汶川縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對(duì)景觀格局及其變化的響應(yīng)

徐建英,樊斐斐,劉焱序,陳吉星,魏建瑛

1 首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院, 北京 100048

2 北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部,地表過(guò)程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100875

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指人類(lèi)從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的益處[1]。土地作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的載體,其類(lèi)型、格局和利用強(qiáng)度都會(huì)影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[2]。首先,土地類(lèi)型直接決定了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的主導(dǎo)類(lèi)型,如農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)糧食供給服務(wù)和自然生態(tài)系統(tǒng)各種調(diào)節(jié)服務(wù)[3]；其次,土地利用的變化引起生態(tài)過(guò)程發(fā)生相應(yīng)的改變,進(jìn)而導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)發(fā)生量變或質(zhì)變[4]；最后,不同的土地利用強(qiáng)度也會(huì)造成所提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的差異,這種對(duì)應(yīng)關(guān)系往往需要較高精度的土地利用數(shù)據(jù)來(lái)反映[5]。景觀格局是由不同的土地利用類(lèi)型組成并在空間上呈現(xiàn)不同的分布與組合形式[6- 7]。從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給與維持的角度出發(fā),景觀格局的變化會(huì)影響生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)流、能量流和信息流,引起生態(tài)過(guò)程的改變[8- 9],最終引起生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的改變。由于土地利用類(lèi)型變化往往不能完全反映其布局形態(tài)的演化規(guī)律,景觀格局指標(biāo)所展現(xiàn)的空間信息值得被特別關(guān)注。

目前,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與景觀格局集成是區(qū)域環(huán)境政策和生態(tài)系統(tǒng)管理等跨學(xué)科領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題[10- 11],但此類(lèi)研究較多地直接以土地利用類(lèi)型為基礎(chǔ)評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),通過(guò)相關(guān)和回歸分析探究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與景觀格局的關(guān)系。例如：Su等分析了杭嘉湖4個(gè)生態(tài)區(qū)的景觀格局和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化,發(fā)現(xiàn)除了水源涵養(yǎng)和土壤保持外其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)都與景觀指標(biāo)顯著相關(guān)[12]；Ayinuer等發(fā)現(xiàn)新疆艾比湖流域的13個(gè)景觀指標(biāo)中有8個(gè)顯示出與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)有顯著的相關(guān)性[13]；Zhang等分析廣西壯族自治區(qū)喀斯特地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化對(duì)景觀格局的響應(yīng)中發(fā)現(xiàn),總面積、最大斑塊指數(shù)等指標(biāo)與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)呈正相關(guān),分離度和斑塊豐富度則與服務(wù)呈負(fù)相關(guān)[14]；Zhang等認(rèn)為斑塊大小會(huì)造成景觀指標(biāo)的明顯差異,從而影響景觀指標(biāo)與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的關(guān)系[15]。然而,此類(lèi)研究多采用土地利用類(lèi)型賦值的價(jià)值當(dāng)量法評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),進(jìn)而解析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與景觀格局的關(guān)系,忽視了在評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中使用土地利用類(lèi)型,而其與景觀格局指標(biāo)高度相關(guān),導(dǎo)致相關(guān)或回歸分析在輸入數(shù)據(jù)上存在天然的因果關(guān)系。

考慮到區(qū)域的差異性和方法的局限性,仍有必要繼續(xù)探究重點(diǎn)區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)如何響應(yīng)于景觀格局的變化。其中,通過(guò)生態(tài)遙感指標(biāo)實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)制圖,基于獨(dú)立于土地利用數(shù)據(jù)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估結(jié)果,解釋景觀指標(biāo)與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)聯(lián),可以更有效刻畫(huà)出景觀格局與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的復(fù)雜關(guān)系。汶川縣是我國(guó)重要自然保護(hù)區(qū)——臥龍自然保護(hù)區(qū)的所在地,研究區(qū)域內(nèi)保護(hù)區(qū)與非保護(hù)區(qū)并存,自然干擾(地震、滑坡和泥石流等自然災(zāi)害)和人為干擾(汶川縣作為阿壩州經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快的區(qū)域)明顯,研究該區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對(duì)于景觀格局及其變化的響應(yīng)有助于了解保護(hù)政策的實(shí)施效果,自然和人為干擾對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響,為區(qū)域生態(tài)保護(hù)、景觀規(guī)劃和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提升提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

