鄂西北地區(qū)土地利用格局及其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的時(shí)空變化

于倩茹, 徐煖銀, 孫思琦, 郭濼,*

鄂西北地區(qū)土地利用格局及其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的時(shí)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(xué), 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 北京 100081 2. 北京大學(xué)城市規(guī)劃與設(shè)計(jì)學(xué)院, 深圳 518055

鄂西北地區(qū)位于湖北省西北部, 是我國(guó)自然地理南北過(guò)渡的重要地區(qū), 亦是我國(guó)南水北調(diào)中線工程的重要水源區(qū), 生態(tài)環(huán)境保護(hù)意義重大。在鄂西北地區(qū)六期遙感數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上, 利用地理信息技術(shù)和空間統(tǒng)計(jì)的方法, 研究了該區(qū)域土地利用格局的時(shí)空變化, 對(duì)不同用地類(lèi)型所提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行評(píng)估, 分析了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與土地利用格局的驅(qū)動(dòng)因素和相關(guān)性, 計(jì)算了社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的空間相關(guān)性。研究結(jié)果表明: (1)1990—2015年鄂西北主要土地利用類(lèi)型的變化幅度較小, 土地綜合動(dòng)態(tài)度為0.06%, 土地類(lèi)型斑塊破碎化程度增加, 斑塊形狀趨于復(fù)雜。(2)研究區(qū)間鄂西北生態(tài)服務(wù)價(jià)值處于上升趨勢(shì), 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與景觀格局的時(shí)空變化具有相關(guān)性, 其中與多樣性指數(shù)呈正相關(guān)性, 與蔓延度指數(shù)呈負(fù)相關(guān)性。(3)人均國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值、人口密度和城鎮(zhèn)化率是生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值變化的主要驅(qū)動(dòng)因素, 與生態(tài)服務(wù)價(jià)值的局部空間相關(guān)性主要集中南部區(qū)域。研究結(jié)果為鄂西北生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展、合理開(kāi)發(fā)土地資源提供理論依據(jù)。

鄂西北地區(qū); 景觀格局; 生態(tài)服務(wù)價(jià)值; 驅(qū)動(dòng)因素; 相關(guān)性分析

0 前言

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程形成的維持人類(lèi)賴(lài)以生存的自然條件和效用[1–2], 其變化與人類(lèi)福祉有著密切聯(lián)系, 對(duì)其向人類(lèi)提供的產(chǎn)品和服務(wù)進(jìn)行定量化評(píng)估, 有利于合理開(kāi)展社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng), 改善區(qū)域生態(tài)環(huán)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(lèi)活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境影響短期階段內(nèi)的顯著表現(xiàn)[7], 它受社會(huì)經(jīng)濟(jì)和自然的驅(qū)動(dòng)發(fā)生改變, 影響著景觀格局中大氣、土壤、水體、生物等環(huán)境要素的生態(tài)過(guò)程[8–9], 進(jìn)而導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的改變[10]。因此, 基于土地利用格局對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行研究, 探索社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的驅(qū)動(dòng)機(jī)制, 是了解區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境變化的重要研究?jī)?nèi)容, 同時(shí)對(duì)于維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定及促進(jìn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要指導(dǎo)意義。近年來(lái), 對(duì)土地利用格局的研究主要集中在格局演變[11]、驅(qū)動(dòng)因素[12]等方面, 國(guó)內(nèi)外學(xué)者在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的概念內(nèi)涵[13]、價(jià)值評(píng)估[14]等研究方面取得了諸多成果, 如謝高地等[15]人根據(jù)Constanza[2]等價(jià)值評(píng)估模型, 構(gòu)建了“中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積服務(wù)價(jià)值表”, 為我國(guó)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值研究提供了重要依據(jù), 該法也得到了國(guó)內(nèi)學(xué)者的廣泛應(yīng)用[16–17]。但是關(guān)于土地利用格局演變和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的耦合分析及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的驅(qū)動(dòng)機(jī)制還需進(jìn)一步深入研究。

