．3．1景观格局变化

景观格局指数是能够高度浓缩景观格局信息，反映其结构组成和空间分布特征的定量指标。文中采

在土地利用数据的基础上，运用FRAGSTATS3．3软件计算多样性、均匀性、连通性和用景观异质性指数，

破碎度等景观格局指数。

表1中国陆地生态系统单位面积选取占区域面积的90%、分布较为完整、并且服务功

2［7］

生态服务价值系数表（元/hm·a）能较高的景观类型为景观格局分析对象。

Tab．1Ecosystemservicevalue1．3．2生态系统服务功能价值分析

per－unitareaofChineseterrestrialecosystem［6］

参考Costanza的研究成果，并采用谢高地的方

单项服务功能林地草地农田［7］

法，采用以下公式（1）分析不同土地利用类型的景观服务价值：ESVf=Σ（Ai×K）

i=1n

气体调节气候调节水源涵养

3097．0023．102831．503450．901159．202884．6088．502300．601132．60

707．90796．40707．90

442．20787．50530．90

（1）

式中：ESVf为生态系统单项服务功能价值（元）；Ai为

2

研究区域内第i种景观类型的分布面积（hm）；K是单项服

2

务功能价值系数（元/hm·a）（表1）。

土壤形成与保护

废物处理生物多样性保护

食物生产原材料娱乐文化

1725．501159．209．50265．5044．2035．40

1291．901451．20628．20884．9088．508．80

2结果

表2黄土高原1990和2000年景观类型比例（%）2．1景观格局变化

Tab．2Theproportionoftheareasofthree1990和2000两年的土地利用格局分析结果表明，林

landscapetypesinLoessPlateauin1990and2000

地、草地和农田三类景观占区域面积的约90%，为黄土高

19902000景观类型年变化率

原的主要景观类型（表2）。其中，草地占比例最大，超过区14．8715．090．14林地

40%，，为黄土高原面积最大的景观类型其次域总面积的41．6846．441．14草地

34．1332．99－0．35农田是农田、林地。

10年间三种主要景观类型面积变化差异较大。草地的面积增加幅度最大，为每年1．14%；其次是林年增加率达0．14%；农田的面积呈现减少的趋势，年变化率为0．35%。林地和草地面积的增加，主要地，

得益于加大对森林的保护、以及大力实施退耕还林等措施的实施。

·10·干旱区资源与环境第25卷

表3黄土高原1990和2000年景观多样性是指不同类型的景观在空间结构，功能机制和时间动

景观格局指数变化分析态方面的多样化和变异性，用以描述景观的异质程度。1990－2000年

Tab．3Fourlandscapepatternindices

的十年间，黄土高原景观多样性指数从1．29降到1．18，降幅达8．5%ofLoessPlateauin1990and2000（表3）。景观指数19902000变化幅度（%）

1．291．18－8．5多样性均匀度指数反映了景观中各类型的均匀程度，取值范围为0～1之

0．800．73－8．8均匀度间，与多样性指数正相关。本区域的均匀度指数表现出与多样性相似

0．060．12+100连通性

从0．80降到0．73，降幅达到8．8%（表3），空间异质程度的变化规律，

0．950．81－14．7破碎度

和系统稳定性有所降低。

连通性是景观对生态流的便利或阻碍程度，反应了栖息斑块间由于斑块的空间蔓延和生物体对景观结构的运动反应所产生的功能关系，是衡量景观格局和功能的一个重要指标，维持良好的连通性是保护生物多样性和维持生态系统稳定性和整体性的关键因素之一。黄土高原景观连通性指数从1999年的0．06上升到2000年的0．12，涨幅达到100%（表3），表明区域景观连接程度呈现良好演变的趋势。

景观破碎度指景观被分割的破碎化程度，它与自然资源的保护密切相关。区域景观破碎度指数从1990年到2000年表现出显著的下降，降幅达14．7%（表3）。2．2生态系统服务功能的空间格局变化

黄土高原1990－2000年10年间林地、草地和农田三种主要景观类型的服务功能空间分析结果表明东部和东南地区的服务功能好于西部和西北地区（图2）。1990年服务功能较高的地方主要分布在黄河中游支流流域范围内，即区域的东部和南部，陕北南部、关中南部和山西汾河东西两侧的大部分地区；服务功能中等的区域广泛分布在区域西北部；服务功能较低的地方主要是渭河和汾河流域。与1990年相比，2000年生态系统服务功能总体增强，服务功能较高的区域面积增大，区域东部服务功能转好明显，但陕北中部部分地区服务功能显著下降。

