生態系統服務功能與景觀格局耦合協調度研究
——以武陵山區退耕還林工程為例

李慧杰,牛 香,王 兵,*,趙志江

1 北京林業大學信息學院,北京 100083 2 中國林業科學研究院森林生態環境與保護研究所,北京 100091 3 國家林業和草原局森林生態環境重點實驗室,北京 100091 4 江西大崗山森林生態系統國家野外科學觀測研究站,新余 338033 5 中國國際工程咨詢有限公司農村經濟與地區業務部,北京 100048

武陵山區是我國集中連片特困地區之一,中共中央、國務院及各級政府為武陵山區的發展從各方面提供政策支持。退耕還林工程作為我國“六大林業工程”之一,同時也是我國實施西部大開發戰略的重要舉措[1-2],新一輪退耕還林工程自2014年啟動以來,武陵山區內各省退耕還林工程任務主要向片區傾斜,堅持發展特色產業精準助推扶貧,取得了很好的成效。

隨著生態系統為人類福祉做出的貢獻被普遍認可,國內外大量關于生態系統服務的研究涌現,部分學者從生態系統服務量化評估、時空演變、模擬預測以及權衡協同關系等多個角度進行了的研究[3-7],較為常用的生態系統服務價值量評估方法一般為實際市場法、替代市場法和虛擬市場法[8]；目前生態系統服務在生態學領域已經有較為成熟的評估方法,同時,生態系統服務在景觀規劃領域也成為了研究熱點,有學者從農田、林地等不同景觀尺度對生態系統服務進行研究,在此基礎上進行景觀格局演變對生態系統服務價值影響的研究[9-17]；此外,還有學者針對景觀破碎化與生態系統服務功能之間的聯系提出了一個概念框架,認為景觀破碎化主要對生物多樣性保護功能、涵養水源和森林游憩等功能產生正面或負面的影響[18]。總體而言,目前已有的研究主要側重于生態系統服務本身的估算與演變,即便是從景觀角度進行分析,也是對單一功能或單一景觀進行研究,針對生態系統服務與景觀結構兩者之間整體的相互作用機制的研究較少。因此本文以武陵山區退耕還林工程為例,對其生態系統服務進行估算、景觀格局演變進行分析,在此基礎上研究生態系統服務與景觀格局耦合協調度,一方面對片區實施退耕還林工程取得的生態效益情況進行總結,另一方面揭示生態系統服務與景觀格局在時間和空間上的動態關系,填補生態系統服務功能和景觀格局演變耦合協調研究的空白,同時可為片區生態系統管理和土地利用資源合理有效配置提供決策輔助,對人與自然和諧耦合發展具有重要意義,對于全面實施長江經濟帶發展戰略和加快推進生態文明建設具有時代意義。

1 研究區概況

武陵山區(圖1)是我國以少數民族聚集為主的集中連片特困地區之一[19],地處重慶、貴州、湖北、湖南四省交界地帶,包含64個縣,片區以武陵山脈為中心,地形復雜,山巒起伏,小型盆地和丘陵遍布其中[20],片區總人口為2300多萬人,少數民族占總人口數量將近一半[21],受民族宗教、自然因素等影響,片區長期處于相對封閉的狀態,經濟發展落后。此外,武陵山區位于我國重要的長江經濟帶,同時是我國的重點生態功能區,典型的亞熱帶動植物區,生物多樣性保護區,長江流域水土保持、水源涵養以及生態安全屏障功能區,是連接中原與西南的交通紐帶,中國區域經濟的分水嶺和西部大開發的最前沿[22],片區脆弱的生態環境和緩慢的經濟發展對長江經濟帶整體的建設起到一定的阻礙作用,基于此,武陵山區經濟發展以生態文明建設與扶貧開發相結合,強調生態保護,把修復生態環境放在首要位置。