汶川縣位于四川省阿壩藏族羌族自治州的東南部(30°45′—31°43′N(xiāo),102°51′—103°44′E),四川盆地的西北角,面積約4084 km2。境內(nèi)地勢(shì)由西北向東南逐漸降低,西部海拔較高,其中著名的四姑娘山海拔約6250 m,東南部最低海拔約764 m,河流發(fā)育,屬于典型的高山峽谷地形。汶川縣屬于溫帶季風(fēng)氣候,由于地勢(shì)起伏較大,研究區(qū)域氣候的垂直地帶性明顯,形成常綠闊葉林、針闊混交等不同的植被帶。該區(qū)域植被覆蓋度較高,生態(tài)系統(tǒng)碳固定作用明顯；由于地處降雨豐富的高山峽谷地形,高植被覆蓋可有效增強(qiáng)區(qū)域的水源涵養(yǎng)和土壤保持服務(wù)。縣轄8個(gè)鎮(zhèn),4個(gè)鄉(xiāng),為了保護(hù)珍稀動(dòng)植物種,國(guó)家建立臥龍和草坡自然保護(hù)區(qū),占全縣總面積的一半以上(如圖1)。

圖1 研究區(qū)位置

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理

本文所采用的土地利用數(shù)據(jù)(2000、2005、2010、2015年4期)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/),分辨率為30m,其土地利用類(lèi)型分為林地、草地、耕地、水域、建設(shè)用地和未利用地六大類(lèi)；DEM和EVI數(shù)據(jù)源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/search/)提供的GDEMDEM和MODEV1M產(chǎn)品,分辨率分別為30m和250m；ET和NPP數(shù)據(jù)是源自美國(guó)地質(zhì)勘察局(USGS)網(wǎng)站提供的MODIS影像MOD16A3產(chǎn)品和MOD17A3H產(chǎn)品,分辨率500 m,由于ET與NPP產(chǎn)品在網(wǎng)站中分別缺少2000年和2015年的數(shù)據(jù),在分析中分別2001年作為ET的起始年,2014年作為NPP變化的終止年；月降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家氣象信息中心(http://data.cma.cn/),采用全國(guó)站點(diǎn)在Anusplin 4.2中完成基于地形的薄板樣條插值,并裁切得到汶川縣2000—2015年月均降水量；土壤數(shù)據(jù)源自FAO的HWSD 1.2全球土壤同化數(shù)據(jù)庫(kù)(http://westdc.westgis.ac.cn/)。為了保證數(shù)據(jù)分辨率的統(tǒng)一性,本文將所有數(shù)據(jù)的空間分辨率通過(guò)三次卷積內(nèi)插重采樣到30 m分辨率。

2 研究方法

2.1 景觀格局變化

為了明晰2000—2015年汶川縣土地利用變化過(guò)程,本研究采用土地類(lèi)型變化趨勢(shì)指數(shù)(Ps)為描述指標(biāo)。該指數(shù)的取值在[-1,1]內(nèi),若Ps>0,則表示此類(lèi)土地類(lèi)型面積在增加,越接近1則表示其他地類(lèi)主要轉(zhuǎn)為該地類(lèi)；Ps<0,則相反,詳見(jiàn)以下公式[16]：

(1)

式中,Ps為某一類(lèi)土地類(lèi)型的變化趨勢(shì)指數(shù)；ΔUin為其他類(lèi)型轉(zhuǎn)變?yōu)樵擃?lèi)型的總面積；ΔUout為研究T期間內(nèi)某一類(lèi)土地類(lèi)型轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌?lèi)型的總面積；T為研究時(shí)間。

