柑橘園擴張對生態系統服務和景觀格局的影響
——以江西省信豐縣為例

熊燕飛,張安錄,*,劉蒙罷,李 歡

1 華中農業大學公共管理學院,武漢 430070 2 華中農業大學生態與環境經濟研究所,武漢 430070

生態系統服務(ES)是指人類為滿足自身需求從生態系統中所獲取的直接或間接收益[1],主要包含供給服務、調節服務、支持服務和文化服務4種服務類型[2]。各生態系統服務之間主要呈現此消彼長的權衡關系或同增同減的協同關系,明晰不同生態系統服務間的權衡與協同關系,有利于識別生態系統服務提升路徑[3]。人類活動干擾下的土地利用變化改變了景觀格局,而景觀格局變化影響生態系統服務流的形成與循環過程,進而對生態系統服務供給產生影響[4—5]。科學合理估算土地利用變化對生態系統服務和景觀格局的影響,分析生態系統服務之間的權衡關系,掌握生態系統服務和景觀格局之間的關聯,可為自然資源合理利用和生態環境保護政策制定提供參考依據。

生態系統服務評估研究發展迅速,國內學者陸續對全國[6]、流域[7]、黃土高原[8]、省域[9]、市域[10]、縣域[4]等不同空間尺度下的生態系統服務進行評估,形成了以價值量評估和物質量評估[11]的兩類生態系統評估方法。其中,InVEST模型由于評估精度高、結果空間可視化較強、且能滿足不同區域的多項生態系統服務功能分析,已成為目前最為常用的生態系統服務評估模型[12—14]。該模型在進行生態系統服務評估時,需要根據不同區域設置不同參數,目前其在我國城市[15]、森林[16]、草地[13]、未利用地[12]等生態系統的評估應用取得了良好的模擬效果,但在我國丘陵地區園地生態系統評估的應用有待進一步驗證并推廣。此外,鑒于生態系統服務對維系人類福祉具有重要貢獻,現有研究往往關注生態空間脆弱區或者建設空間和生態空間競爭激烈的區域[8,15],對經濟作物大規模種植區等農業空間與生態空間用地矛盾突出區域的研究較少。已有研究表明,經濟作物規模種植可能會威脅生態系統服務。比如,Liu等[17]利用InVEST 模型,分析西雙版納州的橡膠園在不同擴張強度下所引起的區域生態系統服務和景觀格局變化情況,發現橡膠園高強度擴張區內碳儲量大幅減少；Su等[18]的研究表明天然林向茶園轉換嚴重影響了生態系統的水土保持功能；Li等[19]以中國亞熱帶杭州地區為例,得到生態系統服務價值與經濟作物擴張之間存在負相關關系。然而,上述研究對于經濟作物擴張引起的各種生態系統服務之間的權衡關系以及生態系統服務和景觀格局之間的關聯考慮不足,難以應用于種植業可持續發展決策之中。

近幾十年來,隨著人們生活水平的提高,柑橘消費呈現逐年增長態勢,我國柑橘種植面積在2000—2019年間也從1271.78×103hm2增長至2617.30×103hm2,年均增長達4%。在柑橘主產區,柑橘園以占用林地和耕地的方式實現規模擴張,已成為較典型的土地利用/覆蓋變化過程[20—23]。在國家深入推進鄉村振興和生態文明建設背景下,森林和耕地生態系統被柑橘園生態系統替代會對生態系統服務產生怎樣的影響,是否存在地形效應差異？柑橘種植影響下生態系統服務權衡關系如何？柑橘園擴張如何影響區域景觀格局,進而影響生態系統服務？這些問題的回答對柑橘主產區如何保障柑橘產業的經濟效益且實現生態成本最小化,推動生態-經濟協同發展具有重要現實意義。

信豐縣是我國著名的“臍橙之鄉”,是贛南臍橙的發源地。柑橘園作為園藝生態系統,柑橘供給是其重要的供給服務之一。研究表明,柑橘種植容易導致土壤侵蝕[24],而且土壤侵蝕也是我國紅壤地區最明顯的生態系統退化現象[25],定量測算柑橘園擴張對土壤保持服務的影響有利于維護區域生態安全。林地和耕地生態系統承擔著重要的碳匯功能[26],林地和耕地景觀的減少不利于區域碳循環和氣候穩定。此外,林地減少,會減少水分蒸散量,進而改變徑流和蒸發比率,從而影響產水服務[27]。鑒于此,本研究以信豐縣為研究案例,分析園地擴張的柑橘供給服務、產水服務、土壤保持服務和碳儲量服務等4種生態系統服務和景觀格局影響及其權衡與關聯,并進一步探究園地擴張引起的生態系統服務變化的地形效應,以期為園地合理開發利用管理,促進農業生產和生態平衡提供依據。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

