中國東海海岸帶地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評估及其尺度依賴性

劉一鳴,徐煖銀,曾 輝

北京大學(xué)城市規(guī)劃與設(shè)計(jì)學(xué)院, 深圳 518055

自然生態(tài)系統(tǒng)為人類的生存提供了多種服務(wù),包括物質(zhì)生產(chǎn)、氣候調(diào)節(jié)、娛樂休憩等等[1],因而維持健康的生態(tài)系統(tǒng)對實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要[2]。生態(tài)系統(tǒng)健康是指生態(tài)系統(tǒng)滿足人類發(fā)展的合理需求的能力,以及自我維護(hù)和更新的能力[3]。這一概念提出至今,經(jīng)歷了從概念內(nèi)涵和外延的理論探討向定量化評估的演化過程[4—8],被視為宏觀生態(tài)研究中生態(tài)系統(tǒng)管理的最重要問題之一[9]。由于研究的空間尺度差異關(guān)系著對研究對象整體趨勢或是細(xì)節(jié)規(guī)律的反映,因此涉及地理空間現(xiàn)象的研究都需要在特定的空間尺度下進(jìn)行[10]。目前,生態(tài)系統(tǒng)健康研究尺度涉及到全球、區(qū)域、景觀和生態(tài)系統(tǒng)等多個層次。隨著相關(guān)研究的不斷深入,區(qū)域被認(rèn)為是宏觀生態(tài)系統(tǒng)管理研究與實(shí)踐的最適宜空間尺度,是進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)健康及其評價研究的關(guān)鍵尺度,以城市群、行政區(qū)為評價單元的研究較為常見[11—14]。但是,生態(tài)評估工作大多具有空間尺度效應(yīng),不同的尺度能反映出不同的信息甚至可能得到完全相反的結(jié)論。因此應(yīng)進(jìn)行多尺度生態(tài)系統(tǒng)健康評估,以得到不同尺度下的生態(tài)健康情況的特征[15],為不同層級的生態(tài)管理工作提供多尺度理論依據(jù)。

當(dāng)前關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)健康的研究大都通過建立評估框架和指標(biāo)體系進(jìn)行定量化評估。其中包括能值分析模型[16],壓力-狀態(tài)-響應(yīng)模型[17],子系統(tǒng)模型[18],活力-組織-彈性模型以及其他的評估框架[19—20]。其中,活力-組織-彈性模型認(rèn)為一個健康的生態(tài)系統(tǒng)可以用三個主要特征來定義：活力,適應(yīng)力和組織性,但是該模型更多側(cè)重于生態(tài)系統(tǒng)本身的完整性和可持續(xù)性,無法很好地將自然生態(tài)系統(tǒng)與人為社會活動相聯(lián)系。Costanza于2012年提出健康的生態(tài)系統(tǒng)需要具有可持續(xù)地提供一系列有價值的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的能力,因此生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)被納入到傳統(tǒng)的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康評估工作中,建立了活力-組織-彈性-服務(wù)(Vigor-Organization-Resilience-Services,VORS)生態(tài)系統(tǒng)健康評估框架。此模型是具有明確度量標(biāo)準(zhǔn)和充足生態(tài)信息的生態(tài)系統(tǒng)健康的評估方法,目前被廣泛接受,且在相關(guān)的研究中被不斷完善[21]。2015年P(guān)eng等將生態(tài)系統(tǒng)空間鄰接效應(yīng)對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響考慮到了VORS評價框架中[22]。

我國東海海岸帶主要包括廣東省汕頭市南澳島以北、上海以南的區(qū)域,經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),自然資源豐富,良港眾多。自改革開放以來,該地區(qū)經(jīng)歷了快速的城鎮(zhèn)化,大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等工程對地表狀態(tài)改變較大,同時,其地理位置位于陸地生態(tài)系統(tǒng)與海洋系統(tǒng)的交界處,是生態(tài)保護(hù)的關(guān)鍵區(qū)域。進(jìn)行科學(xué)的多尺度生態(tài)系統(tǒng)健康評估,可以為該區(qū)域各層級生態(tài)管理工作提供科學(xué)支撐?；谝陨犀F(xiàn)狀,本研究選取我國東海海岸帶11個沿海城市作為研究對象,采用VORS模型作為生態(tài)系統(tǒng)健康的基礎(chǔ)評估框架,并對模型中的各維度進(jìn)行修正和完善,通過多尺度評估單元探究東海海岸帶地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康的時空變化特征及尺度效應(yīng)。

