北京市景觀格局演變及其對多種生態系統服務的影響

楊婉清,楊 鵬,孫 曉,,*,韓寶龍

1 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所,農業農村部農業遙感重點實驗室,北京 100081 2 中國科學院生態環境研究中心,城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085

生態系統服務是指生態系統為人類提供的福祉,是人類生存與發展的基礎[1—2],土地利用變化可以顯著改變生態系統的模式和過程,導致生態系統服務的變化[3]。景觀格局是由不同的土地利用類型在空間上呈現的分布與組合形式,是各種生態過程在不同尺度上作用的結果[4—5]。隨著經濟、人口的不斷增長,人類對于生態系統的利用和消耗持續增加,帶來了嚴峻的生態環境問題[6],導致生態系統服務不斷退化[1]。從景觀角度考慮人與生態環境之間的相互作用,能夠為區域生態環境保護提供有力保障,切實有效地促進區域可持續性發展[7]。尤其是在人類活動與自然生態環境矛盾突出的快速城市化區域中,明確景觀格局與生態服務之間的關系,可以為深入研究生態系統服務時空演變對景觀格局的響應機制提供理論基礎,從而在景觀格局優化角度對生態系統服務的提升提供新的方法途徑。

景觀格局與生態服務之間的耦合關系研究是生態系統服務管理以及景觀可持續規劃等跨學科領域的熱點問題[8]。目前,大部分學者重點關注土地利用如何對生態系統服務產生影響,分析自然生態系統服務價值動態變化與土地利用之間的關系,例如：Terefe等分析了埃塞俄比亞森林地區的土地利用變化和生態系統服務價值變化,發現林地面積占比的減小,會使得該地區水量供應等重要生態系統服務功能喪失[9]；張發等探究了博斯騰湖流域土地利用變化與生態系統服務價值時空演變,發現水域、草甸和草原的面積變化是流域生態系統服務價值變化的主要影響因素[10]。也有學者關注景觀格局指數與生態系統服務價值之間的關系,例如：Ayinuer等研究了艾比湖流域生態系統服務價值與景觀格局變化之間的相關性,發現景觀多樣性指數與生態系統服務價值有顯著的正相關關系[11],Hou等研究了西安市生態系統服務價值與景觀格局變化之間的關系,發現聚集度指數對生態系統服務價值有正向影響[12]。其中,生態系統服務價值是通過對不同土地利用類型進行賦值的價值當量法來計算,賦值主要依據專家知識經驗,具有較大的不確定性[13]。因此,為了更加客觀地分析景觀格局與生態系統服務之間的定量關系,本研究旨在：(1)從多時空尺度,量化北京市景觀組成、景觀配置指數以及多種生態系統服務；(2)從景觀和類型兩個水平,探究多種景觀格局指數如何影響生態系統服務。

2016年公布的《新城市議程》中提到,到本世紀中葉,世界城市人口預計將增加一倍,隨著而來的城市化問題對于自然環境的可持續性帶來巨大的挑戰[14]。尤其對于高度城市化地區,北京市1980—2018年常住人口由904萬人增長到2154萬人,地區經濟總值由139億元增長到33106億元[15]。在經濟和人口不斷發展的過程中,北京市建設用地不斷擴張,景觀格局發生劇烈變化[16],并且引發了一系列的生態環境問題[17],生態系統服務也隨之受到威脅[18],研究北京市景觀格局對生態系統服務的影響對于區域景觀生態的可持續發展尤為重要。基于此,本研究旨在：(1)定量分析北京市1980—2018年景觀格局時空演變特征；(2)定量評估北京市1980—2018年生態系統服務時空演變規律；(3)探究北京市景觀組成與景觀配置指數對多種生態系統服務的影響。

1 研究區概況

北京市位于華北平原北部(39.4°—41.6°N、115.7°—117.4°E),下轄16個區縣,面積為16410km2,是全國的政治、經濟和文化中心。整體地勢西北高、東南低,其中,西、北和東北三面環山,山區面積約占總面積62%,東南部相對平坦[19]。平均海拔43.5m,年均降水506mm[20],屬于暖溫帶半濕潤半干旱季風氣候。2018年全市常住人口2154萬人,地區生產總值33106億元,城鎮化率為86%[15]。作為中國特大城市之一,北京市1980—2018年經歷了快速的城市化過程,也伴隨著巨大的景觀格局變化和生態系統服務退化[21]。

