長三角2000—2018年陸地生態系統完整性動態變化與驅動因素

馬曉武,徐昔保,李景宜

1 寶雞文理學院,陜西省災害監測與機理模擬重點實驗室,寶雞 721013 2 中國科學院南京地理與湖泊研究所流域地理學重點實驗室,南京 210008

自然生態系統的破壞和退化導致全球生物多樣性下降,其中最典型的是棲息地碎片化,引發了生態系統結構和功能的長期變化[1—3]。因此生態系統完整性或相關概念在一些國家和國際的生物多樣性保護和生態系統政策中被提及,這些政策將生態系統完整性與人類可持續發展和人類福祉聯系起來[4—7]。隨著生態系統綜合管理的重視,生態系統完整性已成為自然資源管理和環境保護的核心概念之一,是實施自然資源保護的基本基礎[8],1972年美國國會《清潔水法》要求保護美國水域的生態完整性[9]；1988年加拿大議會通過了《國家公園法》,將生態完整性作為公園管理的終極目標[10—11]；我國國家公園重要文件明確指出要保護自然生態和自然文化遺產的原真性與完整性[12—13]；《關于劃定并嚴守生態保護紅線的若干意見》中明確要求加強生態保護與修復,提高生態系統完整性與連通性[14]。

生態系統完整性最早是由Leopold在《論土地倫理》一文中提出,但是沒有解釋完整性的含義[15]。Karr和Dudley定義生態完整性是一個地區能夠生存的自然棲息地保持其平衡、完整和適應性[16]。Kay認為系統的完整性是指系統作為一個整體,如果一個系統能夠在不斷變化的環境條件下保持其組織,那么它就被稱為完整性[17]。我國相關學者認為隨著時間的推移,在自然和人類活動的影響下,如果一個地區的生態系統能夠保持其結構和功能的復雜性、自組織能力和多樣性,那么該地區的生態系統就具有生態完整性[18]。耗散結構理論認為,在無外來壓力干擾時,隨著自組織的發展,耗散的自然生態系統將有以下的性質：更強的能量捕獲能力、呼吸和蒸騰作用、更多的能量流與物質循環、更高水平的營養結構、更高的生物多樣性和更大的生物量[19]。這些性質實質上是生態系統結構和生態系統功能完整性的具體表現,反映了生態系統完整性的內涵[20—21]。總而言之,景觀尺度的陸地生態系統完整性應該是一個區域具有生態系統組成、結構的異質性和連通性,具有維持生態系統能量平衡、物質平衡和水量平衡的功能,使得生態系統具有一定的抵抗外來干擾和恢復的彈性。

不同國家和組織研發了不同的生態系統完整性評價方法,其中水生生物完整性指數(IBI)最為成熟,被廣泛使用,但IBI的應用和測試幾乎完全局限于水生生態系統[9,16]。陸地生態系統因其過于復雜,還沒有統一的完整性評價的標準和方法[9,22],目前主要是基于生態指標建立,代表性的有三級法評估框架(遠程評價、快速評價和密集評價)和生態系統完整性評估框架[23]。但現有指標體系過于龐大、數據收集和量化復雜,例如建立在物種、種群的測量和通量指標獲取費時費力等,致使其難以被管理者采用[24]。因此本文建立在棲息地景觀尺度上的指標,可能比建立在生物基礎上的指標更加經濟、方便、有效。

