景觀格局變化及生態(tài)服務(wù)價(jià)值響應(yīng)在千陽(yáng)縣的應(yīng)用研究

王占，袁占良(河南理工大學(xué)測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院，河南焦作454003)景觀格局的演變是研究區(qū)域人類活動(dòng)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，量化景觀指數(shù)是研究區(qū)域景觀格局演變過(guò)程的基本方法；生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過(guò)程所形成及所維持的人類賴以生存的自然環(huán)境條件與效應(yīng)[1-3]。兩者均能直觀表示區(qū)域內(nèi)自然與人類活動(dòng)的變化過(guò)程，但兩者又相互制約、相互作用。景觀格局變化必然導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)組分、結(jié)構(gòu)與生態(tài)過(guò)程及生物多樣性等發(fā)生強(qiáng)烈改變，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生顯著的影響[4-5]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的喪失和退化影響著景觀類型變化的結(jié)構(gòu)和效率，嚴(yán)重影響著人類安全與健康，直接威脅著區(qū)域乃至全球的生態(tài)安全[6]。研究景觀格局變化及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)響應(yīng)能有效掌握區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化趨勢(shì)，合理分配利用土地，提高區(qū)域生態(tài)質(zhì)量，促進(jìn)人類與自然的和諧可持續(xù)發(fā)展[7-9]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)價(jià)是量化和分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能強(qiáng)弱、制定生態(tài)環(huán)境建設(shè)補(bǔ)償政策的重要前提[10]。國(guó)際上主要以Costanza[2]等提出的基于效用價(jià)值理論和平衡值理論的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估模型，但該方法準(zhǔn)確度較低，不符合中國(guó)國(guó)情。我國(guó)謝高地等人[11]參照國(guó)外的研究結(jié)果，對(duì)我國(guó)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行估算和動(dòng)態(tài)變化分析，較為系統(tǒng)地詮釋了中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的空間分布規(guī)律。彭建等人[12]參考Costanza的研究成果，定量評(píng)價(jià)了我國(guó)區(qū)域景觀格局變化的生態(tài)效應(yīng)。李志等人[13]計(jì)算了王東溝流域土地利用的生態(tài)服務(wù)價(jià)值，結(jié)果說(shuō)明景觀格局變化與生態(tài)服務(wù)效應(yīng)具有相關(guān)性。陳希等人[14]采用景觀指數(shù)和生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量估算方法，定量分析了湘江流域近30年來(lái)不同類型景觀的景觀格局變化特征和生態(tài)服務(wù)價(jià)值。千陽(yáng)縣地處陜西西部渭北旱原丘陵溝壑區(qū)，是陜西貧困山區(qū)農(nóng)業(yè)縣，“人多地少、土地資源有限”是千陽(yáng)縣的實(shí)際情況[15]。以千陽(yáng)縣作為研究對(duì)象，將RS、GIS與景觀指數(shù)相結(jié)合，基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的數(shù)學(xué)模型，定量化分析景觀格局變化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的響應(yīng)，并通過(guò)敏感性指數(shù)驗(yàn)證結(jié)果可靠性，研究結(jié)果可為千陽(yáng)縣后續(xù)合理利用土地、分配優(yōu)勢(shì)資源、促進(jìn)區(qū)域可持續(xù)性發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)為國(guó)家在黃土高原區(qū)域的生態(tài)保護(hù)、土地利用、資源分配等政策制定提供理論參考。