赣南地区景观格局变化及其对生态系统服务价值的影响

郑博福,黄琼瑶,陶 林,谢泽阳,艾 彪,朱元皓,朱锦奇,*

1 南昌大学资源环境与化工学院,鄱阳湖环境与资源利用教育部重点实验室, 南昌 330031 2 江西生态文明研究院, 南昌 330031 3 江西省吉安环境监测中心,吉安 343000

南方丘陵山地带是长江流域与珠江流域的分水岭及源头区,对人类干扰具有一定的缓冲能力,为区域提供气体调节、气候调节、水土调节等生态系统服务[1-3]。但建设用地无序扩张、交通道路网延伸、林地、耕地面积占用等人为干扰[4],使得各类景观被分隔,形状复杂、破碎增强,引起土地利用景观格局的变化[5-8],影响了景观格局中的物质循环、能量流动[9],一系列的生态环境问题也随之出现,如土地退化、水土流失、生态恶化等[10],对生态系统服务功能产生影响。因此研究景观格局变化对生态系统服务价值的影响对在人为干扰背景下如何保持相对高的生态系统服务能力具有重要的现实意义。

景观尺度已被广泛用于定量研究景观格局及其变化。例如,Liu等[11]利用景观度量来研究土地利用变化的规模、格局和性质；Su等[12]利用景观度量分析了农业景观对城镇化的不同响应；Kane等[13]基于景观面积、破碎化、形状复杂性和多样性分析了城市扩张。但是,景观格局的变化在空间上具有异质性,不同土地利用类型会导致景观格局的不同变化,对生态系统服务产生不同的影响。例如,葛静等[14]以临汾市为例对土地利用变化格局及生态系统服务价值进行了分析,发现土地类型发展不均衡,提升了生态服务能力；陈希等[15]对湘江流域 30年间的景观格局变化及生态系统服务价值响应进行了研究,得出景观破碎化加剧,降低了生态系统服务能力；顾泽贤等[16]对澜沧县进行研究得到景观异质性降低,提升了生态系统服务能力。

赣南地区属于典型的南方山地丘陵区,生态系统结构和功能健康完整,生态系统服务功能良好。随着社会经济快速发展,特别是快速城镇化、特色林果业扩张等人类活动,对该地区的景观格局产生了显著影响,进而导致生态系统服务能力发生明显变化。本文基于Fragstats 4.2软件和生态系统服务价值当量因子表,研究了2000—2018年赣南地区景观格局和生态系统服务价值变化,揭示了该区域景观格局指数与生态系统服务价值的相关性,进一步提出区域生态系统服务价值的提升策略,为区域土地利用空间格局合理布局、生态系统服务能力提升提供依据,进一步丰富了丘陵山地生态系统服务研究,对科学管理生态系统、区域的可持续发展具有重要意义。

1 研究区概况

赣南地区是江西省南部区域的地理简称,主要涵盖赣州市的18个县(市、区)(图1),地处江西省南部、赣江上游,位于113°54′—116°38′E,24°29′—27°09′N,总面积3.93×106hm2,占江西总面积的23.6%。该区域地形以山地、丘陵为主,占比达到全区总面积81%,平均海拔在300 m到500 m之间,为典型的山地丘陵区。该区属于亚热带季风气候,多年平均气温19.3℃,多年平均降水量1568.75 mm,水热充足,气候优越。森林资源丰富,森林覆盖率高达74.54%。

图1 研究区位图

2 材料与方法

2.1 数据来源与处理

本研究采用的数据来源于地理空间数据云,包括2000年、2010年、2018年3期Landsat TM/ETM遥感影像及DEM数据,分辨率均为30 m。基于ENVI 5.5软件对遥感影像进行辐射定标、大气校正、图像镶嵌、矢量边界裁剪、图像融合等预处理,利用监督分类中的最大似然方法,结合刘纪远等[17]提出的6个一级类型、24个二级类型和区域用地类型特征,将赣南地区土地利用景观类型分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地六大类,二级类型中耕地包括水田和旱地,林地包括阔叶林、针叶林、针阔混交林、灌木林,对每期遥感影像进行精度检验,解译精度均达到80%以上。

