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项目名称
- 国家自然科学基金"基于多源遥感数据的森林生物量估算与空间尺度转换研究"(41401500);中国博士后科学基金"煤矿区土地生态质量评价及变化机理研究"(2015M580629);中国博士后科学基金"基于遥感的矿区土地复垦质量评价"(2016M590679);河南省高等学校重点科研项目"典型煤矿区土地生态质量时空变化规律与机理研究"(16A420003,17A420001);河南省科技攻关项目"基于中原经济区建设的生态优先条件下土地资源优化配置"(142102310513);河南省高校科技创新团队支持计划"煤矿区土地整治与生态修复"(18IRTSTHN008)
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第一作者简介
- 王新闯(1979-), 男, 博士, 副教授。主要研究方向:3S技术及其在生态学中的应用。E-mail:wangxc_382@163.com
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通信作者简介
- 王世东(1978-), 男, 博士, 副教授。主要研究方向:土地复垦与生态修复。E-mail:wsd0908@163.com
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文章历史
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收稿日期:2017-01-11
修回日期:2017-11-20
近年来,随着经济社会迅速发展和人口急剧膨胀,区域生态环境问题越发严重。土地利用状况的恶化,改变了生态系统原有的景观格局,导致生态系统功能降低,景观格局演变及其生态响应成为景观生态学研究的热点[1-3]。
景观格局是指不同形状、大小和数量的景观斑块在空间上的排列状况,反映了各种生态过程在不同尺度上的作用结果,通常用不同的景观格局指数来描述对应尺度的景观格局[4-5]。通过对景观格局的动态分析,可以明确人类活动对区域生态环境造成的影响,发现景观格局演变的内在规律[6]。而生态系统服务价值是生态过程所形成的维持人类生存与发展的资源[7],其变化的实质就是景观格局演变的定量化反映[8]。生态系统服务价值变化能够有效地反映区域景观格局变化,因此,研究景观格局演变对生态系统服务价值的影响,对于了解区域生态环境变化,改善区域土地利用状况具有十分重要的现实意义[9]。
目前,国内外诸多学者已对各种尺度上的景观格局变化及其生态系统服务价值进行了研究,但对景观格局的研究,主要集中在景观格局变化及其驱动力分析方面。如阳文锐[10]对北京市景观格局时空变化及驱动力进行分析,佟光臣等[11]对南京市1986—2013年土地利用/覆被景观格局时空及驱动力进行分析。对生态系统服务价值研究,主要集中在单一生态系统的生态服务方面,如叶延琼等[12]对城市化背景下,广佛都市圈农林生态系统服务价值进行定量化评估,史洋洋等[13]对江苏沿海地区耕地利用转型及其生态系统服务价值变化响应进行研究,而将土地利用景观格局变化与生态系统服务价值变化进行耦合的研究相对较少。笔者以近年来土地利用景观格局发生显著变化的新郑市为研究区,依托新郑市2005、2010和2015年3期遥感影像,以景观生态学原理为基础,借助遥感和地理信息技术,对新郑市土地利用景观格局演变进行分析;同时,以谢高地等[14-17]的研究为基础,结合敏感性分析,定量分析新郑市土地利用景观格局演变的生态响应。研究成果可以为新郑市水土保持工程的生态效益提供科学评估,为土地利用总体规划提供科学参考。
1 研究区概况新郑市位于河南省中部(E 113°30′~113°54′,N 34°16′~34°39′),北靠郑州市,东邻中牟、尉氏,南连长葛、禹州市,西接新密市(图 1),南北长42 km,东西宽36 km,总面积873 km2。属豫西山区向豫东平原过度地带,市域西部和南部浅山连绵,丘陵起伏,沟壑纵横,海拔多在200 m以上,属豫西山区范畴;东部为黄河古阶地,岗洼相间,地势较平缓,海拔一般为100~150 m之间,属黄淮海平原一隅。属暖温带大陆性季风气候,冬季寒冷干燥,春季冷暖多变,夏季炎热多雨,秋季冷暖适中。境内地形多样,地貌多姿,分为平原区、丘陵区和沙岗区3种不同的生态区,素有“河南缩影”之称。
