熊燕飛,張安錄,*,劉蒙罷,李 歡

1 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)公共管理學(xué)院,武漢 430070 2 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境經(jīng)濟(jì)研究所,武漢 430070

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(ES)是指人類為滿足自身需求從生態(tài)系統(tǒng)中所獲取的直接或間接收益[1],主要包含供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)和文化服務(wù)4種服務(wù)類型[2]。各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間主要呈現(xiàn)此消彼長的權(quán)衡關(guān)系或同增同減的協(xié)同關(guān)系,明晰不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系,有利于識別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提升路徑[3]。人類活動干擾下的土地利用變化改變了景觀格局,而景觀格局變化影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流的形成與循環(huán)過程,進(jìn)而對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給產(chǎn)生影響[4—5]?？茖W(xué)合理估算土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和景觀格局的影響,分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡關(guān)系,掌握生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和景觀格局之間的關(guān)聯(lián),可為自然資源合理利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策制定提供參考依據(jù)。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估研究發(fā)展迅速,國內(nèi)學(xué)者陸續(xù)對全國[6]、流域[7]、黃土高原[8]、省域[9]、市域[10]、縣域[4]等不同空間尺度下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行評估,形成了以價值量評估和物質(zhì)量評估[11]的兩類生態(tài)系統(tǒng)評估方法。其中,InVEST模型由于評估精度高、結(jié)果空間可視化較強(qiáng)、且能滿足不同區(qū)域的多項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能分析,已成為目前最為常用的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估模型[12—14]。該模型在進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估時,需要根據(jù)不同區(qū)域設(shè)置不同參數(shù),目前其在我國城市[15]、森林[16]、草地[13]、未利用地[12]等生態(tài)系統(tǒng)的評估應(yīng)用取得了良好的模擬效果,但在我國丘陵地區(qū)園地生態(tài)系統(tǒng)評估的應(yīng)用有待進(jìn)一步驗證并推廣。此外,鑒于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對維系人類福祉具有重要貢獻(xiàn),現(xiàn)有研究往往關(guān)注生態(tài)空間脆弱區(qū)或者建設(shè)空間和生態(tài)空間競爭激烈的區(qū)域[8,15],對經(jīng)濟(jì)作物大規(guī)模種植區(qū)等農(nóng)業(yè)空間與生態(tài)空間用地矛盾突出區(qū)域的研究較少。已有研究表明,經(jīng)濟(jì)作物規(guī)模種植可能會威脅生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。比如,Liu等[17]利用InVEST 模型,分析西雙版納州的橡膠園在不同擴(kuò)張強(qiáng)度下所引起的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和景觀格局變化情況,發(fā)現(xiàn)橡膠園高強(qiáng)度擴(kuò)張區(qū)內(nèi)碳儲量大幅減少；Su等[18]的研究表明天然林向茶園轉(zhuǎn)換嚴(yán)重影響了生態(tài)系統(tǒng)的水土保持功能；Li等[19]以中國亞熱帶杭州地區(qū)為例,得到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值與經(jīng)濟(jì)作物擴(kuò)張之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。然而,上述研究對于經(jīng)濟(jì)作物擴(kuò)張引起的各種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡關(guān)系以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和景觀格局之間的關(guān)聯(lián)考慮不足,難以應(yīng)用于種植業(yè)可持續(xù)發(fā)展決策之中。

近幾十年來,隨著人們生活水平的提高,柑橘消費(fèi)呈現(xiàn)逐年增長態(tài)勢,我國柑橘種植面積在2000—2019年間也從1271.78×103hm2增長至2617.30×103hm2,年均增長達(dá)4%。在柑橘主產(chǎn)區(qū),柑橘園以占用林地和耕地的方式實現(xiàn)規(guī)模擴(kuò)張,已成為較典型的土地利用/覆蓋變化過程[20—23]。在國家深入推進(jìn)鄉(xiāng)村振興和生態(tài)文明建設(shè)背景下,森林和耕地生態(tài)系統(tǒng)被柑橘園生態(tài)系統(tǒng)替代會對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生怎樣的影響,是否存在地形效應(yīng)差異？柑橘種植影響下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡關(guān)系如何？柑橘園擴(kuò)張如何影響區(qū)域景觀格局,進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)？這些問題的回答對柑橘主產(chǎn)區(qū)如何保障柑橘產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益且實現(xiàn)生態(tài)成本最小化,推動生態(tài)-經(jīng)濟(jì)協(xié)同發(fā)展具有重要現(xiàn)實意義。

