鄂西北地區土地利用格局及其生態系統服務價值的時空變化

于倩茹, 徐煖銀, 孫思琦, 郭濼,*

鄂西北地區土地利用格局及其生態系統服務價值的時空變化

于倩茹1, 徐煖銀2, 孫思琦1, 郭濼1,*

1. 中央民族大學, 生命與環境科學學院, 北京 100081 2. 北京大學城市規劃與設計學院, 深圳 518055

鄂西北地區位于湖北省西北部, 是我國自然地理南北過渡的重要地區, 亦是我國南水北調中線工程的重要水源區, 生態環境保護意義重大。在鄂西北地區六期遙感數據基礎上, 利用地理信息技術和空間統計的方法, 研究了該區域土地利用格局的時空變化, 對不同用地類型所提供的生態系統服務價值進行評估, 分析了生態系統服務價值與土地利用格局的驅動因素和相關性, 計算了社會經濟因素與生態系統服務價值的空間相關性。研究結果表明: (1)1990—2015年鄂西北主要土地利用類型的變化幅度較小, 土地綜合動態度為0.06%, 土地類型斑塊破碎化程度增加, 斑塊形狀趨于復雜。(2)研究區間鄂西北生態服務價值處于上升趨勢, 生態系統服務價值與景觀格局的時空變化具有相關性, 其中與多樣性指數呈正相關性, 與蔓延度指數呈負相關性。(3)人均國內生產總值、人口密度和城鎮化率是生態系統價值變化的主要驅動因素, 與生態服務價值的局部空間相關性主要集中南部區域。研究結果為鄂西北生態環境可持續發展、合理開發土地資源提供理論依據。

鄂西北地區; 景觀格局; 生態服務價值; 驅動因素; 相關性分析

0 前言

生態系統服務是生態系統發展過程形成的維持人類賴以生存的自然條件和效用[1–2], 其變化與人類福祉有著密切聯系, 對其向人類提供的產品和服務進行定量化評估, 有利于合理開展社會經濟活動, 改善區域生態環境[6]。土地利用/覆被變化(LUCC)是全球變化中的重要組成部分, 是人類活動對自然環境影響短期階段內的顯著表現[7], 它受社會經濟和自然的驅動發生改變, 影響著景觀格局中大氣、土壤、水體、生物等環境要素的生態過程[8–9], 進而導致生態系統服務功能的改變[10]。因此, 基于土地利用格局對生態系統服務價值進行研究, 探索社會經濟因素對生態系統服務價值的驅動機制, 是了解區域內生態環境變化的重要研究內容, 同時對于維持生態系統穩定及促進區域可持續發展具有重要指導意義。近年來, 對土地利用格局的研究主要集中在格局演變[11]、驅動因素[12]等方面, 國內外學者在生態系統服務的概念內涵[13]、價值評估[14]等研究方面取得了諸多成果, 如謝高地等[15]人根據Constanza[2]等價值評估模型, 構建了“中國陸地生態系統單位面積服務價值表”, 為我國生態系統服務價值研究提供了重要依據, 該法也得到了國內學者的廣泛應用[16–17]。但是關于土地利用格局演變和生態系統服務的耦合分析及生態系統服務的驅動機制還需進一步深入研究。

鄂西北地區自湖北省“鄂西生態文化旅游圈”、“襄十隨城市群”等戰略出臺后, 土地利用格局改變巨大, 區域內的丹江口水庫是南水北調中線工程的水源地、國家一級水源保護區, 神農架林區更是國家重要的生態功能區和生態旅游示范區, 因此研究區的生態環境對于整個區域、湖北省乃至全國都具有重要價值。鄂西北自然資源十分豐富, 但受地形、氣候等自然因素限制, 該地區水土流失嚴重, 沙化現象突出, 自然災害頻繁發生, 交通基礎設施建設落后, 經濟發展不均衡, 因此, 該地區亟需分析土地利用格局和生態系統服務價值變化。基于以上, 本文根據遙感、野外調查、統計資料等數據, 分析研究土地利用格局變化與生態系統服務價值變化的相關性, 并利用SPSS和GeoDa軟件對生態系統服務價值時空變化的驅動因素進行多元回歸分析和空間相關分析, 為鄂西北生態環境與社會經濟發展提供科學依據和有力保障。

