關(guān)鍵詞生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)；生境破碎化；廣義可加模型；地理探測器；湖北省

中圖分類號 X171 文獻標識碼A

文章編號 0517-6611（2025）14-0067-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2025.14.014

開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Effect of Habitat Fragmentation Process on Ecosystem Service Change in Hubei Province

YIN Ze-fen， ZENG Jing（Schol of Economics and Management， Yangtze University， Jingzhou，Hubei 434023）

AbstractObective]ToexploretherelatioshipetweenecosysteservicesandhabiatfragmentatoninHubeiProvice.MethodUsing landusedatafrom5andOO，indicatorssuchashabitatareratio（M），averageEuclideannearestneighbordtancebetwnbiats （N）andhabitatedgelength（P）werecalculated.TheInVESTmodelwasusedtoevaluatethevalueoffourecosystemservices：waterconservation，soilonseatiocarbonsoagendbiatualitctsofdinthbafrgmentatioproeosic changeandtheirinteractiosereaalydbygeneralidditieodelsandgeogaphicdetectors.Resultedgreeofbiatfragta tionin HubeiProvince was intensifiedfrom 2O05to 2O2O，with adecrease inM，an increase inN，andan increase in P for various habitat types.ThecosstemservicevueinHubeirovincedecreasedfistndtenincreasd，inhichwateronservationandsoiloseation weremainlyafectedbyimatefactos，carbonstorageandabiatqualityeremainlyectedbyabitatfragmentationTeetofbiat fragmentationprocsonecosystemservicesinHubeiProvincewaslinearornon-linear，andthereasapostiveonlinearenhanceentbe tweendifretproces.ocsiosdyprdessietifsisdfeecsiosprotectiodag system services in Hubei Province.

KeywordsEcosystemservice;Habitatfragmentation;Generalizedadditive model;Geographicdetector;Hubei Province

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)（ESS）是指自然生態(tài)系統(tǒng)為人類提供的各種有益的功能和價值，如水源涵養(yǎng)、土壤保持、碳儲存和生境質(zhì)量等。ESS是人類生存和發(fā)展的重要基礎(chǔ)，也是衡量生態(tài)文明建設(shè)成效的重要指標。因此，評估和保護ESS對于實現(xiàn)人與自然和諧共生具有重要意義[1]。然而，隨著人口增長和經(jīng)濟發(fā)展，自然生態(tài)系統(tǒng)面臨著日益嚴重的破壞和退化，導致ESS的供給能力下降和流失。生境破碎化是自然生態(tài)系統(tǒng)變化的重要表現(xiàn)形式，指的是原來連續(xù)的生境被非生境所替代，導致生境的總面積減少、分布更加分散和邊緣化[2]。生境破碎化會影響生境內(nèi)部的物質(zhì)循環(huán)和能量流動，改變生物多樣性和生態(tài)過程，從而影響ESS的供給和流動。

近年來，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的研究已成為全球環(huán)境變化和可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域的熱點。國際上，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的概念自20世紀末以來迅速發(fā)展，特別是聯(lián)合國千年生態(tài)系統(tǒng)評估（MA）項目，極大地推動了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究的深入[3]。國內(nèi)學者也積極參與到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的研究中，特別是在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的價值評估、供需平衡與流轉(zhuǎn)、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡和協(xié)同等方面取得了一系列進展[4]

湖北省是中國中部的一個重要省份，擁有豐富的自然資源和生態(tài)系統(tǒng)類型，包括山地、丘陵、平原、湖泊和河流等。湖北省的自然生態(tài)系統(tǒng)為當?shù)睾拖掠蔚貐^(qū)提供了多種ESS，如水資源調(diào)節(jié)、水土保持、氣候調(diào)節(jié)、生物多樣性保護等。然而，近幾十年來，湖北省的自然生態(tài)系統(tǒng)也遭受了快速的城市化和工業(yè)化的沖擊，導致生境的大量喪失和破碎化，威脅了ESS 的供給和質(zhì)量[5]。因此，探討湖北省生境破碎化過程對ESS變化的影響，對于科學評估和保護湖北省的ESS具有重要的理論和實踐意義。筆者定量分析湖北省2005—2020年的生境破碎化過程，評估湖北省4種主要ESS（水源涵養(yǎng)、土壤保持、碳儲存和生境質(zhì)量）的時空變化，并利用廣義可加模型和地理探測器，分析不同生境破碎化過程對ESS變化的影響及其交互作用，以期為湖北省的ESS保護和管理提供科學依據(jù)和參考建議。