信豐縣是我國著名的“臍橙之鄉(xiāng)”,是贛南臍橙的發(fā)源地。柑橘園作為園藝生態(tài)系統(tǒng),柑橘供給是其重要的供給服務(wù)之一。研究表明,柑橘種植容易導(dǎo)致土壤侵蝕[24],而且土壤侵蝕也是我國紅壤地區(qū)最明顯的生態(tài)系統(tǒng)退化現(xiàn)象[25],定量測算柑橘園擴(kuò)張對土壤保持服務(wù)的影響有利于維護(hù)區(qū)域生態(tài)安全。林地和耕地生態(tài)系統(tǒng)承擔(dān)著重要的碳匯功能[26],林地和耕地景觀的減少不利于區(qū)域碳循環(huán)和氣候穩(wěn)定。此外,林地減少,會減少水分蒸散量,進(jìn)而改變徑流和蒸發(fā)比率,從而影響產(chǎn)水服務(wù)[27]。鑒于此,本研究以信豐縣為研究案例,分析園地擴(kuò)張的柑橘供給服務(wù)、產(chǎn)水服務(wù)、土壤保持服務(wù)和碳儲量服務(wù)等4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和景觀格局影響及其權(quán)衡與關(guān)聯(lián),并進(jìn)一步探究園地擴(kuò)張引起的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的地形效應(yīng),以期為園地合理開發(fā)利用管理,促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)平衡提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

信豐縣位于江西省南部,贛州市中部,全域土地總面積2878 km2,轄16個鄉(xiāng)鎮(zhèn)(圖1)。境內(nèi)地勢由南向北傾斜,四周高而中間低,呈盆地形。信豐縣自1970年引種栽培贛南第一批臍橙以來,已有近50年種植歷史,全縣形成了“兩線五點”臍橙生產(chǎn)基地格局,建成了6個萬畝臍橙基地和一條以105國道為依托的十萬畝“百里臍橙帶”。大面積的果園取代了原有的旱地、常綠闊葉林,區(qū)域內(nèi)果園、耕地、林地用地競爭矛盾突出。

圖1 信豐縣區(qū)位圖Fig.1 The location of Xinfeng County

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)主要包括土地利用數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、NDVI數(shù)據(jù)、相關(guān)社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計數(shù)據(jù)。①土地利用數(shù)據(jù),來源于第二次、第三次全國國土調(diào)查數(shù)據(jù)庫,根據(jù)研究區(qū)實際土地利用情況和研究目的,最終將信豐縣土地利用類型分為耕地、柑橘園、林地、水域、建設(shè)用地、未利用地六類。②DEM數(shù)據(jù),來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/),分辨率為30 m。③氣象數(shù)據(jù),來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/),采集信豐縣周圍13個氣象站點的降雨、溫度等數(shù)據(jù)。④土壤數(shù)據(jù),土壤中砂粒、粉粒、粘粒百分比來源于《信豐縣土壤志》；土壤有機(jī)質(zhì)、有機(jī)碳數(shù)據(jù)來源于野外調(diào)查,共采集76個土樣；土壤類型數(shù)據(jù)來自信豐縣自然資源局；土層厚度數(shù)據(jù)根據(jù)土壤類型數(shù)據(jù)、《信豐縣土壤志》和2019年信豐縣農(nóng)用地分等定級數(shù)據(jù)庫綜合確定。⑤NDVI數(shù)據(jù),來源于美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)對地觀測資源與科學(xué)中心(http://glvis.usgs.gov/),分辨率為30 m。⑥相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù),來源于《江西省水土保持公報》《信豐縣統(tǒng)計年鑒》和《信豐臍橙志》,包括年均徑流量、輸沙量、柑橘種植面積和產(chǎn)量等。

2 研究方法

2.1 柑橘園時空變化測度

柑橘園的數(shù)量和空間來源及其流向是研究柑橘園時空變化的基礎(chǔ)。本文借鑒李全峰等[28]測度耕地數(shù)量轉(zhuǎn)換來源公式,測算柑橘園數(shù)量轉(zhuǎn)換來源。利用圖譜分析方法刻畫柑橘園漲勢、落勢和恒定圖譜,以探究柑橘園空間轉(zhuǎn)換來源。根據(jù)相關(guān)研究[29—30],圖譜分析方法主要包括圖譜時空單元確定和圖譜構(gòu)建兩個部分。

2.1.1圖譜時空單元確定

選擇2010年和2019年的土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),則圖譜的時間序列單元為2010—2019年；結(jié)合遙感數(shù)據(jù)的可獲取性和數(shù)據(jù)單元的一致性,最終選取30 m×30 m的空間分辨率作為圖譜分析的空間單元。

2.1.2圖譜構(gòu)建

利用ArcGIS 10.2軟件,首先對2010年和2019年土地利用類型賦值編碼(表1),然后將編碼后的兩期土地利用現(xiàn)狀圖進(jìn)行相交處理,最后運(yùn)用柵格計算器按照編碼公式進(jìn)行編碼計算,編碼公式為：

