區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)重心指標(biāo)的概念與應(yīng)用

曹慧明，董仁才，鄧紅兵，余麗軍，劉建軍，王豪偉，馬　赫

1 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049 3 麗江瀘沽湖省級(jí)旅游區(qū)管理委員會(huì)，麗江 674100 4 麗江瀘沽湖旅游開(kāi)發(fā)有限公司，麗江 674100 5 中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所，城市環(huán)境與健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廈門 361003

?

區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)重心指標(biāo)的概念與應(yīng)用

曹慧明1,2，董仁才1,*，鄧紅兵1，余麗軍3，劉建軍4，王豪偉5，馬赫5

1 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049 3 麗江瀘沽湖省級(jí)旅游區(qū)管理委員會(huì)，麗江 674100 4 麗江瀘沽湖旅游開(kāi)發(fā)有限公司，麗江 674100 5 中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所，城市環(huán)境與健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廈門 361003

摘要:生態(tài)系統(tǒng)重心的變化可以反映生態(tài)系統(tǒng)整體的空間變化的特征和趨勢(shì)，但是，目前生態(tài)系統(tǒng)重心這一指標(biāo)只是簡(jiǎn)單作為指示社會(huì)經(jīng)濟(jì)變化的因子，或是作為輔助的角色用于探索生態(tài)景觀格局的變化，其重要性一直未受到足夠的重視。在闡述生態(tài)系統(tǒng)重心指標(biāo)的概念及內(nèi)涵，總結(jié)國(guó)內(nèi)外有關(guān)重心應(yīng)用研究成果的基礎(chǔ)上，以川滇兩省共同確立的瀘沽湖生態(tài)保護(hù)區(qū)為例，運(yùn)用重心理論分析了1990—2005年該流域生態(tài)系統(tǒng)重心的變化及影響因素。結(jié)果表明，瀘沽湖流域農(nóng)田、森林、草地、濕地和人居用地均具有相對(duì)獨(dú)立且穩(wěn)定的重心區(qū)間。相對(duì)來(lái)說(shuō)，人居用地和農(nóng)田重心的變化幅度明顯大于其他用地，其重心均總體向東南方向偏移，不斷靠近瀘沽湖水體。2005年人居用地和農(nóng)田重心均有所回撤，這主要是因?yàn)?003年瀘沽湖景區(qū)進(jìn)行調(diào)整，政策的強(qiáng)制干預(yù)導(dǎo)致其重心回撤。分析重心變化的影響因素發(fā)現(xiàn)，區(qū)域旅游業(yè)發(fā)展帶來(lái)的人類干擾加劇及國(guó)家的生態(tài)保護(hù)政策主導(dǎo)重心變化。在總結(jié)前人研究和應(yīng)用案例具體分析發(fā)現(xiàn)，由于重心理論假設(shè)區(qū)域背景為勻質(zhì)平面，分析是基于二維空間進(jìn)行，而不考慮海拔維度，這就限制了重心模型應(yīng)用的深度和廣度。但是在瀘沽湖這樣地形復(fù)雜多變的區(qū)域，地形因素在該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)變化過(guò)程中的作用不容忽視。因此，應(yīng)盡快完善在垂直空間應(yīng)用重心理論的研究方法并加強(qiáng)相關(guān)研究。

關(guān)鍵詞：生態(tài)系統(tǒng)重心；概念；應(yīng)用；重心變化；瀘沽湖

區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)為區(qū)域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供諸多服務(wù)功能，不但為人類生存提供了實(shí)物性生態(tài)產(chǎn)品，如木材、食物和工業(yè)原料等，還具有在區(qū)域尺度上調(diào)節(jié)氣候，凈化環(huán)境，減輕自然災(zāi)害等多方面功能[1- 3]。但隨著人口的膨脹和區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和破壞逐步增大。人類對(duì)自然資源的過(guò)度開(kāi)發(fā)和向生態(tài)系統(tǒng)中排放大量生活生產(chǎn)產(chǎn)生的污染物，導(dǎo)致了一系列威脅人類生存和發(fā)展的生態(tài)環(huán)境危機(jī)，其實(shí)質(zhì)是人類對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能和重要性的認(rèn)識(shí)不夠深入。因此，如何科學(xué)的表征和研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的功能和變化至關(guān)重要。