圖1 研究區地理位置及行政區劃

Figure 1 Location and zoning of study area

1 研究區域與研究方法

1.1 研究區概況

鄂西北地區位于湖北省西北部, 介于東經109° 29′—113°43′,北緯31°14′—33°16′, 地處漢江中上游, 與河南、陜西、重慶相毗鄰, 包括十堰市、襄陽市和神農架林區, 共15個縣(市、區), 總面積約為46657平方公里(圖1), 占湖北省土地面積的四分之一, 區域內的人口達到912.493萬, 占湖北總人口的15.5%[18]。研究區屬中緯度地區, 亞熱帶季風氣候, 年平均氣溫在15℃左右, 年降水量800 mm左右, 年日照總時數約1900 h。研究區有秦嶺、大巴山、荊山和武當山等山脈, 整個地勢西高東低, 南北高中間低, 地形差異明顯, 地貌類型多樣, 海拔在90—3000 m之間。區域內水系眾多, 縱橫交錯, 長江的最大支流漢江貫穿全境。鄂西北地區得天獨厚的地理條件使得該區域蘊藏了豐富生物資源、礦產資源、水利資源, 也使其成為全國重要的生態功能區、水電基地, 三國文化之源和漢水文化核心區, 亦是湖北省重要的農產品基地和制造業基地, 區域的生態環境也得到了國家和當地政府的高度關注, “十三五”期間, 國家和湖北省將加大南水北調中線核心水源區及沿線生態走廊等區域生態保護力度, 強化流域生態建設。

1.2 研究方法

1.2.1 數據來源

研究區土地利用數據采用1990年、1995年、2000年、2005年、2010年和2015年6個時段的Landsat TM/ETM遙感影像, 基于ENVI4.0軟件對遙感影像進行圖像拼接、幾何校正、裁剪、融合和增強等預處理, 再根據ISODATD算法的非監督分類處理, 結合研究區域1:100萬地形圖、土壤和植被專題圖, 根據研究區現狀和LUCC分類體系, 將研究區土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水體、建設用地、未利用地6種一級類型(圖2), 二級分類中將林地分為闊葉林、針葉林、針闊混交林, 耕地分為水田和旱地, 對每期數據進行精度檢驗, 最后精度分別達到80%以上, 滿足研究對土地利用分類數據的精度要求; 社會經濟數據來自于1990—2016年湖北省年鑒等。

1.2.2 土地利用變化特征

本文采用單一土地利用類型變化動態度和綜合土地利用類型動態度闡述鄂西北土地利用動態變化。

綜合土地利用動態度公式:

Figure 2 Land use type in study area

式中,LU監測起始時間第類土地利用類型的面積(hm2);LU為監測時段內第i類土地利用類型轉為非類土地利用類型面積的絕對值;為監測時段長度。當的時段設定為年時,的值就是該研究區土地利用年變化率[19]。

景觀格局指數是定量描述景觀格局演變及其對生態過程影響的重要方法[20], 根據研究區的實際情況, 結合各指標的表征作用[21], 借助Fragstats 4.2軟件進行景觀格局分析。本文選取表征景觀格局破碎度的指標斑塊密度(PD)、表征景觀形狀的指標邊緣面積分維數(PAFRAC)、表征景觀聚集分散程度的指標散布與并列指數(IJI)、表征景觀連通性的指標蔓延度指數(CONTAG)及表征景觀類型豐富度的指標香農多樣性指數(SHDI), 分析鄂西北地區景觀水平的變化以及這些指數對研究區生態系統服務價值的影響。