C=10A+B

(1)

式中,C為柑橘園變化圖譜類型編碼；A為前期土地利用類型編碼值；B為后期土地利用類型編碼值。如編碼32,表示土地利用類型由林地轉(zhuǎn)為柑橘園。

柑橘園變化包括轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出兩個方面,轉(zhuǎn)入即其他土地利用類型轉(zhuǎn)為柑橘園；轉(zhuǎn)出即柑橘園轉(zhuǎn)為其他土地利用類型。根據(jù)編碼原則,利用篩選工具,提取所有個位數(shù)值為2(22除外)的柵格單元即柑橘園轉(zhuǎn)入柵格單元,生成柑橘園漲勢圖譜；提取所有十位數(shù)值為2(22除外)的柵格單元即柑橘園轉(zhuǎn)出柵格單元,生成柑橘園落勢圖譜；提取編碼為22的柵格單元,生成柑橘園恒定圖譜。

表1 土地利用類型編碼表

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能測算

2.2.1柑橘供給服務(wù)

本研究利用研究區(qū)2010年和2019年柑橘生產(chǎn)能力表征柑橘供給服務(wù)。通過年鑒數(shù)據(jù)獲得信豐縣柑橘產(chǎn)量,利用ArcGIS軟件將單位面積柑橘產(chǎn)量賦值到各個柑橘柵格單元,計算每個柵格所對應(yīng)的柑橘供給能力數(shù)值。

2.2.2產(chǎn)水服務(wù)

InVEST模型的產(chǎn)水量評估模塊其實質(zhì)是基于Budyko水熱耦合平衡假設(shè)[31],將每個柵格的降水量減去實際蒸散量,從而確定研究區(qū)的年產(chǎn)水量。公式如下：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中,Yxj為土地覆被類型j上柵格單元x的年產(chǎn)水量(mm)；AETxj為土地覆被類型j上柵格單元x的年實際蒸散量(mm)；Px為柵格單元x的年降水量(mm)；wx為修正植被年可利用水量與預(yù)期降水量的比值；Rxj為土地覆被類型j上柵格單元x的Budyko干燥指數(shù)；Kxj為土地覆被類型j上柵格單元x的植物蒸散系數(shù)；ET0為參考作物蒸散；PAWCx為植物可利用含水量(mm)；Z為Zhang系數(shù),將產(chǎn)水模擬量與研究區(qū)水文站點的年徑流量對比分析,最終發(fā)現(xiàn)Z取值10.36時,符合研究區(qū)實際情況。

2.2.3土壤保持服務(wù)

InVEST模型的土壤保持服務(wù)評估模塊在RUSLE方程的基礎(chǔ)上考慮地塊本身攔截上游沉積物的能力,故該模型的土壤保持服務(wù)包含土壤侵蝕減少量和泥沙持留量兩個部分。公式如下：

SEDRETx=Rx×Kx×LSx×(1-Cx×Px)+SEDRx

(6)

(7)

USLEx=Rx×Kx×LSx×Cx×Px

(8)

式中,SEDRETx為柵格單元x的土壤保持量(t)；SEDRx為柵格單元x的泥沙持留量(t)；USLEx和USLEy為柵格單元x及其上坡柵格單元y的實際土壤侵蝕量(t)；Rx為降雨侵蝕力因子(MJ mm hm-2h-1a-1)；Kx為土壤可蝕性因子(t hm2h hm-2MJ-1mm-1)；LSx為坡長坡度因子；Cx為植被覆蓋與管理因子,詳見表2；Px為水土保持措施因子,詳見表2；SEx為泥沙持留效率。

2.2.4碳儲量服務(wù)

InVEST模型的碳儲量模塊是根據(jù)不同土地利用/覆被類型或植被類型的地上生物量、地下生物量、土壤和死亡有機(jī)物質(zhì) 4 個碳庫評估碳儲量。公式如下：

Ctot=Cabove+Cbelow+Csoil+Cdead

(9)

式中,Ctot為碳總儲量(Mg)；Cabove為地上生物碳儲量(Mg)；Cbelow為地下生物碳儲量(Mg)；Csoil為土壤碳儲量(Mg)；Cdead為死亡有機(jī)物碳儲量(Mg)。各土地利用/覆被類型的碳庫數(shù)據(jù),基于已有相關(guān)研究成果[32—35]和信豐縣實際情況修正獲得,具體見表2。

表2 InVEST模型土地利用各部分關(guān)鍵參數(shù)

