秦艷麗，時 鵬,*，何文虹，霍春平，李 鵬，李占斌，楊殊桐，馮朝紅

1 西安理工大學 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室, 西安 710048;2 旱區(qū)生態(tài)水文與侵蝕災害防治國家林業(yè)局重點實驗室, 西安 7100483 西安市水利水土保持工作總站, 西安 710016

隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展,中國城市化的進程不斷加快,城鎮(zhèn)土地快速擴張和經(jīng)濟集聚發(fā)展,同時產(chǎn)生了一系列城市環(huán)境問題,對生態(tài)環(huán)境造成了一定的壓力[1]。城市病,是指城市在發(fā)展過程中出現(xiàn)的交通擁擠、環(huán)境污染、能源緊缺等問題[2]。主要表現(xiàn)為：城市規(guī)劃和建設(shè)盲目向周邊擴延,占用大量耕地,城市規(guī)劃布局分散,城市霧霾、內(nèi)澇、熱島效應等問題加劇[3]。不合理的土地利用轉(zhuǎn)換將使景觀碎片化,并對生態(tài)系統(tǒng)造成負面影響。為了改善城市化過程的這些問題,采用城市遙感影像定量探討了一定時期景觀格局與生態(tài)系統(tǒng)服務價值之間的特征和關(guān)系,為城市規(guī)劃和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展提供有效依據(jù)。

城市化進程改變區(qū)域景觀格局,景觀格局變化必然影響生態(tài)系統(tǒng)組分、結(jié)構(gòu)與生態(tài)等過程,從而改變生態(tài)系統(tǒng)服務[4]。生態(tài)系統(tǒng)服務是人類從生態(tài)系統(tǒng)中直接或間接得到的產(chǎn)品和服務[5]。Costanza于1997年[6]提出生態(tài)系統(tǒng)服務價值估算方法,引起國內(nèi)外科學界對生態(tài)系統(tǒng)服務的廣泛研究[7]。在國內(nèi)主要是以謝高地等[8]的研究為基礎(chǔ),根據(jù)各區(qū)域?qū)嶋H情況調(diào)整生態(tài)服務當量因子表,從而比較科學地估算研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值,為區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供依據(jù)[9]。因此,在經(jīng)濟飛速發(fā)展,城市化進程不斷加快的背景下,探索城市景觀格局與生態(tài)系統(tǒng)服務功能之間的關(guān)系對于指導城市建設(shè)規(guī)劃布局與資源配置具有重要的理論意義。

在城市規(guī)劃與形態(tài)方面,Burgess提出了關(guān)注城市空間功能分區(qū)的同心帶理論[10]。城市功能區(qū)是城市功能景觀的混合體,反映了從市中心到農(nóng)村的景觀結(jié)構(gòu)變化[11]。城鄉(xiāng)梯度分析被證明是分析城市擴展及其對景觀影響的有用工具[12-15]。城鄉(xiāng)梯度為進一步研究城市景觀生態(tài)提供了一個新的視角,可以量化景觀指數(shù)和生態(tài)系統(tǒng)服務價值之間的空間分布特征。

目前,城市景觀格局的研究主要集中在土地利用對景觀格局驅(qū)動作用[16-18],景觀及土地利用變化對生態(tài)服務價值影響研究也主要集中于較宏觀的層面[19-21],已有對西安市的研究主要考慮某一規(guī)劃區(qū)域或者側(cè)重單一破碎化過程的影響[22-24]。然而,城市化是涉及人力、經(jīng)濟和社會等多方面共同作用的復雜的過程,景觀格局與生態(tài)系統(tǒng)之間關(guān)系繁雜,景觀指數(shù)和生態(tài)系統(tǒng)服務價值是如何響應城鄉(xiāng)空間特征的,以及沿城鄉(xiāng)梯度呈現(xiàn)出什么樣的變化,目前還未完全弄清楚。本研究主要創(chuàng)新之處是從城市空間功能分區(qū)的同心帶理論這一角度出發(fā),建立城鄉(xiāng)梯度帶,分析景觀格局和生態(tài)服務價值對城市發(fā)展過程的響應。因此,本研究不僅為西安市合理配置土地資源提供參考,而且通過分析景觀格局指數(shù)與生態(tài)系統(tǒng)服務價值之間的關(guān)系,可為其他類似地區(qū)改善生態(tài)環(huán)境提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