1研究區(qū)概況千陽(yáng)縣位于陜西西部，地處渭北旱塬丘陵溝壑區(qū)，地形地貌為“七山二塬一分川”。全縣土地總面積1007.48km2，境內(nèi)轄7鎮(zhèn)65個(gè)行政村，總?cè)丝?3.4萬(wàn)人，其中農(nóng)業(yè)人口11.1萬(wàn)人；境內(nèi)海拔710～1545.5m，相對(duì)高差835.5m，屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候；年均氣溫10.9℃，年均降水677.1mm，無(wú)霜期197d。境內(nèi)渭河支流千河橫貫東西，主要景觀類型為耕地、林地、草地、建設(shè)用地、水體、未利用地。2數(shù)據(jù)來(lái)源及方法2.1數(shù)據(jù)來(lái)源及數(shù)據(jù)預(yù)處理選用2000、2005、2010年LandsatTM影像及2015年LandsatOLI影像，利用ENVI5.1軟件對(duì)遙感影像進(jìn)行預(yù)處理，輻射糾正、幾何糾正和圖像配準(zhǔn)，進(jìn)一步在人機(jī)交互的方式下解譯。以《土地利用現(xiàn)狀分類》為基本方法，根據(jù)具體的研究目標(biāo)和研究區(qū)實(shí)際情況，將景觀類型劃分為林地、草地、耕地、建設(shè)用地、水體及未利用地6大景觀類型，經(jīng)野外實(shí)際取點(diǎn)驗(yàn)證，準(zhǔn)確率達(dá)到85%以上。2.2研究方法2.2.1景觀格局演變景觀指數(shù)是指能夠高度濃縮景觀格局信息、反映其結(jié)構(gòu)的組成和空間配置某些方面特征的簡(jiǎn)單定量指標(biāo)[16]。根據(jù)需要，選取了斑塊類型面積(CA)、斑塊面積比例(PLAND)、斑塊數(shù)(NP)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、聚集度(CLUMPY)、斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、平均斑塊面積(AREA_MN)。景觀水平上選取斑塊數(shù)(NP)、斑塊密度(PD)、香農(nóng)均勻度(SHEI)、香農(nóng)多樣性(SHDI)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、景觀豐富度(PR)、蔓延度(CONTAG)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、平均斑塊面積(AREA_MN)來(lái)說(shuō)明各景觀類型面積、復(fù)雜度、破碎度等空間特征。土地利用程度用于分析區(qū)域土地利用的廣度和深度，能夠定量化反映自身自然屬性和人類與自然環(huán)境的綜合效應(yīng)[17-18]。式中:Lu為土地利用程度綜合指數(shù)；Pi為第i級(jí)土地利用程度分級(jí)指數(shù)；Qi為第i級(jí)土地利用程度分級(jí)面積百分比。2.2.2ESV評(píng)估目前生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的評(píng)估主要以Costanza[2]等提出的生態(tài)價(jià)值估算方法為主，但由于該方法適用性較弱，誤差較大，因此謝高地[8]等人在Costanza評(píng)價(jià)模型的基礎(chǔ)上提出了估算我國(guó)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的價(jià)值當(dāng)量因子表。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)的計(jì)算公式如下：式中：VC0為ESV當(dāng)量因子的價(jià)值量(元hm-2a-1)；P為平均糧食價(jià)格(元/kg)；Q為研究區(qū)平均糧食產(chǎn)量(kg/hm2)；n為年份數(shù)。價(jià)值當(dāng)量乘以農(nóng)田自然糧食產(chǎn)量的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，即可定量化出景觀類型單位面積生態(tài)價(jià)值。評(píng)估千陽(yáng)縣ESV的公式為：ESVf=∑(Ak×VCfk)式中：ESV是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(元)；Ak為景觀類型K的面積(hm2)，VCk為ESV系數(shù)(元hm-2a-1)；ESVf為生態(tài)系統(tǒng)第f項(xiàng)服務(wù)功能價(jià)值；VCfk為景觀類型k的第f項(xiàng)服務(wù)功能價(jià)值系數(shù)(元hm-2a-1)。