錦州—葫蘆島沿海地區(qū)景觀格局變化與生態(tài)服務(wù)價值評估

蘇 雷,朱京海,傅立群

錦州—葫蘆島沿海地區(qū)景觀格局變化與生態(tài)服務(wù)價值評估

蘇 雷1,2,朱京海1,3,傅立群2

(1.中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所 森林與土壤生態(tài)國家重點(diǎn)實驗室,遼寧 沈陽 110016;
2.遼寧省葫蘆島市城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計院,遼寧葫蘆島 125001; 3.遼寧省環(huán)境保護(hù)廳,遼寧沈陽 110033)

基于GIS和遙感技術(shù),提取出1990、2000和2010年錦州—葫蘆島沿海地區(qū)的景觀類型圖,分析其景觀格局變化特征,并通過定量化得出的錦州—葫蘆島沿海地區(qū)景觀類型單位面積生態(tài)價值表,計算出1990—2010年錦州—葫蘆島沿海地區(qū)不同類型景觀的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值.結(jié)果表明:錦州—葫蘆島沿海地區(qū)景觀總面積呈增長趨勢;面積變化最大的景觀類型是建設(shè)用地和水域,建設(shè)用地在20年里增加了272.2 km2,而水域在20年里減少了159.4 km2,耕地、林地、草地的面積變化量其次,呈遞減趨勢;景觀格局的轉(zhuǎn)變類型主要為:水域、耕地、海洋、草地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地,以及水域、林地轉(zhuǎn)為耕地.非建設(shè)用地,特別是水域的大幅度減少,導(dǎo)致區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值下降趨勢明顯,這將給該地區(qū)帶來一系列的資源和環(huán)境問題.城市管理者需要加強(qiáng)用地平衡和規(guī)劃布局管理,智慧地配置景觀資源,景觀格局優(yōu)化研究將是下一步工作的重點(diǎn). 關(guān) 鍵 詞:GIS;遙感;景觀格局;生態(tài)服務(wù)價值;錦州—葫蘆島沿海地區(qū)

景觀格局變化研究是景觀生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)問題,也是土地利用/土地覆蓋變化研究的重要組成部分[1].通過景觀格局及其動態(tài)變化過程的表象,可以研究景觀格局及其生態(tài)環(huán)境之間規(guī)律性的空間關(guān)系,從而為景觀格局變化驅(qū)動力診斷與機(jī)理模型構(gòu)建奠定基礎(chǔ)[24].生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是人類可持續(xù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和自然資本.對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的評估有利于人們認(rèn)識自然生態(tài)系統(tǒng)對人類福利的重要性,有助于處理人類與自然的關(guān)系,是景觀生態(tài)學(xué)、自然地理學(xué)等學(xué)科利用經(jīng)濟(jì)學(xué)方法進(jìn)一步影響社會決策的嘗試[5].

錦州—葫蘆島沿海地區(qū)既屬于“城市熱點(diǎn)區(qū)域”,同時也是海陸交錯的“生態(tài)敏感地帶”,有填海造地的現(xiàn)象存在,不同于內(nèi)陸城市的空間擴(kuò)展,因此選擇錦州—葫蘆島沿海地區(qū)作為景觀格局變化的研究區(qū)域具有典型性.對錦州—葫蘆島沿海地區(qū)進(jìn)行景觀格局分析,并評估由景觀變化所導(dǎo)致的生態(tài)服務(wù)價值變化,可以定量分析景觀格局變化對生態(tài)系統(tǒng)的影響,從而為該區(qū)域的規(guī)劃決策、生態(tài)環(huán)境的保護(hù)及管理提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 區(qū)域概況

研究區(qū)域包括錦州、葫蘆島、興城、凌海4市的行政范圍(以下簡稱“錦葫沿海地區(qū)”),沿渤海遼東灣西北海岸線呈帶狀分布,總面積約7 847 km2,地處遼西走廊,位于東北亞濱海經(jīng)濟(jì)圈、京津冀經(jīng)濟(jì)圈、東北經(jīng)濟(jì)圈三圈的交匯點(diǎn),是溝通關(guān)內(nèi)關(guān)外、聯(lián)結(jié)東北華北的主要陸上通道(區(qū)位圖見圖1).錦葫沿海地區(qū)屬溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候,地勢西北高東南低,地貌類型豐富,是進(jìn)行景觀格局變化研究的典型區(qū)域[6].

