景觀格局及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值響應(yīng)
——以千陽縣為例

張林，李來新，馬東民，張佩

(1.西安科技大學(xué)，陜西 西安 710054；2.陜西省煤層氣開發(fā)利用有限公司，陜西 西安 710065；3.陜西省煤田地質(zhì)集團(tuán)油氣鉆采公司，陜西 西安 710054)

景觀格局的演變是研究區(qū)域人類活動與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，量化景觀指數(shù)是研究區(qū)域景觀格局演變的基本方法(Robert Costanza，1996；Harvey Alexander，1999)。生態(tài)過程與系統(tǒng)形成及維持人類生存的自然環(huán)境及效應(yīng)稱為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(謝高地等，2003)，兩項(xiàng)指標(biāo)均可體現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)人類活動與自然界的變更歷程，互相關(guān)聯(lián)、互相平衡；景觀格局的改變又影響生態(tài)系統(tǒng)過程、組分、結(jié)構(gòu)及生物多樣性等深度變化，對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)有著明顯的影響(Shiliang Su et al.，2012；王堯等，2019；張茂省等，2019)；景觀類型變化的效率和結(jié)構(gòu)受到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的退化制約，影響著生態(tài)安全與人類健康(William R，2011；張茂省等，2019)。因此，研究景觀格局的變化及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的響應(yīng)能夠有效地掌握區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化趨勢，合理分配利用土地，提高區(qū)域生態(tài)質(zhì)量，促進(jìn)人類與自然和諧可持續(xù)發(fā)展(高奇等，2013；王軍等，2015)。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評價(jià)是建立生態(tài)環(huán)境平衡政策、評判和衡量生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能強(qiáng)弱的重要依據(jù)(王曉峰等，2012，丁月清等，2019，歐陽志云等，1999)。國際上主要以Costanza等提出的基于效用價(jià)值理論和平衡值理論的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評估模型，但該方法準(zhǔn)確度較低，不符合中國國情。在中國，謝高地等(2008)參照國外的研究結(jié)果，對中國區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行動態(tài)分析和估算，較明確地闡述了國內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的立體展布規(guī)律；彭建等(2012)參考Costanza的研究認(rèn)識,定量分析了景觀格局變化在國內(nèi)的生態(tài)效應(yīng)；李志等(2007)利用生態(tài)服務(wù)價(jià)值，闡明了景觀格局變化與生態(tài)服務(wù)效應(yīng)的相關(guān)性；陳希等(2016)采用生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量和景觀指數(shù)協(xié)同方法，定量評價(jià)了不同類型景觀的生態(tài)服務(wù)價(jià)值和景觀格局變化特征。

筆者以千陽縣作為研究對象，將RS、GIS與景觀指數(shù)相結(jié)合，基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的數(shù)學(xué)模型，定量化分析景觀格局變化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的響應(yīng)，并通過敏感性指數(shù)驗(yàn)證結(jié)果的可靠性。研究結(jié)果將對千陽縣后續(xù)合理利用土地、分配優(yōu)勢資源、促進(jìn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)；同時(shí)，為國家在黃土高原區(qū)域的生態(tài)保護(hù)、土地利用、資源分配等政策制定提供理論參考。

1 研究區(qū)概況

千陽縣地處陜西關(guān)中西北部，屬于俗稱“七山二塬一分川”的高原區(qū)，全縣人口約13.20萬人，土地面積為996.46 km2，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫11.90 ℃，年均降水657.10 mm，千山橫貫東西,為天然分水嶺。景觀類型主要為林地、建設(shè)用地、耕地、水體、草地和未利用地。千陽縣是陜西貧困山區(qū)農(nóng)業(yè)縣，“人多地少、土地資源有限”是千陽縣的實(shí)際情況(朱林生，2013)。

2 數(shù)據(jù)來源及方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及數(shù)據(jù)預(yù)處理

提取2000年、2010年、2010年Landsat TM及2015年Landsat OLI影像，對提取數(shù)據(jù)通過ENVI5.1軟件進(jìn)行預(yù)處理、幾何糾正、輻射糾正及圖像匹配，進(jìn)而人機(jī)交互解譯。結(jié)合《土地利用現(xiàn)狀分類》方法，參考現(xiàn)實(shí)情況和研究目標(biāo)將研究區(qū)劃分為耕地、建設(shè)用地、草地、林地、水體以及未利用地6大景觀類型。通過實(shí)際踏勘，準(zhǔn)確率達(dá)到85%以上。

