全 文 ：第 ３６ 卷第 １２ 期
２０１６年 ６月
生 态 学 报
ＡＣＴＡ ＥＣＯＬＯＧＩＣＡ ＳＩＮＩＣＡ
Ｖｏｌ．３６，Ｎｏ．１２
Ｊｕｎ．，２０１６
ｈｔｔｐ： ／ ／ ｗｗｗ．ｅｃｏｌｏｇｉｃａ．ｃｎ
基金项目：云南省科技计划项目（２０１２ＣＡ０１３）
收稿日期：２０１３⁃０４⁃１９； 修订日期：２０１６⁃０１⁃１４
∗通讯作者 Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ．Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｄｏｎｇｒｅｎｃａｉ＠ ｒｃｅｅｓ．ａｃ．ｃｎ
ＤＯＩ： １０．５８４６ ／ ｓｔｘｂ２０１３０４１９０７５０
曹慧明，董仁才，邓红兵，余丽军，刘建军，王豪伟，马赫．区域生态系统重心指标的概念与应用．生态学报，２０１６，３６（１２）：３６３９⁃３６４５．
Ｃａｏ Ｈ Ｍ， Ｄｏｎｇ Ｒ Ｃ， Ｄｅｎｇ Ｈ Ｂ，Ｙｕ Ｌ Ｊ， Ｌｉｕ Ｊ Ｊ， Ｗａｎｇ Ｈ Ｗ， Ｍａ Ｈ．Ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｐｔ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｅｎｔｒｏｉｄｓ ｉｎ ｔｈｅ ｓｐａｔｉａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｒｅｇｉｏｎａｌ ｅｃｏｓｙｓｔｅｍｓ．
Ａｃｔａ Ｅｃｏｌｏｇｉｃａ Ｓｉｎｉｃａ，２０１６，３６（１２）：３６３９⁃３６４５．
区域生态系统重心指标的概念与应用
曹慧明１，２，董仁才１，∗，邓红兵１，余丽军３，刘建军４，王豪伟５，马 赫５
１ 中国科学院生态环境研究中心，城市与区域生态国家重点实验室，北京 １０００８５
２ 中国科学院大学，北京 １０００４９
３ 丽江泸沽湖省级旅游区管理委员会，丽江 ６７４１００
４ 丽江泸沽湖旅游开发有限公司，丽江 ６７４１００
５ 中国科学院城市环境研究所，城市环境与健康重点实验室，厦门 ３６１００３
摘要：生态系统重心的变化可以反映生态系统整体的空间变化的特征和趋势，但是，目前生态系统重心这一指标只是简单作为
指示社会经济变化的因子，或是作为辅助的角色用于探索生态景观格局的变化，其重要性一直未受到足够的重视。 在阐述生态
系统重心指标的概念及内涵，总结国内外有关重心应用研究成果的基础上，以川滇两省共同确立的泸沽湖生态保护区为例，运
用重心理论分析了 １９９０—２００５年该流域生态系统重心的变化及影响因素。 结果表明，泸沽湖流域农田、森林、草地、湿地和人
居用地均具有相对独立且稳定的重心区间。 相对来说，人居用地和农田重心的变化幅度明显大于其他用地，其重心均总体向东
南方向偏移，不断靠近泸沽湖水体。 ２００５年人居用地和农田重心均有所回撤，这主要是因为 ２００３ 年泸沽湖景区进行调整，政
策的强制干预导致其重心回撤。 分析重心变化的影响因素发现，区域旅游业发展带来的人类干扰加剧及国家的生态保护政策
主导重心变化。 在总结前人研究和应用案例具体分析发现，由于重心理论假设区域背景为匀质平面，分析是基于二维空间进
行，而不考虑海拔维度，这就限制了重心模型应用的深度和广度。 但是在泸沽湖这样地形复杂多变的区域，地形因素在该区域
生态系统变化过程中的作用不容忽视。 因此，应尽快完善在垂直空间应用重心理论的研究方法并加强相关研究。
关键词：生态系统重心；概念；应用；重心变化；泸沽湖
Ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｐｔ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｅｎｔｒｏｉｄｓ ｉｎ ｔｈｅ ｓｐａｔｉａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｒｅｇｉｏｎａｌ
ｅｃｏｓｙｓｔｅｍｓ
ＣＡＯ Ｈｕｉｍｉｎｇ１，２， ＤＯＮＧ Ｒｅｎｃａｉ１，∗， ＤＥＮＧ Ｈｏｎｇｂｉｎｇ１，ＹＵ Ｌｉｊｕｎ３， ＬＩＵ Ｊｉａｎｊｕｎ４， ＷＡＮＧ Ｈａｏｗｅｉ５， ＭＡ Ｈｅ５
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
ｈｔｔｐ： ／ ／ ｗｗｗ．ｅｃｏｌｏｇｉｃａ．ｃｎ
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
区域生态系统为区域的社会经济发展提供诸多服务功能，不但为人类生存提供了实物性生态产品，如木
材、食物和工业原料等，还具有在区域尺度上调节气候，净化环境，减轻自然灾害等多方面功能［１⁃３］。 但随着
人口的膨胀和区域社会经济的发展，人类对区域生态系统的开发和破坏逐步增大。 人类对自然资源的过度开
发和向生态系统中排放大量生活生产产生的污染物，导致了一系列威胁人类生存和发展的生态环境危机，其
实质是人类对区域生态系统功能和重要性的认识不够深入。 因此，如何科学的表征和研究区域生态系统的功
能和变化至关重要。
景观格局的空间特征是景观生态学的核心，是景观异质性的具体体现，可以通过景观均匀度、聚集度、蔓
延度等指标进行表征［４］，但是这些指标很难在区域景观水平反映生态系统类型整体的长期空间变化特征。
许多研究表明生态系统重心可以综合反映某一子系统（斑块类型）空间位置、转移及结构［５⁃６］。 重心是地理学
上表征同一类型要素不同样本之间的代表性区位，其空间变化可以揭示这一类型要素总体的空间动态格局。
采用所有同质性斑块重心作为生态系统变化空间特征研究的关键依据，有助于揭示生态系统空间变化规律，
能够综合评估生态系统变化趋势。 重心转移往往与稳定系统的动态平衡、负反馈等特征之间存在矛盾或差
异［７］，这就体现了重心转移的合理性评价的重要性，也使人为干预、控制和调节的可能性有理可循。
生态系统重心是借鉴人口重心的概念发展起来的［８］，对于自然生态系统来说，重心主要受到两个要素决
定，生态系统中的每一子系统（斑块或者景观网格单元）的面积及其空间位置。 对于既定的子系统来说面积
一般是确定的，因此，确定每个子系统的地理位置是确定生态系统重心的关键［９］。 常用的方法是采用子系统
的质心或者重心的坐标来表征。 对于匀质的物体，重心的位置只跟物体的形状有关［１０］。 因此，生态系统重心
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是在假设一个区域为质地均匀的平面，区内的每一子系统各自为匀质物体的条件下，该子系统在该地区空间
平面上力矩达到平衡的一点。 基于这样的假设，生态系统重心也就是子系统形状分布的几何中心［１０］。 由于
系统重心由多个子系统共同决定，而斑块或者景观网格单元的分布常常是不连续的分散分布，因此，重心可能
并不位于任何一个斑块或者景观网格单元内。 因此，重心绝对位置意义不大，其运动方向、速度和强度是表征
某一物质在空间上变化的有效指标［６］。 在一个独立的区域内，生态系统类型斑块个体相对离散并随环境压
力存在较大变动，但所有同质性的斑块具有相对稳定的共同重心，这是能够体现生态系统类型变化状态的关