圖1 錦葫沿海地區(qū)區(qū)位圖Fig.1 Location map of Jinzhou-Huludao coastal area

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

1.3 研究方法

1.3.1 轉(zhuǎn)移矩陣

景觀格局變化研究中的轉(zhuǎn)移矩陣是指利用兩個不同時期的景觀分類圖或土地類型圖,計算出這段時期內(nèi)景觀類型的轉(zhuǎn)變的數(shù)量和方向[7].應(yīng)用轉(zhuǎn)移矩陣可全面而又具體地反映區(qū)域景觀格局變化的結(jié)構(gòu)、特征與各用地類型變化的來源與構(gòu)成[8],其數(shù)學(xué)形式表達(dá)為:

式中,S為景觀面積;n為景觀類型數(shù)目;i,j分別為研究初期與研究末期的景觀類型序號.

1.3.2 生態(tài)服務(wù)價值評估

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能可以通過一定的評價方法(如價值量評價法、享樂價值法、能值分析法、替代成本法)將其定量化、價值化,從而體現(xiàn)其生態(tài)價值量[9].本研究在謝高地等得出的中國生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)價值當(dāng)量因子表[10]基礎(chǔ)上,針對錦葫沿海地區(qū)的具體情況對單位面積每年農(nóng)田自然糧食產(chǎn)量的經(jīng)濟(jì)價值作了如下修改:以錦葫沿海地區(qū)2001—2010年平均糧食產(chǎn)量562 350 kg/km2為基準(zhǔn)單產(chǎn),單價按3.5元/kg計算,考慮到在沒有人力投入的自然生態(tài)系統(tǒng)提供的經(jīng)濟(jì)價值是現(xiàn)有單位面積農(nóng)田提供的食物生產(chǎn)服務(wù)經(jīng)濟(jì)價值的1/7,得出錦葫沿海地區(qū)農(nóng)田自然糧食產(chǎn)量的經(jīng)濟(jì)價值為281 175元/(km2·a).據(jù)此可測算出各景觀類型的生態(tài)價值系數(shù),即單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值.定量化的錦葫沿海地區(qū)景觀類型單位面積生態(tài)價值見表1.

表1 不同景觀類型單位面積生態(tài)服務(wù)價值Table 1 Ecological service value per unit area ofdifferent landscape types萬元/(km2·a)

2 結(jié)果與分析

2.1 景觀格局變化

應(yīng)用ArcGIS 9.3統(tǒng)計1990、2000和2010年遙感解譯圖中各景觀類型的面積,并計算景觀面積的變化量(見表2).從表中可以看出:錦葫沿海地區(qū)景觀總面積呈增長趨勢,由1990年的7 721.2 km2增長到2010年的7 750.1 km2;其中,1990—2000年增加了3.5 km2,2000—2010年增加了25.4 km2,景觀總面積的增加主要是受“填海造地”的影響.錦葫沿海地區(qū)受自然地理條件限制,土地資源匱乏,導(dǎo)致在錦州灣開發(fā)過程中不得不填海造地,填海造地的地點(diǎn)處于海陸交錯的生態(tài)敏感地帶,因此對該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境破壞很大.從表中也可以看出,面積變化最大的景觀類型是建設(shè)用地和水域,建設(shè)用地在20年里增加了272.2 km2,而水域在20年里減少了159.4 km2;耕地、林地、草地的面積變化量其次;園地和未利用地的數(shù)量變化不大.從表2中也可以看出,除建設(shè)用地外,其他景觀類型的面積都呈下降趨勢.為進(jìn)一步研究景觀類型間的轉(zhuǎn)換關(guān)系、探索景觀格局變化規(guī)律,本研究采用轉(zhuǎn)移矩陣方法進(jìn)一步分析.需要說明的是:進(jìn)行遙感處理時在錦葫四市的行政邊界(海岸帶一側(cè))設(shè)置了5 000 m的緩沖帶,該緩沖帶包含了填海造地工程所帶來的土地擴(kuò)張,轉(zhuǎn)移矩陣分析將緩沖帶內(nèi)的海洋部分也考慮進(jìn)來,可以保證錦葫沿海地區(qū)的用地總量平衡.