景觀格局的空間特征是景觀生態(tài)學(xué)的核心，是景觀異質(zhì)性的具體體現(xiàn)，可以通過(guò)景觀均勻度、聚集度、蔓延度等指標(biāo)進(jìn)行表征[4]，但是這些指標(biāo)很難在區(qū)域景觀水平反映生態(tài)系統(tǒng)類型整體的長(zhǎng)期空間變化特征。許多研究表明生態(tài)系統(tǒng)重心可以綜合反映某一子系統(tǒng)(斑塊類型)空間位置、轉(zhuǎn)移及結(jié)構(gòu)[5-6]。重心是地理學(xué)上表征同一類型要素不同樣本之間的代表性區(qū)位，其空間變化可以揭示這一類型要素總體的空間動(dòng)態(tài)格局。采用所有同質(zhì)性斑塊重心作為生態(tài)系統(tǒng)變化空間特征研究的關(guān)鍵依據(jù)，有助于揭示生態(tài)系統(tǒng)空間變化規(guī)律，能夠綜合評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)變化趨勢(shì)。重心轉(zhuǎn)移往往與穩(wěn)定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡、負(fù)反饋等特征之間存在矛盾或差異[7]，這就體現(xiàn)了重心轉(zhuǎn)移的合理性評(píng)價(jià)的重要性，也使人為干預(yù)、控制和調(diào)節(jié)的可能性有理可循。

生態(tài)系統(tǒng)重心是借鑒人口重心的概念發(fā)展起來(lái)的[8]，對(duì)于自然生態(tài)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，重心主要受到兩個(gè)要素決定，生態(tài)系統(tǒng)中的每一子系統(tǒng)(斑塊或者景觀網(wǎng)格單元)的面積及其空間位置。對(duì)于既定的子系統(tǒng)來(lái)說(shuō)面積一般是確定的，因此，確定每個(gè)子系統(tǒng)的地理位置是確定生態(tài)系統(tǒng)重心的關(guān)鍵[9]。常用的方法是采用子系統(tǒng)的質(zhì)心或者重心的坐標(biāo)來(lái)表征。對(duì)于勻質(zhì)的物體，重心的位置只跟物體的形狀有關(guān)[10]。因此，生態(tài)系統(tǒng)重心是在假設(shè)一個(gè)區(qū)域?yàn)橘|(zhì)地均勻的平面，區(qū)內(nèi)的每一子系統(tǒng)各自為勻質(zhì)物體的條件下，該子系統(tǒng)在該地區(qū)空間平面上力矩達(dá)到平衡的一點(diǎn)?；谶@樣的假設(shè)，生態(tài)系統(tǒng)重心也就是子系統(tǒng)形狀分布的幾何中心[10]。由于系統(tǒng)重心由多個(gè)子系統(tǒng)共同決定，而斑塊或者景觀網(wǎng)格單元的分布常常是不連續(xù)的分散分布，因此，重心可能并不位于任何一個(gè)斑塊或者景觀網(wǎng)格單元內(nèi)。因此，重心絕對(duì)位置意義不大，其運(yùn)動(dòng)方向、速度和強(qiáng)度是表征某一物質(zhì)在空間上變化的有效指標(biāo)[6]。在一個(gè)獨(dú)立的區(qū)域內(nèi)，生態(tài)系統(tǒng)類型斑塊個(gè)體相對(duì)離散并隨環(huán)境壓力存在較大變動(dòng)，但所有同質(zhì)性的斑塊具有相對(duì)穩(wěn)定的共同重心，這是能夠體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)類型變化狀態(tài)的關(guān)鍵指標(biāo)。穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)必然有相對(duì)穩(wěn)定的重心，其變化方向和程度應(yīng)該是穩(wěn)定在一定的空間范圍內(nèi)的，且變化是可逆的。

重心理論在眾多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，尤其是在社會(huì)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域，區(qū)域、國(guó)家及全球尺度均有研究涉及。研究對(duì)象從人口、經(jīng)濟(jì)、產(chǎn)業(yè)、城市及城市群的重心的分布特征、動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移路徑及空間演變規(guī)律、到食品和能源格局及安全等[11-19]。重心還在專題制圖中起到有效作用[20-21]。