2.2 研究方法

2.2.1 景觀格局演變

(1)景觀指數(shù)選取。景觀指數(shù)能夠全面提煉景觀格局信息，將空間配置和結(jié)構(gòu)組成特征通過簡單定量指標(biāo)進(jìn)行反應(yīng)(陳文波等，2002)。筆者提取斑塊數(shù)(NP)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、斑塊密度(PD)、斑塊類型面積(CA)、斑塊面積比例(PLAND)、平均斑塊面積(AREA_MN)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、聚集度(CLUMPY)；景觀水平提?。喊邏K密度(PD)、斑塊數(shù)(NP)、香農(nóng)多樣性(SHDI)、香農(nóng)均勻度(SHEI)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、景觀蔓延度(CONTAG)、豐富度(PR)、平均斑塊面積(AREA_MN)、最大斑塊指數(shù)(LPI)等指數(shù)對各景觀類型破碎度、復(fù)雜度、面積等空間特征進(jìn)行分析。

(2)土地利用程度。土地利用程度，研究區(qū)域土地利用的深度和廣度是人類與自然環(huán)境和自然屬性的綜合反映(Morgan J L，2010；王秀蘭等，1999)。

(1)

式中:Lu為土地利用程度綜合指數(shù)；Pi為第i級土地利用程度指數(shù)；Qi為第i級土地利用程度面積百分比。

2.2.2ESV評估

目前，Costanza的生態(tài)價(jià)值估算方法為主流生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評估方法，由于該方法在中國誤差較大。所以基于Costanza評價(jià)模型，謝高地等提出了國內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的估算價(jià)值當(dāng)量因子表，公式如下：

(2)

式中：VC0為ESV當(dāng)量因子的價(jià)值量(元hm-2a-1)；P為平均糧食價(jià)格(元/kg)；Q為研究區(qū)平均糧食產(chǎn)量(kg/hm2)、n為年份數(shù)。價(jià)值當(dāng)量與田地自然糧食產(chǎn)量的經(jīng)濟(jì)價(jià)值乘積可定量化出景觀類型單位面積生態(tài)價(jià)值。千陽縣ESV的計(jì)算公式為：

(3)

ESVf=∑(AK×VCfK

(4)

式中：ESV是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(元)；Ak為景觀類型K的面積(hm2)，VCk為ESV系數(shù)(元hm-2a-1)；ESVf為生態(tài)系統(tǒng)第f項(xiàng)服務(wù)功能價(jià)值；VCfk為景觀類型k的第f項(xiàng)服務(wù)功能價(jià)值系數(shù)(元hm-2a-1)。

2.2.3 敏感性驗(yàn)證

分析選取的VC是否匹配本區(qū)，提取敏感性指數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。敏感性分析為獲得模型的最佳解，無論模型中若干個(gè)參數(shù)變化多少，仍能保持原最優(yōu)解的條件不變(高練等，2008)。基于敏感性指數(shù)來評價(jià)時(shí)間變化下VC與ESV的彈性關(guān)系；若敏感性指數(shù)CS>1，顯示ESV對VC是富有彈性，其準(zhǔn)確性越低，引用的VC越不準(zhǔn)確；若CS<1，顯示ESV對VC為缺乏彈性(李哲等2017)，VC引入合適，結(jié)果可信。CS計(jì)算的公式如下：

(5)

式中：CS為敏感性指數(shù)，為VC變動1%引起的ESV的變化情況；VC為生態(tài)價(jià)值系數(shù)；i和j是初始價(jià)值系數(shù)與調(diào)整后系數(shù)；k代表景觀類型。