1.2.3 生態系統服務價值評估

本文結合謝高地等[22–23]的價值當量換算方法確定鄂西北地區生態系統服務價值(ESV), 將單位面積農田生態系統糧食生產的凈利潤當作1個標準當量因子的生態系統服務價值量, 為消除價格波動對價值量的影響, 本文選取2010年的全國和鄂西北地區的單位面積糧食產量為基礎數據。鄂西北2010年的單位面積糧食產量為6119.88 kg·hm-2[24], 同期的全國單位面積糧食產量為4974.00 kg·hm-2, 根據謝高地[23]等研究, 中國2010年1個生態系統價值當量的經濟價值為3406.50元·hm-2, 以此對生態系統服務當量價值進行系數修訂, 研究區的修正系數為1.23, 即鄂西北地區的一個生態系統服務功能當量為4190.00元·hm-2。結合全國和鄂西北地區的糧食產量進行修正, 得到生態系統服務功能價值的評估公式:

式中,表示研究區的生態系統的總服務價值(元);A表示研究區第種土地利用類型的面積(hm2);VC表示第種土地利用類型的生態系統服務價值系數(元·hm-2);ESV表示生態系統第項服務功能的價值(元);VC表示研究區第種土地利用類型的第項生態系統服務價值系數(元·hm-2)。

1.2.4 相關性分析

結合鄂西北社會經濟的現狀及相關研究[25], 本文選取社會、經濟和政策三個指標體系的20個因素(表1)進行主成分分析及相關性分析, 剔除存在共線性以及與生態系統服務無關的數據后, 篩選出ESV時空變化差異的影響較大的驅動因素進行回歸分析, 選取人均國內生產總值(人均GDP)、人口密度和城鎮化率三個指標進行空間相關性分析[26–27]。利用等級相關系數法計算景觀格局指數與生態系統服務價值的相關性[28–29]。

2 結果與分析

2.1 鄂西北地區土地利用變化特征

1990—2015年間, 耕地面積呈逐年減少的趨勢, 林地面積小幅增加, 草地呈“快速增加—快速減少—緩慢增加—緩慢減少”的變化。研究區作為南水北調中線工程重要水源涵養區, 水體保持良好。建設用地的活躍度較高, 25年間, 建設用地的面積始終呈增加趨勢, 面積增加59800 hm2, 增幅為36.44%, 其中由森林、草地和水體三種景觀轉變為建設用地的面積為22193.71 hm2, 耕地和林地的活躍度最低。耕地在研究區西南部面積減少速度較快; 林地和建設用地在中部地區面積增加速度較快; 草地在大部分市縣有所減少, 神農架林區減少速度最快; 水體在中部地區面積減少速度較快; 未利用地在西北部面積增加速度較快, 在東南部面積減少速度較快。1990—2015年間, 研究區土地利用綜合動態度的變化趨勢為“緩慢增加—緩慢下降—緩慢增加”, 整體而言, 研究區內各土地利用類型變化幅度較小, 土地利用活躍度低(表2)。

表1 生態系統服務價值演變驅動力指標體系

2.2 鄂西北地區景觀格局變化特征

1990—2015年鄂西北地區景觀結構的變化見表3, 可以看出, 斑塊密度升高, 景觀多樣性指數呈“升—降—升”的趨勢, 破碎度和異質性持續增加; 周長面積分維數呈先增后減的變化; 散布與并列指數呈“升—降—升”的趨勢; 蔓延度指數則呈現相反的變化趨勢。結果表明, 不同時期, 人類對土地利用類型開發活動影響不同, 研究區的景觀格局發生了不同程度的改變, 1995年相較于1990年, 優勢斑塊耕地的連通性下降, 各土地類型面積比差異減小, 鄰接概率增加, 各土地類型趨于均衡分布; 2000年, 耕地面積增加, 其景觀優勢度增大, 除建設用地外, 其他類型用地面積縮減, 景觀整體形狀相對復雜化; 2001年開始, 鄂西北地區全面實施退耕還林政策, 耕地面積小幅下降, 區域內南水北調工程及其他水利工程的實施, 使得較小面積的水體匯聚于大面積水體, 同時, 建設用地面積持續增加, 但由于地形限制, 建設用地分布松散, 因此, 景觀破碎度持續增加, 景觀趨于均勻分布, 異質性增加, 小斑塊景觀逐漸凝聚, 景觀整體形狀相對規則化。