圖1 東海海岸帶地區(qū)概況Fig.1 Overview of the coastal region of the East China Sea

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)包含上海、浙江和福建的11個沿海城市(圖1),總面積96396.39 km2, 占全國總面積的1%,地處24°29′—27°09′N, 117°39′—122°12′E。研究區(qū)平均海拔高度318 m,從北向南,海拔逐漸升高,其中上海和嘉興海拔較低,不超過200 m,為典型的平原區(qū)域。研究區(qū)多年平均氣溫16.21℃,多年平均降水量1634.41 mm,屬于亞熱帶季風(fēng)氣候,水熱條件好,氣候條件優(yōu)越,森林覆蓋率為51.4%,耕地占比為23.5%。2019年研究區(qū)GDP產(chǎn)值占全國GDP總產(chǎn)值的10.33%,其中有9個城市的城鎮(zhèn)化率高于全國平均水平,是中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵區(qū)域。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

本研究數(shù)據(jù)包括土地利用數(shù)據(jù)、生態(tài)系統(tǒng)凈初級生態(tài)產(chǎn)力(NPP)遙感數(shù)據(jù)、人口空間插值數(shù)據(jù)和地形地貌數(shù)據(jù)。其中,土地利用數(shù)據(jù)、人口空間插值數(shù)據(jù)、地形地貌數(shù)據(jù)和行政區(qū)劃數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(http://www.resdc.cn/),NPP遙感數(shù)據(jù)采用中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究在全球變化科學(xué)研究數(shù)學(xué)出版系統(tǒng)發(fā)表的數(shù)據(jù)集[23]。為保證數(shù)據(jù)的可計(jì)算性,利用極差標(biāo)準(zhǔn)化方法對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理,使得各項(xiàng)指標(biāo)值分布在0—1之間。研究中空間數(shù)據(jù)分析均使用ArcGIS軟件,鄰域變異度修正中主成分分析使用SPSS進(jìn)行計(jì)算,景觀指數(shù)利用Fragstats軟件計(jì)算得出。

2 研究方法

2.1 修正的生態(tài)系統(tǒng)健康評估框架

本文采用VORS綜合評估體系進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)健康評估,由于每一指標(biāo)對生態(tài)系統(tǒng)健康都具有同等重要性,因而賦予每一指標(biāo)同等權(quán)重[24]。將計(jì)算得到的生態(tài)系統(tǒng)健康值為0—0.40的區(qū)域劃分為不健康區(qū)域,值為0.40—0.60的區(qū)域劃分為較健康區(qū)域,值為0.60—1.00的區(qū)域劃分為極健康區(qū)域[25]。生態(tài)系統(tǒng)健康計(jì)算公式如下[26]：

式中,EHI表示生態(tài)系統(tǒng)健康值,V表示生態(tài)系統(tǒng)活力,O表示生態(tài)系統(tǒng)組織力,R表示生態(tài)系統(tǒng)彈性,S表示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。

2.1.1生態(tài)系統(tǒng)活力評估

生態(tài)系統(tǒng)活力意味著生態(tài)系統(tǒng)的新陳代謝或者初級生產(chǎn)力。NPP作為生態(tài)功能的基礎(chǔ),是光合作用所產(chǎn)生的凈有機(jī)質(zhì)總量,也是初級生產(chǎn)者為生態(tài)系統(tǒng)其它組分提供的全部能量[27],是衡量生態(tài)系統(tǒng)活力的理想指標(biāo)。以植物光合作用過程和光能利用率為基礎(chǔ)建立的光能利用率模型,雖然對植被的生理過程進(jìn)行了簡化,但直接利用遙感數(shù)據(jù)作為輸入?yún)?shù),計(jì)算過程相對簡單,便于大尺度評估。因此,本文選擇NPP作為表征生態(tài)系統(tǒng)活力的指標(biāo)。