重心理論在生態(tài)系統(tǒng)變化和監(jiān)測(cè)過(guò)程中也發(fā)揮巨大作用。Hamel等[22]運(yùn)用重心理論分析物種活動(dòng)范圍的重心。盧娜等[10]通過(guò)重心理論分析我國(guó)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳凈吸收的空間變化規(guī)律。Mao和Cherkauer[23]分析了生態(tài)系統(tǒng)地理重心的轉(zhuǎn)移對(duì)區(qū)域氣候及水文狀況的影響。通過(guò)植被重心遷移可以明確植被的時(shí)空演變過(guò)程，了解生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及價(jià)值的空間分布和變化[24]。高志強(qiáng)等[25]通過(guò)我國(guó)耕地面積的重心變化，分析了我國(guó)耕地質(zhì)量下降的狀況。重心變化耦合區(qū)域生態(tài)背景的分析有助于評(píng)價(jià)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量[25-26]，為土地利用的規(guī)劃決策提供方向。而綜合多項(xiàng)要素重心分布的空間結(jié)構(gòu)和變化可以反映各要素之間的關(guān)聯(lián)度的強(qiáng)弱，從該結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化中可分析出其運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的合理性和對(duì)其變量產(chǎn)生的影響及影響程度。比如，區(qū)域環(huán)境污染重心識(shí)別及與經(jīng)濟(jì)重心的協(xié)同效應(yīng)分析能識(shí)別出經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)區(qū)域污染的驅(qū)動(dòng)效應(yīng)[27]。將土地利用重心與經(jīng)濟(jì)重心遷移進(jìn)行對(duì)比研究，不僅有助于分析區(qū)域土地資源開(kāi)發(fā)利用情況，揭示區(qū)域內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展空間差異，還可以從資源和經(jīng)濟(jì)兩個(gè)角度對(duì)重心遷移進(jìn)行相互印證研究，從而拓寬區(qū)域重心理論研究的領(lǐng)域。但是，研究發(fā)現(xiàn)由于區(qū)域的不均衡發(fā)展，不同要素重心往往呈現(xiàn)背離的現(xiàn)象，研究重心的背離程度可以為區(qū)域未來(lái)的協(xié)調(diào)發(fā)展提供指導(dǎo)方向[28-29]。

但是，目前生態(tài)系統(tǒng)重心這一指標(biāo)不是作為簡(jiǎn)單指示社會(huì)經(jīng)濟(jì)變化的因子，就是作為輔助的角色用于探索生態(tài)景觀格局的變化，其重要性一直未受到足夠的重視。因此，本文在闡述生態(tài)系統(tǒng)重心指標(biāo)的概念及內(nèi)涵，總結(jié)國(guó)內(nèi)外有關(guān)重心應(yīng)用的研究成果的基礎(chǔ)上，以川滇兩省共同確立的瀘沽湖生態(tài)保護(hù)區(qū)為例，運(yùn)用重心理論分析了近15年來(lái)該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)重心的變化，并分析重心變化的影響因素。

1研究方法

1.1區(qū)域概況

瀘沽湖流域位于我國(guó)四川省和云南省的交界處，地理坐標(biāo)為27°36′55″—27°47′2″N， 100°43′36″—100°54′20″E之間。該區(qū)域位于低緯度高原季風(fēng)氣候帶，垂直差異和小區(qū)域氣候特征明顯。由于湖水的調(diào)節(jié)功能，年溫差較小。因地形起伏較大，有明顯的立體氣候特點(diǎn)。瀘沽湖流域是摩梭人分布相對(duì)集中的地區(qū)，該區(qū)域是以保持摩梭人母系氏族文化特征，具高原湖泊景觀特色，融自然山水與民族風(fēng)情于一體的風(fēng)景資源類型。

1.2研究數(shù)據(jù)

利用1990年、1995年、2001年和2005年4期的30mLandsatTM遙感影像數(shù)據(jù)，依據(jù)瀘沽湖流域的植被類型、土地利用特點(diǎn)，將瀘沽湖流域主要生態(tài)系統(tǒng)類型分為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、森林生態(tài)系統(tǒng)、草地生態(tài)系統(tǒng)、濕地生態(tài)系統(tǒng)4個(gè)自然生態(tài)系統(tǒng)，以及1個(gè)人居環(huán)境子系統(tǒng)，共計(jì)5種類別。

1.3計(jì)算方法

生態(tài)系統(tǒng)重心一般用研究要素的重心坐標(biāo)來(lái)表達(dá)。這些要素既可以是基于分區(qū)(行政區(qū)或按需分區(qū))的人口、產(chǎn)值、糧食產(chǎn)量等，也可以是基于斑塊或者景觀網(wǎng)格單元的面積或質(zhì)量。本研究中某一生態(tài)系統(tǒng)重心坐標(biāo)是基于斑塊的面積進(jìn)行計(jì)算，可用下式表達(dá)[11]：

式中,Xt、Yt分別表示第t年某斑塊重心的經(jīng)緯度坐標(biāo)；Cti表示第t年斑塊i的面積；Xi、Yi表示i的幾何中心的經(jīng)緯度坐標(biāo)；n為斑塊個(gè)數(shù)。