2.2 研究方法

2.2.1景观格局分析

不同景观要素在时空上的排列与组合称为景观格局[18],区域尺度上景观格局的变化主要表现为土地利用变化[19]。在Fragstats 4.2软件中计算景观格局指数,不同类型的景观格局指数反映了景观格局在不同水平上的演变以及景观结构的变化[20-21],根据研究区区域的景观格局特点和不同的表达方面选取了斑块数(Number of Patches, NP)、斑块密度(Patch Density,PD)、最大斑块指数(Largest Patch Index,LPI)、景观形状指数(Landscape Shape Index,LSI)、蔓延度(Contagion Index,CONTAG)、香农多样性指数(Shannon′s Diversity Index,SHDI)进行分析。

2.2.2生态系统服务价值估算

(1)生态系统服务价值系数

赣南地区的生态系统服务价值当量为3528.79 元/hm2[22],运用谢高地等[23-24]提出的当量因子表以及当量兑换价值方法得到赣南地区ESV单价表(表1)。其中,耕地与未利用地分别对应农田与荒漠,对于建设用地参考程飞等[25]西南丘陵山区城镇的研究成果。

表1 赣南地区各地类ESV单价/(元 hm-2 a-1)

(2)生态系统服务价值估算

据表1分别得到2000—2018年赣南地区总ESV、各景观用地类型ESV和单项服务功能价值,计算公式如下:

ESV总=∑ESVj

ESVj=Aj×VCj

ESVk=∑Aj×VCkj

式中, ESV总为总价值量,ESVj为第j种用地类型生态服务价值量,ESVk为第k项生态服务的价值量,Aj为第j种用地类型的面积,VCj为第j类用地类型单价,VCkj为第j种用地类型的第k项生态服务功能价值系数。

2.2.3生态系统服务价值与景观格局指数相关性检验

采用2000年、2010年和2018年3期遥感影像解译结果,通过SPSS中的Pearson相关系数、双尾T检验进行相关系数的显著性检验,得到ESV与景观指数之间的相关关系,以此反映研究区及其各县域景观格局指数对生态系统服务价值的影响。

3 结果与分析

3.1 2000—2018年赣南地区土地利用空间变化特征

2000—2018年期间,由赣南地区土地利用空间变化可知(图2),赣南地区主要的景观类型为林地,呈现比较均匀的分布,处于生态系统的主导地位,森林覆盖率高；其次为耕地,主要分布在西北部和东北部,面积向周边扩张后收缩；草地零星分布在耕地四周,面积收缩后扩张,证明2010年后退耕还林还草取得了良好的效果；建设用地主要分布在市区及县城,呈现出向四周扩张的趋势；水域空间分布基本保持稳定。

图2 2000—2018年赣南地区土地利用空间变化

3.2 不同景观类型面积动态变化

2000—2018年景观类型面积总体变化幅度较小(图3),林地一直为赣南地区优势景观类型,占总面积之比分别为75.10%、74.69%、73.97%；耕地为面积比重第二的景观类型,草地、水域、建设用地、未利用地景观类型所占面积比重少。未利用地面积变化不大,水域面积基本保持稳定状态,林地景观类型面积不断减小,建设用地景观类型面积持续上升。2000—2010年赣南地区建设用地面积由36713.52 hm2增长至45918.36 hm2,增长率为25.07%,变化不大,建设速度缓慢,而2010—2018年赣南地区建设用地面积从45918.36 hm2增加到81719.10 hm2,增长率高达77.97%,达到跨越式增长,人为活动剧烈。