西安地處關(guān)中平原中部,北瀕渭河,南依秦嶺,是中國四大古都之一,是中華文明和中華民族重要發(fā)祥地之一,也是絲綢之路的起點。西安市位于東經(jīng)107°40′—109°49′、北緯33°42′—34°45′之間(圖1),土地總面積10182.06 km2,地貌特點南高北低,呈階梯狀。該區(qū)域?qū)儆谂瘻貛О霛駶櫞箨懶约撅L氣候,大氣環(huán)流的季節(jié)性變化明顯,四季冷暖干濕分明,年平均氣溫13.0—13.7℃,年降水量522.4—719.5 mm,且由北向南遞增,無霜期220 d左右。近年來,隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展以及城市化進程的加快,西安市景觀格局發(fā)生了很大變化,景觀格局的改變對西安市的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了重要影響。

圖1 西安市地形圖Fig.1 Topographic map of the Xi′an city

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)社會經(jīng)濟數(shù)據(jù),主要來自中華人民共和國國家統(tǒng)計局網(wǎng)站和西安市統(tǒng)計年鑒等資料。遙感影像數(shù)據(jù)來源于西安市1980、2000和2015年的TM遙感影像圖,分辨率為30 m；在ENVI 5.1和ArcGIS 10.2軟件平臺的支持下,結(jié)合西安市數(shù)字高程模型(DEM)和野外實地調(diào)研數(shù)據(jù),對3期LandsatTM遙感影像圖進行判讀解譯,參考土地利用分類體系將研究區(qū)的土地利用類型分為耕地、林地、草地、水體、建設(shè)用地和未利用地6類。具體土地利用分類見表1。

表1 土地利用分類

1.3 研究方法

1.3.1建立緩沖區(qū)

圖2 同心緩沖區(qū)的建設(shè)Fig.2 Construction of concentric buffer

為了分析景觀格局和生態(tài)系統(tǒng)服務價值的空間特征,從城市中心沿城鄉(xiāng)梯度構(gòu)建了基于GIS的同心緩沖區(qū)(圖2)。緩沖區(qū)被剪成15個幾乎覆蓋西安市所有地區(qū)的同心區(qū)域,每個緩沖區(qū)之間的向外輻射距離為5 km。

1.3.2景觀指數(shù)選取

景觀格局反映了不同斑塊的空間配置,景觀格局指數(shù)可以指示景觀格局的結(jié)構(gòu)和分布等狀態(tài)。景觀格局的改變會影響棲息地質(zhì)量和食物遷移路徑從而使得生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動和物質(zhì)循環(huán)過程發(fā)生變化。因此,研究并分析景觀格局的動態(tài)特征是理解生態(tài)過程的基礎(chǔ)[25]。本文以Fragstats 4.0軟件作為技術(shù)平臺,根據(jù)景觀指數(shù)的不同功能及屬性并結(jié)合西安市自然環(huán)境和區(qū)位條件,共有12個景觀指數(shù)被用來分析西安市景觀格局和景觀指數(shù)的梯度變化,具體見表2。

表2 景觀格局指數(shù)及生態(tài)學意義

1.3.3生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估

(1)生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)

Costanza等[6]的研究提出了可對研究區(qū)生態(tài)價值量進行全局性測度的生態(tài)系統(tǒng)服務價值估算方法,但限于全球尺度。謝高地等根據(jù)中國實情,制定了中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務價值表[8],基于謝高地等[26]提出的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量因子法計算研究區(qū)主要景觀類型的氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、土壤保持、水源涵養(yǎng)、廢物處理和生物多樣性價值,根據(jù)西安市實際情況對該當量因子進行適當修正[27-28],并測算出西安市各景觀類型單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值(表3)。

表3 西安市生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務價值/(元 hm-2 a-1)

(2)生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估

依據(jù)各土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù),基于謝高地等[8]的研究,1個生態(tài)服務價值當量因子的經(jīng)濟價值量相當于當年研究區(qū)平均糧食單產(chǎn)市場價值的1/7,分別計算1980—2015年西安市各用地類型的生態(tài)系統(tǒng)服務價值,公式如下:

式中,ESVn為某類生態(tài)系統(tǒng)服務的價值量,Vin為第i類用地類型的第n種生態(tài)系統(tǒng)服務的價值系數(shù),Ai為該類用地類型的面積。

1.3.4景觀指數(shù)與生態(tài)系統(tǒng)服務價值相關(guān)性分析

為了消除緩沖區(qū)面積大小引起的ESV和景觀指數(shù)的差異,采用生態(tài)系統(tǒng)總服務價值中各緩沖區(qū)的平均值,并選取了10個與面積大小無關(guān)的景觀指數(shù)。采用SPSS 23軟件計算ESV與景觀指數(shù)之間的相關(guān)系數(shù),分析城市化引起的景觀指數(shù)變化對ESV的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用與景觀格局的總體空間特征分析

