土地利用与生态系统服务供应.docx

1、土地利用与生态系统服务供应土地利用与生态系统服务供应：以智利南部娱乐和生态旅游机会为研究案例L. Nahuelhual A. Carmona M. Aguayo C. Echeverria摘要 土地利用与覆被变化（LUCC）是影响生态系统服务的主要因素，本研究研究了在智利南部三十年内LUCC对娱乐和生态旅游机会的影响。基于1976年，1985年,1999年及2007年的Landsat影像对过渡基质做了深入的分析。主要的LUCC轨迹与生态系统服务的两个指示器相关联：（i）娱乐和生态旅游的可能性用0-100个点刻度来衡量；（ii）娱乐和生态旅游的可能性用游客人数/公顷来衡量。在1976和2007年

2、间在景观中共出现了900条轨迹。就面积而言，最重要的轨迹是在1999-2007年原生森林到次生森林的退化(23,290公顷，占景观的13.5 % )及在1976-1985年为农业而进行的早期的灌木林和草地的清理（7,187公顷，占景观的4.2 %）。单个对生态服务指示器的大小最具影响力的轨迹依次是早期的和永久的原生森林到次生森林的退化。作为这些景观变化的结果，整个景观的娱乐和生态旅游的机会从1976年的65,050人减少至1985年的25,038人，在1999年和2007年进一步分别减少至22,346人和21,608人。这种减少是由受森林退化和破碎化影响的特定属性（如标志性植物群和动物群与森林

3、结构）的变化引起的。这些结果突出强调了LUCC对娱乐机会的降低有着实质性的影响。而娱乐机会的降低反映了研究区内生物多样性的减少。关键字 生态系统服务地图；森林破碎化；娱乐机会；景观轨迹引言 土地利用及覆被变化（LUCC）可能是影响自然环境保护的单个最重要的因素（Vitousek et al. 1997）。在全球比例尺下，LUCC导致了生物多样性的减小或改变，减小了生态系统服务流和他们对社会的惠益（Balvanera et al. 2006; Metzger et al. 2006; Li et al. 2007）。 对于土地变化对生物多样性的重要性的认识是在不断的发展的，而对于这些改变是如何影

4、响生态系统服务的理解还比较少（DeFries and Bounoua 2004; Foley et al. 2005; Balvanera et al. 2006）。早期的定量区域尺度研究很大程度上依赖于来自卫星影像的土地覆盖变化数据和生态系统服务价值来计算生态系统服务的惠益随时间的变化（Kreuter et al. 2001; Zhao et al.2004; Viglizzo and Frank 2006; Li et al. 2007）。近期，这些方法已经扩大到包含更复杂的模型（即水文模型），然而它仍然倾向于把重点集中在配置和调节服务上，而文化和配套服务比较少关注到（Rodrguez e

5、t al. 2006; Cardinale et al. 2012; Daniel et al. 2012）。 对于LUCC和生态系统服务的具体研究可以发现是关于（a）养分循环，气候调节，水土流失控制和遗传资源（Zhao et al. 2004; Peng et al. 2006; Li et al. 2007）；（b）土壤肥力，水可用性和森林火灾风险的增长（Zhao et al. 2004; Schroter et al. 2005; Fiquepron et al. 2013）；（c）水分调节，废物处理，粮食生产，栖息地保护和生物防治（Zhao et al. 2004）；（d）娱乐和美学价

6、值（Kreuter et al. 2001; Schirpke et al. 2013）的。 这些研究表明生态系统服务流和惠益经常同时随LUCC增加或减少。例如， Zhao et al. (2004) 以中国崇明岛为研究区，表明在1990年和2000年之间的生态服务经济价值总量减少了62%，主要是由于湿地/滩涂损失了71% 。然而，尽管水调节和供应，废物处理和原材料的贡献随着时间的推移而增加，而养分循环，粮食生产，干扰调控，娱乐，栖息地保护和生物防治的贡献却同期下降。Feng et al. (2012), Mendoza-Gonzalez et al. (2012), 和Schirpke et