設(shè)第t、t+n年斑塊重心坐標(biāo)分別為Pt(Xt，Yt)、Pt+n(Xt+n，Yt+n)，那么，重心Pt向Pt+n偏移的距離d可用下面的模型表示：

2研究結(jié)果

2.1生態(tài)系統(tǒng)重心變化

1990—2005年各生態(tài)系統(tǒng)重心位置見(jiàn)表1?？梢钥闯?，該區(qū)域農(nóng)田、森林、草地、濕地和人居用地均具有相對(duì)獨(dú)立且穩(wěn)定的重心區(qū)間，這和該區(qū)域?qū)o沽湖及周邊地區(qū)的保護(hù)密切相關(guān)。農(nóng)田與人居用地的重心區(qū)域有所重疊，說(shuō)明農(nóng)田與人類活動(dòng)的相關(guān)程度最高，相對(duì)受到較大的人為干擾和調(diào)控。相對(duì)來(lái)說(shuō)，森林、草地和濕地的重心更穩(wěn)定，而人居用地和農(nóng)田重心的變化幅度相對(duì)較大。

表1　生態(tài)系統(tǒng)重心空間位置坐標(biāo)

表中坐標(biāo)表示法為(x，y)，其中x坐標(biāo)去除了北京54坐標(biāo)系中的帶號(hào)17

重心是區(qū)域內(nèi)各要素矢量的合力點(diǎn)，而各要素變化方向和速率迥異，因此，生態(tài)系統(tǒng)重心是一個(gè)動(dòng)態(tài)的指標(biāo)[7]，由于生態(tài)系統(tǒng)本身的反饋機(jī)制，穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)的重心總是在一定的范圍內(nèi)通過(guò)不斷的折返達(dá)到分布態(tài)勢(shì)多年變化不大的情況。而處于擾動(dòng)中的生態(tài)系統(tǒng)，其重心往往朝某個(gè)方向持續(xù)變化，直至達(dá)到新的相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。本研究中，草地、森林和濕地的重心變化范圍較小，且呈不斷折返的變化趨勢(shì)，說(shuō)明這些生態(tài)系統(tǒng)處于穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)平衡中。而人居和農(nóng)田用地的重心變化范圍則相對(duì)較大。1990—2001年，人居用地和農(nóng)田的重心均總體向東南方向偏移，不斷靠近瀘沽湖水體，這說(shuō)明人居環(huán)境和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)朝水資源應(yīng)用更便利的方向移動(dòng)，也是對(duì)水資源利用和干擾程度加強(qiáng)的表現(xiàn)(圖1)。

圖1　不同時(shí)期生態(tài)系統(tǒng)重心變化示意圖Fig.1　The scatter plot of ecosystem centroids in different year

從重心偏移距離來(lái)看，1990—2001年，除森林生態(tài)系統(tǒng)外的其他生態(tài)系統(tǒng)的重心偏移距離均呈不同程度的持續(xù)增加，農(nóng)田和人居的重心變化距離相對(duì)較大，分別為5675m和2576m。2005年，這些生態(tài)系統(tǒng)重心偏移距離均呈不同程度的回撤，與2001年相比，農(nóng)田、草地和人居重心的回撤距離超過(guò)50%(表2)，這是2003年瀘沽湖景區(qū)的強(qiáng)制干預(yù)政策起作用的體現(xiàn)。與其他生態(tài)系統(tǒng)不同的是，森林生態(tài)系統(tǒng)的重心一直在一定范圍內(nèi)呈折返變化，1990—1995年森林的重心移動(dòng)了1942m，這也是研究期內(nèi)森林重心移動(dòng)的最大距離，之后重心折返，2005年，重心總體呈相反方向變化，景區(qū)的干預(yù)政策對(duì)森林重心的變化方向幾乎沒(méi)有影響，這也間接證明了森林生態(tài)系統(tǒng)自身的穩(wěn)定性。

