西安市城市化對景觀格局及生態系統服務價值的影響

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 省部共建西北旱區生態水利國家重點實驗室, 西安 710048;2 旱區生態水文與侵蝕災害防治國家林業局重點實驗室, 西安 7100483 西安市水利水土保持工作總站, 西安 710016

隨著國民經濟的高速發展,中國城市化的進程不斷加快,城鎮土地快速擴張和經濟集聚發展,同時產生了一系列城市環境問題,對生態環境造成了一定的壓力[1]。城市病,是指城市在發展過程中出現的交通擁擠、環境污染、能源緊缺等問題[2]。主要表現為：城市規劃和建設盲目向周邊擴延,占用大量耕地,城市規劃布局分散,城市霧霾、內澇、熱島效應等問題加劇[3]。不合理的土地利用轉換將使景觀碎片化,并對生態系統造成負面影響。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系統服務價值之間的特征和關系,為城市規劃和生態可持續發展提供有效依據。

城市化進程改變區域景觀格局,景觀格局變化必然影響生態系統組分、結構與生態等過程,從而改變生態系統服務[4]。生態系統服務是人類從生態系統中直接或間接得到的產品和服務[5]。Costanza于1997年[6]提出生態系統服務價值估算方法,引起國內外科學界對生態系統服務的廣泛研究[7]。在國內主要是以謝高地等[8]的研究為基礎,根據各區域實際情況調整生態服務當量因子表,從而比較科學地估算研究區生態系統服務價值,為區域生態環境建設提供依據[9]。因此,在經濟飛速發展,城市化進程不斷加快的背景下,探索城市景觀格局與生態系統服務功能之間的關系對于指導城市建設規劃布局與資源配置具有重要的理論意義。

在城市規劃與形態方面,Burgess提出了關注城市空間功能分區的同心帶理論[10]。城市功能區是城市功能景觀的混合體,反映了從市中心到農村的景觀結構變化[11]。城鄉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]。城鄉梯度為進一步研究城市景觀生態提供了一個新的視角,可以量化景觀指數和生態系統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動作用[16-18],景觀及土地利用變化對生態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劃區域或者側重單一破碎化過程的影響[22-24]。然而,城市化是涉及人力、經濟和社會等多方面共同作用的復雜的過程,景觀格局與生態系統之間關系繁雜,景觀指數和生態系統服務價值是如何響應城鄉空間特征的,以及沿城鄉梯度呈現出什么樣的變化,目前還未完全弄清楚。本研究主要創新之處是從城市空間功能分區的同心帶理論這一角度出發,建立城鄉梯度帶,分析景觀格局和生態服務價值對城市發展過程的響應。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與生態系統服務價值之間的關系,可為其他類似地區改善生態環境提供理論依據。

1 研究區與研究方法

1.1 研究區概況

西安地處關中平原中部,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祥地之一,也是絲綢之路的起點。西安市位于東經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。該區域屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候,大氣環流的季節性變化明顯,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,隨著經濟社會的快速發展以及城市化進程的加快,西安市景觀格局發生了很大變化,景觀格局的改變對西安市的生態環境產生了重要影響。

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

1.2 數據來源

研究區社會經濟數據,主要來自中華人民共和國國家統計局網站和西安市統計年鑒等資料。遙感影像數據來源于西安市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,結合西安市數字高程模型(DEM)和野外實地調研數據,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的土地利用類型分為耕地、林地、草地、水體、建設用地和未利用地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

圖2 同心緩沖區的建設Fig.2 Construction of concentric buffer

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

1.3.2景觀指數選取

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

表2 景觀格局指數及生態學意義

1.3.3生態系統服務價值評估

(1)生態系統服務價值系數

Costanza等[6]的研究提出了可對研究區生態價值量進行全局性測度的生態系統服務價值估算方法,但限于全球尺度。謝高地等根據中國實情,制定了中國陸地生態系統單位面積生態服務價值表[8],基于謝高地等[26]提出的單位面積生態系統服務價值當量因子法計算研究區主要景觀類型的氣體調節、氣候調節、土壤保持、水源涵養、廢物處理和生物多樣性價值,根據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系統服務價值(表3)。