7、 al. (2013)的报告也有类似变化。因此，特别是生态系统服务的改变似乎取决于土地利用/覆盖的过渡的类型和生态环境（De Fries et al. 2004）。 本研究的目的是解决智利南部过去（19762007）的LUCC是否改变了作为最终的（文化）生态系统服务，娱乐的提供和空间分布以及生态旅游的机会。此处使用的“最终”一词在于强调个人为获取惠益所用的自然元素的极限（Boyd and Banzhaf 2007; Nahlik et al. 2012）。 众所周知，智利南部（南纬3543）表现出了显著的LUCC,作为人类诱发的过程的结果。这个地区的温带森林正被迅速转变，表现为它是拉丁美洲森林

8、砍伐率最高（5.4 %/年）的地区之一（Echeverra et al. 2006）。这个地区也经历了原始森林的逐步退化（Carmona et al. 2010; Carmona and Nahuelhual 2012）由于各种各样的因素，如森林采伐来满足对柴火的日益增加的需求（Marin et al. 2011）。 在不断变化的景观下对生态系统服务供给的评估可以帮助决策者寻求一个土地覆盖间的可持续的平衡，旨在最大限度的提高服务流并降低权衡。对智鲁岛安库德市的景观专门研究，结合过去的LUCC分析和生态系统服务制图技术可以帮助确定对未来娱乐和生态旅游机会变化最脆弱的区域。 最后，生态系统服务评估

9、是新兴的但又是大多数国家的相关的工作线。这些国家中解释在不断变化的景观下的生态系统服务的规模和空间分布的研究很少。研究区概况 安库德市（73 157415 W，41504215 S）位于智利南部，智鲁岛北部的一部分（图1）。它占地面积172,400公顷，其中不到1%归类为城市。在1982年和1992年间人口增加了27.5%，在1992年和2002年间又增加了6.5%。然而，后期的增长隐藏了一个事实，农村人口降低了11.9%，主要是由于年轻人的迁移。 安库德和智鲁岛提供了一个适合的研究区域来理解热带地区以外的发展中国家的LUCC和生态系统服务的提供之间复杂的相互作用的支撑。直到20世纪70年代早

10、期，研究区域仍很大程度上独立于欧洲大陆；后来，在20世纪80年代，这个区域受到了全球化压力的强烈影响。目前，基于大规模工业扩大水产养殖（鲑鱼和贻贝养殖）发展战略和基于文化遗产和地方旅游的内源发展战略之间存在二分法（Daz et al. 2011）。 许多自然景点表征研究的景观。其中有Punihuil小岛，车普河北部部分，鲸饲养和繁殖区以及完整的原始森林。这些森林是Valdivian温带雨林生态区的部分（3548 S），其特点是其高程度的特有种，包括主要是由于更新世气候变化而丢失或转化的古生物群遗体（Armesto et al. 1996;Villagran and Hinojosa 1997）

11、。目前这些森林的很大一部分是由智鲁国家公园公开保护的（图1）。图1 位于智利南部，智鲁岛的安库德市研究区 智鲁岛已被列为世界上25个生态系统保护优先区域之一（FAO 2008）。据由国家旅游部门（国家旅游公司）的最新统计记录，在2011年的夏天72189人次游客来到智鲁，进行的最常见的活动有野生动物的观察（87%）和徒步旅行（26.4%）。 2008年，智鲁岛被FAO提名为全球重要农业文化遗产(GIAHS) (FAO 2008)的八大试点地区之一，因其突出的土地利用系统和景观及其丰富的生物多样性和文化多样性。方法土地利用和覆被变化评估和土地变化的轨迹 为了评估土地利用变化，使用3030 m专题