長江三角洲(簡稱長三角),行政區劃包括安徽省、江蘇省、浙江省、和上海市三省一市,區域總面積35.8萬km2,是全球六大城市群之一,是我國經濟和城市發展最為活越的地區之一。長三角率先打破行政邊界一體化發展,推動一體化發展已上升到國家戰略層面。《長三角區域一體化發展規劃綱要》要求三省一市堅持生態保護優先,合力保護重要生態空間,確保其面積不減小,強化對生態保護紅線區域的保護和修復。隨著長三角地區的經濟活動加強,區域生態環境承載力與開發的矛盾沖突加劇,嚴重威脅生態系統完整性與連通性、城市群宜居環境與可持續發展,成為一體化的負面效應[25—27]。本文基于耗散結構理論,從棲息地景觀尺度建立陸地生態系統完整性綜合指數(terrestrial ecosystem integrity index,TEII),使用遙感數據遠程評價方法和地理信息系統(GIS)技術,評估長三角區域2000—2018年陸地生態系統完整性動態變化趨勢,利用皮爾遜相關分析方法評價土地利用變化、經濟發展、人口增長對陸地生態系統完整性的影響,以期為長三角陸地生態系統完整性動態監測與評估、生態網絡、生態保護空間(生態保護紅線、自然保護區和國家公園等)建設與優化提供科學依據與方法借鑒。

1 研究方法與數據

1.1 生態系統完整性指標體系框架

長三角區域生態過程發生變化的規模與強度遠超出了省、市等局部地區,因此區域景觀尺度生態系統完整性評估對于生態區域的規劃管理顯得至關重要[28—29]。耗散結構理論認為生態系統完整性應具有生態系統結構和生態系統功能完整性,即使當環境遭受人類干擾時,其生態系統照常能夠維持自組織和穩定的狀態[19,30]。本文基于耗散結構理論,從景觀尺度建立了易于動態監測、量化評估的陸地生態系統完整性指標體系,由目標層、準則層、一級指標層和二級指標層構成(圖1)。

圖1 陸地生態系統完整性指標體系Fig.1 Terrestrial ecosystem integrity index system

(1)目標層：以綜合表征研究區陸地生態系統完整性程度為目的,主要反應陸地生態系統的自組織能力。

(2)準則層：陸地生態系統是否具有生態系統結構完整性、功能完整性以及生態系統彈性為判斷依據。

(3)一級指標層：從生態系統的結構、功能和彈性三方面遴選5個一級指標,生態系統結構完整性側重于異質性,選擇破碎度和連通度[31]。生態系統功能完整性側重于生態系統的能量流通、物質循環以及水量平衡的內在生態物理過程。生態系統彈性側重于生態系統受外界干擾的抵抗能力和干擾后恢復能力。

(4)二級指標層：優選了6個二級指標,破碎度和連通度分別用密度指數(Patch Density,PD)、分離度指數(Landscape Division Index,DIVISION)和斑塊結合度指數(Patch Cohesion Index,COHESION)表征[11,23,31—32]。選擇凈初級生產力(NPP)和總蒸散(ET)分別表征生態系統物質-能量平衡與水量平衡[19,21,30]。生態系統彈性側重于生態系統受外界干擾抵抗能力和干擾后恢復能力,選擇了生態系統彈性限度大小模型(ECORES)來表征[33—34]。

1.1.1生態系統結構完整性度量

生態系統結構完整性度量指標一般有：棲息地斑塊數量、斑塊大小、斑塊間距離、邊緣密度、生物多樣性、景觀連通度、破碎度等[10,23,35—36]。生境破碎度和連通度是景觀生態學研究最好問題之一,其對人口、生態系統、自組織能力水平、人類可持續發展和人類福祉的影響已被記錄。棲息地破碎度增加、連通度降低會使生物多樣性降低,并通過減少生物量和改變營養循環破壞了關鍵的生態系統功能,增加了物種滅絕的風險,不利于維持生態系統的完整性[1,22,37—39]。因此本研究選取了破碎度和連通度指標,既包括棲息地數量的減少,也包括棲息地被重新劃分為更小、更獨立的部分。破碎度和連通度分別用PD、DIVISIONCOHESION表征。利用景觀格局分析軟件Fragstats 4.2 (9×9移動窗口)計算得到其柵格圖層,具體公式見(1)—(3)。

(1)密度指數(Patch Density,PD)

(1)

式中：N為景觀中斑塊的總數,A為總景觀面積(m2)。PD是每100hm2上斑塊的數量,便于在不同大小的景觀之間進行比較。密度指數越大表示景觀越破碎,生態系統結構完整性越低。