键指标。 稳定的生态系统必然有相对稳定的重心，其变化方向和程度应该是稳定在一定的空间范围内的，且
变化是可逆的。
重心理论在众多领域被广泛应用，尤其是在社会经济领域，区域、国家及全球尺度均有研究涉及。 研究对
象从人口、经济、产业、城市及城市群的重心的分布特征、动态转移路径及空间演变规律、到食品和能源格局及
安全等［１１⁃１９］。 重心还在专题制图中起到有效作用［２０⁃２１］。
重心理论在生态系统变化和监测过程中也发挥巨大作用。 Ｈａｍｅｌ 等［２２］运用重心理论分析物种活动范围
的重心。 卢娜等［１０］通过重心理论分析我国农田生态系统碳净吸收的空间变化规律。 Ｍａｏ 和 Ｃｈｅｒｋａｕｅｒ［２３］分
析了生态系统地理重心的转移对区域气候及水文状况的影响。 通过植被重心迁移可以明确植被的时空演变
过程，了解生态系统服务及价值的空间分布和变化［２４］。 高志强等［２５］通过我国耕地面积的重心变化，分析了
我国耕地质量下降的状况。 重心变化耦合区域生态背景的分析有助于评价生态环境质量［２５⁃２６］，为土地利用
的规划决策提供方向。 而综合多项要素重心分布的空间结构和变化可以反映各要素之间的关联度的强弱，从
该结构的动态变化中可分析出其运动趋势的合理性和对其变量产生的影响及影响程度。 比如，区域环境污染
重心识别及与经济重心的协同效应分析能识别出经济发展对区域污染的驱动效应［２７］。 将土地利用重心与经
济重心迁移进行对比研究，不仅有助于分析区域土地资源开发利用情况，揭示区域内社会经济发展空间差异，
还可以从资源和经济两个角度对重心迁移进行相互印证研究，从而拓宽区域重心理论研究的领域。 但是，研
究发现由于区域的不均衡发展，不同要素重心往往呈现背离的现象，研究重心的背离程度可以为区域未来的
协调发展提供指导方向［２８⁃２９］。
但是，目前生态系统重心这一指标不是作为简单指示社会经济变化的因子，就是作为辅助的角色用于探
索生态景观格局的变化，其重要性一直未受到足够的重视。 因此，本文在阐述生态系统重心指标的概念及内
涵，总结国内外有关重心应用的研究成果的基础上，以川滇两省共同确立的泸沽湖生态保护区为例，运用重心
理论分析了近 １５年来该区域生态系统重心的变化，并分析重心变化的影响因素。
１ 研究方法
１．１ 区域概况
泸沽湖流域位于我国四川省和云南省的交界处，地理坐标为 ２７°３６′５５″—２７°４７′２″Ｎ， １００°４３′３６″—１００°
５４′２０″Ｅ之间。 该区域位于低纬度高原季风气候带，垂直差异和小区域气候特征明显。 由于湖水的调节功能，
年温差较小。 因地形起伏较大，有明显的立体气候特点。 泸沽湖流域是摩梭人分布相对集中的地区，该区域
是以保持摩梭人母系氏族文化特征，具高原湖泊景观特色，融自然山水与民族风情于一体的风景资源类型。
１．２ 研究数据
利用 １９９０年、１９９５年、２００１年和 ２００５年 ４期的 ３０ｍ Ｌａｎｄｓａｔ ＴＭ遥感影像数据，依据泸沽湖流域的植被
类型、土地利用特点，将泸沽湖流域主要生态系统类型分为农田生态系统、森林生态系统、草地生态系统、湿地
生态系统 ４个自然生态系统，以及 １个人居环境子系统，共计 ５种类别。
１．３ 计算方法
生态系统重心一般用研究要素的重心坐标来表达。 这些要素既可以是基于分区（行政区或按需分区）的
人口、产值、粮食产量等，也可以是基于斑块或者景观网格单元的面积或质量。 本研究中某一生态系统重心坐
１４６３ １２期 曹慧明 等：区域生态系统重心指标的概念与应用
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标是基于斑块的面积进行计算，可用下式表达［１１］：