2 研究數據與方法

2.1 數據來源

本文的數據來源包括：(1)遙感影像數據：分辨率為30m的Landsat-MSS遙感影像(1980年)、Landsat-TM遙感影像(1990年、2000年、2010年)、Landsat-OLI遙感影像(2018年)5期影像數據,來源于美國地質勘查局網站(https://www.usgu.gov/)。(2)土地利用數據：分辨率為30m北京市1980年、1990年、2000年、2010年、2018年土地利用遙感監測數據,來源于中國科學資源環境科學與數據中心(https://www.resdc.cn/)。(3)統計數據：1980、1990、2000、2010、2018年北京市各地區主糧作物單產、面積數據,來源于北京市統計年鑒[15],中國農業年鑒[22]。(4)DEM數據：分辨率為30m的ASTER GDEM數據,數據來源于美國國家航天航空局網站(https://www.nasa.gov/)。

2.2 景觀格局分析

2.2.1景觀類型變化

基于土地利用數據,將北京市分為耕地、林地、草地、水體、建設用地、未利用地6類,利用經過鑲嵌,裁剪,幾何校正等處理后的遙感影像數據,采用監督分類方法對土地利用數據進行校正,得到Kappa系數大于80%且空間分辨率為30m的土地利用分布圖,分析北京市1980—2018年不同土地利用動態變化趨勢?？臻g疊加1980、2018年北京市土地利用分布圖,并利用轉移矩陣表示景觀類型轉移情況。

2.2.2景觀指數變化

景觀指數是指能夠高度濃縮景觀格局信息,有效反映其結構組成和空間配置等方面特征的簡單定量指標,分為3個層次：斑塊、類型和景觀水平[23]。各景觀指數本身有一定關聯,許多指數之間存在冗余,所以選取典型指數來表征景觀格局[24]。本研究通過閱讀相關文獻[16,23],從類型和景觀水平2個尺度共選取8個指數：斑塊密度、平均斑塊面積、邊緣密度、聚集度、景觀形狀指數、Shannon多樣性、連通性、蔓延度(表1),利用Fragstats 4.2.1軟件計算選取的景觀指數。

2.3 生態系統服務評估

2.3.1糧食供給

以北京市1980—2018年農田產量數據來量化北京市糧食供給服務,統計1980、1990、2000、2010、2018年北京市各地區主糧作物單產、面積數據,通過SPAM(Spatial Production Allocation Model)模型對多源數據格式進行一致化處理,基于模擬的作物空間概率分布以及作物空間競爭優化過程,將行政單元統計的作物產量值分配至像元尺度[25]。

表1 選取的北京市典型景觀格局指數

2.3.2水質凈化

水質凈化服務功能主要考慮植被對水體中氮元素的凈化能力,使用InVEST模型中的水質凈化模塊進行評估。本文選擇單位面積生態系統總氮輸出的多少來表示水質凈化服務的大小,即：單位面積生態系統總氮輸出越少,水質凈化服務越高。該模塊計算公式如下：

2.3.3空氣凈化

通過各類生態系統(例如森林、草地等)對總懸浮顆粒物TSP、可吸入顆粒物PM10、二氧化硫SO2以及氮氧化物NOx等顆粒截留吸收量來表征空氣凈化生態系統服務。

Si(TSP, PM10, SO2, NOx) =Ai×Pi

式中,Si(TSP, PM10, SO2, NOx)表示植被種類i對顆粒物的截留吸收量；Ai表示植被種類i的面積；Pi表示植物種類i單位面積對顆粒物的截留吸收量,各景觀類型的顆粒截留吸收量參數參考Wu、Landuyt等的研究[29—30]。

2.3.4氣體調節

生態系統通過增減大氣中的二氧化碳等溫室氣體調節氣候,本研究使用碳儲量來表征氣體調節生態系統服務。對每一種景觀類型,采用InVEST模型對四種基本碳庫進行估算,把各類碳庫的估測值用于土地利用空間分布圖上,從而生成整個景觀的碳儲量分布圖,計算公式如下：

