贛南地區景觀格局變化及其對生態系統服務價值的影響

鄭博福,黃瓊瑤,陶 林,謝澤陽,艾 彪,朱元皓,朱錦奇,*

1 南昌大學資源環境與化工學院,鄱陽湖環境與資源利用教育部重點實驗室, 南昌 330031 2 江西生態文明研究院, 南昌 330031 3 江西省吉安環境監測中心,吉安 343000

南方丘陵山地帶是長江流域與珠江流域的分水嶺及源頭區,對人類干擾具有一定的緩沖能力,為區域提供氣體調節、氣候調節、水土調節等生態系統服務[1-3]。但建設用地無序擴張、交通道路網延伸、林地、耕地面積占用等人為干擾[4],使得各類景觀被分隔,形狀復雜、破碎增強,引起土地利用景觀格局的變化[5-8],影響了景觀格局中的物質循環、能量流動[9],一系列的生態環境問題也隨之出現,如土地退化、水土流失、生態惡化等[10],對生態系統服務功能產生影響。因此研究景觀格局變化對生態系統服務價值的影響對在人為干擾背景下如何保持相對高的生態系統服務能力具有重要的現實意義。

景觀尺度已被廣泛用于定量研究景觀格局及其變化。例如,Liu等[11]利用景觀度量來研究土地利用變化的規模、格局和性質；Su等[12]利用景觀度量分析了農業景觀對城鎮化的不同響應；Kane等[13]基于景觀面積、破碎化、形狀復雜性和多樣性分析了城市擴張。但是,景觀格局的變化在空間上具有異質性,不同土地利用類型會導致景觀格局的不同變化,對生態系統服務產生不同的影響。例如,葛靜等[14]以臨汾市為例對土地利用變化格局及生態系統服務價值進行了分析,發現土地類型發展不均衡,提升了生態服務能力；陳希等[15]對湘江流域 30年間的景觀格局變化及生態系統服務價值響應進行了研究,得出景觀破碎化加劇,降低了生態系統服務能力；顧澤賢等[16]對瀾滄縣進行研究得到景觀異質性降低,提升了生態系統服務能力。

贛南地區屬于典型的南方山地丘陵區,生態系統結構和功能健康完整,生態系統服務功能良好。隨著社會經濟快速發展,特別是快速城鎮化、特色林果業擴張等人類活動,對該地區的景觀格局產生了顯著影響,進而導致生態系統服務能力發生明顯變化。本文基于Fragstats 4.2軟件和生態系統服務價值當量因子表,研究了2000—2018年贛南地區景觀格局和生態系統服務價值變化,揭示了該區域景觀格局指數與生態系統服務價值的相關性,進一步提出區域生態系統服務價值的提升策略,為區域土地利用空間格局合理布局、生態系統服務能力提升提供依據,進一步豐富了丘陵山地生態系統服務研究,對科學管理生態系統、區域的可持續發展具有重要意義。

1 研究區概況

贛南地區是江西省南部區域的地理簡稱,主要涵蓋贛州市的18個縣(市、區)(圖1),地處江西省南部、贛江上游,位于113°54′—116°38′E,24°29′—27°09′N,總面積3.93×106hm2,占江西總面積的23.6%。該區域地形以山地、丘陵為主,占比達到全區總面積81%,平均海拔在300 m到500 m之間,為典型的山地丘陵區。該區屬于亞熱帶季風氣候,多年平均氣溫19.3℃,多年平均降水量1568.75 mm,水熱充足,氣候優越。森林資源豐富,森林覆蓋率高達74.54%。

圖1 研究區位圖

2 材料與方法

2.1 數據來源與處理

本研究采用的數據來源于地理空間數據云,包括2000年、2010年、2018年3期Landsat TM/ETM遙感影像及DEM數據,分辨率均為30 m。基于ENVI 5.5軟件對遙感影像進行輻射定標、大氣校正、圖像鑲嵌、矢量邊界裁剪、圖像融合等預處理,利用監督分類中的最大似然方法,結合劉紀遠等[17]提出的6個一級類型、24個二級類型和區域用地類型特征,將贛南地區土地利用景觀類型分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地六大類,二級類型中耕地包括水田和旱地,林地包括闊葉林、針葉林、針闊混交林、灌木林,對每期遙感影像進行精度檢驗,解譯精度均達到80%以上。