Ｘ ｔ ＝
∑ ｎｉ ＝ １（Ｃ ｔｉ × Ｘ ｉ）
∑ ｎｉ ＝ １ Ｃ ｔｉ
Ｙｔ ＝
∑ ｎｉ ＝ １（Ｃ ｔｉ × Ｙｉ）
∑ ｎｉ ＝ １ Ｃ ｔｉ
式中，Ｘ ｔ、Ｙｔ分别表示第 ｔ年某斑块重心的经纬度坐标；Ｃ ｔｉ表示第 ｔ年斑块 ｉ的面积；Ｘ ｉ、Ｙｉ表示 ｉ的几何中心的
经纬度坐标；ｎ为斑块个数。
设第 ｔ、ｔ＋ｎ年斑块重心坐标分别为 Ｐ ｔ（Ｘ ｔ，Ｙｔ）、Ｐ ｔ ＋ ｎ（Ｘ ｔ ＋ ｎ，Ｙｔ ＋ ｎ），那么，重心 Ｐ ｔ向 Ｐ ｔ ＋ ｎ偏移的距离 ｄ可用下
面的模型表示：
ｄ ＝ （Ｘ ｔ ＋ｎ － Ｘ ｔ） ２ ＋ （Ｙｔ ＋ｎ － Ｙｔ） ２
２ 研究结果
２．１ 生态系统重心变化
１９９０—２００５年各生态系统重心位置见表 １。 可以看出，该区域农田、森林、草地、湿地和人居用地均具有
相对独立且稳定的重心区间，这和该区域对泸沽湖及周边地区的保护密切相关。 农田与人居用地的重心区域
有所重叠，说明农田与人类活动的相关程度最高，相对受到较大的人为干扰和调控。 相对来说，森林、草地和
湿地的重心更稳定，而人居用地和农田重心的变化幅度相对较大。
表 １ 生态系统重心空间位置坐标
Ｔａｂｌｅ １ Ｔｈｅ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｏｆ ｅｃｏｓｙｓｔｅｍ ｃｅｎｔｒｏｉｄｓ
类型 Ｔｙｐｅ 经度 ／纬度Ｌｏｎｇｉｔｕｄｅ ／ Ｌａｔｉｔｕｄｅ
年份 Ｙｅａｒ
１９９０ １９９５ ２００１ ２００５
农田 Ｃｒｏｐｌａｎｄ Ｅ １００°４３′１５．６″ １００°４５′１８″ １００°４６′４０．８″ １００°４４′３１．２″
Ｎ ２７°４５′５．７６″ ２７°４４′４７．０４″ ２７°４４′４４．５２″ ２７°４５′３．９６″
森林 Ｆｏｒｅｓｔｌａｎｄ Ｅ １００°４７′１３．２″ １００°４８′２５．２″ １００°４７′２４″ １００°４７′６０″
Ｎ ２７°４４′２３．２８″ ２７°４４′１８．９６″ ２７°４４′２２．２″ ２７°４４′１７．８８″
草地 Ｇｒａｓｓｌａｎｄ Ｅ １００°４７′１６．８″ １００°４６′５８．８″ １００°４６′４．８″ １００°４６′４４．４″
Ｎ ２７°４４′４７．４″ ２７°４５′７．９２″ ２７°４５′６．８４″ ２７°４４′５８．２″
湿地 Ｗｅｔｌａｎｄ Ｅ １００°４７′２０．４″ １００°４７′１６．８″ １００°４７′３８．４″ １００°４７′５６．４″
Ｎ ２７°４３′４０．０８″ ２７°４３′２８．２″ ２７°４３′０．１２″ ２７°４３′２５．６８″
人居 Ｂｕｉｌｔ⁃ｕｐ ｌａｎｄ Ｅ １００°４３′３７．２″ １００°４２′５７．６″ １００°４４′３４．８″ １００°４２′５４″
Ｎ ２７°４４′５２．０８″ ２７°４５′２９．５２″ ２７°４３′４６．５６″ ２７°４４′４７．０４″
表中坐标表示法为（ｘ，ｙ），其中 ｘ坐标去除了北京 ５４坐标系中的带号 １７
重心是区域内各要素矢量的合力点，而各要素变化方向和速率迥异，因此，生态系统重心是一个动态的指
标［７］，由于生态系统本身的反馈机制，稳定的生态系统的重心总是在一定的范围内通过不断的折返达到分布
态势多年变化不大的情况。 而处于扰动中的生态系统，其重心往往朝某个方向持续变化，直至达到新的相对
稳定的状态。 本研究中，草地、森林和湿地的重心变化范围较小，且呈不断折返的变化趋势，说明这些生态系
统处于稳定的动态平衡中。 而人居和农田用地的重心变化范围则相对较大。 １９９０—２００１ 年，人居用地和农