1資料與方法

1.1研究區(qū)域概括湖北省位于中國中部，地理位置為108^°21^′～116^°07^′E?29^°05^′～33^°20^′N ，面積18.59萬 km² ，占全國的 1.94% 。湖北省屬于亞熱帶季風氣候，年均氣溫在 15～ 17^qC ，年降水量在 800～1600mm ，呈現(xiàn)由西南向東北遞減的趨勢。湖北省地形復(fù)雜多樣，由山地、丘陵、平原和水域等構(gòu)成，其中山地和丘陵占全省面積的 84% ，平原和水域共占16% 。湖北省擁有豐富的生物資源和生態(tài)系統(tǒng)類型，主要包括森林、農(nóng)田、草地、濕地和水域等，其中森林覆蓋率達到40.6% ，濕地面積達到1.12萬 km² 。湖北省的自然生態(tài)系統(tǒng)為當?shù)睾拖掠蔚貐^(qū)提供了多種ESS，如水資源調(diào)節(jié)、水土保持、氣候調(diào)節(jié)、生物多樣性保護等。

1.2數(shù)據(jù)來源該研究使用2005和2020年的 30m 分辨率土地利用數(shù)據(jù)、 30m 分辨率的數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)、1km 分辨率的MODIS歸一化植被指數(shù)（NDVI）數(shù)據(jù)[6]，這些數(shù)據(jù)均來自中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心。土地利用分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和裸地6種類型。如圖1所示，2020年湖北省的主要土地利用類型是耕地，占總面積的 48.90% ;其他自然土地利用類型包括林地（ 28.36% ）、草地（ 3.45% 和水域 （7.43%） ；林地和草地主要分布在湖北省的北部和西部，而耕地和水域則主要分布在南部和東部，并被大量的建設(shè)用地所包圍[7]

該研究還使用來自中國氣象數(shù)據(jù)服務(wù)中心的氣候數(shù)據(jù)，包括降水量、氣溫、風速、水汽壓和日照時數(shù)，這些數(shù)據(jù)是從湖北省23個省級氣象觀測站收集的。在該研究中，2005和2020年所使用的氣候數(shù)據(jù)為年平均值。湖北省的流域和子流域的矢量數(shù)據(jù)來自國家地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)中心。土壤數(shù)據(jù)來自中國土壤數(shù)據(jù)庫，基于湖北省34個土壤采樣點的采樣和試驗分析。

1.3研究方法該研究選擇了4種自然的土地利用類型（耕地、林地、草地和水域），因為它們對水源涵養(yǎng)、土壤保持、碳儲存和生境質(zhì)量這4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)至關(guān)重要，并分別評估了2005和2020年的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)（ESS）。為了獲得足夠數(shù)量的樣本來分析生境破碎化對ESS的影響[8，通過ArcGISv10.2 中的創(chuàng)建漁網(wǎng)將湖北省的 30m 土地利用圖劃分為10569個網(wǎng)格，每邊 6km 。每個網(wǎng)格由不同的生境和非生境模式組成[9]。在每個網(wǎng)格中，根據(jù)2005和2020年的矢量數(shù)據(jù)，計算了3個反映生境破碎化過程的指標：生境面積比（M）生境間歐氏最近鄰距離的平均值（N）和生境邊緣長度（P）。為了消除其他潛在自然因素（如地形和土壤屬性）的影響，將2年的數(shù)據(jù)層相減，得到同一網(wǎng)格的變化值[10]。通過數(shù)據(jù)預(yù)處理和定量統(tǒng)計分析，研究生境破碎化過程與ESS變化之間的關(guān)系，并分析其他可能影響ESS的因素。

2 結(jié)果與分析

2.1湖北省生境破碎化過程為了定量分析生境破碎化的過程，該研究統(tǒng)計了湖北省2005和2020年的3個生境破碎化指標的變化分布，結(jié)果如表1和圖2所示。從表1可以看出，2005—2020年湖南省生境面積比（M）、生境間歐氏最近鄰距離的平均值（N）和生境邊緣長度（P）的網(wǎng)格增加比例分別為 68.68%，30.80% 和 65.94% ，說明湖北省的許多生境在這段時間內(nèi)變得更加破碎化[1-12]。但也有一小部分生境在網(wǎng)格中出現(xiàn)了面積減少、連通性改善，如 17.79% 生境面積比（M）、 13.06% 生境間歐氏最近鄰距離的平均值（N）和 25.15% 生境邊緣長度（P）的網(wǎng)格。從3個指標的變化程度來看，破碎化仍然是湖北省生境變化的主要過程。湖北省生境面積比、生境間歐氏最近鄰距離的平均值和生境邊緣長度的變化在空間上呈現(xiàn)出不同的分布特征（圖2）。生境面積比和生境邊緣長度的變化分布較為相似，因為生境面積比或生境邊緣長度的網(wǎng)格主要集中在湖北省的東部地區(qū)，而生境間歐氏最近鄰距離的平均值的變化則主要分布在從東部到北部的一些零散地區(qū)。

