鄂西北地区土地利用格局及其生态系统服务价值的时空变化

于倩茹, 徐煖银, 孙思琦, 郭泺,*

鄂西北地区土地利用格局及其生态系统服务价值的时空变化

于倩茹1, 徐煖银2, 孙思琦1, 郭泺1,*

1. 中央民族大学, 生命与环境科学学院, 北京 100081 2. 北京大学城市规划与设计学院, 深圳 518055

鄂西北地区位于湖北省西北部, 是我国自然地理南北过渡的重要地区, 亦是我国南水北调中线工程的重要水源区, 生态环境保护意义重大。在鄂西北地区六期遥感数据基础上, 利用地理信息技术和空间统计的方法, 研究了该区域土地利用格局的时空变化, 对不同用地类型所提供的生态系统服务价值进行评估, 分析了生态系统服务价值与土地利用格局的驱动因素和相关性, 计算了社会经济因素与生态系统服务价值的空间相关性。研究结果表明: (1)1990—2015年鄂西北主要土地利用类型的变化幅度较小, 土地综合动态度为0.06%, 土地类型斑块破碎化程度增加, 斑块形状趋于复杂。(2)研究区间鄂西北生态服务价值处于上升趋势, 生态系统服务价值与景观格局的时空变化具有相关性, 其中与多样性指数呈正相关性, 与蔓延度指数呈负相关性。(3)人均国内生产总值、人口密度和城镇化率是生态系统价值变化的主要驱动因素, 与生态服务价值的局部空间相关性主要集中南部区域。研究结果为鄂西北生态环境可持续发展、合理开发土地资源提供理论依据。

鄂西北地区; 景观格局; 生态服务价值; 驱动因素; 相关性分析

0 前言

生态系统服务是生态系统发展过程形成的维持人类赖以生存的自然条件和效用[1–2], 其变化与人类福祉有着密切联系, 对其向人类提供的产品和服务进行定量化评估, 有利于合理开展社会经济活动, 改善区域生态环境[6]。土地利用/覆被变化(LUCC)是全球变化中的重要组成部分, 是人类活动对自然环境影响短期阶段内的显著表现[7], 它受社会经济和自然的驱动发生改变, 影响着景观格局中大气、土壤、水体、生物等环境要素的生态过程[8–9], 进而导致生态系统服务功能的改变[10]。因此, 基于土地利用格局对生态系统服务价值进行研究, 探索社会经济因素对生态系统服务价值的驱动机制, 是了解区域内生态环境变化的重要研究内容, 同时对于维持生态系统稳定及促进区域可持续发展具有重要指导意义。近年来, 对土地利用格局的研究主要集中在格局演变[11]、驱动因素[12]等方面, 国内外学者在生态系统服务的概念内涵[13]、价值评估[14]等研究方面取得了诸多成果, 如谢高地等[15]人根据Constanza[2]等价值评估模型, 构建了“中国陆地生态系统单位面积服务价值表”, 为我国生态系统服务价值研究提供了重要依据, 该法也得到了国内学者的广泛应用[16–17]。但是关于土地利用格局演变和生态系统服务的耦合分析及生态系统服务的驱动机制还需进一步深入研究。

鄂西北地区自湖北省“鄂西生态文化旅游圈”、“襄十随城市群”等战略出台后, 土地利用格局改变巨大, 区域内的丹江口水库是南水北调中线工程的水源地、国家一级水源保护区, 神农架林区更是国家重要的生态功能区和生态旅游示范区, 因此研究区的生态环境对于整个区域、湖北省乃至全国都具有重要价值。鄂西北自然资源十分丰富, 但受地形、气候等自然因素限制, 该地区水土流失严重, 沙化现象突出, 自然灾害频繁发生, 交通基础设施建设落后, 经济发展不均衡, 因此, 该地区亟需分析土地利用格局和生态系统服务价值变化。基于以上, 本文根据遥感、野外调查、统计资料等数据, 分析研究土地利用格局变化与生态系统服务价值变化的相关性, 并利用SPSS和GeoDa软件对生态系统服务价值时空变化的驱动因素进行多元回归分析和空间相关分析, 为鄂西北生态环境与社会经济发展提供科学依据和有力保障。

