贛南地區(qū)景觀格局變化及其對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響

鄭博福,黃瓊瑤,陶 林,謝澤陽,艾 彪,朱元皓,朱錦奇,*

1 南昌大學(xué)資源環(huán)境與化工學(xué)院,鄱陽湖環(huán)境與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南昌 330031 2 江西生態(tài)文明研究院, 南昌 330031 3 江西省吉安環(huán)境監(jiān)測中心,吉安 343000

南方丘陵山地帶是長江流域與珠江流域的分水嶺及源頭區(qū),對人類干擾具有一定的緩沖能力,為區(qū)域提供氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、水土調(diào)節(jié)等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[1-3]。但建設(shè)用地?zé)o序擴(kuò)張、交通道路網(wǎng)延伸、林地、耕地面積占用等人為干擾[4],使得各類景觀被分隔,形狀復(fù)雜、破碎增強(qiáng),引起土地利用景觀格局的變化[5-8],影響了景觀格局中的物質(zhì)循環(huán)、能量流動[9],一系列的生態(tài)環(huán)境問題也隨之出現(xiàn),如土地退化、水土流失、生態(tài)惡化等[10],對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能產(chǎn)生影響。因此研究景觀格局變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響對在人為干擾背景下如何保持相對高的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

景觀尺度已被廣泛用于定量研究景觀格局及其變化。例如,Liu等[11]利用景觀度量來研究土地利用變化的規(guī)模、格局和性質(zhì)；Su等[12]利用景觀度量分析了農(nóng)業(yè)景觀對城鎮(zhèn)化的不同響應(yīng)；Kane等[13]基于景觀面積、破碎化、形狀復(fù)雜性和多樣性分析了城市擴(kuò)張。但是,景觀格局的變化在空間上具有異質(zhì)性,不同土地利用類型會導(dǎo)致景觀格局的不同變化,對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生不同的影響。例如,葛靜等[14]以臨汾市為例對土地利用變化格局及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)土地類型發(fā)展不均衡,提升了生態(tài)服務(wù)能力；陳希等[15]對湘江流域 30年間的景觀格局變化及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值響應(yīng)進(jìn)行了研究,得出景觀破碎化加劇,降低了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力；顧澤賢等[16]對瀾滄縣進(jìn)行研究得到景觀異質(zhì)性降低,提升了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力。

贛南地區(qū)屬于典型的南方山地丘陵區(qū),生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能健康完整,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能良好。隨著社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,特別是快速城鎮(zhèn)化、特色林果業(yè)擴(kuò)張等人類活動,對該地區(qū)的景觀格局產(chǎn)生了顯著影響,進(jìn)而導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力發(fā)生明顯變化。本文基于Fragstats 4.2軟件和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子表,研究了2000—2018年贛南地區(qū)景觀格局和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化,揭示了該區(qū)域景觀格局指數(shù)與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的相關(guān)性,進(jìn)一步提出區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的提升策略,為區(qū)域土地利用空間格局合理布局、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力提升提供依據(jù),進(jìn)一步豐富了丘陵山地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究,對科學(xué)管理生態(tài)系統(tǒng)、區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

贛南地區(qū)是江西省南部區(qū)域的地理簡稱,主要涵蓋贛州市的18個(gè)縣(市、區(qū))(圖1),地處江西省南部、贛江上游,位于113°54′—116°38′E,24°29′—27°09′N,總面積3.93×106hm2,占江西總面積的23.6%。該區(qū)域地形以山地、丘陵為主,占比達(dá)到全區(qū)總面積81%,平均海拔在300 m到500 m之間,為典型的山地丘陵區(qū)。該區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候,多年平均氣溫19.3℃,多年平均降水量1568.75 mm,水熱充足,氣候優(yōu)越。森林資源豐富,森林覆蓋率高達(dá)74.54%。

圖1 研究區(qū)位圖

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究采用的數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云,包括2000年、2010年、2018年3期Landsat TM/ETM遙感影像及DEM數(shù)據(jù),分辨率均為30 m?；贓NVI 5.5軟件對遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、圖像鑲嵌、矢量邊界裁剪、圖像融合等預(yù)處理,利用監(jiān)督分類中的最大似然方法,結(jié)合劉紀(jì)遠(yuǎn)等[17]提出的6個(gè)一級類型、24個(gè)二級類型和區(qū)域用地類型特征,將贛南地區(qū)土地利用景觀類型分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地六大類,二級類型中耕地包括水田和旱地,林地包括闊葉林、針葉林、針闊混交林、灌木林,對每期遙感影像進(jìn)行精度檢驗(yàn),解譯精度均達(dá)到80%以上。