景觀格局指數(shù)是反映其結(jié)構(gòu)構(gòu)成和空間特征的簡(jiǎn)單量化指標(biāo),分為斑塊水平、類(lèi)型水平、景觀水平[17]。本文選擇類(lèi)型和景觀2個(gè)水平進(jìn)行分析,從景觀聚集程度、破碎程度、形狀復(fù)雜程度和多樣性等方面描述汶川縣的景觀格局特征,在類(lèi)型水平選取了最大斑塊指數(shù)(Largest Patch Index, LPI)、斑塊形狀指數(shù)(Landscape Shape Index, LSI)、斑塊密度(Patch Density, PD)、平均斑塊面積(Mean Patch Area, AREA_MN)、邊緣密度(Edge Density, ED)、聚集度指數(shù)(Aggregation Index, AI)6個(gè)指標(biāo)；在景觀水平選取了最大斑塊指數(shù)(Largest Patch Index, LPI)、斑塊形狀指數(shù)(Landscape Shape Index, LSI)、斑塊密度(Patch Density, PD)、平均斑塊面積(Mean Patch Area, AREA_MN)、邊緣密度(Edge Density, ED)、聚集度指數(shù)(Aggregation Index, AI)、香濃多樣性指數(shù)(Shannon′s Diversity Index, SHDI)和蔓延度指數(shù)(Contagion Index, CONTAG)形成共8個(gè)指標(biāo)?？紤]到部分土地類(lèi)型的覆蓋面積較大,較小的統(tǒng)計(jì)尺度會(huì)形成大量均質(zhì)景觀單元,因而將景觀格局指數(shù)統(tǒng)計(jì)到常見(jiàn)的千米尺度進(jìn)行分析,包含像元一千余個(gè)。利用ArcGIS中Create Fishnet工具得到3 km邊長(zhǎng)格網(wǎng),輸入各年份土地利用類(lèi)型數(shù)據(jù),通過(guò)Fragstats 4.2軟件計(jì)算得到每個(gè)格網(wǎng)內(nèi)的各項(xiàng)景觀格局指數(shù)。計(jì)算景觀格局指數(shù)使用了林地、草地、耕地、水域、建設(shè)用地和未利用地6類(lèi)土地類(lèi)型,但由于研究區(qū)水域變化不明顯以及建設(shè)用地、耕地和未利用地的總面積僅占全域的3.9%,因此本文在敘述類(lèi)型水平景觀指數(shù)時(shí)只展示了林地和草地的景觀格局指數(shù)。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估

考慮到生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)服務(wù)是自然生態(tài)系統(tǒng)最為重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類(lèi)型,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)服務(wù)的空間分析一直是學(xué)界研究的熱點(diǎn)議題[18]。尤其是汶川縣大面積處于自然保護(hù)區(qū)中,生態(tài)系統(tǒng)供給服務(wù)和文化服務(wù)相對(duì)而言不突出,因而生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)服務(wù)對(duì)景觀格局及其變化的響應(yīng)成為本研究的關(guān)注重點(diǎn)。

基于生態(tài)遙感指標(biāo),本研究評(píng)估了最為常見(jiàn)的三種生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)服務(wù)：碳固定、水源涵養(yǎng)、土壤保持[19]。碳固定采用MOD17A3H產(chǎn)品中的各年NPP取值予以指代,單位為g C/m2；水源涵養(yǎng)主要基于地形和土壤指標(biāo)對(duì)產(chǎn)水量進(jìn)行修正[20- 21],土壤保持主要依循通用水土流失方程(The Revised Universal Soil Loss Equation, RUSLE)進(jìn)行計(jì)算[22],具體過(guò)程如下。

2.2.1水源涵養(yǎng)

在水源涵養(yǎng)量計(jì)算中,首先通過(guò)水量平衡原理得到汶川縣的產(chǎn)水量,然后根據(jù)土壤的厚度、滲透性、地形和流速系數(shù)等因素計(jì)算得到涵養(yǎng)量,具體的計(jì)算公式如下[20]：

Y=P-ET

(2)

式中,Y、P和ET分別為產(chǎn)水量、降水量和蒸發(fā)量。

WR=min(1,249/V)×min(1,0.9×D/3)×min(1,Ksoil/300)×Y

(3)

