洞庭湖区生态系统服务价值与土地利用耦合关系研究.pdf

第 35 卷第 3 期湖南文理学院学报(自然科学版)Vol.35 No.32023 年 9 月Journal of Hunan University of Arts and Science(Science and Technology)Sep.2023doi:10.3969/j.issn.16726146.2023.03.015洞庭湖区生态系统服务价值与土地利用耦合关系研究陈端吕,陈哲夫,彭保发(湖南文理学院 地理科学与旅游学院,湖南 常德,415000)摘要:土地利用与生态系统服务的影响研究是生态学和地理学的重要内容,研究其耦合协调关系,可为土地利用与生态系统服务协调互动与高质量发展提供决策参考。本文在分析 1990 年2020 年期间的土地利用综合程度及生态系统服务价值时空演化的基础上,采用耦合协调度模型探讨了土地利用程度与生态系统服务耦合协调关系。研究发现:(1)洞庭湖区土地利用综合指数在研究期间不断提高,土地开发利用集约程度较好,生态服务价值综合指数呈平稳增长势态;(2)土地综合利用程度与生态系统服务价值耦合度比较稳定,协调度皆处于中度协调阶段,在时间演进特征总体表现出平稳发展态势,所有服务类型的耦合度在研究期间基本呈现上升趋势,但协调度所呈现的规律不明显,较为复杂;(3)各县域耦合特征的空间分布呈现复杂的动态耦合关系,耦合度总体呈上升趋势,但耦合协调度普遍较低。关键词:土地利用;生态系统服务;耦合协调度模型;洞庭湖区中图分类号:K 909文献标志码:A文章编号:16726146(2023)03008008Research on the coupling relationship between land use and ecosystemservices in the Dongting Lake regionChen Duanlyu,Chen Zhefu,Peng Baofa(College of Geographic Sciences and Tourism,Hunan University of Arts and Science,Changde 415000,China)Abstract:Land use is an important factor affecting ecosystem services.Decision-making reference for thecoordination and high-quality development of land use and ecosystem services can be provided by analyzing thecoupling and coordination relationship between comprehensive land use and ecosystem services.Based on theanalysis of the spatial and temporal evolution of land use and ecosystem service value from 1990 to 2020,thecoupling coordination model is used to explore the coupling coordination relationship between land use andecosystem services.The results indicate that:(1)The comprehensive index of land use in Dongting Lake region wascontinuously improved during the study period,the intensive degree of land development and utilization was good,and the comprehensive index of ecological service value increased steadily.