2.2.5生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化測度

為單純分析由柑橘園擴(kuò)張引起的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)影響,而剔除柑橘園以外的其它土地利用變化引起的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)影響,將圖譜類型編碼中第二位數(shù)字編碼為2的圖斑作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),研究柑橘園擴(kuò)張前后柑橘供給服務(wù)、產(chǎn)水服務(wù)、水土保持服務(wù)、碳儲量服務(wù)的變化情況。具體公式如下：

k=10×A+2

(10)

(11)

ΔESi=ESit-ESi(t-1)

(12)

式中,k為第A類土地利用類型轉(zhuǎn)為柑橘園的圖譜類型編碼；ESi為第i種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給量；ESik指編碼為k的圖斑的第i種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給量；ESi(t-1)為圖斑成為柑橘園前的第i種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給量；ESit為圖斑成為柑橘園后的第i種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給量。

2.3 景觀格局分析

結(jié)合本文研究目的,同時為避免景觀格局指數(shù)選取的冗余性,參考相關(guān)文獻(xiàn)[36],最終選取斑塊數(shù)量(NP)、斑塊密度(PD)、景觀凝聚度(COHESION)、景觀連接度(CONNECT)和Shannon′s多樣性指數(shù)(SHDI)五個景觀指數(shù),分析柑橘園擴(kuò)張對景觀格局的影響。為僅分析柑橘園擴(kuò)張引起的景觀格局變化,剔除城市化、退耕還林等其它因素對景觀格局的影響,本文采用單一變量法[37],即將2010年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)作為柑橘園擴(kuò)張前基礎(chǔ)數(shù)據(jù),將2019年的柑橘園圖斑鑲嵌入2010年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù),作為柑橘園擴(kuò)張后基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。各景觀格局指數(shù)可基于Fragstats 4.2軟件計算而得。

2.4 地形梯度劃分

參考研究區(qū)實際地形條件和柑橘種植對地形條件的要求[38],最終將坡度、高程、地形位三個地形因素納入考慮范圍,并對其進(jìn)行等級細(xì)分(表3),以探究柑橘園擴(kuò)張引起的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的地形效應(yīng)差異。

表3 地形因素等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

2.5 相關(guān)分析

相關(guān)分析能夠揭示景觀格局變化和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化之間是否存在相關(guān)性,以及其相關(guān)程度和方向。本研究利用Pearson相關(guān)系數(shù)研究柑橘供給、產(chǎn)水、土壤保持、碳儲量四種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化之間的相關(guān)性以及各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和NP、PD、COHESION、CONNECT、SHDI五種景觀格局指數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性,以揭示柑橘園擴(kuò)張過程中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的權(quán)衡關(guān)系和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對景觀格局變化的響應(yīng)。

3 結(jié)果與分析

3.1 柑橘園時空變化分析

2010—2019年間,信豐縣柑橘園數(shù)量整體處于擴(kuò)張狀態(tài)(表4)。信豐縣柑橘園面積從9961.29 hm2增至12633.84 hm2,柑橘園凈轉(zhuǎn)入2672.55 hm2,凈轉(zhuǎn)換源于林地、耕地和未利用地。從轉(zhuǎn)換來源來看,10年間柑橘園轉(zhuǎn)入面積為7504.71 hm2, 增幅75.33%,主要來源于林地和耕地；柑橘園轉(zhuǎn)出面積為4832.16 hm2, 減幅51.49%,主要流向林地和耕地。

柑橘園漲勢、落勢、恒定圖譜如圖2所示。各鄉(xiāng)鎮(zhèn)柑橘園擴(kuò)張類型均以占林型和占耕型為主,占林型柑橘園呈現(xiàn)集聚現(xiàn)象,主要分布在嘉定鎮(zhèn)、古陂鎮(zhèn)和大塘埠鎮(zhèn),而占耕型柑橘園分布較為分散。僅安西鎮(zhèn)柑橘園大面積還林,其它鄉(xiāng)鎮(zhèn)柑橘園縮減面積較小且無明顯地域差異。研究區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定的柑橘園,主要分布在信豐縣中部的嘉定鎮(zhèn)、安西鎮(zhèn)和大塘埠鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

表4 2010—2019年信豐縣柑橘園數(shù)量轉(zhuǎn)換來源和轉(zhuǎn)化變化率

圖2 柑橘園漲勢、落勢、恒定圖譜Fig.2 Rising, falling, constant TUPU of citrus orchards1為耕地， 2為柑橘園， 3為林地， 4為水域， 5為建設(shè)用地， 6為未利用地;如編碼32，表示土地利用類型由林地轉(zhuǎn)為柑橘園