隨著城市化的加快,1980—2015年西安市各土地利用發(fā)生了較大變化,主要表現(xiàn)在各景觀類型面積的動態(tài)演變(圖3)。研究區(qū)基本上以耕地、林地和草地3種土地利用類型為主,其中耕地所占面積比重最大(34.98%—39.17%),35年間耕地、草地面積逐漸減少；林地、建設(shè)用地面積波動增加,其中建設(shè)用地面積增加了554.23 km2,結(jié)合土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 (表4)增加面積主要來源于耕地轉(zhuǎn)化。

1980—2015年間,西安市CONTAG、COHESION、NP和PD總體呈現(xiàn)出減少的變化趨勢,CONTAG減少最多(-1.9665)；LPI、LSI、DIVISION和SHDI逐漸增加。說明西安市城市的擴展,導致斑塊優(yōu)勢度增加,小而分散的斑塊轉(zhuǎn)換為大而集中的斑塊,同時不規(guī)則程度增加,道路、居民點等景觀的增加導致景觀內(nèi)部各斑塊間連通性總體下降,破碎化程度增加(表5)。

圖3 西安市土地利用變化圖Fig.3 Land use change map of Xi′an

表4 研究區(qū)1980—2015年土地利用/土地覆被轉(zhuǎn)移矩陣/km2

表5 西安市1980—2015景觀格局指數(shù)

2.2 土地利用與景觀格局梯度變化

圖4顯示了1980—2015年沿城鄉(xiāng)梯度的土地利用類型百分比。結(jié)果表明,距市中心距離越近,建設(shè)用地比例越高,從時間上看各年增加的比例逐漸加大。從市中心至25 km處耕地比例逐漸增加,之后則逐漸減少,林地呈相反變化趨勢。其他土地利用類型的面積沿梯度變化趨勢不明顯。土地利用梯度的空間變化可以認為是從人為景觀向自然景觀的過渡,土地利用的梯度特征表明,由于土地開發(fā)的高強度,人類活動顯著改變了土地利用格局,尤其是在城市地區(qū)。

PD、ED、LPI、DIVISION、SHDI和AI的結(jié)果表明(圖5),在距市中心10 km左右有一個明顯的變化拐點,且隨時間增加拐點逐漸后移。該處PD、ED和DIVISION景觀指數(shù)最大,由于市區(qū)邊緣的區(qū)域受到與城市擴張相關(guān)的開發(fā)和建設(shè)活動的顯著影響,城市邊緣區(qū)包含更多的破碎化斑塊。SHAPE_MN和FRAC_MN在距市中心15 km處最低,與土地利用圖比較發(fā)現(xiàn),緩沖區(qū)(寬度15 km)主要以耕地為主,該處耕地斑塊的形狀和邊緣簡單而規(guī)則。SHDI逐漸增加而COHESION、AI和CONTAG逐漸減小,說明遠離市區(qū)景觀變得豐富多樣性增加,而斑塊集聚程度和連通性下降。

圖4 1980—2015年土地利用沿城鄉(xiāng)梯度變化Fig.4 Land use change along urban-rural gradient from 1980 to 2015

圖5 1980—2015年景觀指數(shù)沿城鄉(xiāng)梯度分布Fig.5 Landscape index distribution along urban-rural gradient from 1980 to 2015

2.3 不同景觀的生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值分析

依據(jù)西安市3期土地利用數(shù)據(jù),結(jié)合生態(tài)服務價值系數(shù)(表3),估算西安市景觀格局改變引起的ESV變化(圖6,表6)。結(jié)果表明：1980—2015年,西安地區(qū)總生態(tài)服務價值減少了9.56億元,耕地和草地的ESV都呈逐年減少趨勢,耕地減少最多為6.83億元,建設(shè)用地的ESV呈增加趨勢。林地是提供生態(tài)系統(tǒng)服務的主要土地類型,其次是耕地；各項生態(tài)服務功能中最突出的功能是土壤保持功能,氣體調(diào)節(jié)最低。1980—2015年隨著景觀格局的演變,各項生態(tài)服務功能的價值均呈現(xiàn)波動減少趨勢,廢物處理功能減少最多為6.01%。