圖1 武陵山區地理位置示意圖Fig.1 Geographical Map of Wuling Mountains area

2 研究方法

2.1 數據來源

(1)由于退耕還林工程開始于1999年,前期缺乏相關生態參數數據,故本文選用2005年和2017年各省退耕還林工程資源數據進行生態系統服務功能估算,該數據由國家林業和草原局退耕還林(草)工程管理中心提供(表1),退耕還林工程共有退耕地還林、宜林荒山荒地造林和封山育林3種植被恢復模式,本文以3種模式進行數據展示和計算,需要注意的是,退耕還林工程并不是武陵山區唯一的生態工程,本文以退耕還林工程為例,進行生態系統服務功能與景觀格局之間的耦合協調關系,不涉及其他林業工程；

表1 武陵山區退耕還林工程實施情況

(2)生態參數數據來源于武陵山區內及周邊的10個森林生態站和4個退耕還林工程專項及輔助監測站,以及多個輔助觀測點和固定樣地(見圖2)；

圖2 武陵山區退耕還林工程生態效益監測站點分布 Fig.2 Distribution of monitoring stations for ecological benefits of GGP in Wuling Mountain area

(3)1995、2005、2015年3期土地利用數據從中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn/)下載。

2.2 研究方法

2.2.1生態系統服務功能評估

本研究選取保育土壤、林木養分固持、涵養水源、固碳釋氧、凈化大氣環境5項主要生態服務功能,參照中華人民共和國國家標準《森林生態系統服務功能評估規范》( GB/T 38582—2020)和《退耕還林工程生態效益監測與評估規范》(LY/T 2573—2016)和《森林生態系統生物多樣性監測與評估規范》(LY/T 2241—2014)兩項行業標準,采用分布式測算方法對武陵山區退耕還林工程生態系統服務功能進行評估,即對武陵山區每個縣,按退耕還林工程3種植被恢復模式的優勢樹種(組)進行計算,相關計算公式詳情請參照文獻[23-27]。

2.2.2景觀格局分析

景觀格局分析基于1995、2005、2017年3期的景觀類型分布圖,景觀核密度分析結果利用ArcGIS的核密度分析工具獲得[28-29],景觀格局指數利用fragstats專業軟件獲得,各指標含義參照文獻[30-31]。

2.2.3耦合協調度模型

(1)指標無量綱化

(2)嫡權法確定權重模型

(3)耦合協調度

根據已有研究,當C=0時,無耦合,當D∈(0,0.3]時,為低度耦合,D∈(0.3,0.8]時,為中度耦合,D∈(0.8,1)時,為高度耦合。當D∈(0,0.3]時,為低度協調耦合,D∈(0.3,0.5]時,為中度協調耦合,D∈(0.5,0.8]時,為高度協調耦合,D∈(0.8,1)時,為極度協調耦合[32-33]。

3 結果與分析

3.1 退耕還林工程生態系統服務功能物質量

武陵山區退耕還林工程生態系統服務功能物質量如表3所示,2005—2017年間武陵山區退耕還林工程各項生態服務功能物質量均增長程度均在15倍左右,其中林木養分固持物質量增長程度最高為16.75倍,其次為釋氧和固碳功能,增長程度均在16倍之上。整體來看,武陵山區退耕還林工程2005—2017年間,生態系統服務功能發揮穩定增長,對于改善生態環境,保護生態安全具有重要作用。

表2 退耕還林工程生態系統服務功能計算公式

表3 武陵山區退耕還林工程生態系統服務功能物質量

以武陵山區2005年和2017年涵養水源、固碳和滯塵功能為例,分析片區退耕還林工程生態系統服務功能物質量空間分布特征。由圖3可知,2005年三項功能整體空間分布格局基本遵循由中間向南北兩個方向逐漸降低,且片區南部整體大于北部的趨勢；2017年,片區內各縣三項功能均有較大增長,空間分布格局呈現生態系統服務功能物質量較高的地區逐漸由西部向東南方向蔓延,分布較2005年更為均衡。

圖3 武陵山區退耕還林工程2005年和2017年生態系統服務功能物質量空間分布格局Fig.3 Spatial Distribution Pattern of Ecological Benefit Material Quantity of GGP in Wuling Mountain area in 2005 and 2007