2.2.3敏感性驗(yàn)證為驗(yàn)證選用的VC是否適合本研究區(qū)，選用敏感性指數(shù)(CoefficientofSensitivity，CS)來(lái)分析。敏感性分析是指在得到模型的最優(yōu)解后無(wú)論模型中若干個(gè)參數(shù)變化多少，仍能保持原最優(yōu)解的條件不變[19]。ESV和VC在時(shí)間變化下的依賴關(guān)系可以通過(guò)敏感性指數(shù)來(lái)確定。敏感性指數(shù)(CS)指VC變化1%將會(huì)引起ESV的1%的變化，如果CS>1，表明ESV對(duì)VC是富有彈性的，結(jié)果的準(zhǔn)確性越低，引用的VC就越不準(zhǔn)確；CS<1，則表明ESV對(duì)VC是缺乏彈性的[20]，VC引入合適，結(jié)果可信。CS的計(jì)算公式如下：式中：CS為敏感度，指VC變動(dòng)1%引起的ESV的變化情況；VC為生態(tài)價(jià)值系數(shù)；i和j是初始價(jià)值系數(shù)和調(diào)整后的系數(shù)；k代表景觀類型。3結(jié)果與分析3.1景觀類型水平變化特征分析從各景觀類型的景觀指數(shù)變化情況分析(表1)，2000-2015年，隨著人類活動(dòng)的不斷增加，耕地各景觀指數(shù)呈下降趨勢(shì)，景觀形狀指數(shù)下降13.14%，表明耕地景觀類型趨于規(guī)則，與聚集度指數(shù)對(duì)比，耕地景觀類型的連通性增加，破碎化程度降低；林地作為該研究區(qū)的優(yōu)勢(shì)景觀類型，與草地有類似的指數(shù)變化趨勢(shì)，兩者斑塊數(shù)和斑塊密度指數(shù)整體下降，但都在2015年有小幅回升，說(shuō)明林地景觀類型與草地景觀類型整體形狀趨于簡(jiǎn)單規(guī)則，在2015年由于自然及外界因素的干擾，破碎度隨之提升，景觀異質(zhì)性增強(qiáng)；隨著城鄉(xiāng)城市化的加速發(fā)展，研究區(qū)建設(shè)用地的斑塊面積比例和最大斑塊指數(shù)都在逐年增加，代表著人類活動(dòng)的干擾強(qiáng)度增強(qiáng)，同時(shí)未利用地得到了有效利用；水體在研究區(qū)內(nèi)面積有所減少，聚集度和景觀形狀指數(shù)降幅最大，說(shuō)明在人類活動(dòng)的干預(yù)下該區(qū)域水體破碎程度嚴(yán)重。表12000-2015年千陽(yáng)縣景觀類型水平指數(shù)Tab.1LevelindexofQianyangCountylandscapetypefrom2000to20153.2景觀級(jí)別水平變化特征分析從表2中看出，研究區(qū)2000-2015年景觀形狀指數(shù)持續(xù)減少，說(shuō)明該研究區(qū)內(nèi)人類的活動(dòng)干預(yù)使景觀形狀趨于集中，但在研究期間，斑塊數(shù)和最大斑塊指數(shù)一直呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，表明研究區(qū)總體呈破碎趨勢(shì)，景觀優(yōu)勢(shì)度下降，蔓延度持續(xù)增長(zhǎng)，說(shuō)明優(yōu)勢(shì)斑塊形成了良好的連通性，且該優(yōu)勢(shì)斑塊區(qū)域擴(kuò)大。研究區(qū)香農(nóng)多樣性和香農(nóng)均勻度指數(shù)變化趨勢(shì)相同，呈現(xiàn)先增加后減少再增加的趨勢(shì)，總體表現(xiàn)有所提高，說(shuō)明2000年景觀多樣性和均勻度最小。此時(shí)研究區(qū)內(nèi)各景觀斑塊類型分布最不均勻，多樣性差，連通性較弱。直到2015年，景觀多樣性與均勻度較2000年有所提升，說(shuō)明研究區(qū)內(nèi)各景觀斑塊類型分布趨于均勻，景觀的優(yōu)勢(shì)度逐漸降低，多樣性提高。表22000-2015年千陽(yáng)縣景觀級(jí)別水平指標(biāo)Tab.2LandscapelevelindicatorsofQianyangCountyfrom2000to20153.3景觀類型面積變化特征及相互轉(zhuǎn)化關(guān)系分析圖1為研究區(qū)4期土地利用類型圖。根據(jù)表3發(fā)現(xiàn)，2000-2015年，各景觀類型面積都發(fā)生了變化，其中耕地面積總體變化量最大，并且在2000-2005年變化量達(dá)到峰值，總體變化量為-7378.301hm2；草地面積先增后減，整體面積保持增加趨勢(shì)，總體變化量為3383.4hm2；林地面積逐年上升，總體變化量為3705.42hm2；建設(shè)用地面積保持增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，在2005-2010年達(dá)到增長(zhǎng)峰值，總體變化量為284.540hm2；水體面積先增后減，總體面積增加，總體變化量為191.66hm2；未利用地面積總體減少，從2005年開(kāi)始減弱趨勢(shì)放緩，總體變化量為-186.72hm2。