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能影響分析

2019年贛江流域信豐段的平均徑流量36.38億m3、總輸沙量為7.71×105t,對比InVEST模型模擬的2019年信豐縣產(chǎn)水量36.32億m3、總輸沙量7.82×105t,模擬產(chǎn)水模數(shù)與實際產(chǎn)水模數(shù)相對誤差為0.15%,模擬輸沙量與實際輸沙量相對誤差為1.39%,模擬結(jié)果在可允許誤差內(nèi),可用于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)影響分析。

總體來看(表5),柑橘園擴(kuò)張導(dǎo)致柑橘供給服務(wù)增加了7957.28 t,產(chǎn)水服務(wù)、土壤保持服務(wù)和碳儲量服務(wù)分別減少了5.13×105mm、5.0×106t、3.67×105Mg,對全域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給變化的貢獻(xiàn)率分別為31.49%、3.97%、67.19%、35.98%。這表明柑橘園擴(kuò)張對產(chǎn)水服務(wù)幾乎無影響,但對土壤保持服務(wù)和碳儲量服務(wù)產(chǎn)生負(fù)向影響。在柑橘園擴(kuò)張類型中,占林型柑橘園和占耕型柑橘園是造成生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)發(fā)生變化的主要柑橘園類型。除柑橘供給服務(wù)外,占耕型柑橘園對其它三種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)均表現(xiàn)為抑制作用,而占林型柑橘園對土壤保持服務(wù)和碳儲量服務(wù)表現(xiàn)為抑制作用,卻對產(chǎn)水服務(wù)產(chǎn)生較小的促進(jìn)作用,且在土壤保持服務(wù)和碳儲量服務(wù)中,占林型柑橘園的抑制作用均顯著大于占耕型柑橘園。

由圖3可知,占林型柑橘園(32)和占耕型柑橘園(12)在不同地形梯度上的擴(kuò)張對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響存在顯著差異。從柑橘供給服務(wù)來看,占林型柑橘園主要分布在200—300 m、坡度5°—15°和中地形位部位,而占耕型柑橘園主要分布在200 m以下、坡度5°—15°和低地形位部位。占耕型柑橘園在各個地形梯度的擴(kuò)張均對產(chǎn)水服務(wù)產(chǎn)生了負(fù)向影響,而占林型擴(kuò)張僅在高程200 m以下,坡度5°以下和低地形部位處的擴(kuò)張對產(chǎn)水服務(wù)產(chǎn)生負(fù)向影響,其他地形梯度上均呈現(xiàn)正向影響,這主要是因為信豐縣屬于丘陵地區(qū),實際蒸散量對產(chǎn)水服務(wù)變化的影響程度較大[39],地形差異導(dǎo)致林地實際蒸散量存在空間異質(zhì)性,使得位于低地形林地的產(chǎn)水服務(wù)供給比高地形林地的產(chǎn)水服務(wù)供給大。占林型和占耕型柑橘園在各個地形梯度上的擴(kuò)張均對土壤保持服務(wù)和碳儲量服務(wù)產(chǎn)生負(fù)向效應(yīng),處于高程200—300 m、5°—25°、中低地形部位的擴(kuò)張引起的土壤保持服務(wù)和碳儲量服務(wù)損失量最大,這可能是因為柑橘園較林地和耕地而言,植被覆蓋率低,涵養(yǎng)水土能力弱,生物活動較少。

表5 柑橘園擴(kuò)張生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)影響表

圖3 柑橘園擴(kuò)張引起不同地形梯度上的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化Fig.3 Variation of ecosystem services on different topographic gradients caused by citrus orchard expansion

3.3 景觀格局分析

在單變量條件下,分析2010—2019年柑橘園擴(kuò)張對景觀格局的影響,結(jié)果見表6。柑橘園擴(kuò)張前(2010年)、擴(kuò)張后(2019年),研究區(qū)斑塊數(shù)量、斑塊密度和Shannon′s多樣性指數(shù)都有所增長,而景觀凝聚度和景觀連接度指數(shù)均呈現(xiàn)下降趨勢。這表明柑橘園擴(kuò)張導(dǎo)致研究區(qū)景觀趨于破碎化,土地利用方式較柑橘園擴(kuò)張前分散,景觀連通性降低。Shannon′s多樣性指數(shù)有所提升,這可能是因為信豐縣的優(yōu)勢景觀為林地,林地覆蓋率高達(dá)70%,在單變量條件下林地轉(zhuǎn)為園地使得土地利用結(jié)構(gòu)更為平衡。