(2)分離度指數(Landscape Division Index,DIVISION)

(2)

式中：aij為景觀斑塊ij的面積,A為景觀總面積 。用以分析景觀要素在空間分布中的破碎化程度,分離度的數值越大,斑塊之間越離散,生態系統結構完整性越低。

(3)斑塊結合度指數(Patch Cohesion Index,COHESION)

(3)

1.1.2生態系統功能完整性度量

生態系統功能是生態系統完整性的關鍵成分,表征指標主要包括：物質平衡(儲存能力、養分損失)、能量平衡(能量捕獲、熵產生、代謝效率)、水量平衡(水流)[19,40]。在未受干擾的生態系統發展過程中,生物量不斷增長,維持過程和呼吸的能量、水量需求也在增加,生物營養組分、循環速率和效率不斷增加。因此,在未受干擾的生態系統中,可以假設維持了物質—能量和水量的平衡,就有了更高的自組織的能力,生態系統功能越完整[38]。

刻畫物質-能量平衡指標通常有葉面積指數、光合效率、生物量、土壤固氮和NPP等。本研究選用NPP來表征物質-能量平衡,NPP是植物活動的關鍵變量,是陸地生態系統中物質與能量運轉研究的重要環節,其值越大能量的捕獲能力和碳物質儲存能力越大,自組織能力越強,保持物質-能量平衡和產生新功能的能力越大,生態系統功能越完整[30]。在整個陸地生態系統的發展過程中,越來越多的元素需要水,特別是流經植被的水流,是陸地生態系統中所有循環活動的一個重要前提。ET越大,水循環過程越活躍,因此選用了ET作為水量平衡的表征指標。ET值越大,表示保持生態系統水量平衡的能力越大,生態系統功能越完整[30,40—41]。

1.1.3生態系統彈性度量

生態系統彈性是生態系統抵御外部干擾和在受到干擾后會恢復到穩定狀態的能力[42]。彈性的大小與生態系統在受到干擾時保持生態系統完整性的趨勢或系統自組織能力的程度有關。因此高度完整的生態系統應該具有相對較強的抵抗環境變化的能力,并能在擾動后恢復其原始狀態的能力,即具有彈性。生態組織在不同尺度上賦予了彈性不同的屬性,在景觀尺度上香農多樣性指數、生物量和彈性限度大小模型通常被用作表征彈性大小的指標[18,34,43]。本研究選用了高吉喜[33]提出的生態彈性限度大小模型來測算長三角生態系統彈性大小,計算公式如下：

ECORES=Di∑SiPi=(-∑Silog2Si)∑SiPi

(4)

式中：ECORES為生態彈性限度大小；Si為地物i的覆蓋面積；Pi為地物i的彈性度分值;Di為多樣性指數。

ECORES越大,表示陸地生態系統的生態彈性限度越高。Di本文采用Shannon多樣性指數(SHDI)計算得到,將長三角二級土地利用數據共17地類作為其計算的輸入數據,而計算彈性度分值Pi使用了一級土地利用數據,具體賦值見表1。基于MATLAB做9×9的移動窗口計算得到每個柵格的陸地生態系統彈性值。

表1 各土地利用類型彈性度Pi分值[33]Table 1 Pi score of each land use type

1.2 生態系統完整性綜合指數

為了便于在生態系統管理與決策中使用,本研究采用等權重法形成一個簡單、易用的生態系統完整性綜合指數,其時間尺度為年。給一級指標層的5個指標平分了權重,每個指標的權重均設為了0.2(圖1)。因各二級指標的量綱不同,將各二級指標進行歸一化處理(0—1)。其中破碎度對完整性是消極因素,因此DIVISION和PD用最小值歸一化,其他指標進行最大值歸一化。綜合指數TEII計算公式如下：

TEII=0.4×B1+0.4×B2+0.2×B3

(5)