2.1.2生態(tài)系統(tǒng)組織評估

生態(tài)系統(tǒng)組織表征生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,描述生態(tài)系統(tǒng)各組成部分之間的相互作用,通常是由景觀格局決定的[28]。其中,景觀異質(zhì)性和景觀連通性對于生態(tài)系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)尤為重要。景觀異質(zhì)性越高越有利于景觀穩(wěn)定,緩解景觀中的劇烈變化,使得景觀的組織力更強(qiáng)[29—30],用Shannon多樣性指數(shù)和Shannon均勻度指數(shù)表征。越高的景觀連通性越有利于物種之間的遷徙和不同斑塊之間的交流,使得景觀的組織力越強(qiáng),用景觀連通度指數(shù)和景觀分割度指數(shù)表征。兩者對生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定發(fā)揮有不可相互替代的作用[22],因而將二者設(shè)置為同等權(quán)重,計(jì)算公式如下：

O=0.25×SHDI+0.25×SHEI+0.25×CONTAG+0.25×DIVISION

式中,O表示生態(tài)系統(tǒng)組織力,SHDI代表Shannon多樣性指數(shù),SHEI代表Shannon均勻度指數(shù),CONTAG為景觀連通度指數(shù),DIVISION為景觀分割度指數(shù)。

景觀格局指數(shù)的計(jì)算采用移動窗格法。合適的窗格尺度設(shè)置能夠避免結(jié)果過于破碎化,或波動較大,保證景觀格局的空間異質(zhì)性分布規(guī)律準(zhǔn)確表征[31—32]。窗格尺度大小通過試驗(yàn)確定,以2—10 km為試驗(yàn)范圍,以200 m為間隔,試驗(yàn)40個不同尺度移動窗格下的景觀格局指數(shù)。通過對比結(jié)果的正態(tài)性以及異質(zhì)性,最終確定邊長為4 km的移動窗格作為合適的分析單位,既避免了噪聲又保留了足夠的土地利用信息[33—34]。

2.1.3生態(tài)系統(tǒng)彈性評估及修正

生態(tài)系統(tǒng)彈性是指生態(tài)系統(tǒng)在受到外部干擾后恢復(fù)其原始結(jié)構(gòu)和功能的能力,土地利用類型在生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)中起到重要作用[35]。在遭受外部壓力時,接近自然生態(tài)系統(tǒng)的土地利用類型具有較高彈性,如水體和未利用地幾乎不受到外界的干擾,且在外界壓力消失時可以更快恢復(fù)原狀,而人為主導(dǎo)的土地利用類型彈性較低[28]。參考相關(guān)研究得到不同土地利用類型的彈性系數(shù)表[15, 36](表1)。此外,應(yīng)注意到即使是相同的土地利用類型,由于其鄰近用地類型復(fù)雜程度及受到人為干擾度的不同會導(dǎo)致其彈性差異。因而,需要對生態(tài)系統(tǒng)彈性進(jìn)行空間鄰域變異度修正及人為干擾修正,其中人為修正由人口和地形指數(shù)表征。

生態(tài)系統(tǒng)彈性評估的各項(xiàng)指數(shù)權(quán)重由Delphi法得到[37],修正后的生態(tài)系統(tǒng)彈性評估公式如下：

Ri=ERC×(0.5×N+0.25×P+0.25×T)

式中,Ri代表評價單元的生態(tài)系統(tǒng)彈性,ERC代表各土地利用類型的彈性系數(shù),N為鄰域變異度修正系數(shù),P為人口指數(shù),由1減人口密度歸一化值得到,T為地形指數(shù)。

圖2 鄰域變異度示意圖Fig.2 Schematic diagram of neighborhood variability 格中數(shù)字1,2,3,4,5代表五種不同土地類型