鄂西北地區(qū)自湖北省“鄂西生態(tài)文化旅游圈”、“襄十隨城市群”等戰(zhàn)略出臺(tái)后, 土地利用格局改變巨大, 區(qū)域內(nèi)的丹江口水庫(kù)是南水北調(diào)中線工程的水源地、國(guó)家一級(jí)水源保護(hù)區(qū), 神農(nóng)架林區(qū)更是國(guó)家重要的生態(tài)功能區(qū)和生態(tài)旅游示范區(qū), 因此研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境對(duì)于整個(gè)區(qū)域、湖北省乃至全國(guó)都具有重要價(jià)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(qū)水土流失嚴(yán)重, 沙化現(xiàn)象突出, 自然災(zāi)害頻繁發(fā)生, 交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)落后, 經(jīng)濟(jì)發(fā)展不均衡, 因此, 該地區(qū)亟需分析土地利用格局和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化?；谝陨? 本文根據(jù)遙感、野外調(diào)查、統(tǒng)計(jì)資料等數(shù)據(jù), 分析研究土地利用格局變化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化的相關(guān)性, 并利用SPSS和GeoDa軟件對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空變化的驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行多元回歸分析和空間相關(guān)分析, 為鄂西北生態(tài)環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)和有力保障。

圖1 研究區(qū)地理位置及行政區(qū)劃

Figure 1 Location and zoning of study area

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

鄂西北地區(qū)位于湖北省西北部, 介于東經(jīng)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(yáng)市和神農(nóng)架林區(qū), 共15個(gè)縣(市、區(qū)), 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(qū)域內(nèi)的人口達(dá)到912.493萬(wàn), 占湖北總?cè)丝诘?5.5%[18]。研究區(qū)屬中緯度地區(qū), 亞熱帶季風(fēng)氣候, 年平均氣溫在15℃左右, 年降水量800 mm左右, 年日照總時(shí)數(shù)約1900 h。研究區(qū)有秦嶺、大巴山、荊山和武當(dāng)山等山脈, 整個(gè)地勢(shì)西高東低, 南北高中間低, 地形差異明顯, 地貌類(lèi)型多樣, 海拔在90—3000 m之間。區(qū)域內(nèi)水系眾多, 縱橫交錯(cuò), 長(zhǎng)江的最大支流漢江貫穿全境。鄂西北地區(qū)得天獨(dú)厚的地理?xiàng)l件使得該區(qū)域蘊(yùn)藏了豐富生物資源、礦產(chǎn)資源、水利資源, 也使其成為全國(guó)重要的生態(tài)功能區(qū)、水電基地, 三國(guó)文化之源和漢水文化核心區(qū), 亦是湖北省重要的農(nóng)產(chǎn)品基地和制造業(yè)基地, 區(qū)域的生態(tài)環(huán)境也得到了國(guó)家和當(dāng)?shù)卣母叨汝P(guān)注, “十三五”期間, 國(guó)家和湖北省將加大南水北調(diào)中線核心水源區(qū)及沿線生態(tài)走廊等區(qū)域生態(tài)保護(hù)力度, 強(qiáng)化流域生態(tài)建設(shè)。

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)采用1990年、1995年、2000年、2005年、2010年和2015年6個(gè)時(shí)段的Landsat TM/ETM遙感影像, 基于ENVI4.0軟件對(duì)遙感影像進(jìn)行圖像拼接、幾何校正、裁剪、融合和增強(qiáng)等預(yù)處理, 再根據(jù)ISODATD算法的非監(jiān)督分類(lèi)處理, 結(jié)合研究區(qū)域1:100萬(wàn)地形圖、土壤和植被專(zhuān)題圖, 根據(jù)研究區(qū)現(xiàn)狀和LUCC分類(lèi)體系, 將研究區(qū)土地利用類(lèi)型劃分為耕地、林地、草地、水體、建設(shè)用地、未利用地6種一級(jí)類(lèi)型(圖2), 二級(jí)分類(lèi)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(duì)每期數(shù)據(jù)進(jìn)行精度檢驗(yàn), 最后精度分別達(dá)到80%以上, 滿(mǎn)足研究對(duì)土地利用分類(lèi)數(shù)據(jù)的精度要求; 社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來(lái)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(lèi)型變化動(dòng)態(tài)度和綜合土地利用類(lèi)型動(dòng)態(tài)度闡述鄂西北土地利用動(dòng)態(tài)變化。