(2)The coupling degree between landuse and the ecological services value is relatively stable,and the coordination degree is in a moderate coordinationstage,and overall change trend is stable.The coupling degree of all types of ecosystem services basically shows anupward trend during the study period,but the coordination degree is more complex than the coupling degree.(3)Thespatial distribution of the coupling characteristics reveals a complex dynamic relationship,and the coupling degree isgenerally on the rise,but the coordination degree is generally low.Key words:land use;ecosystem services;coupling coordination model;Dongting Lake region通信作者:陈端吕,。收稿日期:20220826基金项目:国家自然科学基金项目(42271229,42171213);湖南省教育厅重点项目(19A334)。第 3 期陈端吕,等:洞庭湖区生态系统服务价值与土地利用耦合关系研究81土地承载着自然生态系统,土地集约利用对生态环境产生了巨大的影响1。土地利用是生态系统服务变化的主要影响因素之一,主要通过改变土地结构与功能导致生态服务价值发生改变,因此,探讨土地利用与生态系统服务的耦合关系,对于土地利用结构优化、区域生态安全与可持续发展都具有重要意义2。国内外学者探究了土地利用与生态系统服务存在着较为复杂的动态耦合关系,从土地利用类型、格局与演化方面研究了土地利用对生态系统服务的影响36,生态系统服务同时对土地利用演化存在响应7。人类活动对土地利用与生态系统服务的复杂关系存在一定的作用8。研究方法上应用土地利用强度指数9、弹性指数10揭示土地利用对生态系统服务的影响。本文引入耦合协调度模型,探讨土地利用与生态系统服务的演变规律及良性互动发展,为建立土地利用与生态系统服务协调机制提供参考。1研究区概况洞庭湖区湖南省境内有 24 个县(市、区),分别为常德市市辖区(武陵区、鼎城区)、桃源县、澧县、临澧县、津市市、安乡县、汉寿县、石门县;岳阳市市辖区(岳阳楼区、云溪区、君山区)、岳阳县、汨罗市、临湘市、湘阴县、华容县、平江县;益阳市市辖区(资阳区、赫山区)、沅江市、南县、安化县、桃江县。在我国的生态功能分区中,洞庭湖已被列为我国生物多样性的重点地区、中国南方高产发展商品粮基地和国家防洪调蓄工程三级功能区,在保护长江地区的生态环境、保护水资源、保障我国粮食安全等方面起到了重要作用。2研究方法2.1生态系统服务价值评估方法生态系统服务价值评估主要根据谢高地等学者的相关研究1112,修订洞庭湖区各类土地生态系统服务价值系数,进行生态系统服务价值评估。生态系统服务类型包括气体交换、气候调节、水源涵养、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、娱乐休闲等。将生态系统服务价值进行标准化处理,作为生态服务价值综合指数函数 Ey,Ey值越大说明生态环境好,越小说明生态环境破坏严重。2.2土地利用程度的空间分析方法土地利用程度反映人类利用土地资源的深度与广度,土地综合利用指数能体现土地开发利用的集约水平13,其计算公式为:1100()nxiiiLWX=。其中,Wi为土地利用类型 i 的土地利用指数,Xi为土地利用类型 i 的面积标准化值,n 为土地利用类型,Lx值说明了土地利用集约水平的高低。对于土地利用指数 Wi,参考刘纪远14和王思远等15的研究,结合主城区实际情况,将土地利用指数分为 4 级,未利用地为 1,林地、草地与水域为 2,耕地为 3,建设用地为 416,并进行标准化处理,权重总和为 1。2.3土地利用与生态系统服务的耦合协调模型依据有关学者对两种不同系统的耦合协调度的研究1718,运用洞庭湖区土地综合利用指数与生态服务价值综合指数,构建土地利用程度与生态服务价值耦合度评价模型:122()()xyxyxyLECLELE=+。