3.4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同分析

圖4顯示,在鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度上4種生態(tài)服務(wù)除產(chǎn)水服務(wù)和土壤保持服務(wù)的相關(guān)關(guān)系不顯著外,其它兩兩服務(wù)之間的相關(guān)系數(shù)均通過了0.01顯著性水平的檢驗。相關(guān)分析表明,柑橘供給服務(wù)與產(chǎn)水服務(wù)(r=-0.91,P=0.001)、土壤保持服務(wù)(r=-0.70,P=0.01)、碳儲量服務(wù)(r=-0.87,P=0.001)均為顯著權(quán)衡關(guān)系;碳儲量服務(wù)與產(chǎn)水服務(wù)(r=0.76,P=0.001)、土壤保持服務(wù)(r=0.85,P=0.001)之間為極顯著協(xié)同關(guān)系。

表6 信豐縣柑橘園擴(kuò)張前后(2010年)、擴(kuò)張后(2019年)景觀指數(shù)變化

在柑橘規(guī)模種植的影響下,研究區(qū)林地和耕地面積逐漸減少,生態(tài)系統(tǒng)截留雨水、攔沙和固碳能力減弱,因此柑橘供給服務(wù)與產(chǎn)水服務(wù)、土壤保持服務(wù)、碳儲量服務(wù)具有較強(qiáng)的權(quán)衡關(guān)系。這表明隨著柑橘園的擴(kuò)張,柑橘供給服務(wù)增加的同時,可能會引起生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)水服務(wù)、土壤保持服務(wù)和碳儲量服務(wù)減少。碳儲量服務(wù)與產(chǎn)水服務(wù)、土壤保持服務(wù)具有較強(qiáng)的協(xié)同關(guān)系,可能是因為柑橘園種植區(qū)植被覆蓋度低、地表裸露、容易發(fā)生水土流失,從而導(dǎo)致植被生長受限,碳密度較低。故從柑橘園生態(tài)管理的角度來看,提高柑橘園地表植被覆蓋率,有利于防止水土流失,降低柑橘園擴(kuò)張對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的不利影響。

3.5 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與景觀格局的關(guān)聯(lián)分析

由圖4可知,斑塊數(shù)量(NP)與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)聯(lián)性最為顯著。斑塊數(shù)量與柑橘供給服務(wù)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(r=0.86,P=0.001),而其與產(chǎn)水服務(wù)(r=-0.84,P=0.001)、土壤保持服務(wù)(r=-0.75,P=0.001)、碳儲量服務(wù)(r=-0.90,P=0.001)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。景觀凝聚度指數(shù)(COHESION)與土壤保持服務(wù)(r=0.61,P=0.05)、碳儲量服務(wù)(r=0.69,P=0.01)具有顯著正相關(guān)關(guān)系。其它景觀格局指數(shù)和4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系較弱。

綜合分析,研究區(qū)柑橘供給服務(wù)的增加可能會導(dǎo)致景觀破碎化,而景觀破碎化會對產(chǎn)水服務(wù)、土壤保持服務(wù)和碳儲量服務(wù)產(chǎn)生負(fù)向影響。柑橘園連片種植,提高景觀凝聚度,減少景觀破碎化,有助于提高土壤保持服務(wù)和碳儲量服務(wù)供給能力。研究區(qū)柑橘園擴(kuò)張會導(dǎo)致土地利用結(jié)構(gòu)更為平衡(表6),而Shannon′s多樣性指數(shù)與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系表明,柑橘園擴(kuò)張引起的數(shù)量結(jié)構(gòu)平衡可能會對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。雖然部分景觀格局指數(shù)與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相關(guān)關(guān)系并未通過顯著性檢驗,但是從相關(guān)系數(shù)可知,不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對景觀格局變化的響應(yīng)存在方向性差異。

圖4 生態(tài)效應(yīng)權(quán)衡/協(xié)同與關(guān)聯(lián)Fig.4 Tradeoff/synergy and correlation of ecological effects NP：斑塊數(shù)量Patches Number；PD：斑塊密度Patch Density；CONNECT：景觀連接度Connect Index；COHESION：景觀凝聚度Cohesion Index；SHDI：Shannon′s多樣性指數(shù)Shannon′s Diversity Index；Citrus Supply：柑橘供給服務(wù)；Water Yield：產(chǎn)水服務(wù)；Soil Conservation：土壤保持服務(wù)；Carbon Storage：碳儲量服務(wù)。*表示在0.05水平顯著,**表示在0.01水平顯著,***表示在0.001水平顯著

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

本研究通過分析柑橘園擴(kuò)張前后(2010—2019年)柑橘園的數(shù)量和空間轉(zhuǎn)換來源、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的地形效應(yīng)、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和景觀格局變化及其權(quán)衡與關(guān)聯(lián),從而揭示了信豐縣柑橘園擴(kuò)張對生態(tài)環(huán)境的影響,得到以下主要結(jié)論：