綜合土地利用動(dòng)態(tài)度公式:

Figure 2 Land use type in study area

式中,LU監(jiān)測(cè)起始時(shí)間第類(lèi)土地利用類(lèi)型的面積(hm2);LU為監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)第i類(lèi)土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)為非類(lèi)土地利用類(lèi)型面積的絕對(duì)值;為監(jiān)測(cè)時(shí)段長(zhǎng)度。當(dāng)?shù)臅r(shí)段設(shè)定為年時(shí),的值就是該研究區(qū)土地利用年變化率[19]。

景觀格局指數(shù)是定量描述景觀格局演變及其對(duì)生態(tài)過(guò)程影響的重要方法[20], 根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際情況, 結(jié)合各指標(biāo)的表征作用[21], 借助Fragstats 4.2軟件進(jìn)行景觀格局分析。本文選取表征景觀格局破碎度的指標(biāo)斑塊密度(PD)、表征景觀形狀的指標(biāo)邊緣面積分維數(shù)(PAFRAC)、表征景觀聚集分散程度的指標(biāo)散布與并列指數(shù)(IJI)、表征景觀連通性的指標(biāo)蔓延度指數(shù)(CONTAG)及表征景觀類(lèi)型豐富度的指標(biāo)香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI), 分析鄂西北地區(qū)景觀水平的變化以及這些指數(shù)對(duì)研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響。

1.2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估

本文結(jié)合謝高地等[22–23]的價(jià)值當(dāng)量換算方法確定鄂西北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(ESV), 將單位面積農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)糧食生產(chǎn)的凈利潤(rùn)當(dāng)作1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量因子的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量, 為消除價(jià)格波動(dòng)對(duì)價(jià)值量的影響, 本文選取2010年的全國(guó)和鄂西北地區(qū)的單位面積糧食產(chǎn)量為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。鄂西北2010年的單位面積糧食產(chǎn)量為6119.88 kg·hm-2[24], 同期的全國(guó)單位面積糧食產(chǎn)量為4974.00 kg·hm-2, 根據(jù)謝高地[23]等研究, 中國(guó)2010年1個(gè)生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值當(dāng)量的經(jīng)濟(jì)價(jià)值為3406.50元·hm-2, 以此對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)當(dāng)量?jī)r(jià)值進(jìn)行系數(shù)修訂, 研究區(qū)的修正系數(shù)為1.23, 即鄂西北地區(qū)的一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能當(dāng)量為4190.00元·hm-2。結(jié)合全國(guó)和鄂西北地區(qū)的糧食產(chǎn)量進(jìn)行修正, 得到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值的評(píng)估公式:

式中,表示研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)的總服務(wù)價(jià)值(元);A表示研究區(qū)第種土地利用類(lèi)型的面積(hm2);VC表示第種土地利用類(lèi)型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)(元·hm-2);ESV表示生態(tài)系統(tǒng)第項(xiàng)服務(wù)功能的價(jià)值(元);VC表示研究區(qū)第種土地利用類(lèi)型的第項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)(元·hm-2)。