Sc=Cabove+Cbelow+Csoil+Cdead

式中,Sc為總的碳儲量；Cabove為地上部分碳儲量；Cbelow為地下部分碳儲量；Csoil為土壤部分碳儲量；Cdead為死亡有機質的碳儲量。各景觀類型的生物質碳儲量參考Guo、He等的研究[31—32]。

2.3.5生境質量

棲息地的質量取決于來自威脅的外部壓力強度,以及棲息地類型對每種威脅的相對敏感性,采用InVEST模型中的生境質量模塊進行評估,結果用生境質量指數來表示,計算公式如下：

式中,Qxj為土地利用類型為j時柵格x的生境質量,Hj表示土地利用類型j的生境類型評估分數,Dxj則表示土地覆被類型j上柵格單元x的生境脅迫水平,z值表示所用到的尺度常量值,通常是2.5,k值是使用的半飽和常數。根據Wu等人的研究和當地調查確定本模塊中的參數[33]。

2.3.6休閑娛樂

通過Recreation Opportunity Spectrum(ROS)模型進行評估生態系統中的水體吸引力來表征休閑娛樂服務[34],結果由娛樂機會指數呈現,計算公式如下：

式中,d表示距河岸的距離,α和K分別表示函數的大小和形狀參數。

2.4 相關性分析

采用偏相關系數表示1980—2018年北京市生態系統服務與景觀格局之間的相關性,系數的大小表示兩者關系的強弱程度,系數為正表示兩者呈正相關,系數為負表示兩者呈負相關。本研究利用R 3.6.2實現生態系統服務與景觀類型面積以及景觀格局指數之間的偏相關分析和顯著性檢驗,并進行可視化。

3 結果與分析

3.1 景觀格局變化分析

3.1.1土地利用變化

圖1 北京市1980—2018年土地利用變化Fig.1 Changes of land use in Beijing City, 1980—2018

根據北京市1980—2018年不同土地利用變化情況(圖1),北京市景觀類型以林地為主,主要分布在北京市西部和北部的山區,而東南部的平原地區以耕地與建設用地為主,建設用地擴張地區主要位于北京市東南部；北京市1980—2018年耕地面積大幅減少,建設用地面積大幅增加,其中,耕地面積比例由 37%下降到23%,共減少2155km2,建設用地面積由8%增加到18%,面積增加1598km2。此外,草地、水體以及未利用地的面積變化并不明顯。

忽略面積比例較小的未利用地,由北京市1980—2018年土地利用轉移情況表(表2),可以看出：1980—2018年,北京市土地利用轉移面積達3803km2,占總面積的23%,表現出耕地的大量轉出和建設用地、林地大量轉入的特征。其中,耕地主要轉為建設用地,轉出為建設用地的面積占耕地總轉出面積的64%；建設用地主要由耕地轉入,占建設用地總轉入面積的87%；林地主要由耕地轉入,占林地總轉入面積的62%。其他土地利用類型之間有不同程度的轉換,但轉換率相對較低。

3.1.2景觀指數變化

由北京市1980—2018年景觀水平指數(表3)發現,北京市1980—2018年整體景觀更加破碎化。斑塊密度不斷增加,斑塊數目增多；景觀形狀指數不斷增加,景觀形狀趨于復雜化；蔓延度指數先增后減,景觀類型的聚集程度降低；連通度指數不斷減小,各景觀類型之間連通性降低,斑塊空間分布趨于零散；Shannon多樣性指數先增后減,總體減少,各景觀類型面積分布越來越不均勻。

表2 北京市1980—2018年土地利用轉移情況表/km2

表3 北京市1980—2018年景觀水平指數

由北京市1980—2018年類型水平景觀指數(表4)發現,耕地在1980—2000年斑塊數目增多,平均斑塊面積減小,斑塊邊緣密度增大,邊界形狀復雜化,斑塊聚集度降低,整體呈破碎化發展。2000—2018年,耕地呈現不同的變化規律,耕地斑塊聚集性增強；林地、草地以及建設用地在1980—2018年斑塊密度增加,平均斑塊面積減小,邊緣密度增加,斑塊聚集度降低,呈現空間破碎化,其中建設用地斑塊密度和邊緣密度均大幅增加,平均斑塊面積大幅減少,聚集度降低,斑塊破碎化程度高。