表2 各類景觀面積及變化量Table 2 The area and variable quantity of different landscape types km2

利用Arc Toolbox工具下的Overlay命令,對1990—2010年的景觀遙感解譯圖進(jìn)行空間疊加,應(yīng)用statisties命令提取各種景觀類型之間轉(zhuǎn)化的面積,從而建立各時間間隔的景觀類型空間轉(zhuǎn)移矩陣(見表3).從表3可以看出:1990—2010年 20年間,錦葫沿海地區(qū)景觀格局最主要的轉(zhuǎn)換形式為:水域、耕地、海洋、草地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地,發(fā)生轉(zhuǎn)換的面積分別為:127.0、88.4、32.8和17.4 km2;水域、林地轉(zhuǎn)為耕地也是轉(zhuǎn)換面積比較大的轉(zhuǎn)換形式,轉(zhuǎn)換面積分別為28.1和14.5 km2.

表3 1990—2010年景觀轉(zhuǎn)移矩陣Table 3 Transfer matrix of landscape from 1990 to 2010 km2

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值

根據(jù)不同景觀類型單位面積生態(tài)服務(wù)價值(見表1)以及各類景觀面積及變化量(見表2),可計算出錦葫沿海地區(qū)不同類型景觀的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(見表4).從表4中可以得出,錦葫沿海地區(qū)1990、2000和2010年的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值分別為267.1億元/a、251.3億元/a和243.9億元/a. 1990—2010年間,錦葫沿海地區(qū)由于其景觀格局的變化,各類型景觀的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值也相應(yīng)發(fā)生了不同程度的變化,其中變化最為劇烈是水域,20年間水域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值量減少了20.6億元/a,變化率達(dá)到了33.13%.錦葫沿海地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值呈下降態(tài)勢,1990—2000年間,各類景觀的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總變化率為5.91%;2000—2010年間,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的衰退有所緩解,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總變化率為2.96%.

表4 錦葫沿海地區(qū)不同類型景觀的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值Table 4 Different landscape types’ecosystem services value of Jinzhou-Huludao coastal area萬元/年

3 結(jié)論與討論

1990—2010年這20年間,錦葫沿海地區(qū)由于填海造地的影響,各類型景觀的總面積呈遞增趨勢,尤其是建設(shè)用地不斷擴(kuò)張.景觀格局的轉(zhuǎn)變類型主要為:水域、耕地、海洋、草地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地,以及水域、林地轉(zhuǎn)為耕地.通過定量化得出的錦葫沿海地區(qū)景觀類型單位面積生態(tài)價值表,計算出1990—2010年錦葫沿海地區(qū)不同類型景觀的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值.非建設(shè)用地,特別是水域的大幅度減少,導(dǎo)致區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值下降趨勢明顯,這將給該地區(qū)帶來一系列的資源和環(huán)境問題,城市管理者需要更好的對建設(shè)用地增長趨勢進(jìn)行調(diào)控,并使區(qū)域范圍內(nèi)用地平衡和規(guī)劃布局更加合理,智慧地配置資源,防止超過區(qū)域環(huán)境容量,引發(fā)生態(tài)環(huán)境問題,保證區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展.錦葫沿海地區(qū)的景觀格局優(yōu)化將是下一步研究的重點(diǎn),這也是建設(shè)智慧城市亟待解決的問題.由于單位面積生態(tài)系統(tǒng)所提供的生態(tài)服務(wù)價值不僅與其提供的生物量有關(guān),還與該生態(tài)系統(tǒng)的空間位置有著密切的聯(lián)系,因此,下一步工作可考慮從生態(tài)約束的角度上進(jìn)行景觀格局?jǐn)?shù)量上的優(yōu)化,再通過適宜性評價、生態(tài)安全格局等角度進(jìn)行空間位置上的優(yōu)化.

[1] 傅伯杰,呂一河,陳利頂,等.國際景觀生態(tài)學(xué)研究新進(jìn)展[J].生態(tài)學(xué)報,2008,28(2):798 804. (Fu Bojie,LüYihe,Chen Liding,et al.The Latest Progress of Landscape Ecology in the World[J].Acta Ecology Sinica,2008,28(2):798804.)

[2]劉新衛(wèi),陳百明,史學(xué)正.國內(nèi)LUCC研究進(jìn)展綜述[J].土壤,2004,36(2):132135. (Liu Xinwei,Chen Baiming,Shi Xuezheng.A Review of the Research on Land Use and Land Cover Change in China[J].Soils,2004,36(2):132135.)

[3] 郭篤發(fā).近代黃河三角洲段渤海海岸線緩沖帶土地利用時空特征分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2006,22(4):5357. (Guo Dufa.Analysis of Spatial-tempo Features of Land Use of Bohai Sea Sealine Buffer Zones in the Recent Yellow River Delta[J].Transactions of the CSAE,2006, 22(4):5357.)