3.2 景觀格局變化空間集聚特征分析

1995—2005年10年間,武陵山區景觀變化主要呈片狀集中分布在西部地區的重慶市和銅仁地區(如圖 4),景觀格局變化最大值為148.086。2005—2015年間,武陵山區景觀變化景觀變化向東南部擴散,主要集中在片區內重慶市、銅仁地區、婁底市、和邵陽市,恩施土家族苗族自治州和湘西土家族苗族自治州次之,景觀格局變化最大值為38.2869,與1995—2005年間對比景觀變化不太明顯,景觀格局變化空間上更為分散。從景觀格局變化的主要區域來看,20年間,景觀格局變化主要發生在坡度大于25°的區域,這與退耕還林工程實施情況極為相似,坡度大于25°耕地是退耕還林工程實施主要區域之一,同時,工程實施期間2005年前資源面積增長幅度較高,景觀格局變化最大值也較大,反映了退耕還林工程對景觀格局的影響。此外,武陵山區20年間景觀格局演變主要分布在林地、耕地和草地之間,其中林地和耕地之間的轉移率最高,1995—2005年間,三者相互轉化占整個轉移網絡的86.91%,2005—2015年間,三者相互轉化占整個轉移網絡的76.52%,表明武陵山區景觀格局變化主要受這3種景觀類型影響。

圖4 武陵山區景觀格局轉移密度Fig.4 Transfer density of landscape pattern in Wuling Mountain area

3.3 景觀格局指數變化分析

在景觀尺度上進行景觀格局指數的計算,如表4所示。

表4 武陵山區景觀水平景觀格局指數

從景觀水平指數上可以看出,1995—2015年武陵山區的景觀斑塊數量和斑塊密度先減少后增加,增幅不太明顯,蔓延度指數逐年減少,聚集指數先增加后減少,表明景觀中存在大量破碎的小板塊,連接性在下降,原因一方面為城市擴張影響,另一方面與退耕還林工程有關,增加的林地和減少的耕地造成了景觀的破碎化,影響到景觀格局中原有優勢景觀及其連通性,但在類型水平上計算時,2005—2015年間,耕地和林地的蔓延度指數和聚集度指數均呈現增加趨勢。香濃多樣性指數和香濃均勻度指數整體呈增加趨勢,表明片區土地利用景觀豐富度和復雜度不斷升高,景觀類型逐漸趨向均勻分布[34],不同類型對景觀整體格局的影響作用逐漸平衡[35]?？偟膩砜?隨著林業工程的實施,武陵山區土地利用景觀類型呈現出復雜性和離散性趨勢,這表明武陵山區當前還沒有出現優勢景觀,景觀中存在大量的小斑塊,在下一步生態工程建設中,更應注意景觀格局的連接度以及生態網絡的流通性,對武陵山區的景觀格局進行優化。

3.4 生態系統服務于景觀格局耦合協調度分析

從上述結果可以發現,武陵山區退耕還林工程生態系統服務和景觀格局的時空演變存在一定的相似性,為了進一步闡明二者之間的關系,使用耦合協調模型對二者關系進行測度,并揭示其協調程度。由于武陵山區退耕還林工程植被恢復模式包含封山育林,即退耕還林工程開始實施前,已有部分林分在發揮生態系統服務,但是由于缺乏工程開始前的相關生態參數,無法進行準確的計算,故生態系統服務選取武陵山區內各市級行政區2005—2017年間的差值進行計算,相應的,景觀格局指數選取2005—2015年間的差值進行耦合協調度分析,生態服務功能選取涵養水源、固碳、滯塵和生物多樣性保護功能,景觀格局選取NP、PD、CONTAG、SHDI、SHEI、AI,結果如下表所示：

生態系統服務和景觀格局綜合評價指數,在各個地市中存在差異,多數城市為景觀格局分布情況較好,生態系統服務有待提升,只有重慶和銅仁地區的景觀格局分布情況有待進一步進行規劃。每個市級行政區生態系統服務與景觀格局的耦合程度均為中度耦合,表明二者在武陵山區有較強的相關性,生態互動關系較好,但生態系統服務和景觀格局分布還有提升和優化的空間。協調度都在高度協調之上,且多數為極度協調,表明武陵山區生態系統服務和景觀格局10年間在發展程度上步調一致,同時,景觀格局發展受生態系統服務影響較大。