1.2.4 相關(guān)性分析

結(jié)合鄂西北社會(huì)經(jīng)濟(jì)的現(xiàn)狀及相關(guān)研究[25], 本文選取社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和政策三個(gè)指標(biāo)體系的20個(gè)因素(表1)進(jìn)行主成分分析及相關(guān)性分析, 剔除存在共線性以及與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)無(wú)關(guān)的數(shù)據(jù)后, 篩選出ESV時(shí)空變化差異的影響較大的驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行回歸分析, 選取人均國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(人均GDP)、人口密度和城鎮(zhèn)化率三個(gè)指標(biāo)進(jìn)行空間相關(guān)性分析[26–27]。利用等級(jí)相關(guān)系數(shù)法計(jì)算景觀格局指數(shù)與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的相關(guān)性[28–29]。

2 結(jié)果與分析

2.1 鄂西北地區(qū)土地利用變化特征

1990—2015年間, 耕地面積呈逐年減少的趨勢(shì), 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(qū)作為南水北調(diào)中線工程重要水源涵養(yǎng)區(qū), 水體保持良好。建設(shè)用地的活躍度較高, 25年間, 建設(shè)用地的面積始終呈增加趨勢(shì), 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(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)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(qū)西南部面積減少速度較快; 林地和建設(shè)用地在中部地區(qū)面積增加速度較快; 草地在大部分市縣有所減少, 神農(nóng)架林區(qū)減少速度最快; 水體在中部地區(qū)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(qū)土地利用綜合動(dòng)態(tài)度的變化趨勢(shì)為“緩慢增加—緩慢下降—緩慢增加”, 整體而言, 研究區(qū)內(nèi)各土地利用類(lèi)型變化幅度較小, 土地利用活躍度低(表2)。

表1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值演變驅(qū)動(dòng)力指標(biāo)體系

2.2 鄂西北地區(qū)景觀格局變化特征

1990—2015年鄂西北地區(qū)景觀結(jié)構(gòu)的變化見(jiàn)表3, 可以看出, 斑塊密度升高, 景觀多樣性指數(shù)呈“升—降—升”的趨勢(shì), 破碎度和異質(zhì)性持續(xù)增加; 周長(zhǎng)面積分維數(shù)呈先增后減的變化; 散布與并列指數(shù)呈“升—降—升”的趨勢(shì); 蔓延度指數(shù)則呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)。結(jié)果表明, 不同時(shí)期, 人類(lèi)對(duì)土地利用類(lèi)型開(kāi)發(fā)活動(dòng)影響不同, 研究區(qū)的景觀格局發(fā)生了不同程度的改變, 1995年相較于1990年, 優(yōu)勢(shì)斑塊耕地的連通性下降, 各土地類(lèi)型面積比差異減小, 鄰接概率增加, 各土地類(lèi)型趨于均衡分布; 2000年, 耕地面積增加, 其景觀優(yōu)勢(shì)度增大, 除建設(shè)用地外, 其他類(lèi)型用地面積縮減, 景觀整體形狀相對(duì)復(fù)雜化; 2001年開(kāi)始, 鄂西北地區(qū)全面實(shí)施退耕還林政策, 耕地面積小幅下降, 區(qū)域內(nèi)南水北調(diào)工程及其他水利工程的實(shí)施, 使得較小面積的水體匯聚于大面積水體, 同時(shí), 建設(shè)用地面積持續(xù)增加, 但由于地形限制, 建設(shè)用地分布松散, 因此, 景觀破碎度持續(xù)增加, 景觀趨于均勻分布, 異質(zhì)性增加, 小斑塊景觀逐漸凝聚, 景觀整體形狀相對(duì)規(guī)則化。

1990—2015年各市縣的景觀格局變化見(jiàn)圖3, 分維數(shù)除竹山縣外, 其他市縣均有所增加, 其中神農(nóng)架林區(qū)、谷城縣的增幅較大, 景觀形狀趨于復(fù)雜。散布與并列指數(shù)在老河口市、棗陽(yáng)市、宜城市有所上升, 在其他市縣均呈現(xiàn)不同程度的減少。蔓延度指數(shù)在老河口市、棗陽(yáng)市、神農(nóng)架林區(qū)、竹溪縣有所下降, 在其他市縣呈現(xiàn)相反的變化。多樣性指數(shù)除竹山縣外, 在其他市縣均呈增加態(tài)勢(shì), 南部地區(qū)增幅較大?？傮w來(lái)看, 研究區(qū)受人類(lèi)活動(dòng)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(fù)雜不規(guī)則化, 景觀優(yōu)勢(shì)度降低, 同質(zhì)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(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的時(shí)空變化特征