以2005、2010和2015年3期landsat遥感影像为基础数据源,利用ENVI 5.1软件,对遥感影像作几何校正、融合和裁剪等预处理后,采用支持向量机(SVM)的监督分类方法,对上述遥感影像进行分类(图 2)。参考《土地利用现状分类》国家标准,结合遥感图像分辨率和研究区实际情况,将研究区土地利用景观类型划分为耕地、林地、建设用地、水域和草地。最后对分类结果进行精度验证,总体分类精度均在90%以上,满足研究对土地利用分类数据的精度要求[18]。
景观格局指数是指能够高度浓缩景观格局信息,反映其结构组成和空间分布特征的简单定量指标,是对景观的大小、形状等特征的定量描述[19-20]。这些景观指数能从不同角度描述景观格局及变化,进而建立景观格局与过程之间的联系,更好地解译景观功能[21]。笔者综合考虑研究目的和研究区特色,从斑块类型水平上,选择了斑块面积、面积百分比、斑块密度(PD)、斑块分维数(FRACT)、最大斑块指数(LPI)和分离度指数(DIVISION)等6个景观指数,用来分析各景观类型格局变化;从景观水平上,选择了香农多样性指数(SHDI)、香农均匀度指数(SHEI)、优势度指数(LDI)和破碎度指数(LFI)等4个景观指数,来分析整体景观格局变化。以3个时期的土地利用景观类型数据为基础,利用景观格局分析软件FRAGSTATS4.2和数据库软件EXCEL,进行景观指数计算。
2.2.2 生态服务价值测算谢高地等[14]在Costanza提出的生态服务价值(ESV)估算原理及方法的基础上,综合中国700位专业人士的生态问卷调查结果,得出适合于中国的生态系统服务价值评估体系。笔者在前人研究结果的基础上,结合新郑市土地利用状况,求得新郑市2000—2015年3期生态系统服务价值量,具体实现过程如下。
1) 参考谢高地等[15]研究成果,结合新郑市生态环境特点,将新郑市生态系统服务功能确定为食物生产、原材料生产、气体调节、气候调节、水文调节、废物处理、保持土壤、维持生物多样性和提供美学景观等9种服务功能。
2) 根据谢高地等[16]研究成果,1个标准当量因子的生态服务价值量,等于1 hm2全国平均产量的农田每年自然粮食产量的经济价值,即单位面积农田生态系统粮食生产的净利润。由李超等[22]研究可知,2005年全国平均粮食生产的单位面积净利润为449.1元/hm2,结合2006年《河南省统计年鉴》相关数据,得知2005年河南省平均粮食产量为5 006 kg/hm2。又查知当年全国平均粮食产量为5 896 kg/hm2,据此,对全国生态系统服务价值当量因子的价值进行系数修正,计算得到河南省生态系统服务价值当量因子的价值为381.3元/hm2,即新郑市1个标准当量因子的价值为381.3元/hm2。
3) 根据公式,陆地生态系统单位面积生态服务价值系数=单个当量价值×当量数,借助谢高地的中国生态系统单位面积生态服务价值当量表,并参考谢高地等[17]制定的我国不同省份的农田生态系统生物量因子表,对中国生态系统服务价值当量系数进行区域修正(河南省的修正系数为1.39),得到新郑市生态系统单位面积生态服务价值当量表。将新郑市单个当量价值与其生态系统单位面积生态服务价值当量表相乘,即可得到新郑市不同景观类型的单位面积生态服务价值系数(表 1)。其中,笔者划分的景观类型,对照文献中生态服务价值当量的关系为:耕地对应农田,林地对应森林,建设用地对应荒漠,水域对应河流湖泊,以及草地对应草地。
4) 利用R. Costanza等[23]的生态服务价值分析模型,计算出各时期的新郑市各景观类型的生态服务价值及生态服务总价值。其计算公式为
$ {\rm{ESV = }}\sum\limits_{k = 1}^n {\left( {{C_k} \times {A_k}} \right)}。$ | (1) |
式中:ESV为研究区生态服务总价值,元;n为景观类型的数量;Ck为第k类景观类型的单位面积生态服务价值系数,元/hm2;Ak为第k类景观类型的面积,hm2。
2.2.3 生态系统服务价值损益计算以新郑市景观类型转移矩阵为基础,运用生态系统服务价值损益计算公式,快速实现新郑市不同景观类型间相互转化引起的ESV损益的定量计算。其计算公式[24]如下:
$ {P_{ij}} = \left( {{C_i}-{C_j}} \right) \cdot {A_{ij}}。$ | (2) |
式中:Pij为第i类景观类型转化为第j类景观类型后的ESV损益;Ci、Cj分别为第i、j类景观类型的ESV系数;Aij为第i类景观转化为第j类景观的面积。