2.2 研究方法

2.2.1景觀格局分析

不同景觀要素在時空上的排列與組合稱為景觀格局[18],區域尺度上景觀格局的變化主要表現為土地利用變化[19]。在Fragstats 4.2軟件中計算景觀格局指數,不同類型的景觀格局指數反映了景觀格局在不同水平上的演變以及景觀結構的變化[20-21],根據研究區區域的景觀格局特點和不同的表達方面選取了斑塊數(Number of Patches, NP)、斑塊密度(Patch Density,PD)、最大斑塊指數(Largest Patch Index,LPI)、景觀形狀指數(Landscape Shape Index,LSI)、蔓延度(Contagion Index,CONTAG)、香農多樣性指數(Shannon′s Diversity Index,SHDI)進行分析。

2.2.2生態系統服務價值估算

(1)生態系統服務價值系數

贛南地區的生態系統服務價值當量為3528.79 元/hm2[22],運用謝高地等[23-24]提出的當量因子表以及當量兌換價值方法得到贛南地區ESV單價表(表1)。其中,耕地與未利用地分別對應農田與荒漠,對于建設用地參考程飛等[25]西南丘陵山區城鎮的研究成果。

表1 贛南地區各地類ESV單價/(元 hm-2 a-1)

(2)生態系統服務價值估算

據表1分別得到2000—2018年贛南地區總ESV、各景觀用地類型ESV和單項服務功能價值,計算公式如下:

ESV總=∑ESVj

ESVj=Aj×VCj

ESVk=∑Aj×VCkj

式中, ESV總為總價值量,ESVj為第j種用地類型生態服務價值量,ESVk為第k項生態服務的價值量,Aj為第j種用地類型的面積,VCj為第j類用地類型單價,VCkj為第j種用地類型的第k項生態服務功能價值系數。

2.2.3生態系統服務價值與景觀格局指數相關性檢驗

采用2000年、2010年和2018年3期遙感影像解譯結果,通過SPSS中的Pearson相關系數、雙尾T檢驗進行相關系數的顯著性檢驗,得到ESV與景觀指數之間的相關關系,以此反映研究區及其各縣域景觀格局指數對生態系統服務價值的影響。

3 結果與分析

3.1 2000—2018年贛南地區土地利用空間變化特征

2000—2018年期間,由贛南地區土地利用空間變化可知(圖2),贛南地區主要的景觀類型為林地,呈現比較均勻的分布,處于生態系統的主導地位,森林覆蓋率高；其次為耕地,主要分布在西北部和東北部,面積向周邊擴張后收縮；草地零星分布在耕地四周,面積收縮后擴張,證明2010年后退耕還林還草取得了良好的效果；建設用地主要分布在市區及縣城,呈現出向四周擴張的趨勢；水域空間分布基本保持穩定。

圖2 2000—2018年贛南地區土地利用空間變化

3.2 不同景觀類型面積動態變化

2000—2018年景觀類型面積總體變化幅度較小(圖3),林地一直為贛南地區優勢景觀類型,占總面積之比分別為75.10%、74.69%、73.97%；耕地為面積比重第二的景觀類型,草地、水域、建設用地、未利用地景觀類型所占面積比重少。未利用地面積變化不大,水域面積基本保持穩定狀態,林地景觀類型面積不斷減小,建設用地景觀類型面積持續上升。2000—2010年贛南地區建設用地面積由36713.52 hm2增長至45918.36 hm2,增長率為25.07%,變化不大,建設速度緩慢,而2010—2018年贛南地區建設用地面積從45918.36 hm2增加到81719.10 hm2,增長率高達77.97%,達到跨越式增長,人為活動劇烈。

