石首市生态系统服务价值变化对景观格局演变的响应*

张学文 郭晓华

长江大学园艺园林学院 湖北荆州 434000

党的十八大以来,生态保护建设成为统筹推进“五位一体”总体布局和协调推进“四个全面”战略布局的重要内容,推动绿色生态发展理念深入人心[1]。城市生态系统是社会—经济—自然的复合型生态系统,探究其景观格局演变及对生态系统服务价值变化的影响,有助于解析城市生态环境保护发展历程,提高城市生态系统稳定性和可持续性。

景观格局演变必将影响生态系统服务价值。国内外景观格局演变研究主要集中于景观格局特征及动态变化[2-4],景观格局演变的生态环境效应[5-7]、驱动机制以及格局优化[8-11]。生态系统服务价值在国外研究起步较早,主要集中在社会环境变化对生态系统服务的影响和相关性分析[12-14]以及生态系统服务价值空间化[15]。近年来,在生态学专家谢高地等[16-19]的研究基础上,国内学者开始进行景观格局演变及生态系统服务价值变化响应研究[20],研究对象主要集中在不同生态系统或不同空间尺度,但对城市尺度的研究较少,这不利于城市生态建设实践的评价与指导。

本文以湖北石首市为研究对象,运用景观格局演变分析、生态系统服务价值评价和相关性分析,研究1986—2016年生态系统服务价值变化对景观格局演变的响应关系,为城市生态保护建设和绿色生态发展提供参考。

1 研究区概况

石首市地处湖北省荆州市南部,属亚热带季风气候,长江横穿市域,域内分布有长江故道、麋鹿国家级自然生态保护区、长江白暨豚国家级自然保护区和大量野生动物栖息地。在城市发展中,为提升城市整体生态环境,保持动物栖息地生境,石首市非常重视保护自然环境,是注重生态建设的典型城市。

2 研究方法

2.1 数据来源

遥感影像数据来自地理空间数据云平台收录Landsat系列卫星；粮食价格及产量数据来自《2013年荆州市统计年鉴》和《2017年荆州市统计年鉴》；历史发展、相关政策以及自然灾害的记录来自地方统计年鉴和政府门户网站。

2.2 景观格局演变分析

1)景观类型遥感解译。以石首市1986(TM)、2001(TM)、2016(OLI)3期遥感影像图为数据,结合荆州市土地利用总体规划大纲,利用ENVI5.3平台,对影像图进行监督分类处理,确定各时期景观类型。

2)土地利用转移矩阵。利用GIS对解译数据进行土地利用转移矩阵处理,得到1986—2001年、2001—2016年、1986—2016年的土地利用转移图。

3)景观格局指数。从斑块水平和景观水平选取2类9个景观格局指数,分别为:面积-边缘指标,包括最大斑块占景观面积比例(LPI)、聚集指数(AI)、板块数量(NP)、斑块密度(PD)、边缘密度(ED)、斑块平均大小(AREA-MN)；聚集度与多样性指标,包括蔓延度指数(CONTAG)、香浓多样性指标(SHDI)、香浓均匀度指数(SHEI)。

2.3 生态系统服务价值评价

生态系统服务价值(ESV)评估能够为生态环境保护、生态功能划分和生态补偿决策等环境优化措施提供重要依据[21]。本文采取当量因子法对石首市ESV进行计算。根据Costanza[12]、谢高地等[19]对ESV当量因子法计算公式的提出和优化,确定计算公式如式(1)至式(3):

式(1)至式(3)中:VCk为单个当量因子生态服务价值量(元/hm2·a)；P为石首市粮食价格(元/kg)；Q为平均粮食产量(kg/hm2)；n为研究年数；ESVf为单项生态服务价值；VCfk是单项服务功能价值系数；ESV为总生态服务价值；Ak为第k种景观类型的面积。

根据《荆州市统计年鉴》,得到近年石首市粮食作物产量为5 051.69 kg/hm2；依据2016年新华社发布的湖北省中晚稻收购价格标准,得到粮食平均价格为2.76元/kg；根据我国粮食生产的生态服务价值研究[18]获得湖北省的农田生态系统生物量因子为1.27；最终得到石首市的生态服务价值当量因子为1 991.81元/(hm2·a)。