3 結(jié)果與分析

3.1 景觀類型面積變化特征及相互轉(zhuǎn)化關(guān)系分析

研究區(qū)4期土地利用類型圖見圖1，結(jié)合表1顯示2000～2015年各景觀類型面積都發(fā)生了變化。其中，耕地面積總體變化量最大，并且在2000～2005年期間變化量達(dá)到峰值，總體變化量為-7 378.30 hm2；草地面積先增后減，整體面積保持增加趨勢，總體變化量為3 383.40 hm2；林地面積逐年上升，總體變化量為3 705.42 hm2；建設(shè)用地面積保持增長態(tài)勢，其增長峰值在2005～2010年間變化量為182.48 hm2；水體面積先增后減，總體面積增加，總體變化量為191.66 hm2；未利用地面積總體減少，從2005年開始減弱趨勢放緩，總體變化量為-186.72 hm2。根據(jù)表2，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)近15年間耕地為轉(zhuǎn)出面積最大的景觀類型，占總比90.51%，與之相對應(yīng)的轉(zhuǎn)入面積最大的類型分別為林地和草地，分別占總轉(zhuǎn)入面積的47.31%和43.20%。該結(jié)果表明，研究區(qū)受政府政策影響，為了恢復(fù)自然生態(tài)，防止水土流失及人類破壞，將部分不適宜耕種的耕種區(qū)和坡度較大區(qū)轉(zhuǎn)出為草地和林地。其次轉(zhuǎn)出為建設(shè)用地，大部分未利用地轉(zhuǎn)移為水體，使未利用地得到了充分的利用。此外，隨著大面積的耕地分散轉(zhuǎn)移，水體面積的增加以及未利用地的充分利用，研究區(qū)的整體生態(tài)環(huán)境逐步趨好，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能得到提高。

圖1 千陽縣2000～2015年4期土地利用類型圖Fig.1 Maps of land use type of Qianyang County from 2000 to 2015

表1 各景觀類型面積變化量及百分比表Tab.1 Area change and percentage of landscape type

表2 2000～2015年景觀類型面積轉(zhuǎn)移矩陣表Tab.2 Landscape type area transfer matrix in 2000～2015

3.2 景觀類型水平變化特征分析

從各景觀類型的景觀指數(shù)變化情況分析(表3)，2000～2015年，隨著人類活動的不斷增加，耕地各景觀指數(shù)呈下降趨勢，下降為5.99%，顯示耕地景觀類型趨向合理，相比聚集度指數(shù)，耕地景觀類型破碎化程度減小，連通性提高。作為研究區(qū)的優(yōu)勢景觀類型的林地與草地指數(shù)變化趨勢相似，兩者斑塊數(shù)和斑塊密度指數(shù)整體下降，但都在2015年有小幅回升，說明林地景觀類型與草地景觀類型整體形狀趨于簡單規(guī)則。在2015年由于自然及外界因素的干擾，破碎度隨之提升，景觀異質(zhì)性增強(qiáng)。隨著城鄉(xiāng)城市化加速發(fā)展，建設(shè)用地的最大斑塊指數(shù)與斑塊面積比例逐年提高，顯示人類活動的干擾強(qiáng)度增強(qiáng)，同時(shí)未利用地得到了有效的利用。水體在研究區(qū)內(nèi)面積有所減少，聚集度和景觀形狀指數(shù)降幅最大，說明在人類活動的干預(yù)下，該區(qū)域水體破碎程度嚴(yán)重。

表3 2000～2015年千陽縣景觀類型水平指數(shù)表Tab.3 landscape type level index,2000～2015 Qianyang county

續(xù)表3

3.3 景觀級別水平特征分析

從表4中看出，研究區(qū)2000～2015年景觀形狀指數(shù)持續(xù)減少，說明該研究區(qū)內(nèi)人類的活動干預(yù)使景觀形狀趨于集中，但其斑塊數(shù)和最大斑塊指數(shù)表現(xiàn)下降趨勢，總體顯示為破碎趨勢，景觀優(yōu)勢度降低；蔓延度持續(xù)上升，表示優(yōu)勢斑塊連通性較好，其區(qū)域逐步擴(kuò)大。區(qū)內(nèi)香農(nóng)均勻度指數(shù)變化趨勢與香農(nóng)多樣性相近體現(xiàn)為先升后降再升，總體表現(xiàn)有所提高，說明2000年景觀多樣性和均勻度最小。此時(shí)研究區(qū)內(nèi)各景觀斑塊類型分布最不均勻，多樣性差，連通性較弱；直到2015年，景觀多樣性與均勻度較2000年有所提升，說明研究區(qū)內(nèi)各景觀斑塊類型分布趨于均勻，景觀的優(yōu)勢度逐漸降低，多樣性提高。

表4 2000～2015年千陽縣景觀級別水平指標(biāo)表Tab.4 Landscape Level Indicators，2000～2015 Qianyang County