2.4 生態(tài)系統(tǒng)服務價值沿城鄉(xiāng)梯度的變化

城市化在時間和空間尺度上對ESV都會造成影響,構(gòu)建同心圓緩沖區(qū)來探討ESV沿城鄉(xiāng)梯度的變化特征。由于緩沖區(qū)面積大小不同,分析時采用各緩沖區(qū)ESV平均值。結(jié)果表明緩沖區(qū)總ESV均值在0.19×106—3.54×106元/km2之間,呈現(xiàn)從市中心到農(nóng)村遞增的趨勢(圖7),生態(tài)足跡隨著距離市中心距離的增加而逐漸增加,較高的生態(tài)景觀主要分布在植被較多、人類活動較少的自然景觀區(qū)域,且由于城市化的影響時間上ESV均值呈現(xiàn)逐年減少現(xiàn)象。沿城鄉(xiāng)梯度,土壤保持的ESV增長最快,氣體調(diào)節(jié)的ESV最低。水源涵養(yǎng)的ESV在距離市中心15至20公里之間達到峰值點,并隨時間逐漸后移(圖7)。結(jié)合土地利用圖,水體主要分布在該區(qū)域內(nèi),是水源涵養(yǎng)ESV的主要影響因素。

圖6 1980—2015年西安市各服務功能生態(tài)價值量Fig.6 Ecosystem values of different functions in Xi′an from 1980 to 2015

表6 1980—2015年西安市生態(tài)服務價值及其變化 /(億元/a)

圖7 1980—2015年總ESV和不同類型ESV平均值的梯度變化Fig.7 The gradient change of the mean values of total ESV from1980 to 2015, Gradient change of the mean value of ESV of different types from1980 to 2015

2.5 景觀指數(shù)與生態(tài)系統(tǒng)服務價值的響應關(guān)系

利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)分析ESV指標以及景觀指數(shù)因子之間的相關(guān)性(表7)。結(jié)果表明,SHDI與各類型ESV之間存在顯著的相關(guān)關(guān)系,其中水源涵養(yǎng)與SHDI的相關(guān)性最高(0.847),其次是總ESV與SHDI的相關(guān)性(0.814)。此外,廢物處理與CONTAG之間也存在顯著的相關(guān)性(-0.810),LPI與不同類型的ESV呈高度負相關(guān),FRAC_MN與各類型ESV的相關(guān)性較差。減少建設(shè)用地斑塊集中化、集聚化的發(fā)展,調(diào)節(jié)各類型用地均衡發(fā)展,提高斑塊多樣性會增加生態(tài)系統(tǒng)服務價值。

表7 景觀指數(shù)與各項生態(tài)系統(tǒng)服務價值的相關(guān)系性分析

3 討論

3.1城市化發(fā)展對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響

程琳[29]對中國超大城市ESV研究發(fā)現(xiàn),1995—2008年間城市的土地利用及ESV動態(tài)演變之間存在差異；王麗群[9]對北京邊緣地區(qū)牛欄山—馬坡鎮(zhèn)ESV變化進行分析,發(fā)現(xiàn)隨著經(jīng)濟的發(fā)展,ESV呈現(xiàn)增加趨勢；而王佼佼[30]對北京市順義區(qū)2000—2008 ESV變化的研究發(fā)現(xiàn),由于城市化發(fā)展,建設(shè)用地通過占用耕地、水域等面積不斷增加而使得ESV降低；說明研究區(qū)域不同,城市內(nèi)部政策導向和經(jīng)濟發(fā)展方式間存在差異,對ESV帶來的影響不盡相同。西安市1980—2015年經(jīng)濟逐步發(fā)展,耕地、林地和草地不斷向建設(shè)用地轉(zhuǎn)換,城市擴張導致ESV逐漸降低。西安市ESV降低的主要原因包括:(1)土地面積占比最高的耕地面積逐年減少,減少量425.37 km2,大部分轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地,而建設(shè)用地生態(tài)價值系數(shù)低；(2)城市建筑景觀的擴張與蔓延、主要交通干線的建設(shè)和延伸加劇了西安市景觀破碎度,對各景觀類型之間的養(yǎng)分循環(huán)帶來影響,導致生態(tài)系統(tǒng)服務中的占比較高的土壤保持與氣候調(diào)節(jié)功能降低；(3)工業(yè)發(fā)展排放大量污染物到水、大氣和土壤中以及城市中硬化路面的增加,導致植被覆蓋率的降低及水文循環(huán)的改變,使廢物處理等能力顯著下降。因此在西安市城市建設(shè)中要對耕地實行特殊的保護政策,嚴格控制建設(shè)用地的比例,減少建設(shè)用地斑塊集中化、集聚化的發(fā)展,調(diào)節(jié)各類型用地均衡發(fā)展,同時提高城市綠化率,增加在生態(tài)服務中占主導作用的林地面積,提高林地斑塊多樣性以改善生態(tài)環(huán)境,提高生態(tài)系統(tǒng)服務價值。