2.2湖北省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時空變化為了定量分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化，該研究評估了湖北省2005和2020年的4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的 30m 柵格數(shù)據(jù)。通過對這2年的數(shù)據(jù)進行差值計算，并在10569個網(wǎng)格中進行ESS標定，得到的結(jié)果如表2和圖3所示。2005—2020年，水源涵養(yǎng)和土壤保持增加的網(wǎng)格比例分別為 73.83% 和 63.53% ，而碳儲存和生境質(zhì)量減少的網(wǎng)格比例分別為 74.61% 和 65.37% ，其中水源涵養(yǎng)和土壤保持增加的網(wǎng)格與碳儲存和生境質(zhì)量減少的網(wǎng)格比例總和相差不大。進一步比較生境破碎化指標和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化，發(fā)現(xiàn)碳儲存和生境質(zhì)量減少的網(wǎng)格主要集中在東部地區(qū)。這2種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化狀況與生境破碎化指標相似，尤其是與生境面積比（M）和生境邊緣長度（P）的變化一致。這表明生境破碎化可能與碳儲存和生境質(zhì)量的下降關(guān)系密切。而水源涵養(yǎng)和土壤保持的空間分布變化則呈現(xiàn)出明顯的差異性，它們在北部和南部地區(qū)呈現(xiàn)出下降趨勢，而在中部地區(qū)呈現(xiàn)出上升趨勢，這與生境破碎化的分布不同[13-16]。因此，可以推斷生境破碎化對水源涵養(yǎng)和土壤保持的影響可能較為復(fù)雜或微弱。

2.3生境破碎化過程對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的影響為了有效地比較不同生境破碎化過程的影響，該研究選擇了3個生境破碎化過程同時發(fā)生且沒有不同生境類型轉(zhuǎn)換的網(wǎng)格，在去除異常值和標準化數(shù)據(jù)后，得到了1059個樣本，用于分析生境破碎化過程對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的影響[17-21]。共線性檢驗結(jié)果表明，解釋變量（即3個生境破碎化指標的變化值）之間不存在共線性（容忍度 gt;0.1，VIFlt;10 ）。廣義可加模型的結(jié)果顯示，3個生境破碎化過程對碳儲存（ R²=0.956） 和生境質(zhì)量（ R²=0.886 的解釋力度較強，而對水源涵養(yǎng)（ R²= 0.229）和土壤保持（ R²=0.081 ）的解釋力度較弱。根據(jù) P 值（圖4），3個生境破碎化過程的變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響均顯著，除了生境間歐氏最近鄰距離的平均值（N）的變化對碳儲存的影響不顯著。圖4中的模擬曲線顯示了不同生境破碎化過程和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化之間的線性/非線性關(guān)系。3個生境破碎化過程[生境面積比（M）、生境間歐氏最近鄰距離的平均值（N）、生境邊緣長度（P）]與水源涵養(yǎng)和土壤保持呈正相關(guān)，而與碳儲存和生境質(zhì)量呈負相關(guān)。生境面積比與水源涵養(yǎng)和土壤保持呈線性正相關(guān)；而與碳儲存和生境面積比呈近似對數(shù)關(guān)系，且隨著生境面積比的減少，曲線的斜率逐漸降低。生境間歐氏最近鄰距離的平均值（N）與土壤保持呈線性正相關(guān)，與水源涵養(yǎng)呈非線性正相關(guān)，與碳儲存和生境質(zhì)量呈非線性負相關(guān)；隨著生境間歐氏最近鄰距離的平均值（N）的增加，這些曲線的斜率逐漸增大。同理，生境邊緣長度（P）與土壤保持呈線性正相關(guān)；隨著生境邊緣長度的增加，與水源涵養(yǎng)的正相關(guān)關(guān)系的曲線斜率逐漸降低，而與碳儲存和生境質(zhì)量的負相關(guān)關(guān)系的曲線呈“U”形。