式中,WR為多年平均水源涵養(yǎng)量(mm)；V為流速系數(shù)(采用模型參數(shù)表數(shù)據(jù)[21])；D為地形指數(shù),無(wú)量綱；Ksoil為土壤飽和導(dǎo)水率(cm/d)。

(4)

式中,Watershed pixel count(Wpc)為集水區(qū)柵格數(shù),無(wú)量綱；Soil depth(Sd)為土壤深度(mm)；Percent slope(Ps)為百分比坡度。

2.2.2土壤保持

采用RUSLE方程計(jì)算土壤侵蝕量,考慮到大尺度人類(lèi)工程措施無(wú)法表征,默認(rèn)土壤保持措施因子為1,方程的公式如下[22]：

A=R?K·L·S·C·P

(5)

式中,A為單位時(shí)間單位面積的平均土壤流失量(t hm-2a-1)；R為降雨侵蝕力因子(MJ mm hm-2h-1a-1)；K為土壤可蝕性因子(t h MJ-1mm-1))；L為坡長(zhǎng)因子；S為坡度因子；C為作物覆蓋與管理因子；P 為土壤保持措施因子。

R通過(guò)采用Wischmeier提出的相關(guān)公式[23]計(jì)算得出,如下：

(6)

式中,R為降水可持續(xù)性因子,P為年降水量(mm),Pi為第i月的降水量(mm)。

K采用EPIC模型[24]得到,計(jì)算公式如下：

(7)

SNI=1-SAN/100

(8)

式中,K為土壤可侵蝕性；SAN、SIL、CLA為砂粒、粉粒、粘粒含量；SNI為非砂粒所占百分比；C為土壤有機(jī)含量(%)。

坡度因子S根據(jù)坡度θ[25]可計(jì)算得到：

(9)

坡長(zhǎng)L根據(jù)以下公式計(jì)算得到[26- 28]：

L=(λ/22.1)m

(10)

m=β/(1+β)

(11)

β=(sinθ/0.0896)/(3.0(sinθ)0.8+0.56)

(12)

式中,λ、m、β分別為水平坡長(zhǎng)、坡長(zhǎng)指數(shù)、細(xì)溝侵蝕。

考慮到EVI比常用的NDVI不易飽和,更適用于植被密集地區(qū),因而根據(jù)EVI換算植被覆蓋度c,從而得到植被因子C[29]：

(13)

其中EVI為12月的平均值。

土壤保持量應(yīng)為潛在土壤侵蝕量與現(xiàn)實(shí)侵蝕量的差值,其中潛在土壤侵蝕量應(yīng)排除地表覆被類(lèi)型,即C=1：

Ar=Am-A

(14)

Ar為土壤保持量,Am為潛在土壤侵蝕量,A為現(xiàn)實(shí)土壤侵蝕量。

2.3 Mann-Kendall (M-K)檢驗(yàn)

利用M-K顯著性檢驗(yàn)分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在連續(xù)時(shí)間內(nèi)的變化趨勢(shì),該方法常用于連續(xù)時(shí)間序列的趨勢(shì)分析[30- 31],同時(shí)采用Theil-Sen (TS)過(guò)程輔助,其計(jì)算過(guò)程如下[32- 33]：

(15)

式中,Slpoe > 0表示增加,Slpoe<0表示減??；n是時(shí)間序列長(zhǎng)度,xi和xj分別是時(shí)間i和j的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)量；σ是標(biāo)準(zhǔn)偏差,| Z | > 1.64則認(rèn)為變化趨勢(shì)顯著。

