張學文 郭曉華

長江大學園藝園林學院 湖北荊州 434000

黨的十八大以來,生態(tài)保護建設成為統(tǒng)籌推進“五位一體”總體布局和協(xié)調(diào)推進“四個全面”戰(zhàn)略布局的重要內(nèi)容,推動綠色生態(tài)發(fā)展理念深入人心[1]。城市生態(tài)系統(tǒng)是社會—經(jīng)濟—自然的復合型生態(tài)系統(tǒng),探究其景觀格局演變及對生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化的影響,有助于解析城市生態(tài)環(huán)境保護發(fā)展歷程,提高城市生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和可持續(xù)性。

景觀格局演變必將影響生態(tài)系統(tǒng)服務價值。國內(nèi)外景觀格局演變研究主要集中于景觀格局特征及動態(tài)變化[2-4],景觀格局演變的生態(tài)環(huán)境效應[5-7]、驅(qū)動機制以及格局優(yōu)化[8-11]。生態(tài)系統(tǒng)服務價值在國外研究起步較早,主要集中在社會環(huán)境變化對生態(tài)系統(tǒng)服務的影響和相關性分析[12-14]以及生態(tài)系統(tǒng)服務價值空間化[15]。近年來,在生態(tài)學專家謝高地等[16-19]的研究基礎上,國內(nèi)學者開始進行景觀格局演變及生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化響應研究[20],研究對象主要集中在不同生態(tài)系統(tǒng)或不同空間尺度,但對城市尺度的研究較少,這不利于城市生態(tài)建設實踐的評價與指導。

本文以湖北石首市為研究對象,運用景觀格局演變分析、生態(tài)系統(tǒng)服務價值評價和相關性分析,研究1986—2016年生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化對景觀格局演變的響應關系,為城市生態(tài)保護建設和綠色生態(tài)發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)概況

石首市地處湖北省荊州市南部,屬亞熱帶季風氣候,長江橫穿市域,域內(nèi)分布有長江故道、麋鹿國家級自然生態(tài)保護區(qū)、長江白暨豚國家級自然保護區(qū)和大量野生動物棲息地。在城市發(fā)展中,為提升城市整體生態(tài)環(huán)境,保持動物棲息地生境,石首市非常重視保護自然環(huán)境,是注重生態(tài)建設的典型城市。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

遙感影像數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云平臺收錄Landsat系列衛(wèi)星；糧食價格及產(chǎn)量數(shù)據(jù)來自《2013年荊州市統(tǒng)計年鑒》和《2017年荊州市統(tǒng)計年鑒》；歷史發(fā)展、相關政策以及自然災害的記錄來自地方統(tǒng)計年鑒和政府門戶網(wǎng)站。

2.2 景觀格局演變分析

1)景觀類型遙感解譯。以石首市1986(TM)、2001(TM)、2016(OLI)3期遙感影像圖為數(shù)據(jù),結(jié)合荊州市土地利用總體規(guī)劃大綱,利用ENVI5.3平臺,對影像圖進行監(jiān)督分類處理,確定各時期景觀類型。

2)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣。利用GIS對解譯數(shù)據(jù)進行土地利用轉(zhuǎn)移矩陣處理,得到1986—2001年、2001—2016年、1986—2016年的土地利用轉(zhuǎn)移圖。

3)景觀格局指數(shù)。從斑塊水平和景觀水平選取2類9個景觀格局指數(shù),分別為:面積-邊緣指標,包括最大斑塊占景觀面積比例(LPI)、聚集指數(shù)(AI)、板塊數(shù)量(NP)、斑塊密度(PD)、邊緣密度(ED)、斑塊平均大小(AREA-MN)；聚集度與多樣性指標,包括蔓延度指數(shù)(CONTAG)、香濃多樣性指標(SHDI)、香濃均勻度指數(shù)(SHEI)。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務價值評價