鄰域變異度是指某一用地周圍土地利用類型的復(fù)雜程度,變異度差異會對該用地的彈性產(chǎn)生加強(qiáng)或削弱作用,示意圖見圖2,鄰域變異度從變異度1到變異度5逐漸增大。在本研究中,基于土地利用數(shù)據(jù),利用ArcGIS “焦點(diǎn)統(tǒng)計(jì)”工具統(tǒng)計(jì)1990—2015年間發(fā)生用地類型變化的土地空間鄰域變異度情況,共分為5種變異類型。利用SPSS對這些變異度數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析,在提取一個主成分時即可達(dá)到94.636%的信息累積比。以此時的成分矩陣作為鄰域修正系數(shù)的依據(jù),并將系數(shù)賦值在-5至5之間：變異度1到5依次對應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)彈性空間鄰域變異度修正系數(shù)為3、-3、-5、0、5。

人為干擾主要考慮地形情況和人口密度大小。高海拔和高坡度的地區(qū),不適宜人類定居及耕種活動,受到人為干擾小,反之則受到人為干擾更大[38]。本研究中采用地形指數(shù)來表征地形的整體情況,該指數(shù)是對高程和坡度綜合描述的地形指數(shù),能夠較為全面的展現(xiàn)出不同位置的地形條件[39]。此外,人口密度的大小也是衡量人為干擾的重要指標(biāo),人口密度大的區(qū)域受到人為干擾的影響越大,反之則越小,因此將人口插值數(shù)據(jù)歸一化,作為人口指數(shù)?；谝陨蟽蓚€指數(shù)計(jì)算得到人為干擾空間修正系數(shù)。地形指數(shù)計(jì)算公式如下：

式中,T為地形指數(shù),E為某點(diǎn)的海拔(m),S為某點(diǎn)的坡度(°),E0和S0分別為研究區(qū)的平均海拔(m)和平均坡度(°)。

表1 生態(tài)系統(tǒng)彈性系數(shù)及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)系數(shù)

2.1.4生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估及修正

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的計(jì)算參照謝高地等[40]的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估模型,得出各類用地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)系數(shù)(表1)。在量化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時也必須考慮土地利用類型的空間鄰接效應(yīng)。評價單元的周圍是生態(tài)用地有助于其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的提升,其周圍是人工及半人工用地將會對其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值產(chǎn)生一定的削弱?；诖?對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間分布進(jìn)行空間鄰域類型差異度修正(表2)。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)計(jì)算公式如下[27]：

式中,ES是空間單元的生態(tài)服務(wù)指數(shù)；RESVi是與像元i相關(guān)的土地利用類型對應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)系數(shù)；CSNEi是4個相鄰像元對像元i生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間鄰近效應(yīng)系數(shù)之和；n是評估區(qū)域中的像元數(shù)。

表2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間鄰近性修正系數(shù)

2.2 多尺度評估單元構(gòu)建

生態(tài)系統(tǒng)健康評估以及差異性分析等空間評估工作具有空間尺度依賴性[41],采樣單元大小會對分析結(jié)果產(chǎn)生一定影響,因而空間尺度依賴性問題是本研究中需要解決的問題?？紤]到生態(tài)系統(tǒng)健康評估涉及到景觀連通性、破碎化和植被覆蓋等指標(biāo),采樣單元不宜過小,否則評估結(jié)果將不具備整體性特征。因而,在研究區(qū)內(nèi)構(gòu)建5 km×5 km、7.5 km×7.5 km、10 km×10 km、12.5 km×12.5 km、15 km×15 km、17.5 km×17.5 km、20 km×20 km、地級行政區(qū)共計(jì)8個尺度的采樣單元進(jìn)行重采樣,得到多尺度的生態(tài)系統(tǒng)健康時空分布結(jié)果。

