渭北高原土地利用與生態服務功能響應研究

李曉華焦曉雙

(1.中煤航測遙感集團有限公司，陜西 西安 710199；2. 61363部隊，陜西 西安 710199)

景觀格局的演變是研究區域人類活動與經濟發展的重要基礎，定量化景觀指數是區域景觀格局演化研究的基本方法。生態系統服務功能是生態系統和生態過程所形成和所提供的人類生產活動依靠的自然環境模式[1-3]。兩者均能直觀地表示區域內自然與人類活動的變化過程，但兩者又相互制約、相互作用，變化的景觀格局將會造成生態系統組成部分、結構與生態變化過程及物種豐富性等發生一定的變化，對生態系統功能產生明顯的影響[4,5]；生態系統服務的喪失和退化影響著景觀類型變化的速度和方向，深刻影響了人類生活和發展，繼而威脅了當地甚至全世界的生態可靠性[6]。因此，分析景觀格局的變動模式及生態系統服務的價值，能高效地了解當地生態環境變化方向、合理分配利用土地、提高區域生態質量、促進人類與自然和諧可持續發展[7-9]。

對生態系統服務進行價值評價能夠定量分析生態系統服務功能的大小，是研究生態環境補償法規的基礎依據[10]，國際上主要以Costanza[2]等提出的基于效用價值理論和平衡值方法的生態系統服務價值計算模型，但該方法準確度較低，不符合我國國情。謝高地等[11]參照國外的研究結果，對我國區域生態系統服務價值進行計算和時空動態變化分析，較為系統地詮釋了中國生態系統服務價值的空間分布規律；彭建等[12]參考Costanza的研究成果，定量計算了中國地區景觀模式變化的生態響應；李志等[13]計算了王東溝流域土地利用的生態服務價值，結果表明了景觀格局變化與生態服務效應的相關性；陳希等[14]根據湘江流域30a間3期數據，運用地理信息系統軟件，用景觀指數和生態服務價值模型，定量計算了不同類型景觀的景觀格局時空變化模式和生態服務價值。

千陽縣地處陜西西部，境內主要地貌為丘陵溝壑，是陜西貧困山區農業縣，“人多地少、土地資源有限”是千陽縣的實際情況[15]。本文以千陽縣作為研究對象，將RS、GIS與景觀指數相結合，基于生態系統服務價值的數學模型，定量化分析景觀格局變化與生態系統服務價值的響應。研究結果將對千陽縣后續合理利用土地、分配優勢資源、促進區域可持續性發展提供科學依據，同時為國家在黃土高原區域的生態保護、土地利用、資源分配等政策制定提供理論參考。

1 研究區概況

千陽縣位于陜西西部，地處渭北旱塬丘陵溝壑區，地形地貌為“七山二塬一分川”，全縣土地總面積1007.48km2，境內轄7鎮65個行政村，總人口13.4萬人，境內高程起伏較大，相對高差835.5m, 氣候類型為暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候；年均氣溫10.9℃，年均降水677mm，無霜期197d。境內渭河支流千河橫貫東西。主要景觀類型為耕地、林地、草地、建設用地、水體、未利用地。

2 數據來源及方法

2.1 數據來源及數據預處理

本文選用2000年、2005年、2010年Landsat TM影像以及2015年Landsat OLI影像，利用ENVI 5.1軟件對遙感影像進行預先處理，幾何精校正，圖像融合、鑲嵌和裁剪，處理后繼續按人機交互模式進行解譯。以《土地利用現狀分類》為基本方法，根據土地利用和生態價值的研究目標以及研究區實際情況將景觀類型劃分為林地、草地、耕地、建設用地、水體以及未利用地6大類。經野外實際計算檢驗，精確度達到85%以上。

2.2 研究方法

2.2.1 景觀格局演變

2.2.1.1 景觀指數選取

景觀指數是指能夠高度濃縮景觀格局信息，反映了景觀格局的結構成分和空間排列等景觀鑲嵌體的量化公式[16]。本文依照研究需求，選取了斑塊類型面積(CA)、斑塊面積比例(PLAND)、斑塊數(NP)、景觀形狀指數(LSI)、聚集度(CLUMPY)、斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(LPI)、平均斑塊面積(AREA_MN)；景觀水平上選取斑塊數(NP)、斑塊密度(PD)、香農均勻度(SHEI)、香農多樣性(SHDI)、景觀形狀指數(LSI)、景觀豐富度(PR)、蔓延度(CONTAG)、最大斑塊指數(LPI)、平均斑塊面積(AREA_MN)來說明各景觀類型面積、復雜度、破碎度等空間特征

2.2.1.2 土地利用程度

土地利用程度一般用來描述區域土地利用的程度和深度，能夠將自然屬性和人類活動結合起來反映土地變化的綜合效應[17,18]。

(1)

