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人类活动与生态系统之间存在着动态的、相互影响、相互作用的关系。随着人类活动强度的逐渐增大,生态系统结构发生着巨大的变化,相应地,生态系统服务功能受到了严重的影响。自20世纪后期以来,人类活动与全球变化成为了全球生态系统格局、结构和服务功能变化的主要驱动力。在各种尺度的生态系统中,与人类关系最为密切,受人类影响最深的是中尺度,即“景观”尺度的陆地生态系统。研究全球变化背景下人类活动对中尺度生态系统结构与功能的影响不仅可以揭示样带的生态系统结构、过程和功能的梯度分布及变化规律,进一步分析人类活动对生态系统梯度变化的定量扰动关系,还可以为模拟和预测景观尺度上生态系统演变过程的研究奠定基础,对可持续发展战略决策及人民生活具有重大现实意义。
本文在NEAT(North-East Asia Transect)的基础上,选取了具有典型地带分异特征的,沿东南一西北走向,纵贯蒙古高原的样带。提出了利用剖面线和典型区相结合进行样带生态系统结构和功能梯度变化研究的方法,对人类活动扰动下的中蒙俄样带进行研究。以生态系统结构—过程—功能—驱动力为框架,揭示了样带的生态系统结构、过程和功能的梯度分布及变化规律,并进一步分析了自然环境和人类活动对样带生态系统梯度变化的作用。研究的主要结论如下:
(1)通过对剖面线样点自南向北的降水量、积温、土壤、植被、地形等自然环境要素梯度分析,可以看出本研究样带具有显著的自然要素梯度变化,且自然要素之间存在一定的相关性。在自然要素中,自南向北呈现的热量条件是控制植被类型结构、生产力与土地利用格局的关键因素,也是样带景观变化的主要驱动因素。受自然要素的控制,样带的景观类型从南向北跨越了不同的生态系统类型,人类活动也体现了的不同特点。
(2)在对2000年三个典型研究区土地利用类型的研究中发现,在扎卡缅斯克地区的土地利用类型中,林地是绝对优势类型,面积所占比例达62.8%,草地次之;在达尔汗乌拉省的土地利用类型中,草地所占面积最大,达48.3%,林地次之;武川县的土地利用类型主要以草地、耕地为主,分别占40.8%和37.2%。样带的三个典型区,自北向南,景观越来约破碎,形状越来越复杂,斑块聚集程度逐渐减弱,多样性和均匀度越来越高。
(3)样带自北向南在生态系统服务功能上呈现梯度变化规律。在扎卡缅斯克地区,林地提供了大多数的生态系统服务功能,其次是草地和水域;在达尔汗乌拉省,林地、水域和草地提供了主要生态系统服务功能,其中林地的服务功能价值最多,水域次之,这与该省水域面积较大有关;在武川县,林地、草地和耕地提供了主要的生态系统服务功能,其中林地的服务功能价值最多,草地次之。武川县、达尔汗和扎卡缅斯克三个典型区中,各种主要生态系统服务功能占总生态系统服务功能的百分比差别不大。对比三典型区,去除面积大小不同的影响,扎卡缅斯克地区所提供的生态系统服务功能最多,达尔汗次之,武川县最少。
(4)自80年代中期到2000年,武川县的土地利用类型结构与景观格局均发生了较大变化,土地利用类型的年变化率较高。80年代中期,该区土地利用类型以草地为主导,至2000年该区的土地利用类型变为以草地和耕地为主。耕地面积不断增加,草地面积不断减少,林地则经历了先减少后增加的过程,这主要与当地政府政策导向有关。通过转移矩阵可以看出,耕地的面积一直在增加,其增加主要来源于草地;80年代中期到1995年森林面积减少,且减少的部分转换为草地;而1995年到2000年,森林面积增加,增加的面积来自于草地;城乡用地呈缓慢增长的趋势,这表明该区城镇化过程比较缓慢;其他土地利用类型面积较少,变化不大。通过对三期景观格局指数的计算可知,武川县属中等破碎化程度,自80年代中期到2000年,研究区的破碎化程度先增后减,总体增加,优势度和聚集度降低,景观形状趋于复杂,生境质量有所下降。
(5)自80年代中期到2000年,武川县生态系统服务功能总量先减后增。但从总体上看,2000年的生态系统服务功能比80年代的有所降低。通过与土地利用类型变化及景观格局变化的对比分析发现,该区生态系统服务功能与土地利用变化即生态系统结构变化具有较好的相关性。由于人类的扰动、林草面积的减少和景观破碎化使得区域生态环境质量下降,这是造成区域生态系统服务功能变化且有所降低的主要原因。
(6)论文提出了一套将人类活动强度定量化的方法:首先,通过选取17个代表性指标,构建了在社会、经济和文化三方面反应人类活动强度的评价指标体系;然后,采用层次分析法获取各指标的权重;最后,利用加权法将各指标综合获取人类活动定量化指数。经计算,2000年三地的人类活动指数依次为0.78,0.54,0.16,即,自南向北人类活动强度逐渐降低;武川县1980年代中期、1995年及2000年的人类活动指数分别为0.37,0.50,0.78,即,人类活动强度随时间逐渐增加。经分析,本文所建立的人类活动指数与生态系统结构空间格局具有较好的相关关系,无论是空间尺度还是时间尺度,随着人类活动指数的增大,景观更加破碎化,生态环境质量下降。
(7)在人类活动干扰的初期,人类活动强度相对较弱时,自然环境决定了生态系统空间格局的基本特征。生态系统结构和功能随着人类活动强度和规模的增强而变化。然而,随着人类活动强度和规模的加强,人类活动成为影响生态系统空间格局和服务功能变化的主导因素。