图1 研究区地理位置及行政区划

Figure 1 Location and zoning of study area

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区概况

鄂西北地区位于湖北省西北部, 介于东经109° 29′—113°43′,北纬31°14′—33°16′, 地处汉江中上游, 与河南、陕西、重庆相毗邻, 包括十堰市、襄阳市和神农架林区, 共15个县(市、区), 总面积约为46657平方公里(图1), 占湖北省土地面积的四分之一, 区域内的人口达到912.493万, 占湖北总人口的15.5%[18]。研究区属中纬度地区, 亚热带季风气候, 年平均气温在15℃左右, 年降水量800 mm左右, 年日照总时数约1900 h。研究区有秦岭、大巴山、荆山和武当山等山脉, 整个地势西高东低, 南北高中间低, 地形差异明显, 地貌类型多样, 海拔在90—3000 m之间。区域内水系众多, 纵横交错, 长江的最大支流汉江贯穿全境。鄂西北地区得天独厚的地理条件使得该区域蕴藏了丰富生物资源、矿产资源、水利资源, 也使其成为全国重要的生态功能区、水电基地, 三国文化之源和汉水文化核心区, 亦是湖北省重要的农产品基地和制造业基地, 区域的生态环境也得到了国家和当地政府的高度关注, “十三五”期间, 国家和湖北省将加大南水北调中线核心水源区及沿线生态走廊等区域生态保护力度, 强化流域生态建设。

1.2 研究方法

1.2.1 数据来源

研究区土地利用数据采用1990年、1995年、2000年、2005年、2010年和2015年6个时段的Landsat TM/ETM遥感影像, 基于ENVI4.0软件对遥感影像进行图像拼接、几何校正、裁剪、融合和增强等预处理, 再根据ISODATD算法的非监督分类处理, 结合研究区域1:100万地形图、土壤和植被专题图, 根据研究区现状和LUCC分类体系, 将研究区土地利用类型划分为耕地、林地、草地、水体、建设用地、未利用地6种一级类型(图2), 二级分类中将林地分为阔叶林、针叶林、针阔混交林, 耕地分为水田和旱地, 对每期数据进行精度检验, 最后精度分别达到80%以上, 满足研究对土地利用分类数据的精度要求; 社会经济数据来自于1990—2016年湖北省年鉴等。

1.2.2 土地利用变化特征

本文采用单一土地利用类型变化动态度和综合土地利用类型动态度阐述鄂西北土地利用动态变化。

综合土地利用动态度公式:

Figure 2 Land use type in study area

式中,LU监测起始时间第类土地利用类型的面积(hm2);LU为监测时段内第i类土地利用类型转为非类土地利用类型面积的绝对值;为监测时段长度。当的时段设定为年时,的值就是该研究区土地利用年变化率[19]。

景观格局指数是定量描述景观格局演变及其对生态过程影响的重要方法[20], 根据研究区的实际情况, 结合各指标的表征作用[21], 借助Fragstats 4.2软件进行景观格局分析。本文选取表征景观格局破碎度的指标斑块密度(PD)、表征景观形状的指标边缘面积分维数(PAFRAC)、表征景观聚集分散程度的指标散布与并列指数(IJI)、表征景观连通性的指标蔓延度指数(CONTAG)及表征景观类型丰富度的指标香农多样性指数(SHDI), 分析鄂西北地区景观水平的变化以及这些指数对研究区生态系统服务价值的影响。

1.2.3 生态系统服务价值评估

本文结合谢高地等[22–23]的价值当量换算方法确定鄂西北地区生态系统服务价值(ESV), 将单位面积农田生态系统粮食生产的净利润当作1个标准当量因子的生态系统服务价值量, 为消除价格波动对价值量的影响, 本文选取2010年的全国和鄂西北地区的单位面积粮食产量为基础数据。鄂西北2010年的单位面积粮食产量为6119.88 kg·hm-2[24], 同期的全国单位面积粮食产量为4974.00 kg·hm-2, 根据谢高地[23]等研究, 中国2010年1个生态系统价值当量的经济价值为3406.50元·hm-2, 以此对生态系统服务当量价值进行系数修订, 研究区的修正系数为1.23, 即鄂西北地区的一个生态系统服务功能当量为4190.00元·hm-2。结合全国和鄂西北地区的粮食产量进行修正, 得到生态系统服务功能价值的评估公式:

式中,表示研究区的生态系统的总服务价值(元);A表示研究区第种土地利用类型的面积(hm2);VC表示第种土地利用类型的生态系统服务价值系数(元·hm-2);ESV表示生态系统第项服务功能的价值(元);VC表示研究区第种土地利用类型的第项生态系统服务价值系数(元·hm-2)。

1.2.4 相关性分析

结合鄂西北社会经济的现状及相关研究[25], 本文选取社会、经济和政策三个指标体系的20个因素(表1)进行主成分分析及相关性分析, 剔除存在共线性以及与生态系统服务无关的数据后, 筛选出ESV时空变化差异的影响较大的驱动因素进行回归分析, 选取人均国内生产总值(人均GDP)、人口密度和城镇化率三个指标进行空间相关性分析[26–27]。利用等级相关系数法计算景观格局指数与生态系统服务价值的相关性[28–29]。

2 结果与分析

2.1 鄂西北地区土地利用变化特征

1990—2015年间, 耕地面积呈逐年减少的趋势, 林地面积小幅增加, 草地呈“快速增加—快速减少—缓慢增加—缓慢减少”的变化。研究区作为南水北调中线工程重要水源涵养区, 水体保持良好。建设用地的活跃度较高, 25年间, 建设用地的面积始终呈增加趋势, 面积增加59800 hm2, 增幅为36.44%, 其中由森林、草地和水体三种景观转变为建设用地的面积为22193.71 hm2, 耕地和林地的活跃度最低。耕地在研究区西南部面积减少速度较快; 林地和建设用地在中部地区面积增加速度较快; 草地在大部分市县有所减少, 神农架林区减少速度最快; 水体在中部地区面积减少速度较快; 未利用地在西北部面积增加速度较快, 在东南部面积减少速度较快。1990—2015年间, 研究区土地利用综合动态度的变化趋势为“缓慢增加—缓慢下降—缓慢增加”, 整体而言, 研究区内各土地利用类型变化幅度较小, 土地利用活跃度低(表2)。

表1 生态系统服务价值演变驱动力指标体系

2.2 鄂西北地区景观格局变化特征

1990—2015年鄂西北地区景观结构的变化见表3, 可以看出, 斑块密度升高, 景观多样性指数呈“升—降—升”的趋势, 破碎度和异质性持续增加; 周长面积分维数呈先增后减的变化; 散布与并列指数呈“升—降—升”的趋势; 蔓延度指数则呈现相反的变化趋势。结果表明, 不同时期, 人类对土地利用类型开发活动影响不同, 研究区的景观格局发生了不同程度的改变, 1995年相较于1990年, 优势斑块耕地的连通性下降, 各土地类型面积比差异减小, 邻接概率增加, 各土地类型趋于均衡分布; 2000年, 耕地面积增加, 其景观优势度增大, 除建设用地外, 其他类型用地面积缩减, 景观整体形状相对复杂化; 2001年开始, 鄂西北地区全面实施退耕还林政策, 耕地面积小幅下降, 区域内南水北调工程及其他水利工程的实施, 使得较小面积的水体汇聚于大面积水体, 同时, 建设用地面积持续增加, 但由于地形限制, 建设用地分布松散, 因此, 景观破碎度持续增加, 景观趋于均匀分布, 异质性增加, 小斑块景观逐渐凝聚, 景观整体形状相对规则化。

1990—2015年各市县的景观格局变化见图3, 分维数除竹山县外, 其他市县均有所增加, 其中神农架林区、谷城县的增幅较大, 景观形状趋于复杂。散布与并列指数在老河口市、枣阳市、宜城市有所上升, 在其他市县均呈现不同程度的减少。蔓延度指数在老河口市、枣阳市、神农架林区、竹溪县有所下降, 在其他市县呈现相反的变化。多样性指数除竹山县外, 在其他市县均呈增加态势, 南部地区增幅较大。总体来看, 研究区受人类活动影响, 较大斑块被割裂, 较小的斑块增加, 造成斑块形状趋于复杂不规则化, 景观优势度降低, 同质斑块在空间上趋于集聚, 整体的多样性有所增加。

2.3 鄂西北地区生态系统服务价值的时空变化特征

研究区生态系统服务价值(ESV)在研究期间呈“增加—减少—增加—减少—增加”的变化, 25年间增值23.51×108元, 增幅1.02%, 在2000—2005年增值最大, 增幅3.28%, 在1995—2000年缩减最多, 减幅4.61%, 其变化趋势与水体面积的变化趋势一致, 水体面积的增幅明显, 且水体具有较高的生态价值, 支持着研究区生态系统服务价值, 使得小幅增加。研究期间, 鄂西北地区建设用地需求持续增加, 并向四周扩散, 一部分生态用地转变为城镇、工矿、交通干道等基础设施用地, 同时生态用地间的相互转移是造成生态系统服务价值波动变化的主要原因。