2.2 研究方法

2.2.1景觀格局分析

不同景觀要素在時(shí)空上的排列與組合稱為景觀格局[18],區(qū)域尺度上景觀格局的變化主要表現(xiàn)為土地利用變化[19]。在Fragstats 4.2軟件中計(jì)算景觀格局指數(shù),不同類型的景觀格局指數(shù)反映了景觀格局在不同水平上的演變以及景觀結(jié)構(gòu)的變化[20-21],根據(jù)研究區(qū)區(qū)域的景觀格局特點(diǎn)和不同的表達(dá)方面選取了斑塊數(shù)(Number of Patches, NP)、斑塊密度(Patch Density,PD)、最大斑塊指數(shù)(Largest Patch Index,LPI)、景觀形狀指數(shù)(Landscape Shape Index,LSI)、蔓延度(Contagion Index,CONTAG)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(Shannon′s Diversity Index,SHDI)進(jìn)行分析。

2.2.2生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值估算

(1)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)

贛南地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量為3528.79 元/hm2[22],運(yùn)用謝高地等[23-24]提出的當(dāng)量因子表以及當(dāng)量兌換價(jià)值方法得到贛南地區(qū)ESV單價(jià)表(表1)。其中,耕地與未利用地分別對應(yīng)農(nóng)田與荒漠,對于建設(shè)用地參考程飛等[25]西南丘陵山區(qū)城鎮(zhèn)的研究成果。

表1 贛南地區(qū)各地類ESV單價(jià)/(元 hm-2 a-1)

(2)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值估算

據(jù)表1分別得到2000—2018年贛南地區(qū)總ESV、各景觀用地類型ESV和單項(xiàng)服務(wù)功能價(jià)值,計(jì)算公式如下:

ESV總=∑ESVj

ESVj=Aj×VCj

ESVk=∑Aj×VCkj

式中, ESV總為總價(jià)值量,ESVj為第j種用地類型生態(tài)服務(wù)價(jià)值量,ESVk為第k項(xiàng)生態(tài)服務(wù)的價(jià)值量,Aj為第j種用地類型的面積,VCj為第j類用地類型單價(jià),VCkj為第j種用地類型的第k項(xiàng)生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值系數(shù)。

2.2.3生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與景觀格局指數(shù)相關(guān)性檢驗(yàn)

采用2000年、2010年和2018年3期遙感影像解譯結(jié)果,通過SPSS中的Pearson相關(guān)系數(shù)、雙尾T檢驗(yàn)進(jìn)行相關(guān)系數(shù)的顯著性檢驗(yàn),得到ESV與景觀指數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系,以此反映研究區(qū)及其各縣域景觀格局指數(shù)對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響。

3 結(jié)果與分析

3.1 2000—2018年贛南地區(qū)土地利用空間變化特征

2000—2018年期間,由贛南地區(qū)土地利用空間變化可知(圖2),贛南地區(qū)主要的景觀類型為林地,呈現(xiàn)比較均勻的分布,處于生態(tài)系統(tǒng)的主導(dǎo)地位,森林覆蓋率高；其次為耕地,主要分布在西北部和東北部,面積向周邊擴(kuò)張后收縮；草地零星分布在耕地四周,面積收縮后擴(kuò)張,證明2010年后退耕還林還草取得了良好的效果；建設(shè)用地主要分布在市區(qū)及縣城,呈現(xiàn)出向四周擴(kuò)張的趨勢；水域空間分布基本保持穩(wěn)定。

圖2 2000—2018年贛南地區(qū)土地利用空間變化

3.2 不同景觀類型面積動態(tài)變化

2000—2018年景觀類型面積總體變化幅度較小(圖3),林地一直為贛南地區(qū)優(yōu)勢景觀類型,占總面積之比分別為75.10%、74.69%、73.97%；耕地為面積比重第二的景觀類型,草地、水域、建設(shè)用地、未利用地景觀類型所占面積比重少。未利用地面積變化不大,水域面積基本保持穩(wěn)定狀態(tài),林地景觀類型面積不斷減小,建設(shè)用地景觀類型面積持續(xù)上升。2000—2010年贛南地區(qū)建設(shè)用地面積由36713.52 hm2增長至45918.36 hm2,增長率為25.07%,變化不大,建設(shè)速度緩慢,而2010—2018年贛南地區(qū)建設(shè)用地面積從45918.36 hm2增加到81719.10 hm2,增長率高達(dá)77.97%,達(dá)到跨越式增長,人為活動劇烈。