表2　生態(tài)系統(tǒng)類型重心的偏移距離/m

移動(dòng)距離是以1990年為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算

2.2重心變化的影響因素

1990年，該區(qū)域旅游業(yè)剛剛起步，僅有少量的游客，旅游設(shè)施很少。瀘沽湖風(fēng)景區(qū)相對(duì)封閉，瀘沽湖自然保護(hù)區(qū)的建設(shè)以絕對(duì)的生態(tài)保護(hù)為目的。周邊各村均以農(nóng)業(yè)收入為主，森林、草地生態(tài)系統(tǒng)不同程度的轉(zhuǎn)化為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，建筑用地少，人居環(huán)境系統(tǒng)與自然生態(tài)系統(tǒng)呈有機(jī)結(jié)合的狀態(tài)[30]。到2000年，瀘沽湖風(fēng)景區(qū)內(nèi)基本形成以旅游為主導(dǎo)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式。游客數(shù)量猛增，該地區(qū)的人居環(huán)境設(shè)施，包括居民地、道路、碼頭和旅游設(shè)施等逐年增長(zhǎng)，且有加速上升的趨勢(shì)(圖2)，對(duì)流域內(nèi)資源的需求和干擾持續(xù)增加。因此，人居環(huán)境的重心受人類活動(dòng)干擾的影響，在景區(qū)管理政策強(qiáng)制干預(yù)前，人居環(huán)境重心一直朝瀘沽湖水體靠近，表明人類活動(dòng)增強(qiáng)對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化的影響。

旅游業(yè)作為該地區(qū)主要支柱產(chǎn)業(yè)前，周邊各村均以農(nóng)業(yè)收入為主，因此，森林、草地生態(tài)系統(tǒng)不同程度的轉(zhuǎn)化為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，1995年和2000年耕地面積分別比1990年增加16.3%和12.6%，隨著國(guó)家大力推行退耕還林還草工程，天然林保護(hù)工程初見(jiàn)成效，到2005年，耕地面積比研究期內(nèi)的歷史最高值下降超過(guò)40%。另外，野外調(diào)查和資料分析表明，瀘沽湖流域退耕還林工程年均造林面積超過(guò)130hm2，約占流域面積的0.6%。造林地立地類型主要分為坡耕地和荒地兩種，瀘沽湖水體周圍有大量的耕地被退耕為林地。因此，耕地面積的變化和退耕還林工程的布局都直接影響區(qū)域耕地重心的變化。

圖2　瀘沽湖流域游客數(shù)量及人居環(huán)境面積　Fig.2　The Tourists and built-up areas of Lugu Lake during 1990 to 2005

圖3　瀘沽湖流域耕地面積及比例　Fig.3　The area and proportion of cropland in Lugu Lake during 1990 to 2005

3討論

生態(tài)系統(tǒng)中的各種物質(zhì)和能量在空間上的聚散和遷移，便產(chǎn)生了某一時(shí)刻的重心問(wèn)題[25]，因此，重心研究可以在眾多領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。生態(tài)系統(tǒng)重心的位置變化在探索生態(tài)系統(tǒng)變化時(shí)具有有效性和優(yōu)越性。即使在生態(tài)系統(tǒng)類型總面積變化不大的情況下，其重心移動(dòng)可能導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量受到影響[25]，因此，重心是表征生態(tài)系統(tǒng)綜合變化的有效指標(biāo)。人居環(huán)境用地和耕地是瀘沽湖流域受人類活動(dòng)影響最大的兩種類型，分析其重心變化及影響因素，有助于揭示區(qū)域發(fā)展的空間變化規(guī)律。重心變化是多項(xiàng)因素綜合影響的結(jié)果，驅(qū)動(dòng)因素復(fù)雜多變，人口增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展等人類干擾是主要因素。在瀘沽湖流域，由于旅游業(yè)發(fā)展帶來(lái)的人口增長(zhǎng)等壓力導(dǎo)致重心變化，并改變生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。

雖然重心理論已在生態(tài)系統(tǒng)研究中被廣泛應(yīng)用，但目前仍存在許多問(wèn)題。針對(duì)基于遙感分類的景觀斑塊進(jìn)行重心分析時(shí)，其面積、位置與分類設(shè)置(例如最小圖斑面積)及處理精度密切相關(guān)，所選擇的研究區(qū)域范圍的大小也會(huì)直接導(dǎo)致重心發(fā)生不同的變化。此外，由于數(shù)據(jù)的可獲得性和計(jì)算的簡(jiǎn)便，對(duì)某社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素進(jìn)行分析時(shí)，將研究區(qū)域根據(jù)研究需要分成不同的分區(qū)，假設(shè)各分區(qū)都為平面上的一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，研究要素集中在這些質(zhì)點(diǎn)上，這種忽視分區(qū)內(nèi)部異質(zhì)性的簡(jiǎn)化將妨礙細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)挖掘提供更精準(zhǔn)的結(jié)果。另外，該理論假設(shè)區(qū)域背景為勻質(zhì)平面，也就是說(shuō)分析是基于二維空間進(jìn)行，而不考慮海拔維度等地形條件，但海拔、坡度和坡向作為重要的生態(tài)因子，對(duì)植物的生長(zhǎng)和分布以及人類活動(dòng)的開(kāi)展都有重要的影響[31]。瀘沽湖流域地形復(fù)雜多變，地形因素在該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)變化過(guò)程中的作用不容忽視[32]。因此，在這些地形起伏較大的區(qū)域應(yīng)用重心理論時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況考慮高程、坡度與坡向等因子的影響。