式中，Lu為土地利用程度綜合指數；Pi為第i級土地利用程度分級指數；Qi為第i級土地利用程度分級面積百分比。

2.2.2 ESV評估

目前，生態系統服務價值的評估主要以Costanza[2]等提出的生態價值估算方法為主，但該方法適用性較弱，誤差較大。因此，謝高地等[8]在Costanza評價模型的基礎上，提出了估算我國生態系統服務價值的價值當量因子表。生態系統服務價值系數的計算公式：

(2)

式中，VC0為ESV 當量因子的價值量，元·hm-2·a-1；P為平均糧食價格，元·kg-1；Qi為研究區平均糧食產量，kg·hm-2；n為年份數，年。價值當量乘以農田自然糧食產量的經濟價值即可定量化出景觀類型單位面積生態價值。評估千陽縣ESV的公式：

(3)

ESVf=∑(Ak×VCfK)

(4)

式中，ESV為生態系統服務價值，元；Ak為景觀類型K的面積，hm2，VCk為ESV系數，元·hm-2·a-1；ESVf為生態系統第f項服務功能價值；VCfk為景觀類型k的第f項服務功能價值系數，元·hm-2·a-1。

3 結果與分析

3.1 景觀類型水平變化特征分析

各景觀類型的景觀指數變化情況分析見表1，2000—2015年，隨著人類活動的不斷增加，耕地各景觀指數呈下降趨勢，景觀形狀指數下降13.14%，表明耕地景觀類型趨于規則，與聚集度指數對比，耕地景觀類型的連通性增加，破碎化程度降低；林地作為該研究區的優勢景觀類型，與草地有類似的指數變化趨勢，兩者斑塊數和斑塊密度指數整體下降，但都在2015年有小幅回升，說明林地景觀類型與草地景觀類型整體形狀趨于簡單規則，在2015年由于自然及外界因素的干擾，破碎度隨之提升，景觀異質性增強；隨著城鄉城市化的加速發展，研究區建設用地的斑塊面積比例和最大斑塊指數都在逐年增加，代表著人類活動的干擾強度增強，同時未利用地得到了有效利用；水體在研究區內面積有所減少，聚集度和景觀形狀指數降幅最大，說明在人類活動的干預下，該區域水體破碎程度嚴重。

3.2 景觀級別水平變化特征分析

從表2中可以看出，研究區2000—2015年景觀形狀指數持續減少，說明該研究區內人類的活動干預使景觀形狀趨于集中。但在研究期間斑塊數和最大斑塊指數一直呈現減少趨勢，表明研究區總體呈破碎趨勢，景觀優勢度下降。蔓延度持續增長，說明優勢斑塊形成了良好的連通性，并且該優勢斑塊區域擴大。研究區香農多樣性和香農均勻度指數變化趨勢相同，呈現先增加后減少再增加的趨勢，總體表現有所提高，說明2000年景觀多樣性和均勻度最小。此時研究區內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，說明研究區內各景觀斑塊類型分布趨于均勻，景觀的優勢度逐漸降低，多樣性提高。

表1 2000—2015年千陽縣景觀類型水平指數

表2 2000—2015年千陽縣景觀級別水平指標

3.3 景觀類型面積變化特征及相互轉化關系分析

圖1為研究區4期土地利用類型圖。根據表3發現，2000—2015年各景觀類型面積都發生了變化，其中，耕地面積總體變化量最大，并在2000—2005年期間變化量達到峰值，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，總體變化量為3383.4hm2；林地面積逐年上升，總體變化量為3705.42hm2；建設用地面積保持增長態勢，在2005—2010年間達到增長峰值，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年開始減弱趨勢放緩，總體變化量為-186.72hm2。由表4可知，近15a間，研究區轉出面積最大的景觀類型是耕地，占總轉出面積的90.51%；轉入面積最大的類型分別為林地和草地，分別占總轉入面積的49.59%和43.65%。結果表明，研究區受政府政策影響，為了恢復自然生態、防止水土流失及人類破壞，將部分耕種區域和坡度較大的不適宜耕種的地區轉移為林地和草地，其次部分耕地轉化為建設用地，而未利用地大部分轉變為水體，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移，水體面積的增加以及未利用地的充分利用，使得研究區的整體生態環境逐步趨好，生態系統服務功能得到提高。

圖1 2000—2015年千陽縣4期土地利用類型圖

表3 各景觀類型面積變化量及百分比

表4 2000—2015年景觀類型面積轉移矩陣

3.4 土地利用程度分析

研究區4期土地利用程度指數見表5，從2000—2015年間，土利用程度指數呈逐步上升趨勢，并且均高于全國平均值231，2015年土地利用程度指數最大。說明近15a，千陽縣在土地利用層面有了巨大改善。土地得到有效的利用，并且土地利用趨于均勻，土地利用多樣性增強，景觀的功能性得到了提升。