表2 1990-2015年鄂西北土地利用景观类型动态度 (%)

表3 鄂西北景观格局指数变化

由表4可知, 研究区内的各土地利用类型在各年提供的生态系统服务价值中, 林地、草地的ESV值较高, 二者对生态系统服务价值的贡献率较大, 草地提供的ESV值在1990年、1995年最高, 而林地的ESV值则在其余各年为最高值。耕地和水体的ESV值相差不大, 耕地的ESV值在1995年、2005—2010年略低于水体的ESV值。未利用地在各年提供的ESV值均为最低值。1995—2015年耕地、草地、未利用地所提供的ESV值均有所下降; 林地、水体所提供的ESV值增加。

1990—2015年研究区内的各项生态系统服务价值的变化规律相同(表5), 一级分类为: 调节服务>支持服务>供给服务>文化服务, 调节服务最为突出, 占ESV总值的62%以上。二级分类分布规律均为: 水文调节>气候调节>土壤保持>气体调节>生物多样性保护>食物生产>美化景观>原料生产>水资源供给>维持养分, 水文调节功能最为突出, 其占总价值的26%左右, 其变化与水体面积变化趋势一致; 其次为气候调节, 其在总价值中占比为20%左右, 受林地、草地面积影响, 25年间略有下降; 维持养分的功能价值最低, 占总价值的1.10%左右, 呈先增后减的变化趋势。

图3 鄂西北各市县年景观指数的空间变化

Figure 3 Landscape index change in each district and county of Exibei region

表4 1990-2015年鄂西北生态系统服务价值(ESV)变化

表5 1990-2015年鄂西北各项生态系统服务功能价值 (×108元)

2.4 鄂西北地区生态系统服务价值与景观格局变化的相关性分析

景观格局的改变对生态系统的组成、结构及生态过程产生重要作用, 进而影响着生态系统服务价值。景观格局与生态系统服务价值的相关性系数见表6, 鄂西北地区的生态服务总价值与多样性指数正相关性较大, 与蔓延度负相关性较大。斑块密度、散布与并列指数与原料生产、气体调节、土壤保持、维持养分呈显著负相关, 分维数与各功能呈负相关性。多样性指数则与食物生产呈极强负相关。研究区内建设用地的扩张使得各景观类型被分割, 破碎化程度加剧, 生态保护政策的实施和各项土地制度的确立促进景观类型的多样化、均衡化, 优势斑块的连通性降低, 使得生态系统服务总价值的增加, 同时有益于水资源供给、水文调节功能价值的增加, 但削弱了食物生产、气候调节、净化环境、维持生物多样性、美学景观等功能价值增加。1990—2015年研究区内耕地面积减少, 优势斑块的连通性下降, 形成各土地类型趋于均匀分布、密集的结构, 促进了生态服务价值高的土地类型在空间上的凝聚。

表6 景观格局与生态系统服务价值相关性系数

2.5 鄂西北地区生态系统服务价值时空差异驱动因素分析

本文选取社会、经济、政策三个方面指标与ESV进行相关性分析和主成分分析, 剔除对其影响较小且不显著的相关性因素, 选取9个关键因素进行回归分析, 得到生态系统服务价值与各因素之间的回归方程, 拟合度达到1, 拟合效果极好。

式中,: 生态系统服务价值(亿元);X: 工业总产值(亿元);X: 人口密度(人·km-2);X: 城镇化率(%)。

通过多元回归分析可知, 鄂西北地区生态系统服务价值的变化受到以上三个因素的影响, 人口密度、城镇化率越高, 生态系统服务价值越低, 从土地利用面积变化分析, 土地承载人口的压力的增大、工业结构的改革和规模的扩张对于建设用地的需求增加, 势必征占易被利用的生态用地, 如部分耕地, 同时区域内土地规划战略、生态工程的实施对土地利用的规模布局、集约利用以及土地利用类型间的相互转移产生影响, 导致区域的经济、生态结构改变, 从而导致生态系统服务价值发生变化。