(1)2010—2019年間,柑橘園大量轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出,轉(zhuǎn)入柑橘園7504.72 hm2,轉(zhuǎn)出柑橘園4832.16 hm2,柑橘園凈增加2672.55 hm2,新增柑橘園主要來源于林地和耕地,縮減柑橘園主要轉(zhuǎn)為林地、耕地,區(qū)域內(nèi)林地、耕地和柑橘園三者轉(zhuǎn)換頻繁。

(2)柑橘園擴(kuò)張對水土保持服務(wù)和碳儲量服務(wù)產(chǎn)生負(fù)向影響,對柑橘供給服務(wù)產(chǎn)生正向影響,對產(chǎn)水服務(wù)幾乎無影響,且導(dǎo)致信豐縣景觀格局總體呈現(xiàn)破碎化趨勢,景觀連通性降低。林地和耕地減少、陡坡和海拔相對較高地區(qū)種植、植被覆蓋度降低以及種植規(guī)模小而分散是柑橘園擴(kuò)張對生態(tài)效應(yīng)產(chǎn)生負(fù)向影響的重要原因。

(3)不同類型柑橘園在不同地形梯度上的擴(kuò)張對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響方向和程度存在差異。其中,柑橘園在高程200—300 m,坡度15°—25°以及中地形部位的柑橘園擴(kuò)張行為對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的負(fù)向影響最大。

(4)2010—2019年間,柑橘供給服務(wù)與產(chǎn)水服務(wù)、土壤保持服務(wù)、碳儲量服務(wù)呈權(quán)衡關(guān)系,碳儲量服務(wù)與產(chǎn)水服務(wù)、土壤保持服務(wù)呈協(xié)同關(guān)系。斑塊數(shù)量與柑橘供給服務(wù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系,而與支持服務(wù)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

4.2 討論

4.2.1柑橘園擴(kuò)張的生態(tài)效應(yīng)及其權(quán)衡與關(guān)聯(lián)

政策因素是柑橘園擴(kuò)張的主要驅(qū)動力之一[22]。在我國南方地區(qū),柑橘主產(chǎn)區(qū)與重點扶貧區(qū)高度重合[40],柑橘產(chǎn)業(yè)不僅能拉動地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展,還能促進(jìn)農(nóng)民增收,受到地方政府重視。信豐縣政府及相關(guān)部門制定了柑橘幼苗補(bǔ)助、化肥農(nóng)藥補(bǔ)貼、免費(fèi)技術(shù)培訓(xùn)以及山地開發(fā)優(yōu)惠等政策,鼓勵柑橘產(chǎn)業(yè)發(fā)展[41]。在政策扶持和柑橘種植的地形條件約束下,縣域內(nèi)柑橘園快速擴(kuò)張,柑橘供給服務(wù)主要發(fā)生在高程300 m以下,坡度5°—25°以及低、中地形部位的區(qū)域,這與張起明等[21]和王斌等[22]對贛南柑橘分布規(guī)律的研究結(jié)果相似。本文的研究結(jié)果表明,柑橘園擴(kuò)張會給生態(tài)系統(tǒng)的土壤保持服務(wù)、碳儲量服務(wù)帶來負(fù)向效應(yīng),這與Duan等[42]和Liu等[17]研究結(jié)果一致。其中,柑橘園在高程200—300 m,坡度15°—25°以及中地形部位的柑橘園擴(kuò)張行為引起的區(qū)域碳儲量、土壤保持量損失最大。然而劉冠等[43]對麻塔流域的研究結(jié)果表明,經(jīng)果林在坡度15°—25°的建設(shè)有利于增強(qiáng)景觀固碳能力,這與本文的研究結(jié)果不同,可能原因在于土地利用變化差異。本研究區(qū)域柑橘園主要由林地和耕地轉(zhuǎn)換而來,大面積的林地轉(zhuǎn)為柑橘園是研究區(qū)碳儲量減少的主要原因,而麻塔流域的果園主要來源于灌木和未利用地。一些研究也表明[44—46],林地和耕地是生態(tài)系統(tǒng)重要的碳庫,林地和耕地向其它碳密度低的地類轉(zhuǎn)換時,植被和土壤碳儲量會有所減少。同時,Su等[18]和Cerdà等[47]的研究發(fā)現(xiàn),陡坡建園會加速地表徑流,加劇水土流失。這些研究表明柑橘園的土地轉(zhuǎn)換來源以及種植坡度對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)具有重要的影響,這也佐證了本研究的結(jié)果。