表5 武陵山區退耕還林工程生態系統服務和景觀格局耦合協調度

由于退耕還林工程林分幼林齡、中林齡占比偏大,所以各市退耕還林工程生態系統服務功能單位面積物質量與市區內所有森林生態系統服務功能單位面積物質量相比偏小。以第八次全國森林資源連續清查生態系統服務功能評估結果的單位面積物質量為依據,合理放大生態系統服務所選指標,以分析生態系統服務功能各指標對生態系統服務與景觀格局的耦合協調度的影響。結果表明：涵養水源、固碳、滯塵和生物多樣性保護功能中,12個地市耦合協調度變化程度排名為固碳(-0.06)、涵養水源(0.05)、滯塵(0.02)、生物多樣性保護功能(-0.01),其中,隨各功能增加耦合協調度增加排名為：涵養水源(0.06)、滯塵(0.3)、固碳(0.02)、生物多樣性保護(0.01)；各地市中,以婁底市變化情況最佳,隨涵養水源和固碳功能增加,生態系統服務與景觀格局的耦合程度從中度協調均提升為極度協調,婁底市在下一步退耕還林工程建設中,應注重涵養水源和固碳功能的提升。

4 討論

在生態文明建設已經成為既定國策的今天,武陵山區作為我國重點生態功能區,生態恢復和生態保護將直接關系到國家的生態安全[36]。同時,武陵山區作為集中連片特困地區之一,是片區內各省份新一輪退耕還林工程的主要實施區域,片區內64個縣均實施了退耕還林工,對片區生態文明建設起到了一定的成效。截至2017年底,武陵山區退耕還林工程每年涵養水源35.09×108m3,相當于三峽水庫蓄水深度達到15.64m時的庫容量；固土4712.45×104t,是2014年長江(2.75×108t)土壤侵蝕量的17.14%[37],水土保持生態服務價值占總價值的43%,處于主導地位,與退耕還林工程建設的初衷一致。生物多樣性保護價值排在第三位,占總價值量的19.48%,與生態區位需求基本吻合。從2005—2017年12年間,各項生態系統服務功能以每年約1.25倍的速度增長,為武陵山區生態修復提供了保障。從現有研究中可以發現,影響生態系統服務功能大小的最主要原因是資源面積的大小,水熱、地形以及經營等同樣會影響生態系統服務功能[23- 26],隨著工程的進一步實施,退耕還林工程成果的進一步鞏固,未來退耕還林工程在武陵山區將會發揮更高的生態系統服務功能,為區域水土保持、生物多樣性保護,以及維護國家生態安全發揮巨大作用。

利用武陵山區生態系統服務功能空間分布圖和景觀格局核密度分析結果對比發現,20年間景觀格局空間變化情況與生態系統服務功能的空間變化基本一致,均為由西部地區向東部、東南部、東北部呈發散狀進行轉變,坡度較大的區域景觀格局變化程度也較大,同時,景觀格局變化區域主要集中在林地、耕地和草地之間。景觀格局不僅是景觀異質性的表現,也是生態系統的生態過程的表現[38],景觀格局通過影響生態過程,從而對生態系統服務功能造成一定的影響[39]。武陵山區20年間,林地的斑塊形狀越來越規則,呈現集中分布的趨勢,林地面積大幅增加,片區林業工程實施情況較好,對生態系統服務功能的提升具有一定的幫助；但重要的生態源地的水體景觀越來越破碎,作為片區內林業工程實施的重要保障,在片區生態環境建設中應進一步加強水體景觀建設,保證生態源地的穩定,增加水體景觀的連接度,形成水體網絡[29],進而提高生態系統服務功能。