12、图，这些专题图来源于多年的Landsat场景，包括1976年（MSS），1985年（TM）和1999年（ETM+）和2007年（ETM+）(Echeverra et al. 2012)。以下类别的土地利用/覆被均已确定：(i)农业用地，包括农作物和牧场（APL）； (ii)灌丛（SH），对应于树木覆盖小于10和灌木覆盖在区域面积的10到75之间的土地覆盖类型；(iii)次生林（SF），由于自然或人为干扰，具有更加均匀的结构和年龄结构，其特点是树冠覆盖率超过25，并低于75;(v)古老森林（OGF），特点是树冠覆盖率超过75，而在结构组成，郁闭度和年龄上有更多的异构性； (vi)外来树种植园（P

13、L），几乎完全由桉树组成，其中满足0.5公顷的最小面积的要求，至少25的土地面积的树冠覆盖，以及成年树的总高度高于2米 (FAO 1996)； (vii) 其他用途（OU），主要城市用地。 从方法论的角度来看，土地变化轨迹是在像素水平上的土地覆盖类型的时间序列，通过一个时间序列的分类卫星图像来描述 (Mena 2008)。评估土地变化轨迹的组成意味着探索景观的时空动态，而景观的时空动态通过卫星图像的时间序列中表现的变化模式（如循环）来描述(Mena 2008)。从概念上讲，土地变化轨迹，可以理解为土地转变的组合 (Verburg et al. 2010)，反过来又可以被定义为在土地系统的结构性

14、转变中的变化过程 (Martens and Rotmans2002, 135 pp)。土地转变可分为随机的和系统的(Pontius et al. 2004; Braimoh 2006)。随机转变指的是受无意的或独特的变化过程的影响，特点是突然发生，有时在生态系统的恢复之后发生，取决于快速恢复的能力和反馈机制(Lambin et al. 2003)。随机转变的驱动通常是出乎意料的行为因素，如移民浪潮，土地冲突或经济冲击 (Barbier 2000;Lambin et al. 2003)。反过来，系统转变由更加稳定的变化过程驱动，变化随着时间的推移稳定或逐渐发展；并通过更持久的力量驱动，如人口和市

15、场的扩张，或控制对资源的获得的机构的变化 (Lambin et al. 2003)。 轨迹的分析是在连续的卫星图像之间，使用土地变化模型ArcGIS扩展和生成用于迭代分析的下一个时期的中间图像。对经典转移矩阵进行深入分析，基于Pontius et al. (2004) and Braimoh(2006)描述的三个步骤确定主要的土地转变和景观轨迹。第一步，计算预期的土地覆被损失，假设每个覆盖类的损失和第二个时期的每个类的比例都给出了一个先验值。损失就以相对其他类的比例分配在每个矩阵的行中，在初始时间t1时。第二步，计算所观察到的和预期的比例的差异，在损失等于增益的随机过程下。对于覆盖类别X和Y之

16、间的转变，所观察到的与预期的比例之间的正差值越大，类X系统地向类Y损失的倾向越大。反过来，所观察到的和预期的负差值越大，类X的系统地向类Y损失的规避性越大。第三步，计算一个比值等于观察值和预期值的差值除以预期值，表示一个转变系统地相对于其期望值。观察值和期望值差值（ha）或正或负偏离零，而绝对偏差的大小和上述比率被用来确定1976和2007年之间的最大的系统转变(Pontius et al. 2004)。 在LUCC评估中应用一个0.25公顷的过滤器（3030m分辨率的3个像元）有两个原因：(i)为了避免分类错误（卫星图片精度在88.8%和90.1%之间不等）；(ii)因为0.25公顷被认为是