研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)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(shì)與水體面積的變化趨勢(shì)一致, 水體面積的增幅明顯, 且水體具有較高的生態(tài)價(jià)值, 支持著研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值, 使得小幅增加。研究期間, 鄂西北地區(qū)建設(shè)用地需求持續(xù)增加, 并向四周擴(kuò)散, 一部分生態(tài)用地轉(zhuǎn)變?yōu)槌擎?zhèn)、工礦、交通干道等基礎(chǔ)設(shè)施用地, 同時(shí)生態(tài)用地間的相互轉(zhuǎn)移是造成生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值波動(dòng)變化的主要原因。

表2 1990-2015年鄂西北土地利用景觀類(lèi)型動(dòng)態(tài)度 (%)

表3 鄂西北景觀格局指數(shù)變化

由表4可知, 研究區(qū)內(nèi)的各土地利用類(lèi)型在各年提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值中, 林地、草地的ESV值較高, 二者對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的貢獻(xiàn)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(qū)內(nèi)的各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化規(guī)律相同(表5), 一級(jí)分類(lèi)為: 調(diào)節(jié)服務(wù)>支持服務(wù)>供給服務(wù)>文化服務(wù), 調(diào)節(jié)服務(wù)最為突出, 占ESV總值的62%以上。二級(jí)分類(lèi)分布規(guī)律均為: 水文調(diào)節(jié)>氣候調(diào)節(jié)>土壤保持>氣體調(diào)節(jié)>生物多樣性保護(hù)>食物生產(chǎn)>美化景觀>原料生產(chǎn)>水資源供給>維持養(yǎng)分, 水文調(diào)節(jié)功能最為突出, 其占總價(jià)值的26%左右, 其變化與水體面積變化趨勢(shì)一致; 其次為氣候調(diào)節(jié), 其在總價(jià)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(yǎng)分的功能價(jià)值最低, 占總價(jià)值的1.10%左右, 呈先增后減的變化趨勢(shì)。

圖3 鄂西北各市縣年景觀指數(shù)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(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(ESV)變化

表5 1990-2015年鄂西北各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值 (×108元)

2.4 鄂西北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與景觀格局變化的相關(guān)性分析

景觀格局的改變對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)及生態(tài)過(guò)程產(chǎn)生重要作用, 進(jìn)而影響著生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。景觀格局與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的相關(guān)性系數(shù)見(jiàn)表6, 鄂西北地區(qū)的生態(tài)服務(wù)總價(jià)值與多樣性指數(shù)正相關(guān)性較大, 與蔓延度負(fù)相關(guān)性較大。斑塊密度、散布與并列指數(shù)與原料生產(chǎn)、氣體調(diào)節(jié)、土壤保持、維持養(yǎng)分呈顯著負(fù)相關(guān), 分維數(shù)與各功能呈負(fù)相關(guān)性。多樣性指數(shù)則與食物生產(chǎn)呈極強(qiáng)負(fù)相關(guān)。研究區(qū)內(nèi)建設(shè)用地的擴(kuò)張使得各景觀類(lèi)型被分割, 破碎化程度加劇, 生態(tài)保護(hù)政策的實(shí)施和各項(xiàng)土地制度的確立促進(jìn)景觀類(lèi)型的多樣化、均衡化, 優(yōu)勢(shì)斑塊的連通性降低, 使得生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值的增加, 同時(shí)有益于水資源供給、水文調(diào)節(jié)功能價(jià)值的增加, 但削弱了食物生產(chǎn)、氣候調(diào)節(jié)、凈化環(huán)境、維持生物多樣性、美學(xué)景觀等功能價(jià)值增加。1990—2015年研究區(qū)內(nèi)耕地面積減少, 優(yōu)勢(shì)斑塊的連通性下降, 形成各土地類(lèi)型趨于均勻分布、密集的結(jié)構(gòu), 促進(jìn)了生態(tài)服務(wù)價(jià)值高的土地類(lèi)型在空間上的凝聚。