信豐縣位于江西省南部,贛州市中部,全域土地總面積2878 km2,轄16個鄉鎮(圖1)。境內地勢由南向北傾斜,四周高而中間低,呈盆地形。信豐縣自1970年引種栽培贛南第一批臍橙以來,已有近50年種植歷史,全縣形成了“兩線五點”臍橙生產基地格局,建成了6個萬畝臍橙基地和一條以105國道為依托的十萬畝“百里臍橙帶”。大面積的果園取代了原有的旱地、常綠闊葉林,區域內果園、耕地、林地用地競爭矛盾突出。

圖1 信豐縣區位圖Fig.1 The location of Xinfeng County

1.2 數據來源

本研究數據主要包括土地利用數據、DEM數據、氣象數據、土壤數據、NDVI數據、相關社會經濟統計數據。①土地利用數據,來源于第二次、第三次全國國土調查數據庫,根據研究區實際土地利用情況和研究目的,最終將信豐縣土地利用類型分為耕地、柑橘園、林地、水域、建設用地、未利用地六類。②DEM數據,來源于地理空間數據云(http://www.gscloud.cn/),分辨率為30 m。③氣象數據,來源于中國氣象數據網(http://data.cma.cn/),采集信豐縣周圍13個氣象站點的降雨、溫度等數據。④土壤數據,土壤中砂粒、粉粒、粘粒百分比來源于《信豐縣土壤志》；土壤有機質、有機碳數據來源于野外調查,共采集76個土樣；土壤類型數據來自信豐縣自然資源局；土層厚度數據根據土壤類型數據、《信豐縣土壤志》和2019年信豐縣農用地分等定級數據庫綜合確定。⑤NDVI數據,來源于美國地質調查局(USGS)對地觀測資源與科學中心(http://glvis.usgs.gov/),分辨率為30 m。⑥相關統計數據,來源于《江西省水土保持公報》《信豐縣統計年鑒》和《信豐臍橙志》,包括年均徑流量、輸沙量、柑橘種植面積和產量等。

2 研究方法

2.1 柑橘園時空變化測度

柑橘園的數量和空間來源及其流向是研究柑橘園時空變化的基礎。本文借鑒李全峰等[28]測度耕地數量轉換來源公式,測算柑橘園數量轉換來源。利用圖譜分析方法刻畫柑橘園漲勢、落勢和恒定圖譜,以探究柑橘園空間轉換來源。根據相關研究[29—30],圖譜分析方法主要包括圖譜時空單元確定和圖譜構建兩個部分。

2.1.1圖譜時空單元確定

選擇2010年和2019年的土地利用數據為基礎數據,則圖譜的時間序列單元為2010—2019年；結合遙感數據的可獲取性和數據單元的一致性,最終選取30 m×30 m的空間分辨率作為圖譜分析的空間單元。

2.1.2圖譜構建

利用ArcGIS 10.2軟件,首先對2010年和2019年土地利用類型賦值編碼(表1),然后將編碼后的兩期土地利用現狀圖進行相交處理,最后運用柵格計算器按照編碼公式進行編碼計算,編碼公式為：

C=10A+B

(1)

式中,C為柑橘園變化圖譜類型編碼；A為前期土地利用類型編碼值；B為后期土地利用類型編碼值。如編碼32,表示土地利用類型由林地轉為柑橘園。

柑橘園變化包括轉入和轉出兩個方面,轉入即其他土地利用類型轉為柑橘園；轉出即柑橘園轉為其他土地利用類型。根據編碼原則,利用篩選工具,提取所有個位數值為2(22除外)的柵格單元即柑橘園轉入柵格單元,生成柑橘園漲勢圖譜；提取所有十位數值為2(22除外)的柵格單元即柑橘園轉出柵格單元,生成柑橘園落勢圖譜；提取編碼為22的柵格單元,生成柑橘園恒定圖譜。