3 结果与分析 3.1 景观格局特征变化 3.1.1 景观类型转换及面积变化运用ArcGIS10.1软件,对已获得的2005和2015年土地分类数据,采用转移矩阵方法进行分析,从而确定景观类型间的转换关系。表 2显示,2005—2015年研究区域最明显的景观类型变化是建设用地与耕地之间的转化,耕地有9 707.74 hm2转化成建设用地,建设用地有1 184.94 hm2转回耕地,同时,受退耕还林政策及基础设施建设的影响,部分耕地向林地和水域转化,形成园林、水库等人工生态景观。
运用FRAGSTATS4.2软件,提取出各类型景观格局指数(表 3)。从表 3可知,新郑市土地利用以耕地、建设用地为主,这2种景观类型占研究区总面积的94%以上。其中,耕地面积占研究区总面积的69%以上,建设用地次之,占研究区总面积的16%以上,而林地、水域和草地所占的比例较小,三者面积之和仅占研究区总面积的6%以下。从面积变化来看,在2005—2015年间,建设用地一直保持增长趋势,由1万4 608.38 hm2增长到2万3 252.59 hm2,增加了8 644.21 hm2,增长幅度达到59.17%;耕地则呈持续减少趋势,由6万9 255.59 hm2减少到6万1 119.94 hm2,减少8 135.65 hm2,减少幅度达到11.75%;林地和草地面积呈先不变后减少趋势,水域面积则先减少后增加。
由2005、2010和2015年3个年份的新郑市景观类型水平格局指数(表 3)可以看出,新郑市各地类景观指数的变化情况及趋势。15年间,新郑市耕地斑块密度先增加后减少,斑块分维数持续下降,分离度持续增加。表明由于人类对耕地的改造变化,使其斑块形状日趋规则化,但随着人口增加,城镇化进程加快,耕地趋于破碎化。林地斑块密度、最大斑块指数不断降低,表明新郑市林地处于集中缩小的趋势;同时,林地的斑块分维数呈先不变后增加的变化趋势,使得林地形状不规则化。建设用地斑块密度有所下降,最大斑块指数不断增大,这是城镇化进程的加快,建设用地呈“摊大饼”和“集中式”的扩张模式所致。水域斑块密度、分离度有所降低,是新郑市南水北调工程的开展及其他水利工程的实施,将原本支离破碎的水域连接起来,使得水域面积增大,斑块形状变得不规则。草地景观的各项景观指数变化不大。其中,斑块密度、最大斑块指数及斑块分维数有所下降,这是原来分布在林地斑块之间的破碎草地,随着旅游业的兴盛,被逐步转化成人工林地的结果。
3.1.3 景观水平格局变化由表 4可知,整个新郑市土地利用的空间格局,其多样性指数和均匀度指数的排序为2005年<2010年<2015年,而优势度指数和破碎度指数的大小顺序则相反,排序为2015年<2010年<2005年。上述结果表明,从2005年到2015年的10年间,新郑市各土地类型所占比例差别不断减小,景观优势类别对景观整体的控制作用减弱;但由于最具优势,且生态环境影响大的耕地景观,仍占整体景观的大多数,土地利用优势性没有得到明显改善,同时,随着新郑市城镇化进程明显加快,其建设用地集中连片发展,小块耕地向大块耕地融合,从而使新郑市景观破碎化程度降低,景观异质性程度提高。
根据表 1,结合表 3中2005—2015年新郑市各景观类型面积数据,通过公式1计算出新郑市不同生态服务功能ESV,及不同景观类型ESV变化(表 5、表 6)。
由表 5可知,2005—2015年,新郑市各项生态系统服务功能的ESV,均呈现先缓慢后急剧的下降趋势,但减少程度不同。其中:保持土壤功能的ESV贡献最大、减少量亦最多,期间共减少663万元;其次为废物处理和气候调节功能,其ESV分别减少514万和468万元;其余各项功能的ESV减少量相对较少。结合表 6,2005—2015年新郑市5种景观类型ESV亦呈现不同程度的变化。其中:减少最多的为耕地,10年间耕地的ESV减少3万406万元,变化率达到11.75%;变化最明显的为建设用地,10年间建设用地的ESV增加636万元,变化率达到59.17%;林地和草地的ESV出现不同程度减少,分别减少750万和14万元;水域的ESV则呈现先减少后增加的趋势,总体来看其ESV增长了4万元。
综合表 3和表 6可知,2005—2015年新郑市耕地所占区域面积比例达69%以上,其ESV贡献量亦达75%以上,表明耕地成为维持新郑市ESV的景观类型;林地和水域所占区域面积比例分别为4%和0.85%左右,ESV贡献量却达到14%和4.5%,说明林地和水域是引起新郑市ESV变化的主要景观类型。2005—2015年新郑市ESV呈先缓慢后急剧的减少趋势。其中:2005—2010年,新郑市ESV减少280万元,变化率为0.75%;2010—2015年,ESV减少3 214万元,变化率为11.83%。表明新郑市生态功能急剧衰减,造成这种变化的主要原因是2012年以来,随着中原经济区与郑州航空港经济综合实验区等国家战略在河南的实施,新郑市作为郑州市的毗邻县级市,及郑州航空港经济综合实验区建设的核心区,新郑市更多的耕地和林地向建设用地转化,使得整体景观生态价值明显下降。
