1975—2015年南四湖自然保護區生態系統服務價值時空變化分析

蔣齋,孫小銀,*,劉飛,單瑞峰,樊玉娜,叢文翠

1.曲阜師范大學,日照 276826

2.南四湖濕地生態與環境保護山東省高校重點實驗室,日照 276826

0 前言

生態系統服務是指直接或間接地維持人類生存和發展的生態系統福利,包括供給、調節、支持和文化四種服務[1-3]。生態系統提供生態服務的能力受土地利用類型、社會經濟特征和生態系統的生物物理過程變化的影響[3-5]。土地利用變化是人類活動與生態系統相互作用的最直接表現[6],它必然導致生態系統功能的變化,從而改變生態系統服務價值。土地利用的變化不僅能夠改變景觀格局,還直接影響生態系統的結構和組成。因此,確定生態系統服務價值對土地利用變化的響應是迫切需要的,評估土地利用變化對生態系統服務價值的影響對于土地利用規劃、自然資源管理和生態保護具有重要意義。

土地利用變化顯著影響著生態系統的服務和功能,對生態系統服務價值的估算可用于評估不同土地利用背景下的生態系統狀況和生態效應,對土地利用規劃具有積極的指導作用。近幾十年來,已有眾多專家學者就土地利用變化對生態服務價值的影響研究得出了大量研究成果[5,7-12]。土地利用變化可能會使得某些生態系統的生態服務價值提高而降低其他生態系統提供服務的能力,且生態服務價值的變化取決于土地利用變化的方向和規模。例如,Wang 等[11]揭示了土地利用變化導致寧夏地區的生態系統服務價值總體呈增長趨勢,尤其是生物多樣性保護和土壤形成與保護的生態服務價值明顯增加,而Gashaw 等[5]的研究結果則發現因耕地和建成區的擴張以及林地、草地和灌木叢的衰退導致生態服務價值呈現下降趨勢。然而,目前許多研究只討論了不同時期土地利用變化對生態服務價值的影響,而較少地將生態系統服務價值進行空間化、定量化。隨著對生態系統服務被納入土地利用政策的需求日益增加,進一步探討生態系統服務與土地利用變化之間的深層關系變得尤為重要。

自1978年“南四湖鳥類自然保護區”成為山東省第一個自然保護區,到2003年成立南四湖省級自然保護區[13],南四湖自然保護區成為山東省重要的濕地生態保護區,也是南水北調東線工程重要的調蓄樞紐,承接北京、天津等中國北方多個城市的來水,具有較高的生態保護地位和經濟價值。

改革開放以來,隨著人口、經濟發展以及城市規模的不斷擴大,南四湖地區的土地利用發生了巨大變化。快速的城鎮化和工業化帶來巨大的經濟利益,但同時也給環境和生態系統造成相當大的破壞。南四湖及其相關入湖河流系統的退化導致生態系統提供生態服務的能力逐年下降。因此,本研究探討并分析了1975—2015年南四湖自然保護區土地利用及生態服務價值的時空變化,研究生態服務價值與土地利用變化之間的關系。研究結果能為土地利用管理部門的決策過程提供支持信息。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

南四湖自然保護區 (34°45′—35°34′N,116°56′— 117°36′E)主要位于山東省微山縣內,包含以南四湖為主體的湖區以及周邊水田、旱地等其他土地利用類型,總面積1141.21 km2。南四湖是由南陽湖、獨山湖、昭陽湖和微山湖四個串聯的湖泊組成,自北向南呈長條狀分布,京杭大運河貫穿其中。南四湖既是我國北方地區最大的淡水湖,同時也是山東省最大的水產品基地。南四湖有53 條大大小小的入湖河流,多年平均入湖徑流量為37.4 億m3,平均水深1.46 m[14],平均水溫介于14.9℃—16.0℃之間[15]。南四湖自然保護區位于暖溫帶大陸性季風氣候帶,雨熱同期,四季分明。南四湖自然保護區累年平均氣溫在11.1℃—14.4 ℃之間,年均降雨量約700 mm[16],降水是南四湖及相關河流的主要水源補給。南四湖自然保護區地處鳥類南北遷徙的咽喉地帶,是停歇覓食的良好生境,許多珍稀鳥類在此云集[17]。其中,大天鵝、灰鶴、鴛鴦等國家重點保護鳥類26 種,山東省重點保護鳥類35 種,列入《中國與日本保護候鳥及其棲息環境協定》中的227 種重點保護鳥類南四湖有109 種[15]。