3.2 景觀格局與生態(tài)系統(tǒng)服務價值的關(guān)系

景觀格局改變影響生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動過程,并通過與生物及非生物過程的相互作用,最終導致區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務價值量的變化[31]。顧澤賢等[32]分析了瀾滄縣ESV與景觀格局的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)ESV與PD、DIVISION、SHDI等呈負相關(guān),與LPI、CONTAG、AI均呈現(xiàn)正相關(guān)。張明陽等[33]以桂西北典型喀斯特區(qū)為例,研究景觀格局變化對ESV的影響,得出ESV與LPI、CONTAG呈正相關(guān),與DIVISION、SHDI負相關(guān),ESV隨著斑塊破碎與分離的增加而減少,隨著連通度的增強而增加。岑曉騰[34]分析了杭州灣南岸區(qū)域ESV與景觀格局的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)土地利用越豐富、景觀越破碎化、多樣性程度越高有利于提高整體服務價值。本研究發(fā)現(xiàn)ESV與SHDI和PD呈正相關(guān),與CONTAG呈負相關(guān),該結(jié)果與岑曉騰一致。主要是由于西安市城市景觀的集聚發(fā)展,斑塊類型單一引起,故在城市規(guī)劃中增加景觀的多樣性,調(diào)節(jié)各類土地均衡發(fā)展從而提高城市生態(tài)系統(tǒng)的價值。

3.3 城鄉(xiāng)梯度下城市景觀變化

城鄉(xiāng)交錯帶,是由社會、經(jīng)濟、文化等多種因素綜合作用所形成的城市與鄉(xiāng)村的過渡區(qū)域[35],景觀格局的變化揭示了城市發(fā)展和人類活動的空間趨勢,探索城鄉(xiāng)關(guān)系及其景觀格局是理解中國社會經(jīng)濟轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵[36]。本研究以同心圓理論為基礎(chǔ),沿城鄉(xiāng)梯度對景觀格局與ESV的關(guān)系進行了研究,但是景觀指數(shù)和ESV梯度分析在刻畫多中心城市、逆城市化等復雜的城市形態(tài)和發(fā)展趨勢方面存在局限性?？臻g尺度也是顯著影響生態(tài)系統(tǒng)服務及其價值的重要因素[37-38],因此在城市地區(qū)采用更精細的分辨率數(shù)據(jù)將有助于對景觀變化的研究,如何建立更加完善的分析方法也是今后的研究重點。

4 結(jié)論

(1)1980—2015年西安市各景觀類型面積發(fā)生顯著變化。35年間耕地、草地面積逐漸減少,建設(shè)用地面積波動增加,主要來源于優(yōu)勢景觀耕地的轉(zhuǎn)化；受城市的擴張以及人類活動的干擾,景觀格局發(fā)生顯著變化,斑塊優(yōu)勢度增加,同時不規(guī)則程度和破碎化加劇,各斑塊類型的面積比重更加均衡,趨于均勻分布。

(2)沿城鄉(xiāng)梯度,距市中心距離越近,建設(shè)用地比例越高,且各年增加的比例逐漸加大。景觀高度異質(zhì)性主要出現(xiàn)在距市中心10 km的城市邊緣區(qū),且隨時間增加,拐點逐漸后移,表明城市化范圍擴大。

(3)1980—2015年,西安地區(qū)總生態(tài)服務價值減少了9.56億元,耕地減少最多(6.83億元),林地是提供生態(tài)系統(tǒng)服務的主要土地類型。沿城鄉(xiāng)梯度,總ESV均值呈現(xiàn)從市中心到農(nóng)村遞增的趨勢,土壤保持的ESV增長最快,時間上ESV均值呈現(xiàn)逐年減少現(xiàn)象。

(4)從景觀格局對ESV影響分析得知,SHDI與各類型ESV之間存在顯著的相關(guān)關(guān)系,LPI與不同類型的ESV呈高度負相關(guān)。減少建設(shè)用地斑塊集中化、集聚化的發(fā)展,調(diào)節(jié)各類型用地均衡發(fā)展,提高林地斑塊多樣性會增加生態(tài)系統(tǒng)服務價值。