由表4發(fā)現(xiàn)，近15年間，研究區(qū)轉(zhuǎn)出面積最大的景觀類型是耕地，占總轉(zhuǎn)出面積的90.51%，與之相應(yīng)的轉(zhuǎn)入面積最大的類型分別為林地和草地，分別占總轉(zhuǎn)入面積的49.59%和43.65%。該結(jié)果表明，研究區(qū)受政府政策影響，為了恢復(fù)自然生態(tài)，防止水土流失及人類破壞，將部分耕種區(qū)域和坡度較大的不適宜耕種的地區(qū)轉(zhuǎn)移為林地和草地，部分耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，而未利用地大部分轉(zhuǎn)變?yōu)樗w，使未利用地得到了充分利用。此外，隨著大面積的耕地分散轉(zhuǎn)移，水體面積的增加及未利用地的充分利用，使得研究區(qū)的整體生態(tài)環(huán)境逐步趨好，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能得到提高。圖1千陽(yáng)縣2000-2015年4期土地利用類型圖Fig.1LandusetypeofQianyangCountyfrom2000to2015表3各景觀類型面積變化量及百分比Tab.3Areachangeandpercentageofeachlandscapetype表42000-2015年景觀類型面積轉(zhuǎn)移矩陣(hm2)Tab.4Landscapetypeareatransfermatrixfrom2000to2015(hm2)3.4土地利用程度分析由研究區(qū)4期土地利用程度指數(shù)(表5)看出，2000-2015年，土地利用程度指數(shù)呈逐步上升趨勢(shì)，均高于全國(guó)平均值231；2015年，土地利用程度指數(shù)最大，說(shuō)明近15年千陽(yáng)縣在土地利用層面有了巨大改善，土地得到有效利用且土地利用趨于均勻，土地利用多樣性增強(qiáng)，景觀的功能性得到了提升。表52000-2015年土地利用程度指數(shù)Tab.5Landuseindexfrom2000to20153.5生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化分析3.5.1總體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化根據(jù)計(jì)算的研究期生態(tài)服務(wù)價(jià)值(表6)可以看出，研究區(qū)近15年總體ESV呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，總體上升4.34%，但從各年變化率看，這種上升趨勢(shì)在明顯減弱。從各景觀類型角度來(lái)說(shuō)，2000-2015年，除耕地和未利用地的ESV下降以外，其他各景觀類型的ESV均有不同程度的上升，其中林地的ESV增加了83.087×105元，增幅為7.67%；水體的ESV增加了9.05×105元，增幅為15.31%；草地的ESV增加了25.138×105元，增幅為23.1%，是各景觀類型中增幅最大的景觀類型。耕地的ESV下降了52.321×105元，降幅達(dá)21.46%；而未利用地的ESV降幅最大，達(dá)到97.17%，下降了0.08×105元。總體上說(shuō)，研究區(qū)在研究期間的總體ESV上升了64.873×105元，變化率為4.34%，雖然未利用地的ESV降幅最大，但未利用地ESV基數(shù)較低，產(chǎn)生的影響并不大，而耕地ESV的下降直接影響了林地與草地ESV的上升，對(duì)研究區(qū)總體ESV的增加起著關(guān)鍵的引導(dǎo)作用。表62000-2015年不同景觀類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值及變化量Tab.6Valueandchangeofecosystemservicesofdifferentlandscapetypesfrom2000to20153.5.2單項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化從單項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化上來(lái)看(表7)，2000-2015年，研究區(qū)食物生產(chǎn)功能價(jià)值的降幅最大，下降6.132×105元，降幅達(dá)13.66%；價(jià)值增長(zhǎng)最多的是生物多樣性，增漲11.23×105元，增幅達(dá)6.91%。2000-2005年，各單項(xiàng)功能價(jià)值變化幅度最為明顯，其中水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值增長(zhǎng)最多，增漲價(jià)值達(dá)10.581×105元，增幅達(dá)4.85%。