其中,C 为土地利用程度和生态服务价值的耦合程度,C(0C1)值越大表明二者耦合程度越强。由于耦合度仅反映土地利用程度与生态服务价值相互作用的程度强弱,不体现相互作用中良性耦合程度与协调发展状况,因此,根据 C、Lx与 Ey构建协调度评价模型 D:DCT=;xyTaLbE=+。其中,D 为协调度,T 为综合评价指数,a 和 b 为土地综合利用与生态系统服务价值的权重,设定 a 与 b皆为 0.5。耦合度 C 与协调度 D 等级划分标准见表 1。表 1耦合度与协调度等级划分耦合度取值 C耦合阶段协调度 D协调等级0C0.4低水平耦合0D0.4低度协调0.4C0.5拮抗0.4D0.5中度协调82湖南文理学院学报(自然科学版)2023 年3结果与分析3.1土地利用程度分析3.1.1土地利用的空间分布图 1 为洞庭湖区 19902020 年土地利用空间分布。19902020 年期间,洞庭湖区耕地与林地占80%以上的面积,其中林地面积比例达 45%,耕地面积 36%以上。19902020 年土地利用类型变化不明显,各土地类型相互转换的面积比例不大。3.1.2土地利用程度综合分析表 2 为 19902020 年土地利用程度综合指数。由表2 可知,洞庭湖区土地利用综合指数 19902020 年间从0.127 8 上升到 0.175 9,土地利用程度综合指数在研究期间不断提高,尤其以 20102020 年间增长程度较大,主要研究期间洞庭湖区的城镇化力度加大,使土地利用程度处于较高水平。耕地是所有类型土地利用程度指数最高的,但研究期间指数不断减少,而建设用地的土地利用程度指数增长最多,水域、草地、林地和未利用地的土地利用程度指数变化较小。200002005020100199019952015020200图 1洞庭湖区 19902020 年土地利用空间分布续表 10.5C0.8磨合0.5D0.8良好协调0.8C1高水平耦合0.8D废物处理土壤形成与保护气候调节生物多样性保护气体交换原材料娱乐文化食物生产。从单项生态系统服务的变化来看,根据 2020 年与 1990 年的对比,增加的生态系统服务主要有气候调节、废物处理、娱乐休闲,减少的类型主要有气体交换、水源涵养、土壤形成与保护、生物多样性保护、原材料等。3.2.2生态系统服务价值的空间构成图 3 为 19902020 年洞庭湖区生态系统服务价值空间分布。由图 3 可以看出,30 年间虽然各县域的生态系统服务价值有所变化,但整体空间分布格局基本一致。洞庭湖区生态系统服务价值较高的区域主要分布在安化县、平江县,生态系统服务价值中等的是石门县,生态系统服务价值较低的是各县市城镇区,主要是受城镇化等人类活动的影响。图 2不同时期单项生态系统服务构成84湖南文理学院学报(自然科学版)2023 年3.2.3生态系统服务的指数计算图 4 为土地利用程度和生态服务综合指数变化趋势。总体上讲,19902020 生态服务价值指数呈现增加趋势,但增加幅度不大,主要原因是虽然提升了生态系统质量,但土地利用结构发生了变化,建设用地规模有所增加,生态系统服务价值在本研究中设为 0,导致生态服务价值综合指数的减少。生态系统服务价值综合指数 30 年间从 0.314 加到 0.320。而且增加速度略大于土地利用综合指数,说明土地利用变化过程中生态环境总体质量还是比较平稳。主要是人类活动使土地利用结构发生改变,从而导致生态服务价值变化,经济相对发达地区建设用地猛增,耕地和草地减少,土地综合利用程度增加,但同时也通过生态环境保护措施提升了生态综合质量。3.3土地利用与生态服务价值耦合关系3.3.1土地利用与生态服务价值耦合特征的总体趋势耦合度反映土地利用与生态服务两个系统间相互作用程度大小。图 5 为土地利用程度与生态服务综合指数的耦合度与协调度变化趋势。由图5可知,19902020年土地利用综合指数与生态服务价值指数耦合度比较稳定,耦合度均在 0.9 以上,且 2015 年与 2020 年1990199520102015200020052020图 319902020 年洞庭湖区生态系统服务价值空间分布图 4土地利用程度和生态服务综合指数变化趋势第 3 期陈端吕,等:洞庭湖区生态系统服务价值与土地利用耦合关系研究85接近 1,表明关联程度非常高。