表3 西安市生態系統單位面積生態服務價值/(元 hm-2 a-1)

(2)生態系統服務價值評估

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

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

1.3.4景觀指數與生態系統服務價值相關性分析

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

2 結果與分析

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生了較大變化,主要表現在各景觀類型面積的動態演變(圖3)。研究區基本上以耕地、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、建設用地面積波動增加,其中建設用地面積增加了554.23 km2,結合土地利用轉移矩陣 (表4)增加面積主要來源于耕地轉化。

1980—2015年間,西安市CONTAG、COHESION、NP和PD總體呈現出減少的變化趨勢,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,導致斑塊優勢度增加,小而分散的斑塊轉換為大而集中的斑塊,同時不規則程度增加,道路、居民點等景觀的增加導致景觀內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1980—2015年土地利用/土地覆被轉移矩陣/km2

表5 西安市1980—2015景觀格局指數

2.2 土地利用與景觀格局梯度變化

圖4顯示了1980—2015年沿城鄉梯度的土地利用類型百分比。結果表明,距市中心距離越近,建設用地比例越高,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。

PD、ED、LPI、DIVISION、SHDI和AI的結果表明(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景觀指數最大,由于市區邊緣的區域受到與城市擴張相關的開發和建設活動的顯著影響,城市邊緣區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現,緩沖區(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則。SHDI逐漸增加而COHESION、AI和CONTAG逐漸減小,說明遠離市區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年景觀指數沿城鄉梯度分布Fig.5 Landscape index distribution along urban-rural gradient from 1980 to 2015

2.3 不同景觀的生態系統服務功能價值分析

依據西安市3期土地利用數據,結合生態服務價值系數(表3),估算西安市景觀格局改變引起的ESV變化(圖6,表6)。結果表明：1980—2015年,西安地區總生態服務價值減少了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,建設用地的ESV呈增加趨勢。林地是提供生態系統服務的主要土地類型,其次是耕地；各項生態服務功能中最突出的功能是土壤保持功能,氣體調節最低。1980—2015年隨著景觀格局的演變,各項生態服務功能的價值均呈現波動減少趨勢,廢物處理功能減少最多為6.01%。

2.4 生態系統服務價值沿城鄉梯度的變化

城市化在時間和空間尺度上對ESV都會造成影響,構建同心圓緩沖區來探討ESV沿城鄉梯度的變化特征。由于緩沖區面積大小不同,分析時采用各緩沖區ESV平均值。結果表明緩沖區總ESV均值在0.19×106—3.54×106元/km2之間,呈現從市中心到農村遞增的趨勢(圖7),生態足跡隨著距離市中心距離的增加而逐漸增加,較高的生態景觀主要分布在植被較多、人類活動較少的自然景觀區域,且由于城市化的影響時間上ESV均值呈現逐年減少現象。沿城鄉梯度,土壤保持的ESV增長最快,氣體調節的ESV最低。水源涵養的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)。結合土地利用圖,水體主要分布在該區域內,是水源涵養ESV的主要影響因素。

圖6 1980—2015年西安市各服務功能生態價值量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 景觀指數與生態系統服務價值的響應關系

利用皮爾遜相關系數分析ESV指標以及景觀指數因子之間的相關性(表7)。結果表明,SHDI與各類型ESV之間存在顯著的相關關系,其中水源涵養與SHDI的相關性最高(0.847),其次是總ESV與SHDI的相關性(0.814)。此外,廢物處理與CONTAG之間也存在顯著的相關性(-0.810),LPI與不同類型的ESV呈高度負相關,FRAC_MN與各類型ESV的相關性較差。減少建設用地斑塊集中化、集聚化的發展,調節各類型用地均衡發展,提高斑塊多樣性會增加生態系統服務價值。

