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（Rodrı´guez et 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-Gonza´lez et al. (2012), 和Schirpke et 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（1976–2007）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35–43°）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砍伐率最高（5.4 %/年）的地区之一（Echeverrı´a 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 ° 15ʹ~74°15ʹ W，41°50ʹ~42°15ʹ 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（Dı´az et al. 2011）。 许多自然景点表征研究的景观。其中有Pun˜ihuil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（35–48° 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;Villagra´n and Hinojosa 1997）。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30×30 m专题图，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+） (Echeverrı´a 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（PL），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转变中的变化过程 (Martens and Rotmans 2002, 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（30×30m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 (Marı´n et al. 2010)。