3.4 土地利用程度的變化趨勢數(shù)據(jù)分析

由研究區(qū)4期土地利用程度指數(shù)(表5)看出，從2000～2015年間，土地利用程度指數(shù)呈逐步上升趨勢，并且均高于全國平均值231，2015年土地利用程度指數(shù)最大。說明近15年，千陽縣在土地利用層面有了巨大改善，土地得到有效地利用，并且土地利用趨于均勻，土地利用多樣性增強(qiáng)，景觀的功能性得到了提升。

表5 2000～2015年土地利用程度指數(shù)表Tab.5 Land use index from 2000 to 2015

3.5 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值研究

3.5.1 總體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化

根據(jù)計(jì)算的研究期生態(tài)服務(wù)價(jià)值(表6)可以看出，研究區(qū)近15年總體ESV值呈現(xiàn)上升趨勢，總體上升4.30%。但從各年變化率看，這種上升趨勢在明顯減弱。從各景觀類型角度上來說，2000～2015年期間，除耕地和未利用地的ESV值下降以外，其他各景觀類型的ESV值均有不同程度的上升。其中，林地的ESV值增加83.09×105元，增幅為7.67%；水體的ESV值增加9.05×105元，增幅為15.31%；草地的ESV值增加25.14×105元，增幅為23.10%，是各景觀類型中增幅最大的景觀類型；其次耕地的ESV值下降52.32×105元，降幅達(dá)21.46%；而未利用地的ESV值降幅最大，達(dá)到97.17%，下降0.08×105元?？傮w上說，研究區(qū)的總體ESV值上升64.87×105元，變化率為4.34%，雖然未利用地的ESV值降幅最大，但未利用地ESV值基數(shù)較低，產(chǎn)生的影響并不大，而耕地ESV值的下降直接影響到林地與草地ESV值的上升，對研究區(qū)總體ESV值的增加起著關(guān)鍵引導(dǎo)作用。

表6 2000～2015年不同景觀類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值及變化量表Tab.6 Value and change of ecosystem services of different landscape types from 2000 to 2015

3.5.2 單項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值變化

結(jié)合表7分析單項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化。

表7 2000～2015年研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值變化對比表Tab.7 Comparison of changes in ecosystem value in the research area from 2000 to 2015

2000～2015年間，研究區(qū)食物生產(chǎn)功能價(jià)值的降幅度最大，下降6.13×105元，降幅達(dá)13.66%，價(jià)值增長最多的是生物多樣性，增漲11.23×105元，增幅達(dá)6.91%。2000～2005年期間，各單項(xiàng)功能價(jià)值變化幅度最為明顯，其中水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值增長最多，增漲達(dá)10.58×105元，增幅達(dá)4.85%。2005～2015年期間，各單項(xiàng)功能價(jià)值變化趨勢減弱，直到2010年后，各單項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化率達(dá)歷年最低，浮動最小。通過對區(qū)內(nèi)整體單項(xiàng)組成的分析，對各單項(xiàng)服務(wù)功能價(jià)值總結(jié)為：土壤形成與保護(hù)>水源涵養(yǎng)>生物多樣性保護(hù)>氣體調(diào)節(jié)>氣候調(diào)節(jié)>廢物處理>原材料>娛樂文化>食物生產(chǎn)。土壤形成與保護(hù)服務(wù)功能價(jià)值最高，占比為18.25%，其次為水源涵養(yǎng)服務(wù)功能，占總體服務(wù)價(jià)值的14.90%，第三是生物多樣性保護(hù)、氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)服務(wù)功能，三者合計(jì)占總體服務(wù)價(jià)值的39.69%。食物生產(chǎn)占總體服務(wù)價(jià)值的比例最低，僅為2.49%，主要原因可能是林地與草地類型的增加，提高了區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，直接影響了土壤形成與保護(hù)和水源涵養(yǎng)服務(wù)功能，使得土壤形成與保護(hù)及水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值得到提高。此外，由于部分耕地類型轉(zhuǎn)變?yōu)榱值嘏c草地，加之政府部門推動現(xiàn)代化城鎮(zhèn)建設(shè)，以及娛樂文化服務(wù)價(jià)值的提高，影響到食物生產(chǎn)能力的減弱，導(dǎo)致該區(qū)域食物生產(chǎn)服務(wù)價(jià)值的下降。