3 結(jié)果與分析

3.1 各維度指標(biāo)時空變化特征

利用相關(guān)數(shù)據(jù)的原始尺度對研究區(qū)1990—2015年六期的生態(tài)系統(tǒng)健康各維度指標(biāo)數(shù)據(jù)加以分析(表3、圖3)。生態(tài)系統(tǒng)活力指數(shù)整體呈現(xiàn)下降趨勢,以2000年為折點(diǎn),生態(tài)系統(tǒng)活力指數(shù)先劇烈下降后波動上升,在2000年時處于低谷。生態(tài)系統(tǒng)組織指數(shù)整體呈現(xiàn)上升趨勢,以1995年為節(jié)點(diǎn)先下降后上升,在1995年時處于最低值。生態(tài)系統(tǒng)彈性指數(shù)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指數(shù)整體而言下降明顯,以1995年為折點(diǎn),呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。

圖3 研究區(qū)1990—2015年生態(tài)系統(tǒng)健康各項(xiàng)指標(biāo)時空分布Fig.3 Spatio-temporal distribution of each indicator of ecosystem health in the study area during 1990—2015

表3 研究區(qū)1990—2015年生態(tài)系統(tǒng)健康平均值結(jié)果

在空間分布方面(圖3),生態(tài)系統(tǒng)活力指數(shù)在寧波以北的上海和嘉興區(qū)域一直為最低值區(qū),且低值區(qū)的面積在25年間不斷擴(kuò)大。寧波以南的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)活力指數(shù)波動變化,其中浙江區(qū)域內(nèi)的寧波、溫州、臺州和福建寧德等地區(qū)波動下降,而福建境內(nèi)的福州、廈門、泉州、莆田和漳州等區(qū)域呈現(xiàn)波動上升狀態(tài)。生態(tài)組織指數(shù)以寧德和溫州為分界線,南北區(qū)域呈現(xiàn)出較大的空間異質(zhì)性。北面包括的上海和浙江沿海的4個地級市,生態(tài)系統(tǒng)組織指數(shù)較低；南面包括福建沿海5個地級市,生態(tài)系統(tǒng)組織指數(shù)較高,六期數(shù)據(jù)顯示低值區(qū)逐漸向高值區(qū)轉(zhuǎn)化。生態(tài)系統(tǒng)彈性方面,海岸線區(qū)域、上海、嘉興以及寧波北部的指數(shù)較低,寧波南部及其以南的大部分區(qū)域,主要是遠(yuǎn)離海洋的內(nèi)部山地丘陵區(qū)域彈性指數(shù)較高,六期數(shù)據(jù)在空間分布上呈現(xiàn)較高一致性。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在上海、嘉興、以及福建省內(nèi)的泉州、廈門、莆田的沿海區(qū)域指數(shù)較低,其中上海市的生態(tài)服務(wù)指數(shù)最低。這些區(qū)域25年間低指數(shù)面積逐漸擴(kuò)大,其余地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指數(shù)均處于較好的水平。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)健康時空變化

平均值能體現(xiàn)數(shù)據(jù)的一般分布水平,最大值和最小值分別體現(xiàn)著極值的分布,標(biāo)準(zhǔn)差能表征一組數(shù)據(jù)的離散程度,標(biāo)準(zhǔn)差越大表明數(shù)據(jù)趨于離散,越小則反之。

圖4 研究區(qū)1990—2015年多尺度生態(tài)系統(tǒng)健康統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)變化結(jié)果Fig.4 Results of changes in multi-scale ecosystem health statistics in study area from 1990 to 2015

生態(tài)系統(tǒng)健康均值結(jié)果見圖4,研究區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)健康呈現(xiàn)“W”型波動,在2000年和2010年為低谷,25年間整體呈下降趨勢。隨著研究尺度的增大,生態(tài)系統(tǒng)健康的均值在不斷降低,以地級市為研究尺度的生態(tài)系統(tǒng)健康值遠(yuǎn)低于其他尺度的同期結(jié)果。最高值統(tǒng)計(jì)整體呈現(xiàn)出與均值相似的變化趨勢,2000年值最低,但是不同尺度的波動幅度差異較大。最小值整體呈現(xiàn)出下降的趨勢,但采樣尺度為20 km和地級市的兩個研究尺度,則分別以1995年及2005年為時間節(jié)點(diǎn),呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)結(jié)果以2000年為時間節(jié)點(diǎn),呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢,意味著研究區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)健康呈現(xiàn)出一個隨時間更加離散的情況。