圖1 南四湖自然保護區地理位置示意圖 Figure1 Geographical location of the Nansihu Lake Reserve

1.2 數據來源及處理

本研究所用數據包括土地利用數據、數字高程模型(DEM)以及山東省主要糧食作物價格等數據。土地利用數據包含8 期,其中1980、1990、1995、2000、2005、2010 和2015年的土地利用數據(30 m× 30 m)來源于中國科學院資源環境數據中心(http:// www.resdc.cn/)。1975年土地利用數據來源于遙感影像解譯,以南四湖自然保護區Landsat MSS 影像(60 m×60 m)為基礎,利用ENVI 4.7 進行人工交互式目視解譯獲得,解譯結果的檢驗精度＞90%。根據劉紀遠等[18]提出的中國土地利用/土地覆被遙感分類系統,將南四湖自然保護區土地利用類型劃分為7 種類型,分別是水田、旱地、林地、草地、水體、建成區和未利用地。其中未利用地主要為沼澤地和裸巖石質地,還包括極少量的沙地、裸土地和鹽堿地等。DEM 數據來自于美國馬里蘭大學全球土地覆被數據庫(http://glcfapp.glcf.umd.edu/)。山東省主要糧食作物價格數據來自于山東省物價局。

1.3 土地利用變化分析

運用ArcGIS 空間分析功能,將1975—2015年的8 期土地利用數據進行地圖代數疊加運算,建立土地利用轉移矩陣,從而分析南四湖自然保護區的土地利用變化特征。林地、草地、水體、建成區、未利用地、水田和旱地的編碼分別為1、2、3、4、5、6、7。具體公式如下[19]:

式中:N為研究期間由土地利用代碼生成的新的圖譜單元;A為前一個研究時段的土地利用圖譜單元;B為后一個研究時段的土地利用圖譜單元。

土地利用強度是反映人類干擾的重要指示因子,土地利用類型可以表明不同的人類活動和土地開發利用程度,影響并改變著區域的生態系統服務價值。本研究參考Hu 等[20]制定的土地利用強度并進行微調,將水田、旱地、林地、草地、水體、建成區和未利用地的土地利用強度分別賦值為0.525、0.545、0.114、0.215、0.120、0.936 和0.063。

1.4 生態系統服務價值評估

生態系統服務被劃分為四種類型,分別是供給服務、調節服務、支持服務和文化服務[21],每一種類型又包含多種子服務(表1)。基于謝高地[22]提出的生態系統服務功能分類方法,進一步的將生態系統服務劃分成11 種子服務,包括食物生產、原料生產、水資源供給、氣體調節、氣候調節、水文調節、凈化環境、水土保持、維持養分循環、生物多樣性和美學景觀。

根據Costanza 等[3,21]和謝高地等[22]提出的生態系統服務價值計算方法,其生態系統服務價值計算公式如下:

式中:ESV為估計的生態系統服務價值(US$·a-1),ESVf為估計的生態系統服務功能價值(US$·a-1),Ak為第k類土地利用類型的分布面積(hm2),VCk為第k類土地利用類型的單位面積生態系統服務價值系數(US$/(hm2·a)),VCfk為第k類土地利用類型的單位面積生態系統服務功能價值系數(US$/(hm2·a))。

根據謝高地等[22]的研究,1 個標準生態系統服務的價值系數相當于1 hm2農田生態系統多年平均自然糧食產量的經濟價值,是單位面積農作物產量市場價值的1/7[23]。為消除農作物價格對生態系統服務總價值的影響,采用山東省主要糧食作物小麥和玉米的播種面積、單產和與其相對應的2015年山東省各農作物平均價格為基準。計算出南四湖流域農田自然糧食產量的經濟價值為331.40 US$·hm-2。其計算模型如下:

式中:Ea為南四湖流域單位面積農田生態系統提供 生產服務功能的經濟價值(US$·hm-2);i為作物種類;n為糧食種類數;Pi為i種糧食作物山東省平均價(US$·kg-1);qi為i種糧食作物單產(kg·hm-2);mi為i種糧食作物面積(hm2);M為i種糧食作物總面積。