图3 2000—2018年赣南地区景观类型面积变化

3.3 景观格局指数变化分析

从景观尺度景观格局指数变化情况来看(表2),NP反映整个景观的异质性,其值的大小与景观的破碎度有很好的正相关性。PD反映景观总体破碎化程度,斑块密度高表示景观异质性高。2000—2018年赣南地区NP、先减少后增加,表明赣南地区2000年开始进行城镇化建设,在原有旧建设地的四周附近建设了新区域,新旧建设用地连接,覆盖了建设用地原有的零散斑块,相比于2000年,2010年景观斑块数量有显著的减少。2010年后赣南地区退耕还林还草,耕地景观趋于集中,林地草地零散分布、占比大,使得景观斑块数有所增加。NP、PD分别净减少3059、0.07,总体呈下降趋势,对干扰蔓延的抵抗力低。LSI反映景观形状复杂程度和斑块分离程度,由124.79增加到129.44,平均变化量由0.318降到0.183,呈增长趋势,增长趋势减弱,表明景观形状复杂程度高、斑块分离程度大,有减弱趋势；SHDI能反映景观异质性及类型丰富度,呈增长趋势,平均变化量为0.05,表明景观异质性不断增高、景观类型多样化、各景观类型复杂,有增强趋势；LPI反映人类活动的方向和强弱,它的大小有助于确定优势景观类型,由37.86减少到36.24,递减趋势增强,说明优势景观类型分布缩小,人类干扰的强度增强；CONTAG反映不同斑块类型的团聚程度,值越大表明景观由少数团聚的大斑块组成,赣南地区2000、2010、2018年三年有着比较高的景观蔓延值,达到70以上,表明景观中优势斑块类型形成了比较良好的连接性,但由73.65降到72.15,呈递减趋势,递减趋势减弱,说明不同斑块类型邻接概率降低,有减弱趋势。

表2 2000—2018年赣南地区景观指数变化

3.4 不同景观的生态系统服务功能价值

赣南地区2000、2010、2018年生态系统服务价值总量分别为2560.97、2550.09、2523.54亿元,整体呈下降的趋势。耕地ESV在2000—2010年增加后在2010—2018年减少,总体上减少了1.75 亿元；草地ESV与耕地变化相反先增加后减少,总体上增加了1.57 亿元；林地和建设用地ESV逐年减少,减少趋势增强,水域和未利用地ESV变化不明显；2000—2018年,林地一直是提供研究区ESV最多的景观类型,其ESV变化影响着总价值的变化(图4)。2000—2018年,随着景观格局的改变,在生态系统服务类型中,赣南地区除了食物生产ESV先升高后降低外,其他服务功能价值量都逐年降低(图5)。

图4 2000—2018年赣南地区生态系统服务价值变化

图5 2000—2018年赣南地区各服务功能价值

3.5 不同景观类型对生态系统服务价值贡献率

从赣南地区不同时期六种景观类型对生态系统服务价值贡献率来看(图6),2000—2018年未利用地贡献率保持基本稳定,几乎趋近于零；相反地,林地贡献率一直保持最大值,达到80%以上。2000—2010年耕地贡献率最小,而2010—2018年草地贡献率最小。与2000—2010年比较,2010—2018年建设用地、水域、耕地贡献率显著增大,林地和草地贡献率减小明显。这表明,林地面积的减少是研究区ESV降低的主要原因,耕地与草地面积的增加是造成ESV增加的原因。

图6 赣南地区六种景观类型ESV贡献率

3.6 生态系统服务价值与景观格局指数相关性

由表3可知,在选择的5类景观指数中,总ESV与CONTAG呈正相关、与SHDI呈负相关,与PD、LPI、LSI相关关系不强,说明不同斑块类型团聚程度增加、类型斑块集聚化发展有利于总ESV的增加,而景观类型丰富、复杂程度越高也就是破碎化的增加会导致总ESV显著减少。水域生态系统服务总价值与LSI呈高度正相关,表明形状复杂、斑块分离有利于提高水域生态系统ESV；建设用地生态系统与CONTAG呈高度负相关,与SHDI呈高度正相关,说明建设用地分布分散、类型丰富复杂有利于建设用地ESV提高,进而有利于提高总ESV。CONTAG对提高气候调节、水源涵养和土壤形成与保护价值有重要的影响,提高SHDI使土壤形成与保护价值提高,而导致水源涵养价值的减少。

表3 赣南地区ESV与景观指数相关系数

3.7 相关系数空间维度的差异性

赣南地区CONTAG、SHDI与总ESV相关性显著,但这并不能反映空间上的显著性。根据各县景观格局指数与总ESV相关性结果进行空间制图反映空间上各指数与总ESV的相关关系(图7)。赣南地区整个区域SHDI与ESV极强相关；上犹县LPI与ESV中等程度相关,其他县域均呈极强相关；安远县CONTAG与ESV中等程度相关,其他县域均呈极强相关；石城县LSI与ESV弱相关,兴国县与ESV呈中等程度相关,赣州市区、龙南县与ESV呈强相关,其他县域均呈极强相关；上犹县、安远县、会昌县、石城县PD与ESV弱相关,全南县、龙南县与ESV呈强相关,信丰县、定南县、寻乌县与ESV呈极强相关,其他县域均呈中等程度相关。ESV与PD相关性极强区域主要分布在赣南地区的南部三个县为信丰县、定南县、寻乌县,ESV与LSI相关性极强区域主要分布在赣南地区的东部的多个县市。