田的重心均总体向东南方向偏移，不断靠近泸沽湖水体，这说明人居环境和农田生态系统朝水资源应用更便
利的方向移动，也是对水资源利用和干扰程度加强的表现（图 １）。
从重心偏移距离来看，１９９０—２００１年，除森林生态系统外的其他生态系统的重心偏移距离均呈不同程度
的持续增加，农田和人居的重心变化距离相对较大，分别为 ５６７５ｍ 和 ２５７６ｍ。 ２００５ 年，这些生态系统重心偏
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图 １ 不同时期生态系统重心变化示意图
Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｓｃａｔｔｅｒ ｐｌｏｔ ｏｆ ｅｃｏｓｙｓｔｅｍ ｃｅｎｔｒｏｉｄｓ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｙｅａｒ
移距离均呈不同程度的回撤，与 ２００１ 年相比，农田、草地和人居重心的回撤距离超过 ５０％（表 ２），这是 ２００３
年泸沽湖景区的强制干预政策起作用的体现。 与其他生态系统不同的是，森林生态系统的重心一直在一定范
围内呈折返变化，１９９０—１９９５年森林的重心移动了 １９４２ｍ，这也是研究期内森林重心移动的最大距离，之后
重心折返，２００５年，重心总体呈相反方向变化，景区的干预政策对森林重心的变化方向几乎没有影响，这也间
接证明了森林生态系统自身的稳定性。
表 ２ 生态系统类型重心的偏移距离 ／ ｍ
Ｔａｂｌｅ ２ Ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｅｃｏｓｙｓｔｅｍ ｃｅｎｔｒｏｉｄｓ
类型
Ｔｙｐｅ
年份 Ｙｅａｒ
１９９５ ２００１ ２００５
类型
Ｔｙｐｅ
年份 Ｙｅａｒ
１９９５ ２００１ ２００５
农田 Ｃｒｏｐｌａｎｄ ３４９４ ５６７５ ２１３９ 湿地 Ｗｅｔｌａｎｄ ３８０ １３４８ １１４３
森林 Ｆｏｒｅｓｔｌａｎｄ １９４１ ２７６ １２２６ 人居 Ｂｕｉｌｔ⁃ｕｐ ｌａｎｄ １５７０ ２５７６ １２２３
草地 Ｇｒａｓｓｌａｎｄ ８４４ ２０６８ ９９４
移动距离是以 １９９０年为基准进行计算
２．２ 重心变化的影响因素
１９９０年，该区域旅游业刚刚起步，仅有少量的游客，旅游设施很少。 泸沽湖风景区相对封闭，泸沽湖自然
保护区的建设以绝对的生态保护为目的。 周边各村均以农业收入为主，森林、草地生态系统不同程度的转化
为农田生态系统，建筑用地少，人居环境系统与自然生态系统呈有机结合的状态［３０］。 到 ２０００ 年，泸沽湖风景
区内基本形成以旅游为主导的经济发展模式。 游客数量猛增，该地区的人居环境设施，包括居民地、道路、码
头和旅游设施等逐年增长，且有加速上升的趋势（图 ２），对流域内资源的需求和干扰持续增加。 因此，人居环
境的重心受人类活动干扰的影响，在景区管理政策强制干预前，人居环境重心一直朝泸沽湖水体靠近，表明人
类活动增强对区域生态系统结构变化的影响。
旅游业作为该地区主要支柱产业前，周边各村均以农业收入为主，因此，森林、草地生态系统不同程度的
３４６３ １２期 曹慧明 等：区域生态系统重心指标的概念与应用
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转化为农田生态系统，１９９５年和 ２０００年耕地面积分别比 １９９０ 年增加 １６．３％和 １２．６％，随着国家大力推行退
耕还林还草工程，天然林保护工程初见成效，到 ２００５ 年，耕地面积比研究期内的历史最高值下降超过 ４０％。