式中：TEII表示陸地生態系統完整性綜合指數,B1為生態系統結構完整性,B2為生態系統功能完整性,B3為生態系統彈性。

將2000—2018年長三角TEII變化分為5個等級,TEII增加和降低大于0.02設為顯著增加和顯著降低,增加和降低在0.001—0.02之間設為增加和降低,增降在0.001之內設為不變。

1.3 數據來源及處理

土地利用數據來源于歐空局(表2),分辨率為300m,根據長三角實際情況分為7個一級類和17個二級類(表3)。一級類作為DIVSION、PD和COHESION的輸入數據,二級類作為SHDI的輸入數據。ET數據來源于NASA官網MOD16數據,空間分辨率500 m,產品基于Penman-Monteith公式計算,考慮了土壤表面蒸發、冠層截流水分蒸發和植物蒸騰。NPP數據來源于NASA官網MOD17數據,空間分辨率500m。國內生產總值(GDP)和總人口數據來源于長三角41個地級市統計年鑒。為了讓不同來源、不用類型的數據保持相同的空間分辨率,將所有數據統一重采樣為300 m。

表2 基礎數據來源Table 2 Data source

表3 長三角土地利用分類體系Table 3 Land use classification system of the Yangtze River Delta

2 結果分析

2.1 總體變化趨勢

由圖2得出,TEII均值2000—2018年呈先增加后降低變化,整體呈下降趨勢(0.529—0.525)。2000—2018年期間,長三角陸地生態系統的結構完整性方面破碎度均值持續增加(0.808—0.837),連通度均值持續下降(0.949—0.942),說明長三角景觀不斷被切割,同類斑塊之間的距離變遠,物種棲息地碎片化嚴重,從而導致長三角陸地生態系統的結構完整性持續降低。功能完整性方面,2000—2018年物質-能量平衡(NPP)歸一化均值先增加后降低,整體呈增加趨勢(0.338—0.370),在2010年達到了最高值,說明物質和能量在這期間維持了平衡狀態。水量平衡(ET)歸一化均值整呈現下降趨勢(0.464—0.449),在2010年也達峰值(0.469)。陸地生態系統彈性方面,2000—2018年期間波動較小,均值整體呈弱增加趨勢(0.232—0.235),說明長三角在近18年內陸地生態系統抗外界干擾能力和恢復能力沒有發生明顯變化。綜上可得2000—2018年長三角陸地生態系統完整性下降的主要原因是由結構完整性降低所導致。

圖2 2000—2018年長三角陸地生態系統完整性指標變化Fig.2 Changes of terrestrial ecosystem integrity index in the Yangtze River Delta from 2000 to 2018

由圖3可以看出2000—2018年長三角陸地生態系統完整性顯著降低和降低等級的面積分別為19%和24%,呈顯著增加和增加等級的面積分別為15%和27%,15%面積維持不變。顯著降低面積大于顯著增加面積,說明完整性降低程度要比增加程度更劇烈,應該加強完整性顯著降低區域的監測。

圖3 2000—2018年長三角陸地生態系統完整性(TEII)變化Fig.3 Changes of terrestrial ecosystem integrity in the Yangtze River Delta from 2000 to 2018