表7 景觀指數與各項生態系統服務價值的相關系性分析

3 討論

3.1城市化發展對生態系統服務價值的影響

程琳[29]對中國超大城市ESV研究發現,1995—2008年間城市的土地利用及ESV動態演變之間存在差異；王麗群[9]對北京邊緣地區牛欄山—馬坡鎮ESV變化進行分析,發現隨著經濟的發展,ESV呈現增加趨勢；而王佼佼[30]對北京市順義區2000—2008 ESV變化的研究發現,由于城市化發展,建設用地通過占用耕地、水域等面積不斷增加而使得ESV降低；說明研究區域不同,城市內部政策導向和經濟發展方式間存在差異,對ESV帶來的影響不盡相同。西安市1980—2015年經濟逐步發展,耕地、林地和草地不斷向建設用地轉換,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,大部分轉化為建設用地,而建設用地生態價值系數低；(2)城市建筑景觀的擴張與蔓延、主要交通干線的建設和延伸加劇了西安市景觀破碎度,對各景觀類型之間的養分循環帶來影響,導致生態系統服務中的占比較高的土壤保持與氣候調節功能降低；(3)工業發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中要對耕地實行特殊的保護政策,嚴格控制建設用地的比例,減少建設用地斑塊集中化、集聚化的發展,調節各類型用地均衡發展,同時提高城市綠化率,增加在生態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環境,提高生態系統服務價值。

3.2 景觀格局與生態系統服務價值的關系

景觀格局改變影響生態系統物質循環和能量流動過程,并通過與生物及非生物過程的相互作用,最終導致區域生態系統服務價值量的變化[31]。顧澤賢等[32]分析了瀾滄縣ESV與景觀格局的關系,發現ESV與PD、DIVISION、SHDI等呈負相關,與LPI、CONTAG、AI均呈現正相關。張明陽等[33]以桂西北典型喀斯特區為例,研究景觀格局變化對ESV的影響,得出ESV與LPI、CONTAG呈正相關,與DIVISION、SHDI負相關,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域ESV與景觀格局的關系,發現土地利用越豐富、景觀越破碎化、多樣性程度越高有利于提高整體服務價值。本研究發現ESV與SHDI和PD呈正相關,與CONTAG呈負相關,該結果與岑曉騰一致。主要是由于西安市城市景觀的集聚發展,斑塊類型單一引起,故在城市規劃中增加景觀的多樣性,調節各類土地均衡發展從而提高城市生態系統的價值。

3.3 城鄉梯度下城市景觀變化

城鄉交錯帶,是由社會、經濟、文化等多種因素綜合作用所形成的城市與鄉村的過渡區域[35],景觀格局的變化揭示了城市發展和人類活動的空間趨勢,探索城鄉關系及其景觀格局是理解中國社會經濟轉型的關鍵[36]。本研究以同心圓理論為基礎,沿城鄉梯度對景觀格局與ESV的關系進行了研究,但是景觀指數和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和發展趨勢方面存在局限性。空間尺度也是顯著影響生態系統服務及其價值的重要因素[37-38],因此在城市地區采用更精細的分辨率數據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 結論

(1)1980—2015年西安市各景觀類型面積發生顯著變化。35年間耕地、草地面積逐漸減少,建設用地面積波動增加,主要來源于優勢景觀耕地的轉化；受城市的擴張以及人類活動的干擾,景觀格局發生顯著變化,斑塊優勢度增加,同時不規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)沿城鄉梯度,距市中心距離越近,建設用地比例越高,且各年增加的比例逐漸加大。景觀高度異質性主要出現在距市中心10 km的城市邊緣區,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,西安地區總生態服務價值減少了9.56億元,耕地減少最多(6.83億元),林地是提供生態系統服務的主要土地類型。沿城鄉梯度,總ESV均值呈現從市中心到農村遞增的趨勢,土壤保持的ESV增長最快,時間上ESV均值呈現逐年減少現象。

(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關系,LPI與不同類型的ESV呈高度負相關。減少建設用地斑塊集中化、集聚化的發展,調節各類型用地均衡發展,提高林地斑塊多樣性會增加生態系統服務價值。