結合本研究實際,將本研究中的水田、旱地分別與謝高地等(2015)研究中的水田和旱地對應;林地與森林對應,取其[21]四種二級地類(針葉、針闊混交、闊葉、灌木)的平均值;草地與草地對應,而研究區內的草地以中覆蓋度草地為主,所以取其3 種二級地類的均值;水體與水域對應,取其二級地類水系的價值系數;因城鄉建設用地的生態效益較小,本文不予以考慮,其生態服務價值為0;研究區內的未利用地以沼澤地和裸巖石質地為主,取其[22]濕地值的1/2。基于以上分析,本研究確定了南四湖自然保護區不同土地利用類型的生態服務價值系數,如表1所示。

1.5 空間統計分析

土地利用面積和生態服務價值的空間分析借助ArcGIS 10.2 進行,生態系統服務價值與其影響因子之間的相關性分析借助SPSS 20.0 進行。對于所有的統計檢驗,p＜0.05 被選為顯著性檢驗的臨界值。1975—2015年土地利用和生態系統服務價值變化是在ArcMap 柵格計算器中用后一時期的值減去前一時期的值得到的。

表1 不同土地利用類型的生態服務價值系數 US$/(hm2·a-1) Table1 Ecosystem services value coefficient for different land use types US$/(hm2·a-1)

2 結果與分析

2.1 1975—2015年南四湖自然保護區土地利用變化分析

2.1.1 土地利用分布模式

南四湖自然保護區的土地利用類型主要是水體,2015年水體占南四湖自然保護區總面積的86.78%。其次是水田,占6.37%。其它5 種土地利用類型僅占南四湖自然保護區總面積的 6.84%,包括旱地(4.04%)、建成區(1.03%)、未利用地(0.96%)、草地(0.59%)和林地(0.22%)(表2)。 1975、1980、1990、1995、2000、2005、2010 和2015年土地利用類型的空間分布如圖2所示。總體來看,1975—2015年水體以絕對優勢占據了南四湖自然保護區的絕大部分,水田主要分布于微山湖北部,南四湖的西北邊緣區域和狹窄湖腰處;未利用地主要分布于昭陽湖南段,林地和草地面積相對較少,主要分布于微山湖南端,建成區則沿湖區邊緣成片分布。

2.1.2 土地利用類型時間變化分析

1975—2015年南四湖自然保護區的土地利用類型發生巨大變化。最明顯的變化是僅未利用地面積減少,水田、草地等其他土地利用類型面積明顯增加(表2)。1975—2015年未利用地面積減少88.90% (8807.68 hm2),2015年未利用地面積僅為1975年的 1/10(表2);水田面積增加176.36%(4626.45 hm2),其次是草地、旱地、建成區、林地和水體,分別增加148.63%(405.06 hm2)、56.30%(1660.67 hm2)、52.19% (401.54 hm2)、44.33%(76.76 hm2)和1.66%(1621.60 hm2)。水體面積在1975—1990年減少了49.59%,據詹道強[24]分析,1987—1990年南四湖地區經歷了長達4年的干旱;在1990—1995年水體面積增加了116.83%,而后在1995—2015年間處于波動變化狀態。雖然40年來水體面積呈增加趨勢,但湖泊面積卻是逐漸萎縮的,沿湖漁業養殖占據了相當大的水域面積[19]。因水稻種植業的迅速發展,40年間水田面積持續增長,2015年水田面積為7274.79 hm2,成為除水體之外的第二大優勢土地利用類型。在1975—1980年間林地面積有明顯的增加,雖然1978年改革開放以來,城鄉建設進程加快,森林作為一種基礎建設資源,對木材的需求量逐漸增加,但林地面積并沒有大量減少,反而在此后的35年間面積變化不大,稍有增長,這與南四湖自然保護區相繼成為市級、省級自然保護區是密不可分的。40年間草地面積呈現出較大波動。1975—1990年草地面積明顯增長,在1995年急劇下降,而后在2000年又明顯增加,最后在2000—2015年再次急劇下降。建成區面積在1975—1980年明顯下降,在1980—2005 間增加緩慢;此后由于城市化進程的加快,建成區面積在2005—2015年呈明顯上升趨勢。

圖2 南四湖自然保護區的土地利用/覆被模式 Figure2 Land use/land cover patterns of the Nansihu Lake Reserve

表2 1975—2015年南四湖自然保護區的土地利用面積 hm2 Table2 Land-use areas in the Nansihu Lake Reserve from 1975-2015 hm2