目前重心理論在海拔、坡度和坡向等方面鮮有應(yīng)用。這是因?yàn)椋谘芯可鷳B(tài)系統(tǒng)垂直空間變化時(shí)，一般通過(guò)建立區(qū)域DEM模型提取地形數(shù)據(jù)，將生態(tài)系統(tǒng)類型時(shí)空變化數(shù)據(jù)與各地形數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，獲取各生態(tài)系統(tǒng)時(shí)空演變的地形特征[31]。但是，重心由多個(gè)子系統(tǒng)(斑塊或景觀網(wǎng)格單元)共同來(lái)決定的，由于各斑塊相對(duì)位置狀況，重心可能并不位于任何一個(gè)斑塊內(nèi)[25]，例如本文中森林生態(tài)系統(tǒng)的重心分布在水面上，這就導(dǎo)致絕對(duì)位置本身并沒(méi)有多少現(xiàn)實(shí)意義。因此，在研究生態(tài)系統(tǒng)重心在垂直空間的變化特征和規(guī)律時(shí)，就不能簡(jiǎn)單疊加DEM模型提取地形數(shù)據(jù)。但是目前，在垂直空間應(yīng)用重心理論的研究方法還不完善，在今后的研究中應(yīng)盡快完善研究方法，拓寬重心模型應(yīng)用的廣度和深度。

參考文獻(xiàn)(References):

[1]ReidWV,LairdSA,MeyerCA,GamezR,SittenfeldA,JanzenD,GollinMA,JumaC.Biodiversityprospecting//BalickM,ElisabetskyE,LairdSA,eds.MedicinalResourcesofTheTropicalForest:BiodiversityandItsImportanceToHumanHealth.NewYork:ColumbiaUniv.Press, 1996: 142- 173.

[2]EwelK.Waterqualityimprovement:evaluationofanecosystemservice//DailyG,ed.Nature′sService:SocietalDependenceonNaturalEcosystem.WashingtonD.C.:IslandPress, 1997: 329- 344.

[3]鄭華, 歐陽(yáng)志遠(yuǎn), 趙同謙, 李振新, 徐衛(wèi)華. 人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響. 自然資源學(xué)報(bào), 2003, 18(1): 118- 126.

[4]O′NeillRV,KrummelJR,GardnerRH,SugiharaG,JacksonB,DeAngelisDL,MilneBT,TurnerMG,ZygmuntB,ChristensenSW,DaleVH,GrahamRL.Indicesoflandscapepattern.LandscapeEcology, 1988, 1(3): 153- 162.

[5]朱會(huì)義, 李秀彬. 關(guān)于區(qū)域土地利用變化指數(shù)模型方法的討論. 地理學(xué)報(bào), 2003, 58(5): 643- 650.

[6]孫倩, 塔西甫拉提·特依拜, 張飛, 丁建麗, 買買提·沙吾提, 韓桂紅, 桂東偉. 渭干河-庫(kù)車河三角洲綠洲土地利用/覆被時(shí)空變化遙感研究. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2012, 32(10): 3252- 3265.

[7]楊桂山. 長(zhǎng)江三角洲耕地?cái)?shù)量變化趨勢(shì)及總量動(dòng)態(tài)平衡前景分析. 自然資源學(xué)報(bào), 2002, 17(5): 525- 532.

[8]HilgardJE.TheadvanceofpopulationintheUnitedStates.Scribner′sMonthlyMagazine, 1872, 4: 214- 218.

[9]劉世榮, 郭泉水, 王兵. 中國(guó)森林生產(chǎn)力對(duì)氣候變化響應(yīng)的預(yù)測(cè)研究. 生態(tài)學(xué)報(bào), 1998, 18(5): 478- 483.

[10]盧娜, 曲福田, 馮淑怡. 中國(guó)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳凈吸收重心移動(dòng)及其原因. 中國(guó)人口·資源與環(huán)境, 2011, 21(5): 119- 125.

[11]LiYF,ZhuXD,SunX,WangF.Landscapeeffectsofenvironmentalimpactonbay-areawetlandsunderrapidurbanexpansionanddevelopmentpolicy:AcasestudyofLianyungang,China.LandscapeandUrbanPlanning, 2010, 94(3/4): 218- 227.