图21990和2000年黄土高原生态服务功能价值空间格局Fig．2EcosystemservicepatternsinLoessPlateauin1990and2000

2．3三类景观的生态服务功能价值变化

黄土高原三类主要景观的服务功能变化差异较大（图3）。林地生态系统单项服务功能主要集中在土壤形成和保护，气体调节，生物多样性保护（图3A）。从1990到2000年，林地单项服务功能均有所增加，

2

其中气体调节价值增幅最大，这主要是由气体调节价值系数较高（3097元/hm·a）以及林地面积增加所

2000年引起的。草地生态系统单项服务功能主要集中在土壤形成与保护，废物处理和生物多样性保护，

较1990年各项服务功能增加较多（图3B）。农田生态系统单项功服务功能在2000年均有所减少，较高的服务功能集中在废物处理，土壤形成保护和食物生产（图3C）。

林地、草地和农田三种主要景观类型单项综合服务价值在10年间均有增大，但增大幅度有差异（图3D）。从综合生态系统服务功能价值看，单项生态系统服务功能增加值由大到小依次为：土壤形成与保护＞废物处理＞生物多样性保护＞气候调节＞水源涵养＞气体调节＞食物生产＞原材料供给＞娱乐文化。其中废物处理增幅最高，达6．54%，是由于该服务功能的价值系数在三类生态系统中价值均较高，总价值基数较小，以及林地和草地面积增加所引起的；其次为土壤形成于保护，增幅为6．28%，是由于该服务功

第5期刘琳等黄土高原1990－2000年间的景观格局演变及生态系统服务功能分析·11·

能的价值系数在林地生态系统中价值较高且林地面积增加所引起的；增幅5．71%的生物多样性保护位于第三。

图31990－2000年黄土高原主要景观类型的生态服务功能变化

Fig．3ThechangeofecosystemservicevaluesofthreeecosystemtypesinLoessPlateauin1990and2000

3讨论

3．1黄土高原景观类型的确定

黄土高原主要景观类型为林地、草地和农田。所有景观类型中，林地、草地和农田三种景观类型占区域面积的约90%，其他类型的景观总面积仅占10%左右，比例较小，且分布零散，其生态系统服务功能较

［25］

低。任怡（2009）研究认为黄土高原沟壑区长武县景观类型以园地、林地为主，陕北黄土高原纸坊沟流

［26］

域景观生态系统以旱地、草地和林地为基质。黄土高原小区域的景观类型分析结果与文中分析完全一

则对区域的整体变化趋势将有较大的影响，其结果将不能完整致。如果非主要类型的景观参与综合计算，

的反应该区域的实际景观格局和生态系统服务功能的状况，因此，文中只选择了这三类主要景观进行分析和比较。

3．2黄土高原景观格局演变

黄土高原1990～2000年三类主要景观的格局变化较大。草地和林地面积增大的同时农田面积减少，

0．14和－0．35%。与1990年相比，2000年景观格局指数多样性指数和均匀度指年均变化率分别为1．14、

数变小，而连通性指数增大，破碎度指数下降。景观多样性与均匀性指数的下降，反映了土地利用方式的集中，景观连通性面积变化恰好也验证了这一点。作为主要景观类型的草地，在景观比例与面积上都有大幅度的增长，同样反应了景观连通性的增加，土地利用表现更加集中。

文中研究结果与其他学者的成果存在部分差异。马安青等人认为从1986－2000年的14年间，陇东

［9］

黄土高原农田、林地、草地面积均在减少；而对于黄土高原沟壑区王东沟的研究表明1994－2004年农田

［11］

草地面积大量增加，而林地面积变化不大。文中研究结果与他人的不完全一致，据分面积大幅度减少，

析主要由于土地利用分类系统及分类标准的差异、以及黄土高原复杂的空间异质性和研究时间段的不完全一致造成的。尽管研究结果上存在差异，但都表明了黄土高原近年来景观格局具有较大的变化。

人类活动应当是景观格局动态变化的重要主导因子之一。1998年退耕还林还草的国家实施以后，同时在经济利益的驱动下，林地，草地和农田三类黄土高原的主要景观类型格局发生较大的变化，表明