景观类型与中国生态系统服务价值当量表[17]对应:旱田与水田参照旱地与水田；林地参照针阔混交、阔叶与灌木；草地参照灌草丛与草甸；河流和湖泊参照水系；裸地参照裸地。将建设用地的水文调节、土壤保持、维持养分循环当量因子设为-7.55、3.93、-2.46[21],得到石首市各景观类型生态服务价值系数(表1)。

2.4 相关性分析

利用SPSS对景观格局指数与生态系统服务价值进行相关性分析,得到石首市生态系统服务价值对景观格局变化的响应关系。

3 结果与分析

3.1 总体景观变化

由图1和表2可知,1986—2016年石首市各景观类型面积变化较大。绿地(草地、林地)的总面积在整体景观中的占比远超其他景观类型,是石首市的优势景观。草地类型净变量最大,主要分布在长江沿岸和南部山区。建设用地和裸地的净变量排在二、三位,主要分布在长江港口附近,沿道路呈扩张趋势。裸地变化率最高,表明城市发展过程中产生了大量未充分利用地。耕地(旱田、田面)积减少,符合城市发展规律。水体(河流、湖泊)面积减少,部分河道变为湖泊。

图1 石首市景观类型分布

表2 石首市不同年份各景观类型面积

3.2 用地变化

由图2、表3和表4可知:第1阶段(1986—2001年)草地面积大量增加,主要由耕地和林地转入,在长江沿岸和南部山区增长,这是由农田弃耕、城市发展以及自然灾害对生态系统的破坏所致；第2阶段(2001—2016年)林地面积增加,主要由草地、旱田和裸地转入,在长江沿岸增长,主要受河道治理、河岸生态建设和退耕还林等政策影响。

表3 石首市各景观类型面积动态变化(1986—2016年)

表4 石首市景观利用转移矩阵(1986—2016年)

图2 石首市土地利用转移矩阵

建设用地和裸地在第1阶段大量增加,从港口向内陆无序扩张导致大量绿地和耕地流失,据《石首市统计年鉴》记载,1998年长江特大洪水导致裸地在江北平原大面积增加；第2阶段建设用地增长速度降低,裸地面积减少,可见石首市城市化的脚步放缓,更注重城市发展规划。

第1阶段耕地(旱田、水田)面积大量减少,水田主要由弃耕和城市建设导致面积减少；第2阶段旱田大幅增加,主要在江北平原,这是因为生态恢复和复耕使被毁的耕地恢复耕作能力。

水系(河流、湖泊)方面,第1阶段面积都减少,主要流向草地和裸地,说明洪水虽对生境造成破坏,但也为新生境的形成提供基底；第2阶段河流面积进一步减少,湖泊面积显著增加,水土保持初见成效。

3.3 景观格局指数变化

1)整体景观。由表5可知,1986—2016年石首市整体景观格局指数发生了显著变化,包括整体景观的斑块数量大量增加、密度略微增加、平均斑块面积减小、整体景观破碎度上升、大块斑块被分割。其主要原因是城市建设中大量廊道的增加对景观斑块产生了分割,同时城市沿道路扩张也产生了景观干扰。AREA_MN值减小验证景观破碎度的上升；AI值下降说明斑块类型分布较离散,空间连通性降低；CONTAG值在1986—2001年减少且远离100,证明石首市景观逐渐演变为多种要素的密集格局；SHDI值和SHEI值不断上升,证明整体景观的土地利用类型丰富,生物多样性随之增长,景观各类型均匀分布。

表5 石首市景观格局指数变化(1986—2016年)

2)景观类型。由表5可知:草地景观破碎度增加、异质性增加、连通度减小,说明受到城市廊道建设、住宅扩张和土地复耕影响较大；耕地景观破碎度增加、连通度减小,但因为被大量廊道分割,所以边缘密度并未增加；林地景观的连通性不断增加,虽受洪水侵袭影响大,但其恢复性强,稳定性较强；河流景观格局指数产生较大波动,易受干扰影响,抗性差,但恢复性较强；湖泊景观格局指数变化表明湖泊破碎度增加,复杂性提升；建设用地指数值全部增加,表明建设用地破碎度、复杂性升高的同时,连通度也在提升,也证明在发展后期建设用地的规划较为合理,城市沿网格状道路有序扩展。

3.4 生态系统服务价值变化

3.4.1 生态系统服务总价值变化

由表6可知,研究期内石首市ESV呈现先减少、后增加,整体呈减少的趋势。从不同景观类型来看,水系ESV对石首市ESV起到支撑作用；草地和林地ESV对整体ESV增长贡献率最大。