將南四湖自然保護區40年間的土地利用變化劃分成1975—1990、1990—2000、2000—2015 3 個階段進行分析,具體表現為天然地類——未利用地的減少,水田、旱地等人類活動強度大的土地面積的增加(表3)。1975—1990年未利用地面積增加了424.06%,主要由南陽湖西南部、獨山湖和微山湖西部以及昭陽湖北段的水體轉化而來,約占南四湖總面積的51.40%。有4827.60 hm2的水體轉化成旱地,集中分布于南陽湖北部邊緣、獨山湖東、北部邊緣以及微山湖的西北部。然而在1990—2000年99.51%的未利用地都轉化成了水體,其他土地利用類型面積變化不明顯。2000—2015年有4357.26 hm2的水 體轉化水田,集中分布于最窄湖腰處的昭陽湖二級閘南側;即使有2802.33 hm2的旱地和1134.00 hm2的草地轉為水體,但水體面積總體仍呈減少趨勢。由干旱等原因,水體面積在1990年達到最小值;水體面積最大值是在1995年,占保護區總面積的93.30%。(表3)。

2.2 1975—2015年南四湖自然保護區生態服務價值變化分析

2.2.1 生態服務價值時間變化分析

自1975 以來南四湖自然保護區的生態服務總價值隨土地利用變化而呈現下降趨勢(圖3a)。生態服務總價值在1990年達到2.36×109US$的最小值,在1995年達到4.15×109US$的最大值。1995年之后生態服務價值輕微下降。從總體上看,1975—2015年生態服務總價值增加0.03% (1.13×106US$)。

表3 1975—2015年南四湖自然保護區土地利用/覆被變化 hm2 Table3 Land-use/land-cover changes in the Nansihu Lake Reserve from during 1975-2015 hm2

40年間調節服務功能價值變化明顯,且在1990年急劇下降,然而總體的變化趨勢在1995—2015年是比較穩定的(圖3b)。此外,調節服務功能價值遠遠高于其他三種生態服務功能價值。支持服務功能價值的變化也同樣明顯,在1990 陡然上升,在1990—2015年呈現出持續下降的總體變化趨勢。支持服務功能價值最小值出現在2015年,與1975年相比下降了8.50%(1.14×107US$)。文化服務功能價值在40年間下降了8.13%(5.61×106US$),且在2015年達到最小值,為6.34×107US$。供給服務功能價值小于以上三種生態服務價值,40年間下降了6.04% 2.15×106US$)。

圖4展示了南四湖自然保護區生態服務價值類型的變化。水文調節服務功能價值是所有類型中生態服務功能價值最高的。在1975—1990年間,大多數類型的生態服務價值增加,除了食物生產、氣候調節、凈化環境和水文調節,尤其是水文調節服務價值,明顯下降43.84%(圖4a)。然而在1990—2000年間,大多數類型的生態服務價值都是下降的,除了食物生產、氣候調節、凈化環境和水文調節(圖4b)。在2000—2015年間,大多數類型的生態服務價值也都是下降的,除了食物生產、氣體調節和維持養分循環(圖4c)。

2.2.2 生態服務價值空間變化分析

南四湖自然保護區生態服務價值的空間分布模式如圖5所示。不同圖例色彩是7 種土地利用類型基于像元的生態服務價值表示,由該種土地利用類型的生態服務總價值除以對應土地利用類型總面積再乘以單個像元面積得到。建設用地、水田、旱地、草地、林地、未利用地和水體基于像元的生態服務價值分別為0 US$、116.02 US$、119.60 US$、360.20 US$、605.47 US$、739.83 US$和3499.19 US$。南四湖自然保護區的生態服務價值總體水平較高,尤其以水體覆蓋的湖區生態服務價值為最高,生態服務價值最低處是位于保護區內的建成區。

南四湖自然保護區生態系統服務價值的空間變化如圖6所示。1975—1990年南四湖自然保護區的生態系統服務價值呈減少趨勢,尤其在水體大量轉出的湖區北部、西南邊緣以及微山湖北部地區生態服務價值大量減少(圖6a)。由于南四湖水位的恢復以及未利用地向水體的轉化,1990—2000年南四湖自然保護區的生態系統服務價值總體呈增加趨勢(圖6b)。2000—2015年南四湖自然保護區生態系統服務價值基本穩定,生態系統服務價值增加與減少幅度相當。(圖6c)。其中位于湖腰處的昭陽湖南側、南陽湖以及獨山湖的東北部邊緣生態系統服務價值是減少的。生態系統服務價值增加區主要集中于微山湖的南北兩端及西部區域,南陽湖的東部和獨山湖的東北部邊緣也有零星分布。