从洞庭湖区土地利用变化与生态服务价值变化综合评价指数 T 来看,19902020 年一直在 0.220.24 之间波动,从整体来看综合评价指数比较低,但 20152020 年增加到0.24,说明洞庭湖区土地利用与生态环境相对协调。协调度体现土地利用与生态服务两系统的耦合协调水平,协调度主要分布在 0.40.5 之间,皆处于中度协调阶段,在时间演进特征上总体表现为逐年增长趋势,表明城镇化与经济发展引起土地综合利用程度提高,对生态服务价值增长与生态环境带来较大压力,成为生态发展水平的胁迫因素,但各类生态系统通过结构优化不断提升服务功能,实现了土地利用与生态环境协调发展。从生态系统服务单个类型的耦合协调趋势来看,由于不同土地利用类型所提供的服务各有侧重,生态系统服务与土地利用的耦合关系呈现了相应的复杂性,与总价值相比呈现不同的特征。图 6 为不同生态系统服务类型与土地利用的耦合协调变化。由图 6 可知,研究区的生态系统服务类型的耦合度在研究期间基本呈现上升趋势,而协调度所呈现的规律不明显,其中耦合度最大的年份是 2020 年,但协调度却为最低状态,说明 2020 年度生态经济间存在一定冲突,经济增长、集约利用土地等所带来的很多益处对生态环境有着滞后的影响。生态系统服务类型中,研究期间娱乐休闲的耦合度总体偏低,气体交换的协调度总体偏低,2020 年气体交换、气候调节与原材料类型的协调度最低,皆接近于 0.42。而洞庭湖区一般关注水源涵养与土壤保持问题,因此水源涵养服务与土壤形成与保持服务的耦合度与协调度皆处于相对较高的水平。3.3.2土地利用与生态服务价值耦合特征的空间分布由于土地利用与生态服务价值存在着一种相互制约的互动耦合关系,不同区域不同强度或方式的人类活动会使土地利用格局发生深刻而复杂的变化,土地利用模式影响其生态服务价值空间分布。图 7为土地利用与生态系统服务耦合协调的空间分布。从空间分布来看,洞庭湖区除了华容县与南县外,土地利用程度与生态服务价值的耦合度大多呈现增长趋势,但华容县与南县的协调度呈增长趋势,同时协调度增长的还有平江县、临湘市、岳阳县、桃江县等,在空间格局上的规律性不明显,其复杂的动态耦合关系中,土地利用结构导致其生态服务价值变化。图 5土地利用程度与生态服务综合指数的耦合度与协调度变化趋势服务类型协调度 D(b)协调度图 6不同生态系统服务类型与土地利用的耦合协调变化(a)耦合度耦合度 C服务类型(a)耦合度86湖南文理学院学报(自然科学版)2023 年4结论与讨论通过耦合协调度模型分析,体现了洞庭湖区土地利用与生态系统服务耦合关系的时空变化。主要结论:(1)洞庭湖区土地利用综合指数在研究期间不断提高,尤其以 20102020 年间增长较快,土地开发利用集约程度较好。(2)生态服务价值综合指数增加比较平稳,主要是土地综合利用程度增加,城镇区域建设用地猛增,由于建设用地的综合利用程度高,土地利用程度对生态系统服务呈现负面影响,但土地利用程度体现了经济发展的水平,因此,生态系统服务价值增长不快。(3)土地利用综合程度与生态服务价值耦合度比较稳定,协调度皆处于中度协调阶段,在时间演进特征总体表现出平稳发展态势,所有服务类型的耦合度在研究期间基本呈现上升趋势,而协调度所呈现的规律不明显,较为复杂。各县域耦合特征的空间分布规律性不明显,呈现复杂的动态耦合关系。(4)由于两个系统之间存在大量的交互影响,因此很难确定它们之间综合的因果关系,为保证土地利用结构协调来实现生态环境可持续发展,土地利用与生态系统服务的耦合机制有待于进一步探讨。参考文献:1彭保发,胡曰利,苏臣,等.常德市建设用地集约利用研究J.湖南文理学院学报(自然科学版),2008,20(4):5055.2吾买尔艾力艾买提卡力.新疆伊犁河谷土地利用变化与生态服务价值变化耦合协调关系研究D.武汉:中国地质大学,2021.3董欣,刘鹏程.基于 GEE 的土地利用变化对生态系统服务价值的影响研究以京津冀地区为例J.华中师范大学学报(自然科学版),2020,54(4):670678.4胡和兵,刘红玉,郝敬锋,等.南京市九乡河流域土地利用程度空间异质性分析J.地球信息科学学报,2012,14(5):627634.5李涛,甘德欣,杨知建,等.土地利用变化影响下洞庭湖地区生态系统服务价值的时空演变J.应用生态学报,2016,27(12):3 7873 796.6刘桂林,张落成,张倩.长三角地区土地利用时空变化对生态系统服务价值的影响J.生态学报,2014,34(12):3 3113 319.7汪清川.