1990—2015年各市縣的景觀格局變化見圖3, 分維數除竹山縣外, 其他市縣均有所增加, 其中神農架林區、谷城縣的增幅較大, 景觀形狀趨于復雜。散布與并列指數在老河口市、棗陽市、宜城市有所上升, 在其他市縣均呈現不同程度的減少。蔓延度指數在老河口市、棗陽市、神農架林區、竹溪縣有所下降, 在其他市縣呈現相反的變化。多樣性指數除竹山縣外, 在其他市縣均呈增加態勢, 南部地區增幅較大。總體來看, 研究區受人類活動影響, 較大斑塊被割裂, 較小的斑塊增加, 造成斑塊形狀趨于復雜不規則化, 景觀優勢度降低, 同質斑塊在空間上趨于集聚, 整體的多樣性有所增加。

2.3 鄂西北地區生態系統服務價值的時空變化特征

研究區生態系統服務價值(ESV)在研究期間呈“增加—減少—增加—減少—增加”的變化, 25年間增值23.51×108元, 增幅1.02%, 在2000—2005年增值最大, 增幅3.28%, 在1995—2000年縮減最多, 減幅4.61%, 其變化趨勢與水體面積的變化趨勢一致, 水體面積的增幅明顯, 且水體具有較高的生態價值, 支持著研究區生態系統服務價值, 使得小幅增加。研究期間, 鄂西北地區建設用地需求持續增加, 并向四周擴散, 一部分生態用地轉變為城鎮、工礦、交通干道等基礎設施用地, 同時生態用地間的相互轉移是造成生態系統服務價值波動變化的主要原因。

表2 1990-2015年鄂西北土地利用景觀類型動態度 (%)

表3 鄂西北景觀格局指數變化

由表4可知, 研究區內的各土地利用類型在各年提供的生態系統服務價值中, 林地、草地的ESV值較高, 二者對生態系統服務價值的貢獻率較大, 草地提供的ESV值在1990年、1995年最高, 而林地的ESV值則在其余各年為最高值。耕地和水體的ESV值相差不大, 耕地的ESV值在1995年、2005—2010年略低于水體的ESV值。未利用地在各年提供的ESV值均為最低值。1995—2015年耕地、草地、未利用地所提供的ESV值均有所下降; 林地、水體所提供的ESV值增加。

1990—2015年研究區內的各項生態系統服務價值的變化規律相同(表5), 一級分類為: 調節服務>支持服務>供給服務>文化服務, 調節服務最為突出, 占ESV總值的62%以上。二級分類分布規律均為: 水文調節>氣候調節>土壤保持>氣體調節>生物多樣性保護>食物生產>美化景觀>原料生產>水資源供給>維持養分, 水文調節功能最為突出, 其占總價值的26%左右, 其變化與水體面積變化趨勢一致; 其次為氣候調節, 其在總價值中占比為20%左右, 受林地、草地面積影響, 25年間略有下降; 維持養分的功能價值最低, 占總價值的1.10%左右, 呈先增后減的變化趨勢。

圖3 鄂西北各市縣年景觀指數的空間變化

Figure 3 Landscape index change in each district and county of Exibei region

表4 1990-2015年鄂西北生態系統服務價值(ESV)變化

表5 1990-2015年鄂西北各項生態系統服務功能價值 (×108元)

2.4 鄂西北地區生態系統服務價值與景觀格局變化的相關性分析

景觀格局的改變對生態系統的組成、結構及生態過程產生重要作用, 進而影響著生態系統服務價值。景觀格局與生態系統服務價值的相關性系數見表6, 鄂西北地區的生態服務總價值與多樣性指數正相關性較大, 與蔓延度負相關性較大。斑塊密度、散布與并列指數與原料生產、氣體調節、土壤保持、維持養分呈顯著負相關, 分維數與各功能呈負相關性。多樣性指數則與食物生產呈極強負相關。研究區內建設用地的擴張使得各景觀類型被分割, 破碎化程度加劇, 生態保護政策的實施和各項土地制度的確立促進景觀類型的多樣化、均衡化, 優勢斑塊的連通性降低, 使得生態系統服務總價值的增加, 同時有益于水資源供給、水文調節功能價值的增加, 但削弱了食物生產、氣候調節、凈化環境、維持生物多樣性、美學景觀等功能價值增加。1990—2015年研究區內耕地面積減少, 優勢斑塊的連通性下降, 形成各土地類型趨于均勻分布、密集的結構, 促進了生態服務價值高的土地類型在空間上的凝聚。