3.2.2 生态系统服务价值损益分析基于式(2)和表 2,得到新郑市ESV流向损益矩阵(表 7)。其中,横向表示各景观类型转出面积的ESV变化量,纵向表示各景观类型转入面积的ESV变化量。
由表 7可知,2005—2015年间,新郑市ESV减少3 493.99万元,主要由耕地转建设用地、林地转耕地和水域转耕地产生的生态系统服务损失构成。其中,耕地转建设用地损失最多,达3 349.91万元;ESV增值主要由建设用地转耕地、耕地转水域产生,耕地转水域增值最多,达498.3万元。所有景观类型转水域均为正流向,增值558.94万元,所有景观类型转建设用地均为负流向,损失3 602.61万元。由此可见,10年间快速城镇化造成的大量建设用地转入,是导致新郑市ESV损失的根本原因。
3.2.3 生态系统服务价值空间变化从图 3上可知,新郑市仅西南与西北部分地区坡度较陡,为山地丘陵区,其他地区坡度均较低,为平原区。整个新郑市ESV呈现出中心平原区以及东部平原较低,西南山区、西北丘陵区较高的空间分布规律。
2005—2015年新郑市各乡镇ESV呈现不同程度的下降趋势,ESV低值区范围进一步扩大,并由新郑市区逐渐向周边乡镇扩散。其中,山区面积较多的辛店镇ESV最高,且基本保持不变,孟庄、薛店镇、和庄镇、八千乡和龙王乡等平原乡镇ESV减幅较大,同是平原区的观音寺镇和梨河镇,因其境内河流穿过,ESV减幅较小。结合表 6和表 7可知,新郑市ESV增值主要来源于林地和水域生态价值贡献,而林地和水域的分布又依赖于地形因素,故其ESV空间分布不均衡,且随着城镇化进程的加快,新郑市东部平原地区建设用地迅速扩张,交通等基础设施对耕地的占用分割,导致其整体空间ESV不断减少。
4 结论与讨论1) 2005—2015年新郑市景观类型以耕地和建设用地为主,这2种类型景观占研究区总面积的94%以上,10年间水域面积整体上呈增加趋势,建设用地面积增加显著,而林地和草地有所减少,耕地面积则是大幅减少。这表明新郑市景观类型主要由耕地、林地和草地向建设用地和水域转化。
2) 2005—2015年新郑市各类景观斑块密度、最大斑块指数及空间格局发生了不同程度的变化。整体景观多样性增加,景观优势类别控制作用减弱,破碎化有所改善,异质性提高。景观优势类别对景观整体的控制作用减弱,这在一定程度上有利于景观功能稳定性的维持,但随着城镇化进程加快,耕地和林地面积将继续减少,生态安全问题凸显。
3) 2005—2015年新郑市ESV呈现先缓慢后急剧的下降趋势,10年间减少3 494万元,各项生态服务功能ESV亦呈现上述年际变化特征。其中,保持土壤ESV贡献最大、减少量亦最多,共减少663万元,其次为废物处理。10年间5种景观类型ESV亦出现不同程度变化。其中,减少最多的是耕地景观,减少3 406万元,其次为林地,减少750万元,变化最显著的是建设用地,变化率为59.17%。这10年间,耕地和林地的大幅度减少,特别是耕地大量转入建设用地,是导致新郑市ESV下降的根本原因。10年间在空间上,新郑市ESV呈中心平原区低,西南山区、西北丘陵区高的空间分布规律,其ESV低值区不断向周边乡镇扩散,进一步导致ESV空间分布不均衡。为了保持生态系统服务功能的可持续发展,有必要对当前新郑市土地利用景观格局进行优化配置,制定合理的土地利用规划方案;因此,建议在不影响经济发展和人类需求的前提下,尽量减少干扰,以免破碎化加剧,可将生态价值低的草地等转为生态价值相对较高的林地等,调节生态平衡,实现经济与生态的协调发展。
4) 笔者对ESV指数从生物量和宏观空间尺度进行了修正,尚未考虑具体的小区域尺度对ESV指数的影响;同时,研究对1个当量价值的计算,未考虑到物价上涨因素对主要粮食单位面积产值的影响,这些都会对最终不同景观类型ESV指数的准确度产生一定的影响,需要今后做进一步深入研究。此外,研究未对景观格局如何影响ESV作详细的分析,这是一个十分复杂的过程,需要大量的案例研究来探讨其影响机制。尽管如此,笔者研究的结果亦反映出新郑市生态系统服务正面临着巨大压力,如何维持生态系统的稳定性,显得越来越重要。
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