圖3 2000—2018年贛南地區(qū)景觀類型面積變化

3.3 景觀格局指數(shù)變化分析

從景觀尺度景觀格局指數(shù)變化情況來看(表2),NP反映整個(gè)景觀的異質(zhì)性,其值的大小與景觀的破碎度有很好的正相關(guān)性。PD反映景觀總體破碎化程度,斑塊密度高表示景觀異質(zhì)性高。2000—2018年贛南地區(qū)NP、先減少后增加,表明贛南地區(qū)2000年開始進(jìn)行城鎮(zhèn)化建設(shè),在原有舊建設(shè)地的四周附近建設(shè)了新區(qū)域,新舊建設(shè)用地連接,覆蓋了建設(shè)用地原有的零散斑塊,相比于2000年,2010年景觀斑塊數(shù)量有顯著的減少。2010年后贛南地區(qū)退耕還林還草,耕地景觀趨于集中,林地草地零散分布、占比大,使得景觀斑塊數(shù)有所增加。NP、PD分別凈減少3059、0.07,總體呈下降趨勢,對干擾蔓延的抵抗力低。LSI反映景觀形狀復(fù)雜程度和斑塊分離程度,由124.79增加到129.44,平均變化量由0.318降到0.183,呈增長趨勢,增長趨勢減弱,表明景觀形狀復(fù)雜程度高、斑塊分離程度大,有減弱趨勢；SHDI能反映景觀異質(zhì)性及類型豐富度,呈增長趨勢,平均變化量為0.05,表明景觀異質(zhì)性不斷增高、景觀類型多樣化、各景觀類型復(fù)雜,有增強(qiáng)趨勢；LPI反映人類活動的方向和強(qiáng)弱,它的大小有助于確定優(yōu)勢景觀類型,由37.86減少到36.24,遞減趨勢增強(qiáng),說明優(yōu)勢景觀類型分布縮小,人類干擾的強(qiáng)度增強(qiáng)；CONTAG反映不同斑塊類型的團(tuán)聚程度,值越大表明景觀由少數(shù)團(tuán)聚的大斑塊組成,贛南地區(qū)2000、2010、2018年三年有著比較高的景觀蔓延值,達(dá)到70以上,表明景觀中優(yōu)勢斑塊類型形成了比較良好的連接性,但由73.65降到72.15,呈遞減趨勢,遞減趨勢減弱,說明不同斑塊類型鄰接概率降低,有減弱趨勢。

表2 2000—2018年贛南地區(qū)景觀指數(shù)變化

3.4 不同景觀的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值

贛南地區(qū)2000、2010、2018年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總量分別為2560.97、2550.09、2523.54億元,整體呈下降的趨勢。耕地ESV在2000—2010年增加后在2010—2018年減少,總體上減少了1.75 億元；草地ESV與耕地變化相反先增加后減少,總體上增加了1.57 億元；林地和建設(shè)用地ESV逐年減少,減少趨勢增強(qiáng),水域和未利用地ESV變化不明顯；2000—2018年,林地一直是提供研究區(qū)ESV最多的景觀類型,其ESV變化影響著總價(jià)值的變化(圖4)。2000—2018年,隨著景觀格局的改變,在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型中,贛南地區(qū)除了食物生產(chǎn)ESV先升高后降低外,其他服務(wù)功能價(jià)值量都逐年降低(圖5)。

圖4 2000—2018年贛南地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化

圖5 2000—2018年贛南地區(qū)各服務(wù)功能價(jià)值

3.5 不同景觀類型對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值貢獻(xiàn)率

從贛南地區(qū)不同時(shí)期六種景觀類型對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值貢獻(xiàn)率來看(圖6),2000—2018年未利用地貢獻(xiàn)率保持基本穩(wěn)定,幾乎趨近于零；相反地,林地貢獻(xiàn)率一直保持最大值,達(dá)到80%以上。2000—2010年耕地貢獻(xiàn)率最小,而2010—2018年草地貢獻(xiàn)率最小。與2000—2010年比較,2010—2018年建設(shè)用地、水域、耕地貢獻(xiàn)率顯著增大,林地和草地貢獻(xiàn)率減小明顯。這表明,林地面積的減少是研究區(qū)ESV降低的主要原因,耕地與草地面積的增加是造成ESV增加的原因。