[4] 王思遠(yuǎn).基于地理時空數(shù)據(jù)庫的中國近期土地利用/土地覆蓋變化研究[D].北京:中國科學(xué)院研究生院遙感應(yīng)用研究所,2002:59 80. (Wang Siyuan.Study on Land Use/Land Cover Change Based on Geo-spatiotemporal Database in China[D]. Beijing:Institute of Remote Sensing Applications, Graduate University of Chinese Academy of Sciences, 2002:5980.)

[5] 李東.生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估的研究綜述[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報:社會科學(xué)版,2011,10(1):5964. (Li Dong.A Review of the Research on Ecosystem Service Value Assessment[J].Journal of Beijing Forestry University:Social Science,2011,10(1):5964.)

[6] 任韶紅,蘇雷,朱京海.錦州—葫蘆島沿海地區(qū)景觀格局動態(tài)分析[J].沈陽大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2013,25(1):59. (Ren Shaohong,Su Lei,Zhu Jinghai.Dynamic Analysis on Landscape Patterns in Jinzhou-Huludao Coastal Area[J]. Journal of Shenyang University:Natural Science,2013,25 (1):59.)

[7] 胡希軍,胡伏湘,何平,等.基于馬爾可夫鏈的城市景觀結(jié)構(gòu)演化模擬及預(yù)測[J].武漢大學(xué)學(xué)報:信息科學(xué)版, 2009,34(10):11591162. (Hu Xijun,Hu Fuxiang,He Ping,et al.Simulation and Prediction of Urban Landscape Structure Evolution Based on Markov Chain[J].Journal of Wuhan University: Information Science,2009,34(10):11591162.)

[8] 劉瑞,朱道林.基于轉(zhuǎn)移矩陣的土地利用變化信息挖掘方法探討[J].資源科學(xué),2010,32(8):15441550. (Liu Rui,Zhu Daolin.Methods for Detecting Land Use Changes Based on the Land Use Transition Matrix[J]. Resource Science,2010,32(8):15441550.)

[9] 楊光梅,李文華,閔慶文.生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估研究進(jìn)展[J].生態(tài)學(xué)報,2006,26(1):205212. (Yang Guangmei,Li Wenhua,Min Qingwen.Review of Foreign Opinions on Evaluation of Ecosystem Services[J]. Acta Ecology Sinica,2006,26(1):205212.)

[10] 謝高地,魯春霞,冷允法,等.青藏高原生態(tài)資產(chǎn)的價值評估[J].自然資源學(xué)報,2003,18(2):189196. (Xie Gaodi,Lu Chunxia,Leng Yunfa,et al.Ecological Assets Valuation of the Tibetan Plateau[J].Journal of Natural Resources,2003,18(2):189196.)

【責(zé)任編輯:李 艷】

Change of Landscape Patternand Evaluation of Ecological Services in Jinzhou-Huludao Coastal Area

Su Lei1,2,Zhu Jinghai1,3,Fu Liqun2
(1.State Key Laboratory of Forest and Soil Ecology,Institute of Applied Ecology,Academy of Sciences,Shenyang 110016,China;2.Huludao Urban-Rural Construction Committee,Huludao 125001,China;3.Department of Environmental Protection of Liaoning Province,Shenyang 110033,China)

Based on GIS and remote sensing technology,landscape pattern maps of Jinzhou-Huludao coastal area in 1990,2000 and 2010 were extracted.The landscape pattern change characteristics were analyzed,and different types of landscape ecosystem services value of Jinzhou-Huludao coastal area from 1990 to 2010 were calculated according to ecological service value per area of different landscape types.The results show that total landscape area in Jinzhou-Huludao coastal area was a growth trend; areas of greatest change in landscape were construction land and waters,construction land increased 272.2 km2in 20 years,while the waters reduced 159.4 km2in 20 years.Variations of farmland, forest,grassland were smaller,showed a trend of decrease.Landscape type conversion occurred mainly were that waters,farmland,sea and grassland into construction land,and waters,forest into farmland.Non construction land,especially greatly reduced in waters,the total service value of ecosystem area decreased obviously,this would bring the resources and a series of environmental problems in the region.City managers need to strengthen the land use balance and layout management,configure the landscape resources wisely,and landscape pattern optimization research will be the focus of future work.

GIS;remote sensing;landscape pattern;value of ecological services;Jinzhou-Huludao coastal area

2095-5456(2014)01-0004-05

F 205

A

2013 06 29

國家自然科學(xué)基金資助項目(41171155,40801069);遼寧環(huán)境科研教育“123工程”資助項目(CEPF