17、可能引发LUCC驱动的最小可行域。可以预见31年期间研究景观内大量的转变会发生(Carmona and Nahuelhual 2012)，只有系统转变被用于分析。此外，系统的转变和轨迹可以与更持久的变化驱动相关联，从而专注于那些研究区更详细记录的驱动力的讨论 (Marn et al. 2010)。娱乐和生态旅游的机会的指标 虽然有几种分类生态系统服务的形式被提出，但是三种国际分类系统得到了更广泛的认可：千年生态系统评估(MA)，生态系统和生物多样性的经济性(TEEB)和生态系统服务国际通用分类(CICES)。他们都认识到娱乐和生态旅游的机会 (Maes et al. 2013)是一个文化生态系

18、统服务，并将其定义为“人们从自然或人工生态系统中获得的休闲乐趣” (MEA 2005; TEEB 2010)。 有几个指标已被用来映射娱乐和生态旅游，如：(i)单位空间内游客消耗，这归因于特别保护区(e.g. Eigenbrod et al. 2010)； (ii) 自然栖息地数量和区域的可达性(e.g. Gimona and van der Horst 2007; Lautenbach et al. 2011)；(iii)旅游效益，基于从一个位置到评估位置转移货币的估计(e.g. Plummer 2009)。 本研究依赖于两个空间指标，即娱乐和生态旅游潜力(REP)，按百分制量度，和娱乐和生

19、态旅游的机会(REO)，以人/公顷为单位量算，这两个指标通过Nahuelhual等人（2013）开发的以以下五个步骤。选择确定生态系统服务的属性和空间标准（步骤1） 五个属性被选中来代表娱乐机会。这些属性是存在/不存在奇异的自然资源（SNR），优美的风景（SB），可达性（AC），旅游使用能力（TUA），和旅游景区容量（TAC），它们都是利用现有空间数据通过特定标准的空间指标（表1）。基于这一基础空间信息，可以导出其他数据集包括可视，道路密度和各种自然景点。借助于土地征用验证属性和空间标准（步骤2） 在上一步中选择的属性是由两组专家验证：14个旅游学和景观生态学的相关领域的专家和13个从事生态旅

20、游活动的专家。专业人士被选定因为他们在地方和区域旅游规划，恢复原生森林，景观规划，野生动物保护区的管理和GIS分析等领域的工作经验。也有学者是从智利南方大学的森林科学和自然资源保护学院和经济与管理学院中选定的。被选为代表的国家和国际市场部分的生态旅游者的生态旅游者群体，被假定娱乐偏好自然景点，预算和出行习惯类似。他们选自在智利南方大学坚持硕士课程的研究生以及旅游相关机构，如文化中心enbicla 2和Valdivian热带雨林的导游协会。作为一个选择过滤器，参加者必须在去年曾参观过一个野生动物保护区。 专家们的查询是基于2011年10月至2012年4月亲自进行的结构式问卷调查，使用一种改进的D

21、elphi方法来使属性、它们的空间标准和测量尺度达到最高的共识。为达到此目的，使用五个等级的李克特量表，从“强烈同意（5）”到“坚决不同意（1）”，表征生态系统服务的计量属性的重要性。空间分析和构建最终空间标准（步骤3） Delphi方法的应用允许对提交给专家的初始空间标准进行消除，合并和调整（表1），其最终目的是使有关的属性和定义娱乐和生态旅游的空间标准达成共识。对于所有的属性和它们的空间标准，100的分值被分配给该属性的存在，降低了从属性与距离的关系。例外的是森林的结构，专家建议这作为代表奇异自然资源属性的另一个空间尺度。在这种情况下，考虑了三种结构：老龄林，老龄和次生混合林，次生林。在同

22、一段中森林的多样性通过优势种的数量进行了近似。表1属性和空间标准用于计算娱乐指标，由专家通过Delphi法磋商进行验证和赋权重属性空间标准量度制信息来源空间比例尺奇异的自然资源（SNR）森林的多样性（植物和动物）和结构（斑块），水体的存在0-100根据奇异的自然资源距离智利国家森林资源调查1:250,000优美的风景（SB）视域百分制（无单位）谷歌地球拍摄的数字高程模型焦点小组1:25,000可达性（AC）道路高斯距离（2.5-4公里的高值;在2.5公里，4公里，值越低）km地方政府基础制图1:250,000旅游使用能力（TUA）自然景点集中距离百分制，其中100对应于景点都位于的这些地方国家