3.6 敏感性分析

對生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)調(diào)整50%后的各景觀類型，可以看出變化后敏感性指數(shù)(圖2)?？傮w景觀類型的敏感性指數(shù)均小于1。2000～2015年期間林地的敏感性指數(shù)最大，其敏感性指數(shù)均大于0.51，并逐年增長，代表當(dāng)林地的生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)改變1%時(shí)，其總生態(tài)服務(wù)價(jià)值至少改變0.51%；此外，水體的敏感性指數(shù)最低，均小于0.10，代表當(dāng)水體的生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)改變1%時(shí)，相應(yīng)總生態(tài)服務(wù)價(jià)值改變不超過0.06%。綜合分析，區(qū)內(nèi)各景觀類型的敏感性指數(shù)均小于1，顯示提取的各價(jià)值系數(shù)為非彈性，適合其實(shí)際情況，生態(tài)服務(wù)價(jià)值預(yù)測結(jié)果可靠。

圖2 2000～2015年生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值敏感性指數(shù)趨勢圖Fig.2 Trend of ecosystem value sensitivity index from 2000 to 2015

4 結(jié)論

(1)從景觀格局來說，2000～2015年間千陽縣景觀類型變化明顯，耕地轉(zhuǎn)移為90.51%，以草地與林地轉(zhuǎn)入為主，轉(zhuǎn)入面積分別為3 383.40 hm2和3 705.42 hm2。此外，耕地景觀類型形狀趨于規(guī)則，聚集度及連通性增強(qiáng)。林地與草地景觀類型的斑塊數(shù)和斑塊密度指數(shù)整體下降，2010年后又有小幅提升，說明破碎度提升，景觀異質(zhì)性增強(qiáng)。此外，建設(shè)用地的斑塊面積比例和最大斑塊指數(shù)都在逐年增加，同期水體的景觀形狀指數(shù)和聚集度有所下降，顯示該區(qū)水體存在嚴(yán)重程度破碎，充分利用了未利用地。分析景觀級別水平變化特征，2000～2015年斑塊數(shù)和最大斑塊指數(shù)一直呈現(xiàn)減少趨勢，整體趨勢顯示為破碎，景觀優(yōu)勢度降低。結(jié)合香農(nóng)均勻度、香農(nóng)多樣性、蔓延度指數(shù)的上升，顯示近15年間千陽縣景觀均勻度、多樣性和連通性得到提升，景觀類型分布均勻，景觀優(yōu)勢度降低，景觀多樣性提高。

(2)采用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的價(jià)值當(dāng)量因子方法，結(jié)合多項(xiàng)景觀指數(shù)特征參數(shù)，通過敏感性指數(shù)變化分析得出：從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值來說，近15年的千陽縣ESV值呈上升趨勢。2000～2015年間，除耕地與未利用地的ESV值呈下降趨勢外，其他景觀類型的ESV值均有不同程度的上升，其中草地的ESV值增幅最大。從單項(xiàng)ESV值的變化情況來看，近15年間的食物生產(chǎn)功能價(jià)值降幅最大，生物多樣性保護(hù)、水源涵養(yǎng)、土壤形成與保護(hù)功能價(jià)值構(gòu)成區(qū)內(nèi)主要生態(tài)服務(wù)價(jià)值，土壤形成與保護(hù)占總比18.25%。ESV值的變化與景觀格局的變化息息相關(guān)，景觀類型的轉(zhuǎn)變影響著ESV值的價(jià)值走向，決定著區(qū)域生態(tài)服務(wù)價(jià)值的大小。

(3)敏感性驗(yàn)證顯示，區(qū)內(nèi)ESV值對VC缺乏彈性，選用價(jià)值系數(shù)符合其實(shí)際情況，預(yù)測ESV值結(jié)果可靠。近15年間，土地利用程度指數(shù)逐漸提高，表明土地利用趨于穩(wěn)定和規(guī)范，土地得到了有效利用。

(4)ESV值估算模型在準(zhǔn)確性和時(shí)效性上仍有待提高，較適用于長時(shí)間序列中的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值估算，不同的生態(tài)服務(wù)功能有其不同的功能量化估算公式，不同的生態(tài)服務(wù)功能估算公式又適用于不同的生態(tài)系統(tǒng)，如何更好地整合和提高現(xiàn)有的生態(tài)服務(wù)功能估算方法，并將生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值量化是下一步需要研究和探索的重點(diǎn)。