1990－2000年期间黄土高原景观格局的复杂变迁是向着有利于生生态治理措施的实施具有一定的成效，

·12·干旱区资源与环境第25卷

态建设的方向发展的。

3．3黄土高原生态系统服务功能变化

黄土高原生态系统服务功能变化较大，且存在一定的空间差异。由于不同类型景观格局对生态系统

农田生态系统服务功能相对林草生态系统较低，因此，林草生态系统面积服务功能的变化效应是不同的，

的增加有利于改善生态环境，提高生态服务功能价值，黄土高原10年间的景观格局的变化趋势。从黄土

1990－2000年黄土高原生态系统服务功能呈现转好的趋势，高原整体区域看，与生态服务价值提高的方

生态系统服务功能变好的区域主要在南部和西部部分地区，北部变化不大，向是相同的。从空间上来看，

中部局部地区生态系统服务功能变差的趋势明显。不同景观类型的生态系统服务价值和面积的变化导致了黄土高原三类主要景观的服务功能主要体现在土壤形成与保护、废物处理、生物多样性保护和气候调节等方面。

研究尺度的不同对结果有较大的影响。文中仅在大尺度上研究了黄土高原整体的景观格局和生态系统服务功能变化，由于生态系统服务的复杂性，以及黄土高原内部的空间异质性较大，小尺度的区域内演变趋势是千差万别的。对黄土高原沟壑区－王东沟流域生态服务功能价值分析结果表明，近年来该区域

［11］

生态系统服务功能呈上升的趋势；陕北黄土高原南部生态系统服务价值缓慢的增加且局部地区生态系

［16］

涵养水分统服务价值的减少剧烈；对黄土高原丘陵沟壑区安塞县不同类型农业生态系统的保持土壤、

［8］

等服务功能的核算结果表明脆弱生态系统为经济生产力提供了巨大的生态服务。这些小区域内的研究结果在整体趋势上均与文中研究具有较高的一致性。

生态系统服务功能取决于一定时空上生态系统结构和生态过程，人类从生态系统获得利益的大小与

［12］

生态系统的时空尺度有着密切关系。随着人口的增长和科技的发展，人类逐渐加大对生物资源的利用强度，并创造了巨大的物质财富，与此同时，土地开垦等人类活动也改变了生态系统的结构，严重影响多种

［13］

生态系统服务功能的维持。据统计，人类改变或认为因人类活动导致退化的土地占到陆地表面的39－50%［14］。我国陆地生态系统具有巨大的生态经济效益，对维持我国社会经济的可持续发展具有不可替

［15］

代的作用。黄土高原作为陆地生态系统的典型而又特殊的区域，在环境脆弱与经济发展低下的双重胁

［5］

迫下，进行既适合环境保护又适应当地经济发展需求的战略对策的探索是至关重要的。因此，生态环境保护、合理进行区域治理和开发、提高多样性、维护区域生态系统的结构和功能，从而提高生态系统服务功能是黄土高原生态治理的目标和任务之一。

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LandscapepatternandecosystemservicefunctionofLoessPlateauduring1990－2000

LIULin，LIUXuehua

（DepartmentofEnvironmentScienceandEngineering，TsinghuaUniversity，Beijing100084，P．R．China）

Abstract：Researchonlandscapepatternandecosystemservicechangesishelpfulforregionalplanningandmanagement．Basedonlandusedataof1990and2000，throughArcGISandFragstatssoftware，combingcoverlandscapepatternindicts，ecosystemserviceschangeslandusecoverageandlandscapepatternindices（diversity，evenness，connectivityandfragmentindices），weanalyzedthelandscapepatternandecosystemserviceschan-ges．Theresultsshowedthat（1）forestland，grasslandandfarmlandarethemainlandscapepatterns．From1990to2000，farmlanddecreasedwhilegrasslandandforestlandincreasedgreatly，theirchangerateswere－0．35%，1．14%and0．14%respectively．Connectivityindexincreasedandfragmentindexdecreasedin2000，thispat-ternshowedthatlandusepatternconcentratedinlargelandscapefactorsandbeneficialtoecologicalconstruction．（2）Themostimportantecosystemservicefunctionsweresoilformation，wastetreatment，bio－diversityconser-butthereductionofthee-vationandclimateregulation．Thefunctionofecosystemservicesincreasedingeneral，cosystemservicesvalueinpartareaofmiddleregionchangedgreatly．Therefore，weshouldpaymoreattentiontoecologicalenvironmentprotection，rationalregionalexploitationandgovernance，maintainingstructureandfunc-tionofecosystem．

Keywords：LoessPlateau；landscapepattern；ecosystemservicefunction