3 結(jié)果與分析

3.1 景觀格局

汶川縣土地類(lèi)型主要是在林地、草地和耕地之間轉(zhuǎn)換其中在2000—2015年間,林地增加了112.21 km2、草地減少了139.58 km2、耕地增加了20.34 km2, 而水域、建設(shè)用地和未利用地的土地變化相對(duì)較小,分別為0、3.23 km2和0。為了強(qiáng)調(diào)研究區(qū)景觀格局的變化效應(yīng),考慮到研究區(qū)的水域、建設(shè)用地和未利用地的占地面積以及變化面積較小,因此在后續(xù)分析中主要關(guān)注耕地、林地和草地變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響。具體而言,汶川縣2000—2015年內(nèi)耕地和林地面積處于緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì),草地面積變化趨勢(shì)則相反。其中,不同時(shí)間序列變化趨勢(shì)指數(shù)Ps(表1)表明,2000—2005年間耕地和林地的變化趨勢(shì)指數(shù)Ps均小于0,即其面積處于減少趨勢(shì),而草地的變化趨勢(shì)指數(shù)Ps大于0,面積處于增長(zhǎng)趨勢(shì)；2005—2010年耕地、林地的變化趨勢(shì)指數(shù)均大于0,面積處于增長(zhǎng)趨勢(shì),尤其是耕地增長(zhǎng)量較大；草地相反,Ps低至-0.42；2010—2015年林地、草地和耕地的變化趨勢(shì)和動(dòng)態(tài)度指數(shù)Ps波動(dòng)較小(-0.01、0.02、0.11),變化均不明顯。

表1 不同土地類(lèi)型2000—2015年的變化趨勢(shì)指數(shù)(Ps)

2000—2015年景觀指數(shù)的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖2,分析結(jié)果表明研究時(shí)段內(nèi)汶川縣整體景觀更加破碎化,斑塊形狀復(fù)雜化,斑塊異質(zhì)性增加。在景觀水平,整體景觀的AREA_MN從452.57減少到424.37、AI從97.91減少到97.79,而LSI從23.82增加到25.13、LPI從50.84增加到52.76、CONTAG從71.35增加到73.67、SHDI從0.81增加到0.83。草地的景觀變化也顯示出與整體景觀較為一致趨勢(shì),其AREA_MN 、AI和LPI均表現(xiàn)出下降趨勢(shì),PD、ED和LSI有所增加,表明景觀破碎度增加,聚集程度減弱,最大斑塊面積在逐漸下降,形狀趨于復(fù)雜。但是,林地景觀的變化規(guī)律則與上述兩者不同,林地的AREA_MN從2000年的1116.61增加到2015年的1870.84,LPI從50.81增加到52.76、AI從98.21增加到98.33,但PD從0.05下降到0.03,說(shuō)明林地破碎化減弱,團(tuán)聚度增強(qiáng)。

圖2 不同時(shí)期景觀指數(shù)的變化趨勢(shì)

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化

由圖3中可知,研究區(qū)2000—2015年絕大部分地區(qū)水源涵養(yǎng)和土壤保持量呈增長(zhǎng)趨勢(shì),而NPP呈下降趨勢(shì)。其中,2000—2015年內(nèi)汶川縣水源涵養(yǎng)量波動(dòng)上升,除臥龍自然保護(hù)區(qū)的西部外,大部分地區(qū)水源涵養(yǎng)呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；另外,草坡和臥龍保護(hù)區(qū)的水源涵養(yǎng)量主要在300mm左右波動(dòng)上升,而非保護(hù)區(qū)的水源涵養(yǎng)在250mm處波動(dòng)上升,即保護(hù)區(qū)的水源涵養(yǎng)要明顯高于非保護(hù)區(qū),表明保護(hù)區(qū)的生物多樣性保護(hù)起到一定的積極作用(圖3)。汶川縣土壤保持量在15年間波動(dòng)較大,出現(xiàn)多處低谷(2000、2004、2007、2015年)和峰值(2001、2006、2008、2013年)；大部分地區(qū)土壤保持處于增長(zhǎng)趨勢(shì),但在城鎮(zhèn)比較聚集的地區(qū)土壤保持量明顯減少(圖3)。碳固定服務(wù)在2000—2015年呈減少趨勢(shì),研究發(fā)現(xiàn)三個(gè)區(qū)域中NPP變化趨勢(shì)一致,呈現(xiàn)同升同降的規(guī)律,可推測(cè)碳固定服務(wù)的變化受更宏觀的氣候條件影響較大(圖3)。三個(gè)區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)比較分析表明,臥龍和草坡保護(hù)區(qū)內(nèi)的水源涵養(yǎng)和土壤保持有明顯的提高,但在臥龍保護(hù)區(qū)與縣域的交界處,水源涵養(yǎng)和碳固定服務(wù)呈明顯的下降趨勢(shì)。