23、旅游服务 (SERNATUR)1:25,000各种自然景点百分制（无单位）当地政府信息1:25,000旅游服务距离km当地政府信息SERNATUR1:250,000旅游景区容量（TAC）土地覆盖百分制（无单位）国家森林资源调查1:250,000采用层次分析法对属性和空间标准赋权重（步骤4）一旦对属性和空间标准进行了验证，使用层次分析法（AHP），根据他们对娱乐和生态旅游的相对重要性,对先前验证的属性和空间标准进行加权。为此，专家们组成一个焦点小组，他们两两进行比较，采用一个基本尺度，奇数值从1到9，旨在估计一个属性或空间标准的相对重要性，当与另一个相比时，并构建了一个以每个层次等级为行列的比较

24、矩阵(Saaty 1990)。由专家给出的排序方式代替平均值，来作为一致性程度的一个近似值 (Nahuelhual et al. 2013)。这一步骤的结果是娱乐和生态旅游的潜力(REP)指标，按百分制量度。 REP的等式如下：式1中的系数加起来不足1，因为他们是从两个专家组的平均REP方程中得到的。调整REP的承载能力标准以获得娱乐和生态旅游机会的最终指标(REO)（步骤5）为了得到REO，REP是通过承载能力作如下调整：实际承载能力（RCC），测量值从0到1，使用Cifuentes（1992）和Cifuentes （1999，第75页）等所提出的承载能力的简化方法来计算。实际承载能力方程如

25、下：其中，PCC等于物理承载能力和其余元素为校正因子，即磨损度（FCero），动物群（FCfau）和周长/面积比（FCpar）（见Nahuelhual等人2013）。 PCC代表一个景点可以在一天内接待游客的最高限额;它给出了可用空间和游客必需空间之间的关系，计算如下：其中，S是一个给定的多边形的有效面积，SP是人均使用面积，和NV一个景点同一人在1日内的游览次数。反过来，NV是由下式给出：其中，Hv是访问可用的小时数和Tv是各路径（访问长度）访问必需的时间。 磨耗因子（FCero）使用土壤质地和坡度条件校正实际承载能力（RCC）。动植物因子（FCfau）通过对娱乐活动造成的人为干扰敏感到不敏

26、感的地区的距离调整实际承载能力。最后，周长/面积因子（FCpar）通过不规则斑块的距离修正实际承载能力，假设这些斑块与景观的基质有更好的交流，同时对人类活动影响更敏感。娱乐和生态旅游潜力（REP）和娱乐和生态旅游的机会（REO）之间的映射关系 基于公式1和2，每年的REP和REO进行映射。土地利用与覆被变化修正公式 1和2，通过每年包含在属性和校正因子中的空间标准的改变。这两个指标的透视映射需要以下假设和考量：(i)森林的组成（每个斑块的主导树种数量）和结构（森林类型）随时间保持不变。1999年的老龄和次生森林作为掩膜，因为这是与森林的组成和结构有关的信息唯一可用的年份（智利国家森林资源清查；

27、CONAFet al. 1999）。使用克里格插值，得到结构和多样性的值。由此产生的地图，叠加上2007，1985和1976年的老龄林和次生林的掩膜。获得2007，1985和1976年的树高度值（SNR属性；也用于校正视域值），以下同插值流程。(ii)基于专家的意见，nahuelhual等人（2013）得到的2007年视域景观质量指数（SB属性）随着时间的推移，仍然是相同的。 同时，娱乐机会的时间评估必须考虑由REP方程的五个属性组成的一些空间标准在一段时间内发生的变化。具体而言，从1985到1999起，公共保护区（即奇洛埃国家公园）和私人保护区被列入旅游景点容量属性（TAC）的计算中，而可达