生态系统服务价值对土地利用变化的响应研究以淮海经济核心区为例D.徐州:中国矿业大学,2021.8刘水良,吴吉林.张家界旅游经济发展和生态环境保护协调关系研究J.湖南文理学院学报(自然科学版),2015,27(4):4853.9石龙宇,崔胜辉,尹锴,等.厦门市土地利用/覆被变化对生态系统服务的影响J.地理学报,2010,65(6):708714.10 Song W,Deng X Z.Land-use/land-cover change and ecosystem service provision in China J.Science of the TotalEnvironment,2017,576:705719.11 谢高地,张彩霞,张雷明,等.基于单位面积价值当量因子的生态系统服务价值化方法改进J.自然资源学报,2015,30(8):1 2431 254.12 邓楚雄,钟小龙,谢炳庚,等.洞庭湖区土地生态系统的服务价值时空变化J.地理研究,2019,38(4):844855.13 简萍,李阳兵,王权.基于地形梯度的典型峰丛洼地区土地利用空间分布格局分析J.长江流域资源与环境,2020,29(5):11281139.14 刘纪远.国家资源环境遥感宏观调查与动态监测研究J.遥感学报,1997,1(3):225230.15 王思远,刘纪远,张增祥,等.中国土地利用时空特征分析J.地理学报,2001,56(6):631639.16 向书江,张骞,王丹,等.近 20 年重庆市主城区碳储量对土地利用/覆被变化的响应及脆弱性分析J.自然资源学图 7土地利用与生态系统服务耦合协调的空间分布(b)协调度第 3 期陈端吕,等:洞庭湖区生态系统服务价值与土地利用耦合关系研究87报,2022,37(5):1 1981 213.17 陈端吕,彭保发,熊建新.环洞庭湖区生态经济系统的耦合特征研究J.地理科学,2013,33(11):1 3381 346.18 王兆峰,汤桂林.长株潭城市群旅游城镇化与生态系统服务价值耦合研究J.中南林业科技大学学报(社会科学版),2021,15(5):8897.(责任编校:郭冬生)4孙玉祥.浅谈烟草卷烟机械设备的管理与维护J.科学技术创新.2018,28(1):189190.5全志军,雷霖.卷烟机械质量水平的模糊综合评价方法J.工程技术.2010,65(3):810.6朱子玉,郭丽霞.卷烟工业企业设备健康状态评价体系研究J.研究与探索.2016.2,26(1):3437.7许佩.故障诊断技术在烟草机械中的应用J.价值工程.2018,21(2):205206.8王文初,郭玉凤,刘锋等.基于主成分回归分析的环境因素与学生身高关系的研究J.湖南文理学院学报(自然科学版),2013,25(2):7883.9逄玉俊,柳明,李元.k 均值聚类分析在过程改进中的应用J.华中科技大学学报(自然科学版),2009,37(S1):245247.10 马逢时,吴诚鸥,蔡霞.基于 MINITAB 的现代实用统计(第 3 版)M.北京:中国人民大学出版社,2013.11 DONG L X,CHEN H.First International Conference on Transportation Informational and Safety C.Wuhan:AmericanSociety of Civil Engineers,2011:2 4662 472.12 MACQUEEN J.Proceedings of the 5thBerkeley Symposium on Mathematical Statistics and Probability C.Berkeyey:University of California Press,1967:281297.13 SAHOO A K,ZUO M J,TIWARI M K,et al.A data clustering algorithm for stratified data partitioning in artificial neuralnetworkJ.Expert Systems withApplications,2012,39(8):7 0047 01414 万新宇,包为民,荆艳东,等.基于主成分分析的洪水相似性研究J.水电能源科学,2007,25(5):3639(责任编校:张艳燕)(上接第 79 页)