表4 北京市1980—2018年類型水平景觀指數

3.2 生態系統服務變化

3.2.1北京市1980—2018年生態系統服務時間變化

圖2 北京市1980—2018年生態系統服務變化Fig.2 Changes of the ecosystem services in Beijing from 1980 to 2018

北京市1980—2018年生態系統服務變化(圖2)顯示,除空氣凈化外的其他生態系統服務均呈現下降趨勢。1980—2018年北京市糧食生產、水質凈化、氣體調節和休閑娛樂服務先增后減,總體呈現下降趨勢,生境質量服務持續減少。其中,水質凈化服務在1990—2000年大幅減少,空氣凈化、氣體調節、休閑娛樂服務在2010—2018年顯著降低。

3.2.2北京市1980—2018年生態系統服務空間變化

根據北京市1980—2018年生態系統服務空間變化(圖3)顯示,生態系統服務呈現顯著的空間差異性。除糧食生產服務在東部、南部較高,西部、北部較低,其他服務均呈現西部、北部較高,東部、南部較低,中部最低的空間分布特征；1980—2018年北京市中部地區糧食生產服務明顯減少,空氣凈化、氣體調節、生境質量、休閑娛樂服務在空間上呈現東部和南部地區減少的趨勢,尤其是在建設用地擴張地區呈現顯著減少的變化特征。

圖3 北京市1980—2018年生態系統服務空間變化Fig.3 The spatial changes of the ecosystem services in Beijing from 1980 to 2018

3.3 北京市生態系統服務對景觀格局的響應

3.3.1生態系統服務對景觀水平的響應分析

由生態系統服務與土地利用類型面積的偏相關分析(圖4)可知,景觀組成對生態系統服務有顯著影響。耕地面積與糧食生產以及水質凈化服務有正相關關系；林地、草地面積與空氣凈化、氣體調節、生境質量、休閑娛樂服務均有正相關關系,其中空氣凈化、氣體調節、休閑娛樂等服務對林地的響應最為強烈；建設用地面積與所有的生態系統服務均有負相關關系,其中生境質量服務對建設用地的響應最為強烈。

由生態系統服務與景觀水平指數的偏相關分析(圖4)可知,區域內景觀破碎化程度以及多樣性對生態系統服務有顯著影響。斑塊密度與區域內所有生態系統服務均有負相關關系,斑塊形狀指數與區域內所有生態系統服務均有正相關關系；景觀多樣性與除糧食生產服務外的其他生態系統服務有正相關關系。其中,斑塊密度與生境質量服務有顯著的負相關關系,景觀多樣性與生境質量服務有顯著的正相關關系。

圖4 生態系統服務分別與土地利用類型面積以及景觀水平指數的偏相關分析Fig.4 Partial correlation analysis between ecosystem services and land use types and partial correlation analysis between ecosystem services and landscape metrics for landscape levels CL：耕地 Cropland;WL：林地 Woodland;GL：草地 Grassland;WB：水體 Water bodies;BL：建設用地 Built-up land;FP：糧食生產 Food production;WP：水質凈化 Water purification;AP：空氣凈化Air quality regulation;CS：氣體調節 Carbon storage;HQ：生境質量 Habitat quality;REC：休閑娛樂 Recreation opportunity;PD：斑塊密度 Patches density;LSI：景觀形狀指數 Landscape shape index;CONTAG：蔓延度 Contagion index;CONNECT：連通性 Connectance index;SHDI：Shannon多樣性指數 Shannon diversity index;***,P<0.001；**,P<0.01；*,P<0.05

3.3.2生態系統服務對類型水平的響應分析

由生態系統服務與景觀類型指數的偏相關分析(圖5)可知,各景觀類型的景觀指數對生態系統服務的影響具有差異性。耕地的平均斑塊面積與邊緣密度與糧食生產服務有顯著的正相關關系；林地的平均斑塊面積和空間聚集度與空氣凈化、氣體調節、生境質量、休閑娛樂服務有顯著的正相關關系；建設用地邊界密度和空間聚集度與空氣凈化、氣體調節、生境質量、休閑娛樂服務有顯著的負相關關系。

圖5 生態系統服務與景觀類型指數的偏相關分析Fig.5 Partial correlation analysis between ecosystem services and landscape metrics for class levels ED：邊緣密度 Edge density；MPS：平均斑塊面積 Mean patch area；AI：聚集度 Aggregation index;***,P<0.001；**,P<0.01；*,P<0.05