表6 景觀格局與生態系統服務價值相關性系數

2.5 鄂西北地區生態系統服務價值時空差異驅動因素分析

本文選取社會、經濟、政策三個方面指標與ESV進行相關性分析和主成分分析, 剔除對其影響較小且不顯著的相關性因素, 選取9個關鍵因素進行回歸分析, 得到生態系統服務價值與各因素之間的回歸方程, 擬合度達到1, 擬合效果極好。

式中,: 生態系統服務價值(億元);X: 工業總產值(億元);X: 人口密度(人·km-2);X: 城鎮化率(%)。

通過多元回歸分析可知, 鄂西北地區生態系統服務價值的變化受到以上三個因素的影響, 人口密度、城鎮化率越高, 生態系統服務價值越低, 從土地利用面積變化分析, 土地承載人口的壓力的增大、工業結構的改革和規模的擴張對于建設用地的需求增加, 勢必征占易被利用的生態用地, 如部分耕地, 同時區域內土地規劃戰略、生態工程的實施對土地利用的規模布局、集約利用以及土地利用類型間的相互轉移產生影響, 導致區域的經濟、生態結構改變, 從而導致生態系統服務價值發生變化。

2.6 鄂西北地區社會經濟因素與生態系統服務價值空間相關性分析

根據回歸分析結果結合數據統計選取鄂西北各縣市表征社會經濟的三個因素與生態系統服務價值變化率進行空間相關性分析。局部分析結果(圖4)顯示, 鄂西北地區在研究時段內社會經濟數據與生態系統服務在空間上的分布差異較大, 在ESV變化和人口密度變化相關性中, 竹溪縣呈低-低相關, 而神農架林區生態環境保護良好, ESV增加, 且林區人口較少, 因此神農架林區呈現高-低相關, 其余市縣表現為不顯著。ESV與人均GDP變化相關性中, 宜城市呈現低-高相關, 其他市縣無明顯的顯著集聚。在ESV變化和城市化率變化相關性中, 保康縣呈現低-低相關, 房縣呈現低-高相關。研究區內人口多的地區經濟發展水平一般, 對土地利用開發程度較低, 一定程度上保護了生態環境, 此外研究區植被資源豐富, 地形差異較大, 限制了人為活動范圍, 生態環境未遭到嚴重破壞, 故鄂西北地區在研究時段內社會經濟因素與生態系統服務在空間上的分布差異較大。

4 討論與結論

本文基于6期土地利用數據, 對鄂西北地區土地利用格局及生態系統服務價值進行分析, 得出如下結論: (1)耕地、林地、草地是研究區內的主要土地利用類型。1990—2015年間, 林地、水體、建設用地總體呈上升趨勢, 各類型變化幅度較小, 土地利用活躍度低; 受人類活動影響, 研究區景觀格局指數變化明顯, 破碎度加劇, 斑塊形狀趨于復雜。(2)研究區生態服務價值呈上升趨勢。其中調節服務的上升最為明顯。(3)生態系統服務價值與景觀格局指數均有相關性。(4)影響生態系統服務價值時空差異的主要人為因素包括城鎮化率、工業總產值、人口密度, 社會經濟因素與生態系統服務價值在空間分布上具有極高的顯著性。

圖4 鄂西北地區生態系統服務價值與社會經濟空間相關性

Figure 4 The spatial correlation of ESV and social economics in Exibei region

本文通過修正當量因子系數得到鄂西北地區生態系統服務價值的結果較為準確可靠。生態系統服務價值受自然、人為的雙重限制。生態系統服務價值差異變化在短期內主要由人為因素造成, 本文選取人口、經濟、政策三個方面社會經濟指標與ESV進行相關性分析和主成分分析, 剔除對其影響較小且不顯著的相關性因素后進行多元回歸分析, 得到生態系統服務價值的回歸方程, 擬合度高, 驅動因素分析較為準確, 在此基礎上對關鍵驅動因素進行空間相關性分析, 能夠清楚鄂西北地區ESV受社會經濟因素影響的空間分布, 為促進鄂西北地區經濟—社會—自然的可持續發展提供理論依據。