表6 景觀格局與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值相關(guān)性系數(shù)

2.5 鄂西北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空差異驅(qū)動(dòng)因素分析

本文選取社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、政策三個(gè)方面指標(biāo)與ESV進(jìn)行相關(guān)性分析和主成分分析, 剔除對(duì)其影響較小且不顯著的相關(guān)性因素, 選取9個(gè)關(guān)鍵因素進(jìn)行回歸分析, 得到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與各因素之間的回歸方程, 擬合度達(dá)到1, 擬合效果極好。

式中,: 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(億元);X: 工業(yè)總產(chǎn)值(億元);X: 人口密度(人·km-2);X: 城鎮(zhèn)化率(%)。

通過(guò)多元回歸分析可知, 鄂西北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化受到以上三個(gè)因素的影響, 人口密度、城鎮(zhèn)化率越高, 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)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(yè)結(jié)構(gòu)的改革和規(guī)模的擴(kuò)張對(duì)于建設(shè)用地的需求增加, 勢(shì)必征占易被利用的生態(tài)用地, 如部分耕地, 同時(shí)區(qū)域內(nèi)土地規(guī)劃戰(zhàn)略、生態(tài)工程的實(shí)施對(duì)土地利用的規(guī)模布局、集約利用以及土地利用類(lèi)型間的相互轉(zhuǎn)移產(chǎn)生影響, 導(dǎo)致區(qū)域的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)結(jié)構(gòu)改變, 從而導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值發(fā)生變化。

2.6 鄂西北地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間相關(guān)性分析

根據(jù)回歸分析結(jié)果結(jié)合數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)選取鄂西北各縣市表征社會(huì)經(jīng)濟(jì)的三個(gè)因素與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化率進(jìn)行空間相關(guān)性分析。局部分析結(jié)果(圖4)顯示, 鄂西北地區(qū)在研究時(shí)段內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在空間上的分布差異較大, 在ESV變化和人口密度變化相關(guān)性中, 竹溪縣呈低-低相關(guān), 而神農(nóng)架林區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)良好, ESV增加, 且林區(qū)人口較少, 因此神農(nóng)架林區(qū)呈現(xiàn)高-低相關(guān), 其余市縣表現(xiàn)為不顯著。ESV與人均GDP變化相關(guān)性中, 宜城市呈現(xiàn)低-高相關(guān), 其他市縣無(wú)明顯的顯著集聚。在ESV變化和城市化率變化相關(guān)性中, ?？悼h呈現(xiàn)低-低相關(guān), 房縣呈現(xiàn)低-高相關(guān)。研究區(qū)內(nèi)人口多的地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平一般, 對(duì)土地利用開(kāi)發(fā)程度較低, 一定程度上保護(hù)了生態(tài)環(huán)境, 此外研究區(qū)植被資源豐富, 地形差異較大, 限制了人為活動(dòng)范圍, 生態(tài)環(huán)境未遭到嚴(yán)重破壞, 故鄂西北地區(qū)在研究時(shí)段內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在空間上的分布差異較大。