表1 土地利用類型編碼表

2.2 生態系統服務功能測算

2.2.1柑橘供給服務

本研究利用研究區2010年和2019年柑橘生產能力表征柑橘供給服務。通過年鑒數據獲得信豐縣柑橘產量,利用ArcGIS軟件將單位面積柑橘產量賦值到各個柑橘柵格單元,計算每個柵格所對應的柑橘供給能力數值。

2.2.2產水服務

InVEST模型的產水量評估模塊其實質是基于Budyko水熱耦合平衡假設[31],將每個柵格的降水量減去實際蒸散量,從而確定研究區的年產水量。公式如下：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中,Yxj為土地覆被類型j上柵格單元x的年產水量(mm)；AETxj為土地覆被類型j上柵格單元x的年實際蒸散量(mm)；Px為柵格單元x的年降水量(mm)；wx為修正植被年可利用水量與預期降水量的比值；Rxj為土地覆被類型j上柵格單元x的Budyko干燥指數；Kxj為土地覆被類型j上柵格單元x的植物蒸散系數；ET0為參考作物蒸散；PAWCx為植物可利用含水量(mm)；Z為Zhang系數,將產水模擬量與研究區水文站點的年徑流量對比分析,最終發現Z取值10.36時,符合研究區實際情況。

2.2.3土壤保持服務

InVEST模型的土壤保持服務評估模塊在RUSLE方程的基礎上考慮地塊本身攔截上游沉積物的能力,故該模型的土壤保持服務包含土壤侵蝕減少量和泥沙持留量兩個部分。公式如下：

SEDRETx=Rx×Kx×LSx×(1-Cx×Px)+SEDRx

(6)

(7)

USLEx=Rx×Kx×LSx×Cx×Px

(8)

式中,SEDRETx為柵格單元x的土壤保持量(t)；SEDRx為柵格單元x的泥沙持留量(t)；USLEx和USLEy為柵格單元x及其上坡柵格單元y的實際土壤侵蝕量(t)；Rx為降雨侵蝕力因子(MJ mm hm-2h-1a-1)；Kx為土壤可蝕性因子(t hm2h hm-2MJ-1mm-1)；LSx為坡長坡度因子；Cx為植被覆蓋與管理因子,詳見表2；Px為水土保持措施因子,詳見表2；SEx為泥沙持留效率。

2.2.4碳儲量服務

InVEST模型的碳儲量模塊是根據不同土地利用/覆被類型或植被類型的地上生物量、地下生物量、土壤和死亡有機物質 4 個碳庫評估碳儲量。公式如下：

Ctot=Cabove+Cbelow+Csoil+Cdead

(9)

式中,Ctot為碳總儲量(Mg)；Cabove為地上生物碳儲量(Mg)；Cbelow為地下生物碳儲量(Mg)；Csoil為土壤碳儲量(Mg)；Cdead為死亡有機物碳儲量(Mg)。各土地利用/覆被類型的碳庫數據,基于已有相關研究成果[32—35]和信豐縣實際情況修正獲得,具體見表2。

表2 InVEST模型土地利用各部分關鍵參數

2.2.5生態系統服務變化測度

為單純分析由柑橘園擴張引起的生態系統服務影響,而剔除柑橘園以外的其它土地利用變化引起的生態系統服務影響,將圖譜類型編碼中第二位數字編碼為2的圖斑作為基礎數據,研究柑橘園擴張前后柑橘供給服務、產水服務、水土保持服務、碳儲量服務的變化情況。具體公式如下：

k=10×A+2

(10)

(11)

ΔESi=ESit-ESi(t-1)

(12)

式中,k為第A類土地利用類型轉為柑橘園的圖譜類型編碼；ESi為第i種生態系統服務供給量；ESik指編碼為k的圖斑的第i種生態系統服務供給量；ESi(t-1)為圖斑成為柑橘園前的第i種生態系統服務供給量；ESit為圖斑成為柑橘園后的第i種生態系統服務供給量。