生態(tài)系統(tǒng)服務價值(ESV)評估能夠為生態(tài)環(huán)境保護、生態(tài)功能劃分和生態(tài)補償決策等環(huán)境優(yōu)化措施提供重要依據(jù)[21]。本文采取當量因子法對石首市ESV進行計算。根據(jù)Costanza[12]、謝高地等[19]對ESV當量因子法計算公式的提出和優(yōu)化,確定計算公式如式(1)至式(3):

式(1)至式(3)中:VCk為單個當量因子生態(tài)服務價值量(元/hm2·a)；P為石首市糧食價格(元/kg)；Q為平均糧食產(chǎn)量(kg/hm2)；n為研究年數(shù)；ESVf為單項生態(tài)服務價值；VCfk是單項服務功能價值系數(shù)；ESV為總生態(tài)服務價值；Ak為第k種景觀類型的面積。

根據(jù)《荊州市統(tǒng)計年鑒》,得到近年石首市糧食作物產(chǎn)量為5 051.69 kg/hm2；依據(jù)2016年新華社發(fā)布的湖北省中晚稻收購價格標準,得到糧食平均價格為2.76元/kg；根據(jù)我國糧食生產(chǎn)的生態(tài)服務價值研究[18]獲得湖北省的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生物量因子為1.27；最終得到石首市的生態(tài)服務價值當量因子為1 991.81元/(hm2·a)。

景觀類型與中國生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量表[17]對應:旱田與水田參照旱地與水田；林地參照針闊混交、闊葉與灌木；草地參照灌草叢與草甸；河流和湖泊參照水系；裸地參照裸地。將建設用地的水文調(diào)節(jié)、土壤保持、維持養(yǎng)分循環(huán)當量因子設為-7.55、3.93、-2.46[21],得到石首市各景觀類型生態(tài)服務價值系數(shù)(表1)。

2.4 相關性分析

利用SPSS對景觀格局指數(shù)與生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行相關性分析,得到石首市生態(tài)系統(tǒng)服務價值對景觀格局變化的響應關系。

3 結(jié)果與分析

3.1 總體景觀變化

由圖1和表2可知,1986—2016年石首市各景觀類型面積變化較大。綠地(草地、林地)的總面積在整體景觀中的占比遠超其他景觀類型,是石首市的優(yōu)勢景觀。草地類型凈變量最大,主要分布在長江沿岸和南部山區(qū)。建設用地和裸地的凈變量排在二、三位,主要分布在長江港口附近,沿道路呈擴張趨勢。裸地變化率最高,表明城市發(fā)展過程中產(chǎn)生了大量未充分利用地。耕地(旱田、田面)積減少,符合城市發(fā)展規(guī)律。水體(河流、湖泊)面積減少,部分河道變?yōu)楹础?/p>

圖1 石首市景觀類型分布

表2 石首市不同年份各景觀類型面積

3.2 用地變化

由圖2、表3和表4可知:第1階段(1986—2001年)草地面積大量增加,主要由耕地和林地轉(zhuǎn)入,在長江沿岸和南部山區(qū)增長,這是由農(nóng)田棄耕、城市發(fā)展以及自然災害對生態(tài)系統(tǒng)的破壞所致；第2階段(2001—2016年)林地面積增加,主要由草地、旱田和裸地轉(zhuǎn)入,在長江沿岸增長,主要受河道治理、河岸生態(tài)建設和退耕還林等政策影響。

表3 石首市各景觀類型面積動態(tài)變化(1986—2016年)

表4 石首市景觀利用轉(zhuǎn)移矩陣(1986—2016年)

圖2 石首市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

建設用地和裸地在第1階段大量增加,從港口向內(nèi)陸無序擴張導致大量綠地和耕地流失,據(jù)《石首市統(tǒng)計年鑒》記載,1998年長江特大洪水導致裸地在江北平原大面積增加；第2階段建設用地增長速度降低,裸地面積減少,可見石首市城市化的腳步放緩,更注重城市發(fā)展規(guī)劃。