[12]劉德欽, 劉宇, 薛新玉. 中國(guó)人口分布及空間相關(guān)分析. 遙感信息, 2002, 6(2): 2- 6.

[13]喬家君, 李小建. 近50年來(lái)中國(guó)經(jīng)濟(jì)重心移動(dòng)路徑分析. 地域研究與開(kāi)發(fā), 2005, 24(1): 12- 16.

[14]徐建華, 岳文澤. 近20年來(lái)中國(guó)人口重心與經(jīng)濟(jì)重心的演變及其對(duì)比分析. 地理科學(xué), 2001, 21(5): 385- 389.

[15]陳志剛, 王青, 黃賢金, 彭補(bǔ)拙. 長(zhǎng)三角城市群重心移動(dòng)及其驅(qū)動(dòng)因素研究. 地理科學(xué), 2007, 27(4): 457- 462.

[16]侯景新. 論城市重心轉(zhuǎn)移規(guī)律——以北京市為例. 北京社會(huì)科學(xué), 2007, (5): 46- 53.

[17]XuSW,WuJZ,SongW,LiZQ,LiZM,KongFT.Spatial-temporalchangesingrainproduction,consumptionanddrivingmechanisminChina.JournalofIntegrativeAgriculture, 2013, 12(2): 374- 385.

[18]ZhangY,ZhangJY,YangZF,LiJ.AnalysisofthedistributionandevolutionofenergysupplyanddemandcentersofgravityinChina.EnergyPolicy, 2012, 49: 695- 706.

[19]KleinLR.Measurementofashiftintheworld′scenterofeconomicgravity.JournalofPolicyModeling, 2009, 31(4): 489- 492.

[20]葛美玲, 封志明. 中國(guó)人口分布的密度分級(jí)與重心曲線特征分析. 地理學(xué)報(bào), 2009, 62(2): 202- 210.

[21]關(guān)興良, 方創(chuàng)琳, 魯莎莎. 中國(guó)耕地變化的空間格局與重心曲線動(dòng)態(tài)分析. 自然資源學(xué)報(bào), 2010, 25(12): 1997- 2006.

[22]HamelPB,DawsonDK,KeyserPD.HowwecanlearnmoreabouttheCeruleanWarbler(Dendroica cerulea).TheAuk, 2004, 121(1): 7- 14.

[23]MaoD,CherkauerKA.Impactsofland-usechangeonhydrologicresponsesintheGreatLakesregion.JournalofHydrology, 2009, 374(1/2): 71- 82.

[24]HeYB,ChenYQ,TangHJ,YaoYM,YangP,ChenZX.Exploringspatialchangeandgravitycentermovementforecosystemservicesvalueusingaspatiallyexplicitecosystemservicesvalueindexandgravitymodel.EnvironmentalMonitoringandAssessment, 2011, 175(1/4): 563- 571.

[25]高志強(qiáng), 劉紀(jì)遠(yuǎn), 莊大方. 我國(guó)耕地面積重心及耕地生態(tài)背景質(zhì)量的動(dòng)態(tài)變化. 自然資源學(xué)報(bào), 1998, 13(1): 92- 96.

[26]王思遠(yuǎn), 劉紀(jì)遠(yuǎn), 張?jiān)鱿? 周全斌, 王長(zhǎng)有. 近10年中國(guó)土地利用格局及其演變. 地理學(xué)報(bào), 2002, 57(5): 523- 530.

[27]丁煥峰, 李佩儀. 中國(guó)區(qū)域污染重心與經(jīng)濟(jì)重心的演變對(duì)比分析. 經(jīng)濟(jì)地理, 2009, 29(10): 1629- 1633.

[28]ZhangCL,LiuY,QiaoHJ.Anempiricalstudyonthespatialdistributionofthepopulation,economyandwaterresourcesinNortheastChina.PhysicsandChemistryoftheEarth,PartsA/B/C, 2015, 79- 82: 93- 99.

[29]FuX,ShenY,DongRC,DengHB,WuG.Analysisofurbanizationbasedoncenter-of-gravitymovementandcharacteristicsinSonghuaRiverBasinofChinaanditssouthernsourcesub-basinbetween1990and2010.ChineseGeographicalScience, 2016, 26(1): 117- 128.

[30]WeyerhaeuserH,WilkesA,KahrlF,LocalimpactsandresponsestoregionalforestconservationandrehabilitationprogramsinChina′snorthwestYunnanprovince.AgriculturalSystems, 2005, 85(3): 234- 253.