以上四項(xiàng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)說明,無論在何種尺度上,研究區(qū)內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)健康都呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢,自1990起不斷惡化,至2000年以后有所改善。同時,標(biāo)準(zhǔn)差的結(jié)果表明研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)分布更加離散,即出現(xiàn)了健康的生態(tài)系統(tǒng)更加健康,惡劣的生態(tài)系統(tǒng)不斷惡化的現(xiàn)象。對不同健康類型的區(qū)域分區(qū)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4,可以看出25年間,除地級市尺度外,不健康區(qū)域面積比重整體呈現(xiàn)上升趨勢,較健康區(qū)域面積比重呈現(xiàn)明顯下降趨勢,極健康區(qū)域面積比重雖然波動變化,但是整體趨勢平穩(wěn)。這表明在研究時間內(nèi)較健康區(qū)域一定程度上向著不健康區(qū)域轉(zhuǎn)變,發(fā)生轉(zhuǎn)變的區(qū)域占比大概在2%左右。

表4 研究區(qū)1990—2015年多尺度生態(tài)系統(tǒng)健康分布比重情況/%

空間上,研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康分布具有較大異質(zhì)性 (圖5、圖6)。上海、嘉興、寧波北部的生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)較差,特別是上海地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康值極低,且低值區(qū)范圍逐漸擴(kuò)大。寧波南部及以南區(qū)域,90%以上區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)處于健康狀態(tài),僅有臺州、溫州、莆田、泉州、廈門的沿海區(qū)域存在小面積的不健康區(qū)域。不同于以上尺度,地級市尺度結(jié)果中嘉興的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況最差,上海其次,但是在1995年后不斷惡化。溫州的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況最好,福州的生態(tài)系統(tǒng)健康處于改善向好狀態(tài)。其他區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康保持平穩(wěn)狀態(tài)。

圖5 研究區(qū)1990—2015年生態(tài)系統(tǒng)健康狀況空間分布圖Fig.5 Spatial distribution of ecosystem health in the study area 1990—2015

圖 6 研究區(qū)1990—2015年生態(tài)系統(tǒng)健康狀況空間分布圖Fig.6 Spatial distribution of ecosystem health in the study area 1990—2015

3.3 生態(tài)系統(tǒng)健康的尺度依賴性

依據(jù)以生態(tài)系統(tǒng)健康時空變化結(jié)果,2000年為生態(tài)系統(tǒng)健康值變化折點(diǎn),因此選取1990年、2000年、2015年3期數(shù)據(jù)展現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)健康熱點(diǎn)區(qū)、冷點(diǎn)區(qū)和隨機(jī)區(qū)域,三個類型的異質(zhì)性單元的空間特征(圖7)。熱點(diǎn)區(qū)是指具有較高水平生態(tài)系統(tǒng)健康的單元相鄰分布的聚集區(qū),主要發(fā)生在森林覆蓋率高的遠(yuǎn)離沿海的山區(qū)。冷點(diǎn)區(qū)是指具有較低水平生態(tài)系統(tǒng)健康單元相鄰分布的聚集區(qū),主要分布在寧波北部及以北的區(qū)域、其他城市的沿海區(qū)域。隨機(jī)區(qū)域表示具有不同水平生態(tài)系統(tǒng)健康的單元隨機(jī)分布的區(qū)域,即沒有空間自相關(guān)的單元,主要分布在熱點(diǎn)區(qū)和冷點(diǎn)區(qū)的過渡地帶。隨著研究尺度的增大,熱點(diǎn)區(qū)和冷點(diǎn)區(qū)比重都顯著降低,隨機(jī)區(qū)域的比重不斷升高(圖7)。這說明,在研究區(qū)內(nèi)評估尺度越小,生態(tài)系統(tǒng)健康的高低值聚類效應(yīng)越顯著,空間異質(zhì)性越顯明顯；評估尺度越大,生態(tài)系統(tǒng)健康的分布更加平均,極差化情況不斷減弱。因而,尺度越小,生態(tài)系統(tǒng)健康的細(xì)節(jié)刻畫更加清晰,尺度越大,越能顯示趨勢性特征。