2.3 景觀格局分析

結合本文研究目的,同時為避免景觀格局指數選取的冗余性,參考相關文獻[36],最終選取斑塊數量(NP)、斑塊密度(PD)、景觀凝聚度(COHESION)、景觀連接度(CONNECT)和Shannon′s多樣性指數(SHDI)五個景觀指數,分析柑橘園擴張對景觀格局的影響。為僅分析柑橘園擴張引起的景觀格局變化,剔除城市化、退耕還林等其它因素對景觀格局的影響,本文采用單一變量法[37],即將2010年土地利用現狀數據作為柑橘園擴張前基礎數據,將2019年的柑橘園圖斑鑲嵌入2010年土地利用現狀數據,作為柑橘園擴張后基礎數據。各景觀格局指數可基于Fragstats 4.2軟件計算而得。

2.4 地形梯度劃分

參考研究區實際地形條件和柑橘種植對地形條件的要求[38],最終將坡度、高程、地形位三個地形因素納入考慮范圍,并對其進行等級細分(表3),以探究柑橘園擴張引起的生態系統服務變化的地形效應差異。

表3 地形因素等級劃分標準

2.5 相關分析

相關分析能夠揭示景觀格局變化和生態系統服務變化之間是否存在相關性,以及其相關程度和方向。本研究利用Pearson相關系數研究柑橘供給、產水、土壤保持、碳儲量四種生態系統服務變化之間的相關性以及各生態系統服務和NP、PD、COHESION、CONNECT、SHDI五種景觀格局指數之間的關聯性,以揭示柑橘園擴張過程中生態系統服務變化的權衡關系和生態系統服務對景觀格局變化的響應。

3 結果與分析

3.1 柑橘園時空變化分析

2010—2019年間,信豐縣柑橘園數量整體處于擴張狀態(表4)。信豐縣柑橘園面積從9961.29 hm2增至12633.84 hm2,柑橘園凈轉入2672.55 hm2,凈轉換源于林地、耕地和未利用地。從轉換來源來看,10年間柑橘園轉入面積為7504.71 hm2, 增幅75.33%,主要來源于林地和耕地；柑橘園轉出面積為4832.16 hm2, 減幅51.49%,主要流向林地和耕地。

柑橘園漲勢、落勢、恒定圖譜如圖2所示。各鄉鎮柑橘園擴張類型均以占林型和占耕型為主,占林型柑橘園呈現集聚現象,主要分布在嘉定鎮、古陂鎮和大塘埠鎮,而占耕型柑橘園分布較為分散。僅安西鎮柑橘園大面積還林,其它鄉鎮柑橘園縮減面積較小且無明顯地域差異。研究區域內穩定的柑橘園,主要分布在信豐縣中部的嘉定鎮、安西鎮和大塘埠鎮等鄉鎮。

表4 2010—2019年信豐縣柑橘園數量轉換來源和轉化變化率

圖2 柑橘園漲勢、落勢、恒定圖譜Fig.2 Rising, falling, constant TUPU of citrus orchards1為耕地， 2為柑橘園， 3為林地， 4為水域， 5為建設用地， 6為未利用地;如編碼32，表示土地利用類型由林地轉為柑橘園

3.2 生態系統服務功能影響分析

2019年贛江流域信豐段的平均徑流量36.38億m3、總輸沙量為7.71×105t,對比InVEST模型模擬的2019年信豐縣產水量36.32億m3、總輸沙量7.82×105t,模擬產水模數與實際產水模數相對誤差為0.15%,模擬輸沙量與實際輸沙量相對誤差為1.39%,模擬結果在可允許誤差內,可用于生態系統服務影響分析。

總體來看(表5),柑橘園擴張導致柑橘供給服務增加了7957.28 t,產水服務、土壤保持服務和碳儲量服務分別減少了5.13×105mm、5.0×106t、3.67×105Mg,對全域生態系統服務供給變化的貢獻率分別為31.49%、3.97%、67.19%、35.98%。這表明柑橘園擴張對產水服務幾乎無影響,但對土壤保持服務和碳儲量服務產生負向影響。在柑橘園擴張類型中,占林型柑橘園和占耕型柑橘園是造成生態系統服務發生變化的主要柑橘園類型。除柑橘供給服務外,占耕型柑橘園對其它三種生態系統服務均表現為抑制作用,而占林型柑橘園對土壤保持服務和碳儲量服務表現為抑制作用,卻對產水服務產生較小的促進作用,且在土壤保持服務和碳儲量服務中,占林型柑橘園的抑制作用均顯著大于占耕型柑橘園。