圖3 生態服務價值動態變化 Figure3 Dynamic changes in ecosystem services values

圖4 1975—1990、1990—2000、2000—2015年南四湖自然保護區不同類型生態服務價值變化 Figure4 Changes in ecosystem services values of different types in Nansihu Lake Reserve during 1975-1990,1990-2000 and 2000-2015

圖5 1975—2015年南四湖自然保護區生態服務價值空間分布模式 Figure5 Spatial distribution patterns of ecosystem services values in Nansihu Lake Reserve during 1975-2015

2.3 土地利用變化對生態系統服務價值的影響

土地利用變化是影響生態系統服務價值變化的主要因子,土地利用的變化必然導致生態系統服務價值的改變。土地利用和生態系統服務價值的相關性如表4所示。相關性結果顯示土地利用變化對生態系統服務有顯著影響。例如,在1975—2015年供給服務價值和調節服務價值都與水體面積是顯著正相關,且與未利用地面積是負相關。然而支持服務價值和文化服務價值都與水體面積呈顯著負相關,與未利用地面積呈顯著正相關。此外,土地利用強度與支持服務價值、文化服務價值都呈負相關關系。水田、旱地、林地和草地與各種生態服務價值無顯著相關性,主要是因為它們較小的生態服務價值以及對南四湖自然保護區生態系統服務總價值的貢獻也較小。就生態系統服務總價值而言,其與水體面積呈現顯著正相關,而與未利用地呈現顯著負相關(表4)。

3 結論與討論

(1)土地利用變化與政府制定的土地利用政策、社會經濟發展密切相關。40年間南四湖自然保護區的土 地利用發生了巨大變化,且土地利用政策是其主導因子。1975—2015年南四湖自然保護區內未利用地轉變成水田、水體、旱地、林、草地和建成區是主要變化趨勢。南四湖自然保護區的大量未利用地被開墾成水田、旱地等其他人類活動較大的土地利用類型,嚴重破壞了珍稀野生動植物的生境,而生境的破壞又會進一步加劇珍稀物種的滅絕。1960—1978年間,為了擴大耕地,人們廣泛砍伐流域的森林,經濟發展緩慢,甚至停止,導致1975年草地和林地面積最小,耕地面積較大。1978改革開放后,經濟恢復,生態環境恢復。1975—1980年,南四湖自然保護區的建設用地和植被(包括林地和草地)的面積分別增加了44.96%、56.43%和202.14%(表2)。然而1980—2015年期間,由于城市擴張,林地面積從1980年開始減少,至2015年,林地減少了7.73% (20.95 hm2)。草地面積從1990年開始減少,至2015年,草地面積減少了64.05%(1206.96 hm2)。自1990年大干旱之后,南四湖自然保護區水位恢復,水體面積在1995年達到最大值(表2)。

(2)土地利用變化顯著影響了特定類型的生態服務價值以及生態服務總價值。未利用土地被開發以

圖6 1975—1990、1990—2000、2000—2015年南四湖自然保護區生態服務價值空間變化 Figure6 Spatial changes in ecosystem services values in Nansihu Lake Reserve during 1975-1990,1990-2000 and 2000-2015

表4 1975—2015年土地利用變化和生態系統服務價值的相關關系 Table4 Relationships between land use change and ecosystem service values during 1975-2015

及水田和旱地面積的增加是生態系統服務變化的主要驅動力。南四湖自然保護區的土地利用變化對特定的生態服務和生態服務總價值的影響是顯著的。參考謝高地等[22]制定的不同土地利用類型的生態系統服務價值系數并進行調整,我們確定1975—2015年南四湖自然保護區的生態服務價值增加了0.03% (1.13×106US$)。40年間生態服務價值變化的主要原因是南四湖自然保護區內水體面積大,且水體面積發生巨大變化,生態服務價值減少的另一個原因是未利用地的轉出(圖5)。此外,未利用地與支持服務和文化服務呈正相關,土地利用強度與支持服務和文化服務是顯著負相關(表4)。土地利用強度與支持服務和文化服務的負相關關系表明人類活動對生態系統服務產生不利影響。

雖然40年來水體面積呈增加趨勢,但沿湖漁業養殖的大肆發展和水稻田面積的擴增占據了相當大的水域面積,從而導致湖泊面積的萎縮。此外,由于人類活動使得對保護區的干擾強度增加以及建成區的擴張占據更多的土地,必然會導致自然生境逐年減少,從而對南四湖自然保護區野生動植物的棲息、繁衍造成不利影響。因此,合理利用并規劃土地利用對于提高南四湖自然保護區的生態服務價值具有重要意義。