2.2 時空變化格局

由圖3可得,2000—2018年長三角TEII區域梯度差異鮮明,高值主要分布在皖西大別山區和皖南-浙西-浙南山區綠色生態屏障區,低值分布在城市主城區。

2000—2018年長三角TEII顯著降低區域呈兩帶兩圈多點分布格局(圖3紅色區域)。兩帶為沿海發展帶和沿江發展帶,沿海地區主要分布在連云港市、鹽城市、南通市、上海市、嘉興市、舟山市、寧波市、臺州市和溫州市等。長江沿岸主要分布在長江下游南岸,如蕪湖市、馬鞍山市、南京市、鎮江市、揚州市局部和泰州市全市大部分地區。兩圈為蘇錫常都市圈和杭州都市圈,如蘇州、無錫市、常州市、杭州市、湖州市和紹興市完整性下降明顯。多點為多個城市郊區,零散分布在各大城市的主城區周邊,如合肥市、阜陽市、宿遷市和淮安市等。顯著降低面積最多的10個地級市分別為南通市(4645.53 km2)、杭州市(4493.88 km2)、寧波市(3807.54 km2)、麗水市(3728.88 km2)、上海市(3345.39 km2)、蘇州市(3345.21 km2)、溫州市(3168.18 km2)、臺州市(2853.09 km2)、徐州市(2755.98 km2)和金華市(2726.64 km2),累計占顯著降低總面積的51.79%。綜上得,長三角陸地生態系統完整性顯著降低區域均分布在人類活動較強的區域,說明城市擴張對城市周邊地區的生態系統完整性構成了威脅。

2000—2018年長三角TEII顯著增加區域主要分布在長三角西北地區(圖3藍色區域),在空間上聚集性分布,從西北區的六安市向東北方向的鹽城市展開,依次經過合肥市、淮南市、滁州市、蚌埠市、淮安市、宿遷市。長三角TEII顯著增加面積最大的10個地級市為：六安市(10994.58 km2)、滁州市(7440.03 km2)、合肥市(4957.92 km2)、淮安市(2536.74 km2)、安慶市(2064.42 km2)、蚌埠市(1976.13 km2)、宿遷市(1967.04 km2)、鹽在市(1666.53 km2)、南京市(1461.33 km2)和馬鞍山市(1237.86 km2),累計占顯著增加總面積的68%。完整性顯著增加可能與加大生態用地的管控和生態修復力度有關,例如巢湖流域2014年入選首批全國生態文明先行示范區后,在皖西大別山加大了水土保持區限制陡坡墾殖、過度放牧管控措施；在淮河上游水源涵養地帶,退耕還林圍欄封育,推進天然林草保護；在巢湖環湖地帶采取退漁還濕,建設生態景觀帶等工程措施治理和修復生態用地,使得生態完整性顯著提高。這進一步表明長三角生態文明建設,在部分地區已經從理論認識走向了制度設計與管理實踐應用。

2.3 驅動因素

2.3.1土地利用變化

由表4得,2000—2018年長三角主要土地利用變化類型是耕地轉建設用地(14156.55 km2)、林地轉耕地 (6197.49 km2)、耕地轉林地(5098.68 km2)、草地轉建設用地(3092.94 km2),分別占土地利用變化總面積的37.21%、16.29%、13.40%、8.13%。長三角建設用地增加了3.14倍,不斷擠占重要生態空間,草地面積減少了45.62%,林地面積減少了2.25%,導致生態空間面積減少加劇,重要生物棲息地遭到破壞。疊加2000—2018年TEII變化與土地利用轉移矩陣可得,導致2000—2018年長三角陸地生態系統完整性下降的主要土地利用變化類型(變化面積從大到小)為：耕地轉建設用地、草地轉建設用地、林地轉耕地、林地轉建設用地和草地轉耕地。主要原因是隨著快速城鎮化,人類活動干擾不斷加強,建設用地由主城區向四周擴張,侵蝕了周邊稀疏草地和耕地,造成地類破碎化,生態系統完整性下降。

表4 2000—2018年土地利用轉移矩陣/km2Table 4 Land use transfer matrix from 2000 to 2018

2.3.2社會經濟發展

Pearson相關分析法分析長三角41個地級市2000—2018年GDP、總人口與TEII均值的相關性,表明2000—2018年長三角GDP與TEII均呈顯著負相關,即GDP越高區域陸地生態系統完整性越低,說明長三角經濟發展對陸地生態系統完整性產生負面影響(表5)。從相關緊密程度來看,長三角GDP與TEII的相關緊密程度呈先增加后下降趨勢,2000—2005年GDP與TEII相關緊密程度低(P<0.05),相關系數分別為-0.317和-0.390；2010—2015年GDP與TEII呈顯著負相關(P<0.01),相關緊密程度增加,相關系數分別為-0.476和-0.509；從2015年以后相關緊密程度有所下降,相關系數從-0.509下降到-0.484,即2015年以后經濟增長對完整性的負面影響有減緩征兆,這可能與經濟轉型有關,但經濟發展與生態環境保護的權衡協調仍然是重大難題。