2005-2015年，各單項(xiàng)功能價(jià)值變化趨勢(shì)減弱，直到2010年后，各單項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化率達(dá)歷年最低，浮動(dòng)最小。從研究區(qū)整體單項(xiàng)構(gòu)成來(lái)說(shuō)，各單項(xiàng)服務(wù)功能價(jià)值可概括為：土壤形成與保護(hù)>水源涵養(yǎng)>生物多樣性保護(hù)>氣體調(diào)節(jié)>氣候調(diào)節(jié)>廢物處理>原材料>娛樂(lè)文化>食物生產(chǎn)。土壤形成與保護(hù)服務(wù)功能價(jià)值最高，占總功能價(jià)值的18.25%，其次是水源涵養(yǎng)服務(wù)功能，占總體服務(wù)價(jià)值的14.9%，再次是生物多樣性保護(hù)、氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)服務(wù)功能，三者合計(jì)占總體服務(wù)價(jià)值的39.69%，食物生產(chǎn)占總體服務(wù)價(jià)值的比例最低，僅為2.49%，其主要原因是林地與草地類型的增加提高了區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，直接影響了土壤形成與保護(hù)和水源涵養(yǎng)服務(wù)功能，提高了區(qū)域水土保持和涵養(yǎng)水源的能力，導(dǎo)致土壤形成與保護(hù)及水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值得到了提高。由于部分耕地類型轉(zhuǎn)變?yōu)榱值嘏c草地，加之政府部門推動(dòng)現(xiàn)代化城鎮(zhèn)建設(shè)及娛樂(lè)文化服務(wù)價(jià)值的提高，影響了食物的生產(chǎn)能力，導(dǎo)致該區(qū)域食物生產(chǎn)服務(wù)價(jià)值下降。表72000-2015年千陽(yáng)縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值結(jié)構(gòu)變化Tab.7ChangesinthevaluestructureofecosystemservicesinQianyangCountyfrom2000to20153.6敏感性分析將各景觀類型的生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)進(jìn)行50%的調(diào)整，根據(jù)敏感性指數(shù)變化(圖2)可以看出：總體景觀類型的敏感性指數(shù)均小于1；2000-2015年，林地的敏感性指數(shù)最大，其敏感性指數(shù)均大于0.51，并逐年增長(zhǎng)，代表當(dāng)林地的生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)改變1%時(shí)其總生態(tài)服務(wù)價(jià)值至少改變0.51%；此外水體的敏感性指數(shù)最低，均小于0.1，代表當(dāng)水體的生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)改變1%時(shí)其總生態(tài)服務(wù)價(jià)值最多改變0.06%。綜上所述，研究區(qū)各景觀類型的敏感性指數(shù)均小于1，表明所采用的價(jià)值系數(shù)是非彈性的，適用于研究區(qū)的實(shí)際情況，其生態(tài)服務(wù)價(jià)值估算結(jié)果可信。圖22000-2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值敏感性指數(shù)變化Fig.2Changesinthesensitivityindexofecosystemservicesfrom2000to20154結(jié)論與討論從景觀格局來(lái)說(shuō)，2000-2015年，千陽(yáng)縣景觀類型變化明顯，耕地轉(zhuǎn)出比例90.51%，大部分轉(zhuǎn)為林地與草地，轉(zhuǎn)入面積分別為4066.56hm2和3579.3hm2。此外，耕地景觀類型形狀趨于規(guī)則，聚集度及連通性增強(qiáng)。林地與草地景觀類型的斑塊數(shù)和斑塊密度指數(shù)整體下降，2010年后又有小幅提升，說(shuō)明受自然和外界因素干擾，破碎度提升，景觀異質(zhì)性增強(qiáng)。隨著人類活動(dòng)的干預(yù)，建設(shè)用地的斑塊面積比例和最大斑塊指數(shù)都在逐年增加，水體的聚集度和景觀形狀指數(shù)下降，說(shuō)明在人類活動(dòng)