[31]李雙成, 高偉明, 周巧富, 劉逢媛. 基于小波變換的NDVI與地形因子多尺度空間相關(guān)分析. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2006, 26(12): 4198- 4203.

[32]傅伯杰, 陳利頂, 馬克明, 王仰麟. 景觀生態(tài)學(xué)原理及應(yīng)用. 北京: 科學(xué)出版社, 2001.

基金項(xiàng)目:云南省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012CA013) 四川省國(guó)土資源廳科學(xué)研究計(jì)劃(KJ- 2015- 5)；四川省軟科學(xué)計(jì)劃項(xiàng)目(2015ZR0121)；中國(guó)科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所青年百人團(tuán)隊(duì)計(jì)劃(SDSQB- 2015-01)

收稿日期:2013- 04- 19;

修訂日期:2016- 01- 14

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: dongrencai@rcees.ac.cn

DOI:10.5846/stxb201304190750

Theconceptandapplicationofcentroidsinthespatialanalysisofregionalecosystems

CAOHuiming1,2,DONGRencai1,*,DENGHongbing1,YULijun3,LIUJianjun4,WANGHaowei5,MAHe5

1 State Key Laboratory on Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco-Environmental Science, Chinese Academy of Science, Beijing 100085,China 2 University of Chinese Academy of Science, Beijing 100049,China 3 Provincial Tourism Zone Management Committee of Lugu Lake, Lijiang, 674100,China 4 Lijiang Lugu Lake Tourism Development Co., Ltd., Lijiang, 674100,China 5 Key Laboratory of Urban Environment and Health, Institute of Urban Environment,Chinese Academy of Sciences, Xiamen 361003,China

Abstract：Analyzing the movement of an ecosystem′s centroid has proven to be a powerful tool for assessing and monitoring its spatial variation. However, since centroid analysis is used as a simple indicator of change in economics or sociology, or as a minor part of studies of landscape pattern distribution and change, the importance of analyzing ecosystem centroids is often overlooked in the field of ecology. This study summarizes the applications of calculating ecosystem centroids from studies from around the world, in order to understand its global trends in correlation studies better, and to identify the application potential based on its basic concept and connotations. The centroid theory has been applied in various fields, for example in social and economic development, agriculture, ecological monitoring, and mapping. In this study, we applied the centroid theory to analyze the temporal and spatial distribution of the ecosystem centroid in Lugu Lake, where its distinct boundary was collectively determined by Yunnan Province and Sichuan Province, and its surrounding areas. We also determined how the centroids changed from 1990 to 2005 (e.g., their positions, movement directions, and movement distances). The results showed each ecosystem had a relatively independent and stable centroid in the region. This was caused by the effective conservation efforts of local governments and organizations and, particularly, the effective policies and measures that have been implemented in recent years. Compared with forest, grassland, and wetland ecosystems, built-up land and cropland ecosystems changed more profoundly. As for the extent and direction of centroid changes, the centroids of forest, grassland, and wetland ecosystems moved continuously back and forth in a relatively small area, indicating that these ecosystems were in a relatively dynamic equilibrium. The centroids of built-up land and cropland generally moved from northwest to southeast, and they continuously got closer to the water to utilize the water resource more conveniently. In addition, the centroids of built-up land and cropland to some extent move back in the opposite direction in 2005. The latter was caused by the government′s effective policy interventions in 2003, which regulate ecological patterns and coordinate conflicts between the environment and development. Furthermore, increased human-induced disturbances, especially tourism developments, can be a trigger for ecosystem centroids to move towards Lugu Lake, whereas national ecological protection policies lead to movements in the opposite direction of Lugu Lake. Additionally we found that currently, ecosystem centroid analyses are often conducted in two dimensions, without accounting for the third dimension of altitude due to the complexity of vertical space. However, in regions with complex terrain, like Lugu Lake, the terrain factors should not be ignored in the process of regional ecosystem changes. Therefore, the blank centroid theory in vertical dimension should be developed further, and the corresponding research methods completed urgently, in order to continuously expand and improve the applications of ecosystem centroids.

Key Words:ecosystem centroid; concept; application; movement of centroid; Lugu Lake

曹慧明，董仁才，鄧紅兵，余麗軍，劉建軍，王豪偉，馬赫.區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)重心指標(biāo)的概念與應(yīng)用.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(12):3639- 3645.

CaoHM,DongRC,DengHB,YuLJ,LiuJJ,WangHW,MaH.Theconceptandapplicationofcentroidsinthespatialanalysisofregionalecosystems.ActaEcologicaSinica,2016,36(12):3639- 3645.