由表5得,2000—2005年總人口數與TEII無顯著相關性,相關系數為-0.217和-0.216。2010到2018年總人口數與TEII均呈顯著負相關,相關系數為-0.348、-0.335和-0.337。從2000年到2018年,長三角總人口數與TEII相關性由不顯著變為顯著負相關,表明長三角人口增長對TEII的負影響由弱到強,即人口數量的增加可能在未來會對陸地生態系統完整性降低存在較大的威脅。

表5 TEII與GDP、總人口數的相關性Table 5 TEII′s correlation with GDP and total Population

3 結論與討論

本文從生態系統的結構、功能和彈性三方面遴選5個一級指標和6個二級指標構建了TEII。研究表明：(1)2000—2018年長三角陸地生態系統完整性均值整體呈下降趨勢,尤其景觀破碎度不斷增加,連通度不斷降低,導致結構完整性持續下降；(2)完整性在不同區域梯度變化明顯,完整性顯著降低區域呈兩帶兩圈多點分布格局,顯著增加區域主要分布在長三角西北部；(3)建設用地增加是完整性下降的主要驅動之一,GDP與完整性呈顯著負相關,人口增加對完整性負面影響程度由弱到強,說明人口增加的壓力對完整性的影響越來越大。

本研究構建的生態系統結構完整性側重于異質性,生態系統功能完整性側重于生態系統的能量流通、物質循環以及水量平衡的內在生態物理過程,生態系統彈性側重于生態系統受外界干擾的抵抗能力和干擾后恢復的能力。優選的各類指標已被廣泛應用到生態系統表征的各個方面,數據容易獲取、操作簡單方便,綜合指數權重分配使用了簡單平均。但是同時也存在一些問題：(1)復雜難獲取的野外調查數據(如病原體、外來物種、指示物種等),可能更好地表征生態系統的物種多樣性和生態系統功能,未來的研究中應該考慮如何建立用簡單的指標和模型代表復雜的生態指標；(2)綜合指數雖然容易被管理部門理解和接受,但是使用綜合指數表征生態系統的科學性存在一些不確定性,例如當各指標賦予不同權重時,綜合指數會有不同的結果。因此各指標賦權重分值應該考慮到管理部門的需求和區域實際內在聯系,未來研究應該探究各指標對完整性的貢獻率；(3)功能指標只使用了兩個指標來表征物質—能量平衡和水量平衡避免了數據冗余,但是不夠全面,未來研究中應該再擴展選取具有代表性的其他功能指標；(4)本文在景觀尺度構建的綜合指數,主要表征景觀內部不同空間單元生態系統完整狀態的空間差異。但在進行類型尺度(水平)的生態系統完整性比較時顯得不足和不準確,比如利用了相同的指標表征和歸一化處理了不同生態系統類型,會高估了部分人工生態系統(耕地、人工林地)的完整性,而低估了部分自然生態系統(草地和濕地)的完整性。因此在未來研究中,應該從多個尺度構建指標體系,例如構建生態系統類型尺度的完整性指標體系,使得評估指標體系更加豐富、用途更加廣泛。

長三角景觀逐漸支離破碎、完整性降低,體現了建設人與自然和諧共生的重要性和加快推進生態文明建設的緊迫性,如果不采取有效的景觀格局優化措施,棲息地將繼續遭受破壞,生物多樣性保護將受到嚴重威脅。因此亟需加大完整性顯著降低區域生態修復力度,合理布局生態、生活、生產用地,加快推動經濟結構綠色轉型與高質量發展。