圖3 2000—2018年贛南地區景觀類型面積變化

3.3 景觀格局指數變化分析

從景觀尺度景觀格局指數變化情況來看(表2),NP反映整個景觀的異質性,其值的大小與景觀的破碎度有很好的正相關性。PD反映景觀總體破碎化程度,斑塊密度高表示景觀異質性高。2000—2018年贛南地區NP、先減少后增加,表明贛南地區2000年開始進行城鎮化建設,在原有舊建設地的四周附近建設了新區域,新舊建設用地連接,覆蓋了建設用地原有的零散斑塊,相比于2000年,2010年景觀斑塊數量有顯著的減少。2010年后贛南地區退耕還林還草,耕地景觀趨于集中,林地草地零散分布、占比大,使得景觀斑塊數有所增加。NP、PD分別凈減少3059、0.07,總體呈下降趨勢,對干擾蔓延的抵抗力低。LSI反映景觀形狀復雜程度和斑塊分離程度,由124.79增加到129.44,平均變化量由0.318降到0.183,呈增長趨勢,增長趨勢減弱,表明景觀形狀復雜程度高、斑塊分離程度大,有減弱趨勢；SHDI能反映景觀異質性及類型豐富度,呈增長趨勢,平均變化量為0.05,表明景觀異質性不斷增高、景觀類型多樣化、各景觀類型復雜,有增強趨勢；LPI反映人類活動的方向和強弱,它的大小有助于確定優勢景觀類型,由37.86減少到36.24,遞減趨勢增強,說明優勢景觀類型分布縮小,人類干擾的強度增強；CONTAG反映不同斑塊類型的團聚程度,值越大表明景觀由少數團聚的大斑塊組成,贛南地區2000、2010、2018年三年有著比較高的景觀蔓延值,達到70以上,表明景觀中優勢斑塊類型形成了比較良好的連接性,但由73.65降到72.15,呈遞減趨勢,遞減趨勢減弱,說明不同斑塊類型鄰接概率降低,有減弱趨勢。

表2 2000—2018年贛南地區景觀指數變化

3.4 不同景觀的生態系統服務功能價值

贛南地區2000、2010、2018年生態系統服務價值總量分別為2560.97、2550.09、2523.54億元,整體呈下降的趨勢。耕地ESV在2000—2010年增加后在2010—2018年減少,總體上減少了1.75 億元；草地ESV與耕地變化相反先增加后減少,總體上增加了1.57 億元；林地和建設用地ESV逐年減少,減少趨勢增強,水域和未利用地ESV變化不明顯；2000—2018年,林地一直是提供研究區ESV最多的景觀類型,其ESV變化影響著總價值的變化(圖4)。2000—2018年,隨著景觀格局的改變,在生態系統服務類型中,贛南地區除了食物生產ESV先升高后降低外,其他服務功能價值量都逐年降低(圖5)。

圖4 2000—2018年贛南地區生態系統服務價值變化

圖5 2000—2018年贛南地區各服務功能價值

3.5 不同景觀類型對生態系統服務價值貢獻率

從贛南地區不同時期六種景觀類型對生態系統服務價值貢獻率來看(圖6),2000—2018年未利用地貢獻率保持基本穩定,幾乎趨近于零；相反地,林地貢獻率一直保持最大值,達到80%以上。2000—2010年耕地貢獻率最小,而2010—2018年草地貢獻率最小。與2000—2010年比較,2010—2018年建設用地、水域、耕地貢獻率顯著增大,林地和草地貢獻率減小明顯。這表明,林地面積的減少是研究區ESV降低的主要原因,耕地與草地面積的增加是造成ESV增加的原因。

圖6 贛南地區六種景觀類型ESV貢獻率

3.6 生態系統服務價值與景觀格局指數相關性

由表3可知,在選擇的5類景觀指數中,總ESV與CONTAG呈正相關、與SHDI呈負相關,與PD、LPI、LSI相關關系不強,說明不同斑塊類型團聚程度增加、類型斑塊集聚化發展有利于總ESV的增加,而景觀類型豐富、復雜程度越高也就是破碎化的增加會導致總ESV顯著減少。水域生態系統服務總價值與LSI呈高度正相關,表明形狀復雜、斑塊分離有利于提高水域生態系統ESV；建設用地生態系統與CONTAG呈高度負相關,與SHDI呈高度正相關,說明建設用地分布分散、類型豐富復雜有利于建設用地ESV提高,進而有利于提高總ESV。CONTAG對提高氣候調節、水源涵養和土壤形成與保護價值有重要的影響,提高SHDI使土壤形成與保護價值提高,而導致水源涵養價值的減少。

表3 贛南地區ESV與景觀指數相關系數

3.7 相關系數空間維度的差異性

贛南地區CONTAG、SHDI與總ESV相關性顯著,但這并不能反映空間上的顯著性。根據各縣景觀格局指數與總ESV相關性結果進行空間制圖反映空間上各指數與總ESV的相關關系(圖7)。贛南地區整個區域SHDI與ESV極強相關；上猶縣LPI與ESV中等程度相關,其他縣域均呈極強相關；安遠縣CONTAG與ESV中等程度相關,其他縣域均呈極強相關；石城縣LSI與ESV弱相關,興國縣與ESV呈中等程度相關,贛州市區、龍南縣與ESV呈強相關,其他縣域均呈極強相關；上猶縣、安遠縣、會昌縣、石城縣PD與ESV弱相關,全南縣、龍南縣與ESV呈強相關,信豐縣、定南縣、尋烏縣與ESV呈極強相關,其他縣域均呈中等程度相關。ESV與PD相關性極強區域主要分布在贛南地區的南部三個縣為信豐縣、定南縣、尋烏縣,ESV與LSI相關性極強區域主要分布在贛南地區的東部的多個縣市。