第1階段耕地(旱田、水田)面積大量減少,水田主要由棄耕和城市建設導致面積減少；第2階段旱田大幅增加,主要在江北平原,這是因為生態(tài)恢復和復耕使被毀的耕地恢復耕作能力。

水系(河流、湖泊)方面,第1階段面積都減少,主要流向草地和裸地,說明洪水雖對生境造成破壞,但也為新生境的形成提供基底；第2階段河流面積進一步減少,湖泊面積顯著增加,水土保持初見成效。

3.3 景觀格局指數(shù)變化

1)整體景觀。由表5可知,1986—2016年石首市整體景觀格局指數(shù)發(fā)生了顯著變化,包括整體景觀的斑塊數(shù)量大量增加、密度略微增加、平均斑塊面積減小、整體景觀破碎度上升、大塊斑塊被分割。其主要原因是城市建設中大量廊道的增加對景觀斑塊產(chǎn)生了分割,同時城市沿道路擴張也產(chǎn)生了景觀干擾。AREA_MN值減小驗證景觀破碎度的上升；AI值下降說明斑塊類型分布較離散,空間連通性降低；CONTAG值在1986—2001年減少且遠離100,證明石首市景觀逐漸演變?yōu)槎喾N要素的密集格局；SHDI值和SHEI值不斷上升,證明整體景觀的土地利用類型豐富,生物多樣性隨之增長,景觀各類型均勻分布。

表5 石首市景觀格局指數(shù)變化(1986—2016年)

2)景觀類型。由表5可知:草地景觀破碎度增加、異質(zhì)性增加、連通度減小,說明受到城市廊道建設、住宅擴張和土地復耕影響較大；耕地景觀破碎度增加、連通度減小,但因為被大量廊道分割,所以邊緣密度并未增加；林地景觀的連通性不斷增加,雖受洪水侵襲影響大,但其恢復性強,穩(wěn)定性較強；河流景觀格局指數(shù)產(chǎn)生較大波動,易受干擾影響,抗性差,但恢復性較強；湖泊景觀格局指數(shù)變化表明湖泊破碎度增加,復雜性提升；建設用地指數(shù)值全部增加,表明建設用地破碎度、復雜性升高的同時,連通度也在提升,也證明在發(fā)展后期建設用地的規(guī)劃較為合理,城市沿網(wǎng)格狀道路有序擴展。

3.4 生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化

3.4.1 生態(tài)系統(tǒng)服務總價值變化

由表6可知,研究期內(nèi)石首市ESV呈現(xiàn)先減少、后增加,整體呈減少的趨勢。從不同景觀類型來看,水系ESV對石首市ESV起到支撐作用；草地和林地ESV對整體ESV增長貢獻率最大。

表6 石首市ESV構(gòu)成特征(1986—2016年)

第1階段ESV下降的主要原因有洪水破壞、水土流失、城市快速無序擴張和耕地棄耕；第2階段ESV增加的主要原因有自然生態(tài)系統(tǒng)的恢復、城市有規(guī)劃有節(jié)制的擴展、土地復耕、水土保持穩(wěn)步提升、草地和林地的上升。

3.4.2 生態(tài)系統(tǒng)各功能的服務價值變化

由表7可知,水文調(diào)節(jié)服務類型價值占比一直排在所有服務類型的首位,且價值遠大于其他功能類型,是石首市生態(tài)系統(tǒng)的主導功能。

從生態(tài)系統(tǒng)單項服務價值(表7)來看,水資源供給、氣候調(diào)節(jié)、凈化環(huán)境、土壤保持、生物多樣性和美學景觀的ESV在30年間持續(xù)增加,其中土壤保持的增量最大,氣候調(diào)節(jié)其次,主要是由林地和草地的面積持續(xù)增加所致。維持養(yǎng)分循環(huán)的ESV在30年間持續(xù)減少,主要由建設用地面積增加所致。食物生產(chǎn)、氣體調(diào)節(jié)、水文調(diào)節(jié)在30年期間內(nèi)ESV先減少、后增加、整體減少,其中水文調(diào)節(jié)減少量最大,這主要是由水系面積減少所致。