另外，野外调查和资料分析表明，泸沽湖流域退耕还林工程年均造林面积超过 １３０ｈｍ２，约占流域面积的０．６％。
造林地立地类型主要分为坡耕地和荒地两种，泸沽湖水体周围有大量的耕地被退耕为林地。 因此，耕地面积
的变化和退耕还林工程的布局都直接影响区域耕地重心的变化。
图 ２ 泸沽湖流域游客数量及人居环境面积
Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ Ｔｏｕｒｉｓｔｓ ａｎｄ ｂｕｉｌｔ⁃ｕｐ ａｒｅａｓ ｏｆ Ｌｕｇｕ Ｌａｋｅ ｄｕｒｉｎｇ １９９０
ｔｏ ２００５
图 ３ 泸沽湖流域耕地面积及比例
Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ ａｒｅａ ａｎｄ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ｏｆ ｃｒｏｐｌａｎｄ ｉｎ Ｌｕｇｕ Ｌａｋｅ ｄｕｒｉｎｇ
１９９０ ｔｏ ２００５
３ 讨论
生态系统中的各种物质和能量在空间上的聚散和迁移，便产生了某一时刻的重心问题［２５］，因此，重心研
究可以在众多领域进行应用。 生态系统重心的位置变化在探索生态系统变化时具有有效性和优越性。 即使
在生态系统类型总面积变化不大的情况下，其重心移动可能导致生态系统质量受到影响［２５］，因此，重心是表
征生态系统综合变化的有效指标。 人居环境用地和耕地是泸沽湖流域受人类活动影响最大的两种类型，分析
其重心变化及影响因素，有助于揭示区域发展的空间变化规律。 重心变化是多项因素综合影响的结果，驱动
因素复杂多变，人口增长和经济发展等人类干扰是主要因素。 在泸沽湖流域，由于旅游业发展带来的人口增
长等压力导致重心变化，并改变生态系统的结构和功能。
虽然重心理论已在生态系统研究中被广泛应用，但目前仍存在许多问题。 针对基于遥感分类的景观斑块
进行重心分析时，其面积、位置与分类设置（例如最小图斑面积）及处理精度密切相关，所选择的研究区域范
围的大小也会直接导致重心发生不同的变化。 此外，由于数据的可获得性和计算的简便，对某社会经济要素
进行分析时，将研究区域根据研究需要分成不同的分区，假设各分区都为平面上的一个质点，研究要素集中在
这些质点上，这种忽视分区内部异质性的简化将妨碍细节数据挖掘提供更精准的结果。 另外，该理论假设区
域背景为匀质平面，也就是说分析是基于二维空间进行，而不考虑海拔维度等地形条件，但海拔、坡度和坡向
作为重要的生态因子，对植物的生长和分布以及人类活动的开展都有重要的影响［３１］。 泸沽湖流域地形复杂
多变，地形因素在该区域生态系统变化过程中的作用不容忽视［３２］。 因此，在这些地形起伏较大的区域应用重
心理论时应根据实际情况考虑高程、坡度与坡向等因子的影响。
目前重心理论在海拔、坡度和坡向等方面鲜有应用。 这是因为，在研究生态系统垂直空间变化时，一般通
过建立区域 ＤＥＭ模型提取地形数据，将生态系统类型时空变化数据与各地形数据进行叠加分析，获取各生态
系统时空演变的地形特征［３１］。 但是，重心由多个子系统（斑块或景观网格单元）共同来决定的，由于各斑块
相对位置状况，重心可能并不位于任何一个斑块内［２５］，例如本文中森林生态系统的重心分布在水面上，这就
导致绝对位置本身并没有多少现实意义。 因此，在研究生态系统重心在垂直空间的变化特征和规律时，就不
能简单叠加 ＤＥＭ模型提取地形数据。 但是目前，在垂直空间应用重心理论的研究方法还不完善，在今后的研
究中应尽快完善研究方法，拓宽重心模型应用的广度和深度。
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