圖3 2000—2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)空變化趨勢(shì)

3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對(duì)景觀格局的響應(yīng)

將2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估結(jié)果以分位數(shù)法等分為低、較低、中等、較高、高5個(gè)等級(jí),根據(jù)每個(gè)等級(jí)上景觀指數(shù)的波動(dòng)范圍,得到不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)等級(jí)所對(duì)應(yīng)的景觀指數(shù)(圖4和圖5)。

圖4 不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對(duì)景觀水平景觀指數(shù)的響應(yīng)

3.3.1景觀水平

景觀水平上生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)主要與LSI、SHDI、AI、 LPI等指數(shù)密切相關(guān)(圖4)。以景觀格局指數(shù)的中位數(shù)為對(duì)象,當(dāng)LSI分別在小于1.95、小于1.88時(shí),所對(duì)應(yīng)的土壤保持、水源涵養(yǎng)量處于較高水平,當(dāng)LSI范圍小于1.87時(shí),碳固定服務(wù)處于較低水平；當(dāng)SHDI小于0.55時(shí),水源涵養(yǎng)和土壤保持均處于較高水平,而碳固定則反之；AI在98.36以上時(shí),土壤保持和水源涵養(yǎng)量相對(duì)較高,碳固定值較低；LPI大于85時(shí),土壤保持和水源涵養(yǎng)量較高,而碳固定則反之。但三種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對(duì)CONTAG并不敏感,CONTAG值一直在60左右波動(dòng)。由此可知,當(dāng)LSI和SHDI較低、AI和LPI較高時(shí),土壤保持和水源涵養(yǎng)量較高,而碳固定相對(duì)較低。此外,箱圖中顯示的奇異值被界定為大于上四分位數(shù)1.5倍四分位數(shù)差的值,或者小于下四分位數(shù)1.5倍四分位數(shù)差的值,結(jié)果中奇異值較多存在與LSI、AI、LPI、SHDI等景觀指數(shù),體現(xiàn)了格網(wǎng)中的這些指數(shù)變化幅度較大。說(shuō)明汶川縣景觀格局具有較強(qiáng)的異質(zhì)性,而這種異質(zhì)性特征很可能導(dǎo)致了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分布的異質(zhì)性。

3.3.2類(lèi)型水平

以景觀指數(shù)的中位數(shù)作為參考,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對(duì)類(lèi)型水平景觀格局的響應(yīng)與景觀水平不同。由圖5可知,對(duì)于土壤保持,林地和草地斑塊形狀較為簡(jiǎn)單時(shí),會(huì)使得景觀的土壤保持能力提高,主要表現(xiàn)為林地和草地的LSI對(duì)土壤保持服務(wù)的響應(yīng)與景觀水平較為一致, LSI分別小于1.90和1.79時(shí),林地和草地的土壤保持量處于較高水平(景觀水平為1.88)。增大草地的最大斑塊面積是提高景觀土壤保持能力的有效途徑,主要體現(xiàn)在LPI分別在17.83和81.85時(shí),林地和草地土壤保持達(dá)到較高水平；說(shuō)明草地LPI對(duì)土壤保持服務(wù)的響應(yīng)與景觀水平(82.40)較為一致,而林地則不一致。草地斑塊破碎度較低時(shí),土壤保持量較高,而林地土壤保持對(duì)PD的響應(yīng)并不明顯,表現(xiàn)為PD在0.2上下波動(dòng)。

圖5 不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對(duì)類(lèi)型水平景觀指數(shù)的響應(yīng)

水源涵養(yǎng)對(duì)景觀指數(shù)的響應(yīng)與土壤保持大多一致,其明顯區(qū)別在于,增大林地的最大斑塊面積可有效提高景觀水源涵養(yǎng)能力的有效因素。其主要表現(xiàn)在林地與草地LPI在81.13和12.14時(shí),水源涵養(yǎng)處于較高水平,而林地LPI與景觀水平(82.40)范圍大致相當(dāng)。對(duì)于碳固定服務(wù),林地和草地斑塊形狀較為復(fù)雜時(shí)的碳固定相對(duì)較高。主要表現(xiàn)在林地與草地LSI分別低于1.89和1.42時(shí),碳固定服務(wù)處于低水平,與景觀水平LSI(1.47)對(duì)碳固定的響應(yīng)大致相當(dāng)。增大草地的最大斑塊面積是提高景觀碳固定能力的有效方式,主要表現(xiàn)在林地和草地LPI分別在18.19、90.04時(shí),碳固定處于低水平,其對(duì)草地LPI的響應(yīng)與景觀水平(89.97)一致。