使用耦合協調度模型得到的結果,證明武陵山區的退耕還林工程生態系統服務功能和景觀格局存在較好的耦合關系和極強的關聯關系。武陵山區整體處在生態系統服務提升和景觀格局演變協調度較高的水平,二者發展情況一致性較高,相互影響較大,多數市的景觀格局趨向正向演變,生態系統服務功能提升較為滯后,重慶市和銅仁地區恰好相反,生態系統服務功能提升幅度較高,但景觀格局有待優化；此外,生態系統服務功能指標對耦合協調度的影響因子以固碳和涵養水源排在前列,隨后是滯塵和生物多樣性保護功能。固碳排在首位主要與退耕還林工程植被恢復模式有關,由表1可知宜林荒山荒地造林和退耕地還林占比最大,工程區林分多為幼齡林或中齡林[40],處于生長期、生長季的林分固碳功能較高[41-42],退耕還林工程固碳功能與工程實施情況關系密切,隨著新造林面積增加,固碳功能也會增加,但景觀格局勢必會受到影響,尤其在新的景觀格局形成的初期,景觀格局指數各項指標會出現一定的波動；涵養水源功能排名靠前與退耕還林工程實施的主要目的和武陵山區生態區位有關,工程實施主要為緩解我國當前所面臨的水土流失問題,涵養水源對景觀格局起到正面影響,與工程建設的初衷一致,達到了預期目的,同時,武陵山區是長江流域水土保持、水源涵養以及生態安全屏障功能區,隨涵養水源功能的增加,除重慶外,各地市耦合協調度均呈增加趨勢,片區的涵養水源功能還需進一步進行提升,而重慶市由于其特殊的地形條件,目前景觀格局演變與涵養水源功能相比,處于劣勢地位,景觀分布情況較差,涵養水源功能提高,這種差異也將被放大,景觀格局有待優化。滯塵排名較為靠后主要是由于退耕還林工程一般遠離城市,大氣顆粒物卻離城市很近,二者在空間距離上明顯存在差異。生物多樣性保護功能排名最后,主要是由于武陵山區作為生物多樣性保護的重點生態功能區,生物多樣性保護工作進行的較為到位,也很難再發生較大的改變,所以生物多樣性保護對武陵山區退耕還林工程與景觀格局耦合協調度影響不大。

退耕還林工程實施保持情況較好,生態系統服務穩步提升,但提升幅度相較于景觀格局演變情況還有很大的提升空間,主要是由于退耕還林工程以幼齡林和中齡林為主,林分在很長的一段時期內多數生態系統服務功能都處在較低水平,隨著時間的推移以及經營等手段的實施,未來生態系統服務功能將有更大的提升。同時,景觀格局在演變過程中,分布越來越均勻、形狀越來越規則,景觀豐富度和復雜度不斷升高,其中林地和草地受退耕還林工程影響,呈現集中分布趨勢,向著優勢景觀發展,但在武陵山區下一步生態建設時應注意增強各景觀類型的連接度,加強生態網絡的建設,增加區域內物質和能量的流動。

武陵山區實施退耕還林工程,有效提高了生態系統服務功能和改善景觀格局。在今后武陵山區發展建設過程中,可以結合退耕還林工程,進一步優化景觀格局,提高二者耦合協調度,規劃以保護生態環境和資源可持續發展為目的的景觀格局,對區域經濟發展和長江流域經濟帶建設都將帶來巨大收益。

5 結論

本文利用分布式測算方法對武陵山區退耕還林工程生態服務功能進行評估,與景觀格局演變情況進行分析,主要得出以下結論：

(1)2005—2017年間武陵山區退耕還林工程生態服務功能時空變化為：時間上,各項生態服務功能物質量增長程度均在15倍左右,空間上,分布格局最佳區域由西部地區逐漸向東南擴大；

(2)武陵山區景觀格局的時空變化以林地、耕地、草地為主,變化劇烈區域由西北地區逐漸向東南方向蔓延,景觀格局的連通性下降,抗干擾能力提升,耕地類型和林地類型的聚集程度和連通性增加,有形成優勢景觀的趨勢,與武陵山區退耕還林工程生態服務功能時空演變存在一定的相似性；

(3)武陵山區退耕還林工程成效明顯,與景觀格局演變具有較高的耦合協調度,以固碳和涵養水源功能對生態系統服務功能與景觀格局演變耦合協調度影響最高,片區內以水體為主的景觀有待進一步優化。