研究表明, 隨著鄂西北地區城鎮化的加速, 研究區人口增多, 第二、三產業規模增加, 建設用地需求旺盛, 城鎮、工礦和其他獨立建設用地主要沿交通干線分布, 農村居民點受研究區特定地理條件限制, 依山就勢往往擇平地而建, 布局分散不規則, 此外由于建設用地區與糧油耕作區分布在空間上表現出高度的一致性, 使得建設用地的擴展占用了部分耕地特別是基本農田, 而林地、水體受人類活動、政策調控等影響處于穩定擴展中, 導致研究區內最具優勢的耕地景觀的連通性下降, 各土地類型面積比例差異減小, 同質斑塊聚集程度增加。因此, 研究區應繼續實施相應生態保護政策, 維持并加強其生態功能, 在保障糧食安全的基礎上, 適當地調整農業產值結構, 推進建設用地的整治, 實現建設用地集約化發展緩解供需矛盾, 合理利用土地資源, 在保護現有林地、水體資源的基礎上, 依據鄂西北地區豐富的生態、文化資源因地制宜發展生態旅游經濟, 統籌區域經濟社會的綠色發展。

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The spatial-temporal variability of land use pattern and ecosystem services value in the northwest of Hubei Province

Yu Qianru1, XU Nuanyin2, Sun Siqi1, GUO Luo1,*

1.College of Life and Environmental Sciences, Minzu University of China, Beijing 100081, China 2. School of Urban Planning and Design, Peking University, Shenzhen, 518055, China

Exibei, located in the northwestern Hubei Province, is recognized as an important region for the geographical transition from north to south.It is also an important water source area of the Central Line Project of South-to-North Water Diversion in China. Above all, conducting the ecological environment protection in the region is necessary. Combing with geographic information technology and spatial statistical methods, this research focused on the temporal and spatial changes of land use pattern in Exibei region based on remote sensing maps from 1990 to 2015. Also, ecosystem service value supported by different land types was evaluated, and the driving factors and correlation of ecosystem service value and land use patterns were analyzed. The spatial relevance of socio-economic factors and ecosystems service value were calculated. The results showed that: (1) Between1990 and 2015, the comprehensive dynamic degree in the study area was 0.06%, indicating that the total land use landscape in the study area changed little. The fragmentation of land use type in the study area increased, the shape of landscape patches tended to be complex. (2) The ecosystem service value in the study area showed an increasing trend. It was related to the spatial-temporal variability of landscape pattern, which was positive with landscape diversity index (SHDI), but negative with contagion index (CONTAG). (3) Per capita GDP, population density and urbanization rate were the main driving factors that decreased regional ecosystem services value, and the local spatial correlation of ecosystem service value was mainly concentrated in the south of study area. The results can provide a theoretical basis for the sustainable development of ecological environment in Exibei region and the rational use of land resources.

Exibei region; landscape pattern; ecosystem services value; driving factors; correlation analysis

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.04.017

F301.2; X24

A

1008-8873(2019)04-119-10

2018-09-17;

2018-11-12

科技部重點研發計劃課題 (2017YFC0505601)

于倩茹(1996—), 女, 內蒙古赤峰市, 碩士研究生, 主要從事景觀生態學研究, E-mail: yuqr1996@163.com

郭濼, 女, 教授, 主要從事景觀生態學研究, E-mail: guoluo@muc.edu.cn

于倩茹, 徐煖銀, 孫思琦, 等. 鄂西北地區土地利用格局及其生態系統服務價值的時空變化[J]. 生態科學, 2019, 38(4): 119-128.

Yu Qianru, XU Nuanyin, Sun Siqi, et al. The spatial-temporal variability of land use pattern and ecosystem services value in the northwest of Hubei Province[J]. Ecological Science, 2019, 38(4): 119-128.