3.4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化對(duì)景觀格局變化的響應(yīng)

2000—2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與景觀格局變化量的對(duì)應(yīng)關(guān)系表明,只有碳固定變化明顯響應(yīng)于景觀格局變化,景觀變化會(huì)引起研究區(qū)大面積范圍碳固定值的降低,而水源涵養(yǎng)和土壤保持在研究區(qū)中并沒(méi)有明顯響應(yīng)于景觀格局的變化。不同地類(lèi)的景觀指數(shù)變化對(duì)碳固定服務(wù)變化的敏感性存在差異(圖6)。以碳固定服務(wù)顯著變化像元所占格網(wǎng)面積百分比的中位數(shù)為對(duì)象,在景觀水平上,當(dāng)LSI、LPI和AI發(fā)生明顯變化時(shí),會(huì)造成約50%以上的碳固定服務(wù)顯著減少,而在LPI、LSI和PD穩(wěn)定區(qū)間內(nèi)該面積百分比中位數(shù)僅為29.98%、33.25%和32.36%。

圖6 碳固定顯著減少比例對(duì)景觀指數(shù)變化的響應(yīng)(2000—2015年)

在類(lèi)型水平上,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)響應(yīng)景觀格局現(xiàn)象更具有針對(duì)性。例如,林地最大斑塊面積顯著減少、斑塊形狀趨向簡(jiǎn)化、聚集度減弱時(shí),引起碳固定在大面積范圍內(nèi)顯著減少。主要體現(xiàn)在LPI、PD在減少區(qū)間內(nèi),對(duì)應(yīng)的碳固定顯著減少所占面積百分比分均在約55%以上,高于其他區(qū)間。草地的最大斑塊面積增加、形狀趨于復(fù)雜、聚集程度增加時(shí)會(huì)造成碳固定在較大范圍內(nèi)顯著減少,表現(xiàn)在LPI、LSI、PD在增加區(qū)間內(nèi),碳固定顯著減少所占面積百分比中位數(shù)均在60%以上,而其穩(wěn)定區(qū)間的百分比中位數(shù)低于40%。

4 討論

本研究結(jié)果表明,并不是所有景觀格局變化均會(huì)引起生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化。以顯著變化的面積占到格網(wǎng)的百分比的中位數(shù)為對(duì)象,土壤保持服務(wù)的變化量對(duì)景觀格局的變化呈現(xiàn)出震蕩波動(dòng)的狀態(tài)(圖7)。例如,景觀水平LSI、LPI、PD的不同變化區(qū)間內(nèi),土壤保持顯著增加所占面積百分比均在15%上下波動(dòng)。在類(lèi)型水平也是如此,如草地也是在LSI、LPI、PD的不同變化區(qū)間內(nèi),面積百分比也在15%上下波動(dòng)。造成這種現(xiàn)象的原因可能是：雖然景觀格局的改變影響土壤流失方程中的C值,但在30m分辨率植被覆蓋度遙感監(jiān)測(cè)中這種變化不易被識(shí)別,尤其是對(duì)高植被覆蓋的保護(hù)區(qū)而言林地和草地均呈現(xiàn)較高的植被覆蓋度,導(dǎo)致遙感評(píng)估得到的土壤保持服務(wù)變化往往不依賴(lài)于景觀格局變化。

圖7 土壤保持顯著增加比例對(duì)景觀指數(shù)變化的響應(yīng)(2000—2015年)