4 討論

1980—2018年,北京市中心城區建設面積不斷向外擴張,斑塊呈現破碎化趨勢,其中受影響最大的是耕地,耕地斑塊變得破碎且分散[35—36]。同時,城市化發展過程對北京市的景觀結構配置造成顯著影響,尤其是2000年之后,受到人類活動的劇烈影響,北京中心城區、東南部地區建設用地組分優勢度明顯,導致北京市整體景觀破碎化增加,多樣性降低[16]。

北京市在過去38年間,生態系統服務嚴重下降,這主要是由于人類頻繁的社會經濟活動造成了自然生態系統的嚴重破壞[37]。尤其是東南部地區,建設用地占比不斷增大,因此生態系統服務明顯下降。西部和北部地區,山地面積占比較大,受人類活動干擾較少,植被生物量較高[38],提供的調節和文化生態系統服務相對更高。

土地利用變化是北京市生態系統服務變化的主要原因,當林地等自然生態系統向建設用地等人工生態系統發生轉變時,會帶來生態系統服務與生物多樣性的減少[18,39]。林地面積的增加有助于提高生物物質以及木材生產的碳儲存量,并適度促進土壤中碳的儲存[40],植被葉片的微觀結構與去除空氣中大小顆粒能力密切相關[41],因此,增加林地面積對空氣凈化、氣體調節服務有顯著的正向效應；隨著經濟和人口的增長,建設用地不斷擴張,自然生境遭到破壞,導致生物多樣性降低,區域生境質量變差[42]。

不同的景觀配置會對北京市生態系統服務有顯著影響。增加景觀多樣化與景觀類型均衡分布,有助于提高生態系統的穩定性[11],而破碎的景觀會阻礙區域間的能量流動,改變物質和營養循環過程,對生態系統服務有顯著的負面影響[43]。耕地斑塊破碎化不利于農田的規?；芾砗娃r業資產的合理配置,會嚴重影響糧食生產效率[44—45]；林地斑塊面積越大,空間分布越聚集,生態系統提供的空氣凈化、氣體調節、生境質量服務則越多[46]；不規則建設用地斑塊數量越多,空間分布越聚集,造成自然生境斑塊更加破碎,連通性不斷降低,生境質量不斷下降[47]。

本文從景觀組成與景觀配置兩個方面,分析了北京市景觀格局對多種生態系統服務的影響；未來的研究應基于具體的生態過程及其機制,通過改變景觀格局,引起生態過程變化,從而提升區域生態系統服務；針對特定區域進行景觀優化,在保證生態系統穩定性的同時為人類提供更多的福祉,促進生態系統的可持續發展[48—49]。

5 結論

(1)1980—2018年,北京市景觀格局發生劇烈變化,建設用地面積顯著增加,耕地面積顯著減少；景觀整體呈現破碎化趨勢,斑塊異質性增加。多數生態系統服務呈下降趨勢,其中東南部地區的生態系統服務減少最為明顯。

(2)景觀水平上,增加林地、草地面積對空氣凈化、氣體調節服務有顯著的正向效應,增加建設用地面積對生境質量服務有顯著的負向效應；降低景觀破碎化程度,增加景觀多樣性對生態系統服務有正向效應；類型水平上,增加耕地的平均斑塊面積對糧食生產服務有顯著的正向效應,增加林地的聚集度對空氣凈化、氣體調節服務有顯著的正向效應,而增加建設用地的聚集度對生境質量服務有顯著的負向效應。

(3)未來城市化發展過程中,針對生態系統服務的空間異質性特征,北京市不同區域應采取因地制宜的景觀可持續規劃策略。在順義區、通州區等東部地區,應重點提升糧食生產服務,避免建設用地無序擴張與破碎化發展,優先保護耕地資源,增加平均斑塊面積與空間聚集度；在市中心地區,應重點改善調節服務,減小建設用地的聚集度,提高林地、草地的等綠色基礎設施的景觀組成比例與空間聚集度；在懷柔區、密云區、門頭溝區等西北部地區,應充分發揮其較高的調節和文化服務供給能力,避免林地、水體等自然景觀面積比例的減少,從而促進區域的景觀可持續發展。