2.6 鄂西北地区社会经济因素与生态系统服务价值空间相关性分析

根据回归分析结果结合数据统计选取鄂西北各县市表征社会经济的三个因素与生态系统服务价值变化率进行空间相关性分析。局部分析结果(图4)显示, 鄂西北地区在研究时段内社会经济数据与生态系统服务在空间上的分布差异较大, 在ESV变化和人口密度变化相关性中, 竹溪县呈低-低相关, 而神农架林区生态环境保护良好, ESV增加, 且林区人口较少, 因此神农架林区呈现高-低相关, 其余市县表现为不显著。ESV与人均GDP变化相关性中, 宜城市呈现低-高相关, 其他市县无明显的显著集聚。在ESV变化和城市化率变化相关性中, 保康县呈现低-低相关, 房县呈现低-高相关。研究区内人口多的地区经济发展水平一般, 对土地利用开发程度较低, 一定程度上保护了生态环境, 此外研究区植被资源丰富, 地形差异较大, 限制了人为活动范围, 生态环境未遭到严重破坏, 故鄂西北地区在研究时段内社会经济因素与生态系统服务在空间上的分布差异较大。

4 讨论与结论

本文基于6期土地利用数据, 对鄂西北地区土地利用格局及生态系统服务价值进行分析, 得出如下结论: (1)耕地、林地、草地是研究区内的主要土地利用类型。1990—2015年间, 林地、水体、建设用地总体呈上升趋势, 各类型变化幅度较小, 土地利用活跃度低; 受人类活动影响, 研究区景观格局指数变化明显, 破碎度加剧, 斑块形状趋于复杂。(2)研究区生态服务价值呈上升趋势。其中调节服务的上升最为明显。(3)生态系统服务价值与景观格局指数均有相关性。(4)影响生态系统服务价值时空差异的主要人为因素包括城镇化率、工业总产值、人口密度, 社会经济因素与生态系统服务价值在空间分布上具有极高的显著性。

图4 鄂西北地区生态系统服务价值与社会经济空间相关性

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

本文通过修正当量因子系数得到鄂西北地区生态系统服务价值的结果较为准确可靠。生态系统服务价值受自然、人为的双重限制。生态系统服务价值差异变化在短期内主要由人为因素造成, 本文选取人口、经济、政策三个方面社会经济指标与ESV进行相关性分析和主成分分析, 剔除对其影响较小且不显著的相关性因素后进行多元回归分析, 得到生态系统服务价值的回归方程, 拟合度高, 驱动因素分析较为准确, 在此基础上对关键驱动因素进行空间相关性分析, 能够清楚鄂西北地区ESV受社会经济因素影响的空间分布, 为促进鄂西北地区经济—社会—自然的可持续发展提供理论依据。

研究表明, 随着鄂西北地区城镇化的加速, 研究区人口增多, 第二、三产业规模增加, 建设用地需求旺盛, 城镇、工矿和其他独立建设用地主要沿交通干线分布, 农村居民点受研究区特定地理条件限制, 依山就势往往择平地而建, 布局分散不规则, 此外由于建设用地区与粮油耕作区分布在空间上表现出高度的一致性, 使得建设用地的扩展占用了部分耕地特别是基本农田, 而林地、水体受人类活动、政策调控等影响处于稳定扩展中, 导致研究区内最具优势的耕地景观的连通性下降, 各土地类型面积比例差异减小, 同质斑块聚集程度增加。因此, 研究区应继续实施相应生态保护政策, 维持并加强其生态功能, 在保障粮食安全的基础上, 适当地调整农业产值结构, 推进建设用地的整治, 实现建设用地集约化发展缓解供需矛盾, 合理利用土地资源, 在保护现有林地、水体资源的基础上, 依据鄂西北地区丰富的生态、文化资源因地制宜发展生态旅游经济, 统筹区域经济社会的绿色发展。

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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

科技部重点研发计划课题 (2017YFC0505601)

于倩茹(1996—), 女, 内蒙古赤峰市, 硕士研究生, 主要从事景观生态学研究, E-mail: yuqr1996@163.com

郭泺, 女, 教授, 主要从事景观生态学研究, E-mail: guoluo@muc.edu.cn

于倩茹, 徐煖银, 孙思琦, 等. 鄂西北地区土地利用格局及其生态系统服务价值的时空变化[J]. 生态科学, 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.