表6 石首市ESV构成特征(1986—2016年)

第1阶段ESV下降的主要原因有洪水破坏、水土流失、城市快速无序扩张和耕地弃耕；第2阶段ESV增加的主要原因有自然生态系统的恢复、城市有规划有节制的扩展、土地复耕、水土保持稳步提升、草地和林地的上升。

3.4.2 生态系统各功能的服务价值变化

由表7可知,水文调节服务类型价值占比一直排在所有服务类型的首位,且价值远大于其他功能类型,是石首市生态系统的主导功能。

从生态系统单项服务价值(表7)来看,水资源供给、气候调节、净化环境、土壤保持、生物多样性和美学景观的ESV在30年间持续增加,其中土壤保持的增量最大,气候调节其次,主要是由林地和草地的面积持续增加所致。维持养分循环的ESV在30年间持续减少,主要由建设用地面积增加所致。食物生产、气体调节、水文调节在30年期间内ESV先减少、后增加、整体减少,其中水文调节减少量最大,这主要是由水系面积减少所致。

表7 石首市不同服务功能价值变化(1986—2016年)

水文调节作为石首市生态系统主导功能,展现出较强的稳定性,加之水资源供给、气候调节、生物多样性等服务价值的持续上涨,最终使石首市整体ESV值在下跌后能够恢复。这是石首市政府注重生态环境保护,控制城市有序扩张的结果,也体现了石首市整体景观的稳定性。

3.5 生态系统服务价值对景观格局演变的响应

由表8可知,ESV与部分景观格局指数有强烈相关性,与AI、NP和AREA_MN极显著正相关,与PD和ED极显著负相关。说明当石首市各景观间自然连通度增强、异质性提升、斑块面积不断扩大、斑块密度降低时有利于ESV值的增加。

表8 石首市景观格局指数与ESV相关性分析

研究期内石首市景观演变过程与ESV响应变化符合这一相关性。第1阶段景观格局的连通度降低、斑块破碎度升高、密度升高、平均斑块面积减小、ESV值降低,当第2阶段景观格局逐步恢复,河流、林地的空间连通性增强,整体景观异质性提升,林地和草地斑块面积扩张,密度降低,ESV值也逐步回升。

4 讨论与结论

4.1 讨论

研究期间,第1阶段石首市经历了城市无序扩张、绿地过度开发、人口降低、农田弃耕、水土流失、景观格局受到干扰,进入非稳定状态,ESV下降。第2阶段城市有序发展,实施退耕还林、植树造林、水土保持等措施,景观格局稳定恢复,ESV回升。ESV对河流、林地的连通性加增强,异质性提升,草地和林地斑块面积扩张和密度降低等景观格局演变产生正向变化响应。

本研究中水系对区域生态系统服务价值起到支撑作用,这与胡金龙等[5]对漓江流域和杨强强等[22]对青戈江流域的研究结果一致,证明大面积水系的景观演变会对区域内生态系统服务价值变化产生巨大影响。但与赵育恒等[9]对武汉市的研究结果存在较大差异,长江流经武汉市与石首市域内,但两座城市的城市化进程差异较大,说明城市发展到达一定程度后将极大影响生态系统服务价值。未来石首市在发展中应当注重城市有序扩张,加强河道治理、植树造林、涵养水土,才能建设好城市生态系统,促进生态系统服务价值提升,实现绿色生态发展。

4.2 结论

1)1986—2016年石首市景观格局变化剧烈。林地、草地、湖泊、裸地和建设用地面积增加,旱田、水田和河流的面积减少；景观破碎度升高,空间连通性略降低,景观异质性提升,土地利用类型逐渐丰富,各类型均匀分布；ESV总量先下降,后上升,整体减少。

2)草地和林地是石首市主要生态景观类型,也是ESV回升的主导景观类型,具有较强的恢复性和稳定性。水系为整体景观ESV提供支撑,水文调节、气候调节等ESV功能结构占比大,但易受干扰影响,稳定性较差。水土流失是导致石首市ESV降低的主要原因。

3)ESV值与景观格局指数间存在较强相关性。当石首市各景观间自然连通度增强、异质性提升、斑块面积不断扩大、斑块密度降低时有利于ESV值的增加。