4 討論與結(jié)論

本文基于6期土地利用數(shù)據(jù), 對(duì)鄂西北地區(qū)土地利用格局及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行分析, 得出如下結(jié)論: (1)耕地、林地、草地是研究區(qū)內(nèi)的主要土地利用類(lèi)型。1990—2015年間, 林地、水體、建設(shè)用地總體呈上升趨勢(shì), 各類(lèi)型變化幅度較小, 土地利用活躍度低; 受人類(lèi)活動(dòng)影響, 研究區(qū)景觀格局指數(shù)變化明顯, 破碎度加劇, 斑塊形狀趨于復(fù)雜。(2)研究區(qū)生態(tài)服務(wù)價(jià)值呈上升趨勢(shì)。其中調(diào)節(jié)服務(wù)的上升最為明顯。(3)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與景觀格局指數(shù)均有相關(guān)性。(4)影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空差異的主要人為因素包括城鎮(zhèn)化率、工業(yè)總產(chǎn)值、人口密度, 社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在空間分布上具有極高的顯著性。

圖4 鄂西北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與社會(huì)經(jīng)濟(jì)空間相關(guān)性

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

本文通過(guò)修正當(dāng)量因子系數(shù)得到鄂西北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的結(jié)果較為準(zhǔn)確可靠。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值受自然、人為的雙重限制。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值差異變化在短期內(nèi)主要由人為因素造成, 本文選取人口、經(jīng)濟(jì)、政策三個(gè)方面社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與ESV進(jìn)行相關(guān)性分析和主成分分析, 剔除對(duì)其影響較小且不顯著的相關(guān)性因素后進(jìn)行多元回歸分析, 得到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的回歸方程, 擬合度高, 驅(qū)動(dòng)因素分析較為準(zhǔn)確, 在此基礎(chǔ)上對(duì)關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行空間相關(guān)性分析, 能夠清楚鄂西北地區(qū)ESV受社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素影響的空間分布, 為促進(jìn)鄂西北地區(qū)經(jīng)濟(jì)—社會(huì)—自然的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

研究表明, 隨著鄂西北地區(qū)城鎮(zhèn)化的加速, 研究區(qū)人口增多, 第二、三產(chǎn)業(yè)規(guī)模增加, 建設(shè)用地需求旺盛, 城鎮(zhèn)、工礦和其他獨(dú)立建設(shè)用地主要沿交通干線分布, 農(nóng)村居民點(diǎn)受研究區(qū)特定地理?xiàng)l件限制, 依山就勢(shì)往往擇平地而建, 布局分散不規(guī)則, 此外由于建設(shè)用地區(qū)與糧油耕作區(qū)分布在空間上表現(xiàn)出高度的一致性, 使得建設(shè)用地的擴(kuò)展占用了部分耕地特別是基本農(nóng)田, 而林地、水體受人類(lèi)活動(dòng)、政策調(diào)控等影響處于穩(wěn)定擴(kuò)展中, 導(dǎo)致研究區(qū)內(nèi)最具優(yōu)勢(shì)的耕地景觀的連通性下降, 各土地類(lèi)型面積比例差異減小, 同質(zhì)斑塊聚集程度增加。因此, 研究區(qū)應(yīng)繼續(xù)實(shí)施相應(yīng)生態(tài)保護(hù)政策, 維持并加強(qiáng)其生態(tài)功能, 在保障糧食安全的基礎(chǔ)上, 適當(dāng)?shù)卣{(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)值結(jié)構(gòu), 推進(jìn)建設(shè)用地的整治, 實(shí)現(xiàn)建設(shè)用地集約化發(fā)展緩解供需矛盾, 合理利用土地資源, 在保護(hù)現(xiàn)有林地、水體資源的基礎(chǔ)上, 依據(jù)鄂西北地區(qū)豐富的生態(tài)、文化資源因地制宜發(fā)展生態(tài)旅游經(jīng)濟(jì), 統(tǒng)籌區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的綠色發(fā)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題 (2017YFC0505601)

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

郭濼, 女, 教授, 主要從事景觀生態(tài)學(xué)研究, E-mail: guoluo@muc.edu.cn

于倩茹, 徐煖銀, 孫思琦, 等. 鄂西北地區(qū)土地利用格局及其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的時(shí)空變化[J]. 生態(tài)科學(xué), 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.