本研究識別了柑橘種植影響下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)柑橘供給服務(wù)與支持服務(wù)之間存在較強(qiáng)權(quán)衡關(guān)系,表明區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)空間和生態(tài)空間競爭水土資源的矛盾突出。而戴路煒等[48]對多倫多縣的研究結(jié)果顯示供給服務(wù)與支持服務(wù)呈協(xié)同關(guān)系。究其原因,一方面可能因為本研究所涉及的供給服務(wù)提供主體為果園生態(tài)系統(tǒng),而后者研究中的供給服務(wù)提供主體為農(nóng)田和草地生態(tài)系統(tǒng)；另一方面可能是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的評估方法不同[49]。柑橘園擴(kuò)張過程中,區(qū)域景觀格局呈現(xiàn)破碎化趨勢,景觀連通性降低。王云等[50]關(guān)于西安市的研究發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)景觀破碎化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值呈較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系。董敏等[51]的研究表明林區(qū)景觀破碎化度增加會致使生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)減少。邵大偉等[52]運(yùn)用地理探測器方法揭示了破碎化因子交互作用對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的作用效應(yīng)。這些研究結(jié)果與本研究相互印證,景觀破碎化限制了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能或價值的發(fā)揮。

4.2.2模型變量數(shù)據(jù)的選取及研究局限性

由于數(shù)據(jù)可獲取性原因,本研究僅探討了柑橘園擴(kuò)張(2010—2019年)對柑橘供給、產(chǎn)水、土壤保持和碳儲存4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化和景觀格局變化的影響,對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和景觀格局變化的驅(qū)動機(jī)制分析不足,未考慮不同經(jīng)營年限柑橘園的生態(tài)效應(yīng)差異和柑橘園擴(kuò)張對氣候調(diào)節(jié)、文化服務(wù)等其它種類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響,尚待未來深入研究。此外,利用InVEST模型對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行評估時,一是模型中的生物物理參數(shù)大多以土地利用類型為單元確定,且部分參數(shù)無年際變化,故本研究僅能反映柑橘園擴(kuò)張對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)影響的趨勢和程度,并不能準(zhǔn)確估算柑橘園擴(kuò)張對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響。二是考慮到贛南濕潤地區(qū)風(fēng)蝕過程較弱,模型評估土壤保持服務(wù)時僅考慮了水蝕,忽略了風(fēng)蝕的量化。因此,在未來的研究中,模型的修正和參數(shù)的本地化仍需進(jìn)一步精確量化。

4.2.3柑橘園管理與生態(tài)保護(hù)

(1)優(yōu)先利用存量園地,減少新開墾園地,對于受嚴(yán)重病蟲害而無法種植的果園實行有序還林,恢復(fù)生態(tài)。研究區(qū)內(nèi)柑橘園、林地、耕地三種土地利用類型轉(zhuǎn)換頻繁,園地內(nèi)部轉(zhuǎn)換劇烈。開墾新果園會加劇土壤侵蝕[53],尤其是占林型柑橘園新種植區(qū)可能面臨土壤流失和碳儲量減少雙重生態(tài)風(fēng)險。建議開發(fā)果園執(zhí)行準(zhǔn)入立項審批制度和退出審查制度,對于園地轉(zhuǎn)換頻繁的嘉定鎮(zhèn)、古陂鎮(zhèn)和大塘埠鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)重點實行柑橘園開發(fā)監(jiān)管,禁止隨意開發(fā)、擴(kuò)張或撂荒果園。

(2)開展柑橘種植規(guī)劃,引導(dǎo)農(nóng)戶合理選址開發(fā)果園。禁止在海拔300 m以上,坡度25°的地形處開發(fā)果園,嚴(yán)格要求位于高程200—300 m,坡度15°—25°以及中地形部位的柑橘園做好果園地表覆蓋、實行“山頂戴帽”,建立果園水平等高反坡梯田、橫山排蓄水溝、果園生草等水土保持措施,最大程度減少對重要林地和優(yōu)質(zhì)耕地的占用。結(jié)合自然資源基礎(chǔ)條件,合理劃定柑橘園可開發(fā)種植區(qū)、限制開發(fā)種植區(qū)、禁止開發(fā)種植區(qū)三類區(qū)域。

(3)減少和限制農(nóng)戶小規(guī)模分散經(jīng)營果園,恢復(fù)和新開發(fā)柑橘園采取適度規(guī)模種植。規(guī)模種植的果園,應(yīng)種植一定規(guī)模的隔離帶,防止病蟲害的快速傳播。開展相關(guān)教育培訓(xùn)或技術(shù)指導(dǎo),提高農(nóng)戶柑橘種植的生態(tài)保護(hù)意識,堅持生態(tài)開發(fā)、生態(tài)種植原則,實現(xiàn)柑橘供給服務(wù)和產(chǎn)水服務(wù)、土壤保持服務(wù)、碳儲量服務(wù)的權(quán)衡轉(zhuǎn)向協(xié)同。