由圖3可知,占林型柑橘園(32)和占耕型柑橘園(12)在不同地形梯度上的擴張對生態系統服務的影響存在顯著差異。從柑橘供給服務來看,占林型柑橘園主要分布在200—300 m、坡度5°—15°和中地形位部位,而占耕型柑橘園主要分布在200 m以下、坡度5°—15°和低地形位部位。占耕型柑橘園在各個地形梯度的擴張均對產水服務產生了負向影響,而占林型擴張僅在高程200 m以下,坡度5°以下和低地形部位處的擴張對產水服務產生負向影響,其他地形梯度上均呈現正向影響,這主要是因為信豐縣屬于丘陵地區,實際蒸散量對產水服務變化的影響程度較大[39],地形差異導致林地實際蒸散量存在空間異質性,使得位于低地形林地的產水服務供給比高地形林地的產水服務供給大。占林型和占耕型柑橘園在各個地形梯度上的擴張均對土壤保持服務和碳儲量服務產生負向效應,處于高程200—300 m、5°—25°、中低地形部位的擴張引起的土壤保持服務和碳儲量服務損失量最大,這可能是因為柑橘園較林地和耕地而言,植被覆蓋率低,涵養水土能力弱,生物活動較少。

表5 柑橘園擴張生態系統服務影響表

圖3 柑橘園擴張引起不同地形梯度上的生態系統服務變化Fig.3 Variation of ecosystem services on different topographic gradients caused by citrus orchard expansion

3.3 景觀格局分析

在單變量條件下,分析2010—2019年柑橘園擴張對景觀格局的影響,結果見表6。柑橘園擴張前(2010年)、擴張后(2019年),研究區斑塊數量、斑塊密度和Shannon′s多樣性指數都有所增長,而景觀凝聚度和景觀連接度指數均呈現下降趨勢。這表明柑橘園擴張導致研究區景觀趨于破碎化,土地利用方式較柑橘園擴張前分散,景觀連通性降低。Shannon′s多樣性指數有所提升,這可能是因為信豐縣的優勢景觀為林地,林地覆蓋率高達70%,在單變量條件下林地轉為園地使得土地利用結構更為平衡。

3.4 生態系統服務權衡/協同分析

圖4顯示,在鄉鎮尺度上4種生態服務除產水服務和土壤保持服務的相關關系不顯著外,其它兩兩服務之間的相關系數均通過了0.01顯著性水平的檢驗。相關分析表明,柑橘供給服務與產水服務(r=-0.91,P=0.001)、土壤保持服務(r=-0.70,P=0.01)、碳儲量服務(r=-0.87,P=0.001)均為顯著權衡關系;碳儲量服務與產水服務(r=0.76,P=0.001)、土壤保持服務(r=0.85,P=0.001)之間為極顯著協同關系。

表6 信豐縣柑橘園擴張前后(2010年)、擴張后(2019年)景觀指數變化

在柑橘規模種植的影響下,研究區林地和耕地面積逐漸減少,生態系統截留雨水、攔沙和固碳能力減弱,因此柑橘供給服務與產水服務、土壤保持服務、碳儲量服務具有較強的權衡關系。這表明隨著柑橘園的擴張,柑橘供給服務增加的同時,可能會引起生態系統產水服務、土壤保持服務和碳儲量服務減少。碳儲量服務與產水服務、土壤保持服務具有較強的協同關系,可能是因為柑橘園種植區植被覆蓋度低、地表裸露、容易發生水土流失,從而導致植被生長受限,碳密度較低。故從柑橘園生態管理的角度來看,提高柑橘園地表植被覆蓋率,有利于防止水土流失,降低柑橘園擴張對生態系統產生的不利影響。

3.5 生態系統服務與景觀格局的關聯分析

由圖4可知,斑塊數量(NP)與生態系統服務之間的關聯性最為顯著。斑塊數量與柑橘供給服務呈極顯著正相關關系(r=0.86,P=0.001),而其與產水服務(r=-0.84,P=0.001)、土壤保持服務(r=-0.75,P=0.001)、碳儲量服務(r=-0.90,P=0.001)呈顯著負相關關系。景觀凝聚度指數(COHESION)與土壤保持服務(r=0.61,P=0.05)、碳儲量服務(r=0.69,P=0.01)具有顯著正相關關系。其它景觀格局指數和4種生態系統服務之間的關系較弱。

