三北地区土地利用动态变化及对生态系统服务价值的影响

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土地利用类型之间的动态变化可以有效的反映自然格局、变化过程及与人类社会之间的相互关系。同时,与水源涵养、气候变化、生物多样性等生态系统服务功能密切相关。本研究采用欧空局发布的 ESA-CCI-LC(Climate Change initiative-Land Cover)的土地覆被数据,选取了 1992年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年六期土地覆被数据作为研究的基础数据。基于IDRISI 18.3以及ArcGIS 10.6等空间分析软件,采用土地利用强度分析法、土地利用动态度及CA-Markov模型等方法对三北地区的土地利用类型的动态变化进行定量分析。参照谢高地的价值当量因子法,在此基础上建立适用于三北地区的生态系统服务价值当量因子表,并基于格网单元对三北地区生态系统服务价值进行时空差异分析,通过灰色关联系数得出各土地类型的变化对生态系统服务的影响程度。主要研究结果如下:(1)基于Land Cover数据对土地利用时空变化规律的分析。三北地区土地利用类型的结构特征从时间角度分析,各土地类型的面积变化呈现出“五增一减”的趋势,即耕地、林地、草地、水域、城镇面积增加,未利用地面积减少。不同时间间隔面积变化强度整体呈现“缓慢变化-剧烈变化-明显变化”的趋势;各类型之间,耕地-林地-草地三者之间相互转化频繁。此外,耕地与城镇之间的转化强度最强烈,城镇面积的增加主要是以耕地为目标,呈“冒进式”增长的趋势。从空间角度分析,三北地区土地利用类型整体呈现“空间分布不平衡、区域差异显著”的特点。土地类型利用强度上体现了“东中部高,西部低”的特征。东中部地区土地利用率高,西部地区土地利用率相对较低。土地利用动态度上,三北地区的在1992-2015年间至少发生过一次大的覆被变化,其中没有发生覆被变化的面积约占90%,发生一次覆被变化类型的面积约占5%左右,发生两次以上变化的类型低于5%。三北地区的的土地利用类型的变化处于一个相对稳定的状态,国家政策的相继实施,对研究区土地类型的变化具有一定的扰动作用。为此,运用CA-Markov模型对三北地区2030年土地利用变化进行模拟预测,模拟效果良好。土地利用类型依然是东部地区以耕地和林地为主,中部地区主要以草地为主,西部未利用地占据主导地位。与2015年相比,总体布局呈现了“三增三减”的动态变化规律,耕地、林地和草地增加,增长率分别为1.17%、0.3%、1.51%,水域、城镇和未利用地面积减少变化率分别为-0.69%、-0.04%、-0.42%。(2)基于价值当量因子法对生态系统服务价值进行时空变化分析。整体生态服务价值时序来看,1992-2015年间三北地区生态服务的总价值呈现出一个波动上升的趋势。草地是三北地区生态系统服务价值量最高的,其次是林地。林地在各时间段的价值量具有间歇性变化并呈现逐年上升的趋势。从单项ESV的比较来看,调节服务的价值在个时间间隔内均表现最明显,其生态价值占研究区总体ESV的66.6%,其次为支持服务其占比为20.2%,支持服务和供给服务的总价值不超多10%,林地、草地面积的变化,带动了三北地区生态系统的调节服务和支持服务价值的提升。从空间分布上来看,ESV总体呈现出明显的“东北高,西南低”的空间分布特征,生态服务价值高值区和较高值区主要分布在三北地区的东北部,而低值区和较低值区则主要分布在西部和中部区域。不同服务类型随着群落本身及周围环境的变化呈现出区域性的差异。(3)土地利用变化对生态系统服务价值的影响。基于灰色关联度的方法对土地利用变化与生态系统服务价值进行定量分析。由土灰色关联度数据分析可知,生态系统服务价值与草地类型的关联度最高,关联系数为0.6669,耕地、林地关联度次之,关联系数分别为0.4918、0.4634,即草地生态系统对三北地区生态系统服务价值总量影响较大。同时,耕地和林地面积的波动性增加带动了粮食生产和原材料生产的发展,推动生态系统服务增值具有重要作用。
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