表5 研究區(qū)1990—2015年多尺度生態(tài)系統(tǒng)健康高/低值聚類分布Z得分情況

圖7 研究區(qū)1990年、2000年、2015年生態(tài)系統(tǒng)健康高/低聚類空間分布圖(地級市尺度由于采樣單元數(shù)小于30個,無法進(jìn)行相關(guān)分析)Fig.7 The spatial distribution of ecosystem health Getis-Ord in the study area in 1990, 2000 and 2015 (This analysis was not possible at the prefecture-level city scale due to the number of sampling units being less than 30)

4 討論

4.1 生態(tài)系統(tǒng)健康時空分異特征成因討論

過去25年間,研究區(qū)以2000年為節(jié)點(diǎn),生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)先下降后上升,但是2015年仍低于1990年健康水平。Sun等針對杭州灣濕地的生態(tài)系統(tǒng)健康的研究結(jié)果得到了相同的結(jié)果,即在1990—2000年期間處于下降的狀態(tài),在2000年后略有恢復(fù)[42]。1990年起,由于我國的城鎮(zhèn)化發(fā)展主要依托于引進(jìn)外資和海洋經(jīng)濟(jì),海岸帶地區(qū)的區(qū)位優(yōu)勢性得以顯現(xiàn),研究區(qū)內(nèi)城鎮(zhèn)化發(fā)展較為迅速,隨之而來的是城市建設(shè)對生態(tài)系統(tǒng)的干擾逐漸增強(qiáng),對生態(tài)系統(tǒng)的破壞得以顯現(xiàn),因此可以在結(jié)果中看到2000年為研究時段內(nèi)的最低生態(tài)健康水平。而21世紀(jì)以來,這種快速城鎮(zhèn)化進(jìn)程使生態(tài)環(huán)境問題凸顯,引起了建設(shè)者的關(guān)注,城鎮(zhèn)化發(fā)展開始不斷擴(kuò)散并向內(nèi)陸地區(qū)轉(zhuǎn)移,政府的城鎮(zhèn)化發(fā)展也更加注重可持續(xù)發(fā)展理念,這也可能是導(dǎo)致在2000年之后生態(tài)系統(tǒng)健康波動上升的一大原因。

在空間分布上,無論是各尺度、各評價維度還是總體水平,上海-嘉興-寧波區(qū)域以及閩三角區(qū)域的生態(tài)健康都表現(xiàn)出較差的狀態(tài)(圖3,圖7),且呈現(xiàn)出空間上擴(kuò)散化的趨勢。Xiao等的研究中發(fā)現(xiàn),在2001—2013年間,上海和杭州灣的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況在城市范圍以及縣級尺度的評估中都持續(xù)下降,并且這種下降從中心城市(上海和嘉興)蔓延到周邊地區(qū)[15]。分析其中原因,嘉興、上海市中心以及閩三角地區(qū)分布著耕地和建設(shè)用地,由于這兩個景觀都是規(guī)則的,集中且高度人工化,因此容易受到侵蝕,從而削弱了生態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)部穩(wěn)定性,導(dǎo)致其呈現(xiàn)出明顯低于其他區(qū)域的結(jié)果。這也表明,單一的景觀類型更可能導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)的不穩(wěn)定,密集的建設(shè)用地和單一的用地類型是以上區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)較差的主要原因。因而,未來在生態(tài)健康維護(hù)和景觀格局優(yōu)化工作中,應(yīng)著力于城市綠地建設(shè),使景觀多樣化,有利于改善區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康狀況。