圖6 贛南地區(qū)六種景觀類型ESV貢獻(xiàn)率

3.6 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與景觀格局指數(shù)相關(guān)性

由表3可知,在選擇的5類景觀指數(shù)中,總ESV與CONTAG呈正相關(guān)、與SHDI呈負(fù)相關(guān),與PD、LPI、LSI相關(guān)關(guān)系不強(qiáng),說明不同斑塊類型團(tuán)聚程度增加、類型斑塊集聚化發(fā)展有利于總ESV的增加,而景觀類型豐富、復(fù)雜程度越高也就是破碎化的增加會導(dǎo)致總ESV顯著減少。水域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值與LSI呈高度正相關(guān),表明形狀復(fù)雜、斑塊分離有利于提高水域生態(tài)系統(tǒng)ESV；建設(shè)用地生態(tài)系統(tǒng)與CONTAG呈高度負(fù)相關(guān),與SHDI呈高度正相關(guān),說明建設(shè)用地分布分散、類型豐富復(fù)雜有利于建設(shè)用地ESV提高,進(jìn)而有利于提高總ESV。CONTAG對提高氣候調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)和土壤形成與保護(hù)價(jià)值有重要的影響,提高SHDI使土壤形成與保護(hù)價(jià)值提高,而導(dǎo)致水源涵養(yǎng)價(jià)值的減少。

表3 贛南地區(qū)ESV與景觀指數(shù)相關(guān)系數(shù)

3.7 相關(guān)系數(shù)空間維度的差異性

贛南地區(qū)CONTAG、SHDI與總ESV相關(guān)性顯著,但這并不能反映空間上的顯著性。根據(jù)各縣景觀格局指數(shù)與總ESV相關(guān)性結(jié)果進(jìn)行空間制圖反映空間上各指數(shù)與總ESV的相關(guān)關(guān)系(圖7)。贛南地區(qū)整個(gè)區(qū)域SHDI與ESV極強(qiáng)相關(guān)；上猶縣LPI與ESV中等程度相關(guān),其他縣域均呈極強(qiáng)相關(guān)；安遠(yuǎn)縣CONTAG與ESV中等程度相關(guān),其他縣域均呈極強(qiáng)相關(guān)；石城縣LSI與ESV弱相關(guān),興國縣與ESV呈中等程度相關(guān),贛州市區(qū)、龍南縣與ESV呈強(qiáng)相關(guān),其他縣域均呈極強(qiáng)相關(guān)；上猶縣、安遠(yuǎn)縣、會昌縣、石城縣PD與ESV弱相關(guān),全南縣、龍南縣與ESV呈強(qiáng)相關(guān),信豐縣、定南縣、尋烏縣與ESV呈極強(qiáng)相關(guān),其他縣域均呈中等程度相關(guān)。ESV與PD相關(guān)性極強(qiáng)區(qū)域主要分布在贛南地區(qū)的南部三個(gè)縣為信豐縣、定南縣、尋烏縣,ESV與LSI相關(guān)性極強(qiáng)區(qū)域主要分布在贛南地區(qū)的東部的多個(gè)縣市。

圖7 贛南地區(qū)ESV與景觀指數(shù)相關(guān)系數(shù)空間變化

4 討論

4.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化

贛南地區(qū)城鎮(zhèn)化帶來的建設(shè)用地面積擴(kuò)大導(dǎo)致了該區(qū)ESV減少,這與邱劍南[26]和鄒月等[27]研究結(jié)果一致?？傮w來看,2000—2018年贛南地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值減少37.43 億元,林地面積的減少以及建設(shè)用地面積的增加是造成生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值降低的主要原因,而草地和水域是維持生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值增加的景觀類型。林地大量轉(zhuǎn)化為耕地,且生態(tài)價(jià)值系數(shù)相對較大,對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值貢獻(xiàn)率最高,對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值起決定性作用。建設(shè)用地?cái)U(kuò)張來源于林地、耕地轉(zhuǎn)化,生態(tài)價(jià)值系數(shù)為負(fù)加劇了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的減少。森林覆蓋率降低使得防止風(fēng)沙、保土保肥、制氧、防洪蓄水、空氣凈化等生態(tài)功能減弱,因此顯著減弱土壤形成與保護(hù)、氣體調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)、氣候調(diào)節(jié)的價(jià)值。在生態(tài)系統(tǒng)各項(xiàng)服務(wù)中,土壤形成與保護(hù)對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的價(jià)值貢獻(xiàn)率最大,水源涵養(yǎng)生態(tài)服務(wù)價(jià)值減少量最大,共減少7.64 億元,食物生產(chǎn)減少量最低。因此要保護(hù)林地、控制建設(shè)用地面積同時(shí)提高草地在建設(shè)用地的面積占比。