28、性属性的计算（ACC）从1999起包括一个新道路层。LUCC轨迹和娱乐指标相关联 为了评估特定LUCC轨迹对 REP和REO的大小和空间分布的影响，进行了分析，目的有二个。一是突出轨迹的空间范围，为此，使用ArcGIS 9.3的核密度估计工具。二是在不同年份，REP和REO与每个轨迹的高核密度区空间相交。基于核密度图，得到特定的运动轨迹对 REP和REO的大小（例如平均值，标准偏差）和分布的影响。结果土地利用和土地覆盖变化的评估在分析时期的31年内，占主导地位的变化是老龄林从1976年的95187公顷损失至2007年的36173公顷，相当于减少的原面积的38%（59013公顷）（图2）。在19

29、761985年期间，农牧用地扩张是砍伐森林的一个直接驱动，森林净损失11861公顷。这一时期，研究结果还表明，有5142公顷老龄林到次生林的损失（老龄林的退化）以及有7024公顷的古龄林到树木灌丛（砍伐森林）的损失，同时，有5248公顷的次生林到树木灌丛的损失（森林砍伐）。图2 在1976-2007年间安库德市土地利用/土地覆盖类别（原覆盖率）的演变土地覆被：APL农牧用地，SH灌丛，ASH树木灌丛，SF次生林，OGF老龄林 在1985-1999年期间，最重要的变化是2775公顷的老龄林到农牧用地的损失（森林砍伐），伴随老龄林从灌丛的小幅恢复（1743公顷）。在1999-2007年期间，316

30、25公顷的老龄林退化到次生林是最重要的变化。与此同时，有可能观察到自然植被的再生，由于农牧用地到灌丛的变化（2863公顷）和从次生林到古老森林的再生（2389公顷）。景观轨迹评估 在上一节中描述的变化共包括900个轨迹，其中76个（8%）被归类为系统的影响，面积有54514公顷，占整个景观面积的35.8%和研究期间变化的面积的88.5%。对于LUCC和娱乐的机会之间的关系进一步分析中，只考虑那些在每一个时期对景观的影响超过1%的系统轨迹。因此，有15个轨迹被确定，依次分为以下十类（表2）。 最重要的一个轨迹，包括15.3的景观，是在1999年后，最近的古龄林到次生林的退化（G类，表2）。它的空

31、间分布正好与古龄林分布相符，占在研究期间发生所有森林退化的18.5。次重要的一类是从农牧用地的早期清理（C类，表2），它代表了6.1的景观。这些轨迹发生在最适宜于农业的土壤中，也发生在该市的西北侧，其特点是存在对农业有严格限制的土壤和自给自足的农业系统。 第三重要的一组包括3.1%的景观（E类，表2）是以由选择性伐木产生的老龄林循环退化为代表的。最后，其余类由代表比例较小的景观的轨迹组成。其中早期森林砍伐（B类，表2）时由两个在不同时期老龄和次生林到灌丛的轨迹组成的；逐步砍伐森林（F类；表2）的特点是初始变化是从树木灌丛到农牧用地，此后持续；和最近的森林砍伐（类H；表2）的特点是持续直到199

32、9的老龄林，最近的轨迹是在最后一个时期向灌木丛过渡。这个轨迹集中在该市东南部，主要是大型林场存在的地区。 总体而言，研究结果表明，景观已受森林退化轨迹的控制（OGF到SF和SF到SHR和ASH）。表2 1976-2007年安库德市在每个分析时期内超过1%的景观的主要土地利用变化轨迹1976198519992007面积（ha）名称类别OGFSFSFSF686早期老龄林退化ASFASHASHASH1,837早期森林砍伐BOGFASHASHASH1,667早期森林砍伐BSHAPLAPLAPL7,187早期农牧用地清理CASHAPLAPLAPL2,138早期农牧用地清理CSHSHAPLAPL1,735近期农牧用地清理DO