為了分析不同生境破碎化過程之間的交互效應(yīng)，該研究采用了地理探測器方法，結(jié)果如圖5和表3所示。研究發(fā)現(xiàn)了3種不同類型的交互效應(yīng)，并且生境破碎化過程之間的影響呈現(xiàn)出非線性增強的特征[22]。此外，不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的交互效應(yīng)也有所不同。對于水源涵養(yǎng)和土壤保持，生境面積比（M）和邊緣長度（P）之間的交互效應(yīng)的Q值最大，且交互效應(yīng)主要呈現(xiàn)出非線性的形式[23]。而對于碳儲存和生境質(zhì)量，生境間歐氏最近鄰距離的平均值（N）和生境邊緣長度（P）之間的交互效應(yīng)的 Q 值最大，且交互效應(yīng)主要呈現(xiàn)出二元的形式。值得注意的是，生境面積的減少是影響碳儲存和生境質(zhì)量的最重要的生境破碎化過程。然而對于水源涵養(yǎng)和土壤保持，3個生境破碎化過程的貢獻差異不大。因此，可以推斷除了生境破碎化之外，還有其他因素對它們有顯著影響[24]

3結(jié)論與討論

該研究定量分析湖北省2005—2020年的生境破碎化過程，評估湖北省4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)（水源涵養(yǎng)、土壤保持、碳儲存、生境質(zhì)量）的時空變化，并利用廣義可加模型和地理探測器，分析不同生境破碎化過程對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的影響及其交互作用，得出以下主要結(jié)論： ① 生境破碎化指標顯示，2005—2020年生境面積比（M）、生境間歐氏最近鄰距離的平均值（N）和生境邊緣長度（P）的網(wǎng)格增加比例分別為 68.68% ） 30.80% 和 65.94% ，表明湖北省生境破碎化程度加劇。同時，部分區(qū)域卻出現(xiàn)生境面積減少與連通性改善的現(xiàn)象。 ② 在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)方面，水源涵養(yǎng)和土壤保持的網(wǎng)格增加比例分別為 73.83% 和 63.53% ，而碳儲存和生境質(zhì)量的減少網(wǎng)格比例分別為 74.61% 和 65.37% 。 ③ 生境破碎化與碳儲存和生境質(zhì)量的下降關(guān)系密切，而水源涵養(yǎng)和土壤保持在不同區(qū)域呈現(xiàn)出不同的變化趨勢。 ④ 交互效應(yīng)分析表明，湖北省生境破碎化過程對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響存在線性或非線性關(guān)系，且不同過程之間存在正向的非線性增強作用。這些結(jié)果揭示了生境破碎化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的復(fù)雜影響機制及其協(xié)同作用，為湖北省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的保護和管理提供了科學依據(jù)。根據(jù)上述研究結(jié)果，建議在景觀規(guī)劃和生態(tài)修復(fù)中綜合考慮生境破碎化的非線性效應(yīng)及不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的協(xié)同或抵消作用，優(yōu)化生境配置和連通性，提高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給能力和質(zhì)量，實現(xiàn)人與自然的和諧共生。

注： a₁，a₂，a₃ 為水源涵養(yǎng)； b₁，b₂，b₃ 為土壤保持; 為碳儲存; d₁、d₂、d₃ 為生境質(zhì)量。

Note ： a₁ a₂，a₃ are water conservation ; b₁，b₂，b₃ are soil conservation; c₁，c₂，c₃ are carbon storage ; d₁，d₂ and d₃ are habitat quality.

表3不同生境破碎化過程與ESS之間的交互作用的 值

該研究的局限性和不足之處如下： ① 使用的土地利用數(shù)據(jù)是基于遙感數(shù)據(jù)的視覺解譯，可能存在一定的誤差和不確定性，影響生境破碎化過程和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的精確度和可靠性。 ② 使用的InVEST模型是基于經(jīng)驗公式和簡化假設(shè)的，可能忽略了一些復(fù)雜的生態(tài)過程和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的內(nèi)在機制，影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估的準確性和合理性。 ③ 該研究僅選擇了4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，沒有涵蓋湖北省所有的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型，也沒有考慮生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相互作用和影響，影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估的完整性和系統(tǒng)性。

未來的研究方向： ① 使用更高分辨率和更準確的土地利用數(shù)據(jù)，提高生境破碎化過程和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的分析精度和可信度； ② 使用更先進和更適用的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估模型，考慮更多的生態(tài)過程和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的內(nèi)在機制，提高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估的準確性和合理性； ③ 使用更多的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型，考慮生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相互作用和影響，提高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估的完整性和系統(tǒng)性。

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