綜合分析,研究區柑橘供給服務的增加可能會導致景觀破碎化,而景觀破碎化會對產水服務、土壤保持服務和碳儲量服務產生負向影響。柑橘園連片種植,提高景觀凝聚度,減少景觀破碎化,有助于提高土壤保持服務和碳儲量服務供給能力。研究區柑橘園擴張會導致土地利用結構更為平衡(表6),而Shannon′s多樣性指數與生態系統服務之間的關系表明,柑橘園擴張引起的數量結構平衡可能會對生態系統產生不利影響。雖然部分景觀格局指數與生態系統服務之間的相關關系并未通過顯著性檢驗,但是從相關系數可知,不同生態系統服務對景觀格局變化的響應存在方向性差異。

圖4 生態效應權衡/協同與關聯Fig.4 Tradeoff/synergy and correlation of ecological effects NP：斑塊數量Patches Number；PD：斑塊密度Patch Density；CONNECT：景觀連接度Connect Index；COHESION：景觀凝聚度Cohesion Index；SHDI：Shannon′s多樣性指數Shannon′s Diversity Index；Citrus Supply：柑橘供給服務；Water Yield：產水服務；Soil Conservation：土壤保持服務；Carbon Storage：碳儲量服務。*表示在0.05水平顯著,**表示在0.01水平顯著,***表示在0.001水平顯著

4 結論與討論

4.1 結論

本研究通過分析柑橘園擴張前后(2010—2019年)柑橘園的數量和空間轉換來源、生態系統服務的地形效應、生態系統服務和景觀格局變化及其權衡與關聯,從而揭示了信豐縣柑橘園擴張對生態環境的影響,得到以下主要結論：

(1)2010—2019年間,柑橘園大量轉入轉出,轉入柑橘園7504.72 hm2,轉出柑橘園4832.16 hm2,柑橘園凈增加2672.55 hm2,新增柑橘園主要來源于林地和耕地,縮減柑橘園主要轉為林地、耕地,區域內林地、耕地和柑橘園三者轉換頻繁。

(2)柑橘園擴張對水土保持服務和碳儲量服務產生負向影響,對柑橘供給服務產生正向影響,對產水服務幾乎無影響,且導致信豐縣景觀格局總體呈現破碎化趨勢,景觀連通性降低。林地和耕地減少、陡坡和海拔相對較高地區種植、植被覆蓋度降低以及種植規模小而分散是柑橘園擴張對生態效應產生負向影響的重要原因。

(3)不同類型柑橘園在不同地形梯度上的擴張對生態系統服務的影響方向和程度存在差異。其中,柑橘園在高程200—300 m,坡度15°—25°以及中地形部位的柑橘園擴張行為對生態系統服務的負向影響最大。

(4)2010—2019年間,柑橘供給服務與產水服務、土壤保持服務、碳儲量服務呈權衡關系,碳儲量服務與產水服務、土壤保持服務呈協同關系。斑塊數量與柑橘供給服務呈顯著正相關關系,而與支持服務呈顯著負相關關系。

4.2 討論

4.2.1柑橘園擴張的生態效應及其權衡與關聯

政策因素是柑橘園擴張的主要驅動力之一[22]。在我國南方地區,柑橘主產區與重點扶貧區高度重合[40],柑橘產業不僅能拉動地方經濟發展,還能促進農民增收,受到地方政府重視。信豐縣政府及相關部門制定了柑橘幼苗補助、化肥農藥補貼、免費技術培訓以及山地開發優惠等政策,鼓勵柑橘產業發展[41]。在政策扶持和柑橘種植的地形條件約束下,縣域內柑橘園快速擴張,柑橘供給服務主要發生在高程300 m以下,坡度5°—25°以及低、中地形部位的區域,這與張起明等[21]和王斌等[22]對贛南柑橘分布規律的研究結果相似。本文的研究結果表明,柑橘園擴張會給生態系統的土壤保持服務、碳儲量服務帶來負向效應,這與Duan等[42]和Liu等[17]研究結果一致。其中,柑橘園在高程200—300 m,坡度15°—25°以及中地形部位的柑橘園擴張行為引起的區域碳儲量、土壤保持量損失最大。然而劉冠等[43]對麻塔流域的研究結果表明,經果林在坡度15°—25°的建設有利于增強景觀固碳能力,這與本文的研究結果不同,可能原因在于土地利用變化差異。本研究區域柑橘園主要由林地和耕地轉換而來,大面積的林地轉為柑橘園是研究區碳儲量減少的主要原因,而麻塔流域的果園主要來源于灌木和未利用地。一些研究也表明[44—46],林地和耕地是生態系統重要的碳庫,林地和耕地向其它碳密度低的地類轉換時,植被和土壤碳儲量會有所減少。同時,Su等[18]和Cerdà等[47]的研究發現,陡坡建園會加速地表徑流,加劇水土流失。這些研究表明柑橘園的土地轉換來源以及種植坡度對生態系統服務具有重要的影響,這也佐證了本研究的結果。