4.2 生態(tài)系統(tǒng)健康尺度依賴性分析

在評估生態(tài)系統(tǒng)健康時,大尺度分析易得到整體性趨勢和特征,但研究對象的細(xì)節(jié)特征會被忽略,小尺度研究有利于針對性的修復(fù)和規(guī)劃工作,但很容易破壞景觀的完整性[43]。因此,對于生態(tài)系統(tǒng)健康空間尺度的選擇,沒有最理想的尺度,只有最合適的尺度[44]?？紤]到生態(tài)過程和景觀度量標(biāo)準(zhǔn)的變化與尺度有關(guān),因此在許多情況下始終需要采用多尺度方法進(jìn)行評估[15]。以本研究為例,較小評估尺度得到的結(jié)果中(圖5、圖6),生態(tài)系統(tǒng)健康較差的區(qū)域聚焦于上海市中心,但是在地級市尺度下,嘉興則為生態(tài)系統(tǒng)健康狀況最差的區(qū)域。不難理解,大尺度的評估結(jié)果會將一定區(qū)域內(nèi)的生態(tài)狀況平均化,上海除市中心外其他區(qū)域的生態(tài)健康狀況相對較好,這在尺度放大的過程中,中和了健康問題最為嚴(yán)重的市中心。而嘉興雖然沒有極差生態(tài)健康區(qū)域分布,但是各處水平均不樂觀,因此地級市尺度下變成了生態(tài)系統(tǒng)健康問題最嚴(yán)重的單元。因此在以生態(tài)管理為目的的生態(tài)評估工作中,小尺度評估結(jié)果中生態(tài)系統(tǒng)健康的高低值分區(qū)更加明顯,空間異質(zhì)性更強(qiáng),可以為有針對性的解決點(diǎn)狀生態(tài)問題提供位置指引,便于生態(tài)修復(fù)項(xiàng)目開展。而大尺度的評估結(jié)果中生態(tài)系統(tǒng)健康的分布更加平均,有助于為區(qū)域規(guī)劃工作把控大方向,明確市級生態(tài)建設(shè)的整體力度。多尺度的評估工作既確保了評估結(jié)果的準(zhǔn)確性,也揭示了不同尺度水平生態(tài)系統(tǒng)健康的變化趨勢以及空間異質(zhì)性特征。

5 結(jié)論

本文基于鄰域變異度和人為干擾修正后的VORS模型,以5 km至地級市8個評估尺度單元,定量化的評估了我國東海海岸地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康狀況,并分析了其時序變化特征和空間分異規(guī)律,探究了生態(tài)系統(tǒng)健康的尺度依賴性效應(yīng),得到以下結(jié)論：

(1)研究時間內(nèi),研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康水平以2000年為節(jié)點(diǎn)先下降后上升,整體呈下降趨勢。自2000年起生態(tài)系統(tǒng)健康值分布更加離散,健康的生態(tài)系統(tǒng)更加健康,惡劣的生態(tài)系統(tǒng)不斷惡化。

(2)生態(tài)系統(tǒng)健康在空間分布上具有較高的異質(zhì)性特征。沿海地區(qū)、寧波以北地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)健康值較差,成為了生態(tài)系統(tǒng)健康的冷點(diǎn)分布區(qū)；遠(yuǎn)離海洋部分的山地丘陵山區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)健康值較高,成為了生態(tài)系統(tǒng)健康的熱點(diǎn)分布區(qū)。小尺度下,上海市中心生態(tài)健康最差,地級市尺度下嘉興市健康狀況最差。

(3)生態(tài)系統(tǒng)健康評估工作具有一定的空間尺度依賴性。研究尺度變大,生態(tài)系統(tǒng)健康分布趨于平均化,易得到變化趨勢空間格局分布。小尺度的評估結(jié)果能夠更好的解釋生態(tài)系統(tǒng)健康的異常值分布等細(xì)節(jié)。因而,在生態(tài)系統(tǒng)健康的評估中不存在最佳的研究尺度,多尺度的設(shè)置有助于全面細(xì)致地進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)健康的評估工作。