表5 2000—2015年土地利用程度指數

3.5 生態系統服務價值變化分析

3.5.1 總體生態系統服務價值的變化

由表6可知，研究區近15a總體ESV呈現上升趨勢，總體上升4.34%，但從各年變化率看，這種上升趨勢在明顯減弱。從各景觀類型角度上看，2000—2015年期間除耕地和未利用地的ESV下降以外，其它各景觀類型的ESV均有不同程度上升，其中，林地的ESV增加83.087×105元，增幅為7.67%；水體的ESV增加9.05×105元，增幅為15.31%；草地的ESV增加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52.321×105元，降幅達21.46%；而未利用地的ESV降幅最大，達到97.17%，下降0.08×105元。總體來說，研究區在研究期期間的總體ESV上升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基數較低，產生的影響并不大，而耕地ESV的下降直接影響林地與草地ESV的上升，對研究區總體ESV的增加起著關鍵引導作用。

表6 2000—2015年不同景觀類型的生態系統服務價值及變化量

3.5.2 單項生態系統服務價值的變化

單項生態系統服務價值的變化見表7，2000—2015年期間，研究區食物生產功能價值的降幅度最大，下降6.132×105元，降幅達13.66%；價值增長最多的是生物多樣性，增漲11.23×105元，增幅達6.91%。2000—2005年期間，各單項功能價值變化幅度最為明顯，其中水源涵養服務價值增長最多，增漲價值達10.581×105元，增幅達4.85%。2005—2015年期間，各單項功能價值變化趨勢減弱，直到2010年后，各單項生態系統服務價值的變化率達歷年最低，浮動最小。從研究區整體單項構成來看，各單項服務功能價值可概括為土壤形成與保護>水源涵養>生物多樣性保護>氣體調節>氣候調節>廢物處理>原材料>娛樂文化>食物生產。土壤形成與保護服務功能價值最高，占總功能價值的18.25%；其次是水源涵養服務功能，占總體服務價值的14.9%；再次是生物多樣性保護、氣體調節、氣候調節服務功能三者合計占總體服務價值的39.69%；食物生產占總體服務價值的比例最低，僅為2.49%。其主要原因是林地與草地類型的增加，提高了區域生態環境，直接影響了土壤形成與保護和水源涵養服務功能，提高了區域水土保持和涵養水源的能力，導致土壤形成與保護及水源涵養服務價值得到了提高；由于部分耕地類型轉變為林地與草地，加之政府部門推動現代化城鎮建設以及娛樂文化服務價值的提高，影響到食物生產能力的減弱，導致該區域食物生產服務價值的下降。

表7 2000—2015年千陽縣生態系統服務價值結構變化

4 結論與討論

從景觀格局來看，2000—2015年千陽縣景觀類型變化明顯，耕地轉出比例90.51%，大部分轉為林地與草地，轉入面積分別為4066.56hm2和3579.3hm2，此外耕地景觀類型形狀趨于規則，聚集度及連通性增強。林地與草地景觀類型的斑塊數和斑塊密度指數整體下降，2010年后又有小幅提升，說明受自然和外界因素干擾，破碎度提升，景觀異質性增強。此外，隨著人類活動的干預，建設用地的斑塊面積比例和最大斑塊指數都在逐年增加，同時水體的聚集度和景觀形狀指數下降，說明在人類活動的干預下，該區域水體破碎程度嚴重，未利用地得到充分利用。從景觀級別水平變化特征分析，2000—2015年斑塊數和最大斑塊指數一直呈現減少趨勢，表明研究區總體呈破碎趨勢，景觀優勢度下降。通過蔓延度、香農多樣性與香農均勻度指數的增長，說明近15a千陽縣景觀多樣性、均勻度和連通性得到提升，景觀類型分布均勻，景觀優勢度降低，景觀多樣性提高。

從生態系統服務價值來看，近15a的千陽縣ESV呈上升趨勢，總體上升4.34%。從各景觀類型的ESV來看，2000—2015年，除耕地與未利用地的ESV呈下降趨勢外，其它景觀類型的ESV均有不同程度上升，其中草地的ESV增幅最大，達23.1%。從單項ESV的變化情況來看，近15a的食物生產功能價值降幅最大，達13.66%，千陽縣的生態服務價值中主要由土壤形成與保護、水源涵養、生物多樣性保護功能價值構成，其中土壤形成與保護占總功能價值的18.25%。可以分析得出，ESV的變化與景觀格局的變化息息相關，景觀類型的轉變影響著ESV的價值走向，決定著區域生態服務價值的大小。

敏感性驗證結果表明，研究區的ESV對VC缺乏彈性，采用的價值系數適用于研究區的實際情況，得出的ESV準確可信。近15a，土地利用程度指數逐漸提高，均大于國家平均水平231，表明土地利用趨于穩定和規范，土地得到了有效利用。

但是ESV估算模型在準確性和時效性上仍有待提高，其較適用于長時間序列中的生態系統服務價值估算，不同的生態服務功能有其不同的功能量化估算公式，不同的生態服務功能估算公式又適用于不同的生態系統，如何更好地整合和提高現有的生態服務功能估算方法，并將生態服務功能價值量化，是下一步需要研究和探索的重點。