表7 石首市不同服務功能價值變化(1986—2016年)

水文調(diào)節(jié)作為石首市生態(tài)系統(tǒng)主導功能,展現(xiàn)出較強的穩(wěn)定性,加之水資源供給、氣候調(diào)節(jié)、生物多樣性等服務價值的持續(xù)上漲,最終使石首市整體ESV值在下跌后能夠恢復。這是石首市政府注重生態(tài)環(huán)境保護,控制城市有序擴張的結(jié)果,也體現(xiàn)了石首市整體景觀的穩(wěn)定性。

3.5 生態(tài)系統(tǒng)服務價值對景觀格局演變的響應

由表8可知,ESV與部分景觀格局指數(shù)有強烈相關性,與AI、NP和AREA_MN極顯著正相關,與PD和ED極顯著負相關。說明當石首市各景觀間自然連通度增強、異質(zhì)性提升、斑塊面積不斷擴大、斑塊密度降低時有利于ESV值的增加。

表8 石首市景觀格局指數(shù)與ESV相關性分析

研究期內(nèi)石首市景觀演變過程與ESV響應變化符合這一相關性。第1階段景觀格局的連通度降低、斑塊破碎度升高、密度升高、平均斑塊面積減小、ESV值降低,當?shù)?階段景觀格局逐步恢復,河流、林地的空間連通性增強,整體景觀異質(zhì)性提升,林地和草地斑塊面積擴張,密度降低,ESV值也逐步回升。

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

研究期間,第1階段石首市經(jīng)歷了城市無序擴張、綠地過度開發(fā)、人口降低、農(nóng)田棄耕、水土流失、景觀格局受到干擾,進入非穩(wěn)定狀態(tài),ESV下降。第2階段城市有序發(fā)展,實施退耕還林、植樹造林、水土保持等措施,景觀格局穩(wěn)定恢復,ESV回升。ESV對河流、林地的連通性加增強,異質(zhì)性提升,草地和林地斑塊面積擴張和密度降低等景觀格局演變產(chǎn)生正向變化響應。

本研究中水系對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務價值起到支撐作用,這與胡金龍等[5]對漓江流域和楊強強等[22]對青戈江流域的研究結(jié)果一致,證明大面積水系的景觀演變會對區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化產(chǎn)生巨大影響。但與趙育恒等[9]對武漢市的研究結(jié)果存在較大差異,長江流經(jīng)武漢市與石首市域內(nèi),但兩座城市的城市化進程差異較大,說明城市發(fā)展到達一定程度后將極大影響生態(tài)系統(tǒng)服務價值。未來石首市在發(fā)展中應當注重城市有序擴張,加強河道治理、植樹造林、涵養(yǎng)水土,才能建設好城市生態(tài)系統(tǒng),促進生態(tài)系統(tǒng)服務價值提升,實現(xiàn)綠色生態(tài)發(fā)展。

4.2 結(jié)論

1)1986—2016年石首市景觀格局變化劇烈。林地、草地、湖泊、裸地和建設用地面積增加,旱田、水田和河流的面積減少；景觀破碎度升高,空間連通性略降低,景觀異質(zhì)性提升,土地利用類型逐漸豐富,各類型均勻分布；ESV總量先下降,后上升,整體減少。

2)草地和林地是石首市主要生態(tài)景觀類型,也是ESV回升的主導景觀類型,具有較強的恢復性和穩(wěn)定性。水系為整體景觀ESV提供支撐,水文調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)等ESV功能結(jié)構(gòu)占比大,但易受干擾影響,穩(wěn)定性較差。水土流失是導致石首市ESV降低的主要原因。

3)ESV值與景觀格局指數(shù)間存在較強相關性。當石首市各景觀間自然連通度增強、異質(zhì)性提升、斑塊面積不斷擴大、斑塊密度降低時有利于ESV值的增加。