不同尺度也會(huì)影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化對(duì)景觀格局變化的響應(yīng)程度。在全縣范圍內(nèi),水源涵養(yǎng)變化與景觀格局變化并沒(méi)有明顯的響應(yīng),但是,在局部區(qū)域景觀劇烈變化時(shí),水源涵養(yǎng)變化隨景觀格局變化的響應(yīng)依然有明顯響應(yīng)。如在臥龍保護(hù)區(qū)的東南部選擇34個(gè)格網(wǎng)單元的景觀指數(shù)如LPI、LSI、PD等景觀指數(shù)變化相對(duì)明顯：中位數(shù)分別為18.29、-0.61、-0.35,其水源涵養(yǎng)量顯著增加面積中位數(shù)達(dá)56.34%；而臥龍保護(hù)區(qū)的東北部25個(gè)格網(wǎng)單元的景觀格局變化較?。篖PI、LSI、PD中位數(shù)分別為-0.89、0.07、0.11,對(duì)應(yīng)的水源涵養(yǎng)顯著增加面積中位數(shù)僅為1.41%。

就研究方法而言,本文揭示了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與景觀格局關(guān)系的測(cè)度直接依賴(lài)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估手段,高精度的生態(tài)過(guò)程地面觀測(cè)數(shù)據(jù)補(bǔ)充將有助于進(jìn)一步揭示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與景觀格局之間的復(fù)雜聯(lián)系。此外,臥龍、草坡保護(hù)區(qū)與其他地區(qū)的交界處往往是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)易于變化的區(qū)域,因此,保護(hù)區(qū)與非保護(hù)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)存在明顯差異。草地對(duì)研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響較大,優(yōu)化區(qū)域區(qū)內(nèi)合理的林地、草地規(guī)模配比與空間布局將更有效的提升研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平。

5 結(jié)論

針對(duì)重點(diǎn)區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)如何響應(yīng)于景觀格局變化的科學(xué)問(wèn)題,本文識(shí)別了汶川縣土壤保持、水源涵養(yǎng)和碳固定對(duì)景觀格局及其變化的響應(yīng),得到以下三點(diǎn)發(fā)現(xiàn)：

2000—2015年汶川縣林地、草地和耕地之間存在轉(zhuǎn)變,整體景觀更加破碎化、斑塊形狀復(fù)雜化,斑塊異質(zhì)性增加,整體景觀格局的變化受草地影響較大。研究區(qū)碳固定服務(wù)有所減少,而大部分區(qū)域水源涵養(yǎng)和土壤保持呈增長(zhǎng)趨勢(shì),在臥龍和草坡保護(hù)區(qū)內(nèi)的水源涵養(yǎng)和土壤保持有明顯提高,但在臥龍保護(hù)區(qū)與縣域交界處的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)呈下降趨勢(shì)。

不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對(duì)景觀格局的響應(yīng)存在差異,其不僅表現(xiàn)在指標(biāo)上,也體現(xiàn)程度上。在景觀水平,土壤保持、水源涵養(yǎng)和碳固定服務(wù)主要對(duì)LSI、SHDI、LPI等指數(shù)較為敏感,而對(duì)CONTAG響應(yīng)并不明顯；在類(lèi)型水平,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對(duì)類(lèi)型水平景觀格局的響應(yīng)與景觀水平有所不同,林地類(lèi)型水平與景觀水平差異較大,而草地類(lèi)型水平與景觀水平大致相當(dāng)。例如土壤保持高值區(qū)間對(duì)應(yīng)林地和草地LPI中位數(shù)分別為17.83和81.85,而景觀水平LPI中位數(shù)82.40。

汶川縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與景觀格局變化量的對(duì)應(yīng)關(guān)系發(fā)現(xiàn),只有碳固定變化明顯響應(yīng)于景觀格局變化,景觀的顯著變化會(huì)引起研究區(qū)大面積范圍碳固定值的顯著降低,而水源涵養(yǎng)和土壤保持在研究區(qū)中并沒(méi)有觀測(cè)到這一響應(yīng)方式。在景觀水平,景觀指數(shù)變化直接影響碳固定服務(wù)變化；在類(lèi)型水平上,林地LPI和PD的減少和草地LPI、LSI和PD的增加,會(huì)導(dǎo)致碳固定服務(wù)的顯著減少。