本研究識別了柑橘種植影響下生態系統服務之間的關系,發現柑橘供給服務與支持服務之間存在較強權衡關系,表明區域內農業空間和生態空間競爭水土資源的矛盾突出。而戴路煒等[48]對多倫多縣的研究結果顯示供給服務與支持服務呈協同關系。究其原因,一方面可能因為本研究所涉及的供給服務提供主體為果園生態系統,而后者研究中的供給服務提供主體為農田和草地生態系統；另一方面可能是生態系統服務的評估方法不同[49]。柑橘園擴張過程中,區域景觀格局呈現破碎化趨勢,景觀連通性降低。王云等[50]關于西安市的研究發現農業景觀破碎化與生態系統服務價值呈較強的負相關關系。董敏等[51]的研究表明林區景觀破碎化度增加會致使生態系統服務減少。邵大偉等[52]運用地理探測器方法揭示了破碎化因子交互作用對生態系統服務價值的作用效應。這些研究結果與本研究相互印證,景觀破碎化限制了生態系統服務功能或價值的發揮。

4.2.2模型變量數據的選取及研究局限性

由于數據可獲取性原因,本研究僅探討了柑橘園擴張(2010—2019年)對柑橘供給、產水、土壤保持和碳儲存4種生態系統服務變化和景觀格局變化的影響,對生態系統服務和景觀格局變化的驅動機制分析不足,未考慮不同經營年限柑橘園的生態效應差異和柑橘園擴張對氣候調節、文化服務等其它種類生態系統服務的影響,尚待未來深入研究。此外,利用InVEST模型對生態系統服務進行評估時,一是模型中的生物物理參數大多以土地利用類型為單元確定,且部分參數無年際變化,故本研究僅能反映柑橘園擴張對生態系統服務影響的趨勢和程度,并不能準確估算柑橘園擴張對生態系統服務的影響。二是考慮到贛南濕潤地區風蝕過程較弱,模型評估土壤保持服務時僅考慮了水蝕,忽略了風蝕的量化。因此,在未來的研究中,模型的修正和參數的本地化仍需進一步精確量化。

4.2.3柑橘園管理與生態保護

(1)優先利用存量園地,減少新開墾園地,對于受嚴重病蟲害而無法種植的果園實行有序還林,恢復生態。研究區內柑橘園、林地、耕地三種土地利用類型轉換頻繁,園地內部轉換劇烈。開墾新果園會加劇土壤侵蝕[53],尤其是占林型柑橘園新種植區可能面臨土壤流失和碳儲量減少雙重生態風險。建議開發果園執行準入立項審批制度和退出審查制度,對于園地轉換頻繁的嘉定鎮、古陂鎮和大塘埠鎮等鄉鎮重點實行柑橘園開發監管,禁止隨意開發、擴張或撂荒果園。

(2)開展柑橘種植規劃,引導農戶合理選址開發果園。禁止在海拔300 m以上,坡度25°的地形處開發果園,嚴格要求位于高程200—300 m,坡度15°—25°以及中地形部位的柑橘園做好果園地表覆蓋、實行“山頂戴帽”,建立果園水平等高反坡梯田、橫山排蓄水溝、果園生草等水土保持措施,最大程度減少對重要林地和優質耕地的占用。結合自然資源基礎條件,合理劃定柑橘園可開發種植區、限制開發種植區、禁止開發種植區三類區域。

(3)減少和限制農戶小規模分散經營果園,恢復和新開發柑橘園采取適度規模種植。規模種植的果園,應種植一定規模的隔離帶,防止病蟲害的快速傳播。開展相關教育培訓或技術指導,提高農戶柑橘種植的生態保護意識,堅持生態開發、生態種植原則,實現柑橘供給服務和產水服務、土壤保持服務、碳儲量服務的權衡轉向協同。