图7 赣南地区ESV与景观指数相关系数空间变化

4 讨论

4.1 生态系统服务价值变化

赣南地区城镇化带来的建设用地面积扩大导致了该区ESV减少,这与邱剑南[26]和邹月等[27]研究结果一致。总体来看,2000—2018年赣南地区生态系统服务总价值减少37.43 亿元,林地面积的减少以及建设用地面积的增加是造成生态系统服务价值降低的主要原因,而草地和水域是维持生态系统服务价值增加的景观类型。林地大量转化为耕地,且生态价值系数相对较大,对生态系统服务价值贡献率最高,对生态系统服务价值起决定性作用。建设用地扩张来源于林地、耕地转化,生态价值系数为负加剧了生态系统服务价值的减少。森林覆盖率降低使得防止风沙、保土保肥、制氧、防洪蓄水、空气净化等生态功能减弱,因此显著减弱土壤形成与保护、气体调节、水源涵养、气候调节的价值。在生态系统各项服务中,土壤形成与保护对生态系统服务的价值贡献率最大,水源涵养生态服务价值减少量最大,共减少7.64 亿元,食物生产减少量最低。因此要保护林地、控制建设用地面积同时提高草地在建设用地的面积占比。

4.2 景观格局对生态系统服务价值影响

赣南地区在人为干扰影响下,ESV与SHDI呈负相关,与CONTAG呈正相关,这与邹月等[27]和顾泽贤等[16]研究结果一致。景观格局的变化不仅直接影响动植物的生存环境[28]和食物链流向[29-30],间接改变生态系统的基本功能,使得生态系统服务价值发生变化[15]；景观格局变化还影响景观指数的改变,由此影响生态系统服务价值量。NP、PD前期受城镇化进程加快影响下降明显,后期受退耕还林还草政策影响有小幅升高；LPI在林地优势景观类型的面积持续减小影响下不断降低,CONTAG不断减小主要是由于建设用地面积扩张、林地占用等人类活动干扰下破碎化程度的加剧；赣南地区在城镇化过程中,建设用地不断向外扩张,客家大道高架立交桥、创业路高架段、西站落客高架段、高铁新区道路、赣南大道快速路建设以及昌赣高铁、赣深铁路的加快建设,LSI增加,原本简单规则的景观形状变得复杂,SHDI增加,景观越破碎,使得ESV不断减小。据大多学者研究可见[16,27,31],不同地区景观格局有所差异,则景观格局指数对生态系统服务价值的影响也不同。对于赣南地区可通过增添树篱、灌木带、宽林带、河流廊道(河岸植被)等廊道连接生态系统,实现景观格局的优化调整,达到景观蔓延度指数的提高；增大林地优势景观类型的面积占比,降低整个区域香农多样性指数,注重水域景观形状指数提高；建设用地提高邻接概率,景观蔓延度指数降低,各类生态系统均一化,香农多样性指数提高,以此提高生态服务能力,改善生态环境。

5 结论

(1)2000—2018年赣南地区受人为干扰比较大。景观破碎化程度加剧、异质性升高、类型复杂程度增强,斑块聚集度减弱。

(2)2000—2018年赣南地区服务价值总量不断减少,林地对服务价值贡献率最大,除了食物生产先增加后减少外,其他各项生态系统服务功能价值均呈减少趋势。山地丘陵区保持现有林地优势、控制建设用地面积同时提高草地在建设用地的面积占比。

(3)赣南地区服务价值量与斑块类型团聚程度、土地景观类型复杂程度相关性显著,对景观异质性、优势类型斑块面积、景观形状复杂程度相关性偏弱。景观类型指数上注重提高水域LSI,建设用地降低CONTAG、提高SHDI,以提高区域生态服务价值,改善生态环境。

(4)对赣南地区县市区调整景观格局,改变景观类型上的LPI、CONTAG、SHDI、LSI指数来提高ESV。