圖7 贛南地區ESV與景觀指數相關系數空間變化

4 討論

4.1 生態系統服務價值變化

贛南地區城鎮化帶來的建設用地面積擴大導致了該區ESV減少,這與邱劍南[26]和鄒月等[27]研究結果一致。總體來看,2000—2018年贛南地區生態系統服務總價值減少37.43 億元,林地面積的減少以及建設用地面積的增加是造成生態系統服務價值降低的主要原因,而草地和水域是維持生態系統服務價值增加的景觀類型。林地大量轉化為耕地,且生態價值系數相對較大,對生態系統服務價值貢獻率最高,對生態系統服務價值起決定性作用。建設用地擴張來源于林地、耕地轉化,生態價值系數為負加劇了生態系統服務價值的減少。森林覆蓋率降低使得防止風沙、保土保肥、制氧、防洪蓄水、空氣凈化等生態功能減弱,因此顯著減弱土壤形成與保護、氣體調節、水源涵養、氣候調節的價值。在生態系統各項服務中,土壤形成與保護對生態系統服務的價值貢獻率最大,水源涵養生態服務價值減少量最大,共減少7.64 億元,食物生產減少量最低。因此要保護林地、控制建設用地面積同時提高草地在建設用地的面積占比。

4.2 景觀格局對生態系統服務價值影響

贛南地區在人為干擾影響下,ESV與SHDI呈負相關,與CONTAG呈正相關,這與鄒月等[27]和顧澤賢等[16]研究結果一致。景觀格局的變化不僅直接影響動植物的生存環境[28]和食物鏈流向[29-30],間接改變生態系統的基本功能,使得生態系統服務價值發生變化[15]；景觀格局變化還影響景觀指數的改變,由此影響生態系統服務價值量。NP、PD前期受城鎮化進程加快影響下降明顯,后期受退耕還林還草政策影響有小幅升高；LPI在林地優勢景觀類型的面積持續減小影響下不斷降低,CONTAG不斷減小主要是由于建設用地面積擴張、林地占用等人類活動干擾下破碎化程度的加劇；贛南地區在城鎮化過程中,建設用地不斷向外擴張,客家大道高架立交橋、創業路高架段、西站落客高架段、高鐵新區道路、贛南大道快速路建設以及昌贛高鐵、贛深鐵路的加快建設,LSI增加,原本簡單規則的景觀形狀變得復雜,SHDI增加,景觀越破碎,使得ESV不斷減小。據大多學者研究可見[16,27,31],不同地區景觀格局有所差異,則景觀格局指數對生態系統服務價值的影響也不同。對于贛南地區可通過增添樹籬、灌木帶、寬林帶、河流廊道(河岸植被)等廊道連接生態系統,實現景觀格局的優化調整,達到景觀蔓延度指數的提高；增大林地優勢景觀類型的面積占比,降低整個區域香農多樣性指數,注重水域景觀形狀指數提高；建設用地提高鄰接概率,景觀蔓延度指數降低,各類生態系統均一化,香農多樣性指數提高,以此提高生態服務能力,改善生態環境。

5 結論

(1)2000—2018年贛南地區受人為干擾比較大。景觀破碎化程度加劇、異質性升高、類型復雜程度增強,斑塊聚集度減弱。

(2)2000—2018年贛南地區服務價值總量不斷減少,林地對服務價值貢獻率最大,除了食物生產先增加后減少外,其他各項生態系統服務功能價值均呈減少趨勢。山地丘陵區保持現有林地優勢、控制建設用地面積同時提高草地在建設用地的面積占比。

(3)贛南地區服務價值量與斑塊類型團聚程度、土地景觀類型復雜程度相關性顯著,對景觀異質性、優勢類型斑塊面積、景觀形狀復雜程度相關性偏弱。景觀類型指數上注重提高水域LSI,建設用地降低CONTAG、提高SHDI,以提高區域生態服務價值,改善生態環境。

(4)對贛南地區縣市區調整景觀格局,改變景觀類型上的LPI、CONTAG、SHDI、LSI指數來提高ESV。