4.2 景觀格局對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值影響

贛南地區(qū)在人為干擾影響下,ESV與SHDI呈負(fù)相關(guān),與CONTAG呈正相關(guān),這與鄒月等[27]和顧澤賢等[16]研究結(jié)果一致。景觀格局的變化不僅直接影響動植物的生存環(huán)境[28]和食物鏈流向[29-30],間接改變生態(tài)系統(tǒng)的基本功能,使得生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值發(fā)生變化[15]；景觀格局變化還影響景觀指數(shù)的改變,由此影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量。NP、PD前期受城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快影響下降明顯,后期受退耕還林還草政策影響有小幅升高；LPI在林地優(yōu)勢景觀類型的面積持續(xù)減小影響下不斷降低,CONTAG不斷減小主要是由于建設(shè)用地面積擴(kuò)張、林地占用等人類活動干擾下破碎化程度的加??；贛南地區(qū)在城鎮(zhèn)化過程中,建設(shè)用地不斷向外擴(kuò)張,客家大道高架立交橋、創(chuàng)業(yè)路高架段、西站落客高架段、高鐵新區(qū)道路、贛南大道快速路建設(shè)以及昌贛高鐵、贛深鐵路的加快建設(shè),LSI增加,原本簡單規(guī)則的景觀形狀變得復(fù)雜,SHDI增加,景觀越破碎,使得ESV不斷減小。據(jù)大多學(xué)者研究可見[16,27,31],不同地區(qū)景觀格局有所差異,則景觀格局指數(shù)對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響也不同。對于贛南地區(qū)可通過增添樹籬、灌木帶、寬林帶、河流廊道(河岸植被)等廊道連接生態(tài)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)景觀格局的優(yōu)化調(diào)整,達(dá)到景觀蔓延度指數(shù)的提高；增大林地優(yōu)勢景觀類型的面積占比,降低整個(gè)區(qū)域香農(nóng)多樣性指數(shù),注重水域景觀形狀指數(shù)提高；建設(shè)用地提高鄰接概率,景觀蔓延度指數(shù)降低,各類生態(tài)系統(tǒng)均一化,香農(nóng)多樣性指數(shù)提高,以此提高生態(tài)服務(wù)能力,改善生態(tài)環(huán)境。

5 結(jié)論

(1)2000—2018年贛南地區(qū)受人為干擾比較大。景觀破碎化程度加劇、異質(zhì)性升高、類型復(fù)雜程度增強(qiáng),斑塊聚集度減弱。

(2)2000—2018年贛南地區(qū)服務(wù)價(jià)值總量不斷減少,林地對服務(wù)價(jià)值貢獻(xiàn)率最大,除了食物生產(chǎn)先增加后減少外,其他各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值均呈減少趨勢。山地丘陵區(qū)保持現(xiàn)有林地優(yōu)勢、控制建設(shè)用地面積同時(shí)提高草地在建設(shè)用地的面積占比。

(3)贛南地區(qū)服務(wù)價(jià)值量與斑塊類型團(tuán)聚程度、土地景觀類型復(fù)雜程度相關(guān)性顯著,對景觀異質(zhì)性、優(yōu)勢類型斑塊面積、景觀形狀復(fù)雜程度相關(guān)性偏弱。景觀類型指數(shù)上注重提高水域LSI,建設(shè)用地降低CONTAG、提高SHDI,以提高區(qū)域生態(tài)服務(wù)價(jià)值,改善生態(tài)環(huán)境。

(4)對贛南地區(qū)縣市區(qū)調(diào)整景觀格局,改變景觀類型上的LPI、CONTAG、SHDI、LSI指數(shù)來提高ESV。